三位兩擋控制型多路開關(guān)閥的研制及應(yīng)用

李偉濤

深圳東風汽車有限公司 廣東深圳 518000

1 前言

普通型多路開關(guān)閥，即“三位單擋控制型多路開關(guān)閥”除中位（關(guān)）外，左右工作位均只有單擋功能（開）。這種多路開關(guān)閥在控制油缸時，不能進行速度的選擇和調(diào)節(jié)，不能很好地適應(yīng)相應(yīng)的工況，液壓系統(tǒng)發(fā)熱明顯，工作效率偏低。

為解決普通多路開關(guān)閥的技術(shù)短板，增強多路開關(guān)閥的功能，筆者研發(fā)了一款新型多路開關(guān)閥，其左右工作位均能實現(xiàn)兩擋功能(快、慢擋)，提高了多路開關(guān)閥的技術(shù)水平。

2 普通三位單擋控制型多路開關(guān)閥

2.1 剖面結(jié)構(gòu)及液壓原理

多路開關(guān)閥是由多路(聯(lián))組合疊加而成，每一路（即每一工作聯(lián)）控制相應(yīng)的工作油缸，可根據(jù)工作油缸數(shù)量增加或減少工作聯(lián)的數(shù)量。普通型多路開關(guān)閥的工作聯(lián)剖面結(jié)構(gòu)及液壓原理如圖1、2所示。

圖1 普通型工作聯(lián)剖面結(jié)構(gòu)圖

圖2 普通型工作聯(lián)液壓原理圖

普通型工作聯(lián)剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，可實現(xiàn)相應(yīng)液壓原理（圖2）的功能：

a.左工作位(左擋)：當DT1通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口a，氣缸活塞推動推桿M，驅(qū)動閥芯F進行換向工作，閥芯F處于左工作位，這時，從進油口P輸入的高壓油流量Q全部進入執(zhí)行油口A，控制工作油缸工作；

b.右工作位（右擋）：當DT2通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口b，氣缸活塞推動推桿M，驅(qū)動閥芯F進行換向工作，閥芯F處于右工作位，這時，從進油口P輸入的高壓油流量Q全部進入執(zhí)行油口B，控制工作油缸工作。

c.中位：當DT1和DT2均不通電（-）時，從進油口P輸入的高壓油流量Q通過中位進入回油口后全部返回油箱，執(zhí)行油口A/B不輸出高壓油，油缸停止工作。

2.2 技術(shù)短板

從普通型工作聯(lián)結(jié)構(gòu)及液壓原理圖可以看出，普通型工作聯(lián)的運行分為左工作位、中位、右工作位。中位時進油口P不輸出高壓油至執(zhí)行油口A和B，即“關(guān)”；左、右工作位時進油口P以全流量輸出高壓油Q分別至執(zhí)行油口A和B，即只有“開”一個擋，這樣形成“三位單擋控制”：

a. 左、右工作位均于全流量輸出至執(zhí)行油口A和B，每一工作聯(lián)控制的油缸只能以相同速度進行工作，控制不同油缸的速度選擇靈活性差一些，無法滿足不同油缸的工況需求；

b. 左、右工作位均于全流量輸出至執(zhí)行油口A和B，即控制同一油缸時，全過程只能有一種速度，調(diào)速性能偏差；

c. 左、右工作位均于全流量輸出至執(zhí)行油口A和B，除工況所需流量外，其余無效流量形成熱量，引起油溫升高，降低了液壓系統(tǒng)效率，系統(tǒng)可靠性隨之降低。

3 新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥

3.1 剖面結(jié)構(gòu)及液壓原理

新型工作聯(lián)剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，實現(xiàn)了相應(yīng)液壓原理（圖4）的功能。

3.1.1 左工作位(兩擋)

3.1.1.1 慢速擋(左一擋)

當DT1a1通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口a1,氣缸活塞推動推桿M，推桿M驅(qū)動閥芯F2換向(由于左側(cè)鋼球定位組件定位作用，活塞不能全行程推動到位，閥芯F1相應(yīng)地只能進行半行程換向工作，閥芯F1處于半程左工作位)。這時控制模式進入進油旁路節(jié)流模式，從進油口P輸入的高壓油部份流量Qi進入執(zhí)行油口A,執(zhí)行油口A輸出部份流量Qi控 制工作油缸慢速工作，其余分流流量Qj通過旁路直接到回油口后回到油箱。

3.1.1.2 快速擋(左二擋)

當DT1a2通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口a2,氣缸活塞推動推桿M，推桿M驅(qū)動閥芯F1換向(活塞不再定位), 閥芯F1換向到位，閥芯F1處于完全左工作位，進油旁路節(jié)流模式自動失效，從進油口P輸入的高壓油流量Q全部進入執(zhí)行油口A,執(zhí)行油口A輸出全部流量Q，控制工作油缸快速工作。

3.1.2 中位

當DT1a1、DT1a2、DT2b1、DT2b2均不通電（-）時， 氣缸活塞不工作，閥芯F1/F2不換向，從進油口P輸入的高壓油流量Q過中位進入回油口后全部返回油箱，執(zhí)行油口不輸出高壓油。

圖3 新型工作聯(lián)剖面結(jié)構(gòu)圖

圖4 新型工作聯(lián)液壓原理圖

3.1.3 右工作位(兩擋)

3.1.3.1 慢速擋(右一擋)

當DT2b1通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口b1,氣缸活塞推動推桿M，推桿M驅(qū)動閥芯F2換向(由于右側(cè)鋼球定位組件的定位作用，活塞不能全行程推動到位，閥芯F1相應(yīng)地只能進行半行程換向工作，閥芯F1處于半程右工作位)。這時控制模式進入了進油旁路節(jié)流模式，從進油口P輸入的高壓油部份流量Qi進入執(zhí)行油口A,執(zhí)行油口A輸出部份流量Qi，控制工作油缸慢速工作，其余分流流量Qj通過旁路直接到回油口后回到油箱。

3.1.3.2 快速擋(右二擋)

當DT2b2通電（+）時，集裝式電磁氣閥控制氣體進入進氣口b2,氣缸活塞推動推桿M，推桿M驅(qū)動閥芯F1換向(活塞不再定位), 閥芯F1換向到位，閥芯F1處于完全右工作位，進油旁路節(jié)流模式自動失效，從進油口P輸進的高壓油流量Q全部進入執(zhí)行油口A,執(zhí)行油口A輸出全部流量Q，控制工作油缸快速工作。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢

新型多路開關(guān)閥在閥芯的氣缸控制端，設(shè)計了左右兩側(cè)的鋼球定位組件，對氣缸活塞的行程進行了分段工作，繼而形成了左右兩擋的控制，這就是新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥的關(guān)鍵。

氣缸活塞通過鋼球定位組件實現(xiàn)分段工作，本質(zhì)是巧妙地嵌入了進油旁路節(jié)流模塊，實現(xiàn)了進油旁路節(jié)流功能，如圖4所示。

根據(jù)閥口流量公式：

式中，Qj為 分流流量；Pi為工作壓力；S為閥口面積（旁路節(jié)流口）；C為閥口系數(shù)（與設(shè)計的閥口型式有關(guān)）；ρ為液壓油的密度。

根據(jù)工作流量公式：

式中，Q為系統(tǒng)流量；Qi為工作流量；Qj為分流流量。

由式(1)、(2)可知，當多路開關(guān)閥處于慢速工作擋（左/右一擋）時，閥芯F2工作，系統(tǒng)流量Q按工況需求輸出到工作油口流量Qi,多余流量Qj通過旁路節(jié)流口S返回油箱，達到降低油缸速度和提高系統(tǒng)效率的效果；當多路開關(guān)閥處于快速工作擋（左/右二擋）時，閥芯F2不工作，系統(tǒng)流量Q按工部輸出到工作油口流量，這時Qj=0,Qi=Q, 達到提高況需求全油缸速度的效果。

新型多路開關(guān)閥實現(xiàn)了功能，解決了普通型多路關(guān)閥的技術(shù)短板，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

a.新型多路開關(guān)閥在組合成多路控制系統(tǒng)時，每一路之間的速度控制多了一種選擇，大大提高了應(yīng)用的靈活性；

b.在同一路控制中，可隨時進行速度切換，控制油缸具有更好的調(diào)速性能；

c. 嵌入的進油旁路節(jié)流模塊，具有提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)發(fā)熱，降低油溫的效果。

3.3 新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥

按照以上的設(shè)計思路，筆者進行了新型多路開關(guān)閥三維模型的建立，如圖5所示為新型工作聯(lián)剖面三維模型，圖6所示為新型多路開關(guān)閥（五聯(lián)）。

為適應(yīng)高位壓縮式垃圾車的工況需求，筆者組合成五聯(lián)式新型多路開關(guān)閥，并在閥體集成了相應(yīng)的二級溢流閥，能夠滿足二級調(diào)壓要求。

圖5 新型工作聯(lián)三維模型

圖6 新型多路開關(guān)閥(五聯(lián))

3.4 新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥的應(yīng)用

圖7 高位壓縮式垃圾車液壓原理圖

圖7所示為高位壓縮式垃圾車液壓原理圖，其中應(yīng)用了新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥（五聯(lián)式）。刮板油缸、滑板油缸采用了慢速啟動-快速工作-慢速停止的調(diào)速模式，保證了其機構(gòu)運動安全、平穩(wěn)，翻轉(zhuǎn)油缸采用了重載慢速翻轉(zhuǎn)進料、空載快速回程的調(diào)速模式，保證機構(gòu)運動平穩(wěn)、效率高；后門開閉油缸選取了慢速開閉后門的速度，推板油缸選取了快速推出、快速回程的速度，更好適應(yīng)相應(yīng)的工況要求。

4 試驗驗證

為了驗證研制效果，筆者采用同一臺高位壓縮式垃圾車(見圖8)分別應(yīng)用新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥和普通型三位單擋控制型多路開關(guān)閥，接入液壓系統(tǒng)，并測試相關(guān)的主要性能，具體測試記錄見表1。

圖8 試驗樣車

表1 測試記錄表

從測試驗證記錄數(shù)據(jù)可以看出：

a. 后門開閉作業(yè)要求緩慢，推板卸料時要求快速完成作業(yè)以提高效率，此時新型三位兩擋多路開關(guān)閥可分別選擇慢速開閉后門和快速推板作業(yè)模式，能夠充分滿足其對應(yīng)工況的要求。而普通型三位單擋多路開關(guān)閥則無法完全滿足；

b. 刮板、滑板、翻轉(zhuǎn)架這三種油缸，要求快速作業(yè)，但中間過程需進行調(diào)速，以保證其機構(gòu)運動安全、平穩(wěn)，新型三位兩擋多路開關(guān)閥可分別對這三種油缸的作業(yè)過程進行調(diào)速控制。而普通型三位單擋多路開關(guān)閥則不能實現(xiàn)這種功能；

c. 連續(xù)作業(yè)60 min，應(yīng)用新型三位兩擋多路開關(guān)閥的液壓油溫相比應(yīng)用普通型三位單擋多路開關(guān)閥的低8℃，說明液壓系統(tǒng)發(fā)熱減少，效率提高了14%。

從以上綜合測試證明，新型三位兩擋多路開關(guān)閥的研制完全達到了理論的效果，技術(shù)途徑得到了有效的驗證。

5 結(jié)語

新型三位兩擋控制型多路開關(guān)閥通過閥體控制端的新技術(shù)，巧秒嵌入了進油旁路節(jié)流模塊，并應(yīng)用于高位壓縮式垃圾車，使車輛在性能上得到了較大的提升。

a.不同動作油缸可通過應(yīng)用新型多路開關(guān)閥靈活選擇最佳的運行速度，充分滿足高位垃圾車作業(yè)的需求。

b.同一動作油缸通過應(yīng)用新型多路開關(guān)閥可發(fā)揮更佳的速度特性，作業(yè)更快速、平穩(wěn)；

c.液壓系統(tǒng)通過應(yīng)用新型多路開關(guān)閥，提高了效率，系統(tǒng)更加可靠。