插裝閥在液壓式三輥卷板機上的使用性能分析

宋亞林

(鄂州大學機械系，湖北鄂州436000)

插裝閥是一種以二通型單向元件為主體、采用先導控制和插裝式連接的液壓控制元件。由于它具有主閥芯質量小、行程短、動作迅速、響應靈敏、結構緊湊、工藝性好、工作可靠、壽命長等特點，特別適合于要求高速切換、對密封性能要求較高的高壓、大流量系統。

1 插裝閥的結構及原理

插裝閥的結構及圖形符號如圖1所示。它由控制蓋板、插裝單元、插裝塊體等組成。插裝閥的工作原理相當于一個液控單向閥，圖中A 和B為主油路僅有的兩個工作油口，K為控制油口 (與先導閥相接)。根據需要，在控制蓋板內可以嵌裝各種微型先導控制元件(如梭閥、單向閥、插式調壓閥等)，與先導控制閥結合可以控制插裝件的工作狀態。

圖1 插裝閥及圖形符號

插裝閥的工作狀態由作用在閥芯上的合力的大小及方向決定。如圖1(a)所示，A、B為主油路工作腔，K為控制腔，若A、B、K 三腔的工作壓力及其作用面積分別用pA、pB、pK和AA、AB、AK表示，FS為彈簧作用在閥芯上的力，則有合力

ΣF=pKAK－pAAA－pBAB+FS

當合力為正，即ΣF ＞0時，閥芯關閉;當合力為負，即ΣF ＜0時，閥芯開啟;當合力為零，即ΣF=0時，閥芯處于平衡位置。

合力的大小一般取決于K口，當K口無液壓力作用時，閥芯受到的向上的作用力大于彈簧力，閥芯開啟，A與B相通，至于液流的方向，視A、B口的壓力大小而定。反之，當K口有液壓力作用，且K口的油液壓力所產生的推力與彈簧力之和大于A口和B口的油液壓力產生的推力之和時，才能保證A與B 之間關閉。

2 插裝閥在液壓式三輥卷板機上的應用

2.1 液壓式三輥卷板機的工作原理

液壓式三輥卷板機是一種將金屬板材卷彎成筒形、弧形、錐形或其他形狀制件的通用設備，該設備根據三點成圓的原理，利用工作輥的相對位置變化和旋轉運動，使板材產生連續的塑性變形，以獲得預定形狀的制件。它由工作輥(兩根下輥、一根上輥)、機架、傳動系統、機座等組成。兩根下輥的間距固定，由電動機與減速器驅動，為主動輥。上輥為從動輥，可垂直升降，上輥的垂直升降由安裝在左、右機架上的液壓缸即液壓主缸驅動。

2.2 原設計方案的結構及原理

某廠生產的W11-110×4000型卷板機液壓系統的工作壓力10 MPa，最高工作壓力16 MPa，其主泵源流量為200 L/ min，在設計液壓系統時，考慮到流量和壓力較大，將原來的疊加閥塊設計方案改為采用二通插裝閥及集成式閥塊設計方案后，實現了液壓系統的響應快、節能、低污染等目標。

這里以該卷板機的主缸1 油路為例:該油路設計方案的組成及特點如圖2所示，原設計方案采用疊加閥塊設計，其基本思路是，油泵的來油經過閥塊1的溢流閥調壓，實現壓力控制;閥塊2 中的換向閥用來實現方向控制;在閥塊3 中各有一對液控單向閥組成液壓鎖;閥塊4的進回油路中各有一個節流閥和單向閥組成進油節流調速回路;閥塊5中，有一帶單向閥的順序閥組成主缸加壓的平衡回路。當1DT 失電、2DT得電時，換向閥2 下位工作，油泵來油經溢流閥1 調壓，經換向閥2→液壓鎖3→節流閥4→液壓缸6無桿腔，回油從有桿腔經平衡閥5 調壓→節流閥4→液壓鎖3→換向閥2→回到油箱，此時，活塞桿調速下行主缸加壓。

圖2 采用疊加閥塊的原卷板機局部液壓回路

當換向閥2 上位工作時，油泵來油經溢流閥1 調壓，經換向閥2→液壓鎖3→節流閥4→單向順序閥5→液壓缸6 有桿腔，回油從有桿腔經節流閥4→液壓鎖3→換向閥2→回到油箱，主缸活塞桿經調速上行回位。當換向閥2 中位工作時，原位停止，液壓鎖鎖緊活塞桿運動。

2.3 新方案的結構及原理

采用插裝閥后的設計方案如圖3所示。

圖3 采用插裝閥后的卷板機局部液壓回路

該局部液壓回路中采用了5個插裝閥，通過合理配置，實現了所需的功能。

2.3.1 換向功能

換向功能由插裝閥1、2、3、4組合實現(如圖3)。當1DT 失電、2DT得電時，先導換向閥6 右位工作，此時，插裝閥1的控制油口與低壓信號T相通，由于插裝閥的開啟與并閉取決于合力ΣF的大小，因而插裝閥1 開啟，主油路P→B，A的回油壓力作用在插裝閥3 上，當油壓超過控制蓋內的順序閥時，插裝閥3 開啟，主油路A→T，主缸1 活塞桿下降;此時，插裝閥2、4的控制油口與油路P相通，插裝閥2、4的閥口關閉。當1DT得電、2DT 失電，先導換向閥6 左位工作時，插裝閥2、4的控制油口與低壓信號T相通，插裝閥2、4 開啟，主油路P→A、B→T，主油缸上升;此時，由于插裝閥1、3的控制油口與高壓力信號相通，插裝閥1、3的閥口關閉。當1DT、2DT 皆失電時，先導換向閥6 中位工作，插裝閥1、2、3、4的控制閥口與高壓信號相通，閥口皆關閉，主油路A、B、P、T 彼此不通。主油缸停止不動，且有一定的自鎖性。

2.3.2 節流調速功能

在插裝閥1、2的閥蓋上各增加一錐形閥行程調節器以調節錐形閥開口的大小，這樣就形成了方向、流量控制插裝閥(如圖3)。如上所述，當先導換向閥6 右位工作，插裝閥1的控制油口與低壓信號T相通，插裝閥1 開啟，主油路P→B時，由于插裝閥1有流量控制功能，因而實現了進油節流調速功能。同理，當插裝閥2 開啟，主油路P→A時，由于插裝閥2 有流量控制功能，也實現了進油節流調速功能。

2.3.3 調壓與平衡功能

調壓功能由插裝閥5 及其控制蓋板中的先導溢流閥來實現，當系統的油壓超過先導溢流閥口的調定壓力時，插裝閥5 打開，壓力油由插裝閥5 流回油箱。

平衡功能由插裝閥3 及其控制蓋板上的單向閥及先導順序閥來實現。如圖3所示，當先導換向閥6 右位工作，主油缸加壓，有桿腔回油需要從A→T時，由于單向閥的作用，插裝閥的控制油口不能直接與低壓信號相通，插裝閥3的油口不能直接打開，只有當油壓高過先導順序閥調定壓力時，插裝閥3 油口打開，才能實現油液A→T，從而實現平衡功能。

3 兩種設計方案的相比

從高壓、大流量的角度看，由于插裝閥具有可降低液阻和壓力損失、利于提高系統效率、啟閉靈敏、密封性好等優點，所以在高壓、大流量的液壓缸控制系統中，用插裝閥組成的控制回路更具有優勢。

從密封性上看，普通滑閥是依靠間隙，用封油長度來保持密封性能，但本質上是具有內泄漏的結構。插裝閥是座閥式的結構，閥芯行程短，配合間隙小，密封長度長，其本身的內泄漏遠比滑閥式結構要小得多，所以插裝閥回路的密封性比由普通滑閥組成的疊加閥回路密封性好。

從維修管理上看，雖然插裝閥耐磨性好，使用壽命長，故障少，用其組成的系統工作可靠性高。但是，原疊加閥回路方案更簡單，安裝空間不大，配管、油漏和管道振動等引起的故障相對不多，能簡單地改變回路、更換元件，維修很方便。而采用插裝閥及集成式閥塊設計方案后，回路變得復雜，必須安裝的元件數量增多了，需要密封的油口增多，可能的故障點增多而且更加隱蔽，增加了故障診斷與維修的難度。

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