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第二节   方向控制阀   方向控制阀是用来改变液压系统中各油路之间液流通断关系的阀类，如单向阀、换向阀及压力表开关等。 一、单向阀     液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。 1.普通单向阀 普通单向阀的作用，是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。图5—1（a）所示是一种管式普通单向阀的结构。压力油从阀体左端的通口P1流入时，克服弹簧3作用在阀芯2上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。但是压力油从阀体右端的通口P2流入时，它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上，使阀口关闭，油液无法通过。图5—1（b）所示是单向阀的职能符号图。 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-1单向阀 　　　　　　　　　　　　　(a)结构图(b)职能符号图1—阀体2—阀芯3—弹簧   2.液控单向阀   图5—2（a）所示是液控单向阀的结构。当控制口K处无压力油通入时，它的工作机制和普通单向阀一样；压力油只能从通口P1流向通口P2，不能反向倒流。当控制口K有控制压力油时，因控制活塞1右侧a腔通泄油口，活塞1右移，推动顶杆2顶开阀芯3，使通口P1和P2接通，油液就可在两个方向自由通流。图5—2（b）所示是液控单向阀的职能符号 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　图5-2液控单向阀 　　　　　　　　　(a)结构图(b)职能符号图1—活塞2—顶杆3—阀芯   二、换向阀    换向阀利用阀芯相对于阀体的相对运动，使油路接通、关断，或变换油流的方向，从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。    1. 对换向阀的主要要求  换向阀应满足： （1）油液流经换向阀时的压力损失要小。 （2）互不相通的油口间的泄露要小。 （3）换向要平稳、迅速且可靠。    2. 转阀  图 5—3（a）所示为转动式换向阀（简称转阀）的工作原理图。 　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　图 5—3   转阀 该阀由阀体1、阀芯2和使阀芯转动的操作手柄3组成，在图示位置，通口P和A相通、B和T相通；当操作手柄转换到“止”位置时，通口P、A、B和T均不相通，当操作手柄转换到另一位置时，则通口P和B相通，A和T相通。5—3（b）所示是它的职能符号。    3.滑阀式换向阀   换向阀在按阀芯形状分类时，有滑阀式和转阀式两种，滑阀式换向阀在液压系统中远比转阀式用得广泛。   （1） 结构主体。 阀体和滑动阀芯是滑阀式换向阀的结构主体。表5—3所示是其最常见的结构形式。由表可见，阀体上开有多个通口，阀芯移动后可以停留在不同的工作位置。  表5—3　　　　滑阀式换向阀主体结构形式 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　  当阀芯处在图示中间位置时，五个通口都关闭；当阀芯移向左端时，通口O2关闭，通口P和B相通，通口A和O1相通；当阀芯移向右端时，通口O1关闭，通口P和A相通，通口B和O2相通。这种结构形式由于具有使五个通口都关闭的工作状态，故可使受它控制的执行元件在任意位置上停止运动。 (2)滑阀的操纵方式。常见的滑阀操纵方式示于图5-4中。  图5-4滑阀操纵方式 (a)手动式(b)机动式(c)电磁动(d)弹簧控制(e)液动(f)液压先导控制(g)电液控制 三、换向阀的结构 在液压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀，在这里主要介绍这种换向阀的几种典型结构。 ①手动换向阀。图5-5(b)为自动复位式手动换向阀，放开手柄1、阀芯2在弹簧3的作用下自动回复中位，该阀适用于动作频繁、工作持续时间短的场合，操作比较xx，常用于工程机械的液压传动系统中。 如果将该阀阀芯右端弹簧3的部位改为可自动定位的结构形式，即成为可在三个位置定位的手动换向阀。图5-5(a)为职能符号图。 　　　　 　　　　　　　　　　　　　　 图5-5手动换向阀 　　　　　　　　　　　(a)职能符号图(b)结构图 　　　　　　　　　　　1—手柄2—阀芯3—弹簧  ②机动换向阀。机动换向阀又称行程阀，它主要用来控制机械运动部件的行程，它是借助于安装在工作台上的挡铁或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向，机动换向阀通常是二位的，有二通、三通、四通和五通几种，其中二位二通机动阀又分常闭和常开两种。图5-6(a)为滚轮式二位三通常闭式机动换向阀，在图示位置阀芯2被弹簧1压向上端，油腔P和A通，B口关闭。当挡铁或凸轮压住滚轮4，使阀芯2移动到下端时，就使油腔P和A断开，P和B接通，A口关闭。图5-6(b)所示为其职能符号。 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-6机动换向阀  ③电磁换向阀。电磁换向阀是利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向的。它是电气系统与液压系统之件发出，从间的信号转换元件，它的电气信号由液压设备结构图(b)职能符号图中的按钮开关、限位开关、行程开关等电气元1—滚轮2—阀芯3—弹簧而可以使液压系统方便地实现各种操作及自动顺序动作。 电磁铁按使用电源的不同，可分为交流和直流两种。按衔铁工作腔是否有油液又可分为“干式”和“湿式”。交流电磁铁起动力较大，不需要专门的电源，吸合、释放快，动作时间约为0.01～0.03s，其缺点是若电源电压下降15%以上，则电磁铁吸力明显减小，若衔铁不动作，干式电磁铁会在10～15min后烧坏线圈(湿式电磁铁为1～1.5h)，且冲击及噪声较大，寿命低，因而在实际使用中交流电磁铁允许的切换频率一般为10次/min，不得超过30次/min。直流电磁铁工作较可靠，吸合、释放动作时间约为0.05～0.08s，允许使用的切换频率较高，一般可达120次/min，{zg}可达300次/min，且冲击小、体积小、寿命长。但需有专门的直流电源，成本较高。此外，还有一种整体电磁铁，其电磁铁是直流的，但电磁铁本身带有整流器，通入的交流电经整流后再供给直流电磁铁。目前，国外新发展了一种油浸式电磁铁，不但衔铁，而且激磁线圈也都浸在油液中工作，它具有寿命更长，工作更平稳可靠等特点，但由于造价较高，应用面不广。 图5-7(a)所示为二位三通交流电磁换向阀结构，在图示位置，油口P和A相通，油口B断开；当电磁铁通电吸合时，推杆1将阀芯2推向右端，这时油口P和A断开，而与B相通。而当磁铁断电释放时，弹簧3推动阀芯复位。图5-7(b)所示为其职能符号。 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　图5-7二位三通电磁换向阀 　　　　　　　　　　　(a)结构图(b)职能符号图1—推杆2—阀芯3—弹簧   如前所述，电磁换向阀就其工作位置来说，有二位和三位等。二位电磁阀有一个电磁铁靠弹簧复位；三位电磁阀有两个电磁铁，如图5-8所示为一种三位五通电磁换向阀的结构和职能符号。 　　　　　 　　　　　　　　　图5-8三位五通电磁换向阀(a)结构图(b)职能符号图     ④液动换向阀。液动换向阀是利用控制油路的压力油来改变阀芯位置的换向阀，图5-9为三位四通液动换向阀的结构和职能符号。阀芯是由其两端密封腔中油液的压差来移动的，当控制油路的压力油从阀右边的控制油口K2进入滑阀右腔时，K1接通回油，阀芯向左移动，使压力油口P与B相通，A与T相通；当K1接通压 力油，K2接通回油时，阀芯向右移动，使得P与A相通，B与T相通；当K1、K2都通回油时，阀芯在两端弹簧和定位套作用下回到中间位置。 　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　图5—9 三位四通液动换向阀 　　　　　　　　　　　　　　　（a）结构图 （b）职能符号图 ⑤电液换向阀。在大中型液压设备中，当通过阀的流量较大时，作用在滑阀上的摩擦力和液动力较大，此时电磁换向阀的电磁铁推力相对地太小，需要用电液换向阀来代替电磁换向阀。电液换向阀是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。电磁滑阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置。由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大，所以主阀芯的尺寸可以做得很大，允许有较大的油液流量通过。这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流。 　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-10电液换向阀 　　　　　　　　　　　　　(a)结构图(b)职能符号(c)简化职能符号 　　　　　　　1，6-节流阀2，7-单向阀3，5-电磁铁4-电磁阀阀芯8-主阀阀芯     图5-10所示为弹簧对中型三位四通电液换向阀的结构和职能符号，当先导电磁阀左边的电磁铁通电后使其阀芯向右边位置移动，来自主阀P口或外接油口的控制压力油可经先导电磁阀的A′口和左单向阀进入主阀左端容腔，并推动主阀阀芯向右移动，这时主阀阀芯右端容腔中的控制油液可通过右边的节流阀经先导电磁阀的B′口和T′口，再从主阀的T口或外接油口流回油箱(主阀阀芯的移动速度可由右边的节流阀调节)，使主阀P与A、B和T的油路相通；反之，由先导电磁阀右边的电磁铁通电，可使P与B、A与T的油路相通；当先导电磁阀的两个电磁铁均不带电时，先导电磁阀阀芯在其对中弹簧作用下回到中位，此时来自主阀P口或外接油口的控制压力油不再进入主阀芯的左、右两容腔，主阀芯左右两腔的油液通过先导电磁阀中间位置的A′、B′两油口与先导电磁阀T′口相通(如图5-10b所示)，再从主阀的T口或外接油口流回油箱。主阀阀芯在两端对中弹簧的预压力的推动下，依靠阀体定位，准确地回到中位，此时主阀的P、A、B和T油口均不通。电液换向阀除了上述的弹簧对中以外还有液压对中的，在液压对中的电液换向阀中，先导式电磁阀在中位时，A′、B′两油口均与油口P连通，而T′则封闭，其他方面与弹簧对中的电液换向阀基本相似。 四、换向阀的中位机能分析 三位换向阀的阀芯在中间位置时，各通口间有不同的连通方式，可满足不同的使用要求。这种连通方式称为换向阀的中位机能。三位四通换向阀常见的中位机能、型号、符号及其特点，示于表5-4中。三位五通换向阀的情况与此相仿。不同的中位机能是通过改变阀芯的形状和尺寸得到的。 表5-4       三位四通换向阀常见的中位机能、型号、符号及其特点 在分析和选择阀的中位机能时，通常考虑以下几点： ①系统保压。当P口被堵塞，系统保压，液压泵能用于多缸系统。当P口不太通畅地与T口接通时(如X型)，系统能保持一定的压力供控制油路使用。 ②系统卸荷。P口通畅地与T口接通时，系统卸荷。 ③启动平稳性。阀在中位时，液压缸某腔如通油箱，则启动时该腔内因无油液起缓冲作用，启动不太平稳。 ④液压缸“浮动”和在任意位置上的停止。阀在中位，当A、B两口互通时，卧式液压缸呈“浮动”状态，可利用其他机构移动工作台，调整其位置。当A、B两口堵塞或与P口连接(在非差动情况下)，则可使液压缸在任意位置处停下来。三位五通换向阀的机能与上述相仿。 (5)主要性能。换向阀的主要性能，以电磁阀的项目为最多，它主要包括下面几项： ①工作可靠性。工作可靠性指电磁铁通电后能否可靠地换向，而断电后能否可靠地复位。工作可靠性主要取决于设计和制造，且和使用也有关系。液动力和液压卡紧力的大小对工作可靠性影响很大，而这两个力是与通过阀的流量和压力有关。所以电磁阀也只有在一定的流量和压力范围内才能正常工作。这个工作范围的极限称为换向界限，如图5-11所示。 ②压力损失。由于电磁阀的开口很小，故液流流过阀口时产生较大的压力损失。图5-12所示为某电磁阀的压力损失曲线。一般阀体铸造流道中的压力损失比机械加工流道中的损失小。 ③内泄漏量。在各个不同的工作位置，在规定的工作压力下，从高压腔漏到低压腔的泄漏量为内泄漏量。过大的内泄漏量不仅会降低系统的效率，引起过热，而且还会影响执行机构的正常工作。 　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-11电磁阀的换向界限 ④换向和复位时间。换向时间指从电磁铁通电到阀芯换向终止的时间；复位时间指从电磁铁断电到阀芯回复到初始位置的时间。减小换向和复位时间可提高机构的工作效率，但会引起液压冲击。交流电磁阀的换向时间一般约为0.03～0.05s，换向冲击较大；而直流电磁阀的换向时间约为0.1～0.3s，换向冲击较小。通常复位时间比换向时间稍长。 ⑤换向频率。换向频率是在单位时间内阀所允许的换向次数。目前单电磁铁的电磁阀的换向频率一般为60次/min。 ⑥使用寿命。使用寿命指使用到电磁阀某一零件损坏，不能进行正常的换向或复位动作，或使用到电磁阀的主要性能指标超过规定指标时所经历的换向次数。 电磁阀的使用寿命主要决定于电磁铁。湿式电磁铁的寿命比干式的长，直流电磁铁的寿命比交流的长。 ⑦滑阀的液压卡紧现象。一般滑阀的阀孔和阀芯之间有很小的间隙，当缝隙均匀且缝隙中有油液时，移动阀芯所需的力只需克服粘性摩擦力，数值是相当小的。但在实际使用中，特别是在中、高压系统中，当阀芯停止运动一段时间后(一般约5min以后)，这个阻力可以大到几百牛顿，使阀芯很难重新移动。这就是所谓的液压卡紧现象。 引起液压卡紧的原因，有的是由于脏物进入缝隙而使阀芯移动困难，有的是由于缝隙过小在油温升高时阀芯膨胀而卡死，但是主要原因是来自滑阀副几何形状误差和同心度变化所引起的径向不平衡液压力。如图5-13(a)所示，当阀芯和阀体孔之间无几何形状误差，且轴心线平行但不重合时，阀芯周围间隙内的压力分布是线性的(图中A1和A2线所示)，且各向相等，阀芯上不会出现不平衡的径向力；当阀芯因加工误差而带有倒锥(锥部大端朝向高压腔)且轴心线平行而不重合时，阀芯周围间隙内的压力分布如图5-13(b)中曲线A1和A2所示，这时阀芯将受到径向不平衡力(图中阴影部分)的作用而使偏心距越来越大，直到两者表面接触为止，这时径向不平衡力达到{zd0}值；但是，如阀芯带有顺锥(锥部大端朝向低压腔)时，产生的径向不平衡力将使阀芯和阀孔间的偏心距减小；图5-13(c)所示为阀芯表面有局部凸起(相当于阀芯碰伤、残留毛刺或缝隙中楔入脏物时，阀芯受到的径向不平衡力将使阀芯的凸起部分推向孔壁。 　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-13滑阀上的径向力 当阀芯受到径向不平衡力作用而和阀孔相接触后，缝隙中存留液体被挤出，阀芯和阀孔间的摩擦变成半干摩擦乃至干摩擦，因而使阀芯重新移动时所需的力增大了许多。 滑阀的液压卡紧现象不仅在换向阀中有，其他的液压阀也普遍存在，在高压系统中更为突出，特别是滑阀的停留时间越长，液压卡紧力越大，以致造成移动滑阀的推力(如电磁铁推力)不能克服卡紧阻力，使滑阀不能复位。为了减小径向不平衡力，应严格控制阀芯和阀孔的制造精度，在装配时，尽可能使其成为顺锥形式，另一方面在阀芯上开环形均压槽，也可以大大减小径向不平衡力。