整体式多路换向阀阀芯结构研究

摘要：现代大型工程机械无论是民用还是军用中的液压系统中都采用有多路换向阀。换向阀性能的好坏直接影响到液压系统的稳定性。阀芯上阀肩与阀体之间的配合，阀芯上节流槽、均压槽的设计等直接影响整个阀的使用性能和阀的使用寿命。本文所研究的对象为矿用装岩机机械液压系统整体式多路换向阀中回转联滑阀阀芯的结构。剖解整体式多路换向阀阀芯的结构，采取对阀芯节流口的面积进行数学分析、减小阀芯所受的径向力的方法对阀芯结构、节流槽、均压槽进行研究。主要研究阀杆上的节流槽、均压槽等阀杆的微小结构对阀使用性能的影响。对阀杆的设计具有重要的参考价值。

关键字：阀芯；节流槽；均压槽；换向阀；微小结构；

0  引言

大型工程机械无论是民用还是军用中的液压系统中都采用有多路换向阀。换向阀性能的好坏直接影响到液压系统的稳定性。阀芯上阀肩与阀体之间的配合，阀芯上节流槽、均压槽的设计等直接影响整个阀的使用性能和阀的使用寿命。

矿用装岩机中液压换向阀系统由于其结构简单、布局灵活、元件之间自润滑性较好，便于和其他的传动方式联合使用，在矿用装岩机上广泛的使用，一般阀芯液压系统都为封闭式管路系统，具有故障隐蔽、处理困难的缺点，且机械换向阀阀芯在经过加工的过程中，因加工误差带有朝向高压腔的倒锥，或在阀芯的动作期间局部凸起或残留毛刺致使换向阀阀芯出现液压卡紧现象；至于手动换向阀，由于其结构上阀芯、阀孔都比较长，存在有直线度误差，且残余应力存在，时长会使换向阀阀芯在使用中产生弯曲，产生机械式卡紧。

本文以矿用装岩机机械液压系统整体式多路换向阀中回转联滑阀阀芯的结构为研究对象，剖解整体式多路换向阀阀芯的结构，采取对阀芯节流口的面积进行数学分析、减小阀芯所受的径向力的方法对阀芯结构、节流槽、均压槽进行专项研究来解决以上现象。此联换向阀的使用要求为压力35Mpa，公称流量为400L/min，具有流量微动特性和启动平稳性等要求。

1  阀芯结构

换向阀是利用阀芯与阀体间相对位置的不同，来变换阀体上各主油口的通断关系，实现各油路连通、切断或改变液流方向的阀。换向性能的好坏，直接影响液压系统工作性能。对换向阀性能的主要要求有：液流通过换向阀时压力损失要小；液流在各关闭油口之间的缝隙泄漏量小，换向可靠，动作灵敏；换向平稳无冲击等。

图1 高压大流量换向阀阀芯结构图

Fig.1 The structure of the valve core of high pressure and large flow reversing valve

该图1阀芯有七节凸肩组成，在阀芯的每个阀瓣上有螺旋形或环形的均压槽，其进出口处的节流槽的形状有三角形和U形。在阀的左右两端有两个凸台，一个是六方形的，一个是圆柱形的，该凸台是考虑到安装和更换阀芯时的方便而设计的。并且在主阀芯的左右两侧均设计了阀芯位移限制机构，保证阀芯的最大位移不超过该阀的设定值。

2  节流槽

在一个液压回路中，应用到的控制阀，其阀口的开口形式有两种：一是全周开口，一是非全周开口。本文研究的多路阀阀口开口形式为非全周。其作用是来获得不同的流量控制特性。随着控制阀阀口开度的不断变化，其节流面的位置、形状、射流角均发生改变。而阀芯凸肩上的节流槽形式类型比较多，传统的分为基本型和组合型。基本型包括了U形、V形等，组合型包括U-V形，U-U形等。本文介绍的阀芯结构中的节流槽有两种，一种是V形槽，一种是U形槽。下面对这两种节流槽的节流面积进行数学分析。

2.1 U形节流槽

U形节流槽即我们也经常称之为矩形节流槽。

其结构可以分为头部和尾部两个部分：头部为半圆槽形，尾部为矩形。如：图2。

图2 U形节流槽阀口结构示意图

Fig.2 A schematic diagram of the structure of the valve mouth of a U shaped slot slot

图3 U形阀口过流面积图

Fig.3 Overflow area diagram of U shaped valve mouth

在图2所建直角坐标中，表示阀口的开度。阀与壳体相匹配的圆柱面的相贯线可用代数方程表述为：

              ①                    

当阀开口时：

 ②                  

         ③ 

当阀开口时：

    ④             

    ⑤                    

 为U形口端口半径，为阀芯直径，—节流槽深度，为节流槽的个数，为开口时U形槽竖直面的面积，为开口时U形槽上表面面积。

式中的   ，。

通过求取U形槽的、，控制阀的阀芯通流面积取其中的较小值。

2.2 V形节流槽

V形节流槽阀芯凸肩上的V 形节流槽,是利用成型铣刀（角度为90°）加工出来的。

其形状可以看作圆锥面与圆柱面相贯而成。图4为在V形槽上建的笛卡尔坐标系。在此坐标系中，对其过流面积进行数学计算。为阀口位移。

图4 V型节流槽阀口结构示意图

Fig.4 A schematic diagram of the structure of the valve mouth of the V type slot slot

图5 V形阀口过流面积图

Fig.5 Overflow area diagram of V shaped valve mouth

节流槽相贯线方程为：

                ⑥

槽底线的方程：

 ⑦

             ⑧                      

          ⑨                  

    ⑩               

为阀芯在开口稳定时，节流槽在竖直面上的面积，为相贯线在凸肩圆柱面上所围成的面积，为所用刀具头部半夹角，为某开口处在轴上的位置，—某开口处在轴上的位置，为阀芯的直径，为V形节流口的个数。如果设：，

则有：

由以上各式得：

   （11）

节流槽的过流面积变化的程度反映流出阀口开度的大小，从侧面反映出流经阀的流量的多少。其面积的变化规律可看出阀的微动特性的好坏。

3  均压槽

对于所有换向阀来说，都存在着换向可靠性问题，尤其是电磁换向阀。为了使换向可靠，必须保证电磁推力大于弹簧力和阀芯摩擦力之和，方能可靠换向，而弹簧力必须大于阀芯摩擦阻力，才能保证可靠复位，由此可见，阀芯的摩擦阻力对换向阀的换向可能性影响很大。阀芯的摩擦阻力主要是由液压卡紧力引起的。液压卡紧力是指主阀阀芯压紧在主阀阀体上的径向力，主阀阀芯移动时的液压卡紧阻力便是由此所产生的主阀阀芯移动时的附加阻力。均压槽的设计目的就是减小阀芯所受的径向力。如：图6。

图6 均压槽的结构图

Fig.6 Structure diagram of pressure sharing grooves

主阀阀芯开了均压槽后，凸台肩的圆周方向就有了通道，一方面可以把高压侧的油液引入低压侧，保证阀芯上的压力相等，从而平衡掉一部分径向液压力，使得整个凸台肩缝隙处压力分布不均匀的状况得到改善，大大的减小了侧向力。此外还可以起到润滑的作用。

四、结论

1.通过对阀芯节流口的面积进行数学分析，通过MATLAB软件对其进行编程绘制其过流面积的变化趋势图，在设计中可有效的对节流口面积进行设定，节省了产品试验阶段的时间。

2.均压槽的主要作用是减小阀芯所受的径向力，一定程度的避免出现阀芯的卡死现象。增加了阀的安全性能。