方向控制阀：液压系统油路控制的重要阀类

方向控制阀是用来改变液压系统中各油路之间液流通断关系的阀类，如单向阀、换向阀及压力表开关等。

1.单向阀

单向阀包括普通单向阀和液控单向阀。

（1）普通单向阀 普通单向阀是只允许液流单方向流动而反向截止的元件。

液压系统中对普通单向阀的主要要求：①液流正向通过阀时压力损失小；②反向截止时密封性能好；③动作灵敏，工作时冲击和噪声小等。

图2-36a、b所示分别是管式连接的直通式单向阀和板式连接的直角式单向阀。这里为了使看图方便，没有画出管式连接的螺纹和板式连接的密封圈安放槽等（以下同）。当液流从P₁口流入时，作用在阀芯上的液压油液克服弹簧力顶开阀芯2，流向P₂口，实现正向导通；当液流从P₂口流入时，由于阀芯上开有径向孔，液流流进阀芯内部，阀芯在液压力和弹簧力的作用下关闭阀口，实现反向截止。图2-37c所示为单向阀的图形符号。

图2-36 单向阀

a)管式连接的直通式单向阀 b）板式连接的直角式单向阀 c）单向阀的图形符号

1—阀体 2—阀芯 3—弹簧 4—阀盖 5—弹簧座

由工作原理可知，单向阀的弹簧在保证克服阀芯和阀体的摩擦力及阀芯的惯性力而复位的情况下，弹簧的刚度应该尽可能地小，以免在液流流动时产生较大的能量损失。一般情况下，单向阀的开启压力为0.035～0.05MPa，通过额定流量时压力损失不应该超过0.1～0.3MPa。在液压系统中有时也将普通单向阀作为背压阀使用，这时一般要换上刚度较大的弹簧，此时单向阀的开启压力一般为0.2～0.6MPa。

（2）液控单向阀 除普通单向阀外，还有液控单向阀，它是液压系统经常使用的液压元件。如图2-37所示，液控单向阀由阀体2、阀芯5、弹簧6、控制活塞3、推杆4等组成。阀芯为一般圆锥芯，弹簧的刚度较小。

图2-37 内泄式液控单向阀

a）内泄式液控单向阀 b）液控单向阀图形符号

1、7—阀盖 2—阀体 3—控制活塞 4—推杆 5—阀芯 6—弹簧 a—内泄孔

当液流从P₁口流入时，液压力顶开阀芯，导通P₁口至P₂口油路，实现正向导通；当液流从P₂口流入时，液压油将阀芯5推压在阀座上，封闭油路，实现反向截止，这和普通单向阀的作用一样。当要求反向导通时，需在控制油口通以液压油，推动控制活塞3，通过推杆4将阀芯5顶离阀座，解除反向截止作用。由于控制活塞的面积较大，因此控制油压力不必很大，为其主油路压力的30%～50%即可。

液控单向阀按控制活塞背压腔的泄油方式不同，分为内泄式液控单向阀和外泄式液控单向阀。内泄式液控单向阀如图2-37所示，控制活塞的背压腔通过内泄油孔a连通单向阀的P₁口。外泄式液控单向阀如图2-38所示，控制活塞的背压腔通过外泄油孔直接通油箱。一般情况下，在反向出油口的压力较低时采用内泄式液控单向阀，较高时采用外泄式液控单向阀，以减小所需控制压力。

如图2-39所示，卸载式液控单向阀带有卸载阀，当控制活塞向右运动时首先顶开卸载阀的小阀芯，使主油路油压利用P₂口卸压，继续运动再顶开单向阀芯，反向导通油路。这样可大大减小控制压力，实际应用这种结构的液控单向阀可以使控制压力与工作压力之比降低到4.5%左右，常用于高压系统。

图2-38 外泄式液控单向阀

图2-39 卸载式液控单向阀

在工程机械系统实际应用中，常常需要对执行机构的进、回油路同时采用液控单向阀进行锁紧控制，保证系统的安全，如工程车辆的支腿油路系统等。

如图2-40所示，两个液控单向阀共用一个阀体和控制活塞，这样组合的结构称为液压锁。当从A₁口通入液压油时，在导通A₁口与A₂口油路的同时推动活塞右移，顶开右侧的单向阀，解除B₂口到B₁口的反向截止作用；当B₁口通入液压油时，在导通B₁口与B₂口油路的同时推动活塞左移，顶开左侧的单向阀，解除A₂口到A₁口的反向截止作用；而当A₁口与B₁口没有液压油作用时，两个液控单向阀都为关闭状态，锁紧油路。

图2-40 液压锁及其图形符号

2.换向阀

换向阀是借助于阀芯与阀体之间的相对运动，控制与阀体相连的各油路实现通、断或改变液流方向的元件。对换向阀的基本要求：①液流通过阀时压力损失小；②互不相通的油口间的泄漏小；③换向可靠、迅速且平稳无冲击。

（1）换向阀的工作原理 图2-41所示为滑阀式三位五通换向阀的工作原理。

该液压阀由阀体和阀芯组成。阀体的内孔开有五个沉割槽，对应外接五个油口，称为五通阀。阀芯上有三个台肩与阀体内孔配合。在液压系统中，一般情况设P、T（T₁、T₂）为液压油口和回油口；A、B为接负载的工作油口（下同）。在图2-41所示位置（中间位置），各油口互不相通；若使阀芯右移一段距离，则P、A相通，B、T₂相通，液压缸活塞右移；若使阀芯左移，则P、B相通，A、T₁相通，液压缸活塞左移。

（2）换向阀的分类 换向阀的应用十分广泛，种类很多，分类方法也不同，一般可以按表2-4进行分类。

表2-4 换向阀的分类

图2-41 换向阀的工作原理

1—阀体 2—阀芯 3—液压缸

（3）滑阀式换向阀

1）阀体和阀芯的几种配合形式。上面以五槽三台肩三位五通换向阀为例介绍了换向阀的工作原理。实际应用时，常常在阀体内将两个T口沟通后封闭其中一个，成为四通阀，如图2-42a所示。对于这类具有代表性的阀，阀体和阀芯之间可以具有多种配合形式。图2_-42b所示是三槽二台肩换向阀，其油口通断情况很明显，其结构简单，但回油压力直接作用在阀芯两端，对两端密封要求较高；图2-42c所示是五槽四台肩换向阀，其结构稍复杂些；图2-42d所示为四槽四台肩换向阀，它将两个T口的连通从阀体改到阀芯。无论结构上如何变化，其油口通断的工作原理是相同的，都可用图2-42e所示的图形符号表示。

图2-42 阀体与阀芯配合形式

a）四通阀 b）三槽二台肩换向阀 c）五槽四台肩换向阀 d）四槽四台肩换向阀 e）图形符号

2）位置数、通路数及中位机能。

①换向阀的位置数。位置数是指正常工作时换向阀受外力操纵所能实现的工作位置数目。如图2-42e所示，在图形符号中，“位”数用粗实线方格（或长方格）表示，有几位即画几个格。(www.xing528.com)

②换向阀的通路数。通路数是指换向阀外连工作油口的数目。在图形符号中，用“”表示油路被阀芯封闭，用“”或“”表示油路连通，以箭头表示流动方向，但箭头一般并不重要。一个方格内油路与方格的交点数即为通路数，有几个交点就是几通。

表2-5列出了几种常用换向阀的结构原理及图形符号。

表2-5 换向阀的结构原理及图形符号

③换向阀的中位机能。换向阀都有两个或两个以上工作位置，其中未受到外部操纵作用时所处的位置为常态位。对于三位阀，图形符号的中间位置为常态位，在这个位置其油口连通方式称为中位机能。换向阀的阀体一般设计成通用件，对同规格的阀体配以台肩结构、轴向尺寸及内部通孔等不同的阀芯可实现常态位各油口的不同中位机能。

表2-6列出了常用的几种中位机能的名称、结构原理、图形符号和中位特点。

表2-6 三位四通换向阀的中位机能举例

（续）

从表2-6中可以看出，不同的中位机能具有各自的中位特点。因为液压阀是连接动力元件和执行元件的，就是说一般情况下，换向阀的入口接液压泵，出口接液压马达或液压缸。分析中位机能的特点就是要分析液压阀在中位时或在液压阀中位与其他工作位置转换时对液压泵和液压执行元件工作性能的影响。通常考虑以下几个因素：

a.系统保压与卸荷。当液压阀的P口被堵塞时，系统保压，这时的液压泵可以用于多缸系统。如果液压阀的P口与T口相通，这时液压泵输出的油液直接流回油箱，称为系统卸荷。

b.换向精度与平稳性。若A、B油口封闭，液压阀从其他位置转换到中位时，执行元件立即停止，换向位置精度高，但液压冲击大，换向不平稳；反之，若A、B油口都与T相通，液压阀从其他位置转换到中位时，执行元件不易制动，换向位置精度低，但液压冲击小。

c.起动平稳性。若A、B油口封闭，液压执行元件停止工作后，阀后的元件及管路充满油液，重新起动时较平稳；若A、B油口与T相通，液压执行元件停止工作后，元件及管路中油液泄漏回油箱，执行元件重新起动时不平稳。

d.液压执行元件“浮动”。液压阀在中位时，靠外力可以使执行元件运动来调节其位置，称为“浮动”。如A、B油口互通时的双出杆液压缸，或A、B、T口连通时的情况等。

（4）几种常用的换向阀

1）手动换向阀。手动换向阀是用手动杠杆操纵阀芯换位的换向阀。按换向定位方式不同，分为弹簧复位式手动换向阀（见图2-43a）和钢球定位式手动换向阀（见图2-43b）。前者在手动操纵结束后，弹簧力的作用使阀芯能够自动回复到中间位置；后者由于定位弹簧的作用使钢球卡在定位槽中，换向后可以实现位置的保持。

图2-43 手动换向阀

a）弹簧复位式 b）钢球定位式

1—手动杠杆 2—阀体 3—阀芯 4—弹簧 5—阀盖 6—定位槽 7—定位钢球 8—定位弹簧

手动换向阀结构简单，动作可靠，一般情况下还可以人为地控制阀开口的大小，从而控制执行元件的速度，在工程机械中得到了广泛应用。

2）电磁动换向阀。电磁动换向阀简称电磁换向阀。它是靠通电线圈对衔铁的吸引转化而来的推力操纵阀芯换位的换向阀。图2-44所示为阀芯为二台肩结构的三位四通Y形中位机能的电磁换向阀。阀体的两侧各有一个电磁铁和一个对中弹簧。图2-45所示为电磁铁处于断电状态，在弹簧力的作用下，阀芯处在常态位（中位）。当左侧的电磁铁通电吸合时，衔铁通过推杆将阀芯推至右端，则P、A口和B、T口分别导通，换向阀在图形符号的左位工作；反之，右端电磁铁通电时，换向阀就在右位工作。

图2-44 三位四通Y形电磁换向阀

a）结构原理 b）图形符号

1—电插头 2—壳体 3—电磁铁 4—隔磁套 5—衔铁 6—阀体 7—阀芯 8—弹簧座 9—弹簧

电磁铁不仅有交流和直流之分，而且有干式和湿式之别。交流电磁铁结构简单，使用方便，起动力大，动作快，但换向冲击大、噪声大，换向频率不能太高（约30次/min），当阀芯被卡住或由于电压低等原因吸合不上时，线圈易烧坏。直流电磁铁需直流电源或整流装置，但换向冲击小，换向频率允许较高（最高可达240次/min），而且有恒电流特性，电磁铁吸合不上时线圈也不会烧坏，故工作可靠性高。还有一种本整型（本机整流型）电磁铁，其上附有二极管整流电路和冲击电压吸收装置，能把接入的交流电整流后自用。干式电磁铁不允许油液进入电磁铁内部，推动阀芯的推杆处要有可靠的密封，摩擦阻力大，运动有冲击，噪声大，使用寿命较短（一般只能工作50万～60万次）；湿式电磁铁如图2-45所示，其中装有隔磁套4，回油可以进入隔磁套内，衔铁在隔磁套内运动，阀体内没有运动密封，阀芯运动阻力小，油液对衔铁的润滑和阻尼作用使阀芯的运动平稳，噪声小，使用寿命长（可以工作1000万次以上），但其价格较高。

3）液动换向阀。电磁换向阀动作灵敏，易于实现自动控制，但电磁铁吸力有限。当液压阀规格较大、通过的流量大时，产生的液动力就很大，这时电磁力很难满足换向要求。实际上，当换向阀的通径大于10mm时，常采用液压力来操纵阀芯换位。采用液压力操纵阀芯换位的液压阀称为液动阀。图2-45所示为三位四通液动换向阀的结构原理和图形符号，K₁、K₂为液控口。

图2-45 三位四通液动换向阀

a）结构原理 b）图形符号

1—阀盖 2—弹簧 3—弹簧座 4—阀体 5—阀芯

4）电液动换向阀。驱动液动换向阀的液压油可以采用机动阀、手动阀或电磁换向阀来进行控制。采用电磁换向阀控制液动换向阀的组合称为电液动换向阀，简称电液换向阀，它集中了电磁换向阀和液动换向阀的优点。这里，电磁换向阀起先导控制作用，称为先导阀，其通径可以很小；液动换向阀为主阀，控制主油路换向。

液动换向主阀主要采用弹簧对中方式（也有采用液压对中方式的，应用较少，这里不介绍），如图2-46所示，作为先导阀的电磁换向阀的中位需采用Y形机能，保证在电磁铁不通电时，液动换向主阀的左、右控制腔连通油箱，消除液压力影响，保证弹簧力可靠对中。

在电液换向阀的先导阀和主阀之间，常设一对阻尼调节器，它们可以是叠加式单向节流阀，如图2-46所示。当控制油进入主阀芯的控制腔时经过单向阀，控制油流出时经过节流阀（出油节流调速），通过调节节流阀的开口，控制阀芯的换位速度。

对于以内控方式工作的电液换向阀（先导阀的控制油取自主阀的P口），如果主阀的中位机能是使泵处于卸荷的状态（M、H、K等机能），即使先导阀动作，主阀的控制油由于没有油压而无法推动阀芯换位，电液换向阀也就不能工作。这时就需要在主阀的进油口处增设一个预压阀（如具有较硬弹簧的单向阀），使换向阀在中间位置（卸荷）时，P口保持一定的压力，以满足换向需要，如图2-47c所示。

图2-46 三位四通电液换向阀

1—节流阀 2—单向阀

图2-47 电液换向阀的图形符号

a）详细图形符号 b）简化图形符号 c）增设预压阀后的图形符号