三位两挡控制型多路开关阀的研制及应用

李伟涛

深圳东风汽车有限公司 广东深圳 518000

1 前言

普通型多路开关阀，即“三位单挡控制型多路开关阀”除中位（关）外，左右工作位均只有单挡功能（开）。这种多路开关阀在控制油缸时，不能进行速度的选择和调节，不能很好地适应相应的工况，液压系统发热明显，工作效率偏低。

为解决普通多路开关阀的技术短板，增强多路开关阀的功能，笔者研发了一款新型多路开关阀，其左右工作位均能实现两挡功能(快、慢挡)，提高了多路开关阀的技术水平。

2 普通三位单挡控制型多路开关阀

2.1 剖面结构及液压原理

多路开关阀是由多路(联)组合叠加而成，每一路（即每一工作联）控制相应的工作油缸，可根据工作油缸数量增加或减少工作联的数量。普通型多路开关阀的工作联剖面结构及液压原理如图1、2所示。

图1 普通型工作联剖面结构图

图2 普通型工作联液压原理图

普通型工作联剖面结构图如图1所示，可实现相应液压原理（图2）的功能：

a.左工作位(左挡)：当DT1通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口a，气缸活塞推动推杆M，驱动阀芯F进行换向工作，阀芯F处于左工作位，这时，从进油口P输入的高压油流量Q全部进入执行油口A，控制工作油缸工作；

b.右工作位（右挡）：当DT2通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口b，气缸活塞推动推杆M，驱动阀芯F进行换向工作，阀芯F处于右工作位，这时，从进油口P输入的高压油流量Q全部进入执行油口B，控制工作油缸工作。

c.中位：当DT1和DT2均不通电（-）时，从进油口P输入的高压油流量Q通过中位进入回油口后全部返回油箱，执行油口A/B不输出高压油，油缸停止工作。

2.2 技术短板

从普通型工作联结构及液压原理图可以看出，普通型工作联的运行分为左工作位、中位、右工作位。中位时进油口P不输出高压油至执行油口A和B，即“关”；左、右工作位时进油口P以全流量输出高压油Q分别至执行油口A和B，即只有“开”一个挡，这样形成“三位单挡控制”：

a. 左、右工作位均于全流量输出至执行油口A和B，每一工作联控制的油缸只能以相同速度进行工作，控制不同油缸的速度选择灵活性差一些，无法满足不同油缸的工况需求；

b. 左、右工作位均于全流量输出至执行油口A和B，即控制同一油缸时，全过程只能有一种速度，调速性能偏差；

c. 左、右工作位均于全流量输出至执行油口A和B，除工况所需流量外，其余无效流量形成热量，引起油温升高，降低了液压系统效率，系统可靠性随之降低。

3 新型三位两挡控制型多路开关阀

3.1 剖面结构及液压原理

新型工作联剖面结构如图3所示，实现了相应液压原理（图4）的功能。

3.1.1 左工作位(两挡)

3.1.1.1 慢速挡(左一挡)

当DT1a1通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口a1,气缸活塞推动推杆M，推杆M驱动阀芯F2换向(由于左侧钢球定位组件定位作用，活塞不能全行程推动到位，阀芯F1相应地只能进行半行程换向工作，阀芯F1处于半程左工作位)。这时控制模式进入进油旁路节流模式，从进油口P输入的高压油部份流量Qi进入执行油口A,执行油口A输出部份流量Qi控 制工作油缸慢速工作，其余分流流量Qj通过旁路直接到回油口后回到油箱。

3.1.1.2 快速挡(左二挡)

当DT1a2通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口a2,气缸活塞推动推杆M，推杆M驱动阀芯F1换向(活塞不再定位), 阀芯F1换向到位，阀芯F1处于完全左工作位，进油旁路节流模式自动失效，从进油口P输入的高压油流量Q全部进入执行油口A,执行油口A输出全部流量Q，控制工作油缸快速工作。

3.1.2 中位

当DT1a1、DT1a2、DT2b1、DT2b2均不通电（-）时， 气缸活塞不工作，阀芯F1/F2不换向，从进油口P输入的高压油流量Q过中位进入回油口后全部返回油箱，执行油口不输出高压油。

图3 新型工作联剖面结构图

图4 新型工作联液压原理图

3.1.3 右工作位(两挡)

3.1.3.1 慢速挡(右一挡)

当DT2b1通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口b1,气缸活塞推动推杆M，推杆M驱动阀芯F2换向(由于右侧钢球定位组件的定位作用，活塞不能全行程推动到位，阀芯F1相应地只能进行半行程换向工作，阀芯F1处于半程右工作位)。这时控制模式进入了进油旁路节流模式，从进油口P输入的高压油部份流量Qi进入执行油口A,执行油口A输出部份流量Qi，控制工作油缸慢速工作，其余分流流量Qj通过旁路直接到回油口后回到油箱。

3.1.3.2 快速挡(右二挡)

当DT2b2通电（+）时，集装式电磁气阀控制气体进入进气口b2,气缸活塞推动推杆M，推杆M驱动阀芯F1换向(活塞不再定位), 阀芯F1换向到位，阀芯F1处于完全右工作位，进油旁路节流模式自动失效，从进油口P输进的高压油流量Q全部进入执行油口A,执行油口A输出全部流量Q，控制工作油缸快速工作。

3.2 技术优势

新型多路开关阀在阀芯的气缸控制端，设计了左右两侧的钢球定位组件，对气缸活塞的行程进行了分段工作，继而形成了左右两挡的控制，这就是新型三位两挡控制型多路开关阀的关键。

气缸活塞通过钢球定位组件实现分段工作，本质是巧妙地嵌入了进油旁路节流模块，实现了进油旁路节流功能，如图4所示。

根据阀口流量公式：

式中，Qj为 分流流量；Pi为工作压力；S为阀口面积（旁路节流口）；C为阀口系数（与设计的阀口型式有关）；ρ为液压油的密度。

根据工作流量公式：

式中，Q为系统流量；Qi为工作流量；Qj为分流流量。

由式(1)、(2)可知，当多路开关阀处于慢速工作挡（左/右一挡）时，阀芯F2工作，系统流量Q按工况需求输出到工作油口流量Qi,多余流量Qj通过旁路节流口S返回油箱，达到降低油缸速度和提高系统效率的效果；当多路开关阀处于快速工作挡（左/右二挡）时，阀芯F2不工作，系统流量Q按工部输出到工作油口流量，这时Qj=0,Qi=Q, 达到提高况需求全油缸速度的效果。

新型多路开关阀实现了功能，解决了普通型多路关阀的技术短板，具有明显的技术优势：

a.新型多路开关阀在组合成多路控制系统时，每一路之间的速度控制多了一种选择，大大提高了应用的灵活性；

b.在同一路控制中，可随时进行速度切换，控制油缸具有更好的调速性能；

c. 嵌入的进油旁路节流模块，具有提高系统效率，降低系统发热，降低油温的效果。

3.3 新型三位两挡控制型多路开关阀

按照以上的设计思路，笔者进行了新型多路开关阀三维模型的建立，如图5所示为新型工作联剖面三维模型，图6所示为新型多路开关阀（五联）。

为适应高位压缩式垃圾车的工况需求，笔者组合成五联式新型多路开关阀，并在阀体集成了相应的二级溢流阀，能够满足二级调压要求。

图5 新型工作联三维模型

图6 新型多路开关阀(五联)

3.4 新型三位两挡控制型多路开关阀的应用

图7 高位压缩式垃圾车液压原理图

图7所示为高位压缩式垃圾车液压原理图，其中应用了新型三位两挡控制型多路开关阀（五联式）。刮板油缸、滑板油缸采用了慢速启动-快速工作-慢速停止的调速模式，保证了其机构运动安全、平稳，翻转油缸采用了重载慢速翻转进料、空载快速回程的调速模式，保证机构运动平稳、效率高；后门开闭油缸选取了慢速开闭后门的速度，推板油缸选取了快速推出、快速回程的速度，更好适应相应的工况要求。

4 试验验证

为了验证研制效果，笔者采用同一台高位压缩式垃圾车(见图8)分别应用新型三位两挡控制型多路开关阀和普通型三位单挡控制型多路开关阀，接入液压系统，并测试相关的主要性能，具体测试记录见表1。

图8 试验样车

表1 测试记录表

从测试验证记录数据可以看出：

a. 后门开闭作业要求缓慢，推板卸料时要求快速完成作业以提高效率，此时新型三位两挡多路开关阀可分别选择慢速开闭后门和快速推板作业模式，能够充分满足其对应工况的要求。而普通型三位单挡多路开关阀则无法完全满足；

b. 刮板、滑板、翻转架这三种油缸，要求快速作业，但中间过程需进行调速，以保证其机构运动安全、平稳，新型三位两挡多路开关阀可分别对这三种油缸的作业过程进行调速控制。而普通型三位单挡多路开关阀则不能实现这种功能；

c. 连续作业60 min，应用新型三位两挡多路开关阀的液压油温相比应用普通型三位单挡多路开关阀的低8℃，说明液压系统发热减少，效率提高了14%。

从以上综合测试证明，新型三位两挡多路开关阀的研制完全达到了理论的效果，技术途径得到了有效的验证。

5 结语

新型三位两挡控制型多路开关阀通过阀体控制端的新技术，巧秒嵌入了进油旁路节流模块，并应用于高位压缩式垃圾车，使车辆在性能上得到了较大的提升。

a.不同动作油缸可通过应用新型多路开关阀灵活选择最佳的运行速度，充分满足高位垃圾车作业的需求。

b.同一动作油缸通过应用新型多路开关阀可发挥更佳的速度特性，作业更快速、平稳；

c.液压系统通过应用新型多路开关阀，提高了效率，系统更加可靠。