三位兩擋控制型多路開關閥的研制及應用

李偉濤

深圳東風汽車有限公司 廣東深圳 518000

1 前言

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

為解決普通多路開關閥的技術短板，增強多路開關閥的功能，筆者研發了一款新型多路開關閥，其左右工作位均能實現兩擋功能(快、慢擋)，提高了多路開關閥的技術水平。

2 普通三位單擋控制型多路開關閥

2.1 剖面結構及液壓原理

多路開關閥是由多路(聯)組合疊加而成，每一路（即每一工作聯）控制相應的工作油缸，可根據工作油缸數量增加或減少工作聯的數量。普通型多路開關閥的工作聯剖面結構及液壓原理如圖1、2所示。

圖1 普通型工作聯剖面結構圖

圖2 普通型工作聯液壓原理圖

普通型工作聯剖面結構圖如圖1所示，可實現相應液壓原理（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，執行油口A/B不輸出高壓油，油缸停止工作。

2.2 技術短板

從普通型工作聯結構及液壓原理圖可以看出，普通型工作聯的運行分為左工作位、中位、右工作位。中位時進油口P不輸出高壓油至執行油口A和B，即“關”；左、右工作位時進油口P以全流量輸出高壓油Q分別至執行油口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行油口A和B，每一工作聯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，調速性能偏差；

c. 左、右工作位均于全流量輸出至執行油口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，降低了液壓系統效率，系統可靠性隨之降低。

3 新型三位兩擋控制型多路開關閥

3.1 剖面結構及液壓原理

新型工作聯剖面結構如圖3所示，實現了相應液壓原理（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驅動閥芯F2換向(由于左側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流模式，從進油口P輸入的高壓油部份流量Qi進入執行油口A,執行油口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全部進入執行油口A,執行油口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，執行油口不輸出高壓油。

圖3 新型工作聯剖面結構圖

圖4 新型工作聯液壓原理圖

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驅動閥芯F2換向(由于右側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流模式，從進油口P輸入的高壓油部份流量Qi進入執行油口A,執行油口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全部進入執行油口A,執行油口A輸出全部流量Q，控制工作油缸快速工作。

3.2 技術優勢

新型多路開關閥在閥芯的氣缸控制端，設計了左右兩側的鋼球定位組件，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閥的關鍵。

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

根據閥口流量公式：

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

根據工作流量公式：

式中，Q為系統流量；Qi為工作流量；Qj為分流流量。

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

新型多路開關閥實現了功能，解決了普通型多路關閥的技術短板，具有明顯的技術優勢：

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

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速性能；

c. 嵌入的進油旁路節流模塊，具有提高系統效率，降低系統發熱，降低油溫的效果。

3.3 新型三位兩擋控制型多路開關閥

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

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

圖5 新型工作聯三維模型

圖6 新型多路開關閥(五聯)

3.4 新型三位兩擋控制型多路開關閥的應用

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，其中應用了新型三位兩擋控制型多路開關閥（五聯式）。刮板油缸、滑板油缸采用了慢速啟動-快速工作-慢速停止的調速模式，保證了其機構運動安全、平穩，翻轉油缸采用了重載慢速翻轉進料、空載快速回程的調速模式，保證機構運動平穩、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，更好適應相應的工況要求。

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)分別應用新型三位兩擋控制型多路開關閥和普通型三位單擋控制型多路開關閥，接入液壓系統，并測試相關的主要性能，具體測試記錄見表1。

圖8 試驗樣車

表1 測試記錄表

從測試驗證記錄數據可以看出：

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

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

c. 連續作業60 min，應用新型三位兩擋多路開關閥的液壓油溫相比應用普通型三位單擋多路開關閥的低8℃，說明液壓系統發熱減少，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閥的研制完全達到了理論的效果，技術途徑得到了有效的驗證。

5 結語

新型三位兩擋控制型多路開關閥通過閥體控制端的新技術，巧秒嵌入了進油旁路節流模塊，并應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用新型多路開關閥靈活選擇最佳的運行速度，充分滿足高位垃圾車作業的需求。

b.同一動作油缸通過應用新型多路開關閥可發揮更佳的速度特性，作業更快速、平穩；

c.液壓系統通過應用新型多路開關閥，提高了效率，系統更加可靠。