06 方向控制阀和方向回路

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方向控制阀及方向控制回路5.1液压控制阀概述5.2单向阀5.3换向阀5.4方向阀在换向与锁紧回路中的应用5.5液压阀的连接方式ysu-2010 液压控制阀概述液压控制阀是液压系统中的控制元件，它们的作用是通过对液压系统中压力油的流动方向、压力大小、流量大小的控制，从而达到对执行元件的运动方向、输出力（或力矩）大小、输出速度大小进行控制。不论何种液压系统，都是由一些完成一定功能的基本液压回路组成，而液压回路主要是由各种液压控制阀按一定需要组合而成。对于实现相同目的的液压回路，由于选择的液压控制阀不同或组合方式不同，回路的性能也不完全相同。因此熟悉各种液压控制阀的性能、基本回路的特点，对于设计和分析液压系统极为重要。ysu-2010 根据其作用的不同，液压控制阀可分为三大类：方向控制阀：如单向阀、换向阀等。压力控制阀：如溢流阀、减压阀、顺序阀等。流量控制阀：如节流阀、调速阀等。相应地可由这些阀组成三种基本回路：方向控制回路、压力控制回路和调速回路。按控制方式的不同，液压阀又可分为普通液压控制阀、伺服控制阀、比例控制阀。根据安装形式不同，液压阀还可分为管式、板式和插装式等若干种。各种类型的液压阀的基本工作参数是额定压力和额定流量，不同的额定压力和额定流量使得每种液压阀具有多种规格。ysu-2010 5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及流动方向的阀类。如单向阀、换向阀等。5.2单向阀单向阀可分为普通单向阀和液控单向阀。5.2.1普通单向阀单向阀又称止回阀，它使液体只能沿一个方向通过。单向阀可单独使用，也可与其它类型的液压阀相并联，从而构成组合阀。对单向阀的主要性能要求是：油液向一个方向通过时压力损失要小；反向不通时密封性要好，动作灵敏，工作时无撞击和噪声。ysu-2010 (1)单向阀的工作原理和图形符号图5．10单向阀的工作原理和图形符号(a)工作原理图，(b)详细符号，(c)简化符号图5.10为单向阀的工作原理和图形符号。当液流由A腔流入时，克服弹簧力将阀芯顶开，于是液流由A流向B；当液流反向流入时，阀芯在液压力和弹簧力的作用下关闭阀口，使液流截止，液流无法流向A腔。作单向阀用时，弹簧刚度较小。ysu-2010 (2)典型结构与主要用途单向阀的结构如图5.11所示。按进出口流道的布置形式，单向阀可分为直通式和直角式两种。直通式单向阀进口和出口流道在同一轴线上;而直角式单向阀进出口流道则成直角布置。图5.11单向阀的典型结构(a)直角式单向阀(板式连接);(b)阀芯为球阀的直通式单向阀(管式连接);(c)阀芯为锥阀的直通式单向阀(管式连接)ysu-2010 图5.11(a)为板式连接的直角式单向阀，在该阀中，液流顶开阀芯后，直接从阀体内部的铸造通道流出，压力损失小，而且只要打开端部螺塞即可对内部进行维修，十分方便。图5.11(b)、(c)为管式连接的直通式单向阀，它可直接装在管路上，结构较简单，但液流阻力损失较大，而且维修装拆及更换弹簧不便。ysu-2010 单向阀开启压力一般为0.035~0.05MPa，所以单向阀中的弹簧很软。单向阀的主要用途如下（1）单向阀可以安装在回油路中作为背压阀。将软弹簧更换成合适的硬弹簧，用以产生0.2~0.6MPa的背压。就成为背压阀。1-防止油液倒流；2-形成背压Q315264（2）安装在液压泵出口，防止泵倒灌。防止系统中的油液在泵停机时倒流回油箱、系统压力突然升高而损坏液压泵。（3）与其它阀组合成单向控制阀。（4）用于隔开油路之间的联系，防止油路相互干扰；防止泵倒灌1隔开油路；2组成单向平衡阀ysu-2010 5.2.2液控单向阀液控单向阀是允许液流向一个方向流动，反向开启则必须通过液压控制来实现的单向阀。液控单向阀可用作二通开关阀，也可用作保压阀，用两个液控单向阀还可以组成“液压锁”。(1)液控单向阀的工作原理和图形符号液控单向阀的工作原理及职能符号如图所示。图5.12液控单向阀的工作原理和图形符号(a)工作原理图;(b)详细符号;(c)简化符号ysu-2010 当控制油口无压力油(pK=0)通入时，它和普通单向阀一样，压力油只能由A腔流向B腔，不能反向倒流。若从控制油口K通入控制油pK时，即可推动控制活塞，将阀芯顶开，从而实现液控单向阀的反向开启，此时液流可从B腔流向A腔。ysu-2010 (2)液控单向阀应用1）控制重物匀速下落当换向阀通电时，油缸匀速下落（不会自由落体下落）；当换向阀断电时，油缸起吊重物。2）液压锁：液压锁用于汽车液压吊等的支腿。ysu-2010 (3)典型结构液控单向阀有不带卸荷阀芯的筒式液控单向阀(见图5.13)和带卸荷阀芯的卸载式液控单向阀(见图5.14)两种结构形式。图5.13筒式液控单向阀1-控制活塞；2-顶杆；3-单向阀芯ysu-2010 当控制活塞上移时先顶开卸载阀的小阀芯，使主油路卸压，然后再顶开单向阀芯。这样可大大减小控制压力，使控制压力与工作压力之比降低到4.5％，因此可用于压力较高的场合，同时可以避免筒式阀中当控制活塞推开单向阀芯时，高压封闭回路内油液的压力将突然释放，产生巨大冲击和噪声的现象。带卸荷阀芯的卸载式液控单向阀ysu-2010 上述两种结构形式按其控制活塞处的泄油方式，又均有内泄式和外泄式之分。外泄式的活塞背压腔直接通油箱，这样反向开启时就可减小p1腔压力对控制压力的影响，从而减小控制压力pK。故一般在反向出油口压力p1较低时采用内泄式，高压系统采用外泄式。ysu-2010 5.3换向阀换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变液流方向的阀类。它的用途很广，种类也很多。对换向阀性能的主要要求是：①油液流经换向阀时的压力损失要小(一般0.3MPa)；②互不相通的油口间的泄漏要小;③换向可靠、迅速且平稳无冲击。ysu-2010 换向阀类型换向阀按阀的结构形式、操纵方式、工作位置数和控制的通道数的不同，可分为各种不同的类型。按阀的结构形式有：滑阀式、转阀式、球阀式、锥阀式。按阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。按阀的工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、三位四通阀、三位五通阀等。ysu-2010 5.3.1.1换向阀的“通”和“位”“通”和“位”是换向阀的重要概念。几“通”：即阀的通路个数；几“位”：即阀的工作位置个数。几种不同“通”和“位”的滑阀式换向阀主体部分的结构形式和图形符号如下表所示。5.3.1换向机能ysu-2010 表5．1不同的“通”和“位”的滑阀式换向阀主体部分的结构形式和图形符号．ysu-2010 表5.1中图形符号的含义如下：(1)用方框表示阀的工作位置，有几个方框就表示有几“位”；(2)方框内的箭头表示油路处于接通状态，但箭头方向不一定表示液流的实际方向;(3)方框内符号“┻”或“┳’”表示该油路不通；(4)方框外部连接的接口数有几个，就表示几“通”;ysu-2010 (5)一般，阀与系统供油路连接的进油口用字母P表示，阀与系统回油路连通的回油口用T(有时用O)表示；而阀与执行元件连接的油口用A、B等表示。有时在图形符号上用L表示泄漏油口；(6)换向阀都有两个或两个以上的工作位置，其中一个为常态位，即阀芯未受到操纵力时所处的位置。图形符号中的中位是三位阀的常态位。利用弹簧复位的二位阀则以靠近弹簧的方框内的通路状态为其常态位。绘制系统图时，油路一般应连接在换向阀的常态位上。ysu-2010 5.3.1.2滑阀机能滑阀式换向阀处于中间位置或原始位置时，阀中各油口的连通方式称为换向阀的滑阀机能。滑阀机能直接影响执行元件的工作状态，不同的滑阀机能可满足系统的不同要求。正确选择滑阀机能是十分重要的。这里介绍二位二通和三位四通换向阀的滑阀机能。ysu-2010 (1)二位二通换向阀二位二通换向阀其两个油口之间的状态只有两种：通或断[见图5.15(a)]。自动复位式(如弹簧复位)的二位二通换向阀的滑阀机能有常闭式(O型)和常开式(H型)两种[见图5.15(c)]。图5．15二位二通换向阀的滑阀机能ysu-2010 (2)三位四通换向阀三位四通换向阀的滑阀机能有很多种，常见的有表5.2中所列的几种。中间一个方框表示其原始位置，左右方框表示两个换向位，其左位和右位各油口的连通方式均为直通或交叉相通，所以只用一个字母来表示中位的形式。ysu-2010 表5.2三位四通阀常用滑阀机能P、O口相通，A与B口均封闭，活塞闭锁不动，泵卸荷，也可用多个M型换向阀串联工作M型P、A、O口相通，B口封闭，活塞处于单向闭锁状态，泵卸荷K型P封闭，A、B、O口相通，活塞浮动，在外力作用下可移动，泵不卸荷Y型P、A，B、O口全通，活塞浮动，在外力作用下可移动，泵卸荷H型P、A，B、O四口全封闭，液压缸闭锁，可用于多个换向阀并联工作O型中位油口状况，特点及应用符号型式ysu-2010 P、A、B口相通，O封闭，泵与缸两腔相通，可组成差动回路P和O封闭，A与B相通，活塞浮动，在外力作用下可移动，泵不卸荷U型P与A相通，O与B封闭，活塞处于停止位置C型P与A封闭，B与O相通，活塞停止，但在外力作用下可向一边移动，泵不卸荷J型P型X型符号型式四油口处于半开启状态，泵基本上卸荷，但仍保持一定压力中位油口状况，特点及应用ysu-2010 不同机能的滑阀，其阀体是通用件，区别仅在于阀芯台肩结构、轴向尺寸及阀芯上径向通孔的个数。ysu-2010 5.3.2换向阀的操纵方式5.3.2.1手动换向阀手动换向阀主要有弹簧复位和钢球定位两种形式。图5．17三位四通手动换向阀(a)弹簧钢球定位式符号，(b)弹簧自动复位式符号ysu-2010 图5.17(a)所示为钢球定位式三位四通手动换向阀，用手操纵手柄推动阀芯相对阀体移动后，可以通过钢球使阀芯稳定在三个不同的工作位置上。图5.17(b)则为弹簧自动复位式三位四通手动换向阀。通过手柄推动阀芯后，要想维持在极端位置，必须用手扳住手柄不放，一旦松开了手柄，阀芯会在弹簧力的作用下，自动弹回中位。ysu-2010 5.3.2.2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实现换向。机动换向阀多为图所示的二位阀。图5.18二位二通机动换向阀1-挡铁；2-滚轮；3-阀芯；4-弹簧ysu-2010 二位二通机动换向阀工作原理演示ysu-2010 5.3.2.3电磁换向阀电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它可借助于按钮开关、行程开关、限位开关、压力继电器等发出的信号进行控制，所以操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。(1)工作原理电磁换向阀的品种规格很多，但其工作原理是基本相同的。现以图所示三位四通O型滑阀机能的电磁换向阀为例来说明。ysu-2010 图5.19电磁换向阀的工作原理图l-阀体;2-阀芯;3-弹簧座;4-弹簧;5-推杆;6-铁芯;7-衔铁在图中，阀体l内有三个环形沉割槽，中间为进油腔P，与其相邻的是工作油腔A和B。两端还有两个互相连通的回油腔T。阀芯两端分别装有弹簧座3、复位弹簧4和推杆5，阀体两端各装一个电磁铁。当两端电磁铁都断电时[图(a)]，阀芯处于中间位置。此时P、A、B、T各油腔互不相通；ysu-2010 当左端电磁铁通电时[图(b)]，该电磁铁吸合，并推动阀芯向右移动，使P和A连通，B和T连通。当其断电后，右端复位弹簧的作用力可使阀芯回到中间位置，恢复原来四个油腔相互封闭的状态；当右端电磁铁通电时[图(c)]，其衔铁将通过推杆推动阀芯向左移动，P和B相通，A和T相通。电磁铁断电，阀芯则在左弹簧的作用下回到中间位置。PTABysu-2010 (2)电磁铁类型阀用电磁铁根据所用电源的不同，有以下三种：①交流电磁铁。②直流电磁铁。③本整型电磁铁。ysu-2010 (3)干式、油浸式、湿式电磁铁直流电磁铁和交流电磁铁，都可做成干式的、油浸式的和湿式的。①干式电磁铁。其线圈、铁芯与轭铁处于空气中不和油接触，常用于简单液压系统。②油浸式电磁铁。其线圈和铁芯都浸在无压油液中。因有多处密封，灵敏性较差，造价较高。③湿式电磁铁。它和油浸式电磁铁不同之处是推杆处无密封圈。线圈和衔铁都浸在有压油液中，故散热好，摩擦小。湿式电磁铁具有吸声小、寿命长、温升低等优点，是目前应用最广的一种电磁铁。注意：由于电磁铁的吸力有限(120N)，因此电磁换向阀只适用于流量不太大的场合。当流量较大时，需采用液动或电液动控制。ysu-2010 5.3.2.4液动换向阀液动换向阀是利用控制压力油来改变阀芯位置的换向阀。对三位阀而言，按阀芯的对中形式，分为弹簧对中型和液压对中型两种。图5.22(a)所示为弹簧对中型三位四通液动换向阀，阀芯两端分别接通控制油口K1和K2。图5．22弹簧对中型三位四通液动换向阀ABPOysu-2010 当K1通压力油时，阀芯右移，P与A通，B与T(O)通；当K2通压力油时，阀芯左移，P与B通，A与T(O)通；当K1和K2都不通压力油时，阀芯在两端对中弹簧的作用下处于中位。当对液动滑阀换向平稳性要求较高时，还应在滑阀两端K1、K2控制油路中加装阻尼调节器[见下图]。阻尼调节器由一个单向阀和一个节流阀并联组成，单向阀用来保证滑阀端面进油畅通，而节流阀用于滑阀端面回油的节流，调节节流阀开口大小即可调整阀芯的动作时间。ysu-2010 5.3.2.5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。其中，电磁换向阀起先导作用，控制液动换向阀的动作，改变液动换向阀的工作位置；液动换向阀作为主阀，用于控制液压系统中的执行元件。由于液压力的驱动，主阀芯的尺寸可以做得很大，允许大流量通过。因此，电液换向阀主要用在流量超过电磁换向阀额定流量的液压系统中，从而用较小的电磁铁就能控制较大的流量。电液换向阀的使用方法与电磁换向阀相同。ysu-2010 电液换向阀有弹簧对中和液压对中两种形式。若按控制压力油及其回油方式进行分类则有：外部控制、外部回油；外部控制、内部回油；内部控制、外部回油；内部控制、内部回油等四种类型。图5．23内部控制、外部回油的弹簧对中型电液换向阀(a)结构图；(b)符号，(c)简化符号l、7-单向阀;2、6-节流阀;3、5-电磁铁;4-电磁阀阀芯;8-主阀芯外部控制外部回油外部回油口ysu-2010 原理演示ysu-2010 5.4方向阀在换向与锁紧回路中的应用在液压系统中，工作机构的启动、停止或变换运动方向等是利用控制进入执行元件油流的通、断及改变流动方向来实现的。实现这些功能的回路称为方向控制回路。5.4.1换向回路向回路，只需在泵与执行元件之间采用标准的普通换向阀即可。方向阀主要用于通断控制、换向控制、锁紧、保压等方面。ysu-2010 电磁阀与行程开关自动换向回路ysu-2010 5.4.2锁紧回路锁紧回路可使液压缸活塞在任一位置停止，并可防止其停止后窜动。使执行元件锁紧的最简单的方法是利用三位换向阀的M型或O型中位机能封闭液压缸两腔，使执行元件在其行程的任意位置上锁紧。但由于滑阀式换向阀不可避免地存在泄漏，这种锁紧方法不够可靠，只适用于锁紧时间短且要求不高的回路中。ysu-2010 最常用的方法是采用液控单向阀，其锁紧回路如图所示。由于液控单向阀有良好的密封性能，即使在外力作用下，也能使执行元件长期锁紧。为了保证在三位换向阀中位时锁紧，换向阀应采用H型或Y型机能。这种回路常用于汽车起重机的支腿油路中，也用于矿山采掘机械的液压支架的锁紧回路中。ysu-2010 5.5液压阀的连接方式液压阀的连接方式有五种。(1)螺纹连接阀体油口上带螺纹的阀称为管式阀。将管式阀的油口用螺纹管接头与管道连接，并由此固定在管路上。这种连接方式适用于小流量的简单液压系统。优点：连接方式简单，布局方便，系统中各阀间油路一目了然。缺点：元件分散布置，所占空间较大，管路交错，接头繁多，不便于装卸维修。(2)法兰连接通过阀体上的螺钉孔与管件端部的法兰用螺钉连接在一起。这种阀称为法兰连接式阀。适用于通径32mm以上的大流量液压系统。其优缺点与螺纹连接相同。ysu-2010 (3)板式连接阀的各油口均布置在同一安装平面上，并留有连接螺钉孔，这种阀称为板式阀，如电磁换向阀多为板式阀。将板式阀用螺钉固定在与阀有对应油口的平板式或阀块式连接体上。其优点是：更换元件方便，不影响管路，并且有可能将阀集中布置。与板式阀相连的连接体有连接板和集成块两种形式。①连接板。将板式阀固定在连接板上面，阀间油路在板后用管接头与管子连接。板式连接阀ysu-2010 ②集成块。集成块是一个正六面连接体。将板式阀用螺钉固定在集成块的三个侧面上，有时在阀与集成块间还可以用垫板安装一个简单的阀，如单向阀、节流阀等。剩余的一个侧面则安装油管，连接执行元件。集成块的上、下面是块与块的接合面，在各集成块的结合面上同一坐标位置的垂直方向钻有公共通油孔：压力油孔P、回油孔T、泄漏油孔L以及安装螺栓孔。在集成块内打孔，沟通各阀组成回路。每个集成块与装在其周围的阀类元件构成一个集成块组，每个集成块组就是一个典型回路。图5.28集成块式液压装置1-底板;2-集成块;3-阀;4-盖板ysu-2010 这种集成方式的优点是：结构紧凑，占地面积小，便于装卸和维修，可把液压系统的设计简化为集成块组的选择，因而得到广泛应用。缺点：设计工作量大，加工复杂，不能随意修改系统等。图5.28集成块式液压装置1-底板;2-集成块;3-阀;4-盖板ysu-2010 (4)叠加式连接将各种液压阀的上下面都做成像板式阀底面那样的连接面，相同规格的各种液压阀的连接面中，油口位置、螺钉孔位置、连接尺寸都相同(按相同规格的换向阀的连接尺寸确定)，这种阀称为叠加阀。按系统的要求，将相同规格的各种功能的叠加阀按一定次序叠加起来，即可组成叠加阀式液压装置，如图所示。叠加阀式液压装置的最下面一般为底板，底板上开有进油口P、回油口T及通往执行元件的油口A、B和压力表油口。一个叠加阀组一般控制一个执行元件。图5.29叠加阀式液压装置1-底板;2-压力表开关;3-换向阀ysu-2010 若系统中有几个执行元件需要集中控制，可将几个垂直叠加阀组并排安放在多联底板上。用叠加阀组成的液压系统，元件间的连接不使用管子，也不使用其它形式的连接体，因而结构紧凑，体积小，系统的泄漏损失及压力损失较小，尤其是液压系统更改较方便、灵活。叠加阀为标准化元件，设计中仅需绘出叠加阀式液压系统原理图，即可进行组装，因而设计工作量小，应用广泛。ysu-2010 (5)插装式连接将阀制成圆筒形专用元件——插装阀。将插装阀直接插入布有孔道的阀块(集成块)的插座孔中，而构成液压系统，其结构十分紧凑。各种压力阀、流量阀、方向阀、比例阀等均可制成插装阀形式。ysu-2010 小结单向阀和换向阀是液压系统中控制液流方向的元件。单向阀分成两类：即普通单向阀(简称单向阀)和液控单向阀。普通单向阀只允许液流向一个方向通过；液控单向阀具有普通单向阀的功能，并且只要在控制口通入一定压力的控制油液，油流反向也能通过。单向阀和液控单向阀用于回路需要单向导通的场合，也用于各种锁紧回路。换向阀既可用来使执行元件换向，也可用来切换油路。换向阀的各种结构形式中，滑阀式用得较多。而各种操纵形式的换向阀中，则以电磁和电液换向阀用得较多，因为它易于实现自动化。换向阀的图形符号明确地表示了阀的作用原理、工作位置数、通路数、通断状态以及操纵方式等，应予以足够的重视，并能熟练掌握。ysu-2010 习题5.3说明O型、M型、P型和H型三位四通换向阀在中间位置时的特点。5.5O型机能的三位四通电液换向阀中的先导电磁阀一般选用何种中位机能?由双液控单向阀组成的锁紧回路中换向阀又选用什么机能?为什么?ysu-2010