二位三通气控换向阀的设计与试验研究

姚鸿云

摘   要：一种新型的二位三通气动换向阀，它由一个气控先导阀控制两个换向阀芯同时动作实现换向功能。其密封元件镶嵌在活塞中，通过螺纹连接使活塞、密封元件与阀芯连接成一体，缩小了阀体的体积，使其结构紧凑。通过实验研究了该阀的稳定性和可靠性。实驗结果表明：该阀性能良好，采用邵氏硬度75A的聚氨酯弹性体作为密封元件，阀的密封性能得到有效改善。

关键词：二位三通气动换向阀  氨酯弹性体密封元件  耐老化性

中图分类号：TU83                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0069-02

1  工作原理

新型的二位三通气动换向阀结构见图1，符号见图2。它由一个气控先导阀控制两个活塞同时带动阀芯换向，使S口与U口相通，先导阀泄压后，在复位弹簧的作用下，阀芯换向使E口与U口相通。S口与E口的密封元件采用聚氨酯弹性体，密封元件的密封面设计成球面，阀体的密封口突起一个小台阶，这种设计减少密封面的接触面积，提高密封效果。活塞密封圈采用2个派克公司生产的C2型活塞密封件，这种结构具有密封性好，抗粉尘及污染能力强，结构紧凑等特点。并且，减少阀体加工工序，简化阀体装配流程，提高生产效率，降低生产成本。

该新型的二位三通气动换向阀，先导孔（P）气压为0.5MPa，E口气压为1MPa，S口气压为0.5MPa，复位弹簧F1=42.7N，为保证在有压差的情况下，活塞能平稳推动阀芯换向，活塞面积设计为3318mm2，活塞的推力计算如下：Fp=3318×0.5=1659N，经试验表明活塞可顺畅推动阀芯换向。

2  性能实验

2.1 常压0.5MPa密封性试验

先导孔P加0.5MPa气压，使U口和S口通气，然后同时给U口加0.5MPa气压，关闭S口，经检测E口密封良好，未出现漏气现象。先导孔P泄压，这时在复位弹簧的作用下，使U口和E口通气，然后U口加0.5MPa气压，关闭E口，经检测S口密封良好，未出现漏气现象[2]。

2.2 高压0.9MPa冲击试验

先导孔（P）串联二位三通电磁阀（带排气孔），然后接通0.5MPa气压，U口和S口通气，U口接通0.9MPa气压，设定程序使阀芯每5s动作一次，连续冲击切换550次，试验后，经检测E/S口密封良好，未出现漏气现象，阀芯动作顺畅，无卡滞现象。

2.3 高压0.9MPa保压试验

先导孔（P）接通0.5MPa气压，U口和S口通气，U口接通0.9MPa气压，关闭S口，保持52h后，E/S口密封良好，未出现漏气现象，阀芯动作顺畅，无卡滞现象。

2.4 高、低压压差试验

先给E口接通0.9MPa气压，S口接通0.5MPa气压，U口关闭，然后再给先导孔（P）接通0.5MPa气压，实验表明在压差接近2倍的情况下，阀芯可以顺畅切换。

2.5 聚氨酯密封元件的硬度试验

在室温（20℃），聚氨酯密封元件选用邵氏80A的硬度，试验前测量聚氨酯密封元件高度为6.52mm，按上述4项内容试验，发现在粉尘较多的环境中，阀体有轻微泄漏现象。实验结束后，测量聚氨酯密封元件高度为6.22mm，放置24h后，测量聚氨酯密封元件高度为6.31mm。设计允许其变形量为1.5mm，实验结果显示最大变形量为0.3mm，远小于设计允许变形量。

在高温（80℃）环境中，聚氨酯密封元件选用邵氏80A的硬度，试验前测量聚氨酯密封元件高度为6.57mm。给先导孔（P）加0.5MPa气压，保持48h，然后U口接通0.9MPa气压，做高压冲击试验100次，经检测E口、S口未出现漏气现象，阀芯可顺畅切换。实验结束后，测量测量聚氨酯密封元件高度为6.05mm，放置24h后，测量聚氨酯密封元件高度为6.18mm。设计允许其变形量为1.5mm，实验结果显示最大变形量为0.52mm，远小于设计允许变形量。

根据以上实验，得出的结论是聚氨酯密封元件选用邵氏80A的硬度有些大，应适当调低其硬度[3]。

2.6 第二次聚氨酯密封元件的硬度试验

在室温（20℃），聚氨酯密封元件选用邵氏75A的硬度，试验前测量聚氨酯密封元件高度为6.54mm，按上述前4项内容试验，发现在粉尘较多的环境中，阀体密封良好，未出现任何漏气现象。实验结束后，测量聚氨酯密封元件高度为6.01mm，放置24h后，测量聚氨酯密封元件高度为6.08mm。设计允许其变形量为1.5mm，实验结果显示最大变形量为0.53mm，小于设计允许变形量。

在高温（80℃）环境中，聚氨酯密封元件选用邵氏75A的硬度，试验前测量聚氨酯密封元件高度为6.53mm。给先导孔（P）加0.5MPa气压，保持48h，然后U口接通0.9MPa气压，做高压冲击试验100次，经检测E口、S口未出现漏气现象，阀芯可顺畅切换。实验结束后，测量测量聚氨酯密封元件高度为5.81mm，放置24h后，测量聚氨酯密封元件高度为5.96mm。设计允许其变形量为1.5mm，实验结果显示最大变形量为0.72mm，接近设计允许变形量的一半。

根据以上实验，得出的结论是聚氨酯密封元件硬度区间为邵氏73A～76A，适合该二位三通气动换向阀。

3  结语

所设计的二位三通气动换向阀密封性好，抗粉尘及污染能力强，结构紧凑等特点。

参考文献

[1] 北方工业大学流体传动与控制教研室和济南华能气动元器件公司共同编著.气动元件与系统设计[M].北京：机械工业出版社，1995.

[2] 李国龙.气动设备创新设计与生产制造及质量检验技术标准[S]. 合肥：安徽文化音像出版社，2004（5）.

[3] SMC（中国）有限公司编著.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2003.