CN103047212B - 一种液控换向阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液控换向阀，它应用于液压系统，尤其是高压大流量液压系统，电液控制液压系统，比例控制和伺服控制液压系统等。它是一种双阀芯结构的主级阀,两个阀芯1、2并排分布于阀体中，每个阀芯上设有上阀口3、8和下阀口4、9，它们和弹簧7、10一起构成定差减压阀结构，起压力补偿作用，可使C—D先导端和E—F先导端维持恒定低压。以上结构使该阀具备双向压力补偿功能。其阀芯的移动不需外加驱动油路，自动跟随两个先导阀13、14的开口大小来动作，从而实现换向和流量控制。该液控换向阀和各种功能的先导阀配套可获得丰富的应用功能。

Description

一种液控换向阀

技术领域

本发明涉及一种液控换向阀，它应用于液压系统，尤其是高压大流量液压系统，电液控制液压系统，比例控制和伺服控制液压系统等。

背景技术

目前在高压大流量系统中、在比例控制系统中、在伺服控制系统中广泛采用的电液换向阀、液动换向阀、比例换向阀、伺服阀等，都是由先导阀将先导油路的压力油作用于主阀芯的两端驱动主阀芯动作实现换向和其他相关控制。这种结构不具备压力补偿功能，系统性能受到限制，且先导油路结构复杂，甚至需要一个单独的油泵为先导油路提供低压油。例如，比例换向阀是以比例减压阀为先导级向主阀芯两端施加压力油和弹簧力平衡来调节阀口开度（阀口开启面积大小），在没有压力补偿功能的前提下，其流量受负载影响很大，很难做到流量的比例控制。伺服阀以喷嘴挡板结构或射流管结构作为先导级将压力油作用于主阀芯两端控制其开度。在工程机械中采用的多路换向系统，由手动先导级通过先导油路控制主级阀，在没有压力补偿的前提下，各缸的速度受负载影响而不易控制，无法实现多缸联动。现有技术中用调速阀实现压力补偿功能，它由一个定差减压阀和一个节流阀串联而成，它和换向阀一起可构成压力补偿液压系统以实现换向和调速控制，但它和换向阀是两个分立的液压元件，这种分立的结构给系统的控制带来很大的麻烦，很多功能无法实现,功能单一。

发明内容

针对上述情况，本发明之目的就是提供一种液控换向阀：它具备双向压力补偿功能，它作为液压系统的主级阀受控于先导阀并为先导阀提供恒低压先导接口（先导端）。

本发明的解决方案是：甲阀芯和乙阀芯分别装在阀体内的两个阀芯孔中，甲阀芯与阀芯孔形成两个阀口：甲上阀口和甲下阀口，阀口开度随甲阀芯的轴向移动而同时增大或减小，乙阀芯与阀芯孔形成两个阀口：乙上阀口和乙下阀口，阀口开度随乙阀芯的轴向移动而同时增大或减小，甲阀芯、乙阀芯的轴向分别装有甲弹簧、乙弹簧，作用在阀芯上的弹簧力的方向是使阀口增大的方向；在进油口处设置了两个单向阀：甲单向阀和乙单向阀；内油路结构是：输入压力油一分为二，其中一路经甲单向阀后再接甲上阀口的进口端，另一路经乙单向阀后再接乙上阀口的进口端，甲上阀口的出口端和乙下阀口的进口端连通后形成输出端B,乙上阀口的出口端和甲下阀口的进口端连通后形成输出端A,输出端A和输出端B引出阀外接液压缸或其它液压执行机构的两腔,甲下阀口的出口端引出阀外形成甲回油口C，同时压力油通过甲油路通道连通甲阀芯上腔，液压力作用于甲上腔面,甲阀芯下腔引出阀外形成甲补油口D，乙下阀口出口端引出阀外形成乙回油口E，同时压力油通过乙油路通道连通乙阀芯上腔，液压力作用于乙上腔面,乙阀芯下腔引出阀外形成乙补油口F，甲上腔面、乙上腔面所承受的液压力使阀口减小，甲下腔面、乙下腔面所承受的液压力使阀口增大，甲回油口C—甲补油口D、乙回油口E—乙补油口F构成两个先导端：C—D端和E—F端，其间外接先导阀。

以上所述构成了两个定差减压阀结构，起压力补偿作用，在补偿状态下，先导端C—D和先导端E—F的压力维持一个恒定低压，这个压力称之为：先导压力。先导端外接先导阀，控制先导阀阀口的启闭和开度，即可实现换向和流量控制。

附图说明

图1是本发明的一种实施例结构及其液压系统示意图。

图2是本发明进油口复合单向阀结构示意图。

图3是本发明一种进油口复合单向阀实施例主视图。

图4是本发明图3的A—A视图。

图5是本发明的流量特性曲线示意图。

图6是本发明的另一种实施例主视图。

图7是本发明图6的左视图。

图8是本发明的一种二级先导阀结构示意图。

图9是本发明的一种液压系统图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

由图1-图9给出，本发明的结构是：甲阀芯1和乙阀芯2分别装在阀体17内的两个阀芯孔中，甲阀芯1与阀芯孔形成两个阀口：甲上阀口3和甲下阀口4，阀口开度随甲阀芯1的轴向移动而同时增大或减小，乙阀芯2与阀芯孔形成两个阀口：乙上阀口8和乙下阀口9，阀口开度随乙阀芯2的轴向移动而同时增大或减小，甲阀芯1、乙阀芯2的轴向分别装有甲弹簧7、乙弹簧10，作用在阀芯上的弹簧力的方向是使阀口增大的方向；在进油口处设置了两个单向阀：甲单向阀15和乙单向阀16；内油路结构是：输入压力油一分为二，其中一路经甲单向阀15后再接甲上阀口3的进口端，另一路经乙单向阀16后再接乙上阀口8的进口端，甲上阀口3的出口端和乙下阀口9的进口端连通后形成输出端B,乙上阀口8的出口端和甲下阀口4的进口端连通后形成输出端A,输出端A和输出端B引出阀外接液压缸或其它液压执行机构的两腔,甲下阀口4的出口端引出阀外形成甲回油口C，同时压力油通过甲油路通道18连通甲阀芯上腔，液压力作用于甲上腔面5,甲阀芯下腔引出阀外形成甲补油口D，乙下阀口9的出口端引出阀外形成乙回油口E，同时压力油通过乙油路通道19连通乙阀芯上腔，液压力作用于乙上腔面11,乙阀芯下腔引出阀外形成乙补油口F，甲上腔面5、乙上腔面11所承受的液压力使阀口减小，甲下腔面6、乙下腔面12所承受的液压力使阀口增大，甲回油口C—甲补油口D、乙回油口E—乙补油口F构成两个先导端：C—D端和E—F端，其间外接甲先导阀13、乙先导阀14。

所述的阀体17是一体的或是分体的，甲阀芯1、乙阀芯2分布于一个阀体中或分别分布于两个阀体中；所述的甲单向阀15、乙单向阀16置于甲阀芯1、乙阀芯2所在的阀体17中或置于该阀体17以外部件中；所述的内油路置于甲阀芯1、乙阀芯2所在的阀体17内或一部分置于该阀体17以外的部件中；所述的甲单向阀15、乙单向阀16或是两个复合单向阀，复合单向阀的结构是，由一个开启压力小于先导压力的小通径的单向阀22、24串联一个节流小孔23、25后再和一个开启压力大于先导压力的主单向阀26、27并联构成；所述的复合单向阀或是由小通径的单向阀34和串联在一起的节流小孔35一同设置在主单向阀阀芯36内构成；所述的甲上阀口3、甲下阀口4、乙上阀口8、乙下阀口9是锥阀结构或是滑阀结构；所述的甲上阀口3、甲下阀口4、乙上阀口8、乙下阀口9是沿圆周连续分布的，或是沿圆周间断分布的；所述的甲油路通道18、乙油路通道19是设置在阀芯心部的小通径的油路或是设置在阀体上的小通径的油路；所述的甲阀芯1、乙阀芯2是阶梯轴结构或是整体等径轴结构；所述的甲弹簧7、乙弹簧10是压缩弹簧或是拉伸弹簧，当是压缩弹簧时，安装在甲阀芯1的下腔和乙阀芯2的下腔，当是拉伸弹簧时，安装在甲阀芯1的上腔和乙阀芯2的上腔；所述的甲阀芯1、乙阀芯2的上、下腔之间分别设置一个小型的丙单向阀30、丁单向阀31起限压作用，限制上腔压力不超过某一规定值。

由上述可知，图1是本发明一种实施例及其液压系统的结构示意图：点画线方框以内就是本发明所涉及的液控换向阀，以外部分为外部系统。该液控换向阀的结构是：两个结构基本相同的甲阀芯1和乙阀芯2装在阀体17内的两个阀芯孔中，阀芯孔内壁和阀芯外圆表面上设有沟槽等与构成内油路和阀口有关的结构，阀芯与阀芯孔滑动配合，阀芯可相对阀芯孔轴向移动。甲阀芯1与阀芯孔形成两个减压阀口：甲上阀口3和甲下阀口4，它们的阀口开度随甲阀芯1的轴向移动而同时增大或减小。在甲阀芯1的两端面和轴肩处形成甲上腔面5和甲下腔面6，甲下腔面6外侧与阀芯孔围成甲阀芯1下腔，甲上腔面5的外侧与阀芯孔围成甲阀芯1上腔。乙阀芯2与阀芯孔也形成两个减压阀口：乙上阀口8和乙下阀口9，它们的阀口开度随乙阀芯2的轴向移动而同时增大或减小。在乙阀芯2的两端面和轴肩处形成乙上腔面11和乙下腔面12，乙下腔面12外侧与阀芯孔围成乙阀芯2下腔，乙上腔面11的外侧与阀芯孔围成乙阀芯2上腔。甲上腔面5、乙上腔面11所承受的液压力使阀口减小，甲下腔面6、乙下腔面12所承受的液压力使阀口增大，甲阀芯1、乙阀芯2上分别安装有甲弹簧7、乙弹簧10，作用在阀芯上的弹簧力使阀口增大。

该液控换向阀还包括两个设置在进油口处的单向阀：甲单向阀15、乙单向阀16。

该液控换向阀的内油路结构为：输入压力油一分为二，其中一路经甲单向阀15后再接甲上阀口3的进口端，另一路经乙单向阀16后再接乙上阀口8的进口端，甲上阀口3的出口端和乙下阀口9的进口端连通后形成输出端B，乙上阀口8的出口端和甲下阀口4的进口端连通后形成输出端A，输出端A和输出端B引出阀外接液压缸或其它液压执行机构的两腔，甲下阀口4的出口端引出阀外形成甲回油口C，其压力油通过甲阀芯心部的小通径的甲油路通道18连通甲阀芯1上腔，其液压力作用于甲上腔面5上，甲阀芯1下腔引出阀外形成甲补油口D，乙下阀口9的出口端引出阀外形成乙回油口E，其压力油通过乙阀芯心部的小通径的乙油路通道19连通乙阀芯2上腔，其液压力作用于乙上腔面11上，乙阀芯2下腔引出阀外形成乙补油口F。C—D、E—F构成两个先导端，其间连接甲先导阀13、乙先导阀14。

以上所述构成了两个定差减压阀结构，起压力补偿作用。在补偿状态下，C—D端、E—F端压力维持一个恒定低压，即先导压力（0.4MPa），甲阀芯1上的甲上阀口3和甲下阀口4的启闭就受控于C—D端甲先导阀13，且流量只与甲先导阀13的阀口开度呈正比，与负载和供油压力无关。乙阀芯2上的乙上阀口8和乙下阀口9的启闭受控于E—F端乙先导阀14，且流量只与乙先导阀14的阀口开度呈正比，与负载和供油压力无关。这样控制甲先导阀13、乙先导阀14的阀口启闭和开度就可实现换向和流量控制。

为了结构或（和）工艺上的方便，所述的阀体17也可以是分体的，甲阀芯1和乙阀芯2可分别装在两个阀体中；所述的甲单向阀15、乙单向阀16可置于阀体17以外的部件中；所述的内油路的一部分结构可以设置在阀体17以外的部件中；所述的甲油路通道18、乙油路通道19也可以是设置在阀体上的小通径油路。

该阀的四种工作状态：

状态一，C—D端关闭，E-F端开启（即C-D端甲先导阀13关闭，E-F端乙先导阀14开启）：

当C-D端关闭时，C口压力升高作用于甲上腔面5上，使甲阀芯1左移，同时关闭甲上阀口3和甲下阀口4，进油口P1和回油口C同时被阻断。这时E-F端开启，作用于乙上腔面11的E口压力减小，乙弹簧10推动乙阀芯2左移，使上阀口8和下阀口9同时开启。压力油从P2→A口→液压缸左腔→推动活塞右移，液压缸右腔压力油→B口→E口→乙先导阀14→油池。在补偿状态下E口压力和乙上阀口8、乙下阀口9存在一种负反馈关系使E-F端基本为恒压：假如某种原因使E口压力升高，则压力作用于乙上腔面积11上它将克服弹簧力使乙上阀口8、乙下阀口9的开度减小，阀口压降增加，E口压力随之回落，反之亦然。所以可以通过控制E—F端乙先导阀14的阀口开度来控制流量而与负载和供油压力无关。

即：C—D端关闭，E—F端开启，液压油从A口流出，B口流入，且可通过控制E—F端乙先导阀14的阀口开度来控制流量。

状态二，E—F端关闭，C—D端开启：

同理，当E—F端关闭，C—D端开启时，压力油从B口流出，A口流入。可通过控制C—D端甲先导阀13的阀口开度控制流量，与负载和供油压力无关。

状态三，C—D端和E—F端都关闭：

当C—D端和E—F端都关闭时，甲上阀口3和甲下阀口4、乙上阀口8和乙下阀口9都关闭。A口和B口、P1口和P2口被截止，活塞处于闭锁状态。

状态四，C—D端和E—F端都全开启：

当C—D端和E—F端都开启足够大时，压力油从P1口→甲上阀口3→乙下阀口9→E口→乙先导阀14→油池卸荷。压力油也从P2→乙上阀口8→甲下阀口4→C口→甲先导阀13→油池卸荷。这时活塞处于自由状态。

为了阀的正常工作，在进油口处设置了甲单向阀15、乙单向阀16。该阀工作在状态四时压力油处于卸荷状态，向状态一（C—D端关闭E—F端开启）转换后，甲阀芯1的甲上腔面5承受的压力达不到先导压力而不能被关闭，压力油经P1、甲上阀口3、乙下阀口9、E口、甲先导阀14到油池继续卸荷。要向状态一转换必须先过渡到状态三使甲阀芯1关闭后再转换到状态一。为了克服这一缺点，所述的甲单向阀15、乙单向阀16可采用两个复合单向阀来代替，图2是其结构示意图：它们都是由一个开启压力低于先导压力的小通径的单向阀22、24和一个节流小孔23、25串联后再和一个开启压力大于先导压力的主单向阀26、27并联构成。这样由于C—D端关闭无流量通过，高于先导压力的P口压力通过节流小孔25、小通径的单向阀24、P2、乙上阀口8、甲下阀口4将压力传递到甲阀芯1的甲上腔面5上使甲阀芯1关闭，使该阀从状态四直接转换到状态一，向状态二转换同理。图3是本发明一种进油口复合单向阀实施例主视图，图4是图3的A-A视图，所述的复合单向阀中，小通径的单向阀34、节流小孔35串联设置在主单向阀阀芯36内。

补偿区与非补偿区：

在状态一和状态二下,该种液控换向阀可工作在补偿区和非补偿区。假设C-D端关闭E-F端开启,则通过其乙先导阀14的流量为：

$q=\mathrm{CaA}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\Δ}{p}_{E-F}}$

q——E口流量

Ca——阀口流量系数

A——乙先导阀14的阀口开度（阀口开启面积）。

Δp_E-F——E—F端压力差。

ρ——油液密度。

由于E—F端压力差Δp为恒压，所以流量q只与乙先导阀14的阀口面积A成正比，比例系数为设图1中泵的供给流量为q₀，液压缸无杆腔活塞面积为S_A，有杆腔活塞面积为S_B。如图5所示：在补偿区，当乙先导阀14的阀口面积A从零逐渐增大时，E口流量q成比例增大，当A增至A₀时流量达到以后流量q不再随阀口面积A增大而增加,阀进入非补偿区。补偿区与非补偿区的界线决定于泵的供给流量q₀。在补偿区时，图1中乙上阀口8、乙下阀口9处于减压状态，同时溢流阀溢流。当工作在非补偿区时，乙上阀口8、乙下阀口9全部开启，P口流量等于泵的供给流量，溢流阀不再溢流。泵的出口压力稍高于负载压力。

在图1中，所述的甲上阀口3、甲下阀口4、乙上阀口8、乙下阀口9采用了锥阀结构，阀口沿圆周连续分布。所述的甲阀芯1、乙阀芯2采用了阶梯轴结构。所述的甲弹簧7、乙弹簧10是压缩弹簧，当是压缩弹簧时应安装在甲阀芯1的下腔和乙阀芯2的下腔中。

图6、图7是本发明的另一个实施例，所述的甲上阀口3、甲下阀口4、乙上阀口8、乙下阀口9采用了滑阀结构。所述的甲上阀口3、甲下阀口4、乙上阀口8、乙下阀口9在本例中沿圆周间断分布，它由阀芯上若干沿圆周间断分布的缺口33组成。所述的甲阀芯1和乙阀芯2，采用了整体等径结构。所述的甲弹簧7和乙弹簧10采用了拉伸弹簧，当是拉伸弹簧时应安装在甲阀芯1的上腔和乙阀芯2的上腔。所述的甲阀芯1和乙阀芯2，在其中心部位分别设置了一个小型的丙单向阀30和丁单向阀31连通上、下腔起限压作用，当阀芯关闭因泄漏导致上腔压力过高时，压力油打开丙单向阀30或丁单向阀31，上腔压力被限制在某一要求值以内（1MPa）。该实施例C—D端和E—F端的压力值为：

阀芯开启工作在补偿区（先导压力）        0.4MPa

阀芯开启工作在非补偿区                  小于0.4MPa

阀芯关闭                                小于1MPa

先导阀的结构：

本发明所涉及的液控换向阀是一种主级阀，它的先导阀结构不是本发明所涉及的内容。先导阀安装在C—D端和E—F端，是一种简单的低压二通结构。该种液控换向阀和各种不同功能的先导阀配套可获得丰富的应用功能。先导阀可以是直动式结构，也可以采用图8所示的二级先导结构。经过一级先导阀38的耦合后，输出给二级先导阀39的是一个低压小流量油路，它相当于一个信号油路，使二级先导阀39可采用微型小功率阀。

为了便于更好的理解该阀的功能，以下给出一个本发明的应用实例：

图9是一个由该液控换向阀组成的多缸并联系统。在该液控换向阀的两个先导端分别连接两个比例节流阀43即可构成比例调速回路。供油部分采用恒压式变量泵44供油，溢流阀45起安全阀作用。一般的多缸并联系统由于各缸的速度受负载和供油压力的影响不易控制，而该液控换向阀组成的多缸并联系统各缸速度不受负载和供油压力的影响，独立受控于控制信号，实现多缸联动。这种并联系统可应用于工程装载、挖掘机械，实现多缸受控联动，性能优于目前使用的多路换向系统。

本发明和现有技术相比具有下列突出特点：

1、该液控换向阀具备双向压力补偿功能，可自动适应负载变化、适应供油压力变化，使两个先导端维持一个恒定低压。既可换向又便于流量控制。同时有效减少先导阀阀芯的摩擦力、液动力和泄漏，有利于先导阀的可靠动作和有效密封，简化先导阀结构。

2、该液控换向阀无须外加驱动油路，无需另设压力补偿油路，它构成了液压系统的高压主通道，而先导阀仅是一个低压二通简单结构。这一特点使系统总结构简化，便于复杂油路的大规模集成。

3、该液控换向阀适应高压大流量系统，其性能优于电液换向阀，二通插装阀组成的高压大流量系统。

4、该液控换向阀适应电液控制、比例控制和伺服控制，可组成多缸联动系统，性能优于比例方向阀。

Claims (10)

1.一种液控换向阀，包括阀体、阀芯、阀芯孔和内油路，其特征在于：

a） 甲阀芯（1）和乙阀芯（2）分别装在阀体（17）内的两个阀芯孔中，甲阀芯（1）与阀芯孔形成两个阀口：甲上阀口（3）和甲下阀口（4），阀口开度随甲阀芯（1）的轴向移动而同时增大或减小，乙阀芯（2）与阀芯孔形成两个阀口：乙上阀口（8）和乙下阀口（9），阀口开度随乙阀芯（2）的轴向移动而同时增大或减小，甲阀芯（1）、乙阀芯（2）的轴向分别装有甲弹簧（7）、乙弹簧（10），作用在阀芯上的弹簧力的方向是使阀口增大的方向；

b） 在进油口处设置了两个单向阀：甲单向阀（15）和乙单向阀（16）；

c） 内油路结构是：输入压力油一分为二，其中一路经甲单向阀（15）后再接甲上阀口（3）的进口端，另一路经乙单向阀（16）后再接乙上阀口（8）的进口端，甲上阀口（3）的出口端和乙下阀口（9）的进口端连通后形成输出端B,乙上阀口（8）的出口端和甲下阀口（4）的进口端连通后形成输出端A,输出端A和输出端B引出阀外接液压缸或其它液压执行机构的两腔,甲下阀口（4）的出口端引出阀外形成甲回油口C，同时压力油通过甲油路通道（18）连通甲阀芯上腔，液压力作用于甲上腔面（5）,甲阀芯下腔引出阀外形成甲补油口D，乙下阀口（9）出口端引出阀外形成乙回油口E，同时压力油通过乙油路通道（19）连通乙阀芯上腔，液压力作用于乙上腔面（11）,乙阀芯下腔引出阀外形成乙补油口F，甲上腔面（5）、乙上腔面（11）所承受液压力使阀口减小，甲下腔面（6）、乙下腔面（12）所承受液压力使阀口增大，甲回油口C—甲补油口D、乙回油口E—乙补油口F构成两个先导端C—D、E—F，其间外接甲先导阀（13）、乙先导阀（14）。

2.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的阀体（17）是一体的或是分体的，甲阀芯（1）、乙阀芯（2）分布于一个阀体中或分别分布于两个阀体中。

3.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲单向阀（15）、乙单向阀（16）置于甲阀芯（1）、乙阀芯（2）所在的阀体（17）中或置于该阀体（17）以外部件中，内油路置于甲阀芯（1）、乙阀芯（2）所在的阀体（17）内或一部分置于该阀体（17）以外的部件中。

4.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲单向阀（15）、乙单向阀（16）是两个复合单向阀，复合单向阀的结构是，由一个开启压力小于先导压力的小通径的单向阀（22、24）串联一个节流小孔（23、25）后再和一个开启压力大于先导压力的主单向阀（26、27）并联构成。

5.如权利要求4所述的液控换向阀，其特征在于：所述的复合单向阀是由小通径的单向阀（34）和串联在一起的节流小孔（35）设置在主单向阀阀芯（36）内构成。

6.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲上阀口（3）、甲下阀口（4）、乙上阀口（8）、乙下阀口（9）是锥阀结构或是滑阀结构，甲上阀口（3）、甲下阀口（4）、乙上阀口（8）、乙下阀口（9）沿圆周连续分布或是沿圆周间断分布。

7.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲油路通道（18）、乙油路通道（19）是设置在阀芯心部的小通径的油路或是设置在阀体上的小通径的油路。

8.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲弹簧（7）、乙弹簧（10）是压缩弹簧或是拉伸弹簧，当是压缩弹簧时，安装在甲阀芯（1）的下腔和乙阀芯（2）的下腔，当是拉伸弹簧时，安装在甲阀芯（1）的上腔和乙阀芯（2）的上腔。

9.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲阀芯（1）、乙阀芯（2）是阶梯轴结构或是整体等径轴结构。

10.如权利要求1所述的液控换向阀，其特征在于：所述的甲阀芯（1）、乙阀芯（2）的上、下腔之间分别设置一个小型的丙单向阀（30）、丁单向阀（31）起限压作用。