常见换向阀结构及工作原理

换向阀利用阀芯与阀体之间相对位置的不同，改变阀体上各油口的通断关系，从而改变油液流动方向，实现对执行元件的起动、停止控制或者改变运动方向。

换向阀按照阀芯的运动方式可分为转阀式和滑阀式两类，前者阀芯围绕其轴线转动，后者阀芯沿轴向移动。滑阀式换向阀应用范围较为广泛。

1.转阀式换向阀

图4.2.8（a）所示为转阀式换向阀（简称转阀）的工作原理图。该阀由阀体1、阀芯2和使阀芯转动的操纵手柄3组成，在图示位置为左时，油口P和A相通、B和T相通；当操纵手柄转换到“止”位置时，油口P、A、B和T均不相通；当操纵手柄转换到位置右时，则油口P和B相通，A和T相通。图4.2.8（b）所示是它的图形符号。

图4.2.8　转阀式换向阀

（a）工作原理图；（b）图形符号1—阀体；2—阀芯；3—操纵手柄

2.滑阀式换向阀

1）工作原理和图形符号

阀体和滑动阀芯是滑阀式换向阀的主体，阀芯是一个具有多个台肩的圆柱体，与之相配合的阀体有若干个沉割槽。图4.2.9所示的阀芯有3个台肩，阀体有5个沉割槽。每个沉割槽都通过相应的孔道与外部相连，其中P通进油，T通回油，A和B通液压缸两腔。这种形式的换向阀称为三台肩五槽式。当阀芯处于图4.2.9（a）所示位置时，阀芯上的环形槽使P与B相通，A与T相通，活塞向左运动；当阀芯向右移动处于图4.2.9（b）所示位置时，P与A相通，B与T相通，活塞向右运动。因此，图示换向阀可用于使执行元件换向。

换向阀的功能主要由它控制的通路数和工作位置数来决定。图4.2.9所示换向阀有2个工作位置和4条通路（P、A、B和T），称为二位四通阀。表4.2.1列出了几种常用的滑阀式换向阀的结构原理图，并给出了表示阀的工作位置数、通路数和在各个位置上油口连通关系的图形符号。一个完整的换向阀图形符号还应表示出操纵方式、复位方式和定位方式等。

图4.2.9　滑阀式换向阀的换向原理图

表4.2.1　常用滑阀式换向阀的结构原理和图形符号

续表

换向阀图形符号的含义如下：

（1）用方（或长方）框表示阀的工作位置，有几个方框就表示有几“位”。

（2）方框内的箭头表示在这一位置上油路处于接通状态，但箭头方向并不一定表示油液的实际流向。

（3）方框内符号“┻”或“┳”表示此通路被阀芯封闭，即该油路不通。

（4）一个方框的上边和下边与外部连接的接口（油口）数是几个，就表示几“通”。

（5）通常阀与系统供油路连接时，进油口用字母P表示，阀与系统回油路连接的回油口用字母T表示，而阀与执行元件连接的工作油口则用字母A、B等表示；有时在图形符号上还表示出泄漏油口，用字母L表示。

（6）换向阀都有两个或两个以上的工作位置，其中一个为常态位置，即阀芯未受到操纵力作用时所处的位置。图形符号中的中位是三位阀的常态位，利用弹簧复位的二位阀，则以靠近弹簧的方框内的通路状态为其常态位。绘制液压系统图时，油路一般应连接在换向阀的常态位置上。

2）换向阀的操纵方式

按照操纵方式的不同，换向阀可分为手动、机动、电磁、液动和电液等几种形式。

（1）手动换向阀。

图4.2.10（a）所示为弹簧自动复位式三位四通手动换向阀。推动操纵手柄左右运动，可实现油路的换向，松开手柄时，阀芯靠弹簧力自动恢复到中位（原始位置）。该阀适用于动作频繁、工作持续时间短的场合，操作比较完全，常用于工程机械的液压传动系统中。

如果将该阀阀芯左端弹簧4的部位改为可自动定位的结构形式，即成为可在3个位置定位的手动换向阀，如图4.2.10（b）所示

图4.2.10　三位四通手动换向阀

（a）弹簧自动复位式结构及图形符号；（b）弹簧钢球式结构及图形符号
1—手柄；2—阀体；3—阀芯；4—弹簧；5—钢球

（2）机动换向阀。

机动换向阀又称行程换向阀。它用行程挡块或凸轮推动阀芯运动实现换向，从而控制油液的流动方向。机动换向阀通常是二位的，有二通、三通、四通和五通几种，其中二位二通机动换向阀又分常闭和常开两种。图4.2.11所示为滚轮式二位三通常闭机动换向阀，在图示位置阀芯2被弹簧1压向上端，油腔P和A接通，B口关闭。当挡块或凸轮压住滚轮4，使阀芯2移动到下端时，就使油腔P和A断开，P和B接通，A口关闭。

（3）电磁换向阀。

电磁换向阀是利用电磁铁通电产生的吸力推动阀芯动作以控制油液通断或改变流向的阀类。电磁阀操纵方便，布置灵活，易于实现动作转换的自动化，因此应用最为广泛。

电磁铁作为操纵元件种类繁多，按其所用电源不同，可分为交流和直流两种。按衔铁工作腔是否有油液又可分为“干式”和“湿式”等。交流电磁铁起动力较大，不需要专门的电源，吸合、释放快，动作时间为0.01～0.03 s；其缺点是若电源电压下降15％以上，则电磁铁吸力明显减小，若衔铁不动作，干式电磁铁会在10～15 min后烧坏线圈（湿式电磁铁为1～1.5 h），且冲击及噪声较大，寿命短。因而在实际使用中，交流电磁铁允许的切换频率一般为10次/min，不得超过30次/min。直流电磁铁工作较可靠，吸合、释放动作时间为0.05～0.08 s，允许使用的切换频率较高，一般可达120次/min，最高可达300次/min，且冲击小、体积小、寿命长，但需有专门的直流电源，成本较高。此外，还有一种交直流电磁铁，其电磁铁是直流的，但电磁铁本身带有整流器，通入的交流电经整流后再供给直流电磁铁。目前，国外新发展了一种油浸式电磁铁，衔铁和励磁线圈都浸在油液中工作，它具有寿命更长、工作更平稳可靠等特点，但由于造价较高，应用范围不广。

图4.2.11　滚轮式二位三通常闭机动换向阀

（a）结构图；（b）图形等号
1—弹簧；2—阀芯；3—阀体；
4—滚轮；5—行程挡块(www.xing528.com)

图4.2.12所示为二位三通交流电磁换向阀，只有一个电磁铁。在图示位置，油口P和A相通，油口B断开；当电磁铁通电吸合时，推杆1将阀芯2推向右端，这时油口P和A断开，而与B相通。当电磁铁断电释放时，弹簧3推动阀芯复位。

图4.2.12　二位三通交流电磁换向阀

（a）结构图；（b）图形符号
1—推杆；2—阀芯；3—弹簧

如图4.2.13所示为一种三位四通直流电磁换向阀，有2个电磁铁，3个工作位置，电磁铁断电后，靠对中弹簧回位。

（4）液动换向阀。

液动换向阀是利用控制油路的压力油来改变阀芯位置的换向阀，图4.2.14所示为三位四通液动换向阀的结构图和图形符号。阀芯是由其两端密封腔中油液的压差来移动的，当控制油路的压力油从阀右边的控制油口K2进入滑阀右腔时，K1接通回油，阀芯向左移动，使压力油口P与B相通，A与T相通；当K1接通压力油，K2接通回油时，阀芯向右移动，使得P与A相通，B与T相通；当K1、K2都通回油时，阀芯在两端弹簧和定位套作用下回到中间位置。

图4.2.13　三位四通直流电磁换向阀

（a）结构图；（b）图形符号
1—衔铁；2—推杆；3—阀芯；4—对中弹簧

图4.2.14　三位四通液动换向阀

（a）结构图；（b）图形符号

（5）电液换向阀。

在大中型液压设备中，当通过阀的流量较大时，作用在滑阀上的摩擦力和液动力也较大，仅靠电磁铁的吸力无法直接驱动阀芯移动，需要用电液换向阀来代替电磁换向阀。电液换向阀由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。电磁滑阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置。由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大，所以主阀芯的尺寸可以做得很大，允许有较大的油液流量通过，这样用较小的电磁铁就能控制较大的流量。

图4.2.15所示为弹簧对中型三位四通电液换向阀的结构图和图形符号。当先导电磁阀左边的电磁铁通电后使其阀芯向右边位置移动，来自主阀P口或外接油口的控制压力油可经先导电磁阀的A′口和左单向阀进入主阀左端容腔，并推动主阀阀芯向右移动，这时主阀阀芯右端容腔中的控制油液可通过右边的节流阀经先导电磁阀的B′口和T′口，再从主阀的T口或外接油口流回油箱（主阀阀芯的移动速度可由右边的节流阀调节），使主阀P与A、B和T的油路相通。反之，先导电磁阀右边的电磁铁通电，可使P与B、A与T的油路相通；当先导电磁阀的两个电磁铁均不通电时，先导电磁阀阀芯在其对中弹簧作用下回到中位，此时来自主阀P口或外接油口的控制压力油不再进入主阀芯的左、右两容腔，主阀芯左、右两腔的油液通过先导电磁阀中间位置的A′、B′两油口与先导电磁阀T′口相通（图4.2.15（b）），再从主阀的T口或外接油口流回油箱。主阀阀芯在两端对中弹簧预压力的推动下，依靠阀体定位，准确地回到中位，此时主阀的P、A、B和T油口均不通。电液换向阀除了上述的弹簧对中形式以外，还有采用液压对中形式的。在液压对中的电液换向阀中，先导式电磁阀在中位时，A′、B′两油口均与油口P连通，而T′口则封闭，其他方面与弹簧对中的电液换向阀基本相似。

图4.2.15　三位四通电液换向阀

（a）结构图；（b）图形符号；（c）简化图形符号
1，6—节流阀；2，7—单向阀；3，5—电磁铁；4—电磁阀阀芯；8—主阀阀芯

常见滑阀操纵方式、图形符号及简要说明列于表4.2.2中。

表4.2.2　常见滑阀操纵方式、图形符号及简要说明

续表

3）换向阀的中位机能

三位四通或三位五通换向阀中，滑阀阀芯在中位时各油口的连通方式称为滑阀机能（也称中位机能）。采用不同中位机能的换向阀，会影响到阀在常态位置时执行元件的工作状态，如停止还是运动，前进还是后退，快速还是慢速，卸荷还是保压等。表4.2.3列出了几种常用换向阀的中位机能。

表4.2.3　换向阀的中位机能

续表

3.换向阀在液压系统中的应用

1）启、停回路

在执行元件需要频繁地起动或停止的液压系统中，一般不采用起动或停止原动机的方法来使执行元件起动、停止，而是采用启、停回路来实现这一要求。

图4.2.16（a）、图4.2.16（b）中分别用二位二通电磁阀和二位三通电磁阀切断压力油源来使执行元件停止运动。其差别在于，图4.2.16（a）在切断压力油路时，泵输出的压力油从溢流阀回油箱，泵压较高，消耗功率较大，不经济；图4.2.16（b）在切断压力油源的同时，泵输出的油液经二位三通电磁阀回油箱，使泵在很低的压力工况下运转（称为卸荷）。也可采用中位机能为O、Y、M型的三位四通换向阀来使执行元件停止运动。在上述回路中，由于换向阀要通过全部流量，故一般只适用于小流量系统。

图4.2.16　启、停回路

2）换向回路

换向回路的功能是使执行元件改变运动方向。高质量的换向回路应保证换向迅速、准确和平稳。

图4.2.17（a）所示为采用M型中位机能的三位四通电磁阀的换向回路。当左电磁铁通电时，泵输出的压力油进入液压缸的左腔，使执行元件向右运动；当右电磁铁通电时，泵输出的压力油进入液压缸的右腔，使执行元件向左运动。通过电磁铁控制执行元件的运动方向，换向时操作方便，但冲击较大，且不宜进行频繁地切换，一般换向频率应小于30次/min，流量应小于60 L/min。

图4.2.17（b）所示为采用三位四通电液阀的换向回路。换向的平稳性由电液换向阀中的可调节流阀保证。这种换向回路可用于较大流量的场合。

图4.2.17　换向回路

（a）采用M型三位四通电磁阀；（b）采用三位四通电液阀