陶瓷磚壓機中充液閥的結構分析與計算

摘要 本文主要對比分析了國外陶瓷磚自動液壓機中常見的幾種充液閥結構及控制油路，闡明了充液閥通流面積和閥芯復位彈簧的計算方法。

關鍵詞 主缸外置式充液閥，主缸內置式充液閥，無復位彈簧式充液閥

1引 言

充液閥在陶瓷磚自動液壓機液壓系統中是最為重要的一個閥。其作用是當活動橫梁快速下行時，低壓充液箱中的油經該閥快速流入主油缸；在活動橫梁快速回程時，主油缸活塞腔的油經該閥快速排入低壓充液箱。由此可見，充液閥的結構、流道形狀、液流速度大小及其液壓控制系統，對提高壓機空程快速控制和回程的速度很重要，也即影響到壓磚機的壓制次數和生產效率，而這正是當前陶瓷磚自動液壓機發展的核心問題之一。

本文就以上提到的充液閥的一些問題，根據國外壓機已有的充液閥結構作一些分析，使充液閥的結構、流道形狀、流速、控制油路更趨合理，以提高壓機的速度和生產率。

2在陶瓷磚液壓機中常見的幾種充液閥結構及其控制油路

在普通的油壓機中，其充液箱多為常開式的，即常通大氣，頂置在壓機的上部，活塞與活動橫梁依靠本身自重快速下行，稱自動式快速下行。但這種方法只適合于行程較長、速度較慢的壓機，對于行程短、速度快的壓機則不適用。陶瓷磚壓機的行程比較小，速度又比較快，如3000噸以下的壓機，其行程約在140～160㎜，3000噸以上的壓機約在160～250㎜。而快速行程階段的行程則更短。壓磚機要求動作快，壓制次數高，所以應采用強迫主油缸活塞快速下行的方法，目前常用的有以下方法：

（1） 采用約0.2MPa的閉式低壓充液油箱頂置在上橫梁之上，依靠低壓油作用強迫主油缸活塞快速下行（在Sacmi、Citi、Nassetti壓機上采用）；

（2） 與上面的方法相類似，采用在上橫梁之上頂置一個約0.6MPa的低壓蓄能器的方法（在Welko壓機上采用）；

（3） 采用在上橫梁之上頂置流量放大器的方法（在Welko壓機上采用）；

（4） 采用兩個輔助小油缸差動快下，帶動主油缸柱塞快下，低壓充液油箱則向主柱塞缸補充低壓油的方法（在Laeis壓機上采用）。

實踐證明，第1種方法簡單、可靠，行之有效地強迫主缸活塞快速下行；第2、3種方法缺點較多，不可靠；第4種方法也是很好的方法。

圖1是Nassetti 800～2000噸壓機上采用的典型的頂置在上橫梁之上充液箱之內的主油缸外置式充液閥結構圖。該閥屬于常閉自吸開啟式結構，采用蕈形閥芯單彈簧結構，具有很大的通流面積，充液快，動作靈活可靠。如圖1所示，這種充液閥在上橫梁之上，浸于充液箱之中，閥芯下面直通油缸，當活動橫梁下行時，缸內形成負壓，在低壓油的作用下，閥芯克服彈簧力作用而開啟，低壓油進入主油缸，推動主活塞快速下行。為了使閥芯更快地打開，以縮短充液時間、提高充液速度，在油路設計時采用了強迫打開充液閥的設計。圖1所示的電磁閥S10在常態位時，控制油缸通壓力油，控制活塞將充液閥完全打開，以獲得更快的充液，滿足主油缸活塞快速下行的需要。在壓機快速下行同時減速開始之際，即令S10通電，控制活塞回程，充液閥芯在彈簧力作用下關閉，以便隨后進行加壓。在壓機回程時，S10斷電，控制活塞下行，推動充液閥芯開啟，但只有當主油缸的高壓油通過主缸卸荷閥卸壓之后，充液閥芯才能開啟，主油缸活塞快速回程，主缸活塞腔的油液被快速排回充液油箱。

圖2是Laeis600～3000噸壓機上采用的主油缸內置式充液閥結構圖。該圖與圖1的結構原理基本相同，但是Laeis壓機的充液閥較Nassetti壓機充液閥具有更多的優點：

（1） 該閥有一個稱作導流體的零件（同時也是閥芯復位彈簧的支座），其外形曲線與上橫梁構成的充液導流通道是精心設計的，具有流線型阻力小的特點，使充液阻力更小、充液更快。

（2） 充液閥座和閥芯置于上橫梁主油缸孔內，故稱內置式。這種結構，作用于閥芯上的高壓油壓力完全由壓機上橫梁承受（即機架承受），所以固定閥座的螺釘可以很小。而圖1的結構，作用于閥芯上高壓油壓力完全由固定閥座的螺釘承受，螺釘尺寸大，數量多，法蘭盤很大。

（3） 減小了充液的容積，節省了充液時間，也有利于加壓快速進行。

（4） 導向精度高，有利于閥芯平穩工作。

圖3是Nassetti 2500～5000噸壓機和Welko WK型3500～6200噸壓機上采用的無復位彈簧式充液閥結構，其特點是充液閥芯與控制油缸的活塞桿固結在一起，省去了閥芯的復位彈簧；控制油缸與充液閥座復合為一體，基本零件只有4件，整體結構極為簡單，通流面積大、流程短、液阻小、充液快；充液閥采用全液壓控制，內置于主油缸內，作用于充液閥芯上的液壓力完全由上橫梁承受。

圖4是Citi公司STAR 4200～7200噸壓機上采用的另一種無閥芯復位彈簧充液閥結構，其優點與前者相同；其結構特點是充液閥芯與控制油缸活桿為整體結構，閥座是單獨置于主油缸內的。

圖5是采用如圖3結構充液閥Welko WK型5200噸壓機其充液閥的控制油路圖。該油路的特點是控制油缸的活塞桿腔常通壓力油，其活塞腔經減壓溢流閥VR10、電磁閥EVD也能通入壓力油。這樣，控制活塞在壓差的作用下，閥芯處于開啟狀態。當電磁閥EVD通電時，充液閥芯處于關閉狀態。充液閥控制油缸活塞桿腔常通壓力油，應使其對閥芯產生的提升力稍大于閥芯、控制活塞自重和充液箱低壓油作用于閥芯上的向下之力，此提升力實際上相當于一個液壓彈簧力。這種設計，充液閥開啟靠差動油壓力作用打開，開啟快；關閉靠液壓彈簧力作用，關閉快，閥芯動態響應快。顯而易見，閥芯復位靠液壓彈簧力作用，故依然保持了當充液閥處于關閉狀態時，一旦主油缸出現負壓時，充液閥可自吸開啟，補充低壓油，依然具有機械彈簧復位式充液閥的優點。

圖5中單向節流閥的作用是為了使充液閥芯快速關閉和平穩打開而設置的，減壓閥的作用是調控閥芯的開啟壓力，以使充液閥芯動作更加平穩，減輕噪聲。

圖6是Sacmi公司PH4600～6200噸壓機缸內下置式充液閥的控制油路，其原理與圖5一樣。控制油缸桿腔常通壓力油，而其活塞腔則是由電磁閥YV307控制進油或排油，YV307常態位時，壓力油進入，在壓差作用下充液閥閥芯開啟，YV307通電時排油，充液閥閥芯在液壓彈簧力作用下關閉。與圖5的區別是，充液閥控制油缸桿腔常通的壓力油是由一小蓄能器和一減壓溢流閥組成的液壓彈簧系統，減壓閥用于調整充液閥控制活塞的上抬力大小，并使上抬力保持穩定。小蓄能器的作用是使充液閥閥芯開啟時平穩，而在閥芯關閉時又具有足夠的快速性。

另外由圖6可看出，該系列壓機主油缸為活塞桿固定缸動的結構形式，充液閥置于活塞的底部，這樣的設計就實現了主缸內直接充液，具有充液容積小、充液快、加壓速度快的優點。

以上所介紹的充液閥閥芯均為蕈形錐閥結構，其優點是在主缸加壓時，在高壓油的作用下錐形閥芯將緊緊貼在閥座的錐面上，閥口密封性好，可防止高壓油泄漏，同時錐形閥芯動作靈敏，只要閥芯一移動即形成開口，實現液流通過，這些都對提高壓機的壓制次數有利。

根據上面的分析，單獨采用滑閥結構作為充液閥使用的情況尚未見到。但是，Sacmi公司在HP680～3590型壓機中，利用陶瓷磚壓機的工作特點，巧妙地將增速油缸和增壓油缸復合在一起，實現具有增壓、增速和充液功能的專用復合油缸，俗稱三合一放大器或多功能放大器。其中的充液功能就是采用滑閥結構實現的。

如圖7所示，中間的快速小活塞是固定的，其外面的增壓大活塞則是其缸筒，是可動的，同時又可將該缸筒視為滑閥的閥芯，將導向套視為滑閥的閥體。在圖示位置時，當主油缸活塞快速下行時，則低壓充液箱的油經導向套上的充液窗口進入主油缸，實現快速下行充液。當壓力油進入快速小活塞的活塞腔時，推動其缸筒增壓，使大活塞快速下行，當其桿部移過導向套上的充液窗口后，充液窗口即被封閉，主油缸活塞進入一次加壓階段。由于增壓活塞桿的直徑大于快速小活塞的直徑，兩者的面積比稱為流量放大系數，即相當于系統的流量被放大并流入主缸，故此時放大器起流量放大的作用。此階段，由于增壓活塞快速下移，其上腔會形成負壓，補油單向閥開啟，充液箱的油經補油閥向上補油。當壓力油同時進入增壓缸活塞腔與快速缸活塞腔時，補油單向閥關閉，增壓活塞下移，主油缸活塞進入增壓加壓階段。由于增壓活塞的直徑大于增壓活塞桿部的直徑，兩者的面積比稱為壓力放大系數，即相當于系統的壓力油壓力被放大并流入主缸，故此時放大器起壓力放大的作用。

這種多功能放大器，結構相當緊湊，使油路布局大為簡化，但也存在一些缺點：結構較復雜，制造精度要求高，由于充液閥為滑閥結構，存在高壓泄漏可能性。當壓力油進快速小活塞桿腔時，增壓活塞雖然可以較快的速度回程，但因其行程較長，要走過增壓行程、增速行程和充液窗口長度的總和，充液窗口才能完全打開，沒有錐閥閥口充液閥動作靈敏，錐閥充液閥行程小，閥芯開啟得快，關閉得也快。

3充液閥的設計計算

下面是關于充液閥通流面積的計算。

主閥芯的結構一般采取蕈形單向閥的型式，主閥芯完全打開時，應滿足主油缸活塞快速下行時所需要的最大流量能通過閥芯開口通流面積的要求。根據液體流動的連續方程式，充液閥的通流面積可表示為：

式中：

a——充液閥的通流面積

A ——被充液油缸的有效工作面積，cm2

υ——充液行程時活動橫梁的最大移動速度，m/s

[υ]——通過充液閥口允許的液體流速，m/s

對于開式流液箱，即在大氣壓力下，[υ]水≤7m/s；[υ]液壓油為1.5～2.5m/s。對于閉式油箱，當充液油箱的相對壓力為2個大氣壓力時，液壓油為4.5～7.5m/s。當油缸直徑較大或行程較大時，液流允許流速可取較大的數值。

當通流面積確定之后，再根據主油缸及相關的尺寸就可定出充液閥閥芯的直徑和開口量的尺寸。

圖8是在各種尺寸確定之后，閥口完全打開時，其最小通流面積，該通流面積即為圖中所示的abcd截頭錐體的側面積，該面積應大于或等于前面根據液流連續方程式計算出來的充液閥的通流面積。

根據幾何學，截頭錐abcd的側面積可以表示為：

a=πl(R+r)

式中：

如果把該式中的a值代入前面計算出來的充液閥要求的通流面積，閥的開口量h按結構尺寸確定，錐角 α一般為60°或確定為相應的角度，則根據該式可求出充液閥口的最小直徑:

關于充液閥閥芯復位彈簧的計算。

設計充液閥閥芯復位彈簧時，應考慮使復位彈簧對閥芯產生一定的初始密封壓力，一般不小于0.05MPa，再根據閥芯和閥座的結構尺寸，閥芯的自重就可以確定出復位彈簧的初始工作壓力，即彈簧的預壓力。

充液閥工作時，要求當主油缸出現負壓時可自吸而開補充低壓油，但吸油負壓一般不大于0.03MPa，再根據閥芯的結構尺寸和自重，就可以確定出復位彈簧的最大工作壓力。

有了復位彈簧的初始工作壓力和最大工作壓力，以及相關的結構尺寸就可以設計出復位彈簧。

如果采用前述無復位彈簧式結構充液閥，則可省去此步。

參考文獻

1 Sacmi、Citi、Nassetti、 Welko、Laeis公司陶瓷磚自動液壓機產品使用說明書

2 米海耶夫.機械工業出版社:水壓機，1957

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。