一種電動四通閥的方案設計及實現

韓興連　周光明　張元禾　高明輝　謝艷

摘要：電磁四通閥由于在實際使用中經常發生堵塞故障，運行成本較高。文章提出一種電動四通閥的設計，并闡述了實現該產品的過程，較好地解決了使用電磁閥時出現的故障率高及成本高的弊端。關鍵詞：電磁四通閥；電動閥；自動控制

1.研究背景

近年來，隨著機電一體化的發展，電動閥門這一重要的機械產品迎來了前所未有的市場。巨大的市場需求對于電動閥門的要求也越來越高。

在運作效率及節省能源消耗方面，自動控制閥的運用是不可缺少的一環，傳統產業界常用的手動閥、氣動閥，在安裝成本及效率上均不及電動閥。有媒體稱電動閥產品將成為閥門業界的主流產品。電動閘閥隨著市場科學技術的不斷發展，正向著高技術含量、高參數、耐強腐蝕、高壽命方向發展。

當前的四通閥產品大多采用的是電磁線圈技術控制閥門的開關換向，此類電磁四通閥產品廣泛應用于空調制冷或制熱領域，具有以下優點：外漏杜絕、內漏易控、使用安全、系統簡單、價格低廉、開關信號控制、動作迅速、功率微小、外形輕巧，但其還存在調節精度受限、適用介質受限等缺點。電磁閥對介質潔凈度有較高要求，含顆粒狀的介質不能適用。電磁閥一般流通系數很小，而且工作壓力差很小，主要用在小流量和小壓力方面。

文章提出一種電動四通閥設計方案，通過反饋信號對閥門進行有效的閥位控制，可滿足自動化生產的需要；還可實現減少設備維護量、用于管網閥門微功耗調節控制等。

2.技術特點

該電動四通閥設計可以選擇手動或電動方式實現其開關的控制；當采用電動方式控制時可通過結合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的DI，DO模塊實現自動控制與狀態采集。同時主要是通過改變電動四通閥1，2出口的開關切換實現外部閥的左缸腔和右缸腔的流量控制，從而實現控制外部閥的開關量。與外部設備的連接示意如圖1所示。

設計性能參數：采用全銅陶瓷快開閥芯，耐磨性好，對水質雜質質量要求不高，適用于管網各種水質。最高使用溫度90°C，使用壽命50萬次，閥體采用鋁合金。工作時設備功耗5W，工作電流0.2-0.4A，堵轉電流1A。支持4-60℃寬溫操作。自帶閥門限位開關并可調整。電源有直流24v供電和交流220v供電小兩種可選；可實現閥門的三線換向控制；同時可使電機在堵轉時得到保護，以避免電機堵轉時電流過大燒壞元器件。開到位、關到位信號反饋，便于其得到更好的控制。閥門開關換向控制可通過手動和自動兩種操作方式實現。整個閥體體積小，便于集中安裝。

3.產品實現

該產品的系統架構主要有閥體、電路板兩部分組成。閥體主要包括電機、減速機、傳動機構、限位開關、手動操作插口、4個閥門、電插口針等部分，其主要作用是實現電動四通閥的機械作用與電動四通閥的的手動操作工作模式。

電路板主要由三極管、可控硅、二極管、電阻、電容等電子元器件及PCB板組成。根據閥體內部剩余空間及控制線走線方便美觀等因素綜合考慮將電路板安裝于閥體的手動操作插口旁的閥體左側的內壁，并合理設計電路板的尺寸；同時為了符合工業用電的規定及標準，設計了直流DC24v和交流AC220v兩種供電方式的電路板；電路板的主要作用為：①電動四通閥在電動工作模式下實現閥門的換向控制即開啟、關閉控制，其實現方式主要是提供3個端子即開向控制端、關向控制端、公共端。②在電機堵轉時，電路板為其提供保護的功能，其實現方式為通過導通可控硅從而使三極管工作在截止狀態以達到切斷供電源為電機供電。

手動工作模式：將手動操作插口G按下，使齒輪E，F分離并旋轉使c跟隨F動作，同時4個閥門Vl，V2，V3，V4隨之動作。

電動工作模式：當將手動操作插口G松開后，齒輪F使復位軸套與彈簧H發揮作用，恢復原位使E，F接觸，此時可通過電動方式控制閥門Vl，V2，V3，V4動作。若當電機通電動作時，則F隨E動作，Vl，V2，V3，V4隨之F動作。同時由于Vl，V2，V3，V4傳動傳遞性決定了V1，V3與V2，V4反向動作，即當Vl與V3開閥，V2與V4關閥；Vl與V3關閥，V2與V4開閥；從而控制出1：31，2以達到實現流體控制的目的。

自動工作模式：主要是通過PLC實現對電動四通閥的開關控制并采集電動四通閥的開到位，關到位反饋信號；同時也可結合反饋信號實現對閥門的精確控制。主要實現方式通過DI模塊，DO模塊，繼電器并結合程序實現閥門的開關換向控制。

該產品的“四閥”主要由V1，V2，V3，v4等4個閥門互相兩兩嚙合組合而成，主要是通過閥門的開關實現本產品的出口1，2的通斷；從而實現對外部設備的流體控制。其具體工作流程為：①當閥門V1，V3都處于開啟狀態時，則V2，V4處于關閉狀態，此時流體從“進”口進入后通過閥門Vl并經過出口1流入外部設備的左腔從而改變外部設備左腔的流量進而推動外部設備的活塞后，使得外部設備的右腔的流量改變同時腔內的流體從出口2并經過閥門V3最后從“出”口流出，其流體流向如圖2所示的實線箭頭部分。②當閥門V2，V4都處于開啟狀態時，則V1，V3處于關閉狀態，此時流體從“進”口進入后通過閥門V2并經過出1212流入外部設備的右腔從而改變外部設備右腔的流量進而推動外部設備的活塞后，使得外部設備的左腔的流量改變同時腔內的流體從出口1并經過閥門V4最后從“出”口流出，其流體流向為圖2的虛線箭頭部分。通過以上①②兩個流程，可實現閥門V5的開關控制。