逻辑阀概述

王家旺，杨喜旺，周惠瑾，张海兵，张 杰，杜智敏，阎善武

（1.山东兖矿轻合金有限公司，山东 邹城273500；2.陕西多伦科技发展有限公司，陕西 西安710043）

逻辑阀的定义来源于计算机数码0 或者1，逻辑阀关闭代表0，开启代表1。逻辑阀也称二通插装阀或者简称锥阀，不管是开关阀还是压力阀，只关乎开启或者关闭。开关阀包括内流阀和外流阀，而压力阀中的溢流阀都是外流式，减压阀是内流式。现有的专著论文或者高校教材，有大量的逻辑阀结构讲解和理论分析，显得复杂而不容易掌握。复杂问题简单化，是工程应用的最佳途径。

1 逻辑阀的分类

从功能上分，有开关阀、压力阀和流量阀；从主阀液流方式上分有内流阀和外流阀；从控制方式上有内控内排、外控外排、内控外排和外控内排。

2 逻辑阀的参数和使用

2.1 开关阀参数

如图1 所示开关阀主要参数，下腔A、上腔B、控制腔C；阀芯直径øD、阀芯在阀口处的直径ød1、阀口直径ød、主阀行程h、弹簧力F（kN）、公称流量Q（L/min）、过流面积A1、系统公称压力P、阀口压降ΔP、开启时间T1、关闭时间T2、流量系数C1、浮环比i、浮环面积A2、最小流量Q1（L/min）、先导流量Q2（L/min）、工作缸内压力P1、先导外控压力P2、下腔压力Pa、上腔压力Pb、控制腔压力Pc、阀口支撑力F1、阀盖支撑阀芯力F2、阀口液流力F2、先导控制压力Px、回油背压Py。

图1 开关阀芯

浮环比i=（D×D-d1×d1）/d×d。Rexroth 逻辑阀浮环比主要有7%和50%，Parker 逻辑阀浮环比为40%，Vickers 逻辑阀浮环比为45%。而Oilgear 逻辑阀没有浮环比，而是采用了直径差异的逻辑阀。

公称流量Q（L/min）一般是指ΔP=5bar 时，逻辑阀的实际流量（测试值）。在主阀行程h 全开启的前提下，逻辑阀公称流量Q（L/min）=C1（ΔP/A1），国产开关逻辑阀C1一般为0.654，按照这个公式计算DN25～DN125（标准系列）的流量压降曲线（也称逻辑阀静态特性），与Rexroth 样本给定的曲线基本一致，在ΔP=5bar～20bar 区域内也与试验测试一致。

开关阀的静态特性包括四个状态特性：①关闭可靠性，在液压系统逻辑控制中，一个工作腔在电信号给定情况下动作会伴随一部分逻辑阀可靠关闭，因此在合理的浮环比的前提下，公式一直成立（Pc×D×D×π/4 +F）=A2×Pb+A1×Pa+F1；②开启过程，也称开启特性，包括开启加速阶段、稳定开启阶段和末端缓冲阶段，这几个阶段始终保持逻辑阀向上开启的趋势，需要设计先导网络控制功能来匹配；③开启保持可靠性公式一直成立（Py×D×D×π/4+F+F2）=A2×Pb+A1×Pa（ΔP 为Pb和Pa差值，始终正数）；④关闭过程，也称关闭特性，包括关闭加速阶段、稳定关闭阶段和末端缓冲阶段，这几个阶段始终保持逻辑阀向下关闭的趋势，需要设计先导网络控制功能来匹配。而这四种状态特性在不同（如内流或者外流以及进油或者排油）功能逻辑阀的使用中，应该分别予以计算或者选定。

逻辑阀开启和关闭的动态特性包括：①各腔压力波动峰值；②过度过程频率；③缓冲度。

2.2 开关阀的使用

开关阀主要用于单向、循环释放、进液、排液。单向功能主要是根据系统对压降的要求，选择合理规格的逻辑阀，然后就是单向开启压力的选择如0.5bar、1bar、2bar 和4bar。

开关逻辑阀作为进液阀或者排液阀（包括循环释放阀），允许使用内流式或者外流式。合理的结构，应该是阀芯最大限度容纳弹簧，并必须在420bar 压力下不能变形，避免阀芯和阀杯卡死。

进液逻辑阀使用中最容易出问题，关闭要快速通过阀芯阻尼凸头实现阀芯关闭末端缓冲，而开启需要先导网络阻尼缓冲或者节流阀缓冲，国内外进液阀控制盖板共同特点：使用先导插装式节流阀来控制排液主阀的开启或者关闭，比如DN25、DN32、DN40 使用DN6 电磁阀以及插到盖板里的DN6 梭阀或单向节流阀控制进液阀，控制时 间 范 围 为60～180ms；大 规 格DN63、DN80、DN100、DN160 进液逻辑阀使用了二级先导控制，尤其是快锻进液阀使用一级带节流调节杆DN16开关阀和二级先导单向阀联合控制，进液阀建立关闭启动条件必须得到保障，这也是很多液压系统使用先导外控的主要原因。然而最佳的使用方式是，不再使用带插件的控制盖板，控制盖板仅仅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺钉孔（图1），所先导功能元件全部采用叠加式。

进液逻辑阀关闭重点是建立关闭启动条件，因为一旦启动了关闭运动，随着行程的缩短，不断增加的液动力也会加速逻辑阀关闭，在液动力和控制腔静液压力的共同作用下，逻辑阀一定会完成剩余的关闭行程。要控制进液逻辑阀快速关闭，有以下常用方法：①先导控制增加外控，通过电磁阀下叠加的梭阀选取控制主阀关闭的压力，确保主阀关闭的启动；②主阀阀口压力降不能小于3bar 以下（匹配合适的流量范围）；③逻辑阀的弹簧力必须保证(所以进液阀都选4bar 或者2bar 的弹簧力)；④限制主阀芯导向的机械卡紧力（保证加工精度）。

不管是内流还是外流逻辑阀，液流力始终是使阀芯关闭的，这也是除Oilgear 公司以外，几乎所有液压公司都在使用等直径逻辑阀的原因。液流力Fstr=－ρQVcosΦ（ρ 液流密度，Q 逻辑阀过流量，V阀口流苏，Φ 射流角)公式已经经过试验验证。

循环释放阀的使用与排液阀相同，关闭要快速通过阀芯阻尼凸头实现阀芯关闭末端缓冲，而开启需要先导阻尼缓冲或者节流阀缓冲，国内外排液阀控制盖板都在使用先导插装式节流阀来控制排液主阀的开启，DN25、DN32、DN40 使用DN6电磁阀及DN6 单向节流阀控制排液阀，控制时间范围为40～180ms。大规格逻辑阀DN63、DN80、DN100、DN125 排液阀使用了二级先导排液，尤其是快锻排液阀使用一级带节流调节杆DN16 开关阀，排液阀的开启分为两个阶段，先导泄压及缓冲开启的第一阶段，后期低压阶段压力换向阀快速开启排液逻辑阀，到排液阀压力下降到P1×33%左右使用压力换向阀大量排掉逻辑阀控制腔的液体，控制冲击振动的前提下缩短排液的开启时间。最佳的使用方式是，不再使用带插件的控制盖板，控制盖板仅仅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺钉孔（图2），所有先导功能元件全部采用叠加式，完全实现排液逻辑阀的开启和关闭。华德、立新、泰丰和Rexroth、Parker、Vickers（带凸头盖板）、Oilgear各家电子样本给出的庞大的开关阀功能盖板一族，完全不用去理会了，让逻辑阀的使用最大限度简单化、标准化。

图2 开关阀控制盖

2.3 压力阀参数

如图3 所示，压力阀包括溢流阀和减压阀，这里重点研究溢流阀，同样的研究也适用于减压阀。溢流阀的主要参数：下腔A、上腔B、控制腔C；阀芯直径øD、阀芯在阀口处的直径ød1、阀口直径ød、主阀行程h、弹簧力F（kN）、公称流量Q（L/min）、过流面积A1、系统公称压力P、阀口压降ΔP、开启时间T1、关闭时间T2、流量系数C1、最小流量Q1（L/min）、先导流量Q2（L/min）、先导外控压力P2、下腔压力Pa、上腔压力Pb、控制腔压力Pc、阀口支撑力F1、阀盖支撑阀芯力F2、阀口液流力F2、先导控制压力Px、回油背压Py、一级阻尼ø1、二级综合阻尼ø2。

图3 压力阀芯

溢流阀的静态特性包括：①用开启比例δ=Δp/p表达定压精度；②用调节偏差表达调节敏感度ε=Δp/Q；③导阀溢流量的大小。

逻辑溢流阀的动态特性主要是稳定性和噪声控制，主阀在一级阻尼øI 和先导阀匹配的前提下达到最佳稳定性，二级综合阻尼øF 与先导阀的参数匹配控制了噪声。应用时，只需要选择标准DN6 和DN10 先导溢流阀即可防止噪声。通过主阀芯和先导阀芯的受力平衡方程与一级阻尼与先导溢流阀流量连续方程，计算得到逻辑阀一级阻尼的参数，按照表1 选择一级阻尼øI，保证逻辑溢流主阀基本静态特性。

表1 一级阻尼选择

试压测试与计算基本一致，逻辑溢流主阀控制腔压力在（55～70%）p（主阀溢流压力）范围内，逻辑主阀可以稳定溢流。

2.4 溢流阀的使用

溢流阀主要使用在泵头安全溢流和工作缸的安全溢流。逻辑溢流阀安装口尺寸与开关阀的一样，都是ISO 标准。

与开关阀的使用一样，不要使用带插件的盖板，避免备件的烦扰。通过盖板上安装的叠加式溢流阀及电磁换向阀，组成一级、二级或三级压力选择溢流阀。不使用带插件的控制盖板，控制盖板仅仅有X+T控制油孔和螺钉孔，所先导功能元件全部采用叠加式。这样给液压系统和集成阀组设计带来极大简化，也给调试、维护和保养带来便利。一级阻尼øI 安装到控制盖板上，简化了逻辑溢流阀主阀芯。如图4 所示。

华德、立新、泰丰和Rexroth、Parker、Vickers（带凸头盖板）、Oilgear 各家样本或者电子样本给出的庞大的盖板一族，和繁杂的各式原理图，完全不用去选择了。

值得注意的是在锻造操作机的旋转和行走控制回路中，使用定压精度更高、调节偏差更小的直动式溢流阀代替二级先导溢流阀，来保证液压马达回路的安全溢流。国内使用二级溢流阀的国产操作机，带来了大量旋转和行走液压马达的损坏和设备事故。

图4 压力阀控制盖

2.5 比例阀的参数和使用

原则上来讲，所有逻辑阀的进液阀和排液阀（循环释放阀）都要使用比例流量阀，因为比例流量阀可以实现逻辑阀的所有功能。但是因为比例阀造价高、使用维护水平要求高，在一些常规液压控制场合，还是大量使用了普通逻辑阀。

比例阀主要参数是流量压降曲线，由于比例阀可以在行程的任何阶段停止，主阀的流量系数是变参数，而与一般逻辑阀的单一参数不同。

主要参数：①公称流量（ΔP 为5bar）；②最大流量；③关闭时间；④开启时间；⑤动态误差；⑥线性度；⑦势能状态；⑧最低控制压力；⑨先导排油背压；⑩控制体积。

逻辑阀中的比例阀使用，主要用来排液，控制缸位置、速度和同步。先导控制流量必须足够，并且μm以下精度的过滤。

值得注意的是比例阀的势能控制，确保设备停机状态比例主阀是关闭的。

3 结束语

开关和压力逻辑阀的控制盖板，只需要控制油口连接阀体标准连接口和电磁阀连接口，盖板体上不要安装任何插件，所有功能插件（如梭阀、单向节流阀、单向阀和先导溢流阀）全部叠加在电磁阀和盖板之间。只要各种功能的逻辑阀使用对了，任何液压系统设计问题都好解决了，使用状态方程控制理论可以建立每个逻辑阀的运动模型，系统中的逻辑阀再联动起来就完成了系统的状态仿真，根据仿真计算数据调整逻辑阀控制盖上叠加的功能阀，实现液压系统的最优化。