邏輯閥概述

王家旺，楊喜旺，周惠瑾，張海兵，張 杰，杜智敏，閻善武

（1.山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城273500；2.陜西多倫科技發(fā)展有限公司，陜西 西安710043）

邏輯閥的定義來源于計算機數(shù)碼0 或者1，邏輯閥關(guān)閉代表0，開啟代表1。邏輯閥也稱二通插裝閥或者簡稱錐閥，不管是開關(guān)閥還是壓力閥，只關(guān)乎開啟或者關(guān)閉。開關(guān)閥包括內(nèi)流閥和外流閥，而壓力閥中的溢流閥都是外流式，減壓閥是內(nèi)流式。現(xiàn)有的專著論文或者高校教材，有大量的邏輯閥結(jié)構(gòu)講解和理論分析，顯得復雜而不容易掌握。復雜問題簡單化，是工程應用的最佳途徑。

1 邏輯閥的分類

從功能上分，有開關(guān)閥、壓力閥和流量閥；從主閥液流方式上分有內(nèi)流閥和外流閥；從控制方式上有內(nèi)控內(nèi)排、外控外排、內(nèi)控外排和外控內(nèi)排。

2 邏輯閥的參數(shù)和使用

2.1 開關(guān)閥參數(shù)

如圖1 所示開關(guān)閥主要參數(shù)，下腔A、上腔B、控制腔C；閥芯直徑?D、閥芯在閥口處的直徑?d1、閥口直徑?d、主閥行程h、彈簧力F（kN）、公稱流量Q（L/min）、過流面積A1、系統(tǒng)公稱壓力P、閥口壓降ΔP、開啟時間T1、關(guān)閉時間T2、流量系數(shù)C1、浮環(huán)比i、浮環(huán)面積A2、最小流量Q1（L/min）、先導流量Q2（L/min）、工作缸內(nèi)壓力P1、先導外控壓力P2、下腔壓力Pa、上腔壓力Pb、控制腔壓力Pc、閥口支撐力F1、閥蓋支撐閥芯力F2、閥口液流力F2、先導控制壓力Px、回油背壓Py。

圖1 開關(guān)閥芯

浮環(huán)比i=（D×D-d1×d1）/d×d。Rexroth 邏輯閥浮環(huán)比主要有7%和50%，Parker 邏輯閥浮環(huán)比為40%，Vickers 邏輯閥浮環(huán)比為45%。而Oilgear 邏輯閥沒有浮環(huán)比，而是采用了直徑差異的邏輯閥。

公稱流量Q（L/min）一般是指ΔP=5bar 時，邏輯閥的實際流量（測試值）。在主閥行程h 全開啟的前提下，邏輯閥公稱流量Q（L/min）=C1（ΔP/A1），國產(chǎn)開關(guān)邏輯閥C1一般為0.654，按照這個公式計算DN25～DN125（標準系列）的流量壓降曲線（也稱邏輯閥靜態(tài)特性），與Rexroth 樣本給定的曲線基本一致，在ΔP=5bar～20bar 區(qū)域內(nèi)也與試驗測試一致。

開關(guān)閥的靜態(tài)特性包括四個狀態(tài)特性：①關(guān)閉可靠性，在液壓系統(tǒng)邏輯控制中，一個工作腔在電信號給定情況下動作會伴隨一部分邏輯閥可靠關(guān)閉，因此在合理的浮環(huán)比的前提下，公式一直成立（Pc×D×D×π/4 +F）=A2×Pb+A1×Pa+F1；②開啟過程，也稱開啟特性，包括開啟加速階段、穩(wěn)定開啟階段和末端緩沖階段，這幾個階段始終保持邏輯閥向上開啟的趨勢，需要設(shè)計先導網(wǎng)絡(luò)控制功能來匹配；③開啟保持可靠性公式一直成立（Py×D×D×π/4+F+F2）=A2×Pb+A1×Pa（ΔP 為Pb和Pa差值，始終正數(shù)）；④關(guān)閉過程，也稱關(guān)閉特性，包括關(guān)閉加速階段、穩(wěn)定關(guān)閉階段和末端緩沖階段，這幾個階段始終保持邏輯閥向下關(guān)閉的趨勢，需要設(shè)計先導網(wǎng)絡(luò)控制功能來匹配。而這四種狀態(tài)特性在不同（如內(nèi)流或者外流以及進油或者排油）功能邏輯閥的使用中，應該分別予以計算或者選定。

邏輯閥開啟和關(guān)閉的動態(tài)特性包括：①各腔壓力波動峰值；②過度過程頻率；③緩沖度。

2.2 開關(guān)閥的使用

開關(guān)閥主要用于單向、循環(huán)釋放、進液、排液。單向功能主要是根據(jù)系統(tǒng)對壓降的要求，選擇合理規(guī)格的邏輯閥，然后就是單向開啟壓力的選擇如0.5bar、1bar、2bar 和4bar。

開關(guān)邏輯閥作為進液閥或者排液閥（包括循環(huán)釋放閥），允許使用內(nèi)流式或者外流式。合理的結(jié)構(gòu)，應該是閥芯最大限度容納彈簧，并必須在420bar 壓力下不能變形，避免閥芯和閥杯卡死。

進液邏輯閥使用中最容易出問題，關(guān)閉要快速通過閥芯阻尼凸頭實現(xiàn)閥芯關(guān)閉末端緩沖，而開啟需要先導網(wǎng)絡(luò)阻尼緩沖或者節(jié)流閥緩沖，國內(nèi)外進液閥控制蓋板共同特點：使用先導插裝式節(jié)流閥來控制排液主閥的開啟或者關(guān)閉，比如DN25、DN32、DN40 使用DN6 電磁閥以及插到蓋板里的DN6 梭閥或單向節(jié)流閥控制進液閥，控制時 間 范 圍 為60～180ms；大 規(guī) 格DN63、DN80、DN100、DN160 進液邏輯閥使用了二級先導控制，尤其是快鍛進液閥使用一級帶節(jié)流調(diào)節(jié)桿DN16開關(guān)閥和二級先導單向閥聯(lián)合控制，進液閥建立關(guān)閉啟動條件必須得到保障，這也是很多液壓系統(tǒng)使用先導外控的主要原因。然而最佳的使用方式是，不再使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺釘孔（圖1），所先導功能元件全部采用疊加式。

進液邏輯閥關(guān)閉重點是建立關(guān)閉啟動條件，因為一旦啟動了關(guān)閉運動，隨著行程的縮短，不斷增加的液動力也會加速邏輯閥關(guān)閉，在液動力和控制腔靜液壓力的共同作用下，邏輯閥一定會完成剩余的關(guān)閉行程。要控制進液邏輯閥快速關(guān)閉，有以下常用方法：①先導控制增加外控，通過電磁閥下疊加的梭閥選取控制主閥關(guān)閉的壓力，確保主閥關(guān)閉的啟動；②主閥閥口壓力降不能小于3bar 以下（匹配合適的流量范圍）；③邏輯閥的彈簧力必須保證(所以進液閥都選4bar 或者2bar 的彈簧力)；④限制主閥芯導向的機械卡緊力（保證加工精度）。

不管是內(nèi)流還是外流邏輯閥，液流力始終是使閥芯關(guān)閉的，這也是除Oilgear 公司以外，幾乎所有液壓公司都在使用等直徑邏輯閥的原因。液流力Fstr=－ρQVcosΦ（ρ 液流密度，Q 邏輯閥過流量，V閥口流蘇，Φ 射流角)公式已經(jīng)經(jīng)過試驗驗證。

循環(huán)釋放閥的使用與排液閥相同，關(guān)閉要快速通過閥芯阻尼凸頭實現(xiàn)閥芯關(guān)閉末端緩沖，而開啟需要先導阻尼緩沖或者節(jié)流閥緩沖，國內(nèi)外排液閥控制蓋板都在使用先導插裝式節(jié)流閥來控制排液主閥的開啟，DN25、DN32、DN40 使用DN6電磁閥及DN6 單向節(jié)流閥控制排液閥，控制時間范圍為40～180ms。大規(guī)格邏輯閥DN63、DN80、DN100、DN125 排液閥使用了二級先導排液，尤其是快鍛排液閥使用一級帶節(jié)流調(diào)節(jié)桿DN16 開關(guān)閥，排液閥的開啟分為兩個階段，先導泄壓及緩沖開啟的第一階段，后期低壓階段壓力換向閥快速開啟排液邏輯閥，到排液閥壓力下降到P1×33%左右使用壓力換向閥大量排掉邏輯閥控制腔的液體，控制沖擊振動的前提下縮短排液的開啟時間。最佳的使用方式是，不再使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺釘孔（圖2），所有先導功能元件全部采用疊加式，完全實現(xiàn)排液邏輯閥的開啟和關(guān)閉。華德、立新、泰豐和Rexroth、Parker、Vickers（帶凸頭蓋板）、Oilgear各家電子樣本給出的龐大的開關(guān)閥功能蓋板一族，完全不用去理會了，讓邏輯閥的使用最大限度簡單化、標準化。

圖2 開關(guān)閥控制蓋

2.3 壓力閥參數(shù)

如圖3 所示，壓力閥包括溢流閥和減壓閥，這里重點研究溢流閥，同樣的研究也適用于減壓閥。溢流閥的主要參數(shù)：下腔A、上腔B、控制腔C；閥芯直徑?D、閥芯在閥口處的直徑?d1、閥口直徑?d、主閥行程h、彈簧力F（kN）、公稱流量Q（L/min）、過流面積A1、系統(tǒng)公稱壓力P、閥口壓降ΔP、開啟時間T1、關(guān)閉時間T2、流量系數(shù)C1、最小流量Q1（L/min）、先導流量Q2（L/min）、先導外控壓力P2、下腔壓力Pa、上腔壓力Pb、控制腔壓力Pc、閥口支撐力F1、閥蓋支撐閥芯力F2、閥口液流力F2、先導控制壓力Px、回油背壓Py、一級阻尼?1、二級綜合阻尼?2。

圖3 壓力閥芯

溢流閥的靜態(tài)特性包括：①用開啟比例δ=Δp/p表達定壓精度；②用調(diào)節(jié)偏差表達調(diào)節(jié)敏感度ε=Δp/Q；③導閥溢流量的大小。

邏輯溢流閥的動態(tài)特性主要是穩(wěn)定性和噪聲控制，主閥在一級阻尼?I 和先導閥匹配的前提下達到最佳穩(wěn)定性，二級綜合阻尼?F 與先導閥的參數(shù)匹配控制了噪聲。應用時，只需要選擇標準DN6 和DN10 先導溢流閥即可防止噪聲。通過主閥芯和先導閥芯的受力平衡方程與一級阻尼與先導溢流閥流量連續(xù)方程，計算得到邏輯閥一級阻尼的參數(shù)，按照表1 選擇一級阻尼?I，保證邏輯溢流主閥基本靜態(tài)特性。

表1 一級阻尼選擇

試壓測試與計算基本一致，邏輯溢流主閥控制腔壓力在（55～70%）p（主閥溢流壓力）范圍內(nèi)，邏輯主閥可以穩(wěn)定溢流。

2.4 溢流閥的使用

溢流閥主要使用在泵頭安全溢流和工作缸的安全溢流。邏輯溢流閥安裝口尺寸與開關(guān)閥的一樣，都是ISO 標準。

與開關(guān)閥的使用一樣，不要使用帶插件的蓋板，避免備件的煩擾。通過蓋板上安裝的疊加式溢流閥及電磁換向閥，組成一級、二級或三級壓力選擇溢流閥。不使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有X+T控制油孔和螺釘孔，所先導功能元件全部采用疊加式。這樣給液壓系統(tǒng)和集成閥組設(shè)計帶來極大簡化，也給調(diào)試、維護和保養(yǎng)帶來便利。一級阻尼?I 安裝到控制蓋板上，簡化了邏輯溢流閥主閥芯。如圖4 所示。

華德、立新、泰豐和Rexroth、Parker、Vickers（帶凸頭蓋板）、Oilgear 各家樣本或者電子樣本給出的龐大的蓋板一族，和繁雜的各式原理圖，完全不用去選擇了。

值得注意的是在鍛造操作機的旋轉(zhuǎn)和行走控制回路中，使用定壓精度更高、調(diào)節(jié)偏差更小的直動式溢流閥代替二級先導溢流閥，來保證液壓馬達回路的安全溢流。國內(nèi)使用二級溢流閥的國產(chǎn)操作機，帶來了大量旋轉(zhuǎn)和行走液壓馬達的損壞和設(shè)備事故。

圖4 壓力閥控制蓋

2.5 比例閥的參數(shù)和使用

原則上來講，所有邏輯閥的進液閥和排液閥（循環(huán)釋放閥）都要使用比例流量閥，因為比例流量閥可以實現(xiàn)邏輯閥的所有功能。但是因為比例閥造價高、使用維護水平要求高，在一些常規(guī)液壓控制場合，還是大量使用了普通邏輯閥。

比例閥主要參數(shù)是流量壓降曲線，由于比例閥可以在行程的任何階段停止，主閥的流量系數(shù)是變參數(shù)，而與一般邏輯閥的單一參數(shù)不同。

主要參數(shù)：①公稱流量（ΔP 為5bar）；②最大流量；③關(guān)閉時間；④開啟時間；⑤動態(tài)誤差；⑥線性度；⑦勢能狀態(tài)；⑧最低控制壓力；⑨先導排油背壓；⑩控制體積。

邏輯閥中的比例閥使用，主要用來排液，控制缸位置、速度和同步。先導控制流量必須足夠，并且μm以下精度的過濾。

值得注意的是比例閥的勢能控制，確保設(shè)備停機狀態(tài)比例主閥是關(guān)閉的。

3 結(jié)束語

開關(guān)和壓力邏輯閥的控制蓋板，只需要控制油口連接閥體標準連接口和電磁閥連接口，蓋板體上不要安裝任何插件，所有功能插件（如梭閥、單向節(jié)流閥、單向閥和先導溢流閥）全部疊加在電磁閥和蓋板之間。只要各種功能的邏輯閥使用對了，任何液壓系統(tǒng)設(shè)計問題都好解決了，使用狀態(tài)方程控制理論可以建立每個邏輯閥的運動模型，系統(tǒng)中的邏輯閥再聯(lián)動起來就完成了系統(tǒng)的狀態(tài)仿真，根據(jù)仿真計算數(shù)據(jù)調(diào)整邏輯閥控制蓋上疊加的功能閥，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的最優(yōu)化。