片式多路阀的结构优化设计

陆林海

（上海商蔚机械科技有限公司，上海 201706）

换向阀是一种通过阀芯位置切换来沟通不同油口，从而控制执行机构不同方向动作的液压阀。它将主阀阀芯以及各种辅助性阀类如安全阀、节流阀、先导控制阀等集成安装在铸造阀体内部[1]。从结构形式上分类，换向阀一般分为片式多路阀和板式换向阀[2]。片式多路阀呈片状，工作油口布置在阀底部，阀体两侧布置有进油联和回油联。板式换向阀是阀体底部安装在阀块上，底部包括压油、回油以及工作油口。片式主阀在实际应用中多采用多片叠加的形式使用，以此增大通流量，是工程机械中常用的阀件。本文将以片式多路阀的结构优化设计为例展开论述。

1 片式多路阀功能设计

片式多路阀从控制形式上，可分为手动控制式多路阀、电磁换向式多路阀、电比例换向式多路阀、液控换向式多路阀以及电液换向式多路阀[3]。实际工程中，应用最广泛的是电磁换向式多路阀。通常是通过油路块将这些阀件串接在一起控制机构动作，但存在零部件较多、装配不方便、功能较为单一等缺点，无法满足日益增长的工程机械智能化的发展需求。

针对现有的三位四通片式多路阀存在的缺点，本文提出了一种新的片式多路阀功能实现方法。常规的多路阀一般具备中位机能自锁或卸荷、左位和右位分别对应不同的机构动作的功能，但是对于负载信号的反馈响应较慢且控制形式单一。在执行元件工作的时候会出现动作不平稳情况或是在负载压力出现波动时动作速度也出现很大波动，无法完全实现无极调速[4]。

针对上述问题，本文对多路阀进行了优化设计：具备过阀芯流量可控功能，不受负载波动影响；控制方式多样，能够实现手动应急操作；控制信号输入滤波，保证稳定的控制信号进入阀体两端控制口；负载反馈信号滤波，保证主泵负载反馈信号的稳定输入。

2 片式多路阀原理设计

为了实现上述多路阀的功能，从原理上看，它需要具备两种以上流动形式和两个以上油口，通过阀芯不同的工作位置实现压力油的沟通、切断和换向。要在满足控制执行机构运动方向要求的同时能够实现无极调速，一般要用到比例多路阀，要求速度不受到负载波动的影响，仅通过控制手柄信号来实现速度控制，此时需要在阀体上叠加压力补偿器。要能够实现手动应急操作的功能，需要在阀芯控制口加上机械操作手柄控制阀芯运动。要能够实现控制信号滤波的功能，需要在控制信号输入口增加节流阻尼，以减小控制信号压力脉动。要能够实现负载反馈信号滤波，需要在多路阀的负载敏感口增加单向节流阀，以减小负载反馈信号的压力冲击。带负载敏感的片式多路阀一般与负载敏感变量泵配合使用。本文设计的片式多路阀液压原理，如图1 所示。

泵出口压力油通过P 口，经过二通压力补偿器进入主阀芯内部。当左侧有控制信号输入的时候（控制信号可以是压力油、电信号或者机械信号），推动主阀芯向右移动左位工作，压力油经过右侧的回路到执行机构驱动执行机构动作。此时，左侧为回油口，油液经过左侧油路到多路阀T 口流回油箱。当右侧有控制信号输入的时候，推动主阀芯向左移动右位工作，压力油经过左侧的回路到执行机构驱动执行机构动作。此时，右侧为回油口，油液经过右侧油路到多路阀T 口流回油箱。它的负载敏感口反馈给泵的压力，则是从多路阀的A/B 口取压力油经过梭阀比较后，高压油反馈给负载敏感泵。系统中在主油路的A/B 口和负载敏感回路的A/B 口均设置有溢流阀，防止系统过载发挥安全阀的作用。

3 片式多路阀结构设计

片式多路阀是多个换向阀做成片式本体，通过长螺钉串叠在一起，实现控制多个执行元件动作的换向阀[5]。本文设计的负载敏感多路阀主要由前端进油联阀体、片式比例多路阀和尾联阀体3 部分构成。前端进油联阀体上设计有截止阀、流量稳定阀和减压溢流阀；片式比例多路阀阀体上设计有压差补偿器、主阀芯、负载敏感压力比较梭阀、主油路安全阀、负载敏感溢流阀以及控制油进油阻尼；尾联阀体主要是在进油流量需求较大的时候，保证可以从首尾联同时进油，降低主阀内部流道的压力损失。本设计具有结构布置紧凑、轻量化、压力控制稳定的特点，同时拥有手动调节功能，可保证在控制信号断电的情况下，手动应急操作多路阀的换向，实现紧急工况下的手动应急操作。它的结构设计如图2 所示。

前端进油联阀体连接片式比例多路阀阀体，片式比例多路阀的数量可以是一片也可以是多片，保证系统全流量经过主阀时压损低于2 000 kPa 即可。多路阀通过并联的方式连接在一起，最后的尾联阀体与最后一片多一路阀连接在一起。

前端进油联阀体上设计有截止阀、流量稳定阀和减压溢流阀，工作时压力油从进油口流入减压溢流阀和流量稳定阀，稳定多路阀的控制口压力。压力油进过前端进油联阀体后进入片式多路阀本体，通过压力补偿器再进入主阀阀芯内部，按控制口的信号指令进入对应的流道，实现机构的动作。

片式多路阀与前端进油联和尾联阀体间通过一定的螺杆穿过阀本体的安装孔将本体一一串联起来。连接螺杆的规格按照阀体本身的安装孔选型，确定为M8 的螺杆。油口间的密封按要求选择与油口规格对应的丁腈橡胶O 形圈密封。

片式多路阀本体上设计有手动应急操作手柄。在断电的情况下，通过操作应急手柄能够让阀芯克服原来保持对称的弹簧力，驱动阀芯向左或是向右动作，实现阀体内部油路的切换，从而实现执行元件动作方向的切换。

片式多路阀进油联阀体上设计有负载敏感口，输出口的负载敏感压力通过负载敏感口经过单向节流阀后传递压力信号到泵的负载敏感口，实现变量泵的负载敏感控制。

图3为片式多路阀本体结构，通过数控加工出内部的流道和外部的安装接口。

4 片式多路阀应用设计

片式多路阀是工程机械中常用的液压元件之一。起重机作为较为常见的工程机械，一般具有臂架伸出缩回、臂架回转、主钩起升下降以及副钩起升下降的功能。常规操作过程中也有需要用到手动操作的工况，本文设计的多路阀能很好地满足起重机的工作需求。起重机片式多路阀应用液压原理图，如图4 所示。

主泵供油到多路阀，多路阀通过换向切换到不同的工作位置，实现压力油的换向，从而控制油缸的伸出和缩回。系统中的核心元件是片式多路阀，共5 片多路阀，分别用来控制主臂油缸、折臂油缸以及回转摆缸的动作。

5 结语

与现有的片式比例多路阀相比，设计的多路阀具有体积小、质量小、系统压力流量控制稳定、可集成多片主阀控制以及带有手动应急操作的功能，在断电的情况下依然能执行元件的应急操作等。本文从功能、原理、结构以及应用4 个方面论述了片式多路阀设计的可行性和必要性，能切实解决当下比例多路阀存在的控制方式单一、结构体积庞大以及安装空间需求大等不足，提高工程适应性。