基于插装阀的电液控制技术

一、 插装阀的工作原理

插装阀为锥阀结构， 或称座阀， 形状与单向阀相似。 完整的一套插装阀是由阀杯、 阀芯、 弹簧、 盖板、 控门 （电磁阀或压力阀等） 以及阻尼塞、 梭阀等组成的， 如图3－29所示。 它有两个工作腔A和B，一个控制腔X。 阀芯头部的锥面与阀杯套孔内的阀座形成阀口， 锥阀位于阀座上， 形成密封带， 使A与B之间没有泄漏， 形成良好的密封。 阀杯上设有三道密封圈， 可防止A、 B、 X之间泄漏。但X与B之间因配合间隙会有微小泄漏。 插装阀的符号如图3－30所示， 阀芯的工作状态为关或开， 其是由作用在阀芯上的合力的方向和大小决定的。

图3－29 插装阀结构图

图3－30 插装阀图形符号

当不计阀芯质量和阀芯与阀杯之间的摩擦力时， 阀芯的力的平衡关系式为：

∑F＝PX×AX－PA×AA－PB×AB＋F1＋F2　（3－29）

式中 ∑F——阀芯上作用的合力；

PX——X腔的压力；

PA——A腔的压力；

PB——B腔的压力；

AX——X腔的工作面积；

AA——A腔环状作用面积；

AB——B腔的工作面积；

F1——弹簧力；

F2——液动力，它与通过阀口的流量和阀芯开口大小有关，开口较小时， 液动力起作用， 方向向下； 开口大时液动力影响减小。

当合力ΣF＞0时， 阀芯关闭； 当合力ΣF＜0或为负值时， 阀芯开启； 当ΣF＝0时， 为过渡过程， 阀芯保持在某个原来状态。

在这个关系式中， 三个腔的压力状态起主要作用。

插装阀中先导控制油可以为内控， 也可以为外控。

☆ PX＞Pa时，A—B不通；

PX＞Pb时，B—A不通。

☆ PX＝Pa时，A—B不通；

PX＜Pb时，B—A通。

☆ PX＝Pb时，A—B通；

PX＜Pa时，B—A不通。

☆ PX＜Pa时，A—B通；

PX＜Pb时，B—A通。

由此可以看出， 控制腔X的压力必须始终大于A、 B腔的压力，这样才能保证阀芯可靠地关闭， 使插入元件作为二位二通阀可靠地切断A—B的油路， 不受系统工作压力的影响。 在第2、 第3种情况下， PX只要等于PA或PB腔的某一个压力，则成为一个单向流动的单向阀。 阀芯启闭的速度和时间， 主要是由阀芯上作用的合力以及盖板上进出油孔的大小决定的。 合力大， 孔大， 则启闭很快； 合力小， 则慢，当上下压力平衡时， 主要靠弹簧力关闭。 有时合力虽大， 但盖板有阻尼孔时， 也会影响关闭速度。 作为单向阀， 开启压力的大小和弹簧有关， 一般有2～4种弹簧可供选择。 A—B的开启压力一般为0.3～2.8个压力（kg／cm2）。实际上插装阀的结构有许多细微变化以适应不同的用途，AX／AA也有不同的面积比。

A型插件的面积比为1∶1.2， 这是最基本的， 这种结构一般流向为A→B的方向控制阀。

B型插件的面积比为1∶1.5，这种插件的流向一般为A→B或B→A的双向流动。由于这种插件A口直径较A型的小， 因而B型插件的流动阻力稍大。

阀芯上带阻尼孔的插件， 面积比为1∶1.07， 这种结构用于压力阀。

阀芯头上带缓冲头的， 其面积比为1∶1.5， 这种结构可A→B或B→A流动，其换向冲击力小， 但流动阻力比B型还大。 其他还有许多， 这里不再介绍。

二、 插装阀的控制

插装阀的控制主要由其上面的盖板、 盖板上面的各种控制阀门及盖板上的梭阀和阻尼等实现， 不同的控制可使插装阀实现各种不同的机能。 这里仅介绍系统上常用的几种。

1． 单向阀

如图3－31所示， 单向阀只是在出口B处引一控制油到阀芯X腔。单向阀一般是A型阀， 流向只能为A→B， 不能反向流动。 也可用B型阀，这时只能从B→A，反之A→B是不通的。

单向阀的盖板上没有控制阀， 除非油液不干净， 或阀芯卡死， 一般这种阀不容易出现故障。 因为用了单向阀， 即使某台泵不开动， 系统中的高压油也反流不到不开的那台泵。 否则那台泵就会反转成了油马达了。

图3－31 单向阀

2． 液控单向阀

液控单向阀由插入件与液控单向阀盖板组成， 如图3－32所示。这个盖板上加了一个液控单向元件。 液压单向元件的小活塞由外控油路控制， 其控制压力应大于或等于B腔压力的130％。 当控制口X卸压时，A→B通，B→A不通， 这时相当于一个单向阀。 当外控油顶开小活塞时，钢球向右，X腔卸压，这时A→B、B→A均通。

图3－32 液压单向阀

3． 电磁换向阀

电磁换向阀由方向插入元件、 电磁阀盖板和先导电磁阀组成。 当采用外控油路时， 控制压力必须高于系统最大压力， 当电磁阀带电时A→B通，断电时A→B不通。如果采用内控油路， 当B腔压力大于X腔压力时， 阀芯不能可靠地关闭， 存在反向流动的可能性， 这种情况在某些场合是不允许的， 为此当采用内控油路时， 必须在盖板上加一个梭阀， 如图3－33所示。 这样当B腔压力高于A腔时， B腔压力使梭阀中的钢球推向另一边， 关闭A油源， 而B腔与X腔连接， 因而照样能可靠地关闭。

图3－33 电磁换向阀

4． 压力控制阀

压力控制阀由一个压力阀插件和一个调压控制盖板组成。

如图3－34所示， 压力阀阀芯的面积比为1∶1.07。 压力阀阀芯上有一个小的阻尼孔， 该孔直径很小， 一般为1mm， 或稍大。 而盖板上装了一个直动式压力阀， 靠手柄调节弹簧调节压力阀的压力。 这种阀容易出现的故障是小孔堵塞， 使阀芯打不开或关不上。 还有就是直控压力阀的三角形阀芯没放正， 关不严， 使大阀关不死； 系统压力上不去， 或压力太高， 一般可能是压力阀引起的。

图3－34 压力控制阀

5． 方向节流阀

方向节流阀的作用是控制流过阀门的流量， 最简单的办法就是控制阀芯开启的大小。 如图3－35所示， 这种阀的电磁阀不能放在盖板上面， 而是放在旁边， 盖板上安装一个可调节的螺杆， 用它来限制阀芯的开口大小。 执行元件下降的快慢就是靠调节这个阀的开口大小， 决定回程缸的排油快慢来控制的。 这种阀的阀芯是节流插件。

图3－35 方向节流阀

三、 二通插装阀集成系统

1． 二通插装阀液压系统的结构特点

通过前面的介绍可以看到， 二通插装阀无论是从结构原理上还是从控制机能上， 与其他传统的液压控制阀相比都有很大的差别， 因此，插装阀液压系统与现在通用的滑阀系统相比， 在结构形式上显然是不同的， 其设计方法也不一样， 其主要体现在以下三个方面：

（1） 作为系统基本工作单元的二通插装阀具有两个重要特征： 一个是组合化； 二是多机能化。 它是由主级和先导级两部分组成的， 作为直接控制工作油流的主级——插入元件的结构很简单， 只有两个工作口， 它的工作状态是由先导级控制的， 只要配置不同的先导元件和改变连接形式， 即可实现各种不同的方向、 压力和流量控制功能， 应用十分灵活方便。 所以， 系统主级的结构设计比较简单， 变化也不大，而先导级的结构设计却是比较复杂的， 变化也大， 是二通插装阀液压系统的关键所在。

（2） 作为系统的基本控制单元是以液压执行机构 （液压缸或液压马达） 的基本工作单元——单个工作腔作为控制对象的。 一个复杂的液压系统可以包含多个执行机构， 而且要有许多复杂的动作和功能要求， 但是如果从每个工作腔的工作情况来分析的话， 无非是要求控制它的液流方向、 压力和流量这三大参数。 所以， 在二通插装阀系统中就以单个工作腔的复合控制作为设计的出发点。

将两个插装阀组合起来构成的三通回路作为基本控制单元， 其中一个作为进油阀， 另一个作为回油阀， 通过对它们的控制可实现各种不同的功能， 例如：

进油阀开、 回油阀关——进油加压；

进油阀关、 回油阀开——卸压回油；

进油阀和回油阀全关——锁闭、 保压、 停止；

进油阀在一定压力下开启——顺序工作；

进油阀在一定压力下关闭——减压工作；

回油阀在一定压力下开启——溢流限压；

进油阀半开启——入口节流调速；

回油阀半开启——出口节流调速。

基于这个原理， 只要在先导控制部分进行相应的变化， 这个基本控制单元就可以实现单个工作腔的大部分控制要求， 具有很强的通用性。 所以， 这个基本控制单元就成了二通插装阀基本回路的基础。 一个二通插装阀控制系统主要就是由与执行机构的单个工作腔数目相当的基本控制单元所组成的。

（3） 二通插装阀液压系统总是以插装式连接、 集成化的形式出现， 且不受压力和通径的限制。

2． 二通插装阀集成块

二通插装阀集成块主要有以下三种形式。

1） 专用集成块

专用集成块是针对某个特定的液压控制系统或特殊回路专门设计制造的。 从集成块的工作机能、 结构形式、 外形尺寸、 流道布置、 出管方向， 一直到所包含的插装阀的品种、 数量和通径大小都不是固定的， 而是根据实际工作要求和条件设计确定的。 此外， 一般还将系统中使用的插装阀和其他元件全部或尽可能多地集中安装在一个整体的大阀体上。 这种形式的优点是可以充分利用各种元件的功能， 结构紧凑、 体积小、 密封性好。 但是其专用性强， 系统难以更改， 要求设计水平高和工作量大。 又由于阀体孔系复杂， 故对加工条件要求高、 生产周期长、 批量小、 费用高。 其一般适合用于大功率的液压系统， 以及回路比较复杂和特殊的场合。

2） 通用集成块

通用集成块是按照各种基本液压回路来设计制造的， 它们具有固定的结构形式、 外形尺寸、 流道布置、 外部连接尺寸， 以及插装阀的数量和通径， 只是在工作机能上有所不同。 人们可以根据具体工作要求从中选择和搭配， 再用叠加等集成形式组成一个系统。 所以， 这种形式的好处是通用化程度高、 适用面广、 系统容易变换、 设计工作量小和技术水平要求低， 便于推广应用。 一般由于每个通用集成块只包含2个或4个插件， 所以阀体小、 孔道简单、 加工方便、 生产周期短、批量大、 费用低。 它的缺点是系统设计受到通用块的一定限制， 元件能力不能全部发挥， 体积重量略大， 由于安装连接面多， 故增加了加工量及漏油的可能性。 这种形式适合应用于一般的中小功率的系统，以及回路比较典型的场合， 如图3－36所示。

3） 通用—专用混合集成块

上面两种形式各有特点， 在具体应用于某个系统时往往利弊相当、顾此失彼。 一个较好的解决办法便是采取由通用集成块加专用集成块的混合形式， 扬长避短， 得到最佳的方案。 根据情况可以采取以专用集成块为主体辅以若干块通用集成块的形式， 或者在通用集成块的基础上加个别的专用集成块， 如图3－37所示。

图3－36 通用集成块

图3－37 通用—专用混合集成块

3． 三通集成块

通用集成块的基本结构是按照基本控制单元的设想而制定的， 它带有两个插装阀， 组成一个三通回路， 所以三通集成块是通用集成块最基本的形式。

三通集成块的结构形式主要取决于对两个插入元件的布置， 对应于三通阀的4种连接形式相应就有4种不同的结构形式。 三通集成块一般均采取Ⅰ型和Ⅱ型， 因此也就决定了它的阀体结构形式， 如图3－38所示。

图3－38 三通集成块阀体结构型式

在图3－38所示的I型结构中， 两个插入元件垂直布置， 它们的距离较近， 先导回路的连接比较方便， 路程短， 并且进油阀处也可安装压力阀插入元件， 所以这种结构比较通用， 在通用集成块中用得最为普遍。 Ⅱ型结构中， 两个插入元件对称同轴布置， 结构最为紧凑，但两阀距离较远， 先导回路的连接比较麻烦， 路程较长。

两种阀体均以上下平面作为安装连接面， 采取多层叠加的形式进行安装。 它们都带有两个上下贯通的P和T孔， 因而组成的集成块具有共同的进、 出油口。 进、 出油阀的通径可以是相同的， 也可以是变化的， 后者的回油阀通径比进油阀的大一挡。

4． 四通集成块

实际上， 执行机构往往是双作用的， 具有两个工作腔， 这两个工作腔的工作要求是互相关联的， 可以作为一个整体来对待， 传统的控制回路就是以四通回路为基础的。 鉴于这个特点， 为了在一些情况下能简化结构， 减小外形尺寸和重量，提高经济性， 开发了四通的通用集成块。四通集成块只是两个三通块的组合，一般均采取由同样两个Ⅰ型或两个Ⅱ型的组合形式。阀体的结构形式有以下几种，如图3－39所示。

图3－39 四通集成块阀体结构型式

（1） 组合式四通阀体， 由两块三通阀体组合而成， 只是在原来的阀体上再按需要增加一些上下沟通的控制通道。

（2） 分层式四通阀体， 与组合式阀体形状相同， 只是阀体是整块的。

（3） 平面式四通阀体，4个插入元件可在一个平面上， 插在一个整块阀体中。

组合式和分层式通用性较好， 可以与三通集成块直接叠装， 控制流道布置较方便， 但高度尺寸大， 体积重量也较大。 平面式的结构较紧凑， 体积和重量较小， 高度降低， 但平面安装尺寸增大。