雙向液控單向閥在鎖緊回路中的合理應用

□ 徐成東

四川建筑職業技術學院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 液控單向閥概述

方向控制閥用以控制液壓系統中油液流動的方向或液流的通與斷，分為單向閥和換向閥兩類，單向閥又分為普通單向閥和液控單向閥兩種。普通單向閥使油液只能沿一個方向流動，不允許反向倒流，所以又稱逆止閥[1]。

液控單向閥是一種通入控制壓力油后即允許油液雙向流動的單向閥，由單向閥和液控裝置兩部分組成。當控制口未通入壓力油時，液控單向閥作用與普通單向閥相同，正向流通，反向截止。當控制口通入壓力油后，控制活塞將單向閥的錐形閥芯頂離閥座，油液正反向均可流動。

液壓系統中液控單向閥又稱液壓鎖，由于其具有良好的閉鎖能力，無滲漏，可長時間保持液壓缸鎖緊定位，常用在速度換接回路及鎖緊回路中，如汽車起重機的液壓支腿回路[2-3]。

2 工作原理

液控單向閥可分為單向液控單向閥和雙向液控單向閥。當執行元件需要一個方向鎖緊時，采用單向液控單向閥。當執行元件需要雙向鎖緊時，采用雙向液控單向閥。

根據控制活塞處的泄油方式，單向液控單向閥分為內泄式和外泄式兩種結構[4]。圖1為內泄式液控單向閥結構簡圖。當控制油口K未通入壓力油時，A口進入的油液頂開閥芯彈簧，油液可從A1口流出。當A1口進油時，由于彈簧的作用，閥芯緊緊地貼合在閥座上，油液不能流通。此時，單向液控單向閥可作為普通單向閥使用。當控制口K通入壓力油時，控制活塞將閥芯頂離閥座，油液可實現雙向流動。

圖1 內泄式液控單向閥結構簡圖

圖2 為雙向液控單向閥結構簡圖,圖3為雙向液控單向閥圖形符號。由圖2可以看出，雙向液控單向閥由兩個液控單向閥共用一個閥體和控制活塞組成。當壓力油從A口進入時，油壓自動將左邊的閥芯頂開，使油液從A腔流動到A1腔。同時，通過控制活塞將右閥頂開，使B腔與B1腔相通，將原來封閉在B1腔通路上的油液通過B口排出，即當一個油腔正向進油時，另一個油腔就反向出油[5]。

油液反向流動時，A1口在進油壓力很高的情況下，依靠控制活塞推開錐形閥芯時，阻力很大，頂開閥芯比較困難，此種情況下可采用卸荷小閥芯。卸荷小閥芯是安裝在液控單向閥錐形閥芯中的更小的閥芯，又稱為先導閥芯。由于該閥芯面積較小，作用在其上的力并不是很大，因此在B腔壓力不是很大的時候，控制活塞就可以推開卸荷小閥芯。此時，A口和A1口通過卸荷小閥芯的細孔實現互通，A1口輸入的壓力油逐漸卸壓，直至控制活塞將閥芯頂離閥座，實現油液的反向流動。同理，對于B1口在反向進油壓力很高的情況，卸荷小閥芯同樣適用。

圖2 雙向液控單向閥結構簡圖

圖3 雙向液控單向閥圖形符號

3 開鎖條件

采用雙向液控單向閥的鎖緊回路如圖4所示。三位四通換向閥處于左位時，壓力油經左液控單向閥進入液壓缸無桿腔，右液控單向閥在回油路上起負載阻尼作用，因而進油路壓力升高，油液頂開右液控單向閥的控制活塞，閥芯打開，油液從右液控單向閥逆向流過，進入油箱。反之，換向閥處于右位時，壓力油經右液控單向閥進入液壓缸有桿腔，并將左液控單向閥打開，使液壓缸無桿腔回油。

圖4 采用雙向液控單向閥的鎖緊回路

設液壓缸缸筒內徑為D，活塞桿直徑為d，雙向液控單向閥控制活塞直徑為D1,閥芯前孔直徑為d1，液壓缸所受負載為F，液壓缸進油腔壓力為p1,液壓缸回油腔壓力為p2，液壓缸無桿腔有效受力面積為S1，液壓缸有桿腔有效受力面積為S2，顯然，S1=πD2/4，S2=π（D2-d2）/4，則液壓缸的速比i=S1/S2=D2/（D2-d2）。

3.1 有桿腔開鎖條件

根據圖4，換向閥左位工作時，無桿腔為進油腔，有桿腔為回油腔，負載為F，對活塞進行受力分析，不考慮活塞運動時的摩擦阻力及液流的壓力損失等因素，則有：

錐形閥芯彈簧的剛度很小，彈簧彈力可以忽略，同時忽略閥芯所受的摩擦阻力，則此時開鎖條件為：

將式（1）代入式（2），并整理得：

即：

當F=0，即液壓缸空載時，有桿腔的開鎖條件為，即

當F＞0，即液壓缸受壓時，有桿腔開鎖，D1/d1的最小值有所降低。但是當負載F的大小不確定，或者說要保證在任意大小負載的條件下能夠開鎖時，仍然可取

當F＜0，即液壓缸受拉時，有桿腔開鎖，D1/d1的最小值相應增大。

3.2 無桿腔開鎖條件

根據圖4，換向閥右位工作時，有桿腔為進油腔，無桿腔為回油腔，負載為F，對活塞進行受力分析，不考慮活塞運動時的摩擦阻力及液流的壓力損失等因素，則有：

由于錐形閥芯彈簧的剛度很小，彈簧彈力可以忽略，同時忽略閥芯所受的摩擦阻力，開鎖條件與式（2）相同。

將式（5）代入式（2），并整理得：

即：

當F=0，即液壓缸空載時，無桿腔的開鎖條件為，即

當F＞0，即液壓缸受壓時，無桿腔開鎖，D1/d1的最小值有所增大。

當F＜0，即液壓缸受拉時，無桿腔開鎖，D1/d1的最小值相應減小。但是當負載F的大小不確定，或者說要保證在任意大小負載的條件下能夠開鎖時，仍然可取

可見，對于采用雙向液控單向閥的鎖緊回路而言，無論是無桿腔進油還是有桿腔進油，液控單向閥結構尺寸D1、d1，油腔壓力p1，液壓缸結構尺寸D、d，以及負載F之間存在一定的內在聯系，同時，油腔壓力p1受液壓泵額定壓力或系統最大工作壓力的限制，因此，在設計液壓回路或進行液壓元件選型時，一定要考慮上述多個因素之間的關系。此外，還要考慮管道壓力損失、閥壓力損失等因素，否則可能會出現液控單向閥無法開鎖的情況。

4 鎖緊回路換向閥中位機能的選用

對于鎖緊回路中的液控單向閥而言，執行元件工作時需要實現開鎖，保持工作油口的互通，這就要求控制油口保持一定的壓力。需要指出的是，控制壓力油油口不工作時，應使控制油口通回油箱，否則控制活塞難以復位，單向閥反向不能截止液流[6]，當然也就不能實現鎖緊。當換向閥處于H型或Y型中位時，液壓泵輸出的油液和控制口的油液直接流回油箱，油液不能形成壓力。此時，由于彈簧作用，控制活塞復位，液控單向閥處于閉鎖狀態。因為液控單向閥為座閥式結構，密封性能良好，所以液壓缸活塞可以長時間被鎖緊在停止時的位置。但如果換向閥中位機能采用O型、M型等其它型式，在需要鎖緊、換向閥處于中位時，由于控制液控單向閥的控制腔壓力油也被封死，若液控單向閥處于關閉狀態，其控制口在一定時間內仍會維持較高的壓力，使液控單向閥不能迅速鎖緊[7]。可見，在液控單向閥的液壓系統中，三位四通換向閥的中位機能不宜采用O型、M型，因為它們都不能使液控單向閥立即關閉，而應選用H型或Y型[8]。

5 鎖緊回路的改進

當圖4所示的鎖緊回路應用于起升重物等場合時，液壓缸所受負載F來自于工作機構的重力。當重物下放時，液壓缸有桿腔進油，驅使活塞桿帶動工作機構下降，同時液壓缸無桿腔回油。但是，由于工作機構重力的作用，活塞桿可能會加速下滑，導致液壓缸進油腔供油不足，進油腔壓力急劇下降。當進油腔壓力低于回油路液控單向閥的開啟壓力時，液控單向閥迅速關閉，造成無桿腔無法實現排油，液壓缸活塞便停止運動。另一方面，此時液壓泵繼續向液壓缸有桿腔供油，使有桿腔油路壓力繼續升壓，直到油路壓力升至液壓鎖開啟壓力，再次打開無桿腔液控單向閥，使液壓缸活塞運動。這樣一來，液壓缸無桿腔的液控單向閥時開時閉，造成液壓缸活塞桿和工作機構下落時斷時續，必然產生抖動現象，尤其是工作機構重力較大時，必定會產生很大的沖擊壓力，形成振動和噪聲，而且活塞桿的每一次沖擊都會使液壓缸無桿腔至雙向液控單向閥之間產生越來越高的壓力，用來開啟雙向液控單向閥的壓力也就越來越大[9]。

針對以上情況，一般采用平衡閥來達到負重勻速下降的要求。此外，在一些對負重下降勻速要求不嚴格的場合，可采用液控單向閥串聯單向節流閥來代替平衡閥[10]，改進后采用雙向液控單向閥的鎖緊回路如圖5所示。

圖5 改進后采用雙向液控單向閥的鎖緊回路

6 結束語

雙向液控單向閥在鎖緊回路中有著重要的應用價值。在進行鎖緊回路設計和液控單向閥選型，以及相關技術研究時，首先要考慮液控單向閥的結構原理及工作機構的工作狀況；然后要綜合考慮液壓泵額定壓力、液壓缸結構尺寸，以及所受的負載大小；再次要注意鎖緊回路中換向閥中位機能的選用；最后對于鎖緊回路中存在的振動等問題，可采用平衡閥或單向節流閥等來解決。

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[4]孫偉，孫志朋.液壓系統中液控單向閥的合理使用[J].機床與液壓，2011，39（12）：127-129.

[5]汪哲能.液壓與氣動技術[M].2版.北京：中國傳媒大學出版社，2015：80.

[6]王強.工程機械液壓傳動[M].北京：國防工業出版社,2013：70.

[7]宋亞林.液壓鎖緊回路設計應注意的幾個問題[J].鄂州大學學報，2012,19（2）:42-44.

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[9]宋亞林.使用雙向液壓鎖后液壓缸平穩性的改善方法[J].機床與液壓，2011，39（4）:131-132.

[10]孫立峰,呂楓.工程機械液壓系統分析及故障診斷與排除[M].北京：機械工業出版社,2014：141.