换向阀中位机能在液压回路中的合理应用

徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川618000)

换向阀用于控制液压回路中液流的方向或通断，最终目的是控制执行元件的进退(液压缸)、正反转(液压马达)、启动或停止，是液压回路中必不可少的构成元件。三位换向阀处于中位(常态位)时各油口的连通方式称为换向阀的中位机能。中位机能不同，即油口的连通方式不同，液压系统的控制性能也不相同。在设计液压回路时，正确合理选用换向阀的中位机能往往起到至关重要的作用。反之，中位机能选用不当，可能会影响系统的预定功能，甚至带来严重的故障。

1 中位机能的特点及应用

常用的换向阀中位机能有O型、M型、H型、Y型等。图1为常见的换向阀中位机能的简化符号。

1.1 O型中位机能

1.1.1 O型中位机能的特点

O型中位机能的各油口全封闭，油液不流通。执行元件可在任意位置上被锁住，换向位置精度高。但因运动部件惯性引起的换向冲击较大。重新启动时因两腔充满油液，故启动平稳。泵不能卸荷，但系统能保持压力(因为有泄漏，所以保压是暂时的)[1]。

1.1.2 O型中位机能的应用

(1)O型中位机能用于卸荷回路。所谓卸荷，即泵的功率损耗接近于零的运转状态。功率为流量与压力的乘积，无论是流量近似为零还是压力近似为零，功率损耗即接近于零，因此卸荷有流量卸荷和压力卸荷两种方法。流量卸荷法用于变量泵，一般变量泵当工作压力高到某数值(例如限压式变量叶片泵在截止压力下运转)时，输出流量为零，所以O型机能三位换向阀处于中位时，如图2所示，变量泵便处于卸荷状态。此法简单，但因为泵的输出压力很高，磨损比较严重[1]。

中位机能图形符号中位机能图形符号O型H型M型Y型

图1 常见的换向阀中位机能的图形符号
Figure 1 Symbols of typical median position function of reversing valve

(2)O型中位机能用于锁紧回路。由于O型中位机能使得执行元件的进出油口处于封闭状态，因而此类换向阀可实现锁紧功能。但这类换向阀多为滑阀结构，不可避免地存在泄漏，停止时间较长时，可能产生松动使得液压缸活塞发生少量漂移，锁紧效果较差，因此此类回路多适用于锁紧精度要求不高、锁紧时间较短的场合。

(3)O型中位机能用于制动回路。为了使运动着的工作机构在任意需要的位置停下来，需要采用制动回路。最简单的方法是利用三位换向阀的中位机能。O型中位机能可以快速封闭执行元件的回油口，因此可以用于制动回路。需要指出的是，高速运转的部件在瞬间制动时，由于惯性作用，执行元件回油腔油液会在瞬间被急剧压缩，运动部件的动能迅速转换成压力能，产生很高的压力峰值，形成液压冲击。因此，此类回路必须设置安全阀，起到过载保护作用。

1—变量泵 2—溢流阀 3—换向阀 4—液压缸图2 变量泵卸荷回路Figure 2 Relief circuit of variable displacement pump

1.2 M型中位机能

1.2.1 M型中位机能的特点

M型中位机能的工作油口A、B关闭，见图1。因而工作机构可以停留在任意位置；进油口P和回油口T直接相连，因而液压泵输出的油液可直接流回油箱，实现卸荷。

1.2.2 M型中位机能的应用

不难看出，M型中位机能同O型中位机能一样，M型中位机能也可以适用于锁紧及制动回路，实现同样的功能。此外，M型中位机能可用于卸荷回路。

1.3 H型中位机能

1.3.1 H型中位机能的特点

H型中位机能的各油口互相连通。因工作油口A、B和回油口T连通，执行元件不能被锁紧，故工作机构处于浮动状态，在外力作用下可以运动。此外，液压泵的输出油液直接流回油箱，泵的出口不存在负载，不能形成压力，可实现泵的卸荷。

1.3.2 H型中位机能的应用

(1)H型中位机能用于卸荷回路。由机能的特点可知，同M型一样，H型中位机能可用于构 成卸荷回路。此种方法简单，但不适用于一泵同时驱动多执行元件的系统。

1—油源 2—换向阀 3—液控单向阀 4—液压缸图3 锁紧回路Figure 3 Locking hydraulic circuit

(2)H型中位机能用于回路中液控阀的卸压。

图3是采用液控单向阀的锁紧回路。三位四通换向阀处于左位时，压力油经左液控单向阀进入液压缸左腔，右液控单向阀在回油路上起到负载阻尼作用，因而进油路压力升高，油液顶开右液控单向阀的控制活塞，阀芯打开，油液从右液控单向阀逆向流过，进入油箱；反之，换向阀处于右位时，压力油进入缸右腔并将左液控单向阀打开，使油缸左腔回油。当换向阀处于H型中位时，液压泵输出的油液和控制口的油液直接流回油箱，油液不能形成压力(不考虑管路的压力损失)。此时，由于弹簧作用，控制活塞复位，液控单向阀处于闭锁状态。因为液控单向阀为座阀式结构，密封性能良好，因而液压缸活塞可以长时间被锁紧在停止时的位置。这种锁紧回路主要用于汽车起重机的支腿油路和矿山机械中液压支架的油路中[2]。

图4是采用液控单向顺序阀的平衡回路，液控单向顺序阀组3作为平衡阀使用。它适用于工作部件重量变化较大的场合，如起重机的起升机构液压回路。换向阀右位工作时，压力油进入液压马达右腔，马达左腔回油，通过减速器驱动卷筒转动，带动绳索吊起重物。当换向阀处于H型中位时，液压马达左腔卸压，液控顺序阀关闭，马达右腔油液被封闭，因而不论重量大小，马达及其工作部件均能停止运动并被锁住。换向阀左位工作时，压力油进入马达左腔，同时进入液控顺序阀的外控口，顺序阀开启，马达右腔顺利回油，驱动减速器和卷筒，通过绳索放下重物。

1—油源 2—换向阀 3—平衡阀 4—马达图4 平衡回路Figure 4 Balance hydraulic circuit

1—泵 2—溢流阀 3—换向阀 4—马达图5 马达处于浮动位Figure 5 Floating position of motor

(3)H型中位机能用于构成工作机构的浮动位。

工作机构需要制动时，可采用M型或O型中位机能进行紧急制动，但此时由于执行元件惯性力的作用，回油腔油液将会得到急剧压缩，产生极大的液压冲击。如果采用H型中位机能，见图5，由于进油腔得不到压力油的供应，执行元件将会处于浮动状态并且缓慢减速，此时可采用外力进行制动。此类回路可用于液压起重机的回转机构等。

1.4 Y型中位机能

1.4.1 Y型中位机能的特点

Y型中位机能与H型相同，因工作油口A、B(见图1)和回油口T连通，执行元件不能被锁紧，工作机构处于浮动状态，在外力作用下可以运动。和H型不同的是，换向阀处于Y型中位时，液压泵的输出油液不能流回油箱，不能实现泵的卸荷。

1—油源 2—换向阀 3—平衡阀 4—液控单向阀 5—液压缸图6 某机床液压回路Figure 6 Hydraulic circuit of a machine tool

1.4.2 Y型中位机能的应用

由Y型中位的特点可知，和H型等同，其机能可用于实现液控阀的卸压和工作机构的浮动，见1.3.2。

2 换向阀中位机能的合理选用

2.1 机床液压回路

图6为某机床机械加工时所用的液压回路。该回路要求工件进给到位后刀具立即停止，但实际运行时常发生刀具到位后不能立即停止，而是继续前进一小段距离后方才停止。经过分析可知，换向阀采用的是O型中位。液压缸带动刀具到达指定位置后，由于液压缸左腔油液被封闭，液控单向阀控制口油液不能及时卸压，单向阀阀芯仍然处于打开状态，液压缸活塞会继续运行一段距离，然后液控单向阀的控制油液得以卸压，此时单向阀关闭，液压缸活塞停止运动，即刀具停止。如果换向阀中位采用H型或Y型机能，则液压缸带动刀具到达指定位置后，液控单向阀的控制油液可以及时卸压，单向阀关闭，液压缸活塞及时停止，刀具停止运动。采用液控单向阀或液控顺序阀的液压回路中，换向阀中位机能不宜采用O型或M型，而应采用H型或Y型。

2.2 振动压路机振动液压回路

振动液压回路是振动压路机液压系统中一个重要的组成部分，作用是完成振动轮的起振功能，其性能决定着振动压路机的使用范围和压实效果。振动液压回路采用振动液压马达驱动振动轴。如前文所述，如果采用H型中位机能(见图 5)，可避免较大的液压冲击。但是，振动马达停

止振动时，换向阀回到中位，由于振动液压马达进、回油路相通，惯性作用使液压马达不能立即停止转动，因此会有余振，在被压材料表面上产生压痕。所以，该类型压路机一般用于基层压实作业。如果采用O型或M型中位机能，当振动液压马达制动时，会产生强烈的液压冲击。但是，振动液压马达会立即停止转动，振动轮不会有余振，从而压实材料表面不会产生压痕。因此，该类型振动压路机可用于表面压实[3]。

3 结论

液压系统的使用离不开换向阀，换向阀的使用离不开其中位机能的选用。在设计液压回路时，正确选择换向阀中位机能是至关重要的。合理的中位机能的选用可以优化或者简化液压回路的设计。在选择中位机能之前，一定要充分了解各类机能的特点和对于工作机构的要求及应用场合等。

[1] 丁树模，周骥平. 液压传动[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[2] 李芝. 液压传动[M]. 北京：机械工业出版社，2016.

[3] 孙立峰， 吕枫. 工程机械液压系统分析及故障诊断与排除[M]. 北京：机械工业出版社， 2014(1):92-95.