5.1　單向閥

單向閥可分為普通單向閥和液控單向閥。普通單向閥只允許油液往一個方向流動,反向截止。液控單向閥在外控油作用下,反方向也可流動。

5.1.1　普通單向閥

(1)工作原理

普通單向閥一般稱為單向閥,其結構簡圖見圖5?1。壓力油從P1腔進入時,克服彈簧力推動閥芯,使油路接通。壓力油從P2腔流出,稱為正向流動。當壓力油從P2腔進入時,油液壓力和彈簧力將閥芯緊壓在閥座上,油液不能通過,稱為反向截止。

(2)單向閥的開啟條件

要使閥芯開啟,液壓力必須克服彈簧力Fk、摩擦力Ff和閥芯重量G,即

式中　?p1——進油腔1油壓力,Pa;

p2——出油腔2油壓力,Pa;

??Fk——彈簧力,N;

??Ff——閥芯與閥座的摩擦力,N；

??G——閥芯重量(水平放置時為0),N;

??A——閥口面積,m2。

單向閥的開啟壓力pk一般都設計得較小,一般為0.03~0.05MPa,這是為了盡可能降低油流通過時的壓力損失。但當單向閥作為背壓閥使用時,可將彈簧設計得較硬,使開啟壓力增高,使系統回油保持一定的背壓。可以根據實際使用需要更換彈簧,以改變其開啟壓力。

(3)典型結構和特點

單向閥按閥芯結構分為球閥和錐閥,圖5?1(a)為球閥式單向閥。球閥結構簡單,制造方便,但由于鋼球有圓度誤差,而且沒有導向,密封性差,一般在小流量場合使用。圖5?1(b)為錐閥式單向閥,其特點是當油被正向通過時,阻力可以設計得較小,而且密封性較好。但工藝要求嚴格,閥體孔與閥座孔需有較高的同軸度,且閥芯錐面必須進行精磨加工。在高壓大流量場合下一般都使用錐閥式結構。

單向閥按進出口油流的方向可分為直通式和直角式。直通式單向閥的進出口在同一軸線上(即管式結構),結構簡單,體積小,但容易產生自振和噪聲,而且裝于系統更換彈簧很不方便。直角式單向閥的進出口油液方向成直角布置,見圖5?2,其閥芯中間容積是半封閉狀態,閥芯上的徑向孔對閥芯振動有阻尼作用,更換閥芯彈簧時,不用將閥從系統拆下、性能良好。

(4)主要性能要求

①?正向最小開啟壓力pk=(Fk+Ff+G)/A,國產單向閥開啟壓力有0.04MPa和0.4MPa,通過更換彈簧,改變剛度K來改變開啟壓力的大小。

②?反向密封性好。

③?正向流阻小。

④?動作靈敏。

(5)應用

主要用于不允許液流反向的場合。

①?單獨用于油泵出口,防止由于系統壓力突升油液倒流而損壞油泵,見圖5?3(a)。

②?隔開油路間不必要的聯系。

③?配合蓄能器實現保壓。

④?作為旁路與其他閥組成復合閥。常見的有單向節流閥、單向順序閥、單向調速閥等。

⑤?采用較硬彈簧作背壓閥。如圖5?3(b)所示,電液換向閥中位時使系統卸荷,單向閥保持進口側油路的壓力不低于它的開啟壓力,以保證控制油路有足夠壓力使換向閥換向。

(6)主要故障

①?當油液反向進入時,閥芯不能將油液嚴格封閉而產生泄漏,特別是p2較低更為嚴重。應檢查閥芯與閥座的接觸是否緊密,閥座孔與閥芯是否滿足同軸度要求,或當閥座壓入閥體孔時有沒有壓歪,如不符合要求,則需要閥芯與閥座重新研配。

②?單向閥不靈,閥芯有卡阻現象,應檢查閥座孔與閥芯的加工精度,并應檢查彈簧是否斷裂或過分彎曲。應該注意的是,無論是直角型還是直通型單向閥,都不允許閥芯錐面向上安裝。

5.1.2　液控單向閥

(1)工作原理

液控單向閥是可以根據需要實現逆向流動的單向閥,見圖5?4。圖中上半部與一般單向閥相同,當控制口K不通壓力油時,閥的作用與單向閥相同,只允許油液向一個方向流動,反向截止。下半部分有一個控制活塞1,控制口K通以一定壓力的油液,推動控制活塞并通過推桿2抬起錐閥閥芯3,使閥保持開啟狀態,油液就可以由P2流到P1,即反向流動。

(2)反向開啟條件

要使閥芯反向開啟必須滿足

???????(pk-p1)Ak-Ff?2>(p2-p1)A+Fk+Ff1+G (5?2)

即?????pk>(p2-p1)+p1+

式中　?pk——閥反向開啟時的控制油壓力,MPa;

p1——出油腔油壓力,MPa;

??p2——進油腔油壓力,MPa;

??Ak——控制活塞面積,m2;

?Ff?2——控制活塞摩擦力,N;

??A——錐閥活塞面積,m2;

??Fk——彈簧力,N;

??Ff1——錐閥芯摩擦阻力,N;

??G——閥芯與控制活塞重量之和,N。

由上式可以看出,液控單向閥反向開啟壓力主要取決于進油腔壓力p2和錐閥活塞與控制活塞面積比,也與出油腔壓力p1有關。

(3)典型結構和特點

圖5?5是內泄式液控單向閥,它的控制活塞閥上腔與P1腔相通,所以叫內泄式。它結構簡單,制造方便。但由于結構限制,控制活塞面積Ak不能比閥芯面積大很多,因此反向開啟的控制壓力pk較大。當p1=0時,pk≈(0.4~0.5)p2。若p1≠0時,pk將會更大一些,所以這種閥只用于低壓場合。

為了減少出油腔壓力p1對開啟控制壓力pk的影響,出現了圖5?6所示的外泄式液控單向閥,在控制活塞的上腔增加了外泄口與油箱連通,減少了P1腔壓力在控制活塞上的作用面積。此時式(5?2)改寫為(忽略摩擦力和重力)

式中　?A1——P1腔壓力作用在控制活塞上的活塞桿面積,m2。

A1/Ak越小,p1對pk的影響越小。

在高壓系統中,上述兩種結構所需的反向開啟控制壓力均很高,為此應采用帶卸荷閥芯的液控單向閥,它也有內泄式和外泄式兩種結構。圖5?7為內泄式帶卸荷閥芯的液控單向閥。它在錐閥3(主閥)內部增加了一個卸荷閥芯6,在控制活塞頂起錐閥之前先頂起卸荷閥芯6,使錐閥上部的油液通過卸荷閥上銑去的缺口與下腔壓力油相通,閥上部的油液通過泄油口到下腔,上腔壓力有所下降,上下腔壓力差p2-p1減少,此時控制活塞便可將錐閥頂起,油液從P2腔流向P1腔,卸荷閥芯頂開后,p2-p1≈0,所以式(5?2)就變成

即開啟壓力大大減少,這是高壓液控單向閥常采用的一種結構。

圖5?8為外泄式帶卸荷閥芯的液控單向閥,該閥可以進一步減少出油口壓力p1對p2的影響,所需開啟壓力為

圖5?9為卸荷閥芯的結構,由于它的結構比較復雜,加工也困難,尤其是通徑較小時結構更小,加工更困難,因此近年來國內外都采用鋼球代替卸荷閥芯,封閉主閥下端的小孔來達到同樣的目的(見圖5?10和圖5?11)。它是將一個鋼球壓入彈簧座內,利用鋼球的圓球面將閥芯小孔封閉。這種結構大大簡化了工藝,解決了卸荷閥芯加工困難的問題。但是,這種結構的控制活塞的頂端應加長一小段,伸入閥芯小孔內,由于這個閥芯孔較小,控制活塞端部伸入的一段較細,因而容易發生彎曲甚至斷裂。另外,對閥體上端閥芯孔和下端控制活塞孔的同軸度的要求也提高了。

帶卸荷閥結構的液控單向閥,由于卸荷閥芯開啟時與主閥芯小孔之間的縫隙較小,通過這個縫隙能溢掉的油液量是有限的,所以,它僅僅適合于反向油流是一個封閉的場合,如液壓缸的一腔、蓄能器等。封閉的容腔的壓力油只需釋放很少一點流量便可將壓力卸掉,這樣就可以用很小的控制壓力將主閥芯打開。如果反向油流是一個連續供油的油源,如直接來自液壓泵的供油,由于連續供油的流量很大,這么大的流量強迫它從很小的縫隙通過,油流必然獲得很高的流速,同時造成很大的壓力損失,而反向油流的壓力仍然降不下來。所以雖然卸荷閥芯打開了,但仍有很高的反向油流壓力壓在主閥芯上,因而僅能打開卸荷閥芯,卻打不開主閥芯,使反向油流的壓力降不到零,油液也就不能全部通過。在這種情況下,要使反向連續供油全部反向通過,必須大大提高控制壓力,將主閥芯打開到一定開度才行。

圖5?12是將兩個液控單向閥布置在同一個閥體內,稱為雙液控單向閥,也叫液壓鎖。其工作原理是:當液壓系統一條通路的油液從A腔進入時,依靠油液壓力自動將左邊的閥芯推開,使A腔的油液流入A1,同時,將中間的控制活塞的閥芯右推,將右邊的閥芯頂開,使B腔與B1腔相溝通,把原來封閉在B1腔通路上的油液通過B腔排出。總之就是當一個油腔是正向進油時,另一個油腔就是反向出油,反之亦然。

(4)主要性能要求

①?最小正向開啟壓力要小。最小正向開啟壓力與單向閥相同,為0.03~0.05MPa。

②?反向密封性好。

③?壓力損失小。

④?反向開啟最小控制壓力一般為

不帶卸荷閥　?pk=(0.4~0.5)p2(p1=0)

帶卸荷閥　??　pk=0.05p2(p1=0)

(5)應用

液控單向閥在液壓系統中的應用范圍很廣,主要利用液控單向閥錐閥良好的密封性。圖5?13所示為利用液控單向閥的鎖緊回路,鎖緊的可靠性及鎖定位置的精度,僅僅受液壓缸本身內泄漏的影響。圖5?14的保壓回路,可保證將活塞鎖定在任何位置,并可防止由于換向閥的內部泄漏引起帶有負載的活塞桿下落。

在液壓缸活塞夾緊工件或頂起重物過程中,由于停電等突然事故而使液壓泵供電中斷時,可采用液控單向閥,打開蓄能器回路,以保持其壓力,見圖5?15。當二位四通電磁閥處于左位時,液壓泵輸出的壓力油正向通過液控單向閥1和2,向液壓缸和蓄能器同時供油,以夾緊工件或頂起重物。當突然停電液壓泵停止供油時,液控單向閥1關閉,而液控單向閥2仍靠液壓缸A腔的壓力油打開,溝通蓄能器,液壓缸靠蓄能器內的壓力油保持壓力。這種場合的液控單向閥必須帶卸荷閥芯,并且是外泄式的結構,否則,由于這里液控單向閥反向出油腔油流的背壓就是液壓缸A腔的壓力,因為壓力較高而有可能打不開液控單向閥。

在蓄能器供油回路里,可以采用液控單向閥,利用蓄能器本身的壓力將液控單向閥打開,使蓄能器向系統供油。這種場合應選擇帶卸荷閥芯的并且是外泄式結構的液控單向閥,見圖5?16。當二位四通電磁換向閥處于右位時,液控單向閥處于關閉狀態;當電磁鐵通電使換向閥處于左位時,蓄能器內的壓力油將液控單向閥打開,同時向系統供油。

液控單向閥也可作充液閥,如圖5?17所示。活塞等以自重空程下行時,液壓缸上腔產生部分真空,液控單向閥正向導通從充液箱吸油。活塞回程時,依靠液壓缸下腔油路壓力打開液控單向閥,使液壓缸的上腔通過它向充液油箱排油。因為充液時通過的流量很大,所以充液閥一般需要自行設計。

(6)主要故障和使用注意事項

液控單向閥由于閥座壓裝時的缺陷,或者閥座孔與安裝閥芯的閥體孔加工時同軸度誤差超過要求,均會使閥芯錐面和閥座接觸處產生縫隙,不能嚴格密封,尤其是帶卸荷閥芯式的結構,更容易發生泄漏。這時需要將閥芯錐面與閥座孔重新研配,或者將閥座卸出重新壓裝。用鋼球作卸荷閥芯的液控單向閥,有時會發生控制活塞端部小桿頂不到鋼球而打不開閥的現象,這時需檢查閥體上下兩孔(閥芯孔與控制活塞孔)的同軸度是否符合要求,或者控制活塞端部是否有彎曲現象。如果閥芯打開后不能回復到初始封油位置,則需檢查閥芯在閥體孔內是否卡住,彈簧是否斷裂或者過分彎曲,而使閥芯產生卡阻現象。也可能是閥芯與閥體孔的加工幾何精度達不到要求,或者二者的配合間隙太小而引起卡阻。

液控單向閥在使用中還應注意以下幾點。

①?液控單向閥回路設計應確保反向油流有足夠的控制壓力,以保證閥芯的開啟。如圖5?14所示,如果沒有節流閥,則當三位四通換向閥換向到右邊通路時,液壓泵向液壓缸上腔供油,同時打開液控單向閥,液壓缸活塞受負載重量的作用迅速下降,造成由于液壓泵向液壓缸上腔供油不足而使壓力降低,即液控單向閥的控制壓力降低,使液控單向閥有可能關閉,活塞停止下降。隨后,在流量繼續補充的情形下,壓力再升高,控制油再將液控單向閥打開。這樣由于液控單向閥的開開閉閉,使液壓缸活塞的下降斷斷續續,從而產生頻振蕩。

②?前面介紹的內泄式和外泄式液控單向閥,分別使用在反向出口腔油流背壓較低或較高的場合,以降低控制壓力。如圖5?18(a)所示,液控單向閥裝在單向節流閥的后部,反向出油腔油流直接接回油箱,背壓很小,可采用內泄式結構。圖5?18(b)中的液控單向閥安裝在單向節流閥的前部,反向出油腔通過單向節流閥回油箱,背壓很高,采用外泄式結構為宜。

③?當液控單向閥從控制活塞將閥芯打開,使反向油流通過,到卸掉控制油,控制活塞返回,使閥芯重新關閉的過程中,控制活塞容腔中的油要從控制油口排出,如果控制油路回油背壓較高,排油不通暢,則控制活塞不能迅速返回,閥芯的關閉速度也要受到影響。這對需要快速切斷反向油流的系統來說是不能滿足要求的。為此,可以采用外泄式結構的液控單向閥,如圖5?19所示,將壓力油引入外泄口,強迫控制活塞迅速返回。

(7)選用

①?選用液控單向閥時,應考慮打開液控單向閥所需的控制壓力。此外還應考慮系統壓力變化對控制油路壓力變化的影響,以免出現誤開啟。

②?在油流反向出口無背壓的油路中可選用內泄式,否則需用外泄式,以降低控制油的壓力,而外泄式的泄油口必須無壓回油,否則會抵消一部分控制壓力。