方向控制阀：单向与换向分类、工作位置等多种类型

在液压系统中，用来控制流体流动方向的阀统称为方向控制阀。按用途分，方向控制阀可分为单向阀和换向阀两大类。

单向阀的作用是控制油液的单向流动；换向阀的作用是改变油液的流动方向或使油流通断。

方向控制阀可根据其用途、所控制的油口通路数目、工作位置数目以及控制方式来分类，其类型综合如下所示。

1.单向阀

（1）概述

单向阀是只允许液流向一个方向流动，不允许反向流动的阀。它可用于液压泵的出口，防止系统油液倒流；用于隔开油路之间的联系，防止油路相互干扰；也可用作旁通阀，与节流阀并联，组合成单向节流阀。

（2）单向阀的工作原理

图3-35所示为单向阀的工作原理图和图形符号。当液流由A腔流入时，作用在阀芯上的液压力克服弹簧力将阀芯顶开，于是液流由A流向B；当液流反向流入时，阀芯将在液压力和弹簧力的作用下，被紧紧地压在阀座上，从而切断油路，使液流无法流向A腔。

图3-35 单向阀的结构原理图和图形符号

a）结构原理图 b）图形符号 c）简化符号

单向阀的开启条件是：

（p_A-p_B）A>F_t+F_f+G （3-58）

式中 p_A——A腔压力即进口压力（Pa）；

p_B——B腔压力即出口压力（Pa）；

F_t——弹簧力（N）；

F_f——阀芯与阀体间的摩擦力（N）；

G——阀芯重力（N）；

A——阀座口面积（m²）。

对单向阀的性能要求是：内泄漏量要小；开启压力低，压力损失小。

（3）单向阀的典型结构与特性要求

a.典型结构

按进出口流道的布置形式，锥阀形式单向阀可分为直通式和直角式两种。直通式单向阀进口和出口流道在同一轴线上，如图3-36b所示；直角式单向阀进出口流道则成直角布置，如图3-36c所示。

按阀芯的结构形式，单向阀又可分为板阀、球阀、锥阀三种形式。图3-36a所示为球阀形式单向阀。球阀结构简单，制造方便，但密封性能较差。板阀结构紧凑，动作灵敏，制造要求较高。板阀和球阀一般用于小流量场合，如图3-37所示。流量较大的场合使用的单向阀大多数是锥阀。

b.特性要求

图3-38所示为通径6锥形单向阀的流量与压力损失关系的特性曲线，试验条件：ν=36×10⁶m²/s，t=50℃。

（4）单向阀应用原则

图3-36 球阀和锥阀形式单向阀的典型结构

a）球阀形式单向阀 b）锥阀形式直通单向阀 c）锥阀形式直角单向阀

图3-37 板阀和球阀在油泵中的应用

作为控制单向油流的单向阀，可选用开启压力较低的单向阀。单向阀的在液压机构中的主要用途如下：

安装在液压泵的进、出油口，作为吸油阀和排油阀使用；安装在液压泵的出油口，防止系统压力突然升高而损坏液压泵；防止系统中的油在液压泵停机时倒流回油箱。

与其他阀组合成单向控制阀。

安装时需注意：明确单向阀的流动方向，防止装反。不允许阀芯锥面或球面向上方安装。

2.换向阀

换向阀用来改变油液的流动方向或控制油流通断，如液压缸停止还是运动，合闸还是分闸等。

（1）二位二通换向阀

二位二通换向阀的两个油口之间只有通或断两种状态，如图3-39a所示。非复位式的二位二通换向阀的符号表示如图3-39b所示。自动复位式（如弹簧复位）的二位二通换向阀的符号表示有常闭式（O型）和常开式（H型）两种，如图3-39c所示。在液压机构中，常用自动复位常闭式（O型）二位二通换向阀来作为电磁阀（或称一级阀）。

图3-38 通径6锥形单向阀的流量与 压力损失关系的特性曲线

图3-39 二位二通换向阀的种类及符号表示

（2）换向阀用电磁铁及其术语、符号（摘自JB/T 5244—2001）

a.术语

本书的术语，除另有定义者外，均符合GB/T 2900.18—2008的有关规定。

湿式阀用电磁铁 它是单行程的电磁铁，压力油允许流入电磁铁的导套内。当线圈励磁时，依靠电磁力把衔铁从起始（打开）位置吸合到闭合（吸持）位置。当线圈失电后，依靠阀的复位力把衔铁推至原来的起始位置。

干式阀用电磁铁 它是单行程的电磁铁，压力油不允许流入磁路、线圈等部分。当线圈励磁时，依靠电磁力把衔铁从起始（打开）位置吸合到闭合（吸持）位置。当线圈失电后，依靠阀的复位力把衔铁推至原来的起始位置。

全行程 衔铁在电磁铁导套内移动的最大位移。

行程 衔铁从行程起始位置到闭合位置能保证电磁铁输出力特性的有效位移。

行程的起始位置 能保证电磁铁输出力特性的衔铁开始其行程时所处的位置。

行程的闭合位置 由于电磁力的作用，在衔铁可靠吸合后所处的位置。

吸力 按照行程方向，电磁铁在克服内部摩擦力后输出的有效作用力。

保持力 电磁铁在励磁线圈通电后，衔铁处在吸合位置时输出的有效作用力。

剩磁力 电磁铁在励磁线圈断电后，衔铁处在吸持位置时残留的保持力。

b.符号

本书的符号，除另有定义者外，均符合GB/T 2900.18—2008的有关规定。

U_e——额定工作电压；

U_t——额定绝缘电压；

U_L——励磁线圈端电压；

I_e——额定工作电流；

U——“相”对地电压；

D_b——交变湿热试验；

CTI——相比漏电起痕指数；

R_m——电磁铁励磁线圈在允许最高空气温度下的热态直流电阻值；

I_r——电磁铁的热态工作电流；

p_m——试验油压的最大值。

（3）换向阀用电磁铁的分类、型号及其含义

1）按电源形式分：可分为直流阀用电磁铁；交流阀用电磁铁；交流本整型阀用电磁铁三种。在液压机构中一般只用直流阀用电磁铁。

2）按结构形式分：可分为湿式阀用电磁铁；干式阀用电磁铁两种，在液压机构中两种形式都有应用。

3）励磁线圈电压：直流110V、220V，在液压机构中这两种电压等级都有应用。

（4）换向阀用电磁铁的技术要求

a.正常工作条件

周围空气温度：-25～40℃（低于-5℃要投加热器）；海拔：安装地点海拔≤2000m；

大气条件：最大相对湿度≤90%（平均温度为25℃时）。

b.正常安装条件

安装后，当衔铁向上运动时，电磁铁的吸力应包括衔铁的重量，应避免球面向上方安装。

c.工作制

长期工作制，短时断续周期工作制，在液压机构中使用短时断续周期工作制。如国外某公司使用的电磁阀允许运行的工作制为ED=2%，最长脉冲持续时间为1s。即在50s的时间间隔内，线圈的带电最长脉冲持续时间为1s（2%带电时间）。

d.电磁铁允许电压波动范围

对断路器液压机构的分闸电磁铁为65%～120%、对合闸电磁铁为80%～110%、对分合闸电磁铁都要求30%电压下不能动作。

（5）结构要求

1）电磁铁的最小电气间隙值在110V时为0.5mm，在220V时为1.5mm。

2）电磁铁的最小爬电距离在110V时为1.5mm，在220V时为2.5mm，绝缘材料组别为Ⅲa。

3）电磁铁的装配质量：电磁铁装配后，衔铁应能灵活滑动。

4）电磁铁所有非耐蚀黑色金属制成的零部件，除磁系统的工作极面及摩擦部分外，必须有防锈措施。磁系统的工作极面应洁净，并涂有防锈油脂。塑料件应光洁、无裂纹、引出线无开裂折断现象。

（6）性能要求

a.介电性能(www.xing528.com)

当电磁铁的最小电气间隙小于0.5mm（110V时）或1.5mm（220V时），必须进行冲击耐压试验，其冲击耐压值应分别达到1500V和2500V。若冲击耐压试验不在海拔2000m处进行，则还须乘以海拔修正系数。

电磁铁应能承受2000V 1min的工频耐压试验，而无击穿或闪络现象。

b.剩磁力

电磁铁的剩磁力应不大于额定吸力的18%。

c.温升

当电磁铁在周围空气的年平均温度为20℃的条件下工作时，电磁铁在额定工作电压下，用电阻法测得的其励磁线圈的稳定温升值应不超过表3-4所列温升极限。

表3-4 电磁铁的温升极限

d.吸力

在试验地点的周围空气温度为最高值，励磁线圈电流达到稳定后，在额定行程内，电源电压的65%额定值时，电磁铁的吸力应不小于具体产品标准所规定的吸力。

e.耐湿热性能

电磁铁应具有适应湿热环境的能力，除具体产品标准另有规定外，应按照GB 2423.4中Db交变湿热试验方法进行，试验的严酷等级为最高温度值40℃，试验周期为6d。

在低温高湿阶段最后1～2h测量，此时试验箱（室）中温度为（25±3）℃，相对湿度宜控制在95%～98%的范围内，避免在产品上有凝露出现，影响测试结果。先测量绝缘电阻，其值应不低于1.5MΩ，然后再进行1min工频耐压试验，但试验电压为1600V。

f.耐油性能

湿式电磁铁的导套应能长期可靠的承受不低于10MPa油压，不得有外渗漏、零件损坏等不正常现象。导套承受油压的数值应在具体产品标准中规定。

g.低温储存性能

电磁铁应适应在低温环境条件下的运输和储存，应能经受-25℃的低温储存试验。在试品温度达到稳定后尚需持续进行低温试验，时间为16h。经试验后，塑料油漆件及引出线等不得有凸起、开裂现象。

h.电磁铁的励磁线圈电源引线可采用引出线（接地装置在阀体上）或插头座两种形式引出

线应有足够的机械强度，每根引线能承受电磁铁本身重量的负荷力而不产生有害的损伤。

电磁铁的插头座的连接尺寸应符合图3-40的规定。保护接地片应有明显的接地标志。

图3-40 电磁铁的插脚和接地片

a）插角和接地片位置和标记 b）插脚尺寸 c）接地片尺寸

i.机械寿命

电磁铁的机械寿命应不低于2万次吸合与释放次数。

湿式电磁铁的导套还需经受不低于2万次的油压脉冲试验。脉冲的Pm值应不低于10MPa（所配用阀的进口压力额定值为31.5MPa）或18MPa（所配用阀的进口压力额定值为58MPa）。

3.电磁换向阀

（1）概述

电磁换向阀是用电磁铁推动铁心带动阀杆运动，从而变换流体流动方向的控制阀。

在液压机构中使用的电磁阀为球阀结构（电磁球阀），如图3-41和图3-42所示。

电磁换向阀可作为先导阀用在液压系统中，控制油路的通断和切换，用来操纵其他阀，如溢流阀、液控阀等。在断路器液压操动机构中常用电磁球阀来操纵液控阀组成换向阀。

电磁球阀是近年来新发展的一种电磁换向阀。它以电磁铁的推力为动力，推动钢球来实现油路的通断和切断。

电磁球阀的特点是：密封性好，可实现无泄漏；反应灵敏，响应速度快；使用压力高；对工作介质的适应能力强，抗污染能力强。

电磁球阀的应用与一般电磁换向阀十分类似，在小流量液压系统中可直接控制主油路，在大流量液压系统中则可用作先导控制元件。另外，由于电磁球阀具有很多显著优点，因而在一些特殊应用场合，如无泄漏领域，是一般电磁阀无法替代的。

（2）电磁球阀的典型结构与工作原理

在液压机构中使用的电磁球阀以常闭式二位二通阀和常闭式二位三通阀为最多。图3-41所示为一种常闭式二位二通电磁球阀。它的电磁铁1垂直布置在阀体5上方，平常处于关闭位置，即高压油腔P腔和转换腔A腔隔开不通。当电磁铁1得电时，电磁铁动铁心带动电磁铁推杆滚轮2向下运动，经过杠杆3的力值放大作用推动差动阀芯11向右运动，克服复位弹簧7的推力将钢球9从阀座10的密封面上推开，使高压油腔P腔和转换腔A腔连通，处于开启位置。电磁铁1失电后，在电磁铁1内部复位弹簧的作用下推动电磁铁动铁心带动电磁铁推杆滚轮2向上运动，在液压力作用下推动差动阀芯11向左运动，推动杠杆3复位，复位弹簧7推动托座8带动钢球9向左运动至阀座10的密封面上，回复至关闭位置。

图3-42所示为液压机构中常用的常闭式二位三通电磁球阀，它和常闭式二位二通阀的最大差别是多了一个回油口T，有一个进油口P和一个出油口A。

（3）应用指南

电磁球阀与一般滑阀比较，其密封性能好、可实现无泄漏、工作压力高、工作性能可靠。在液压机构中的主要用途有：作为先导控制元件，控制液控换向阀（也称二级阀）。

4.液控换向阀和电液换向阀

（1）概述

液控换向阀是用控制油路中的压力油推动阀芯变换流体流动方向的控制阀，在液压机构中常用作控制液压缸做合闸运动或分闸运动的二级阀或三级阀。

电液换向阀是电磁换向阀和液控换向阀的组合，它是用电磁换向阀控制液控换向阀的动作，变换流体流动方向的控制阀。在液压机构中电液换向阀最常用，图3-43所示是其中一种。

电液换向阀和液控换向阀主要用在流量超过电磁换向阀正常工作允许范围的液压系统中，对执行元件（如液压缸）的动作进行控制，或对油液的流动方向进行控制，其使用方法与电磁换向阀相同。

图3-41 液压机构中常用的常闭式二位二通电磁球阀

1—电磁铁 2—电磁铁推杆滚轮 3—杠杆 4—杠杆盒 5—阀体 6—导向螺帽 7—弹簧 8—托座 9—钢球 10—阀座 11—阀芯 12—阀套 13—密封圈 14—挡圈 15—支撑圈 16—杠杆销 17—固定套

图3-42 液压机构中常用的常闭式二位三通电磁球阀

1—动铁心螺杆 2—动铁心 3—电磁铁盖 4—线圈 5—磁轭 6—阀杆 7—调整垫圈 8—阀杆复位弹簧 9—钢球 10—托座 11—钢球复位弹簧 12—螺堵 13—螺母 14—弹簧垫圈 15—弹簧垫圈 16—螺钉 17—垫圈 18—弹簧垫圈 19—阀盖 20—阀体

图3-43 液压机构中常用的电液换向阀

1—常闭式二位二通电磁球阀（分闸） 2—常闭式二位二通电磁球阀（合闸） 3—阀体 4—左螺纹盖 5—左阀套 6—阀杆 7—阀芯 8—右阀套 9—右螺纹盖

（2）工作原理与性能要求

a.工作原理

图3-43所示是液压机构中常用的二位三通电液换向阀，它由三个完全相同的弹簧复位二位二通电磁球阀（两个分闸阀、一个合闸阀）和一个二位三通液控换向阀组成。

图示位置P腔常高压腔、A腔与液压缸下侧连通，T腔与回油箱连通。P、A两腔封闭，A、T两腔与回油箱连通，机构处于分闸位置。当电磁阀2（合闸电磁阀）通电时，电磁阀阀芯在电磁力的作用下开启，控制油经电磁阀作用在主阀芯7的右端，主阀芯7左移，液控阀的P、A两腔连通，A、T两腔封闭，机构处于合闸位置。当任一个电磁阀1（分闸电磁阀）通电时，电磁阀阀芯在电磁力的作用下开启，电磁阀释放作用在主阀芯7右端的控制油，主阀芯7右移，液控阀的P、A两腔封闭，A、T两腔连通，机构处于分闸位置。图3-44所示是图3-43电液换向阀的简化图形符号画法。

图3-44 液压机构中常用电液换向阀的简化图形符号

a）合闸位置 b）分闸位置

图3-45 单阻尼调节器的结构图

1—阀体 2—阀芯 3—锁紧螺母 4—螺塞

b.性能要求

对电液换向阀和液控换向阀的性能要求与对电磁换向阀的性能要求基本相同，另外要注意控制压力要大于主阀换向所需的压力，而回油背压决不能超过先导电磁阀所允许的背压值。电液换向阀和液控换向阀还有一个重要参数，即最小控制压力。所谓最小控制压力，是指在公称压力和额定流量下使电液换向阀或液控换向阀能正常换向的最低压力控制值，因而在使用中必须使控制压力大于最小控制压力。

（3）带阻尼调节器的电液换向阀

为了减慢主阀芯的换向速度，减小液压冲击，降低系统的振动和噪声，常采用带阻尼调节器的电液换向阀。阻尼调节器一般做成叠加阀的型式安装在电液换向阀的先导电磁阀和液控主阀之间。

单阻尼调节器是在先导电磁阀P口上串接的一个小型节流阀，图3-45所示是一个单阻尼调节器的结构图。其阀体内有一个可以通过端部螺纹进行调节的阀芯，阀芯的右端深入孔道以改变通流面积，控制进入主阀两端容腔的流量，使阀获得合适的换向速度。

还有一种简单的限制进入先导电磁阀流量，控制主阀换向速度的方法，即在电磁阀的P腔安装插入式阻尼器（见图3-46）。阻尼器的孔径的大小可根据需要进行设计。

电液换向阀都可以用阻尼调节器来调节换向速度，以减少换向冲击。

（4）液控换向阀、各种电液换向阀只要去掉其先导电磁阀，增加与主阀两端容腔相通的两个控制油接口，就变成了液控换向阀。

（5）应用指南、电液换向阀和液控换向阀在液压机构中主要用于流量超过电磁换向阀正常工作范围的液压系统中，其作用与应用与电磁换向阀相同。

图3-46 插入式阻尼器

1—先导式电磁阀 2—主阀 3—插入式阻尼器

电液换向阀和液控换向阀在使用过程中应注意下列问题：

液压机构一般选用内部供油式，内部供油式是由主油路本身供油。

应特别注意阀系统防慢分功能的设计，即主油路本身因为某种原因泄压至零重新启动液压泵时换向阀维持原位的能力。一般可采取下列措施：

①在换向阀的阀芯或阀套上增设钢球斜面装置来达到阀系统防慢分。

②在换向阀的阀芯设计时合理分配各截面，利用差动原理达到阀系统防慢分。

（6）装调需知与常见故障

a.装调需知

①按电磁阀上标明的电源种类和额定电压，连接电源。

②不要使电液换向阀的两个分合电磁阀同时通电，否则将烧坏线圈。

③在液压机构中使用短时断续周期工作制，在与机构自带的辅助开关一起使用时没问题，如调试时不使用辅助开关，测试台的最长脉冲持续时间一定要根据电磁阀的工作制调整好，否则将烧坏线圈。

b.常见故障

①电磁铁线圈烧坏，为电磁铁带电时间过长或电磁铁推力不足造成二次打击。

②电磁阀推杆过短，阀芯换向不到位。弹簧刚度不够强，阀芯行程达不到要求，均造成开口量不足，通过换向阀的流量不足。

③先导阀阀芯卡死；主阀芯卡死；控制油路无油被堵，控制油路压力不足均可能造成主阀芯不换向。