插裝閥在液壓式三輥卷板機(jī)上的使用性能分析

宋亞林

(鄂州大學(xué)機(jī)械系，湖北鄂州436000)

插裝閥是一種以二通型單向元件為主體、采用先導(dǎo)控制和插裝式連接的液壓控制元件。由于它具有主閥芯質(zhì)量小、行程短、動(dòng)作迅速、響應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好、工作可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別適合于要求高速切換、對(duì)密封性能要求較高的高壓、大流量系統(tǒng)。

1 插裝閥的結(jié)構(gòu)及原理

插裝閥的結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)如圖1所示。它由控制蓋板、插裝單元、插裝塊體等組成。插裝閥的工作原理相當(dāng)于一個(gè)液控單向閥，圖中A 和B為主油路僅有的兩個(gè)工作油口，K為控制油口 (與先導(dǎo)閥相接)。根據(jù)需要，在控制蓋板內(nèi)可以嵌裝各種微型先導(dǎo)控制元件(如梭閥、單向閥、插式調(diào)壓閥等)，與先導(dǎo)控制閥結(jié)合可以控制插裝件的工作狀態(tài)。

圖1 插裝閥及圖形符號(hào)

插裝閥的工作狀態(tài)由作用在閥芯上的合力的大小及方向決定。如圖1(a)所示，A、B為主油路工作腔，K為控制腔，若A、B、K 三腔的工作壓力及其作用面積分別用pA、pB、pK和AA、AB、AK表示，F(xiàn)S為彈簧作用在閥芯上的力，則有合力

ΣF=pKAK－pAAA－pBAB+FS

當(dāng)合力為正，即ΣF ＞0時(shí)，閥芯關(guān)閉;當(dāng)合力為負(fù)，即ΣF ＜0時(shí)，閥芯開啟;當(dāng)合力為零，即ΣF=0時(shí)，閥芯處于平衡位置。

合力的大小一般取決于K口，當(dāng)K口無液壓力作用時(shí)，閥芯受到的向上的作用力大于彈簧力，閥芯開啟，A與B相通，至于液流的方向，視A、B口的壓力大小而定。反之，當(dāng)K口有液壓力作用，且K口的油液壓力所產(chǎn)生的推力與彈簧力之和大于A口和B口的油液壓力產(chǎn)生的推力之和時(shí)，才能保證A與B 之間關(guān)閉。

2 插裝閥在液壓式三輥卷板機(jī)上的應(yīng)用

2.1 液壓式三輥卷板機(jī)的工作原理

液壓式三輥卷板機(jī)是一種將金屬板材卷彎成筒形、弧形、錐形或其他形狀制件的通用設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)三點(diǎn)成圓的原理，利用工作輥的相對(duì)位置變化和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使板材產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，以獲得預(yù)定形狀的制件。它由工作輥(兩根下輥、一根上輥)、機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)座等組成。兩根下輥的間距固定，由電動(dòng)機(jī)與減速器驅(qū)動(dòng)，為主動(dòng)輥。上輥為從動(dòng)輥，可垂直升降，上輥的垂直升降由安裝在左、右機(jī)架上的液壓缸即液壓主缸驅(qū)動(dòng)。

2.2 原設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)及原理

某廠生產(chǎn)的W11-110×4000型卷板機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力10 MPa，最高工作壓力16 MPa，其主泵源流量為200 L/ min，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，考慮到流量和壓力較大，將原來的疊加閥塊設(shè)計(jì)方案改為采用二通插裝閥及集成式閥塊設(shè)計(jì)方案后，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的響應(yīng)快、節(jié)能、低污染等目標(biāo)。

這里以該卷板機(jī)的主缸1 油路為例:該油路設(shè)計(jì)方案的組成及特點(diǎn)如圖2所示，原設(shè)計(jì)方案采用疊加閥塊設(shè)計(jì)，其基本思路是，油泵的來油經(jīng)過閥塊1的溢流閥調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)壓力控制;閥塊2 中的換向閥用來實(shí)現(xiàn)方向控制;在閥塊3 中各有一對(duì)液控單向閥組成液壓鎖;閥塊4的進(jìn)回油路中各有一個(gè)節(jié)流閥和單向閥組成進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路;閥塊5中，有一帶單向閥的順序閥組成主缸加壓的平衡回路。當(dāng)1DT 失電、2DT得電時(shí)，換向閥2 下位工作，油泵來油經(jīng)溢流閥1 調(diào)壓，經(jīng)換向閥2→液壓鎖3→節(jié)流閥4→液壓缸6無桿腔，回油從有桿腔經(jīng)平衡閥5 調(diào)壓→節(jié)流閥4→液壓鎖3→換向閥2→回到油箱，此時(shí)，活塞桿調(diào)速下行主缸加壓。

圖2 采用疊加閥塊的原卷板機(jī)局部液壓回路

當(dāng)換向閥2 上位工作時(shí)，油泵來油經(jīng)溢流閥1 調(diào)壓，經(jīng)換向閥2→液壓鎖3→節(jié)流閥4→單向順序閥5→液壓缸6 有桿腔，回油從有桿腔經(jīng)節(jié)流閥4→液壓鎖3→換向閥2→回到油箱，主缸活塞桿經(jīng)調(diào)速上行回位。當(dāng)換向閥2 中位工作時(shí)，原位停止，液壓鎖鎖緊活塞桿運(yùn)動(dòng)。

2.3 新方案的結(jié)構(gòu)及原理

采用插裝閥后的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 采用插裝閥后的卷板機(jī)局部液壓回路

該局部液壓回路中采用了5個(gè)插裝閥，通過合理配置，實(shí)現(xiàn)了所需的功能。

2.3.1 換向功能

換向功能由插裝閥1、2、3、4組合實(shí)現(xiàn)(如圖3)。當(dāng)1DT 失電、2DT得電時(shí)，先導(dǎo)換向閥6 右位工作，此時(shí)，插裝閥1的控制油口與低壓信號(hào)T相通，由于插裝閥的開啟與并閉取決于合力ΣF的大小，因而插裝閥1 開啟，主油路P→B，A的回油壓力作用在插裝閥3 上，當(dāng)油壓超過控制蓋內(nèi)的順序閥時(shí)，插裝閥3 開啟，主油路A→T，主缸1 活塞桿下降;此時(shí)，插裝閥2、4的控制油口與油路P相通，插裝閥2、4的閥口關(guān)閉。當(dāng)1DT得電、2DT 失電，先導(dǎo)換向閥6 左位工作時(shí)，插裝閥2、4的控制油口與低壓信號(hào)T相通，插裝閥2、4 開啟，主油路P→A、B→T，主油缸上升;此時(shí)，由于插裝閥1、3的控制油口與高壓力信號(hào)相通，插裝閥1、3的閥口關(guān)閉。當(dāng)1DT、2DT 皆失電時(shí)，先導(dǎo)換向閥6 中位工作，插裝閥1、2、3、4的控制閥口與高壓信號(hào)相通，閥口皆關(guān)閉，主油路A、B、P、T 彼此不通。主油缸停止不動(dòng)，且有一定的自鎖性。

2.3.2 節(jié)流調(diào)速功能

在插裝閥1、2的閥蓋上各增加一錐形閥行程調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)錐形閥開口的大小，這樣就形成了方向、流量控制插裝閥(如圖3)。如上所述，當(dāng)先導(dǎo)換向閥6 右位工作，插裝閥1的控制油口與低壓信號(hào)T相通，插裝閥1 開啟，主油路P→B時(shí)，由于插裝閥1有流量控制功能，因而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油節(jié)流調(diào)速功能。同理，當(dāng)插裝閥2 開啟，主油路P→A時(shí)，由于插裝閥2 有流量控制功能，也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)油節(jié)流調(diào)速功能。

2.3.3 調(diào)壓與平衡功能

調(diào)壓功能由插裝閥5 及其控制蓋板中的先導(dǎo)溢流閥來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的油壓超過先導(dǎo)溢流閥口的調(diào)定壓力時(shí)，插裝閥5 打開，壓力油由插裝閥5 流回油箱。

平衡功能由插裝閥3 及其控制蓋板上的單向閥及先導(dǎo)順序閥來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，當(dāng)先導(dǎo)換向閥6 右位工作，主油缸加壓，有桿腔回油需要從A→T時(shí)，由于單向閥的作用，插裝閥的控制油口不能直接與低壓信號(hào)相通，插裝閥3的油口不能直接打開，只有當(dāng)油壓高過先導(dǎo)順序閥調(diào)定壓力時(shí)，插裝閥3 油口打開，才能實(shí)現(xiàn)油液A→T，從而實(shí)現(xiàn)平衡功能。

3 兩種設(shè)計(jì)方案的相比

從高壓、大流量的角度看，由于插裝閥具有可降低液阻和壓力損失、利于提高系統(tǒng)效率、啟閉靈敏、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，所以在高壓、大流量的液壓缸控制系統(tǒng)中，用插裝閥組成的控制回路更具有優(yōu)勢(shì)。

從密封性上看，普通滑閥是依靠間隙，用封油長(zhǎng)度來保持密封性能，但本質(zhì)上是具有內(nèi)泄漏的結(jié)構(gòu)。插裝閥是座閥式的結(jié)構(gòu)，閥芯行程短，配合間隙小，密封長(zhǎng)度長(zhǎng)，其本身的內(nèi)泄漏遠(yuǎn)比滑閥式結(jié)構(gòu)要小得多，所以插裝閥回路的密封性比由普通滑閥組成的疊加閥回路密封性好。

從維修管理上看，雖然插裝閥耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，故障少，用其組成的系統(tǒng)工作可靠性高。但是，原疊加閥回路方案更簡(jiǎn)單，安裝空間不大，配管、油漏和管道振動(dòng)等引起的故障相對(duì)不多，能簡(jiǎn)單地改變回路、更換元件，維修很方便。而采用插裝閥及集成式閥塊設(shè)計(jì)方案后，回路變得復(fù)雜，必須安裝的元件數(shù)量增多了，需要密封的油口增多，可能的故障點(diǎn)增多而且更加隱蔽，增加了故障診斷與維修的難度。

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