换向阀的设计

第十章换向阀的设计一、换向阀的结构分析二、换向阀的阀心受力和操纵力三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定四、换向阀的泄漏分析及有关尺寸的确定五、换向阀的平稳性一、换向阀的结构分析（1）滑阀机能（2）阀体结构（沉割槽与台肩结构）（3）流道（4）对中机构一、换向阀的结构分析（1）滑阀机能一、换向阀的结构分析（1）滑阀机能特殊机能分别用第一个字母、第二个字母和第三个字母表示中位、右位和左位的滑阀机能过渡机能换向阀从一个工位过渡到另一个工位的各油口间通断关系也有要求时，还规定和设计了过渡机能。一、换向阀的结构分析（2）阀体结构（沉割槽与台肩结构）阀体（阀心）：五槽式（阀心四台肩或三台肩）四槽式（阀心三台肩）三槽式（阀心二台肩）滑阀式换向阀的结构五槽轴向尺寸长，机械加工面多，加工精度要求高，五槽三台肩的两个完整阀腔使液动力总是使阀趋于关闭，有利阀的复位。阀心与阀体孔配合处为台肩，阀体孔内沟通油液的环形槽为沉割槽。阀体在沉割槽处有对外连接油口。当阀心运动时，通过阀心台肩开启或封闭阀体沉割槽，接通或关闭与沉割槽相通的油口。一、换向阀的结构分析（3）流道铸造流道和机械加工流道一、换向阀的结构分析（4）对中机构弹簧对中液压对中钢球定位弹簧复位电磁换向阀（弹簧对中）液压对中二、换向阀的换向可靠性和操纵力摩擦阻力液动力液压力卡紧力弹簧力操纵力二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向可靠的含义：（1）在控制信号控制下，操纵力克服克服液压力、液动力、摩擦阻力、弹簧力实现阀心工作位置的切换（2）在失去控制信号后，弹簧力克服克服液压力、液动力、摩擦阻力实现阀心工作位置的复位二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向推力的含义：（1）液动阀换向推力是一种液压力，控制油压pK不能低于某一最小值pKmin。但是控制油压太高，也会使换向过于迅速而产生冲击。一般pKmin＝（0.5～1.5）MPa。（2）电磁阀电磁阀的力特性取决于所采用的电磁铁的型式。由于螺管式电磁铁的特点，其电磁吸力（对于滑阀则是推力）随气隙的减小而迅速增大。工作行程越大，起始吸力就越小。为了不致使电磁铁的吸力明显降低，工作行程不能太大，一般为3～6mm。二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向阻力：（1）液动力在换向过程中阀的开口量、流量、阀口压降以及射流角都发生变化。开口量很小时，随着开度的增加，流量迅速增大，压降大，因此液动力也迅速增加。当阀口继续增大时，流速下降，阀口压力损失减小，液动力也随之降低，并接近于某一常数。液动力是所有阀腔液动力之和：三台肩（五沟槽）图两个工作阀腔的液动力都是使阀口趋于关闭，液动力有助于使阀心恢复中位，但是它成为换向时的阻力。二凸肩（三沟槽）结构不完整阀腔液动力使阀口趋于开启，液动力一部分（或大部分）相互抵消，所以电磁铁的换向阻力较小。二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向阻力：（2）弹簧力一般换向阀的弹簧都起恢复中位的作用（在二位换向阀中是恢复到原始位置），因此是复位弹簧。从复位要求来说，弹簧力越大，复位越可靠。但对于换向来说，弹簧力是阻力，所以要求弹簧力小。设计时应在保证能可靠复位的前提下，尽量减小弹簧力，以免增加换向阻力。二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向阻力：（3）卡紧力(由不平衡径向力引起的摩擦力）滑阀径向液压力（与工作压力有关）分布不均匀会形成液压卡紧力。减小甚至基本消除液压卡紧力的有效措施是在滑阀表面开若干条均压槽（通常不少于3条）。在可能的条件下应该减小滑阀阀心与阀体之间的配合长度（包括封油长度）。这不仅有利于减小不平衡的径向力，而且对减小运动时的摩擦阻力也有帮助。可取摩擦系数0.04~0.08)(27021rppfLD.F二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向阻力：（4）摩擦阻力滑阀换向时的摩擦力包括径向作用力产生的摩擦力、运动时的粘性摩擦力以及干式电磁阀中推杆上O形密封圈的摩擦阻力。粘性摩擦力可以用牛顿公式进行计算二、换向阀的换向可靠性和换向推力换向阻力：（4）摩擦阻力阀杆上O形密封圈的摩擦阻力Fm可以按经验公式计算式中Ff——O形密封圈预压缩量产生的单位摩擦力，Ff≈180N/m；D──推杆直径；ft──O形密封圈的摩擦系数，ft＝0.1～0.2；d0──O形密封圈的断面直径；Δp──O形密封圈前后的压力差。阀杆上O形密封圈的摩擦阻力Fm在阀心开始动作时较大，动作后减小。提高推杆表面光洁度，严格控制密封圈和密封圈沟槽的尺寸以保证合理的预压缩量，都有利于减小摩擦阻力。pDdfDFFtfm086.0三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定•液流通过换向阀时的压力损失包括阀口压力损失和流道压力损失。三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定阀口压力损失与阀的开口长度有关。当阀口处于小开度时，阀口压力损失很大且变化急剧；随阀口开度增大，压力损失减小且变化平缓。阀的流道压力损失主要为局部压力损失。阀的流道可以采用钻孔或铸造两种工艺方法。机加工流道不仅加工量大，而且液流局部阻力损失较大；铸造流道工艺复杂，但机加工量少，可以大大减小流道的局部阻力损失。三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定在阀的开口长度、流道形状和尺寸一定时，换向阀的压力损失取决于通过换向阀内的液流速度。流速越大，压力损失越大。为减小压力损失，在设计换向阀时应限制阀内的流速，但流速过小，会使阀的结构尺寸过大。一般限制阀内各流道的流速为2～6m/s（压力较低时）或4～8m/s（压力较高时）。三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定（1）进、出油口直径d0式中qs──阀的额定流量，m3/s；v0──阀进、出油口的允许流速，一般取v0＝6m/s；00131vq.ds三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定（2）阀心外径D、阀杆直径d和中心孔直径d1阀心外径一般按下式确定当阀心中心无孔时，上式取系数1.4，当阀心中心有孔时，上式取系数1.7，并取阀心中心孔直径d1为阀杆直径d在阀心中心无孔时取在阀心中心有孔时取以上计算所得的D、d和d1都要圆整为标准值。0)7.1~4.1(dD01dd0dd04.1dd三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定（3）换向阀的最大开口长度xmax式中v──阀最大开口处的允许流速，一般取v＝v0=6m/s；DvqxSmax三、换向阀的压力损失及主要尺寸的确定（4）阀体沉割槽直径D1和宽度B阀体沉割槽直径D1一般按下式计算阀体沉割槽宽度B，对电磁换向阀（当进、出油口为钻孔时）对液动滑阀DD)5.1~4.1(1dB1.1max)4~3(xB四、换向阀的泄漏分析及有关尺寸的确定对滑阀式换向阀而言，由于它是利用滑阀阀心相对于阀体孔作相对运动工作的，因此阀心与阀体孔之间必然存在配合间隙，阀口关闭时为间隙密封。滑阀阀心与阀体孔之间环形间隙的流动状态一般为层流，其泄漏量Δq可按偏心环形间隙泄漏量公式计算)5.11(1223lpDq四、换向阀泄漏分析及有关尺寸的确定在工作压差一定时，减小阀心与阀体孔的配合间隙，增大密封长度可以减小泄漏量。考虑到加工条件的限制，一般设计取半径间隙滑阀的密封长度mm01000350).~.(工作压力（MPa）0.5～2.52.5～8.08.0～16.016.0～32.032.0密封长度（mm）1.5～22～33～44～56~7五、换向阀的平稳性换向动作迅速与换向平稳性是相互矛盾的。换向时间短，油路的切换就迅速，由此产生的压力冲击就越大。减小换向冲击等价换向平稳五、换向阀的平稳性（1）控制换向时间由于液动换向阀通过的流量较大，当迅速切断油路时引起的液压冲击很大。为了减小液压冲击，可在控制油路的回油路上装阻尼器。利用阻尼器中的节流阀来控制端面回油，从而控制换向时间。液动换向阀和电液换向阀液动阀的换向时间：可调和不可调液动阀的换向时间：可调和不可调弹簧对中（先导阀Y型机能）五、换向阀的平稳性（2）选择合理的滑阀机能和设置过渡机能滑阀机能为H、Y、X、P型的换向阀，由于中位油缸两腔互通，因此在滑阀换向到中位时压力冲击值迅速下降。其中，H、Y、X型因为中位通回油，效果更好。上述几种机能虽然压力冲击值不大，但由它控制的液压缸冲出量较大。五、换向阀的平稳性（3）在阀心的回油台肩上开节流槽或作成制动锥（锥角θ＝3°～5°，锥长＝3～5mm），实现回油节流，控制换向时间。五、换向阀的平稳性（4）比例阀可选择合适的控制信号，以在换向时减小流量或降低压力，还可以设定特定的制动和启动过程的控制规律。六、其它种类的换向阀与滑阀式换向阀相比，球式换向阀有以下优点：（1）动作可靠，不会产生液压卡紧现象（2）密封性好，工作压力高（63MPa）（3）换向快（0.0005~0.01ms），换向频率高(可达250次/分钟）（4）对油液的污染不敏感（5）使用介质的粘度范围大（1）电磁球式换向阀（2）液控球式换向阀（3）多路换向阀多路换向阀是若干个单连换向阀、安全溢流阀、单向阀和补油阀等组合成的集成阀。具有结构紧凑、压力损失小、多位集中操等优点。多路换向阀操纵多个执行元件运动，主要用于工程机械、起重运输机械和其他要求集中操纵多个执行元件运动的行走机械。操纵方式多为手动操纵。多路换向阀控制回路多路换向阀控制回路按连接方式分为串联、并联、串并联三种基本油路。串联油路多路换向阀内第一连滑阀的回油为下一连的进油，依次下去直到最后一连滑阀。串联油路的特点是工作时可以实现两个以上执行元件的复合动作，这时泵的工作压力等于同时工作的各执行元件负载压力的总和。在外负载较大时，串联的执行元件很难实现复合动作。并联油路从多路换向阀进油口来的压力油可直接通到各连滑阀的进油腔，各连滑阀回油腔又都直接与总回油路相连。并联油路的特点是即可控制执行元件单动，又可实现复合动作。复合动作时，若各执行元件的负载相差很大，则负载小的先动，复合动作则成为顺序动作。串并联油路按串并联油路连接的多路换向阀每一连滑阀的进油口都与前一连滑阀的中位回油通道相通，每一连滑阀的回油口则直接与总回油口相连，即各滑阀的进油口串联，回油腔并联。串并联油路的特点是当一个执行元件工作时，后面的执行元件的进油道被切断。因此多路换向阀中只能有一个滑阀工作，即各滑阀之间具有互锁功能，各执行元件只能实现单动。