換向閥中位機(jī)能在液壓系統(tǒng)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 四川德陽(yáng) 618000

1 換向閥中位機(jī)能概述

換向閥用于控制液壓回路中液流的方向和通斷，其最終目的是控制執(zhí)行元件的進(jìn)退、正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)或停止，是液壓回路中必不可少的構(gòu)成元件。三位換向閥在中間位置時(shí)各油口的連通方式稱為換向閥的中位機(jī)能[1]。

中位機(jī)能不同，換向閥對(duì)系統(tǒng)的控制功能也不相同[2]。

中位機(jī)能不僅直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，而且在換向閥由中位向左位或右位轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能也有影響。因此，在使用時(shí)應(yīng)合理選擇換向閥的中位機(jī)能[3]。

常用的換向閥中位機(jī)能除了O型、H型外，還有Y型、K型、M型、P型等。常見(jiàn)的換向閥中位機(jī)能圖形符號(hào)如圖1所示。

圖1 換向閥中位機(jī)能圖形符號(hào)

2 Y型中位機(jī)能

2.1 特點(diǎn)

Y型中位機(jī)能與H型的相同之處為，工作油口A、B和回油口T相通，工作機(jī)構(gòu)處于浮動(dòng)狀態(tài)，可隨外力的作用而運(yùn)動(dòng)[4]。

Y型中位機(jī)能與H型的不同之處為，換向閥處于Y型中位時(shí)，液壓泵的輸出油液不能流回油箱，不能實(shí)現(xiàn)泵的卸荷。

2.2 應(yīng)用

2.2.1 用于鎖緊、平衡等回路中液控閥的卸壓

由中位機(jī)能的特點(diǎn)可知，Y型與H型相同，可用于實(shí)現(xiàn)液控閥的卸壓。采用液控單向閥的鎖緊回路如圖2所示。當(dāng)三位四通換向閥處于左位時(shí)，壓力油經(jīng)左液控單向閥進(jìn)入液壓缸左腔。右液控單向閥起初處于閉鎖狀態(tài)，液壓缸右腔油液受到壓縮產(chǎn)生壓力，進(jìn)油路壓力升高，油液頂開(kāi)右液控單向閥的控制活塞，閥芯打開(kāi)，油液從右液控單向閥反向進(jìn)入油箱。反之，當(dāng)三位四通換向閥處于右位時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸右腔并將左液控單向閥打開(kāi)，使液壓缸左腔回油。當(dāng)三位四通換向閥處于Y型中位時(shí)，控制口的油液直接流回油箱，液控單向閥因控制油路的壓力立即消失而關(guān)閉，液壓缸也因兩腔油路被封閉而雙向鎖緊[5]。液控單向閥為座閥式結(jié)構(gòu)，密封性能良好，液壓缸活塞可以長(zhǎng)時(shí)間被鎖緊在停止時(shí)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)械的液壓支架油路中。

圖2 鎖緊回路

液控單向閥和單向節(jié)流閥組成的平衡回路如圖3所示，目的是防止立式液壓缸及其工作部件在懸空停止期間因自重而自行下滑，或在下行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于自重而造成失控超速等不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。液控單向閥屬于錐閥式閥芯結(jié)構(gòu)，具有良好的反向密封性能，可將液壓缸活塞及工作部件長(zhǎng)時(shí)間保持在某一位置，但此時(shí)控制油口必須卸壓，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉鎖。圖3中三位四通換向閥采用Y型中位機(jī)能，在工作部件下降到預(yù)定位置時(shí)，可使液控單向閥的控制油口卸壓，使液控單向閥反向鎖緊，液壓缸及其工作部件在懸空期間不會(huì)下滑。

2.2.2 用于電液換向閥的先導(dǎo)閥

圖3 平衡回路

電液換向閥是由電磁換向閥和液動(dòng)換向閥組成的復(fù)合閥。電磁換向閥為先導(dǎo)閥，可用于改變控制油路的方向。液動(dòng)換向閥為主閥，可用于改變主油路的方向。這種閥的優(yōu)點(diǎn)是可以用小規(guī)格的電磁換向閥方便地控制大流量的液動(dòng)換向閥[6]。

電液換向閥的圖形符號(hào)和簡(jiǎn)化符號(hào)如圖4所示，其中P口和P’口的壓力油可以由同一油源供油，也可以由不同的油源供油。當(dāng)先導(dǎo)閥（電磁換向閥）左邊電磁鐵得電時(shí)，左位接入控制油路，從P’口進(jìn)入的控制壓力油通過(guò)左端單向閥進(jìn)入主閥（液動(dòng)換向閥）的左端油腔。主閥的右腔油液可通過(guò)右端節(jié)流閥和先導(dǎo)閥的工作位流入油箱，主閥閥芯在左端油液推力的作用下移至右端，主閥左工作位接入主油路，主油路通油狀態(tài)為P通A，B通T。反之，當(dāng)先導(dǎo)閥右邊電磁鐵得電時(shí)，主閥閥芯移至左端，主閥右位工作，主油路通油狀態(tài)為P通B，A通T。

圖4 電液換向閥

當(dāng)先導(dǎo)閥兩端電磁鐵均不得電時(shí)，換向閥處于中位，此時(shí)，主閥兩油腔的油液分別通過(guò)各自的節(jié)流閥和先導(dǎo)閥中位返回油箱，主閥閥芯在兩端的彈簧作用力下回歸至中位。需要指出的是，先導(dǎo)閥必須采用Y型中位機(jī)能，否則，先導(dǎo)閥處于中位時(shí)，主閥兩油腔的油液無(wú)法及時(shí)卸壓，導(dǎo)致主閥不能回歸至中位。若采用H型中位機(jī)能，控制油液會(huì)直接流入油箱，而無(wú)法形成控制壓力。

3 K型中位機(jī)能

3.1 特點(diǎn)

采用K型中位機(jī)能，進(jìn)油口P與工作油口A、回油口T連通，另一工作油口B封閉。液壓泵可以卸荷，兩個(gè)方向換向時(shí)性能不同。

3.2 應(yīng)用

由K型中位機(jī)能的特點(diǎn)可知，該中位可用于液控閥的卸壓和泵的卸荷。

常用的保壓回路如圖5所示，該回路可用于液壓壓力機(jī)等液壓系統(tǒng)。所謂保壓回路，就是在執(zhí)行元件停止工作或僅有因工件變形而產(chǎn)生微小位移的工況下保持壓力穩(wěn)定不變的回路[7]。

圖5 保壓回路

保壓功能的實(shí)現(xiàn)方法有多種。通過(guò)換向閥的中位機(jī)能可實(shí)現(xiàn)保壓。如果換向閥使用M型中位機(jī)能，雖然液壓泵可以卸荷，減小能量損耗，但是因?yàn)榛y式結(jié)構(gòu)普遍存在嚴(yán)重的泄漏問(wèn)題，所以也僅僅適用于保壓時(shí)間較短的場(chǎng)合。

圖5中的保壓回路采用了液控單向閥。由于液控單向閥的閥芯為錐閥式結(jié)構(gòu)，因而泄漏小，密封性能良好，保壓效果好。無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿伸出到預(yù)定位置，此時(shí)進(jìn)油腔壓力上升。當(dāng)壓力上升到規(guī)定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，三位四通換向閥回歸K型中位，液壓泵卸荷，同時(shí)液控單向閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)無(wú)桿腔的保壓。當(dāng)無(wú)桿腔壓力下降至壓力繼電器的下限值時(shí)，壓力繼電器再次發(fā)出電信號(hào)，右邊電磁鐵得電，換向閥換向至右位。液壓泵再次向無(wú)桿腔供油，直至達(dá)到規(guī)定值，繼續(xù)保壓。通過(guò)K型中位機(jī)能的使用，不僅可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保壓，而且可以使液壓泵卸荷，節(jié)省功率。

4 M型中位機(jī)能

4.1 特點(diǎn)

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

4.2 應(yīng)用

不難看出，M型中位機(jī)能也可以適用于短時(shí)間鎖緊及保壓回路。此外，M型中位機(jī)能可用于卸荷回路及互鎖回路等。

4.2.1 用于卸荷回路

設(shè)計(jì)卸荷回路，可以采用帶有M型中位機(jī)能的小規(guī)格電磁換向閥。但這種卸荷方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓系統(tǒng)在極低的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)，切換時(shí)壓力沖擊較大，只適用于低壓小流量的系統(tǒng)。

帶有M型中位機(jī)能的電液換向閥卸荷回路如圖6所示。由于電液換向閥配有調(diào)節(jié)換向時(shí)間的節(jié)流閥，因此換向時(shí)液壓沖擊較小，適用于高壓大流量的場(chǎng)合。需要指出的是，由于控制油路直接接入了主油路，即先導(dǎo)閥的控制油液來(lái)自于主油泵，因此當(dāng)換向閥采用M型或H型中位機(jī)能時(shí)，回路中必須設(shè)置背壓閥，即圖6中單向閥，使控制油路中的油液保持一定的壓力，推動(dòng)主閥閥芯移動(dòng)。

圖6 卸荷回路

4.2.2 用于執(zhí)行元件的互鎖回路

圖7 互鎖回路

在多種工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)中，常常要求兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行元件不能同時(shí)動(dòng)作，即其中一個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，其余執(zhí)行元件必須保持靜止?fàn)顟B(tài)。這種要求可以通過(guò)互鎖回路實(shí)現(xiàn)。圖7所示為由兩個(gè)三位四通換向閥中位串聯(lián)形成的互鎖回路。左換向閥采用M型中位機(jī)能，右換向閥根據(jù)需要可采用H型、M型或K型中位機(jī)能。當(dāng)左液壓缸前進(jìn)或后退時(shí)，右換向閥處于中位，右液壓缸不工作。反之，當(dāng)右液壓缸工作時(shí)，左換向閥處于M型中位，左液壓缸停止運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)換向閥工作位的改變方式視操縱方式而定：當(dāng)換向閥操縱方式為手動(dòng)時(shí)，工作位的改變可以通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行；當(dāng)換向閥操縱方式為電磁驅(qū)動(dòng)時(shí)，可采用行程開(kāi)關(guān)發(fā)送電信號(hào)的方式，必要時(shí)可增設(shè)時(shí)間繼電器。此類回路可用于液壓壓力機(jī)液壓系統(tǒng)或液壓起重機(jī)支腿機(jī)構(gòu)液壓回路。

5 P型中位機(jī)能

5.1 特點(diǎn)

采用P型中位機(jī)能，回油口T關(guān)閉，進(jìn)油口P與工作油口A、B相通。對(duì)于直徑相同的雙桿雙作用液壓缸，活塞兩端所受的液壓力彼此平衡，工作機(jī)構(gòu)停止不動(dòng)。但是對(duì)于單桿液壓缸或者直徑不同的雙桿雙作用液壓缸，因工作機(jī)構(gòu)不能處于靜止?fàn)顟B(tài)而會(huì)形成差動(dòng)回路[8]。

5.2 應(yīng)用

當(dāng)雙作用單桿式活塞液壓缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，兩腔的油液壓力相等。但由于無(wú)桿腔的受力面積大于有桿腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞桿作伸出運(yùn)動(dòng)，并將有桿腔的油液擠出，流進(jìn)無(wú)桿腔，加快活塞桿的伸出速度。單桿液壓缸兩腔都通入壓力油的這種油路連接方式稱為差動(dòng)連接。差動(dòng)連接是在不增加液壓泵流量的前提下實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效方法，圖8所示為采用三位四通換向閥P型中位機(jī)能實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接回路。

圖8 差動(dòng)連接回路

實(shí)際應(yīng)用中，液壓系統(tǒng)常通過(guò)控制閥來(lái)改變單桿缸的油路連接，使其有不同的工作方式，從而獲得差動(dòng)連接—無(wú)桿腔進(jìn)油—有桿腔進(jìn)油的工作循環(huán)。差動(dòng)連接被廣泛應(yīng)用于組合機(jī)床的液壓動(dòng)力滑臺(tái)和各類專用機(jī)床中。

6 換向閥中位機(jī)能的合理應(yīng)用

丁基膠涂布機(jī)廣泛應(yīng)用于中空玻璃門窗的密封。圖9所示為丁基膠涂布機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。液壓泵啟動(dòng)后，三位四通換向閥右位工作，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油，活塞向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)無(wú)桿腔的壓力上升到電觸點(diǎn)壓力表的上限值時(shí)，壓力表通過(guò)電觸點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，右位電磁鐵失電，換向閥回歸至中位，液壓泵卸荷，液壓回路通過(guò)蓄能器進(jìn)行保壓。此時(shí)液壓缸開(kāi)始工作，將膠缸中的膠擠出進(jìn)行涂膠密封。當(dāng)無(wú)桿腔壓力下降到壓力表的下限值時(shí)，壓力表再次發(fā)出信號(hào)，換向閥換向至右位，液壓泵再次向液壓缸無(wú)桿腔供油，壓力上升至上限值，回路進(jìn)入保壓狀態(tài)，液壓缸活塞向左移動(dòng)，通過(guò)膠缸進(jìn)行涂膠密封。若換向閥采用O型或M型中位機(jī)能，回路進(jìn)入保壓狀態(tài)后，液壓缸有桿腔無(wú)法實(shí)現(xiàn)回油，活塞運(yùn)動(dòng)受限，會(huì)導(dǎo)致擠出的膠越來(lái)越細(xì)，直至斷流。若采用Y型或H型中位機(jī)能，則液壓缸無(wú)桿腔的油液會(huì)迅速卸壓，液壓缸不能動(dòng)作。此外，Y型和O型中位機(jī)能也無(wú)法實(shí)現(xiàn)液壓泵的卸荷，且功率損耗太大。

圖9 丁基膠涂布機(jī)液壓系統(tǒng)

圖9所示回路中的換向閥采用K型中位機(jī)能，無(wú)桿腔壓力上升至換向閥回歸中位后，可以有效實(shí)現(xiàn)保壓。液壓缸有桿腔可以實(shí)現(xiàn)回油，液壓缸帶動(dòng)膠缸正常工作，且液壓泵可以卸荷。可見(jiàn)，K型中位機(jī)能的選用正確合理。

圖10所示為YZ10G型振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)液壓回路。這種振動(dòng)壓路機(jī)采用質(zhì)量調(diào)節(jié)式偏心塊調(diào)幅機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變振動(dòng)軸，即液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)改變質(zhì)量和偏心距，從而獲得兩種不同的振幅[9]。振動(dòng)泵為單向泵，電液換向閥為起振閥，控制振動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向。獲得的高低兩種不同的振幅可以滿足土方工程中非黏性和半黏性土壤的壓實(shí)工作。雖然電液換向閥的主閥采用H型中位機(jī)能，但是先導(dǎo)閥不由振動(dòng)泵供油，而是由輔助液壓泵單獨(dú)供油，因此主回路不需要設(shè)置背壓閥。先導(dǎo)閥采用Y型中位機(jī)能，可控制主閥的換向和中位回歸。

圖10 振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)液壓回路

7 結(jié)束語(yǔ)

三位換向閥是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種換向閥[10-13]。換向閥的使用離不開(kāi)其中位機(jī)能。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，合理應(yīng)用換向閥中位機(jī)能是十分重要的。中位機(jī)能的合理應(yīng)用可以優(yōu)化或者簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在選擇中位機(jī)能之前，一定要充分了解各類中位機(jī)能的特點(diǎn)、應(yīng)用要求及場(chǎng)合等。

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