一種電動四通閥的方案設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

韓興連　周光明　張元禾　高明輝　謝艷

摘要：電磁四通閥由于在實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生堵塞故障，運(yùn)行成本較高。文章提出一種電動四通閥的設(shè)計，并闡述了實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的過程，較好地解決了使用電磁閥時出現(xiàn)的故障率高及成本高的弊端。關(guān)鍵詞：電磁四通閥；電動閥；自動控制

1.研究背景

近年來，隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，電動閥門這一重要的機(jī)械產(chǎn)品迎來了前所未有的市場。巨大的市場需求對于電動閥門的要求也越來越高。

在運(yùn)作效率及節(jié)省能源消耗方面，自動控制閥的運(yùn)用是不可缺少的一環(huán)，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)界常用的手動閥、氣動閥，在安裝成本及效率上均不及電動閥。有媒體稱電動閥產(chǎn)品將成為閥門業(yè)界的主流產(chǎn)品。電動閘閥隨著市場科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，正向著高技術(shù)含量、高參數(shù)、耐強(qiáng)腐蝕、高壽命方向發(fā)展。

當(dāng)前的四通閥產(chǎn)品大多采用的是電磁線圈技術(shù)控制閥門的開關(guān)換向，此類電磁四通閥產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷或制熱領(lǐng)域，具有以下優(yōu)點(diǎn)：外漏杜絕、內(nèi)漏易控、使用安全、系統(tǒng)簡單、價格低廉、開關(guān)信號控制、動作迅速、功率微小、外形輕巧，但其還存在調(diào)節(jié)精度受限、適用介質(zhì)受限等缺點(diǎn)。電磁閥對介質(zhì)潔凈度有較高要求，含顆粒狀的介質(zhì)不能適用。電磁閥一般流通系數(shù)很小，而且工作壓力差很小，主要用在小流量和小壓力方面。

文章提出一種電動四通閥設(shè)計方案，通過反饋信號對閥門進(jìn)行有效的閥位控制，可滿足自動化生產(chǎn)的需要；還可實(shí)現(xiàn)減少設(shè)備維護(hù)量、用于管網(wǎng)閥門微功耗調(diào)節(jié)控制等。

2.技術(shù)特點(diǎn)

該電動四通閥設(shè)計可以選擇手動或電動方式實(shí)現(xiàn)其開關(guān)的控制；當(dāng)采用電動方式控制時可通過結(jié)合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的DI，DO模塊實(shí)現(xiàn)自動控制與狀態(tài)采集。同時主要是通過改變電動四通閥1，2出口的開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)外部閥的左缸腔和右缸腔的流量控制，從而實(shí)現(xiàn)控制外部閥的開關(guān)量。與外部設(shè)備的連接示意如圖1所示。

設(shè)計性能參數(shù)：采用全銅陶瓷快開閥芯，耐磨性好，對水質(zhì)雜質(zhì)質(zhì)量要求不高，適用于管網(wǎng)各種水質(zhì)。最高使用溫度90°C，使用壽命50萬次，閥體采用鋁合金。工作時設(shè)備功耗5W，工作電流0.2-0.4A，堵轉(zhuǎn)電流1A。支持4-60℃寬溫操作。自帶閥門限位開關(guān)并可調(diào)整。電源有直流24v供電和交流220v供電小兩種可選；可實(shí)現(xiàn)閥門的三線換向控制；同時可使電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時得到保護(hù)，以避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)時電流過大燒壞元器件。開到位、關(guān)到位信號反饋，便于其得到更好的控制。閥門開關(guān)換向控制可通過手動和自動兩種操作方式實(shí)現(xiàn)。整個閥體體積小，便于集中安裝。

3.產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

該產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)主要有閥體、電路板兩部分組成。閥體主要包括電機(jī)、減速機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、限位開關(guān)、手動操作插口、4個閥門、電插口針等部分，其主要作用是實(shí)現(xiàn)電動四通閥的機(jī)械作用與電動四通閥的的手動操作工作模式。

電路板主要由三極管、可控硅、二極管、電阻、電容等電子元器件及PCB板組成。根據(jù)閥體內(nèi)部剩余空間及控制線走線方便美觀等因素綜合考慮將電路板安裝于閥體的手動操作插口旁的閥體左側(cè)的內(nèi)壁，并合理設(shè)計電路板的尺寸；同時為了符合工業(yè)用電的規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了直流DC24v和交流AC220v兩種供電方式的電路板；電路板的主要作用為：①電動四通閥在電動工作模式下實(shí)現(xiàn)閥門的換向控制即開啟、關(guān)閉控制，其實(shí)現(xiàn)方式主要是提供3個端子即開向控制端、關(guān)向控制端、公共端。②在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，電路板為其提供保護(hù)的功能，其實(shí)現(xiàn)方式為通過導(dǎo)通可控硅從而使三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)以達(dá)到切斷供電源為電機(jī)供電。

手動工作模式：將手動操作插口G按下，使齒輪E，F(xiàn)分離并旋轉(zhuǎn)使c跟隨F動作，同時4個閥門Vl，V2，V3，V4隨之動作。

電動工作模式：當(dāng)將手動操作插口G松開后，齒輪F使復(fù)位軸套與彈簧H發(fā)揮作用，恢復(fù)原位使E，F(xiàn)接觸，此時可通過電動方式控制閥門Vl，V2，V3，V4動作。若當(dāng)電機(jī)通電動作時，則F隨E動作，Vl，V2，V3，V4隨之F動作。同時由于Vl，V2，V3，V4傳動傳遞性決定了V1，V3與V2，V4反向動作，即當(dāng)Vl與V3開閥，V2與V4關(guān)閥；Vl與V3關(guān)閥，V2與V4開閥；從而控制出1：31，2以達(dá)到實(shí)現(xiàn)流體控制的目的。

自動工作模式：主要是通過PLC實(shí)現(xiàn)對電動四通閥的開關(guān)控制并采集電動四通閥的開到位，關(guān)到位反饋信號；同時也可結(jié)合反饋信號實(shí)現(xiàn)對閥門的精確控制。主要實(shí)現(xiàn)方式通過DI模塊，DO模塊，繼電器并結(jié)合程序?qū)崿F(xiàn)閥門的開關(guān)換向控制。

該產(chǎn)品的“四閥”主要由V1，V2，V3，v4等4個閥門互相兩兩嚙合組合而成，主要是通過閥門的開關(guān)實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品的出口1，2的通斷；從而實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的流體控制。其具體工作流程為：①當(dāng)閥門V1，V3都處于開啟狀態(tài)時，則V2，V4處于關(guān)閉狀態(tài)，此時流體從“進(jìn)”口進(jìn)入后通過閥門Vl并經(jīng)過出口1流入外部設(shè)備的左腔從而改變外部設(shè)備左腔的流量進(jìn)而推動外部設(shè)備的活塞后，使得外部設(shè)備的右腔的流量改變同時腔內(nèi)的流體從出口2并經(jīng)過閥門V3最后從“出”口流出，其流體流向如圖2所示的實(shí)線箭頭部分。②當(dāng)閥門V2，V4都處于開啟狀態(tài)時，則V1，V3處于關(guān)閉狀態(tài)，此時流體從“進(jìn)”口進(jìn)入后通過閥門V2并經(jīng)過出1212流入外部設(shè)備的右腔從而改變外部設(shè)備右腔的流量進(jìn)而推動外部設(shè)備的活塞后，使得外部設(shè)備的左腔的流量改變同時腔內(nèi)的流體從出口1并經(jīng)過閥門V4最后從“出”口流出，其流體流向?yàn)閳D2的虛線箭頭部分。通過以上①②兩個流程，可實(shí)現(xiàn)閥門V5的開關(guān)控制。