换向阀中位机能在液压系统中的合理应用

□ 徐成东

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 换向阀中位机能概述

换向阀用于控制液压回路中液流的方向和通断，其最终目的是控制执行元件的进退、正反转、启动或停止，是液压回路中必不可少的构成元件。三位换向阀在中间位置时各油口的连通方式称为换向阀的中位机能[1]。

中位机能不同，换向阀对系统的控制功能也不相同[2]。

中位机能不仅直接影响液压系统的工作性能，而且在换向阀由中位向左位或右位转换时对液压系统的工作性能也有影响。因此，在使用时应合理选择换向阀的中位机能[3]。

常用的换向阀中位机能除了O型、H型外，还有Y型、K型、M型、P型等。常见的换向阀中位机能图形符号如图1所示。

图1 换向阀中位机能图形符号

2 Y型中位机能

2.1 特点

Y型中位机能与H型的相同之处为，工作油口A、B和回油口T相通，工作机构处于浮动状态，可随外力的作用而运动[4]。

Y型中位机能与H型的不同之处为，换向阀处于Y型中位时，液压泵的输出油液不能流回油箱，不能实现泵的卸荷。

2.2 应用

2.2.1 用于锁紧、平衡等回路中液控阀的卸压

由中位机能的特点可知，Y型与H型相同，可用于实现液控阀的卸压。采用液控单向阀的锁紧回路如图2所示。当三位四通换向阀处于左位时，压力油经左液控单向阀进入液压缸左腔。右液控单向阀起初处于闭锁状态，液压缸右腔油液受到压缩产生压力，进油路压力升高，油液顶开右液控单向阀的控制活塞，阀芯打开，油液从右液控单向阀反向进入油箱。反之，当三位四通换向阀处于右位时，压力油进入液压缸右腔并将左液控单向阀打开，使液压缸左腔回油。当三位四通换向阀处于Y型中位时，控制口的油液直接流回油箱，液控单向阀因控制油路的压力立即消失而关闭，液压缸也因两腔油路被封闭而双向锁紧[5]。液控单向阀为座阀式结构，密封性能良好，液压缸活塞可以长时间被锁紧在停止时的位置。这种锁紧回路主要用于汽车起重机的支腿油路和矿山机械的液压支架油路中。

图2 锁紧回路

液控单向阀和单向节流阀组成的平衡回路如图3所示，目的是防止立式液压缸及其工作部件在悬空停止期间因自重而自行下滑，或在下行运动过程中由于自重而造成失控超速等不稳定运动。液控单向阀属于锥阀式阀芯结构，具有良好的反向密封性能，可将液压缸活塞及工作部件长时间保持在某一位置，但此时控制油口必须卸压，否则无法实现闭锁。图3中三位四通换向阀采用Y型中位机能，在工作部件下降到预定位置时，可使液控单向阀的控制油口卸压，使液控单向阀反向锁紧，液压缸及其工作部件在悬空期间不会下滑。

2.2.2 用于电液换向阀的先导阀

图3 平衡回路

电液换向阀是由电磁换向阀和液动换向阀组成的复合阀。电磁换向阀为先导阀，可用于改变控制油路的方向。液动换向阀为主阀，可用于改变主油路的方向。这种阀的优点是可以用小规格的电磁换向阀方便地控制大流量的液动换向阀[6]。

电液换向阀的图形符号和简化符号如图4所示，其中P口和P’口的压力油可以由同一油源供油，也可以由不同的油源供油。当先导阀（电磁换向阀）左边电磁铁得电时，左位接入控制油路，从P’口进入的控制压力油通过左端单向阀进入主阀（液动换向阀）的左端油腔。主阀的右腔油液可通过右端节流阀和先导阀的工作位流入油箱，主阀阀芯在左端油液推力的作用下移至右端，主阀左工作位接入主油路，主油路通油状态为P通A，B通T。反之，当先导阀右边电磁铁得电时，主阀阀芯移至左端，主阀右位工作，主油路通油状态为P通B，A通T。

图4 电液换向阀

当先导阀两端电磁铁均不得电时，换向阀处于中位，此时，主阀两油腔的油液分别通过各自的节流阀和先导阀中位返回油箱，主阀阀芯在两端的弹簧作用力下回归至中位。需要指出的是，先导阀必须采用Y型中位机能，否则，先导阀处于中位时，主阀两油腔的油液无法及时卸压，导致主阀不能回归至中位。若采用H型中位机能，控制油液会直接流入油箱，而无法形成控制压力。

3 K型中位机能

3.1 特点

采用K型中位机能，进油口P与工作油口A、回油口T连通，另一工作油口B封闭。液压泵可以卸荷，两个方向换向时性能不同。

3.2 应用

由K型中位机能的特点可知，该中位可用于液控阀的卸压和泵的卸荷。

常用的保压回路如图5所示，该回路可用于液压压力机等液压系统。所谓保压回路，就是在执行元件停止工作或仅有因工件变形而产生微小位移的工况下保持压力稳定不变的回路[7]。

图5 保压回路

保压功能的实现方法有多种。通过换向阀的中位机能可实现保压。如果换向阀使用M型中位机能，虽然液压泵可以卸荷，减小能量损耗，但是因为滑阀式结构普遍存在严重的泄漏问题，所以也仅仅适用于保压时间较短的场合。

图5中的保压回路采用了液控单向阀。由于液控单向阀的阀芯为锥阀式结构，因而泄漏小，密封性能良好，保压效果好。无杆腔进油时，活塞杆伸出到预定位置，此时进油腔压力上升。当压力上升到规定值时，压力继电器发出电信号，三位四通换向阀回归K型中位，液压泵卸荷，同时液控单向阀关闭，实现无杆腔的保压。当无杆腔压力下降至压力继电器的下限值时，压力继电器再次发出电信号，右边电磁铁得电，换向阀换向至右位。液压泵再次向无杆腔供油，直至达到规定值，继续保压。通过K型中位机能的使用，不仅可以实现长时间保压，而且可以使液压泵卸荷，节省功率。

4 M型中位机能

4.1 特点

采用M型中位机能，工作油口A、B关闭，因而工作机构可以停留在任意位置。进油口P、回油口T直接相连，液压泵输出的油液可直接流回油箱，实现卸荷。

4.2 应用

不难看出，M型中位机能也可以适用于短时间锁紧及保压回路。此外，M型中位机能可用于卸荷回路及互锁回路等。

4.2.1 用于卸荷回路

设计卸荷回路，可以采用带有M型中位机能的小规格电磁换向阀。但这种卸荷方式结构简单，液压系统在极低的压力下运转，切换时压力冲击较大，只适用于低压小流量的系统。

带有M型中位机能的电液换向阀卸荷回路如图6所示。由于电液换向阀配有调节换向时间的节流阀，因此换向时液压冲击较小，适用于高压大流量的场合。需要指出的是，由于控制油路直接接入了主油路，即先导阀的控制油液来自于主油泵，因此当换向阀采用M型或H型中位机能时，回路中必须设置背压阀，即图6中单向阀，使控制油路中的油液保持一定的压力，推动主阀阀芯移动。

图6 卸荷回路

4.2.2 用于执行元件的互锁回路

图7 互锁回路

在多种工程机械的液压系统中，常常要求两个或多个执行元件不能同时动作，即其中一个执行元件动作时，其余执行元件必须保持静止状态。这种要求可以通过互锁回路实现。图7所示为由两个三位四通换向阀中位串联形成的互锁回路。左换向阀采用M型中位机能，右换向阀根据需要可采用H型、M型或K型中位机能。当左液压缸前进或后退时，右换向阀处于中位，右液压缸不工作。反之，当右液压缸工作时，左换向阀处于M型中位，左液压缸停止运动。两个换向阀工作位的改变方式视操纵方式而定：当换向阀操纵方式为手动时，工作位的改变可以通过手动进行；当换向阀操纵方式为电磁驱动时，可采用行程开关发送电信号的方式，必要时可增设时间继电器。此类回路可用于液压压力机液压系统或液压起重机支腿机构液压回路。

5 P型中位机能

5.1 特点

采用P型中位机能，回油口T关闭，进油口P与工作油口A、B相通。对于直径相同的双杆双作用液压缸，活塞两端所受的液压力彼此平衡，工作机构停止不动。但是对于单杆液压缸或者直径不同的双杆双作用液压缸，因工作机构不能处于静止状态而会形成差动回路[8]。

5.2 应用

当双作用单杆式活塞液压缸两腔同时通入压力油时，在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，两腔的油液压力相等。但由于无杆腔的受力面积大于有杆腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，加快活塞杆的伸出速度。单杆液压缸两腔都通入压力油的这种油路连接方式称为差动连接。差动连接是在不增加液压泵流量的前提下实现快速运动的有效方法，图8所示为采用三位四通换向阀P型中位机能实现差动连接回路。

图8 差动连接回路

实际应用中，液压系统常通过控制阀来改变单杆缸的油路连接，使其有不同的工作方式，从而获得差动连接—无杆腔进油—有杆腔进油的工作循环。差动连接被广泛应用于组合机床的液压动力滑台和各类专用机床中。

6 换向阀中位机能的合理应用

丁基胶涂布机广泛应用于中空玻璃门窗的密封。图9所示为丁基胶涂布机液压系统原理图。液压泵启动后，三位四通换向阀右位工作，液压缸无杆腔进油，活塞向左运动。当无杆腔的压力上升到电触点压力表的上限值时，压力表通过电触点发出信号，右位电磁铁失电，换向阀回归至中位，液压泵卸荷，液压回路通过蓄能器进行保压。此时液压缸开始工作，将胶缸中的胶挤出进行涂胶密封。当无杆腔压力下降到压力表的下限值时，压力表再次发出信号，换向阀换向至右位，液压泵再次向液压缸无杆腔供油，压力上升至上限值，回路进入保压状态，液压缸活塞向左移动，通过胶缸进行涂胶密封。若换向阀采用O型或M型中位机能，回路进入保压状态后，液压缸有杆腔无法实现回油，活塞运动受限，会导致挤出的胶越来越细，直至断流。若采用Y型或H型中位机能，则液压缸无杆腔的油液会迅速卸压，液压缸不能动作。此外，Y型和O型中位机能也无法实现液压泵的卸荷，且功率损耗太大。

图9 丁基胶涂布机液压系统

图9所示回路中的换向阀采用K型中位机能，无杆腔压力上升至换向阀回归中位后，可以有效实现保压。液压缸有杆腔可以实现回油，液压缸带动胶缸正常工作，且液压泵可以卸荷。可见，K型中位机能的选用正确合理。

图10所示为YZ10G型振动压路机振动液压回路。这种振动压路机采用质量调节式偏心块调幅机构，通过改变振动轴，即液压马达的旋转方向来改变质量和偏心距，从而获得两种不同的振幅[9]。振动泵为单向泵，电液换向阀为起振阀，控制振动液压马达的转向。获得的高低两种不同的振幅可以满足土方工程中非黏性和半黏性土壤的压实工作。虽然电液换向阀的主阀采用H型中位机能，但是先导阀不由振动泵供油，而是由辅助液压泵单独供油，因此主回路不需要设置背压阀。先导阀采用Y型中位机能，可控制主阀的换向和中位回归。

图10 振动压路机振动液压回路

7 结束语

三位换向阀是液压系统中应用最为广泛的一种换向阀[10-13]。换向阀的使用离不开其中位机能。在设计液压系统时，合理应用换向阀中位机能是十分重要的。中位机能的合理应用可以优化或者简化液压系统的设计。在选择中位机能之前，一定要充分了解各类中位机能的特点、应用要求及场合等。

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