水液压换向阀结构型式的探讨.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ． 8 ．2 0 1 2 水液压换 向阀结构型式的探讨 陈远玲 1 , 2 ． 任瑞 文 ， 1 ． 广西大学 机械工程学院， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 ； 2 ． 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 因水与矿物油的理化特性有较大差别 ， 水液压元件大多无 法直接套 用油压元 件的结构 。该 文对国 内外几种常见 的水液压换 向 阀结构及 其优 缺点进行 了对 比分析 ， 探讨 了各种结构型式换 向阀的适用场合 ， 对水液压换 向阀的选择和设计有一定 的指导意义 。 关键 词 水液压 ； 换 向闽； 结构分 析 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 l 0 o 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 8 0 0 7 5 0 4 Di s c u s s i o n o f W a t e r Hy d r a u l i c Di r e c t i o n a l Co n t r o l Va l v e S t r u c t u r e C HE N Yu a n - l i n g a , REN Ru i - we n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ； 2 ． Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ． I 1h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r a n d Me c h a t r o n i c S y s t e m s ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Oi l h y d r a u l i c c o mp o n e n t s s t r u c t u r e c a n n o t b e d i r e c tl y a p p l y t o wa t e r h y d r a u l i c c o mp o n e n t s b e c a u s e o f i t s p h y s i c a l a n d c h e mi c al p r o p e r t i e s ． T h i s a r t i c l e c o mp a r e s s e v e r a l c o mmo n h y d r a u l i c v a l v e s t r u c t u r e ’ S a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s ， a n d d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o n s i t u a t i o n o f e a c h s t ruc t u r e i n wa t e r h y d r a u l i c c o mp o n e n t s d e s i g n ． I t h a s c e r t a i n g u i d i n g s i g n i fi c a n c e f o r wa t e r h y d r a u l i c v alv e’ s s e l e c t i o n a n d d e s i g n ． Ke y wo r d s wa t e r h y d r a u l i c ； d i r e c t i o n a l v a l v e；s t ruc t u r al a n aly s i s O 引言 1 改进型滑阀结构 水液压技术 以淡水或海水代替矿物油作为液压系 图 1是美 国 E L WO O D F l u i d公司水液压换 向阀采 统工作介质 ， 具有节约能源 、 不燃烧 、 无污染等优点 ， 可 用滑阀阀芯结构 的小通径换向阀[ 4 1 ， 该产品一改金属与 广泛应用 于冶金 、 采矿 、 食品机械、 海洋开发等领域。但 金属的间隙密封型式 ，每个台肩 间采用特殊的密封材 水所具有的粘度低 、 润滑性差 、 导 电性强 、 汽化压力 高 料来实现各通道间的隔离密封 ，但此结构 的弊端是密 等特点 ， 也给该项技术 的研究带来了困难【 ” 。 封件在换 向过程 中会反复通过通流孔 ，通流孔边沿会 在 以矿物油为传动介质的液压换 向阀中 ，滑阀结 对密封件造成较大损伤 ，尽管该 阀结构在满足通流能 构很普遍 。传统的滑阀式换向阀 ， 结构简单 ， 易于加工 ， 力的前提下通 过极力减小通流孔直径和增加通 流孑 L 个 工作可靠稳定 ，在设计 中已具有较为成熟的理论实践 数来尽可能减小对密封件 的过孔切割危害 ，但该结构 基础。但是滑阀以水为介质时， 存在着泄漏大 、 间隙小 、 对密封件的耐磨性 和弹塑密封性等提 出较高 的要求 。 抗污染能力差 、 阀芯容易卡死 、 控制边易产生拉丝侵蚀 这种结构型式 由于间隙小 ， 摩擦力很大。同时 ， 由于通 等问题[ 1 ’2 】 。要解决这些 问题， 必须从多方面着手， 合理的 流孑 L 不宜选用 过大 ，也直接限制 了该结构只能适用于 结构设计是解决问题的重要途径之一[3 ] 。本文将介绍国 小流量小通径的换 向场合。 内外几种水液压换向阀的结构型式和工作原理 ，并对 一 他们 的优缺点和适用场合进行对比分析。 1 l l 基金项 目 浙江大学流体动力与 机电系统国家重点实验室开放基 金项 目 G Z KF - 2 0 1 1 0 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简 介 陈远玲 1 9 6 4 一 ， 女 ， 广西柳 州人 ， 教授， 学 士 ， 研究 方向 为液 压 传动与控制 。 园碴 图 1 E L WOOD滑阀结构 水液压换 向阀 7 5 液 压 气 动 与 密 射．／ 2 01 2年 第 8期 2 座 阀结 构 座 阀有球形 阀、 锥阀、 平面截止阀等结构型式 ． 需 要根据其各 自特点及当前的加工水平 、耐磨耐疲劳等 条件来综合权衡选用相应结构型式 。座阀在通流密封 上能够较好地解决泄漏问题 ， 座 阀的通流能力较强 ， 适 用于大流量换向阀。但是座 阀的结构也带来一些 问题 插装单元阀芯同步启闭问题 、阀芯分散不 同轴导致的 可靠性问题 、无正遮盖油封结构在换 向过程 中出现冲 击和压力波动问题 ，另外座阀在换 向时需要较大的驱 动力来推动 阀芯，因此也需要考虑采用液控先导方式 来驱动阀芯动作 。 2 ． 1 球 阀结构 在座阀的几种密封方式中， 由于球 的磨制工艺能够 保证圆度和精度要求 ， 在水液压阀中常会见到使用陶瓷 球作为阀芯来实现线密封 ， 在小流量座阀中常常会用到 球形座阀， 但是随着通径的增大 ， 球的直径也随之增大， 从而导致阀芯增加重量 ，然而加工空心球又会 提高难 度 ， 所 以球形座阀常见于小通径的换向阀结构中。 如图 2为 H a u h i n c o水液压阀的常闭二位三通换 向 球 阀和常开二位三通换向球阀， 该 阀有通径 3和通径 6 两种规格。电磁铁 的作用力通过杠杆放大后作用在阀 阀需要 4个插装 阀单元和一个 小流量 的四通先导 阀。 但是 由于滑阀结构对水介质的适应性不好 。现有产 品 中大多采用多个非滑阀式二位三通先导阀替代一个 四 通先导阀。 图 4中 D a n f o s s的三位 四通插装式换 向阀嘲， 该 阀 采用平面密封的方式 ，每个插装单元 由一个独立 的电 磁铁驱动 的先导结 构来 控制一个插装单 元 阀芯的启 闭 ， 即该 阀需要 4组先导电磁铁作为驱动 ， 通过 4个 电 磁铁的得失电组合来切换各种工作机能以实现三位 四 通阀的换向功能。 B 图 4丹 弗 斯 擂 装 式 三位 四通 水 阀 图5是 E L WO O D F l u i d的插装三位四通组合换 向 阀同 ， 其结构整体与 D a n f o s s的结构原理相似 ， 但它还具 有可调节阀口流量节流的功能 ，该阀通过限位丝杆来 调节主通流阀 口的最大开 口的大小 。可以根据系统工 作需要调节连通 口之间的流量和背压关系 ，该阀的阀 口部分采用锥面密封方式 ， 同时也设计有缓冲头结构。 图 2 Ha u h i n c o 球阀阀芯线密封结 用于小流量 的二位二通阀或二位三通 阀中，而小流量 二位三通阀更常用于换向阀的先导控制阀。 2 ． 2插装 式 组合结构 在 国外水液压阀产品中大流量大通径的换 向阀常 见结构为插装式组合结构 ， 插装阀单元有线密封 、 锥面 密封和平面密封等密封型式 。具有代 表性的相关产品 有 丹 麦D a n f o s s 、 美 国 E L WO O D F l u i d 和 德 国 T i e f e n b a c h等公司的三位四通插装式换向水阀。 由图 3 我们知道常规的插装阀组合成的四通换 向 7 6 图 3常规二通插装式二位四通 阀原理 滞 攀 囊 i { I | | 装 式 三 位 四 通水 阀 以上插装式结构的每个插装单元均需一个独立的 电磁先导阀控制主阀芯的启闭 ，四通 阀的 4个插装单 元需要 4套电磁先导结构 。由此造成 阀造价成本的提 高 ， 同时也降低了阀的机械可靠性 。T i e f e n b a c h公司的 三位四通插装换向阀在结构上作 以改进 ，其二通插装 单元的结构与常规盖板式二通插装有所 区别 。每个单 元有上下两个控制腔，整个 阀使用 了两个二位三通先 导阀对 4个插装单元的主阀芯的启闭进行控制【8 J ． 其结 构原理如图 6所示 。 以上为插装式水液压 阀几种 比较具有代表性 的结 构 ， 其他水液压公 司的同类产品的结构均大同小异 。 故 在此不再一一列举。以上各公司插装式换 向阀的特点 总结为 ① 每个插装单元的启闭依靠独立的先导结构 控制 ；②各公司的产品结构均为三位四通阀结构而无 ] 一 L_] 一 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 8 ． 2 01 2 二位四通阀； ③各公司的产品中以锥阀密封结构居多。 这种结构特点同时导致的一些缺点 ① 独立的驱动电 磁铁和先导结构造成 阀体结构复杂 ，造价成本明显升 高；②在换向切换过程中由于有中位机能的切换致使 阀的切换响应速度减慢； ③阀的可靠性降低， 4个电磁 铁中任一得失 电状态发生故障均可能混乱逻辑并带来 不可 预料 后果 。 图 6 Ti e f e n b a c h插 装 式 三位 四通 水 阀 3 二位三通并联组合结构 图 7 为英 国 MI D I AN D A C S公 司的二位 四通不锈 钢水液压阀【9 】 ， 该 阀有较大通径规格和较高工作压力 ， 阀 的结构主体是由两个二位三通阀并联组成 ， 并 由一个二 位三通先导阀控制两个二位三通主阀芯动作的切换。 该 结构容易实现二位四通换向 ， 但因其是由两个二位三通 阀组合而成 ， 阀的体积重量均较大 ， 集成程度不高。 各通流腔间的密封 ， 可以增大台肩与阀套 的间隙 ， 切换 既不会 出现卡死问题又能保证切换过程中保持压力稳 定减小冲击。该阀的特点因其阀芯为一整体 ， 启闭过程 中不会出现前述的插装阀中得失电故障造成的不可靠 的逻辑关系问题。 但该结构更适用 于二位 二通或二位三通换 向阀 ， 用 于四通阀时则会带来许多新问题 。图 9为作者由该 结构衍生出的二位 四通阀结构示意 图。从 图中可以看 出该结构应用到二位 四通阀后 ，同轴会 出现两个 同时 密封的端 面，因此对同时密封的两个面的加工尺寸和 装配尺寸精度提出较高要求 ，可能会出现一端面实现 密封而另一端面由于尺寸误差导致泄漏 问题 ．两个阀 套 的装配精度会直接影响端面密封 的性能 。尽管该方 案也可做一些改进措施 ，即通过在密封平面加弹性密 封材料 的方式来减小加工和装配误差导致 的间隙 ． 但 是 同时也引来密封圈的固定方式和密封圈型式 的选用 等新问题。 图 9座阀滑阀融合式二位四通 阀结构示意 5 转 阀结构 再I ’ 燃 90唧 ． ． ⋯ ⋯ 图7 M 旧 L A N D A cs二位 四通水液压换向阀 图 1 0二 位 四通 转 阀 工 理 图 4 座 阀滑阀融合式 结构 弓永军博士[ O l 提 出了一种无泄漏平面型纯水换 向 阀 ， 如图 8所示 ， 其主体结构型似滑 阀 ， 但该设计融合 了座 阀的特点 ， 采用滑 阀端面的平 面 或锥面 来实现 主阀俸主阀套主阀芯 先导阀 主阀电磁铁 图 8二位 二通 平面无泄漏密封水液压阀 转 阀从原理上讲容易实现功能 ，但在实际设计和 加工过程中存在一些问题①转阀阀芯的启闭控制属 于旋转方式而非直线驱动方式 ，故 电磁铁无法直接作 为驱动装置 ，需使用电机驱动或增加机械机构来实现 直线转换旋转运动； ②旋转阀芯的摩擦力较大， 换向需 要的驱动力较大；③端面密封较难实现且磨损问题严 重 ， 加工配合精度难度较大。所以转 阀在实际应用中更 常用于手动截止阀等手动操作的场合 。 6 结束语 锥 阀 、 球 阀和平 板 阀等结 构对 水介 质 的适 应性 下转第 8 2页 7 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 8期 蚀与磨损现象的主要途径 。除了选择合适的工作温度 ， 增大泵吸入 口处 的压力 ， 减小阀 口处水介质的流速 ， 也 可以减小系统元件的气蚀破坏。 通过合理的设计 系统回路 见图 1 3 ， 可 以减小系 统关键元器件的磨损 ， 达到保护系统 、 延长系统使用寿 命 的目的。 高压水 a 回路 a 高压水 b 回路 b 图 1 3水 缸透 厦 控 制 回 路 原 理 图 在本 系统 中比例阀 5为调速 回路 的关键 元器件 ， 为了减小 比例阀阀芯的磨损 ，回路 b相对于 回路 a ， 将 比例阀 5放置于二位二通电磁换 向阀 3后面 ，减小对 比例阀的压力冲击 ， 可 以减小比例 阀阀芯的磨损。 3 ． 4结构设 计 纯水液压系统一般采用架高式水箱 ，以保证泵入 口处压力为正压 。在设计水箱及管路时 ，适当选择大 小 ， 减小管路 中水介质流速 ， 可以起到避免汽蚀与磨损 的作用 。 一 一n 一 - 一 上接第 7 7页 好 ，采用以上结构容易实现二位二通或二位三通水液 压换 向控制 ， 阀的结构相对较简单 ； 而现有水液压产品 中的二位四通和三位 四通换向阀，要么是采用两个 以 上的先导阀 ，要么是 由两个三通 阀组合成一个 四通 主 阀， 结构复杂 ， 体积重量大。因此还需要进一步寻求新 的结构来简化水液压 四通换向阀， 减小其体积重量 ， 提 高其工作可靠性。 参 考 文 献 【 I 】 杨华勇， 周华， 路 甬祥 ． 水液压技术 的研 究现状与发展趋势[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 0 ， l 1 2 1 4 3 0 1 4 3 3 ． 『 2 I 刘银水， 黄艳， 贺小峰， 李壮 云． 几种油压 阀的结构 型式 对水的 适应性[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 2 ， 9 3 3 1 6 1 7 ． [ 3 ] 刘银水， 黄艳， 贺小峰， 李壮 云． 水压阀的研究 与发 展【 J ] ． 液压与 气动， 2 0 0 1 ， 5 1 0 1 4 ． 『 4 】 E L WO O D C o r p o r a t i o n ． P a c k e d S p o o l 4 一 w a y D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e D a t a s h e e t【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 6 - 0 3 [ 2 0 1 2 - 0 4 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w ww ． e l wo o d ． C O B． 8 2 4结论 针对 重载升降平 台设计 了一种纯 水液压驱 动系 统。通过对水缸控制系统调速 回路分析 。 比较其与传统 油压调速回路的区别 ，提出了水压传动中比例阀和节 流阀两种调速方案 ，采用 A ME S i m软件对两种调速方 案进行了仿真 ，结果表 明两种方案均可以实现相关设 计要求 ，但 比例 阀调速回路相 比与节流阀调速回路具 有较小的速度冲击和压力冲击 。结合本系统设计与调 试过程 中的相关经验 ，对纯水液压系统设计与维护过 程中的一些要点进行了介绍 ，对后续水压系统的设计 有一定的参考价值。 参 考 文 献 [ 1 】 F i s h e r ．Wa t e r H y d r a u l i c s G e t t i n g Ho t A g a i n [ J ] ．H y d r a u l i c s P ne u ma t i c s， Ma y1 991， PP 35 -38 ． 【 2 】 周华 ， 杨华勇． 重新崛起 的现代水压 传动技术【 J J ． 液压气动与 密封 ， 2 0 0 0 ， 8 6 8 ． [ 3 】 E r i k T r o s t ma n n ．Wa t e r H y d r a u l i c C o n t r o l T e c h n o l o g y 【 M】 ． Ne w Yo r k， Ma r c e l De k k e r I n c ． ， 1 9 9 6 ． f 4 I D i p 1 ． 一 I n g ．Marc E m m a n e e 1 ．P r o p o r t i o n a l T e c h n o l o gy w i t h E l e c t r o n i c s o n B o a r d【 R1 ．T a m p e r e T h e T e n t h S e a n d i n a v i a n I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n F l u i d P o w e r ． 2 0 0 7 ． [ 5 】 E s m a e i l V a r a n d i l i ．P r o p e r t i e s o f T a p Wa t e r a s a H y d r a u l i c P r e s s u r e Me d i u m 【 R 】 ． T a m p e r e T h e P r o c ． o f t h e 6 t h S c a n d i n a v i a n I n t ．C o n f ．o n F l u i d P o we r ， 1 9 9 9 ． 【 6 】 周华 ， 杨华勇 ， 李家鑫． 纯水液压试验系统 的设计[ J 】 ． 液压气 动 与密封 ， 2 0 0 1 ， f 1 1 6 1 8 ． 【 5 ] E L WO O D C o r p o r a t i o n ．D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e s 2 一 ， 3 一 a n d 4 - w a y D I N P o p p e t S e ri e s D a t a s h e e t[ E WO L J ． 2 0 0 6 0 3 [ 2 0 1 2 - 0 4 - 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w ． e l w o o d ． c o n． [ 6 ] D a n f o s s C o rpo r a t i o n ．D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e T y p e V D H 6 0 E C D a t a s h e e t [ E B ／ O L ] ． 2 0 1 0 - 0 3 f 2 0 1 2- 0 4 0 5 ] ． h t t p ／ ／ 、 ． da nf oS S ． c o m． c n． 【 7 ] Ha u h i n c o C o rpo r a t i o n ．3 ／ 2 Wa y B a l l S e a t V alv e ，D i r e c t c o n t r o H e d D a t a s h e e t【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 5 0 3 [ 2 0 1 2 0 4 0 5 1 ． h t t p ／ ／ ．h a u h i n c o ． c o rn． 【 8 ] T i e f e n b a c h Wa s s e r h y d r a u l i k ．4 ／ 3 wa y P i l o t C o n t r o l S e a t V a l v e D a t a s h e e t[ E B ／ O L ] ．[ 2 0 1 2 - 0 4 - 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w． T i e f e n b a c h - Wa s s e r h y d r a u l i k ． e u ． 【 9 ] MI D L A N D AC S ．Wa t e r Hy d r a u l i c S o l e n o i d V a l v e D a t a s h e e t 【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 8- 0 7 [ 2 0 1 2 0 4- 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w．e l l i n g s e n ． b i z ／ p r o d u c t s ／ s o l e n o i d - v a l v e s ／ h y d r a u l i c - s o l e n o i d - v a l v e s ． [ 1 0 】弓永军 ． 纯水 液压控 制阀关键 技术研 究[ D 】 ． 杭 州 浙江 大学， 2 0o5 ． [ 1 l 】 余瑞霞． 反渗透海水淡化系统余压能量回收装置过程特性的 研究[ D ] ． 天津 天津大学， 2 0 0 5 ．