液控單向閥在液壓回路中的合理應(yīng)用

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

單向閥分為普通單向閥和液控單向閥兩種。普通單向閥通常簡(jiǎn)稱單向閥，它是一種只允許油液正向流動(dòng)，不允許倒流的閥，故又稱逆止閥或止回閥[1]。

液控單向閥是一種通入控制壓力油后即允許油液雙向流動(dòng)的單向閥。它由單向閥和液控裝置兩部分組成。當(dāng)控制口未通入壓力油時(shí)，作用與普通單向閥相同，正向流通，反向截止。當(dāng)控制口通入壓力油(也稱控制油)后，控制活塞把單向閥的錐形閥芯頂離閥座，油液正反向均可流動(dòng)[1]。

1 液控單向閥的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及分類

1.1 液控單向閥的結(jié)構(gòu)組成及分類

液控單向閥由閥體、控制活塞、閥芯和彈簧組成。液控單向閥因泄漏油液方式的不同而有內(nèi)泄式和外泄式兩種[2]，如圖1和圖2所示。外泄式液控單向閥分為帶卸荷小閥芯和不帶卸荷小閥芯的兩種結(jié)構(gòu)。

1.2 液控單向閥的工作原理

圖1為內(nèi)泄式液控單向閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)控制油口K未通入壓力油時(shí)，A口進(jìn)入的油液頂開閥芯彈簧，油液可從A1口流出；反之，A1口進(jìn)油時(shí)，由于彈簧的作用，閥芯緊緊地貼合在閥座上，油液不能流通。此時(shí)，液控單向閥可作為普通單向閥使用。當(dāng)控制口K通入壓力油時(shí)，控制活塞將閥芯頂離閥座，油液可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)。

1—閥體 2—控制活塞 3—閥芯 4—彈簧圖1 內(nèi)泄式液控單向閥

1—閥體 2—控制活塞 3—閥芯 4—卸荷小閥芯 5—彈簧

油液反向流動(dòng)，即A1口進(jìn)油時(shí)，進(jìn)油壓力相當(dāng)于系統(tǒng)工作壓力，通常很高，此時(shí)，A口油液的壓力有時(shí)也較高，造成控制活塞移動(dòng)時(shí)，背壓很大?？刂瓶诘挠鸵簤毫Ρ仨氉銐蚋?，才有可能打開錐形的閥芯，不僅造成壓力能的浪費(fèi)，而且會(huì)影響液控單向閥的工作可靠性。因此，內(nèi)泄式液控單向閥主要應(yīng)用于反向出油腔無(wú)背壓或背壓很小的場(chǎng)合[3]。

A進(jìn)油口壓力較高時(shí)，會(huì)造成控制活塞移動(dòng)時(shí)，背壓較大，此時(shí)可采用外泄口回油降低背壓。圖2為帶卸荷小閥芯的外泄式液控單向閥?？刂苹钊c閥體為二節(jié)同心式配合，A油口壓力較高時(shí)，背壓對(duì)控制活塞的作用面積很小，控制活塞頂開閥芯時(shí)阻力也就較小，且泄油口L可將A腔和K腔的泄漏油排回油箱，幾乎不會(huì)形成阻力。外泄式液控單向閥主要用于反向出油腔A油流背壓較高的場(chǎng)合，以便降低最小控制壓力，減少控制功率。

油液反向流動(dòng)時(shí)，對(duì)于A1口進(jìn)油壓力很高的情況，依靠控制活塞推開錐形閥芯時(shí)，阻力很大，頂開閥芯比較困難，此種情況下可采用卸荷小閥芯(見(jiàn)圖2)。卸荷小閥芯是安裝在液控單向閥的錐形閥芯中更小的閥芯，稱為先導(dǎo)閥芯或卸荷小閥芯。由于該閥芯面積較小，作用在其上的力并不是很大，因此在控制油口壓力不是很高的情況下，控制活塞可以推開卸荷小閥芯。此時(shí)A油口和A1油口通過(guò)卸荷小閥芯的細(xì)孔實(shí)現(xiàn)互通，A1口輸入的壓力油逐漸卸壓，直至控制活塞將主閥芯頂離閥座，實(shí)現(xiàn)油液的反向流動(dòng)。

2 液控單向閥的合理應(yīng)用

液壓系統(tǒng)中液控單向閥也叫“液壓鎖”，由于液控單向閥具有良好的閉鎖能力、無(wú)滲漏、長(zhǎng)時(shí)間保持液壓缸鎖緊定位等特點(diǎn)，常用在平衡回路、保壓回路及鎖緊回路上，如液壓汽車起重機(jī)的支腿回路[4]。

2.1 平衡回路

為了防止立式液壓缸及其工作部件在懸空停止期間因自重而自行下滑，或在下行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于自重而造成失控超速的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，可設(shè)置平衡回路。

液控單向閥雖然具有良好的密封性能，可以將液壓缸活塞及工作部件鎖緊在某一位置，但是卻不能保證工作部件在下行過(guò)程中保持穩(wěn)定的速度。因此，可在回油路上串聯(lián)一單向節(jié)流閥，構(gòu)成平衡回路，如圖3所示。單向節(jié)流閥的作用是工作部件上升，為無(wú)桿腔提供進(jìn)油路，工作部件下滑，起到節(jié)流限速作用，防止失控超速。

1—油源 2—換向閥 3—單向節(jié)流閥 4—液控單向閥 5—液壓缸

1—油源 2—換向閥 3—平衡閥 4—液控單向閥 5—液壓缸

圖4(a)所示為由單向順序閥構(gòu)成的平衡回路，順序閥作為平衡閥使用。這種回路采用M型機(jī)能換向閥，當(dāng)液壓缸停止工作時(shí)，液壓缸上下腔油液被封閉，從而有助于鎖緊工作部件，還可以使泵卸荷，減少能耗。

此類平衡回路中，由于順序閥會(huì)存在泄漏，故在長(zhǎng)時(shí)間停止時(shí)，工作部件仍會(huì)有緩慢的下移現(xiàn)象。因此，可在液壓缸與順序閥之前增設(shè)一個(gè)液控單向閥，以減少泄漏影響，提高鎖緊精度，見(jiàn)圖4(b)。為了使工作部件在懸空停止時(shí)保持鎖緊狀態(tài)，此時(shí)換向閥不能使用M型中位機(jī)能，否則液控單向閥控制油液不能及時(shí)卸壓，無(wú)法立即實(shí)現(xiàn)鎖緊。

2.2 充液回路

圖5為某立式液壓缸的充液回路?；钊陆禃r(shí)，由于其自身重量、油液重量和工作機(jī)構(gòu)重量的作用，活塞會(huì)加速下降。此時(shí)無(wú)桿腔進(jìn)油路的供油量無(wú)法滿足需要，致使其中的油液壓力迅速降低，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，大量的氣泡從油液中分離出來(lái)，形成氣穴現(xiàn)象，出現(xiàn)噪音。不僅如此，由于負(fù)壓的存在，還可能導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)下降速度減慢甚至停止，因此必須增設(shè)補(bǔ)油裝置。圖5中的液控單向閥可完成充液補(bǔ)油的功能。

1—油箱 2—液控單向閥 3—液壓缸

2.3 大流量排油回路

對(duì)于雙作用單桿式活塞液壓缸，由于其兩油腔的面積相差較大，造成其進(jìn)油和回油量不等。當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，無(wú)桿腔的回油量很大。此時(shí)若采用額定流量較小的滑閥式換向閥，會(huì)造成液壓缸無(wú)桿腔和油箱之間產(chǎn)生較大的背壓，形成節(jié)流作用，不僅形成多余的壓力損失，還會(huì)降低活塞桿的退回速度。如果采用液控單向閥，如圖6所示，此時(shí)進(jìn)油路壓力通過(guò)控制活塞打開錐形閥芯，油液可通過(guò)液控單向閥實(shí)現(xiàn)逆向流動(dòng)，返回油箱。

1—油源 2—換向閥 3—單向閥 4—液控單向閥 5—液壓缸

2.4 保壓回路

有些液壓設(shè)備在工作過(guò)程中，常常要求液壓執(zhí)行元件在其行程中止時(shí)保壓一段時(shí)間，其目的是防止加工后的被加工件變形回彈，此時(shí)需要采用保壓回路。所謂保壓回路，就是在執(zhí)行元件停止工作或因工件變形而產(chǎn)生微小位移的工況下保持穩(wěn)定不變的壓力回路[5]。

保壓回路的設(shè)計(jì)方法有多種。使用定量泵可實(shí)現(xiàn)保壓，但是液壓泵始終以較高的壓力工作，壓力油經(jīng)溢流閥幾乎全部流回油箱，造成較大的功率損失，且油液容易發(fā)熱，故此種回路只適用于功率較小的液壓系統(tǒng)且保壓時(shí)間較短的場(chǎng)合。

如果使用普通滑閥式電磁換向閥實(shí)現(xiàn)保壓，由于滑閥式結(jié)構(gòu)普遍存在嚴(yán)重的泄露問(wèn)題，因而僅適用于保壓時(shí)間較短的場(chǎng)合。

圖7為采用液控單向閥的保壓回路。由于液控單向閥的閥芯為錐閥式結(jié)構(gòu)，因而泄露小，密封性能良好，保壓效果好。無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿伸到預(yù)定位置，此時(shí)進(jìn)油腔壓力上升。當(dāng)壓力上升到規(guī)定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，電磁換向閥回歸H型中位，液壓泵卸荷，同時(shí)液控單向閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)無(wú)桿腔的保壓。當(dāng)無(wú)桿腔的壓力下降至壓力繼電器的下限值時(shí)，壓力繼電器再次發(fā)出電信號(hào)，右邊電磁鐵得電，換向閥換向至右位。液壓泵再次向無(wú)桿腔供油，直至達(dá)到規(guī)定值，繼續(xù)保壓。通過(guò)液控單向閥的使用，不僅可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保壓，而且可以使泵卸荷，節(jié)省功率。

1—液壓泵 2—溢流閥 3—換向閥 4—液控單向閥 5—壓力繼電器 6—液壓缸

3 使用注意事項(xiàng)

3.1 回路中換向閥中位機(jī)能的選用

對(duì)于采用液控單向閥的平衡、保壓回路等，執(zhí)行元件工作時(shí)需要實(shí)現(xiàn)開鎖，保持工作油口互通，要求控制油口保持一定的壓力。當(dāng)執(zhí)行元件不工作時(shí)，液控單向閥工作油口斷開。另外，控制壓力油油口不工作時(shí)，應(yīng)使其通回油箱，否則控制活塞難以復(fù)位，單向閥反向不能截止液流[6]，不能實(shí)現(xiàn)鎖緊。當(dāng)換向閥處于H型(或Y型)中位時(shí)，控制口的油液直接流回油箱，油液不能形成壓力(不考慮管路的壓力損失)。此時(shí)，由于彈簧作

用，控制活塞復(fù)位，液控單向閥處于閉鎖狀態(tài)。但如果換向閥中位機(jī)能采用O型等其它型式，在需要鎖緊、換向閥處于中位時(shí)，由于控制液控單向閥的控制腔壓力油也被封死，當(dāng)單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，其控制口在一定時(shí)間內(nèi)仍維持較高的壓力，從而單向閥不能迅速鎖緊[7]。存在液控單向閥的液壓系統(tǒng)中，三位換向閥的中位不宜使用O、M型，由于它們都不能使液控單向閥立即關(guān)閉，因而選擇用H或Y型[8]。

3.2 合理確定液控單向閥的額定流量

在由液控單向閥和雙作用單桿式活塞液壓缸構(gòu)成的回路中，由于液壓缸兩個(gè)油腔面積不等，有時(shí)甚至相差很大，應(yīng)認(rèn)真考慮單向閥的額定流量。單向閥額定流量應(yīng)按照無(wú)桿腔所在油路的通流量確定。否則，會(huì)造成無(wú)桿腔油液通過(guò)液控單向閥時(shí)由于單向閥額定流量不足而引起尖叫等噪聲。

3.3 保持油液清潔

當(dāng)油液過(guò)濾精度不合適、油液質(zhì)量較差時(shí)，油液中雜質(zhì)會(huì)引起液控單向閥內(nèi)閥芯或控制活塞卡死，導(dǎo)致鎖不緊或不能開鎖等問(wèn)題，影響系統(tǒng)的功能。解決方法是定期清洗過(guò)濾器和更換油液[9]。

4 結(jié)論

液控單向閥在各類液壓回路中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。在進(jìn)行回路設(shè)計(jì)和液控單向閥選型以及相關(guān)技術(shù)研究時(shí)，要考慮液壓回路的用途、液控單向閥的結(jié)構(gòu)原理和泄油方式以及預(yù)定實(shí)現(xiàn)的功能。其次，要注意回路中換向閥中位機(jī)能的選用。最后，應(yīng)正確確定液控單向閥的額定流量等重要參數(shù)，并定期維護(hù)油液。

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[6] 王強(qiáng). 工程機(jī)械液壓傳動(dòng)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2013.

[7] 宋亞林. 液控鎖緊回路設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，19(2):42-44.

[8] 馬金英，許同樂(lè). 液壓系統(tǒng)中換向閥的問(wèn)題分析[J]. 機(jī)械工程師，2003(10):57-58.

[9] 宋亞林. 使用雙向液壓鎖后液壓缸平穩(wěn)性的改善方法[J]. 機(jī)床與液壓，2011，39(4):131-132.