換向閥中位機(jī)能在液壓回路中的合理應(yīng)用

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

換向閥用于控制液壓回路中液流的方向或通斷，最終目的是控制執(zhí)行元件的進(jìn)退(液壓缸)、正反轉(zhuǎn)(液壓馬達(dá))、啟動或停止，是液壓回路中必不可少的構(gòu)成元件。三位換向閥處于中位(常態(tài)位)時各油口的連通方式稱為換向閥的中位機(jī)能。中位機(jī)能不同，即油口的連通方式不同，液壓系統(tǒng)的控制性能也不相同。在設(shè)計(jì)液壓回路時，正確合理選用換向閥的中位機(jī)能往往起到至關(guān)重要的作用。反之，中位機(jī)能選用不當(dāng)，可能會影響系統(tǒng)的預(yù)定功能，甚至帶來嚴(yán)重的故障。

1 中位機(jī)能的特點(diǎn)及應(yīng)用

常用的換向閥中位機(jī)能有O型、M型、H型、Y型等。圖1為常見的換向閥中位機(jī)能的簡化符號。

1.1 O型中位機(jī)能

1.1.1 O型中位機(jī)能的特點(diǎn)

O型中位機(jī)能的各油口全封閉，油液不流通。執(zhí)行元件可在任意位置上被鎖住，換向位置精度高。但因運(yùn)動部件慣性引起的換向沖擊較大。重新啟動時因兩腔充滿油液，故啟動平穩(wěn)。泵不能卸荷，但系統(tǒng)能保持壓力(因?yàn)橛行孤?，所以保壓是暫時的)[1]。

1.1.2 O型中位機(jī)能的應(yīng)用

(1)O型中位機(jī)能用于卸荷回路。所謂卸荷，即泵的功率損耗接近于零的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。功率為流量與壓力的乘積，無論是流量近似為零還是壓力近似為零，功率損耗即接近于零，因此卸荷有流量卸荷和壓力卸荷兩種方法。流量卸荷法用于變量泵，一般變量泵當(dāng)工作壓力高到某數(shù)值(例如限壓式變量葉片泵在截止壓力下運(yùn)轉(zhuǎn))時，輸出流量為零，所以O(shè)型機(jī)能三位換向閥處于中位時，如圖2所示，變量泵便處于卸荷狀態(tài)。此法簡單，但因?yàn)楸玫妮敵鰤毫芨撸p比較嚴(yán)重[1]。

中位機(jī)能圖形符號中位機(jī)能圖形符號O型H型M型Y型

圖1 常見的換向閥中位機(jī)能的圖形符號
Figure 1 Symbols of typical median position function of reversing valve

(2)O型中位機(jī)能用于鎖緊回路。由于O型中位機(jī)能使得執(zhí)行元件的進(jìn)出油口處于封閉狀態(tài)，因而此類換向閥可實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。但這類換向閥多為滑閥結(jié)構(gòu)，不可避免地存在泄漏，停止時間較長時，可能產(chǎn)生松動使得液壓缸活塞發(fā)生少量漂移，鎖緊效果較差，因此此類回路多適用于鎖緊精度要求不高、鎖緊時間較短的場合。

(3)O型中位機(jī)能用于制動回路。為了使運(yùn)動著的工作機(jī)構(gòu)在任意需要的位置停下來，需要采用制動回路。最簡單的方法是利用三位換向閥的中位機(jī)能。O型中位機(jī)能可以快速封閉執(zhí)行元件的回油口，因此可以用于制動回路。需要指出的是，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的部件在瞬間制動時，由于慣性作用，執(zhí)行元件回油腔油液會在瞬間被急劇壓縮，運(yùn)動部件的動能迅速轉(zhuǎn)換成壓力能，產(chǎn)生很高的壓力峰值，形成液壓沖擊。因此，此類回路必須設(shè)置安全閥，起到過載保護(hù)作用。

1—變量泵 2—溢流閥 3—換向閥 4—液壓缸圖2 變量泵卸荷回路Figure 2 Relief circuit of variable displacement pump

1.2 M型中位機(jī)能

1.2.1 M型中位機(jī)能的特點(diǎn)

M型中位機(jī)能的工作油口A、B關(guān)閉，見圖1。因而工作機(jī)構(gòu)可以停留在任意位置；進(jìn)油口P和回油口T直接相連，因而液壓泵輸出的油液可直接流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸荷。

1.2.2 M型中位機(jī)能的應(yīng)用

不難看出，M型中位機(jī)能同O型中位機(jī)能一樣，M型中位機(jī)能也可以適用于鎖緊及制動回路，實(shí)現(xiàn)同樣的功能。此外，M型中位機(jī)能可用于卸荷回路。

1.3 H型中位機(jī)能

1.3.1 H型中位機(jī)能的特點(diǎn)

H型中位機(jī)能的各油口互相連通。因工作油口A、B和回油口T連通，執(zhí)行元件不能被鎖緊，故工作機(jī)構(gòu)處于浮動狀態(tài)，在外力作用下可以運(yùn)動。此外，液壓泵的輸出油液直接流回油箱，泵的出口不存在負(fù)載，不能形成壓力，可實(shí)現(xiàn)泵的卸荷。

1.3.2 H型中位機(jī)能的應(yīng)用

(1)H型中位機(jī)能用于卸荷回路。由機(jī)能的特點(diǎn)可知，同M型一樣，H型中位機(jī)能可用于構(gòu) 成卸荷回路。此種方法簡單，但不適用于一泵同時驅(qū)動多執(zhí)行元件的系統(tǒng)。

1—油源 2—換向閥 3—液控單向閥 4—液壓缸圖3 鎖緊回路Figure 3 Locking hydraulic circuit

(2)H型中位機(jī)能用于回路中液控閥的卸壓。

圖3是采用液控單向閥的鎖緊回路。三位四通換向閥處于左位時，壓力油經(jīng)左液控單向閥進(jìn)入液壓缸左腔，右液控單向閥在回油路上起到負(fù)載阻尼作用，因而進(jìn)油路壓力升高，油液頂開右液控單向閥的控制活塞，閥芯打開，油液從右液控單向閥逆向流過，進(jìn)入油箱；反之，換向閥處于右位時，壓力油進(jìn)入缸右腔并將左液控單向閥打開，使油缸左腔回油。當(dāng)換向閥處于H型中位時，液壓泵輸出的油液和控制口的油液直接流回油箱，油液不能形成壓力(不考慮管路的壓力損失)。此時，由于彈簧作用，控制活塞復(fù)位，液控單向閥處于閉鎖狀態(tài)。因?yàn)橐嚎貑蜗蜷y為座閥式結(jié)構(gòu)，密封性能良好，因而液壓缸活塞可以長時間被鎖緊在停止時的位置。這種鎖緊回路主要用于汽車起重機(jī)的支腿油路和礦山機(jī)械中液壓支架的油路中[2]。

圖4是采用液控單向順序閥的平衡回路，液控單向順序閥組3作為平衡閥使用。它適用于工作部件重量變化較大的場合，如起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)液壓回路。換向閥右位工作時，壓力油進(jìn)入液壓馬達(dá)右腔，馬達(dá)左腔回油，通過減速器驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，帶動繩索吊起重物。當(dāng)換向閥處于H型中位時，液壓馬達(dá)左腔卸壓，液控順序閥關(guān)閉，馬達(dá)右腔油液被封閉，因而不論重量大小，馬達(dá)及其工作部件均能停止運(yùn)動并被鎖住。換向閥左位工作時，壓力油進(jìn)入馬達(dá)左腔，同時進(jìn)入液控順序閥的外控口，順序閥開啟，馬達(dá)右腔順利回油，驅(qū)動減速器和卷筒，通過繩索放下重物。

1—油源 2—換向閥 3—平衡閥 4—馬達(dá)圖4 平衡回路Figure 4 Balance hydraulic circuit

1—泵 2—溢流閥 3—換向閥 4—馬達(dá)圖5 馬達(dá)處于浮動位Figure 5 Floating position of motor

(3)H型中位機(jī)能用于構(gòu)成工作機(jī)構(gòu)的浮動位。

工作機(jī)構(gòu)需要制動時，可采用M型或O型中位機(jī)能進(jìn)行緊急制動，但此時由于執(zhí)行元件慣性力的作用，回油腔油液將會得到急劇壓縮，產(chǎn)生極大的液壓沖擊。如果采用H型中位機(jī)能，見圖5，由于進(jìn)油腔得不到壓力油的供應(yīng)，執(zhí)行元件將會處于浮動狀態(tài)并且緩慢減速，此時可采用外力進(jìn)行制動。此類回路可用于液壓起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。

1.4 Y型中位機(jī)能

1.4.1 Y型中位機(jī)能的特點(diǎn)

Y型中位機(jī)能與H型相同，因工作油口A、B(見圖1)和回油口T連通，執(zhí)行元件不能被鎖緊，工作機(jī)構(gòu)處于浮動狀態(tài)，在外力作用下可以運(yùn)動。和H型不同的是，換向閥處于Y型中位時，液壓泵的輸出油液不能流回油箱，不能實(shí)現(xiàn)泵的卸荷。

1—油源 2—換向閥 3—平衡閥 4—液控單向閥 5—液壓缸圖6 某機(jī)床液壓回路Figure 6 Hydraulic circuit of a machine tool

1.4.2 Y型中位機(jī)能的應(yīng)用

由Y型中位的特點(diǎn)可知，和H型等同，其機(jī)能可用于實(shí)現(xiàn)液控閥的卸壓和工作機(jī)構(gòu)的浮動，見1.3.2。

2 換向閥中位機(jī)能的合理選用

2.1 機(jī)床液壓回路

圖6為某機(jī)床機(jī)械加工時所用的液壓回路。該回路要求工件進(jìn)給到位后刀具立即停止，但實(shí)際運(yùn)行時常發(fā)生刀具到位后不能立即停止，而是繼續(xù)前進(jìn)一小段距離后方才停止。經(jīng)過分析可知，換向閥采用的是O型中位。液壓缸帶動刀具到達(dá)指定位置后，由于液壓缸左腔油液被封閉，液控單向閥控制口油液不能及時卸壓，單向閥閥芯仍然處于打開狀態(tài)，液壓缸活塞會繼續(xù)運(yùn)行一段距離，然后液控單向閥的控制油液得以卸壓，此時單向閥關(guān)閉，液壓缸活塞停止運(yùn)動，即刀具停止。如果換向閥中位采用H型或Y型機(jī)能，則液壓缸帶動刀具到達(dá)指定位置后，液控單向閥的控制油液可以及時卸壓，單向閥關(guān)閉，液壓缸活塞及時停止，刀具停止運(yùn)動。采用液控單向閥或液控順序閥的液壓回路中，換向閥中位機(jī)能不宜采用O型或M型，而應(yīng)采用H型或Y型。

2.2 振動壓路機(jī)振動液壓回路

振動液壓回路是振動壓路機(jī)液壓系統(tǒng)中一個重要的組成部分，作用是完成振動輪的起振功能，其性能決定著振動壓路機(jī)的使用范圍和壓實(shí)效果。振動液壓回路采用振動液壓馬達(dá)驅(qū)動振動軸。如前文所述，如果采用H型中位機(jī)能(見圖 5)，可避免較大的液壓沖擊。但是，振動馬達(dá)停

止振動時，換向閥回到中位，由于振動液壓馬達(dá)進(jìn)、回油路相通，慣性作用使液壓馬達(dá)不能立即停止轉(zhuǎn)動，因此會有余振，在被壓材料表面上產(chǎn)生壓痕。所以，該類型壓路機(jī)一般用于基層壓實(shí)作業(yè)。如果采用O型或M型中位機(jī)能，當(dāng)振動液壓馬達(dá)制動時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的液壓沖擊。但是，振動液壓馬達(dá)會立即停止轉(zhuǎn)動，振動輪不會有余振，從而壓實(shí)材料表面不會產(chǎn)生壓痕。因此，該類型振動壓路機(jī)可用于表面壓實(shí)[3]。

3 結(jié)論

液壓系統(tǒng)的使用離不開換向閥，換向閥的使用離不開其中位機(jī)能的選用。在設(shè)計(jì)液壓回路時，正確選擇換向閥中位機(jī)能是至關(guān)重要的。合理的中位機(jī)能的選用可以優(yōu)化或者簡化液壓回路的設(shè)計(jì)。在選擇中位機(jī)能之前，一定要充分了解各類機(jī)能的特點(diǎn)和對于工作機(jī)構(gòu)的要求及應(yīng)用場合等。

[1] 丁樹模，周驥平. 液壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 李芝. 液壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3] 孫立峰， 呂楓. 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷與排除[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2014(1):92-95.