支持先导油路分配的多通转阀设计及应用.pdf

2 0 1 2年 5月 第4 0卷 第 1 O期 机床与液压 MAC HI NE T 00L HYDRAUL I CS Ma y 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 1 8 支持先导油路分配的多通转阀设计及应用 陈亚洲，皮钧 ，郑添义，李星 集美大学机械工程学院，福建厦 门 3 6 1 0 2 1 摘要为简化先导控制系统 ，减少先导式电液比例控制阀的数量 ，提出在先导式电液比例控制阀和液控多路换向阀之 间进行先导油路分配，设计并制作了一种用于先导油路分配的十四通转阀，介绍该转阀的功能结构，分析其工作原理 、工 作过程和试验情况。该多通转阀已成功应用于平地机操控系统中。 关键词 先导油路分配 ；多通转 阀 中图分类号T P 2 1 1 ． 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 0 5 6 3 Re s e a r c h o n a M ul t i - pa s s Ro t a r y Va l v e S up po r t i n g Pi l o t Oi l Di s t r i bu t i o n C HE N Ya z h o u ，P I J u n，Z HEN G T i a n y i ，L I Xi n g M e c h a n i c a l E n g i n e e r S c h o o l o f J i me i U n i v e r s i t y ， X i a m e n F u j i a n 3 6 1 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s i mp l i f y t h e p i l o t c o n t r o l s y s t e m a n d r e d u c e n u mb e r o f p i l o t e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l V a l V e ， t h e me t h o d t h a t d i s t ri b u t i n g p i l o t o i l b e t we e n p i l o t e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l c o n t r o l v alv e s a n d h y d r a u l i c c o n t r o l d i r e c t i o n a l v a l v e w a s p r o p o s e d ．A n e w f o u r t e e n p a s s r o t a r y v alv e wa s d e s i g n e d a n d i t s f u n c t i o n， p rin c i p l e a n d e x p e ri me n t we r e d i s c u s s e d ．T h i s v a l v e h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d i n l a n d l e v e l e r ma n i p u l a t i o n c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s P i l o t o i l d i s t r i b u t i o n Mu l t i p a s s r o t a r y v alv e 目前工程机械工作装置 的各种动作一般采用液压 驱动 ，其基本原理是通过液控多路换向阀控制液压缸 等执行元件 。为实现先导控制 ，在液控多路换 向阀的 控制 口接先导式电液比例控制阀进行主阀动作控制。 液控多路换向阀的数目与工作装置空间运动 自由度直 接相关 ，当工作装置空间运动 自由度较多时，液控换 向阀的数 目也较多，相应地用于控制液控多路换向阀 的先导式 电液 比例控制 阀的数 目也较多 。例如工程上 用 于土地平整和高速公路施工的平地机需要铲刀右升 降油缸 、铲刀左升降油缸、铲刀倾斜油缸、铲刀引出 油缸 、铲 刀角度变换油缸 、后松土器油缸 、前轮倾斜 油缸、铲刀回转油缸 、铲刀铰接转向油缸和前推土板 升降油缸等1 0个油缸实现铲刀空间6个 自由度的运 动⋯ ，相应地总共需 要 2 0个 先导式 电液 比例 控制 阀 和 2 个集成液控多路换向阀 总共 1 0路 ，这使得 工程机械先导控制系统复杂 ，液压元件过多，管线布 置困难，液压系统成本较高，相应地液压系统故障率 也较高 。 先导控制系统在挖掘机 、装载机等其 他工程机械 上也有类似控制要求 。液控多路换向阀所控制的 液压缸等执行元件一般 只需要 2 3个 同时 动作 。改 进控制液控 多路换 向阀的先导式电液 比例控制 阀 ，如 果能够实现 1 个先导式电液比例控制阀控制多个液控 换 向阀，则可以减 少先导式 电液 比例控制 阀的数量 ， 从而简化工作装置液压控制 系统 J 。为此作者进行 了 相关研究 。 1 先导油路分配原理 已有的先导控 制系统 中 ，先导式电液 比例控制阀 与液控多路换向阀是直接相连的 图 1 a ，1 个先导式 电液 比例控制 阀只能控制 1 路换 向阀 1 个方 向的动作 ，2个先导式电液 比例控制 阀才能控制 1路 换向阀正负 2个方向的动作。为此，作者提出如图 1 b 所示的基于先导油路分配的先导控制方式。在 图 1 b 中 ，先导式电液 比例控 制 阀没有 与液控 多 路换 向阀直接相连 ，而是与作者设计的十四通转 阀直 接相连，十四通转阀再与液控多路换向阀相连。通过 旋转十四通转 阀阀芯 转阀具体结构在第 2节介 绍 ，可 以使转 阀处 于不 同的位 置 ，相应地选 择换 向 阀不同的通道 ，从而实现用较少的先导式电液比例控 制 阀控制多个换向阀。 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 7 基金项 目厦 门市经发局产学研重点项 目 2 0 0 9 0 0 0 9 作者简介陈亚洲 1 9 7 2 一 ，男 ，博士，副教授，主要从事数字化设计及机电液一体化装备的研究。E j mu ． e d u ． C B 。 第 1 O期 陈亚洲 等支持先导油路分配的多通转阀设计及应用 5 7 先导 式 电液 比例 控制 阀 液 墅 堕 堡咆 a 1 已有 先 导控 制方 式 制 阀 一 b 改进 的先导 控 制方 式 图 1 先导油路分配原理 2 转阀结构及阀芯工作原理 图2是作者设计的十四通转 阀功能符号，P 1 、P 2是控制油 口 与先导式 电液比例控制阀 相 连 ， T 1 、 口 是 回 油 口 接 系统 油箱 ，A 1和 B l口组 成 1个 通 道 外 接 1路 换 向 阀 ， A 2和 B 2 、A 3和 B 3 、A 4和 B 4 、 A 5和 B 5组成其他4个通道外接 其他4路换向阀。这样可以使用 图2 十四通转阀 功能符号 2个先导式电液比例控制阀通过该转阀控制 5路换向 阀。 设计的十四通转阀采用多面体结构，图3 是其结 构示意 图 。可 以看 出转 阀 主要 由手 柄 、阀盖 、螺 钉、密封圈、阀体、阀芯和底座等组成。阀体上开有 沿阀体轴向延伸的阀芯孔 ，在阀芯孔上装配圆柱状的 阀芯，阀芯与阀体轴向定位且周向转动连接。阀体的 一 个面上沿阀芯孔径向间隔开设有贯通阀芯孔的两个 控制油孔 对应于图2中的 P 1 和 P 2口和两个回 油孔 对应于 图 2中的 T l和 1 2口 ，其他各 侧 面上 也沿 阀芯孔径 向间隔开设 2个贯通 阀芯孔 的输 出油孔 分别对应于图 2中的 A 1和 B 1 、A 2和 B 2 、A 3和 B 3、A 4和 B 4、A 5和 B 5口 。 转阀设计的关键技术在于阀芯和阀体的设计。阀 芯上间隔开设 有四道 环形槽 2 1 、2 2 、2 3 、2 4 图 4 ， 第 1 道环形槽 2 1 对应阀体上的一个回油孔 T l 且与之 相连通 ，第 4道环形槽 2 4对应阀体上另一个 回油孔 且与之相连通，第 2道环形槽 2 2对应阀体上的一 个控制油孔 P l 且与之相连通，第 3道环形槽 2 3 对应 阀体上的另一个控制油孔 P 2且与之相连通。 ⋯ 馨 ■ 图3 转阀结构示意图 阀芯上 ，在第 1 道环形槽 2 1 和第 2道环形槽 2 2 之间开设有连通第 2道环形槽 2 2但不连通第 1道环 形槽 2 1 的 1 个轴向输出油槽 2 5 ；在第 3 道环形槽 2 3 和第 4道环形槽 2 4之间也开设有连通第 3道环形槽 2 3 但不连通第 4道环形槽 2 4的 1个轴向输出油槽 2 5 1 。这2个轴向输出油槽 2 5 、2 5 1 分别对应 阀体各 个侧 面的 2个输 出油孔 A 1和 B 1 、A 2和 B 2 、A 3和 B 3 、A 4和 B 4 、A 5和 B 5 ，当阀芯转动到位后可分别 与之连通 。 a 阀 芯 2 l 22 2 3 2 4 T2 口 b 阀体 图4 阀芯及阀体结构示意图 阀芯上，在第 1 道环形槽 2 1 和第 2道环形槽 2 2 之间开设有连通第 1 道环形槽 2 1 但不连通第 2道环 形槽 2 2的多个间隔的轴向回油槽 2 6 ，每个轴向回油 槽 2 6分别对应阀体不同侧面上的输出油孔 A l 、A 2 、 A 3 、A 4或 A 5 ，当阀芯转动到位后可与其 中之一连 通。在第 4 道环形槽 2 4和第 3 道环形槽 2 3 之间也开 设有连通第4道环形槽 2 4但不连通第 3 道环形槽 2 3 的多个间隔的轴向回油槽 2 6 1 ，每个轴向回油槽 2 6 1 分别对应阀体不同侧面上输 出油孔 B l 、B 2 、B 3 、B 4 或 B 5 ，当阀芯 2转动到位后可与其中之一连通。 因此转动阀芯，使阀芯处于不同的工作位置就能 够分别选择通道 A 1 和 B 1 、A 2和 B 2 、A 3和 B 3 、A 4 和 B 4 、A 5和 B 5其中之一。这样当 P 1和 P 2口串接 先导式电液比例控制阀而 A 1 和 B 1 、A 2和 B 2 、A 3和 B 3 、A 4和 B 4 、A 5和 B 5口串接 5路换向阀，通过先 导油路分配 ，就能够实现用 较少 的先导式 电液 比例控 制阀控制较多的换向阀。 一 ] ● 一 _ 寸 丁 A 一 5 8 机床与液压 第 4 0卷 该转阀既可以单独使用 ，也可以并联组合使用， 当并联组合使用时可以控制液控多路换向阀更多的通 道。例如当2个 1 4通转阀组合使用时，只需要 4个 先导式 电液 比例控制 阀就可 以控制 1 0路液控换 向阀。 3应用 实例 作者设计 的十 四通转阀经过液压形式试验 ，密封 性 能 良好 ，转 动 灵 活 ，阀 芯 所 需 转 动 扭 矩 只 有 1 N m。 阀芯既可以直接通过手柄旋转处于不同的工作 a 已有的液压 系统 f b 改进后 的液压系 统 c 1 液控多 路换 向阀和 先导式 电液 比例控制 阀安装 实例 c 2 十四遁转 阀安装实例 f C 安装 实物 图 图5 应用实例 下转第 9 2页 9 2 机 床与液压 第 4 O卷 2 0 l o g 0 8 3 ． 13 8 ． 4 d B ；相 角 稳 定 裕 度 9 0 。 ； 一 盯 穿越频 率 2 3 ． 2 r a d ／ s ；剪切频 率0 9 0 ． 0 0 2 r a d ／ s 。 因此可 知 ，该 系统 闭 环稳 定 ，并 有 较 大 的稳 定裕度 。 G 8 3 ． 1 d B a t 2 3 ． 2 r a d ／ s ， P 9 0 。 a t 0 ． 0 0 2 0 4 r a d ／ s 一1 00 ∞ 芝 一 2 0 0 罄 一30 0 ＼ 图 5 系统 B o d e图 2 系统的动态特性分析 利用 M a t l a b软件做 出系统 的阶跃响应 图 ，如 图 6 所示。 S y s t e m s y s Pe ak am pl i t ude0． 19 9 Ov e r s h o o t ％ 0 A t t i m e 0． 6 s 图 6 系统 的阶跃响应 图 可以看 出上 升 时 间 为 0 ． 1 8 4 S ，峰 值 时 间 为 0 ． 1 9 9 S ，调 节 时问 为 0 ． 3 3 6 S ，系统 动 态性 能 良好 。 系统动态性能主要由K 、 K 、 等确定 ，通过调节 它们可以改变系统的动态性能 。 4结 论 介绍了换轮库回转机构的组成和液压系统的工作 原理 ，对 回转机构进行 了简化 ，采用传统方法建立 了 液压系统 的数学模 型 ，运用 Ma t l a b软件 进行 了仿 真。 结果表 明系统稳定性 和动态性能 良好 ，说 明系统的 简化和建模合理，可以为同类系统提供参考。 参考文献 【 1 】 于今． 轻轨换轮装置液压系统管路特性分析[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 6 5 1 6 51 6 6 ， 2 3 5 ． 【 2 】李永堂． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】张玉宝， 韩淑华， 和光磊， 等． 连铸机动态轻压下液压压 下系统动态特性分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 7 4 7 6． 【 4 】孙正培． 液压技术基本理论 [ M] ． 重庆 重庆大学出版 社 ， 1 9 9 3 ． 【 5 】张玮， 冀宏 ， 于振燕， 等． 管道配置对阀控缸液压系统动 态特性的影响[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 7 4 7 6 ． 【 6 】李洪人． 液压控制系统[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 98 1 上接 第 5 8页 位置 ，也可 以通过 步进 电机 带 动处 于不 同 的工作 位 置 ，因此文 中设计 的转 阀可 以处于手动和机动两种工 作模式下 。制作 的实物 已经成功应用于平地机工作装 置操控系统中 图5 a 为原来的液压系统，图 5 b 为改进后 的液压系统 以实 现对铲 刀右 升降油 缸 、铲刀左 升降 油 缸 、铲 刀倾 斜 油缸 、铲刀 引 出 油 缸 、铲刀角度变换 油缸 、后松土器油缸 、前 轮倾斜 油 缸 、铲刀 回转油缸 、铲 刀铰接转 向油缸 和前推土板升 降油缸 等 l 0个油缸 的运 动控制 。通 过该转 阀将平 地 机先导控制 系统 中先导 式 电液 比例 控制 阀 的数量 从 2 0 个减少 为 4个 ，极 大地 简化 了先 导控 制系 统 ，降 低了系统成本。经过试验，安装该转阀后平地机先导 控制系统 中的先导压 力损 失小 于 0 ． 2 5 MP a ，完 全可 以满足先导控制要求 。 4结论 基 于先导油路分配能简化先导控制系统 、减少先 导式电液 比例控制 阀的数量 。作者设计并制作了一种 用于先导油路分配 的十 四通转 阀 ，介绍其 功能结 构 ， 分析其工作原理和工作过程，并给出应用实例。实际 应用表明 该设计是合理可行的。进一步的研究包括 如何将多通转 阀与液控多路换 向阀集成为一体 ，从而 进一步简化先导控制系统。 参考文献 【 1 】 成凯， 吴守强， 李相锋． 推土机与平地机[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】冯培锋 ， 陈扼西． 装载机工作装置电液比例控制系统研 究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 5 4 2 9 52 9 8 ． 【 3 】胡静波， 王同建 ， 罗士军． 装载机线控转 向系统研制 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 8 1 2 1 5 0 01 5 0 4 ． 【 4 】 方群， 黄增． 电液伺服阀的发展历史 、 研究现状及发展趋 势[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 1 6 21 6 5 ． 【 5 】曾谊晖， 刘爱荣． P Q I 9 O型液压平地机液压控制系统的 设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 3 8 38 5 ． 【 6 】 童小利， 吴百海． 新型复合四通逻辑阀控高速数控冲压 成型电液控制系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 1 1 6 5 6 8． 【 7 】 邹广德， 韩长江． 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