第五章 方向控制阀.doc

第五章 方 向 控 制 阀方向控制阀（方向阀）是控制液压系统中的液流方向的阀，用来对系统中各个支路的液流进行通、断的切换，以适应工作的要求。一个液压系统所应用的各个控制阀中，方向阀占的数量相当多。5-1 方向阀的功能及分类常规方向阀的基本作用是对液流进行通、断（开、关）切换。因此，工作原理比较简单，它的结构也并不复杂。但是，为了满足不同液压系统对液流方向的控制要求，方向阀的品种规格名目繁多。一、分类方向阀按其功能，大致可分成以下几种类型：方向控制阀单向阀换向阀多路阀逻辑阀单向阀液控单向阀手动换向阀液动换向阀机动换向阀电磁换向阀电液换向阀并联多路阀串联多路阀顺序多路阀有时把压力表开关也归到方向控制阀中。除了上述一般的方向控制阀外，还有可以进行阀芯位置连续控制的电液比例方向阀。从阀芯的结构特征来区分，又有锥阀式、球阀式、滑阀式和转阀式等。（一）单向阀单向阀类似于电路中的二极管。在液压系统中单向阀只允许液流沿一个方向通过，反方向流动则被截止。它是一种结构最简单的控制阀。图5-1（图5-1省略p89）分别是钢球式直通单向阀和锥阀式直通单向阀。液流从流入时，克服弹簧力而将阀芯顶开，再从流出。当液流反向流入时，由于阀芯被压紧在阀座密封面上，所以流动被截止。钢球式单向阀的结构简单，但密封性不如锥阀式，并且由于钢球没有导向部分，所以工作时容易产生振动，一般用在流量较小的场合。锥阀式应用最多，虽然加工要求较钢球式高一些，但是它的导向性好，密封可靠。图5-1所示单向阀是管式结构，尺寸小巧紧凑，可以直接安装在管路中。此外还有板式结构的单向阀（图5-2）（图5-2省略p90），它的装拆维修比较方便，不过需要另行设置安装底板。此外，由于板式单向阀内的流道有转弯，所以流动阻力损失较管式结构大。单向阀中的弹簧主要是用来克服摩擦力、阀芯的重力和惯性力，使阀芯在液流反方向流动时能迅速关闭。但弹簧过硬会影响阀的开启压力并造成过大的流动损失。一般单向阀的开启压力大约0.030.05MPa，并可根据需要更换弹簧。例如，单向阀作为背压阀使用时，需要具有与系统工作相适应的开启压力，因此采用较硬的弹簧。单独应用的单向阀，其符号见图5-3a（图5-3省略p90）。设置在阀块中或与其它元件组合应用的单向阀，其符号见图5-3b。对单向阀的基本要求是：正向流动阻力损失小，反向时密封性好，动作灵敏。液控单向阀是可以根据需要来实现逆向流动的单向阀。图5-4（图5-4省略p91）是具有卸载阀的外泄式液控单向阀。它除了进油口和出油口外，还有一个控制油口。在通常情况下，它的作用与一般单向阀相同，只允许液流从流向，反向时截止。当需要允许反向流动时，接通控制压力，控制活塞上移而顶开单向阀阀芯，使液流可以反向流动。采用具有卸载小阀芯的复式单向阀芯结构时，控制活塞只要用不大的力顶开小阀芯，使单向阀上部卸压，然后再顶开单向阀芯。由于控制活塞与卸载阀芯的面积比通常大于1030，因此显著降低了所需要的控制压力。对于流量较小、压力不高的液控单向阀，为了简化结构，可以不采用复式阀芯而由控制活塞直接推动单向阀芯。单向阀的用途很广。例如，在泵的出口处安装单向阀以防止油液倒流；在回油管上安装单向阀作为背压阀，或防止系统不工作时油液泄出而造成空气进入系统；与各种阀组成单向节流阀、单向减压阀、单向调速阀、单向顺序阀等复合式阀；与节流器并联后组成单向节流缓冲器件；由于单向阀具有优良的密封性，所以液控单向阀还广泛用作为液压缸的保压阀或闭锁阀。（二）换向阀换向阀是借助于改变阀芯的位置，来实现与阀体相连的几个油路之间的接通或断开。根据阀芯可能实现的工作位置数目，换向阀可分为二位、三位等形式。根据阀芯所控制的油路通道数目，换向阀可分为二通、三通、四通、五通等形式。换向阀的阀芯结构，最常见的是滑阀式，少数采用转阀。采用锥阀的组合式换向阀，一般归入逻辑阀的范畴。通常，换向阀还常以操纵方式来命名。只要能够可靠而简单地实现阀芯工作位置的更换，原则上任何适当的操纵方式都可以采用。例如，采用手柄操纵（手动）；滚轮推杆、拨叉等机械操纵（机动）；气缸控制（气动）；液压油直接推动（液动）；电磁铁控制（电磁）；分别采用电磁铁和液压油控制先导阀和主阀（电液动）等。以下介绍几种最为常见的换向阀型式。1.手动换向阀 图5-5（图5-5省略p92）是手动三位四通换向滑阀，阀芯的位置由手柄2来直接操纵。阀体上有四个通道：压力油；回油；、分别连到被控回路的进、出油口。图示位置时阀芯处于中位，、，、互相隔断。推动手柄可将阀芯移到左、右两个位置。阀芯移到左端时，与通，与通；移到右端时，与通，与通。滑阀的定位方式可以用图示的钢球定位机构来实现，也可以不用定位机构而由手来操纵确定，一旦手放开，由复位弹簧使阀芯回到中位。图5-6（图5-6省略p92）是手动二位四通转阀。手柄转动后，可以实现通路、与、的切换。转阀的优点是外形尺寸小，但在设计时应充分考虑使阀芯所受径向液压力平衡，否则会由于径向作用力而造成摩擦力过大，操纵阀芯困难。这种转阀一般只用在中、低压或小流量的场合。2.电磁换向阀 电磁换向阀是利用电磁铁通电吸合时产生的推力来操纵滑阀。由于它可以借助于按钮开关、行程开关、即位开关等发出的信号来进行控制，所以使用方便，应用广泛。换向阀所用的电磁铁有交流及直流两种型式。还有一种本整型，采用交流电源进行本机整流后，由直流进行控制，电磁铁仍为一般的直流型，并无其它特殊之处。按照电磁铁内部是否有油浸入，又分为干式和湿式两种。干式电磁铁与阀体之间有密封隔开，电磁铁内部没有油。湿式则相反。这几种阀用电磁铁的特点已在第二章中介绍过，此处不再重复。图5-7（图5-7省略p93）是二位四通干式电磁换向阀。在该图上，左面画的是交流电磁铁，右面画的是直流电磁铁。电枢线圈通电后，衔铁被吸引，通过推杆而推动阀芯换向。两端的弹簧用来固定衬套3的位置。从图可见，由于电磁铁与阀体、推杆间有型密封圈，所以没有油进入电磁铁内部。当电磁铁失控或需要检验阀的功能时，可以通过手动按钮从外部用手来改变阀芯的位置。图5-8（图5-8省略p93）是三位四通湿式电磁换向阀。图中左面画的是交流电磁铁，右面画的是直流电磁铁。与图5-7的区别在于：回油腔的油可以进入电磁铁内部。此外，左右两个电磁铁都不通电时，阀芯在复位弹簧3的作用下，处于中位。因此，换向阀具有三个位置。电磁换向阀除了上述双电磁铁控制的三位四通型式外，还常用弹簧复位的单电磁铁式二位二通、二位三通或二位四通阀。上述几种电磁换向阀的有关符号见图5-9（图5-9省略p94）。双电磁铁二位换向阀虽然比弹簧复位的单电磁铁二位换向阀多用一个电磁铁，但是由于没有复位弹簧的阻力，所以电磁铁的推力可以充分利用。由于电磁铁的推力所限，一般电磁换向阀只用在流量不太大的场合（不超过通径10）。中低压时可配用通径15的换向阀，流量在63L/min以下。流量更大时，采用电磁换向阀与液动换向阀组合的电液换向阀。前者作为先导级，后者作为主级。3.电液换向阀电液换向阀是以电磁换向阀作为先导级阀，用它输出的压力油来控制主级换向滑阀。由于先导级输出的压力油足以控制一个大尺寸的换向滑阀，因此就可以实现对不同流量范围的液流进行方向控制。此外，电液换向阀的主级阀的换向速度较易控制，这也是电液换向阀的一个优点。图5-10是弹簧对中式的三位四通电液换向阀。当先导电磁阀1的一个电磁铁通电时，其输出控制油口、分别与导阀的压力油及回油接通，主阀芯由于两端的压差而移向左端或右端，实现主油路、的通断。如果两个电磁铁都断电，由于先导阀具有Y型中位机能，使先导阀的、口以及主阀芯两端容腔都与回油相通，主阀芯3在对中弹簧2的弹簧力推动下，处于中间位置。这时主阀的、油口的状况，取决于主阀芯的中位机能（详见本节的滑阀机能部分）。上述弹簧对中式电液换向阀的详细符号和简化符号，均见图5-10（图5-10省略p94）。有时为了控制液流的换向速度，避免产生液压冲击现象，就要求主阀芯的换向时间可调节。为此，在电液换向阀或液动换向阀的两端附设单向节流阀作为阻尼器，通过调节节流阀的开度来改变阻尼的大小，以控制主阀芯的换向时间。图5-11（图5-11省略p95）是一个简单的结构示例，并表示了它在换向阀中的安放位置。（三）多路阀多路阀是一种集中布置的组合式手动换向阀。多路阀的主体是几个手动换向阀。根据不同的工作要求，还可以将安全（溢流）阀、单向阀、补油阀等也组合在阀块内。多路阀主要用在各种工程机械、起重运输机械等行走机械上，进行多个工作机构的集中控制。它具有便于操作、结构紧凑、通用性好、流道阻力损失小等特点。按照多路阀所构成的液压系统性质，有并联、串联、顺序三种形式。图5-12（图5-12省略p95）上分别表示了这三种多路换向阀的组合形式。在此图上只画了三个手动换向阀，根据需要还可以将更多的手动换向阀组合在一起。并联式多路阀的主泵同时向多路阀控制的各个执行器件（液压缸、液压马达）供油，各换向阀进口压力等于主泵的供油压力。几个阀同时操纵来完成复合动作时，负载小的执行器件先动作，并且，复合操纵时各执行机构的流量之和等于泵的总流量。所以复合操纵时的动作速度比单独动作时的速度低。串联式多路阀的主泵依次向多路阀组控制的各个执行器件供油。只要压力足够，就可以实现多个动作的复合操纵，每个执行器件只占用主泵的部分供油压力，因此这种形式适用于高压系统。顺序式多路阀的主泵按顺序单独向每一个执行器件供油，因此只能按多路阀中的换向阀排列次序单个动作。操纵前一个阀时，后面的阀被切断油路，从而可以避免各执行器件的动作干扰，具有互锁功能，防止误操作。图5-13（图5-13省略p96）所示是一种并联式油路的多路阀结构图和符号图。它由两个三位六通手动换向阀和一个单向阀、一个溢流阀所组成，阀芯为弹簧自动复位式。（四）逻辑阀逻辑阀是一种组合式阀。它以若干个插装式二通锥阀为基本元件来进行组合，并配用适当的电磁先导阀来控制这些锥阀的启、闭，以达到控制液流的目的。逻辑阀最初作为方向阀，随后又发展为可以对液流的压力、流量进行控制。由于它的原理是基于对一组开关式锥阀的“通、断”状态为出发点，用逻辑判断来确定这一阀组的工作情况，因此称为逻辑阀，有时也称为插装式阀。图5-14（图5-14省略p97）所示是二通锥阀式方向控制逻辑阀的基本元件。它的主要部分是锥阀芯、阀套和弹簧，这几个零件组成一体，插装在阀体的孔内，安装和拆卸都很方便。、是主油路的两个接口，是控制油口。根据这几个油口的压力和作用面积、的大小，以及弹簧力和阀口液动力的数值，锥阀芯具有关闭和开启两个位置，使主油路与接通或隔断。显然，在有足够控制压力时，锥阀关闭；控制压力释压时，锥阀开启。由此可见，逻辑阀的基本元件实际上是一个二位二通液控单向阀。将几个这种基本元件进行组合，并配用电磁阀来控制其油口，就可以组成特殊的电液换向阀逻辑阀。在图5-15a（图5-15省略p98）上，用两个基本逻辑元件和一个二位四通电磁阀所构成的逻辑阀，可以具有相当于二位三通电液换向阀的功能：电磁铁断电时，1关闭，2开启，油路通回油；电磁铁通电时，1开启，2关闭，油路通压力油。如果这两个基本逻辑元件配用一个图示的三位四通电磁阀（图5-15b），则具有三位三通电液换向阀的功能。每一个基本逻辑元件具有通断两种状态。因此，如果采用个逻辑元件，理论上就可以实现个工作状态。由于实际结构的限止，某些工作状态可能重复或没有意义，假设这些工作状态为个，则实际能达到的换向位数为例如图5-16（图5-16省略p98）所示的逻辑换向阀采用四个逻辑元件。理论上能实现16个换向位置。但是以下几个电磁铁通电时：1、2、4；1、2、3；4、2、3；4、1、3；1、2、3、4都是使、互通的同一工作状态。因此重复位数，可实现的换向位数为如果采用一般的电磁（电液）换向阀来实现上述12个位置的换向控制，那将是相当复杂的。从以上的叙述中可以看出逻辑阀的特点：主油路由于采用插装锥阀，因此阻力损失小，通流能力大，密封性好，动作响应快，结构简单，便于集成化，维修方便，并且有利于组织批量生产。此外，因为控制用的电磁阀可以采用小通径的规格，所以整体结构紧凑，体积小，重量轻。用于大流量液压系统时，这一特点的优越性更为明显。由于组成逻辑阀时需要应用一定数量的先导控制阀（主要是电磁换向阀），因此，小流量系统直接用常规的电磁阀或电液阀更为简便，一般没有必要采用逻辑阀。逻辑阀除了能组成方向控制阀外，还可以组成压力控制阀或流量控制阀。不过，这时的基本逻辑元件结构与图5-14稍有区别。图5-17a（图5-17省略p99）是压力控制的基本逻辑元件。在锥阀芯上有一个固定节流孔，它可以与控制口的先导阀组成液压半桥来对锥阀进行压力控制。图5-17b是用于流量控制的基本逻辑元件。锥阀的升起高度可以用调节螺杆来控制，从而达到调节阀口开度，控制流量的目的（图5-17中省略未画出插装阀的阀座套）。图5-18a（图5-18省略p99）所示是采用压力控制的逻辑元件所组成的电磁溢流阀。电磁铁断电时，逻辑元件与远程调压阀组成溢流阀。电磁铁通电时，逻辑元件的控制口接通回油，逻辑阀全开而使油路卸荷。图5-18b是流量控制的逻辑阀示例。它相当于一个并联的可调单向节流阀：液流由进入时，逻辑元件2关闭，液体只能经过流量逻辑元件1节流后，从流出；当液流从进入时，逻辑元件2开启，因此可以不经过节流器件1而直接通到。二、滑阀的换向机能滑阀的机能是指没有对阀芯进行操纵的原始位置时，它的各个油口的连通关系。二位二通滑阀只对所连通的两个油口进行通、断（开、关）控制，最为简单。以电磁阀为例，按照在断电时两个油口的连接关系，分为常开式（图5-19a）（图5-19省略p100）和常闭式（图5-19b）。比较复杂的是三位四通滑阀。在它的三个工作位置中，左、右两端工作位置的油路连通情况对于各种不同形式的滑阀是基本相同的，而中间位置的油路连通形式很多（见表5-1）（表5-1省略p100）。中位的滑阀机能是换向滑阀的特征。例如，图5-20（图5-20省略p100）上表示了两种不同机能的三位四通滑阀。图5-20a是O型滑阀机能，四个通油口都被隔断。图5-20b是H型滑阀机能，四个油口都互通。在图的上半部表示中位时的阀芯位置，下半部表示阀芯移到右端时的情况。中位的滑阀换向机能有O、H、X、P、Y、C、J、K、d、N、U、M等多种不同型式。表5-1对这些不同换向机能的滑阀特点作了简单的说明。通常，同一规格的阀体尺寸相同，配用不同凸肩尺寸的阀芯后就可以形成不同的滑阀机能。有时由于特殊的使用要求，将左、右两端的滑阀工作位置也设计成具有不同的机能。这时要用第二个字母代表右位，第三个字母代表左位。图5-21a（图5-21省略p102）为OP型滑阀，图5-21b为MP型滑阀。一般的换向阀，换向过程中各个油路同时以一种状态切换到另一种状态。同一种中位机能的换向滑阀，将阀芯的凸肩尺寸适当改变后，可以使某个通路提前开启或关闭，从而达到不同的换向效果。这时，就需要用从一个位置转换到另一个位置间的过渡状态换向机能来进一步说明换向过程的特点。例如，图5-22（图5-22省略p102）上用虚线间隔位置表示了O型三位四通换向滑阀的两种不同过渡机能。从中位换向到左位时，图5-22a是先接通和，然后再接通和。图5-22b是先接通和，再接通和。从中位换向到右位时，也有类似的不同过渡机能。通常只有液动（或电液动）换向阀才设计成不同的过渡机能，而电磁换向阀由于总行程较短，因而不易再将阀芯设计成具有提前启闭的功能。所以，电磁换向阀一般都是标准的换向机能而不设置特殊的过渡机能。5-2 方向阀的换向性能单向阀的启闭过程比较简单。因此，主要针对滑阀式换向阀来进行讨论。一、换向能力手动或机动换向滑阀的推力，一般总能适应换向过程的要求，不致产生推力不足而无法换向的情况。电磁阀或液动阀则不同，它们的换向推力是一个限定的数值。（一）液动阀液动阀或电磁换向阀中的主滑阀的换向能力，等于滑阀某一端部的控制面积与控制油压的乘积。为了保证可靠换向，控制油压不能低于某一最小值。但是，控制油压太高也会使换向过于迅速而产生冲击。通常=（0.51.5）Mpa。控制油可以单独从外部引入，也可以直接从主油路分出一路控制油到先导级电磁阀。采用内部控制油分路时，虽然可以节省单独的控制油供油装置，但伴有压力油的损耗，并且控制油压将随主油路而变动。当采用具有内控中位卸荷机能的换向阀时，应该设置背压阀以保证其最低控制压力。（二）电磁阀电磁阀的力特性取决于所采用的换向电磁铁的型式。由于螺管式电磁铁的工作特点，其电磁吸力（对于滑阀则是推力）随气隙的减小而迅速增大。交流电磁铁的特性比直流电磁铁的特性更陡。工作行程越大，起始吸力就越小。为了不致使电磁铁的吸力明显降低，工作行程不能太大，一般为36mm。二、换向阻力（一）液动力稳态液动力是换向阻力中的一个重要组成部分。由于换向过程中滑阀的各个阀口在交替变换，所以应该对阀在不同工作位置时的液动力进行仔细分析。尤其要注意判别液动力的作用方向。例如，三凸肩结构的三位四通阀，在图5-23b所示开口位置时，两个工作阀口的液动力都是使阀口趋于关闭。而图5-23a所示二凸肩结构中，阀口B的液动力使阀口趋于开启，它的作用方向与A口的液动力方向相反。如果上述换向阀采用电磁铁控制，则图5-23b中的液动力有助于使阀芯恢复中位，但是它成为换向到左、右位时的阻力。图5-23a中的液动力一部分（或大部分）可以适当抵消，所以电磁铁的换向阻力比较小。此外，不同换向机能的滑阀，其液动力也有差异。例如图5-24所示的P型换向滑阀，在中位时的液动力可以互相抵消，左边的电磁铁通电时，阀芯向右移，在过渡位置时先将B关闭，然后再与O接通。若尺寸设计得恰当，两个阀口的液动力仍可抵消，而不致出现两个阀口的液动力数值迭加的情况。滑阀液动力的计算式（见第二章）为 在换向过程中，阀的开口量、流量、阀口压降以及液流角都发生变化。阀的开口量不大时，随着开度的增加，流量迅速增大，这时压降几乎等于该阀所接通的两个油口的全部压差。因此，液动力也迅速增加。阀口继续增大时，流速下降，阀口损失减小，液动力也随之降低，直至阀口全开时只剩不大的液动力。变化规律大致如图5-25所示。（二）弹簧力除了采取液压对中的结构外，一般换向阀的弹簧都起恢复中位的作用（在二位换向阀中是恢复原始位置），因此是复位弹簧。从复位要求来说，希望弹簧力大；但是对于换向来说，弹簧力是阻力，所以要求弹力小。设计时应该在保证能可靠复位的前提下，减小弹簧力以免增加换向阻力。（三）卡紧力在第二章中已经讨论过，滑阀径向液压力分布不均匀会形成液压卡紧力。可以减小甚至基本消除液压卡紧力的简单而有效的措施是在滑阀表面开若干条均压槽（通常不少于3条）。此外，在可能条件下应该减小滑阀与阀体之间的配合长度（包括油封长度）。这不但有利于减小不平衡的径向力，并且对减小运动时的摩擦阻力也有帮助。还应该注意到：卡紧力随滑阀的停留时间而逐渐增大，直至约35min后趋于稳定值。（四）摩擦力滑阀换向时的摩擦力包括径向作用力产生的摩擦力、运动时的粘性摩擦力以及干式电磁阀中推杆上的O形密封圈的摩擦力。前两者已经在第二章中叙述过。液压卡紧力产生的摩擦力可以按摩擦力系数=0.040.08来计算，因为滑阀表面的润滑条件比较好。阀杆上的O形密封圈摩擦力可以大致按以下公式计算： （5-1）式中 O形密封圈预压缩量产生的单位摩擦力，；推杆直径；O形密封圈摩擦系数，=0.10.2；O形密封圈的断面直径；O形密封圈前后的压差。设计时，根据对换向滑阀在不同位置上的各种换向阻力的分析结果，来设计复位弹簧，选用电磁铁（对于电磁阀）或确定最小控制油压（对于液动阀）。实际控制推力的数值应该比运动阻力高出一定数值，以便能在规定的时间内完成换向动作。换向过程的各种作用力变化规律，大致如图5-26所示。由于电磁铁以及各种阻力的特性都具有明显的非线性特征，并且这些力的数值也不易准确算出，所以，难以用经典的计算方法来得到包括电磁铁在内的换向过程瞬态特性。不过，由于换向阀的结构相当简单，进行实测试验并不困难，如果推力不够，也无非适当增大控制力，因此，一般不进行复杂的动态计算。三、换向阀的瞬态特性和换向时间换向动作灵敏、迅速，是对电磁换向阀或电液换向阀的一个基本要求。如图5-27是实测的电磁换向阀换向过程的示波图。图5-27a是采用位移传感器直接测量电磁铁-阀芯组件的位移变化情况。电磁铁的动作比电气控制信号迟后一个时间，整个换向过程时间为。图5-27b是采用压力传感器纪录油口P和A的压力变化情况所得到的。由于有容腔的液容影响，因此建立压力信号的时间比图5-27a的阀芯位移时间稍长。准确的说，换向时间应该是图5-27a所表示的从发出换向信号到换向动作结束所需要的时间。为了便于测试（尤其对于电磁换向阀），也常以压力信号来测定换向时间。但是，为了获得比较准确的结果，这时应该尽可能减少管道容腔带来的迟后影响。电液换向阀的换向时间比电磁阀的换向时间长，直流电磁铁的换向时间比交流电磁铁长。目前，交流电磁铁的换向时间约0.010.03（动作较慢的一般也不超过0.08s），直流电磁阀的换向时间约为0.020.07s（动作慢的约0.10.2s）。通电换向时间与断电换向时间大致相当。电液换向阀的液动主阀换向时间与控制油压的高低、缓冲单向节流阀的调节位置等因素有关。四、其它性能（一）换向冲击换向动作迅速与换向平稳性是相互矛盾的。如果换向时间短，油路的切换就迅速。但是往往会造成油路的压力冲击。因此，在要求具有较好换向平稳性的场合，就要采取其他措施。例如：对于电液换向阀，最简便的方法是在主滑阀两端控制面积的油路上设置具有可调节的单向节流阀（见图5-11），借此使主滑阀的端部回油路上建立适当的节流背压，以便延长换向时间，减小冲击；选择适当机能的换向阀，或使过渡位置时的换向机能作某种特殊的考虑，使通往液压缸的两条油路先互通或逐步先接通一条油路，最后才完成两条油路的切断、接通或交换；此外，在阀芯的凸肩部分设置制动锥（图5-28），也是一种常见的缓冲措施；更为有效的办法是采用电液比例阀，用调节控制电流信号的数值，使换向时的流量减小或压力降低，以达到平稳的换向。采用电液比例阀还可以任意设定控制电流，使制动、启动过程符合特定的规律。（二）换向频率的限制电磁阀或电液阀的换向频率主要受电磁铁特性的限制。交流电磁铁的启动电流比正常吸持电流高出三倍以上，经常起动会加剧线圈的发热。因此，一般交流电磁铁的允许工作频率在60以下（性能好的可至120），以免线圈过热而烧坏。湿式电磁铁的散热条件好，所以允许工作频率可以比干式高一些。直流电磁铁由于不受起动电流的限止，因此允许工作频率可达250300。当然，换向频率不可能超过阀的换向时间所允许的极限，否则将无法实现完整的换向过程。（三）使用寿命长时间使用后，滑阀本身的磨损虽然会增大一些泄露量，但实践证明，其影响不大。换向滑阀的使用寿命主要取决于电磁铁的工作寿命。其中，绝缘的老化是主要因素。交流电磁铁的工作寿命在一、二百万次左右。优良的交流电磁铁可达一千万次。直流电磁铁的工作寿命比交流电磁铁高，一般在一千万次以上。（四）电磁换向阀的最大过流能力稳态液动力是电磁换向过程中不容忽视的换向阻力，并且，液动力随流量的增加而增大。由于电磁铁的推力所限，所以允许的最大流量就不能超过某一数值，以免影响换向的可靠性。前面已经提及：不同换向机能的阀芯液动力可能不同。因此，允许的最大流量也有差异。例如，图5-29是同一种规格的换向滑阀，但是换向机能不同时的工作性能极限。曲线1所示对应的机能示把四通阀的一个油口封住，作为三通阀使用时的工作极限。这种使用方式时的液动力最大，所以允许的最大流量较低。电液换向阀的先导滑阀机能一般是Y型。若主级滑阀又是采用液压对中方式，则由于对主阀的控制力相当大，因此就不存在上述流量的限止。如果主阀是弹簧对中，则也是有类似于电磁换向阀的最大流量极限。超过上述极限时，就不能保证换向的可靠性。5-3 方向阀的压力损失及内泄漏方向阀的功能是对工作液体的流动方向进行切换。显然，就希望它的压力损失尽可能低、通道之间的泄漏尽可能小。一、压力损失液流经过单向阀时的损失，主要是由于开启阀芯时必须克服弹簧力而在阀口造成的压力差。管式单向阀的长度很短，沿程损失很小。板式单向阀虽然由于流道要拐弯而增加一些损失，但总的来说，还是阀口的损失为主。换向滑阀的流道比单向阀复杂，流道的转弯比较多。因此，它的流动压力损失比单向阀大得多。为了降低这一压力损失，设计时应该遵循以下原则：1通过阀内各处的流速不能太大，一般在35m/s以内。对于低压系统使用的阀，或者对通过换向阀的压力损失有较严格限止的场合，流速应在2m/s左右。2经过换向滑阀整个流道（包括阀口）的流速尽可能变化不大，以减少流道收缩、扩大造成的损失。3避免流道的急剧转弯以及容易产生旋涡区的锐角边。工艺水平允许时，应采用平滑过渡的铸造流道。图5-30上对比了采用钻孔和铸造的两种不同的流道结构。铸造流道可以明显降低压力损失，而采用钻孔流道时，流道转弯处的压力损失相当大。对于电磁换向阀，它的阀口开度取决于电磁铁的行程。由于电磁铁的行程小，所以阀口开度往往只有1.52mm，以致阀口的流速较高，使压力损失增加。换向阀流道的压力损失只能由试验来确定。通常分别用不同油口之间的压力损失曲线来表示（图5-31）。换向滑阀的阻力损失以局部阻力为主，因此，压力损失曲线具有接近二次抛物线的形状： （5-2）其幂指数的值约为=1.72.0。应该注意：不同换向机能的阀芯结构不一样，所以压力损失也有差别。在图5-31上列出的是某种10通径电磁换向阀具有O、K、M、H、P等机能时，P-A、P-B、A-O、B-O通孔之间的压力损失曲线。对于换向阀来说，实际上不存在确切的“额定流量”的概念。因为只要工作压力和流量没有超出最大压力和换向可靠性所规定的极限，允许通过的流量数值可大可小，并没有严格的规定。例如，图5-31所示的阀，如果每个流动方向允许的压力损失不超过0.2Mpa，则只能适用于Q60L/min的场合;若是允许压降为0.6Mpa,阀的通过流量可以增加到100L/min或更多。二、泄漏损失单位阀或逻辑阀的锥型主阀由于密封可靠，因此泄漏可以基本避免。滑阀式换向阀由于存在配合间隙，当各个油口之间压力不等时，就必然存在泄漏。这一内在泄漏量的大小，可以按照流体力学种的环形偏心缝隙来进行估算。滑阀在阀口关闭时的密封长度（正遮盖量）,根据工作压力及阀芯直径来选取,同时还应考虑允许的内泄漏量的大小。电液换向阀的密封长度可以参考表5-2选取。阀芯尺寸大时取大值。此外，滑阀中位是非工作状态，少量泄漏不致造成对正常工作的影响，所以中位的密封长度可以设计得较小。电磁换向滑阀的尺寸较小，并且由于它的行程受电磁铁的限止。因此，即使工作压力较高时，密封长度一般也不超过3mm。表5-2 滑阀的密封长度工作压力/Mpa0.52.52.58.08.016.016.032.032.0密封长度/mm1.52233445675-4 比例方向阀各种比例阀都是连续控制方式的液压阀。从单一地控制液流换向的要求来说，并不存在连续性控制的要求。比例方向阀的“连续控制”，实质上是除了能达到液流换向的作用外，还通过控制换向阀的阀芯位置来调节阀口开度。因此，它是兼有流量控制的方向控制两种功能的复合控制阀。一、例方向阀的特点电液比例方向阀与电液伺服阀类似，可以通过调节输入电流来对阀口开度进行连续控制。但是两者仍有明显的区别，主要是：1. 伺服阀的阀芯在零位时基本是零覆盖，而比例方向阀处于零位时阀口有较大的重叠量（正遮盖量），其目的是为了简化比例方向阀的制造工艺。因此，比例方向阀的价格低，零位的密封性能好，但是由于阀口的重叠量而有较大的零位死区（一般约为额定控制电流的1025%）。2. 伺服阀的额定开口量很小（一般小于0.5mm），而比例方向阀的阀口最大开启量设计得较大，接近一般的换向阀。因此，比例方向阀在通过全流量时的压力损失小，一般均不大于1Mpa，所以有利于降低系统的能耗及稳升。3. 伺服阀采用了零遮盖的阀芯结构，所以中位时各个油口之间都是被隔开的，而比例方向阀可以设计成具有与常规方向阀类似的多种中位机能，以满足不同系统的控制要求。4. 比例方向阀的静态特性，除零位死区外，其他诸如滞环、线性度、重复精度等，都已经可以接近或达到电液伺服阀的水平，但是动态性能较伺服阀低，其幅频宽（-3Db）多数在10Hz附近，性能优良的可达3040Hz。这已经可以在相当多的工业领域中满足控制能的要求。5. 由于比例方向阀的死区特性以及阀口开启量大的特点，因此设计时不能象伺服阀那样，简单地按零位附近线性化处理来进行计算，而应充分考虑非线性因素的影响。二、比例方向阀的类型及结构示例根据比例方向阀的控制性能，可以分为比例节流型和比例流量型两种。前者具有类似于比例节流阀的功能，与输入电信号成比例的输出量是阀口的开度大小，因此，通过阀的流量大小与压差有关，后者具有类似于比例调速阀的功能，与输入电信号成比例的输出量是阀的流量，其大小不受油压力或负载压力变动的影响。比例方向阀可以分为直接控制式和先导控制式两种。与前两章介绍的比例压力阀、比例流量阀类似，直接控制式是由电机械转换器（通常采用比例电磁铁，也有采用步进电机等形式）直接带动一个换向阀。直接控制式比例方向阀多数仅作为节流型使用，最常见的型式是滑阀式结构，并且采用弹簧力的耦合作用而使阀芯的位置与输入电信号成比例，也有采用电反馈的型式（图5-32），将阀芯的位置通过位移传感器馈送到放大器的输入端，以构成反馈控制，克服摩擦力、滞环等外扰而获得良好的输出位移特性。比例方向阀的结构与一般换向阀类似。只是由于要对阀口进行节流控制，所以滑阀的凸肩作成部分开口的某种形状（图5-32中为三角形阀口），而不是全周长阀口。图5-33是一种小通径的电反馈比例方向阀的工作特性曲线。图5-32所示的比例方向阀是三位四通的结构形式，也有二位的结构形式。当流量较大时（阀的通径为10以上），需要采用先导控制方式。先导级与主级之间的耦合方式，主要有位移压力、位移力、位移电信号，以及单位位置直接反馈等形式。比例方向阀的原理比较简单，但是结构形式很多。由于它是从电液伺服阀或常规的方向阀发展而来的，所以某些比例方向阀采取了类似伺服阀的结构，如采用力矩马达作为电机械转换器，喷