双向液控单向阀在锁紧回路中的合理应用

□ 徐成东

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 液控单向阀概述

方向控制阀用以控制液压系统中油液流动的方向或液流的通与断，分为单向阀和换向阀两类，单向阀又分为普通单向阀和液控单向阀两种。普通单向阀使油液只能沿一个方向流动，不允许反向倒流，所以又称逆止阀[1]。

液控单向阀是一种通入控制压力油后即允许油液双向流动的单向阀，由单向阀和液控装置两部分组成。当控制口未通入压力油时，液控单向阀作用与普通单向阀相同，正向流通，反向截止。当控制口通入压力油后，控制活塞将单向阀的锥形阀芯顶离阀座，油液正反向均可流动。

液压系统中液控单向阀又称液压锁，由于其具有良好的闭锁能力，无渗漏，可长时间保持液压缸锁紧定位，常用在速度换接回路及锁紧回路中，如汽车起重机的液压支腿回路[2-3]。

2 工作原理

液控单向阀可分为单向液控单向阀和双向液控单向阀。当执行元件需要一个方向锁紧时，采用单向液控单向阀。当执行元件需要双向锁紧时，采用双向液控单向阀。

根据控制活塞处的泄油方式，单向液控单向阀分为内泄式和外泄式两种结构[4]。图1为内泄式液控单向阀结构简图。当控制油口K未通入压力油时，A口进入的油液顶开阀芯弹簧，油液可从A1口流出。当A1口进油时，由于弹簧的作用，阀芯紧紧地贴合在阀座上，油液不能流通。此时，单向液控单向阀可作为普通单向阀使用。当控制口K通入压力油时，控制活塞将阀芯顶离阀座，油液可实现双向流动。

图1 内泄式液控单向阀结构简图

图2 为双向液控单向阀结构简图,图3为双向液控单向阀图形符号。由图2可以看出，双向液控单向阀由两个液控单向阀共用一个阀体和控制活塞组成。当压力油从A口进入时，油压自动将左边的阀芯顶开，使油液从A腔流动到A1腔。同时，通过控制活塞将右阀顶开，使B腔与B1腔相通，将原来封闭在B1腔通路上的油液通过B口排出，即当一个油腔正向进油时，另一个油腔就反向出油[5]。

油液反向流动时，A1口在进油压力很高的情况下，依靠控制活塞推开锥形阀芯时，阻力很大，顶开阀芯比较困难，此种情况下可采用卸荷小阀芯。卸荷小阀芯是安装在液控单向阀锥形阀芯中的更小的阀芯，又称为先导阀芯。由于该阀芯面积较小，作用在其上的力并不是很大，因此在B腔压力不是很大的时候，控制活塞就可以推开卸荷小阀芯。此时，A口和A1口通过卸荷小阀芯的细孔实现互通，A1口输入的压力油逐渐卸压，直至控制活塞将阀芯顶离阀座，实现油液的反向流动。同理，对于B1口在反向进油压力很高的情况，卸荷小阀芯同样适用。

图2 双向液控单向阀结构简图

图3 双向液控单向阀图形符号

3 开锁条件

采用双向液控单向阀的锁紧回路如图4所示。三位四通换向阀处于左位时，压力油经左液控单向阀进入液压缸无杆腔，右液控单向阀在回油路上起负载阻尼作用，因而进油路压力升高，油液顶开右液控单向阀的控制活塞，阀芯打开，油液从右液控单向阀逆向流过，进入油箱。反之，换向阀处于右位时，压力油经右液控单向阀进入液压缸有杆腔，并将左液控单向阀打开，使液压缸无杆腔回油。

图4 采用双向液控单向阀的锁紧回路

设液压缸缸筒内径为D，活塞杆直径为d，双向液控单向阀控制活塞直径为D1,阀芯前孔直径为d1，液压缸所受负载为F，液压缸进油腔压力为p1,液压缸回油腔压力为p2，液压缸无杆腔有效受力面积为S1，液压缸有杆腔有效受力面积为S2，显然，S1=πD2/4，S2=π（D2-d2）/4，则液压缸的速比i=S1/S2=D2/（D2-d2）。

3.1 有杆腔开锁条件

根据图4，换向阀左位工作时，无杆腔为进油腔，有杆腔为回油腔，负载为F，对活塞进行受力分析，不考虑活塞运动时的摩擦阻力及液流的压力损失等因素，则有：

锥形阀芯弹簧的刚度很小，弹簧弹力可以忽略，同时忽略阀芯所受的摩擦阻力，则此时开锁条件为：

将式（1）代入式（2），并整理得：

即：

当F=0，即液压缸空载时，有杆腔的开锁条件为，即

当F＞0，即液压缸受压时，有杆腔开锁，D1/d1的最小值有所降低。但是当负载F的大小不确定，或者说要保证在任意大小负载的条件下能够开锁时，仍然可取

当F＜0，即液压缸受拉时，有杆腔开锁，D1/d1的最小值相应增大。

3.2 无杆腔开锁条件

根据图4，换向阀右位工作时，有杆腔为进油腔，无杆腔为回油腔，负载为F，对活塞进行受力分析，不考虑活塞运动时的摩擦阻力及液流的压力损失等因素，则有：

由于锥形阀芯弹簧的刚度很小，弹簧弹力可以忽略，同时忽略阀芯所受的摩擦阻力，开锁条件与式（2）相同。

将式（5）代入式（2），并整理得：

即：

当F=0，即液压缸空载时，无杆腔的开锁条件为，即

当F＞0，即液压缸受压时，无杆腔开锁，D1/d1的最小值有所增大。

当F＜0，即液压缸受拉时，无杆腔开锁，D1/d1的最小值相应减小。但是当负载F的大小不确定，或者说要保证在任意大小负载的条件下能够开锁时，仍然可取

可见，对于采用双向液控单向阀的锁紧回路而言，无论是无杆腔进油还是有杆腔进油，液控单向阀结构尺寸D1、d1，油腔压力p1，液压缸结构尺寸D、d，以及负载F之间存在一定的内在联系，同时，油腔压力p1受液压泵额定压力或系统最大工作压力的限制，因此，在设计液压回路或进行液压元件选型时，一定要考虑上述多个因素之间的关系。此外，还要考虑管道压力损失、阀压力损失等因素，否则可能会出现液控单向阀无法开锁的情况。

4 锁紧回路换向阀中位机能的选用

对于锁紧回路中的液控单向阀而言，执行元件工作时需要实现开锁，保持工作油口的互通，这就要求控制油口保持一定的压力。需要指出的是，控制压力油油口不工作时，应使控制油口通回油箱，否则控制活塞难以复位，单向阀反向不能截止液流[6]，当然也就不能实现锁紧。当换向阀处于H型或Y型中位时，液压泵输出的油液和控制口的油液直接流回油箱，油液不能形成压力。此时，由于弹簧作用，控制活塞复位，液控单向阀处于闭锁状态。因为液控单向阀为座阀式结构，密封性能良好，所以液压缸活塞可以长时间被锁紧在停止时的位置。但如果换向阀中位机能采用O型、M型等其它型式，在需要锁紧、换向阀处于中位时，由于控制液控单向阀的控制腔压力油也被封死，若液控单向阀处于关闭状态，其控制口在一定时间内仍会维持较高的压力，使液控单向阀不能迅速锁紧[7]。可见，在液控单向阀的液压系统中，三位四通换向阀的中位机能不宜采用O型、M型，因为它们都不能使液控单向阀立即关闭，而应选用H型或Y型[8]。

5 锁紧回路的改进

当图4所示的锁紧回路应用于起升重物等场合时，液压缸所受负载F来自于工作机构的重力。当重物下放时，液压缸有杆腔进油，驱使活塞杆带动工作机构下降，同时液压缸无杆腔回油。但是，由于工作机构重力的作用，活塞杆可能会加速下滑，导致液压缸进油腔供油不足，进油腔压力急剧下降。当进油腔压力低于回油路液控单向阀的开启压力时，液控单向阀迅速关闭，造成无杆腔无法实现排油，液压缸活塞便停止运动。另一方面，此时液压泵继续向液压缸有杆腔供油，使有杆腔油路压力继续升压，直到油路压力升至液压锁开启压力，再次打开无杆腔液控单向阀，使液压缸活塞运动。这样一来，液压缸无杆腔的液控单向阀时开时闭，造成液压缸活塞杆和工作机构下落时断时续，必然产生抖动现象，尤其是工作机构重力较大时，必定会产生很大的冲击压力，形成振动和噪声，而且活塞杆的每一次冲击都会使液压缸无杆腔至双向液控单向阀之间产生越来越高的压力，用来开启双向液控单向阀的压力也就越来越大[9]。

针对以上情况，一般采用平衡阀来达到负重匀速下降的要求。此外，在一些对负重下降匀速要求不严格的场合，可采用液控单向阀串联单向节流阀来代替平衡阀[10]，改进后采用双向液控单向阀的锁紧回路如图5所示。

图5 改进后采用双向液控单向阀的锁紧回路

6 结束语

双向液控单向阀在锁紧回路中有着重要的应用价值。在进行锁紧回路设计和液控单向阀选型，以及相关技术研究时，首先要考虑液控单向阀的结构原理及工作机构的工作状况；然后要综合考虑液压泵额定压力、液压缸结构尺寸，以及所受的负载大小；再次要注意锁紧回路中换向阀中位机能的选用；最后对于锁紧回路中存在的振动等问题，可采用平衡阀或单向节流阀等来解决。

[1]毛智勇，刘宝权.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007：55.

[2]李芝.液压传动[M].2版.北京：机械工业出版社,2016：101.

[3]曾红，李立峰.液控单向阀在液压回路中的正确使用[J].辽宁工学院学报，2005,25（5）:330-333.

[4]孙伟，孙志朋.液压系统中液控单向阀的合理使用[J].机床与液压，2011，39（12）：127-129.

[5]汪哲能.液压与气动技术[M].2版.北京：中国传媒大学出版社，2015：80.

[6]王强.工程机械液压传动[M].北京：国防工业出版社,2013：70.

[7]宋亚林.液压锁紧回路设计应注意的几个问题[J].鄂州大学学报，2012,19（2）:42-44.

[8]马金英，许同乐.液压系统中换向阀的问题分析[J].机械工程师，2003（10）:57-58.

[9]宋亚林.使用双向液压锁后液压缸平稳性的改善方法[J].机床与液压，2011，39（4）:131-132.

[10]孙立峰,吕枫.工程机械液压系统分析及故障诊断与排除[M].北京：机械工业出版社,2014：141.