5.2 方向控制阀

方向控制阀是控制液压系统中液流方向的阀，用来对系统中各个支路的液流进行通、断的切换，以适应执行元件工作的要求。一个液压系统所应用的各个控制阀中，方向控制阀的数量相当多。方向控制阀可分为单向阀、液控单向阀、换向阀、充液阀、梭阀、比例方向阀等。

5.2.1 单向阀

液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。

1.普通单向阀

普通单向阀的作用：使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。图5-1a所示是一种管式普通单向阀的结构。压力油从阀体左端的通口P₁流入时，克服弹簧3作用在阀芯2上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。但是压力油从阀体右端的通口P₂流入时，它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上，关闭阀口，油液无法通过。图5-1b所示是单向阀的职能图形符号。

2.液控单向阀

图5-2a所示是液控单向阀的结构。控制口K处无压力油通入时，它的工作机制和普通单向阀一样；压力油只能从通口P₁流向通口P₂，不能反向流通。控制口K有控制压力油并能推动阀芯3时，因控制活塞1右侧a腔通泄油口，活塞1右移，推动顶杆2顶开阀芯3，使通口P₁和P₂接通，油液就可在两个方向自由通流。图5-2b所示是液控单向阀的职能图形符号。

图5-1 单向阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—阀体 2—阀芯 3—弹簧

图5-2 液控单向阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—活塞 2—顶杆 3—阀芯

以上是单向阀两种比较典型的结构。当然单向阀还有其他结构形式，它的原理是类似的。单向阀在液压系统中的应用，我们在液压基本回路会叙述。

5.2.2 换向阀

换向阀利用阀芯相对于阀体的相对运动，使油路接通、关断，或变换油流的方向，从而使液压执行元件起动、停止或变换运动方向。

换向阀分类方法较多，按照阀芯与阀体相对移动方式可分为滑阀与转阀；按照操纵方式可分为手动、机动、电磁控制、液动、电液动、气动等；按照工作位置和控制通道数可分为二位二通、二位三通、二位四通、三位四通、三位五通等。

1.滑阀式换向阀

换向阀在按阀芯形状及阀芯相对于阀体的运动分类时，有滑阀式和转阀式两种。

（1）换向阀的结构 阀体和滑动阀芯是滑阀式换向阀的结构主体。阀体上开有多个通口，阀芯移动后可以停留在不同的工作位置上。

在液压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀，在这里主要介绍这种换向阀的几种典型结构。

1）手动换向阀。图5-3b为自动复位式手动换向阀，放开手柄1，阀芯2在弹簧3的作用下自动回复中位。此阀适用于动作频繁、工作持续时间短的场合，操作比较安全，常用于工程机械的液压传动系统中。

此阀如果将阀芯右端弹簧3的部位改为可自动定位的结构形式，即成为可在三个位置定位的手动换向阀。图5-3a所示为其职能图形符号。

图5-3 手动换向阀

a）职能图形符号 b）结构图

1—手柄 2—阀芯 3—弹簧

2）机动换向阀。机动换向阀又称行程阀，它主要用来控制机械运动部件的行程，它是借助于安装在工作台上的挡铁或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向，机动换向阀通常是二位的，有二通、三通、四通和五通几种，其中二位二通机动阀分常闭和常开两种。图5-4a所示为滚轮式二位三通机动换向阀，在图示位置，阀芯2被弹簧1压向上端，油腔P和A通，B口关闭。当挡铁或凸轮压住滚轮4，使阀芯2移动到下端时，就使油腔P和A断开，P和B接通，A口关闭。图5-4b所示为其职能图形符号。

图5-4 机动换向阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—弹簧 2—阀芯 3—阀体 4—滚轮 5—挡块

3）电磁换向阀。电磁换向阀是利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向的。电磁铁按使用电源的不同，可分为交流和直流两种。按衔铁工作腔是否有油液又可分为“干式”和“湿式”。

交流电磁铁起动力较大，不需要专门的电源，吸合、释放快，动作时间约为0.01～0.03s，其缺点是若电源电压下降15%以上，则电磁铁吸力明显减小，若衔铁不动作，干式电磁铁会在10～15min后烧坏线圈（湿式电磁铁为1～1.5h），且冲击及噪声较大，寿命低，因而在实际使用中，交流电磁铁允许的切换频率一般为10次/min，不得超过30次/min。

直流电磁铁工作较可靠，吸合、释放动作时间约为0.05～0.08s，允许使用的切换频率较高，一般可达120次/min，最高可达300次/min，且冲击小、体积小、寿命长，但需有专门的直流电源，成本较高。此外，还有一种整体电磁铁，其电磁铁是直流的，但电磁铁本身带有整流器，通入的交流电经整流后再供给直流电磁铁。目前，国外新发展了一种油浸式电磁铁，不但衔铁，而且励磁线圈也都浸在油液中工作，它具有寿命更长，工作更平稳可靠等特点，但由于造价较高，应用面不广。

图5-5a所示为二位三通交流电磁换向阀结构，在图示位置，油口P和A相通，油口B断开；当电磁铁通电吸合时，推杆1将阀芯2推向右端，这时油口P和A断开，而与B相通。而当磁铁断电释放时，弹簧3推动阀芯复位。图5-5b所示为其职能图形符号。

图5-5 二位三通电磁换向阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—推杆 2—阀芯 3—弹簧

如前所述，电磁换向阀就其工作位置来说，有二位和三位等。二位电磁阀有一个电磁弹位；三位电磁阀有两个电磁铁，图5-6所示为一种三位四通电磁换向阀的结构和职能图形符号。

图5-6 三位四通电磁换向阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—衔铁 2—推杆 3—阀芯 4—对中弹簧

4）液动换向阀。液动换向阀是利用控制油路的压力油来改变阀芯位置的换向阀，图5-7所示为三位四通液动换向阀的结构和职能图形符号。阀芯是依靠其两端密封腔中油液的压差来移动的，当控制油路的压力油从阀右边的控制油口K₂进入滑阀右腔时，K₁接通回油，阀芯向左移动，使压力油口P与B相通，A与T相通；当K₁接通压力油，K₂接通回油时，阀芯向右移动，使得P与A相通，B与T相通；当K₁、K₂都通回油时，阀芯在两端弹簧和定位套作用下回到中间位置。

图5-7 三位四通液动换向阀

a）结构图 b）职能图形符号

5）电液换向阀。在大中型液压设备中，当通过阀的流量较大时，作用在滑阀上的摩擦力和液动力较大，此时电磁换向阀的电磁铁推力相对太小，需要用电液换向阀来代替电磁换向阀。电液换向阀由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。电磁滑阀起先导作用，它改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置。由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大，所以主阀芯的尺寸可以做得很大，允许有较大的油液流量通过。这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流。

图5-8 电液换向阀

a）结构图 b）职能图形符号 c）简化职能图形符号 1、7—单向阀 2、6—节流阀 3、5—电磁铁 4—电磁阀阀芯 8—主阀阀芯

图5-8所示为弹簧对中型三位四通电液换向阀的结构和职能图形符号。当先导电磁阀左边的电磁铁通电后其阀芯向右边位置移动，来自主阀P口或外接油口的控制压力油可经先导电磁阀的A′口和左单向阀进入主阀左端容腔，并推动主阀阀芯向右移动，这时主阀阀芯右端容腔中的控制油液可通过右边的节流阀经先导电磁阀的B′口和T′口，再从主阀的T口或外接油口流回油箱（主阀阀芯的移动速度可由右边的节流阀调节），使主阀P与A、B和T的油路相通；反之，由先导电磁阀右边的电磁铁通电，可使P与B、A与T的油路相通；当先导电磁阀的两个电磁铁均不带电时，先导电磁阀阀芯在其对中弹簧作用下回到中位，此时来自主阀P口或外接油口的控制压力油不再进入主阀芯的左、右两容腔，主阀芯左、右两容腔的油液通过先导电磁阀中间位置的A′、B′两油口与先导电磁阀T′口相通（如图5-8b所示），再从主阀的T口或外接油口流回油箱。主阀阀芯在两端对中弹簧预压力的推动下，依靠阀体定位，准确地回到中位，此时主阀的P、A、B和T油口均不通。电液换向阀除了上述弹簧对中的以外还有液压对中的。在液压对中的电液换向阀中，先导式电磁阀在中位时，A′、B′两油口均与油口P连通，而T′则封闭，其他方面与弹簧对中的电液换向阀基本相似。

（2）换向阀的中位机能分析 三位换向阀的阀芯在中间位置时，各通口间有不同的连通方式，可满足不同的使用要求。这种连通方式称为换向阀的中位机能。三位四通换向阀常见的中位机能代号、符号及其特点见表5-2。三位五通换向阀的情况与此相仿。

表5-2 三位四通换向阀常见的中位机能代号、符号及其特点

在分析和选择阀的中位机能时，通常考虑以下几点：

1）系统保压。当P口被堵塞时，系统保压，液压泵能用于多缸系统。当P口不太通畅地与T口接通时（如X型），系统能保持一定的压力供控制油路使用。

2）系统卸荷。P口通畅地与T口接通时，系统卸荷。

3）起动平稳性。阀在中位时，液压缸某腔若通油箱，则起动时该腔内因无油液起缓冲作用，起动不太平稳。

4）液压缸“浮动”和在任意位置上停止，阀在中位，当A、B两口互通时，卧式液压缸呈“浮动”状态，可利用其他机构移动工作台，调整其位置。当A、B两口堵塞或与P口连接（在非差动情况下）时，液压缸可在任意位置处停下来。三位五通换向阀的机能与上述相仿。

（3）主要性能 换向阀的主要性能指标，以电磁阀的项目最多，它主要包括下面几项：

1）工作可靠性。工作可靠性指电磁铁通电后能否可靠地换向，而断电后能否可靠地复位。工作可靠性主要取决于设计和制造，且和使用也有关系。液动力和液压卡紧力的大小对工作可靠性影响很大，而这两个力与通过阀的流量和压力有关。所以电磁阀也只有在一定的流量和压力范围内才能正常工作。这个工作范围的极限称为换向界限，如图5-9所示。

2）压力损失。由于电磁阀的开口很小，故液流流过阀口时产生较大的压力损失。一般阀体铸造流道中的压力损失比机械加工流道中的损失小。

图5-9 电磁阀的换向界限

3）内泄漏量。在各个不同的工作位置，在规定的工作压力下，从高压腔漏到低压腔的泄漏量为内泄漏量。过大的内泄漏量不仅会降低系统的效率，引起过热，而且还会影响执行机构的正常工作。

4）换向和复位时间。换向时间指从电磁铁通电到阀芯换向终止的时间；复位时间指从电磁铁断电到阀芯回复到初始位置的时间。减小换向和复位时间可提高机构的工作效率，但会引起液压冲击。交流电磁阀的换向时间一般约为0.03～0.05s，换向冲击较大；而直流电磁阀的换向时间约为0.1～0.3s，换向冲击较小。通常复位时间比换向时间稍长。

5）换向频率。换向频率是在单位时间内阀所允许的换向次数。目前单电磁铁的电磁阀的换向频率一般为60次/min。

6）使用寿命。使用寿命指使用到电磁阀某一零件损坏，不能进行正常的换向或复位动作，或使用到电磁阀的主要性能指标超过规定指标时所经历的换向次数。

电磁阀的使用寿命主要决定于电磁铁。湿式电磁铁的寿命比干式的长，直流电磁阀的寿命比交流电磁阀的寿命长。

7）滑阀的液压卡紧现象。一般滑阀的阀孔和阀芯之间有很小的间隙，当缝隙均匀且缝隙中有油液时，移动阀芯所需的力只须克服黏性摩擦力，数值是相当小的。但在实际使用中，特别是在中、高压系统中，当阀芯停止运动一段时间后（一般约5min以后），这个阻力可以大到几百牛，使阀芯很难重新移动，这就是所谓的液压卡紧现象。

引起液压卡紧的原因，有的是由于机械杂质进入缝隙而使阀芯移动困难，有的是由于缝隙过小，在油温升高时阀芯膨胀而卡死，但是主要原因是来自滑阀副几何形状误差和同心度变化所引起的径向不平衡液压力的作用。如图5-10a所示，当阀芯和阀体孔之间无几何形状误差，且轴心线平行但不重合时，阀芯周围间隙内的压力分布是线性的（图中A₁和A₂线所示），且各向相等，阀芯上不会出现不平衡的径向力；当阀芯因加工误差而带有倒锥（锥部大端朝向高压腔），且轴心线平行而不重合时，阀芯周围间隙内的压力分布如图5-10b中曲线A₁和A₂所示，这时阀芯将受到径向不平衡力（图中阴影部分）的作用而使偏心距越来越大，直到两者表面接触为止，这时径向不平衡力达到最大值；但是，当阀芯带有顺锥（锥部大端朝向低压腔）时，产生的径向不平衡力将使阀芯和阀孔间的偏心距减小；图5-10c所示为阀芯表面有局部凸起（相当于阀芯碰伤、残留毛刺或缝隙中楔入机械杂物）时，阀芯受到的径向不平衡力将把阀芯的凸起部分推向孔壁。

图5-10 滑阀上的径向力

a）阀芯与阀体孔间无几何形状误差 b）阀芯带有倒锥 c）阀芯表面有局部凸起

当阀芯受到径向不平衡力作用而和阀孔相接触后，缝隙中存留液体被挤出，阀芯和阀孔间的摩擦变成半干摩擦乃至干摩擦，因而使阀芯重新移动时所需的力增大了许多。

图5-11 转阀

a）工作原理图 b）职能图形符号 1—阀体 2—阀芯 3—操作手柄

滑阀的液压卡紧现象不仅在换向阀中有，在其他的液压阀中也普遍存在，在高压系统中更为突出，特别是滑阀的停留时间越长，液压卡紧力越大，以致造成移动滑阀的推力（如电磁铁推力）不能克服卡紧阻力，使滑阀不能复位。为了减小径向不平衡力，应严格控制阀芯和阀孔的制造精度，在装配时，尽可能使其成为顺锥形式，另一方面在阀芯上开环形均压槽，也可以大大减小径向不平衡力。

概括地讲，换向滑阀就是利用阀芯相对阀体移动，使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的起动、停止或变换运动方向的。对于换向滑阀的应用，我们将在液压基本回路章节中详细介绍。

2.转动式换向阀

转阀：图5-11a所示为转动式换向阀（简称转阀）的工作原理图。

该阀由阀体1、阀芯2和使阀芯转动的操作手柄3组成，在图示位置，通口P和A相通、B和T相通；当操作手柄转换到“止”位置时，通口P、A、B和T均不相通，当操作手柄转换到另一位置时，通口P和B相通，A和T相通。图5-11b所示是它的职能图形符号。