电磁换向阀及其工作原理与应用

换向阀是利用阀芯和阀体的相对运动来改变液体的流动方向,接通或关闭油路,使执行元件换向或停止运动。换向阀种类较多,按结构可分为滑阀式和转阀式,按阀芯工作位置可分为二位、三位、多位阀,根据阀的进出口通道数目可分为二通、三通、四通、五通,根据操纵方式的不同可分为电磁换向阀、液动换向阀、电液换向阀、手动换向阀、机动换向阀等。

(1)电磁换向阀

电磁换向阀操纵阀芯换向的动力是由电磁铁产生的推力,该推力通过推动阀芯移动来控制液流的通断及改变方向。这种阀的电气信号控制与传递都较方便,便于自动化和远距离控制。但在使用上由于受电磁铁尺寸及推力的限制,通过该阀的流量较小,一般在63 L/min以下。

电磁换向阀分直流与交流两种。交流电磁铁吸引力大,启动性能好,换向时间短,但换向时冲击力较大,当阀芯卡住吸不动时,电磁铁线圈易烧坏;直流电磁铁换向较慢,换向冲击力小,寿命长,但它启动时吸引力小,需直流电源。

1)三位四通电磁换向阀的结构及工作原理

图4.6 所示为三位四通电磁换向阀的结构和符号。它由电磁铁、阀体、阀芯、弹簧和推杆等组成。阀体内有5 条沉割槽(环形槽),中间的一条沉割槽与进油口P 相通(接压力油),两边的槽与O 口相通(接回油箱),A、B 两油口分别接到执行元件。当两边电磁铁均不通电时,在两复位弹簧的作用下使阀芯处于中间位置,各油口间被阀芯台肩封死互不相通。

图4.6　三位四通电磁换向阀

1、3—弹簧;2—阀芯;4—推杆

当左边电磁铁通电时,铁芯通过推杆将阀芯推向右端,这时油口P 和A 相通,而油口B 和O 相通;当右边电磁铁通电时,阀芯被推向左端,这时油口P 和B 相通,而油口A 和O 相通,实现了油路的换向。这种阀的滑阀两端油腔c 和a 通过孔d 引到泄油口L,所以这两腔均没有背压力存在,O 形密封圈不受压力,在电磁铁推杆上引起的摩擦力较小。

2)换向阀的位、通及滑阀机能

位是指阀芯的工作位置。阀芯有两种位置的换向阀简称二位阀,阀芯有三种位置的阀简称三位阀。在图形符号中用方格表示换向阀的工作位置,二格即二位,三格即三位,如图4.7所示,工作位置不同,说明进油方向不同。

通是指换向阀的通油口。一个位置上有两个通油口的阀简称二通阀。同理有3 个通油口的叫三通阀,有4 个通油口的叫四通阀等。

在阀的某一位置上通油口被封闭,用“⊥”或“⊥”表示这个通油口,如图4.8 所示。

若两个通油口是相通的,则用箭头连接这两个通口。箭头只表示液流的正方向,实际液流的方向也可能和箭头所示的方向相反,如图4.9 所示。

图4.7　换向阀的工作位置表示法

图4.8　换向阀内的封闭油路表示法

图4.9　换向阀内部通道及液流方向表示法

如图4.10 所示,方格外的连线表示与阀连接的管路,并用字母表示通路的名称,其各字母的含义如下:

图4.10　换向阀通路性质表示法

P:压力油口。

O:回油口,通油箱。

A、B:工作油口,分别接执行元件两腔或与其他元件连接。

滑阀机能是指阀芯处于原始位置时,阀各油口的通断情况。

三位阀的机能指阀芯处于中位时,阀各油口的通断情况。中间位置的工作机能不同就有不同的用途,现介绍常用的几种:

①O 型机能(图4.11):阀芯处于中位时,P、A、B、O 四个油口均封闭,油液不流动,这时液压泵不能卸荷,液压泵排出的压力油只能从溢流阀排回油箱。液压缸的两腔被封闭,活塞在任一位置均可停住,但因换向阀的内泄漏使其锁紧精度不高。由于液压缸内充满着油液,从静止到启动较平稳,但换向过程中由于运动部件惯性引起换向时冲击较大。

图4.11　O 型机能换向阀回路

图4.12　M 型机能换向阀回路

②M 型机能(图4.12):阀芯处于中位时,压力油口P 与回油口O 相通,液压泵打出的油液直接回油箱,使泵处于卸荷状态。A、B 油口封闭,液压缸两腔不能进油也不能回油而锁紧不动,但锁紧精度不高。启动平稳,换向时有冲击现象,不宜用于多个换向阀并联的系统中。

③H 型机能(图4.13):P、A、B、O 四油口互通,液压泵卸荷,液压缸处于浮动状态,可用于手动机构。由于油口全通,换向时比O 型阀平稳,但冲击较大,换向精度低。

④P 型机能(图4.14):P、A、B 口互通,压力油从P 口同时进入A、B 口。由于液压缸左右两面的有效作用面积不等,使液压缸有杆腔油液经滑阀通道流入无杆腔,加快了活塞同向运动速度而形成差动连接。但在中位和活塞到死点液压泵不卸荷,始终在调定高压下工作易使油温升高。因液压缸两腔通高压油,换向平稳。

⑤Y 型机能(图4.15):阀芯处于中位时,A、B、O 口互通,P 口封闭。即液压缸两腔均通油箱,活塞处于浮动状态,可用于手动机构,液压泵不卸荷。启动时因液压缸两腔油液通油箱而有冲击。

除上述5 种常用的机能外,根据油口通断情况不同尚可组合成多种机能,读者可自行分析。

从以上所述可以看出,采用不同的位、通和滑阀机能就可以组成各种不同功能的换向阀。位、通和滑阀机对下面将要介绍的换向阀具有相同的意义。

图4.13　H 型机能换向阀回路

图4.14　P 型机能换向阀回路

图4.15　Y 型机能换向阀回路

3)其他电磁换向阀的结构及应用

图4.16 为二位三通电磁换向阀的结构和图形符号。它只有一个电磁铁,阀体上有3 条沉割槽,分别连通P、A、B3 个油口。当电磁铁断电时,阀芯被弹簧推向左边,油口P 与A 相通。当电磁铁通电时,阀芯被推向右端,油口A 封闭,而油口P 与B 相通。

二位三通阀可用来控制单作用液压缸(如柱塞缸)工作,如图4.17所示。在常态下柱塞在高压油推动下上升。当电磁铁通电时,柱塞在自重作用下下降。

二位二通电磁换向阀的工作原理如图4.18 所示。其阀体上只有两条沉割槽,分别与P、A 油口相通。当电磁铁断电时(图示位置)油口P 与A 相通;电磁铁通电时,阀芯右移,油口P 与A 不通。安装时如果将阀芯反过来放置,则断电时油口P 与A 不通,通电时油口P 与A 才相通。二位二通阀在断电时油口P 与A 不通,换向阀关闭叫常闭型;反之叫常开型。其图形符号如图4.19 所示。

图4.16　23D-25B 型电磁换向阀

1—推杆;2—阀芯;3—弹簧

图4.17　二位三通阀的应用

图4.20 是二位二通电磁换向阀的卸荷回路。利用三位四通O 型机能电磁换向阀实现油路换向,当三位阀处于中位时,二位二通电磁阀使液压泵的油液全部流回油箱,液压泵空载运转。这种回路要求二位二通阀的规格和泵的容量相适应。

图4.18　二位二通电磁阀工作原理图

图4.19　二位二通电磁阀图形符号

(a)常闭型　(b)常开型

图4.20　二位二通阀卸荷回路

图4.21　34Y-25B 型液动换向阀

(2)液动换向阀

从换向阀的工作原理可知,油路的换向过程实际上就是要一股高速流动的液流突然停住,随即又马上改变方向再高速流动。当油路中通过的流量较大时,要在极短的时间内完成换向过程必然产生很大的液压冲击力。若通过的流量大时,作用在阀芯上的摩擦力和液压力也很大,用电磁铁来推动阀芯移动就不能实现。所以当油路中的流量较大时,采用了液动换向阀,用液压力来推动阀芯移动。液动阀的工作原理与电磁阀基本相同,它是利用压力油来推动阀芯移动,改变与阀体的相对位置而换向的。

图4.21 为34Y-25B 型液动换向阀的结构和图形符号。当控制油路的压力油从阀左边的控制油口K1 进入阀芯左端油腔时,阀芯被油压推向右端,使油口P 与A 相通,B 与O 接通。当控制油路的压力油从阀右边的控制油口K2 进入阀芯右端的油腔时,阀芯被推向左端,使油口P 与B 接通,A 与O 接通,实现油路的换向。当两个控制油口K1、K2 都不通压力油时,阀芯在两端弹簧作用下恢复到中间位置。当对液动阀的换向性能要求较高时,应在液动换向阀的两端装上可调节的单向节流阀,用来调节阀芯的移动速度,其结构在电液换向阀中介绍。

(3)电液换向阀

电液换向阀是电磁换向阀和液动换向阀的组合阀,既可以通过大流量也能实现自动化控制。如图4.22 所示,上面的电磁阀用来接受控制电路中输出的电信号,使电磁铁推动阀芯移动输出控制压力油,以推动下面的液动换向阀阀芯,由液动阀的阀芯来变换主油路的流向。因此直接控制油路方向的是液动阀,而电磁阀只起个先导作用,不直接与主油路联系,因此能够用较小的电磁铁来控制较大的液流。

两个电磁铁线圈都不通电时,电磁阀阀芯2 处于中间位置,其滑阀机能选用Y 型,这样主阀的阀芯两端的油腔均通过电磁阀与油箱连通,使这两油腔的压力接近于零,便于主阀芯回复到中间位置。当左边电磁铁线圈通电时,把电磁阀芯推向右端,控制油液顶开单向阀7 进入液动阀左腔,将液动阀芯推向右端,阀芯右腔的控制油液经节流阀4 和电磁阀流回油箱。这时主阀进油口P 和A 相通,油口B 和O 相通。同理,右边电磁铁通电时,控制油路的压力油将主阀阀芯推向左端,使主油路换向。主阀阀芯向左或向右的运动速度可分别用两端的节流阀来调节,这样也就调节了执行机构的换向时间,使换向平稳而无冲击,所以电液阀的换向性能较好。

图4.22　电—液换向阀

1、3—电磁铁线圈;2—阀芯;4、8—节流阀;5、7—单向阀;6—主阀芯

图4.22(b)是电液换向阀的原理图,图4.22(c)是它的简化符号。

电液换向阀的控制油源有内控和外控两种方式。将控制油孔与外部油源接通,是在主油路压力较高时采用的外控方式,因为控制油的压力一般较低。而内控油源是将控制油和主油源连通一起,压力油均由P 腔进入阀内,即先导阀和主阀共用一个能源,这种供油方式是在主油路压力较低的情况下使用的。

采用内控方式的电液换向阀,当其主阀的滑阀机能为M、H、K 型时,为了使此阀能正常工作,必须在回油路上装上背压阀,使控制油的压力提高到(3 ~5) ×105 Pa,这样主阀才能换向,如图4.23 所示。

(4)手动换向阀

手动换向阀用手动杠杆来推动阀芯在阀体里移动,以实现液流的换向。图4.24(a)为三位四通自动复位式手动换向阀。当手柄向左扳时,阀芯右移,油口P 和A 接通,B 和O 接通。当手柄向右扳动时,阀芯左移,这时油口P 和B 接通,油口A 通过油槽a 和阀芯的中心孔与O 接通,实现了换向。放松手柄时,右端的弹簧能够自动将阀芯恢复到中间位置,使油路断开,所以称为自动复位式,这种阀不能定位在两端位置上。

如果要使滑阀在3 个位置上都能定位,可以将右端的弹簧改为如图4.24(b)所示结构,在阀芯右端的一个径向孔中装一个弹簧和两个钢球,这样就可以在3 个位置上实现定位。推拉手柄可使阀芯左位或右位接通,放开手柄后阀芯由定位装置保持在左位或右位不动,用于换向后持续时间较长的场合。图4.24(c)、(d)表示上述两种结构形式的手动换向阀的图形符号。

图4.23　用背压阀提高控制油源压力

图4.24　手动换向阀

(a)自动复位式　(b)弹簧钢珠定位式
(c)自动复位式符号　(d)弹簧钢珠定位式符号
1—手柄;2—阀芯;3—弹簧

图4.25　多路换向阀原理图

图4.26　多路换向阀内部线路图

图4.25 所示为多路换向阀原理图,它是由多个手动换向阀、单向阀和溢流阀组合而成的。主要用于多个执行元件的集中控制,如全液压挖掘机,液压汽车起重机等都用了多路换向阀。压力油进入多路阀进油口后分成3 条支路,左支路通溢流阀,右支路通单向阀,中间支路通回油口。当3 个手动换向阀靠弹簧自动定在中位时,压力油自中间支路穿过换向阀经回油口流回油箱,液压泵卸荷。当扳动上面操纵手柄使阀芯左移时,阀芯凸肩堵住中间支路进油口,回油口不通,液压泵的压力油一部分流向左支路,经溢流阀溢去(此时系统压力即为溢流阀调定压力)。另一部分油液顶开单向阀进入换向阀。由于此时阀芯已左移,故通向液压缸一腔的A 口就进入压力油。而与液压缸另一腔相通的B 口就与回油口相通。当阀芯右移时,B 口通压力油,A 口通回油口。扳动另两支手柄时,工作状态相同。其图形符号如图4.26 所示。

图4.27(a)所示为34O-10 型转阀。当阀芯在图示位置时,进油口P 通过环槽c,油沟b与油口A 相通,而油口B 通过油沟e、环槽a 与回油口O 相通。如用手柄将阀芯转过45°时,油沟b、e 和油口A、B 断开,这时油路不通。如将阀芯转过90°时,油口A 和O 相通,而油口B和P 相通,这样就实现了换向。3 和4 是两个叉形拨杆,可利用挡铁使转阀机动换向。图4.27(b)是手操纵的三位四通转阀的图形符号。转阀由于结构尺寸受到限制,一般多用在流量较小的场合。

图4.27　转阀

1—阀芯;2—手柄;3、4—叉形拨杆

(5)机动换向阀

机动换向阀又称行程换向阀,它是用挡铁或凸轮推动阀芯的移动来控制油液流动方向的。机动换向阀通常是二位的,有二通、三通等几种,二位二通的分常闭、常通两种。图4.28(a)为二位二通机动换向阀,阀芯被弹簧压向左端,油腔P 和A 不通。当挡块压住滚轮时,阀芯移动到右端,油腔P 和A 接通。挡块和滚轮脱离接触后,阀芯即可靠弹簧复位。图4.28(b)是其图形符号。

图4.28　机动换向阀

1—滚轮;2—阀芯;3—弹簧

图4.29　换向阀选用

(6)换向阀的选择及应用

1)换向阀的选择

换向阀的选择主要应考虑它们在系统中的作用,所通过的最高压力和最大流量,操纵方式,工作性能要求及安装方式等因素。尤其应注意单杆活塞液压缸中由于面积差形成的不同回油量对换向阀正常工作的影响。如图4.29 所示,当换向阀在左位工作时:

因A1>A2,故q>q1。当换向阀在右位工作时:

因A1>A2,所以q2>q,当A1=2A2 时,q2=2q。

换向阀的流量如果选得过小,会增加其压力损失,降低系统效率。一般只有在必要时才允许阀的实际流量比额定流量大,但不能大于20%。如果阀的流量选得过大,就会增加整个系统装置的体积,同时还会使成本增加。

同是一种换向阀,其滑阀机能是各种各样的,应根据系统的性能要求选取适当的滑阀机能。例如当系统要求液压泵能卸荷,而执行元件又必须在任意位置停止时,可选择M 型机能的换向阀。

电磁阀有交流电磁铁型和直流电磁铁型。对一些工作性能要求较高,流量较大的系统,一般尽可能选用直流电磁铁型,但它需要直流电源。其余流量较小的系统则可选用交流电磁铁型,使成本降低,使用方便。

2)换向阀的应用

图4.30 是二位三通电磁换向阀用于控制差动液压缸的示意图。电磁换向阀处于左位时,构成差动连接回路,活塞快速左行。电磁铁通电时,换向阀在右位工作,液压缸活塞右行。

图4.30　用二位三通阀控制的差动回路

图4.31　用电磁换向阀控制的多缸并联顺序动作回路

图4.31 所示是一种用电磁换向阀和行程开关控制的多缸并联顺序动作回路。当按下启动按钮时,电磁铁1DT 通电,压力油进入液压缸Ⅰ的左腔,Ⅰ缸右腔的油液经阀A 回油箱,活塞在压力油作用下按箭头1 所示方向右行,达到要求位置时压下行程开关6,电磁铁1DT 断电,Ⅰ缸的活塞停止运动。行程开关6 同时使3DT 通电,压力油进入Ⅱ缸的左腔,Ⅱ缸右腔的油经阀B 回油箱,活塞在压力油作用下按箭头2 所示方向向右运动,达到要求位置时,压下行程开关8,使3DT 断电,Ⅱ缸的活塞停止运动。同理,行程开关8 使2DT 通电,Ⅰ缸活塞按箭头3 方向左移。而行程开关5 使4DT 通电,Ⅱ缸活塞按箭头4 方向左移,到位后行程开关7使4DT 断电,活塞停止运动,到此完成一个动作循环,回路停止工作。如需要重复1 ~4 动作的后续循环,可令行程开关7 发讯使4DT 断电的同时使1DT 通电即可实现,后续循环未完以及循环过程中停止回路动作的命令,由停止按钮发出,详见表4.2 电磁铁动作程序表。

表4.2　电磁铁动作程序表

用电磁阀控制的并联顺序动作回路,工作行程的调整比较方便,动作顺序改变也很容易,具有调整灵活的优点,因此得到广泛应用。

(7)换向阀的常见故障分析

换向阀的常见故障分析见表4.3。

表4.3　换向阀的常见故障分析

续表