摘 要：提出了一种新型的适用于大流量系统的插装式二位四通水液压电液换向阀，它用一个二位三通先导电磁球阀控制四个插装单元来实现二位四通的换向功能。通过实验研究了该阀的稳态压差-流量特性，内泄漏特性；以及复位弹簧、先导阻尼等因素对阀动态性能的影响。实验结果表明：该阀的静态性能良好；采用无缓冲头的阀芯、先导阻尼孔为3mm时换向阀的动态性能较优；常闭阀芯带复位弹簧的情况下，阀的响应时间加快，动态性能得到有效改善。

关键字：水液压 插装阀 二位四通换向阀 静动态性能

引言

以矿物油为传动介质的液压换向阀中，滑阀结构很普遍，这种结构能够容易地实现多种换向控制。但是由于水介质具有黏度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，采用滑阀结构存在着泄漏大、抗污染能力差、阀芯容易卡死、控制边易产生拉丝侵蚀等问题。球阀、锥阀和平板阀等结构对水介质有较好的适应性，德国Hauhinco公司的二位三通水液压换向球阀，采用线密封结构，获得较好的密封性和响应性，但只能用于小流量场合，通常被用作先导控制阀。弓永军博士提出了一种无泄漏平面型纯水换向阀，该设计融合了座阀的特点，采用滑阀端面的平面或锥面来实现各通流腔间的密封，换向切换既不会出现卡死问题又能保证切换过程中压力稳定，适用于二位二通或二位三通换向控制。丹麦Danfoss、美国ELWOODFluid的三位四通插装式水液压换向阀，每个插装单元都由单独的电磁铁来驱动插装单元的先导结构来控制阀芯的启闭，通过四组电磁铁得失电配合来实现换向切换。德国Tiefenbach公司的三位四通插装式水液压换向阀，主阀使用了两个二位三通先导阀对四个插装单元的阀芯的启闭进行控制，同步性有所改善，控制结构也有明显简化。英国Midland-ACS公司的二位四通水液压换向阀，由两个二位三通换向主阀并联组合而成，并由一个二位三通先导控制阀驱动两个主阀芯切换来实现换向。

本研究提出一种适用于大流量系统的新型插装式二位四通水液压换向阀，旨在进一步简化阀的结构，减轻其体积重量，改善同步性，提高工作的可靠性。以下简要介绍该阀的工作原理，并通过实验研究其静动态性能。

1 工作原理

新型二位四通插装阀工作原理图见图1。它主要由两个个结构相同的常开式插装阀单元、两个结构相同的常闭式插装阀单元、盖板、主阀体和一个二位三通先导电磁球阀组成。其中两个常开式插装阀单元为卸荷开启型，即当控制腔接通先导阀的低压水路，控制腔无控制压力时，插装阀的主阀口开启，当控制腔接通先导阀的高压水路，控制腔有控制压力时，插装阀的主阀口关闭；两个常闭式插装阀单元为加压开启型，即当控制腔接通先导阀的低压油路，控制腔无控制压力时，插装阀的主阀口关闭，当控制腔接通先导阀的高压水路，控制腔有控制压力时，插装阀的主阀口开启。

这种结构可避免二位四通滑阀在水压传动中泄漏大，容易卡死，阀口腐蚀等问题，也可避免传统插装阀结构必须用两个二位三通先导电磁球阀造成的结构复杂、可靠性低、控制的同步精度引起的换向冲击等问题。具有通流能力大，密封性、响应性好，抗污染能力强，结构紧凑等特点。特别适合于大流量、以海水、淡水及高水基低黏度液体为传动介质的液压系统中。

H、J.常开插装阀单元I、K.常闭插装阀单元

1.二位三通先导电磁球阀2.主阀体

图1 新型插装式二位四通水液压换向阀

2 实验系统

按照图1的结构和原理，设计制造了一个通径为DN20的二位四通阀，并在浙大流体动力与机电系统国重实验室的水液压控制阀性能实验台上进行测试。通过静态实验验证换向阀的逻辑换向功能，测试阀的静态流量压降和泄漏量；通过动态实验研究复位弹簧、先导阻尼、阀芯缓冲头等因素对阀的动态压力的影响，为阀的优化设计提供参考。实验系统原理图如图2所示。

图2 实验系统原理图

实验系统中，用压力表和压力传感器测量被测阀的P口、T口、A口、B口压力。实验台使用两个单向节流阀分别作为A口和B口的负载来调节工作压力。通过变频电机调节泵的输出流量。

3 静态性能实验

3.1 压差-流量特性实验

在无负载的情况下，逐渐增大通过换向阀的流量，测试阀口的压差；对阀芯带有缓冲头和无缓冲头的两种阀口压差进行了实验对比。

由图3可以看到，P口到A口或B口的压力损失在110L/min的流量下压降小于0.8MPa，若排除实验台自身管路及闸阀等因素的影响，阀口压降可控制在0.5MPa以内。A口或B口与T口的压降相对较大，主要原因是实验台原有管路上装有一个背压阀不方便拆除，从而对测试结果造成一定影响。有缓冲头时阀口压降大于无缓冲头的压降，这是由于缓冲头减小了阀芯的等效开口，导致阀口处的压降增大。

图3 稳态压差-流量特性曲线

3.2 内泄漏实验

实验压力为9MPa，通过记录泄水体积为0.25L时所需的时间，计算阀口泄漏量。由图4可见，首次测试时，常闭阀芯密封泄漏量明显比常开阀芯大，经过近两个月时间磨合后两者的泄漏量基本趋于一致，阀芯泄漏趋于减少。常闭阀芯密封面由于装配时有划伤，密封性能受到一定影响。

图4 阀口泄漏量变化曲线

4 动态特性实验

由于影响阀的动态性能因素较多，本研究主要研究复位弹簧的有无、先导阀阻尼大小对阀的动态性能的影响。调节溢流阀使系统压力为5.5MPa，泵的供水流量为30L/min，阀芯无缓冲头。

4.1 弹簧对阀口压力的影响

实验分三组：①插装阀芯上均不装复位弹簧；②插装阀芯上全部装复位弹簧；③常闭阀芯上装复位弹簧，常开阀芯上不装复位弹簧。复位弹簧刚度11.2N/mm。图5为换向阀电磁铁通电时，所测得的阀口压力。比较P、A、B口的动态响应时间可知：常闭阀芯带复位弹簧的情况下，阀的响应速度加快，动态性能得到有效改善。

4.2 阻尼孔对阀口压力的影响

通过实验研究先导阀P口、T口有无阻尼孔以及阻尼孔大小对主阀口压力的影响。实验总共分8组，为使图面清晰，分三大组进行曲线对比分析。实验设计见表1。

表1 先导阀阀口阻尼孔实验参数

图6为换向阀电磁铁失电时，所测得的阀口压力。对比图6a、图6b、图6c可知，阻尼孔较小（2mm、-2.5mm）时，P口压力超调率较大；当阻尼孔为3mm时P口、A口压力的超调率较小，并能较快的时间内达到稳定。而随着阻尼孔逐渐增大（3.5mm、-4.5mm），由图6e、图6d可知，P口、A口换向压力振荡程度加剧。综合以上分析，在本实验条件下，先导阀P、T口阻尼孔直径为3mm时，阀的动态性能最好。从图6a、图6b、图6d图可见，当换向阀电磁铁失电，P口与A口接通的瞬间，P口压力有较大下降，几乎接近于0。因此，要获得平稳的换向过程，阀芯结构还需要进一步改进。

图5 弹簧对阀口动态压力的影响特性

图6 阻尼孔对阀口动态压力的影响特性

5 结论

（1）所设计的插装式二位四通水压换向阀，通流能力好，阀口压差小，泄漏小，能应用于大流量水压传动系统的换向控制；

（2）先导阀阻尼、复位弹簧、阀口结构等对阀的动态性能均有较大影响，在今后的研究中，还需要进一步优化设计。