典型多路阀设计与分析
多路
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一、概述 (2)
二、我厂常用的几种典型液压阀口过流面积分析及计算 (3)
三、典型三位六通多路阀原理及其应用.... .. (10)
四、六通多路阀附加的负流量控制系统 (13)
五、四通阀的负荷传感控制 (15)
六、负荷传感多路阀的系统效率分析 (20)
七、总结和展望 (21)
典型多路阀设计与分析
一、概述
多路阀广泛用于行走机械中，在整个液压行业行走机械所创造的产值在50％以上，所以对多路阀的研究很重要，多路阀换向阀不是常规的换向阀，而是根据不同液压系统的要求，常常集合主安全阀、单向阀、过载阀、补油阀、分流阀、制动阀等，下面我对每个阀的功能作一个简单的介绍。
为防止液压泵超载，在多路换向阀进油腔设置主安全阀，作为整个液压系统的总安全阀。
根据不同的阀体结构，在阀体进油腔或滑阀内装设单向阀，其作用是当滑阀换向时，避免压力油向油箱倒流，从而克服工作过程中的“点头”
现象。
当某一机构的液压缸不工作时，相应的滑阀处于中立位置，两个工作油口被封闭，此时由于意外的撞击等原因，造成液压缸的油压急剧升高，为防止该液压缸及油管破坏，此油口应装过载阀。
当工作机构动作惯性较大，或者快速下降时，所需流量超过泵供油量时，可在多路换向阀内设置必要的补油阀以避免造成吸空现象。
因此，多路换向阀具有结构紧凑、管路布置简单、压力损失小和安装简单等优点，在行走机械中获得广泛应用。
多路阀中每一个换向阀称为联，各联换向阀之间可以是并联、串联、串并联混合。
按阀体的结构形式可分为：整体式和分体式；按操纵型式可分为手动直接式和先导控制式。
从泵的卸荷方式上看，多路阀可分为中位回油卸荷（六通型）和卸荷阀卸荷（四通型），六通型多路阀具有流量微调和压力微调特性，以及可
进行负流量控制，但在中位时压力损失较大。四通型多路阀优点是滑阀在中位时由卸荷阀卸荷因此压力损失小及压力损失与换向联数无关，这种阀通过和定差溢流阀或定差减压阀结合能方便实现负载压力补偿和负载敏感控制。
随着工程机械的发展，系统的高效节能问题已日益突出，对多路阀的要求：（1）流量可调节，以便精确控制执行器的速度，（2）节能降耗，尽可能降低无用功，降低系统的发热。目前，通过采用负流量反馈和负载传感控制，将泵控和阀控结合起来以实现节能目的。
无论是常规阀、负载传感控制阀设计最重要的是阀杆节流口形式和节流面积，节流口形式的确定将直接影响到系统操作时的微动特性及节能效率。
所以，本文主要从多路阀的流量调节和节能降耗两个方面来论述，包括1、液压阀阀杆节流口形式；2、典型三位六通型多路阀的原理及附加的负流量控制系统3、四通型多路阀的负载控制系统、4、负荷传感多路阀的系统效率分析。
二、常用的几种液压阀口过流面积分析及计算
由于多路阀阀杆上的节流口是多路阀设计的核心，节流口形式及其特性在很大程度上决定着多路阀的微调特性，本节主要分析了我厂主阀阀杆节流阀口常用的三种形式及阀口的等效面积公式。
2.1、典型阀口过流面积解析
2.1.1、L形阀口的过流面积
如图2-1所示，阀口是由小圆柱横向铣切阀芯凸肩形成，阀口面积是圆柱相惯线和阀座边在阀芯圆柱面所围成的部分圆柱面积。在某一阀口开度
X下，建立如图2-1所示的直角坐标系，其相惯线方程为：1
()???=+-=+2222
22R
z R y r
y x (1)
阀口微元面积为：
dx
R z ac R dx R dA sin
.2.2==β (2)
由方程（1）导出z(x),并代入式（2），积分得 A=n dx R
x
r
x r
R ac R r
h 2
2
2
2
2sin
.2.---? (3)
图2-1 L 形阀口面积推导
式中：[]()h r x r h -=∈1,,0为阀口开度（见图2－1）。式（3）即为阀口面积的积分表达式，被积函数是复杂的非线性函数。代入具体参数；阀芯凸肩半径R=20mm,阀芯节流口处半径r=9mm,节流槽个数n=3。 采用8样条Newton-Cotes 公式数值积分得出阀口开度所对应的阀口面积，如图2-2所示。
用三阶多项式对曲线进行拟合，可以得出阀口面积近似表达式（4）：
A=-5.71+64.02x1+7.58x 21-0.358x 31
(4)
2-2 L 形阀口面积计算曲线
2.1.2、 U 形阀口的过流面积
U 形阀口结构简图如图2-3所示，节流槽前端有半圆槽，后部为等截面流道，等截面面积设为A 10。建立图2-3所示的直角坐标，x 1表示阀口开度。其圆柱面相惯线方程为：
()???=+=+-2
222
22R
z y r z r x (5)
x 1 dx R z ac R dx R dA .sin .2.22==β (6) 式中：阀芯凸肩半径R=8mm,阀芯节流口处半径r=1mm,槽深h=1mm,n 为节流槽个数，此处n=2,由方程（5）导出y(x),并代入式（6），积分得： A 2=2n () dx R r x r ac R x .sin .1 02 2 ?-- (7) ()()? ? ????-??? ??+--=yz R z ar R h R y z n A sin 221221 (8) 式中：1A 为带圆弧段的截面积。 2A 为1x 变化的圆弧面积 图2-3 U 型阀口面积计算简图 由式（5）导出z=()2 2r x r -- y=()2 22r x r R -+-并代入式（7）、（8） x 1?r 时：A 2=A 20+(x-r)x2nR arsin 8 r (9) 式中：A 20等于式（7）在x 1=1mm 时A 2值 A 10=2arsin 8r x R 2+2x ()1412---R X R U 形阀口过流面积的计算曲线如图2-4所示： 图2-4 U 形阀口过流面积特性 2.1.3、V 形阀口的过流面积 如图2-5所示，在阀芯凸肩上用90度的成型铣刀加工V 形节流槽，可以看作圆锥面（刀具运动轨迹）与圆柱面（阀芯凸肩）相惯而成。建立如图2-5所示的直角坐标系推导过流面积，x 1表示阀口开度。 节流槽相惯线方程为： ()()() ? ??-=-+-=+2 222 22z r b y a x R y z （10） V 型槽的底线方程为： ()()2 2 2r b y a x =-+- ，z=0 2A 面积为相惯线在阀芯凸肩圆柱面所围成的面积。 其面积微元为： dx R z ar dA .sin 22??? ? ? = dx R z ar R n A x h ).sin 2(1 2?= （11） ?? ? ??-=y z R R z ar n A ..sin 21*22 1 （12） 图2-5 V 形阀口面积计算简图 由式（10）可以导出 ()z f x =，这是一个复杂非线性函数，拟合出()x f z '=代入式（11）、（12），式（12）中的y 由底线方程导出后，代入式（12）。以上即为V 形节流槽过流面积的普通适用的计算公式。代入具体数值：R=8mm, r=12.5mm,a=5其过流面积曲线如图2-6。 2.2、等效阀口面积分析计算 等效阀口面积是把阀口作为一个薄壁孔口来看待，阀进出口压力全部施加在这个薄壁孔上。由于阀口过流部有一定长度，有若干节流面，分析时假设节流面（薄壁孔口）在流动方向上相串联。对上面的U 型、V 型阀口进行分析。 设有两个节流面为1A 、2A ，设等效阀口面积为A ，流态为紊流，则有： 图2-6 V 形阀口过流面积特性,, ρ/.2P A c q d ?= ρ/.2111P A c q d ?= ; ρ/.222 2P A c q d ?= 节流面串联则有：21P P P ?+?=? 可得 22 22 21 21 2 1112 A c A c A c d d d + = , 22 22 2121 2121A c A c c A A c c A d d d d d += (13) 锐边薄壁孔口取：62.02==d d c c ；而节流面A 1具有一定长度，流量系数取为：72.01=d c 。 对U 、V 形阀口进行了过流面积和等效面积的计算，计算结果如图2-4和图2-6所示。由图2-4可以看出，U 形阀口等效阀口面积位于两个狭小截面的折线下方，随着阀口开度增加，阀口位置由2A 向1A 转移，阀口压差也随之转移，这就是阀口迁移现象。由图2-6供应看出V 形阀口的特点， 1A 在阀口全开度范围中始终是最小截面，计算等效阀口面积与其非常接 近，比1A 略小，这说明压差集中在1A 两端，面积2A 随阀口开度增加迅速，始终大于1A ,基本不起节流作用。 2.3、三种节流口性能比较 通过以上分析可看出，U 型节流口比较合适，U 型节流口加工方便，流量变化平稳，微控段的流量微调性基本呈线性，我厂的大部分主阀都采用此阀口。 三、典型三位六通多路阀特性及其应用 多路阀的性能主要是由压力损失，流量微调特性和压力微调特性等来进行评价。下面以我厂生产的FYZ-20B 为例，对其阀杆的运动过程及阀口型式进行分析。 3．1、FYZ-20B 多路阀工作原理： FYZ-20B 多路阀用于上海巨力彭浦厂的 TY160 型推土机工作装置上，该阀是三路整体多路阀，其功能原理图见图3-1，该阀用于控制推土机的铲刀的提升，铲刀的侧倾和松土油缸的动作，该阀的设计采用典型的三位六通结构，在阀体进油口上装了主安全阀保证整个液压系统的压力不超过14a MP ，在阀体每联的进油腔和阀杆内设制了单向阀防止滑杆换向过程中压力油向油箱倒流，而且在最后一路装配过载阀补油阀防止负载过载或负载的速度超过供油速度，造成吸空的现象。当各路阀杆处于中立 位置时，压力油从P 口到T 口油口全开压力油以最低压力卸荷，当阀杆换向时，压力油从P 口全部流向负载，实现对工作装置的控制。 3.2、 FYZ-20B 阀杆的移动分析： 1、 当阀芯处于中位时，C P →1节流口全开，A P →、T B →关闭，油液几乎无压地从P 口经C 口流回油箱，设泵输出的流量为m Q ， 图 3-1 FYZ-20B 多路阀工作原理图 图3-2 FYZ-20B 阀杆结构图 则 0=IN P ; 0=→A P Q ; 0=→T B Q ; m C P Q Q =→1 式中：A P Q →为通过P 到A 节流口的流量 T B Q →为通过B 到T 节流口的流量 IN P 为多路阀进口压力 2、当阀芯离开中位，向右移动时，1P 到C 节流口渐渐关闭，使进口压力 IN P 渐渐升高，由于较大的正遮盖的作用，A P →、T B →仍关闭，此时设主 阀上安全阀的调定压力为D P ，此时： D IN P P ??0 ; A P Q →=0 ; m C P Q Q =→1 ; 0=→T B Q 3、随着阀芯行程的继续增加，节流阀口A P →、T B →逐渐开启，节流口C P →1的节流口全周阀口部分关闭，但由于精细控制沟槽的作用，进口压力IN P 不会阶跃至D P ，故主阀上的溢流阀仍关闭，此时： D IN P P ??0 m C P A P Q Q Q =+→→1 )(2 .1L IN A P A P P P A C Q -=→→ρ IN C P C P P A C Q ρ 2 111→→= 式中，A P A →为A P →节流口的通流面积; C P A →1为节流口C P →1的通流面积; 1C 为流量系数; 4、随着阀芯行程的增加，进口压力IN P 上升至溢流阀调定压力D P ，定量 泵和溢流阀组成一个恒压源，此时 D IN P P = 31Q Q Q Q C P A P m ++=→→ 求3Q 为P 通过溢流阀的流量 5、当精细控制沟槽被全部遮盖后 D IN P P = 3Q Q Q A P m +=→ 根据经验多路阀的行程划分为3：5：2即30％的密封段，50％的微调段，20％流量大开口。而我厂的FYZ-20B 多路阀总行程为15mm,密封段4.5mm,微调段7.5mm,流量大开口段3mm 。 3.3、FYZ-20B 的换向阀杆的节流口形式的确立及相关计算 由于FYZ-20B 是典型的三位六通多路阀，该阀在阀口打开的一小段具有微调特性，因此对换向阀杆的节流口形式的确立将直接影响到系统操纵时的微调性能和节流效率。 系统主要参数： 系统工作压力（主安全阀压力）：14MPa 定量泵输出最大流量： 400L/min 根据实际操作需要，图3-3为FYZ-20B 的阀杆换向行程与进入工作口流量的变化曲线，当阀杆行程为4.5mm 时，工作口开始有油液输出，再运动7.5 mm 时阀口开度达到最大，在这段行程范围内，工作装置实现速度微调，且在这段行程的初始段流量随行程变化量相对 平缓。 根据图3-3，FYZ-20B 阀杆采用图3-4的节流口形式，节流口是在横轴上交错六个孔用于满足图3-3中从 4.5mm 至12mm 的流量变化，在圆孔开口段开口面积A 随着开口量h 的变化趋势与图3-3中的流量变化趋势相符，当行程达到最大时，流量已达到最大， 不能再进行调速，故尽量增大节流面积，以减小流阻损失。 当阀杆行程为12mm 时经过节流口的流量达到油泵输出流量，此时节流口开口量为7.5mm ，根据节流公式则有 P A C Q q P ?≈ρ 2 （2） 式中 p Q 泵输出流量，这里为400L/min q C 流量系数，阀节流口为圆弧时， q C =0.61 A 节流口的开口面积 ρ 油液的密度，取880kg/m 3 ΔP 节流口的压差 (MPa) 当阀口全开时，根据《多路阀产品质量分等》得=?p 1.3MPa ，因此节流口的面积按（2）得 5 6 3 10 3.1880 210 **85.060 10 400X X A X --= 得：A=4562mm 而对于FYZ-20B ，当阀口全开时的过流面积由5.96φ-和34φ-的孔组成，总的过流面积相当于mm D 453=孔的面积，符合规定的流阻要求。 3.3、 六通型多路阀的流量微调与压力微调特性 六通型多路阀的基本特性有流量-压力损失特性，阀芯行程-压力特性，阀芯行程-操作力特性、流量微调特性和压力微调特性。其中最为重要的为流量微调 特性，图3-4所示，它表示了阀芯位移（横坐标，单位：mm）与进入执行器流量之间的关系，它 实际上是一种初级的比例控制特性，但有较大的零位死区，而且比例控制范围还受系统压力的很大影响，从图3-4a中可看出随着压力的升高，比例控制范围缩小。 b) 图3-4 六通型多路阀的微调特性 a)流量微调特性 b)压力微调特性 正由于比例控制范围本身就小，又受系统压力影响，其可控作用，实际上只相当于阀口打开的开始一小段，可以粗略地小行程地调节流量。因此，在工程上，将此称为微调特性。 四、六通多路阀附加的负流量控制系统 4.1、 负流量控制基本原理 负流量控制只适应于变量泵，在普通的多路阀中增加流量检测装置。传统的液压挖掘机负流量控制一般都可以简化为如图4-1所示形式，六通多路阀可简化为A 、B 、O 三个联动的可变节流口，经过仔细分析，发现负流量控制在本质上是一种恒流量控制，通过在多路阀旁路回油通路上设置流量检测元件（如图4-1中所示的节流口），控制旁路回油流量为一个较小的恒定值，从而减少旁路节流损失和空流损失。 负流量控制系统也具有一定的调速性，此时阀心位于微调区，多路阀的A 口、O 口都处在打开的状态，使泵输出的流量经过P 口后分成两部分，一部分通过A 口进入液压缸，另一部通过O 口和流量检测节流口回油箱，在这一过程中，控制通过O 口的流量为定值，只需要调整阀心A 口和O 口的通流面积比，使增加的泵输出流量都通过A 口流入液压缸，从而实现液压缸的速度调节。该系统的调速特性和普通阀相似，但节能效果比普通阀好。 4.2、 负流量控制策略和计算 根据负流量控制要求，需要在多路阀旁路回油通路上设置流量检测装置，如图4-1所示，比较简单的一种方法是直接设置一个节流孔，从节流孔前引出压力信号，根据前面提出的恒流量控制观点，只要控制节流孔前的压力恒定，就能保证通过节流孔的流量恒定，因此，负流量控制就转化成了恒压控制，相应的泵控制器也可按恒压控制器来设计，结合图4-1，负流量控制可以表示如下： ()() ()() ()()?? ?? ?++=-=? dt t de K dt t e K K q t P P t e D D I t pe t com 00 式中：()t e —控制误差a MP ，com P 0—设定压力，a MP ()t P 0—节流口压力，a MP ()t q —泵排量控制值，ml/r ； P K 、r K 、Z K 、d K —分别为比例、积分、微分系数。 对负流量控制进行设计时，首先需要确定流量检测节流口上的工作压力和流量值()0,0Q P ，以此设计节流口。节流口上难免要产生一定的功率损失，但希望这一损失较小，只要工作点()00,Q P 确定，就可以根据节流口的压力—流量初步计算出所需要的节流口直径d ： 4 2 2620 (360010) ..81000 P C Q d d πρ-= （4-1） 式中：0Q 通过节流口的工作流量，l/min ；d C —流量系数，通常取0.61；d —节流孔直径，mm ；ρ—液压密度，kg/m 3，0P —节流孔前工作压力a MP 。 例如：我厂生产的WYZ-68多路阀就是利用了流量负反馈的原理，可根 据式（4-1）可计算出所需节流口的直径，其参数初步选取如下： ρ=780kg/m 3 d C =0.61 0P =3Mpa 0Q =30l/min 、 由此可以初步计算出节流孔的直径为d=11.78 mm ，可用4个直径为1.9mm 小孔。 考虑到直柄麻花钻头的直径系列以及加工工艺性，因此将节流孔的直径园整为： 4个直径为 2 mm 小孔。 2.节流口功率损耗：0P W = KW Q 5.10= 从以上计算可见，节流口上所产生的功率损失很小，在实际控制中还有加大节流口工作压力的余地，对于双泵系统，计算出的值还应乘以2。如果对验算 后工作的压力、流量和功率损耗不满意或在实际控 制中不适合，在此基础上重新选择节流口直径或不改变先前的节流口计算结果而重新选择工作压力0P ，直到满意为止。 五、四通阀的负荷传感控制 尽管负流量控制大大提高了工程机械节能性，但这些系统都或多或少地存在一些问题，其根本原因在于采用了具有旁路节流作用的六通多路阀，只有取消旁路回油通道，用四通型多路阀代替六通型多路阀，才能彻底消除存在的问题，使工程机械性能得到进一步提高，负荷传感控制就是其中的一种解决方案。 5.1、采用变量泵提供泵源的负荷传感控制原理 图5-1为负荷传感在工程机械中的应用原理，若多路阀P 口和负载工作口（A 口或B 口）之间压差记为 P ?，假设A 口通压力油，B 口通油箱，在阀口上压力和流量遵循如下方程： P Cdf Q PA PA ?=ρ 2 式中:A D P P P -=? -P P 多路阀P 口压力a P ; -A P 多路阀A 口压力PA ; -PA Q 多路阀P 口到A 口的流量,s m 3 ; -PA f 多路阀P 口到A 口的阀口通流面积2m ; -d C 阀口流量系数; -ρ 液压油密度 2 m kg ; 液压泵在伺服阀控制下，使多路阀P 口与负载工作口之间的压差P ?保持为定值（即所谓的压力适应），这样，流过多路阀的压力油流量PA Q 便与阀口 通流面积PA f 成正比，P ?称为负荷传感压力，大大提高了系统调速性和节能性。在负荷传感控制中，P ?的取值 ，一般为系统最高压力的5%~10%左右。通常卸荷阀节流口压差为0.3～0.5MPa,定差溢流阀压差为1～2MPa.。 虽然采用带有负荷传感的换向阀与带有负荷传感的变量泵进行搭配控 制，这将使整个液压 系统在任何工作状态下，都可实现很高的效率，但牵涉到整个系统成本的因素，因此目前在国内的推土机液压系统仍大多采用定量泵 提供泵源的负荷传感控制形式。下面介绍一种采用定量泵提供泵源的负荷传感控制原理。 如图5-2所示，为负荷传感控制 的单路阀机能原理图，图上 可以看出该换向阀为“O ”型机能 ，即阀杆处于中立位置时，泵来油不经由阀杆流回油箱卸荷。这也是大多负荷传感控制的换向阀的一个特点。 图中1为压力补偿阀，该阀其实是个定差减压阀，用于维持泵油和负载压力为一恒定值ΔP ，当阀杆处于中立位置时，压力补偿阀的LS 口处油液通过梭形阀流回油箱，这时泵油可通过卸荷阀2回油箱。操纵换向阀 4时，工作油口的压力油通过梭形阀3传递至压力补偿阀的LS 口，当泵油升高时，直至 高于工作油压ΔP值后，该阀重新开启，多余的油液经此溢流回油箱，泵压不再升高，并在此建立一个平衡。当负载加大时，即工作油压升高时，压力补偿阀的LS口压力随之升高，补偿阀向关闭方向移动，经此溢流的多余油液瞬间减少，促使泵油压力增大，直至高于工作压力ΔP，压力补偿阀又建立新的平衡。反之，当负载减小时，LS口的压力降低，补偿阀向开口加大的方向移动，泵油卸荷量加大，泵压随之降低，直至新的平衡建立。由上述可看出，由于压力补偿阀2的作用下，泵油与工作油压能够始终维持在一个恒定值，这时流经阀杆4进入工作口的油液流量将只取决于操纵阀杆4换向时的开口面积，即执行元件的工作速度只取决于换向阀的换向位置，而不受负载、发动机转速的变化而改变，这样就可以获得执行元件稳定的工作速度，进一步实现比例调速， 且当换向阀处于微小开口时液 动力较为稳定且不大，系统微调 性能好，同时可以保证在小开口 状态下，可设定较小的、稳定的 节流压差（通常为1~3MPa），减 小了换向阀的节流损失。 5.2、FYZ-40的工作原理 我厂设计开发的新产品 FYZ-40是用于宣化工程机械厂 SD7推土机工作装置的控制多 路阀组，由于该型推土机液压系 统采用定量泵作为液压动力源， 同时由于主机的空间结构限制， 液压系统的油箱较小，没有散热 系统，基于这方面的因素，要求 多路阀设计与分析 单位: 技术中心 作者: 目录 一、概述 (2) 二、我厂常用的几种典型液压阀口过流面积分析及计算 (3) 三、典型三位六通多路阀原理及其应用.... .. (10) 四、六通多路阀附加的负流量控制系统...... (13) 五、四通阀的负荷传感控制 (15) 六、负荷传感多路阀的系统效率分析......... (20) 七、总结和展望 (21) 典型多路阀设计与分析 一、概述 多路阀广泛用于行走机械中，在整个液压行业行走机械所创造的产值在50％以上，所以对多路阀的研究很重要，多路阀换向阀不是常规的换向阀，而是根据不同液压系统的要求，常常集合主安全阀、单向阀、过载阀、补油阀、分流阀、制动阀等，下面我对每个阀的功能作一个简单的介绍。 为防止液压泵超载，在多路换向阀进油腔设置主安全阀，作为整个液压系统的总安全阀。 根据不同的阀体结构，在阀体进油腔或滑阀内装设单向阀，其作用是当滑阀换向时，避免压力油向油箱倒流，从而克服工作过程中的“点头” 现象。 当某一机构的液压缸不工作时，相应的滑阀处于中立位置，两个工作油口被封闭，此时由于意外的撞击等原因，造成液压缸的油压急剧升高，为防止该液压缸及油管破坏，此油口应装过载阀。 当工作机构动作惯性较大，或者快速下降时，所需流量超过泵供油量时，可在多路换向阀内设置必要的补油阀以避免造成吸空现象。 因此，多路换向阀具有结构紧凑、管路布置简单、压力损失小和安装简单等优点，在行走机械中获得广泛应用。 多路阀中每一个换向阀称为联，各联换向阀之间可以是并联、串联、串并联混合。 按阀体的结构形式可分为：整体式和分体式；按操纵型式可分为手动直接式和先导控制式。 从泵的卸荷方式上看，多路阀可分为中位回油卸荷（六通型）和卸荷阀卸荷（四通型），六通型多路阀具有流量微调和压力微调特性，以及可 SolidWorks的液压阀块结构设计 3．1液压阀块的结构特点及设计 3．1．1液压阀块的结构特点 按照结构和用途划分，液压阀块有条形块(Bar Manifolds)、小板块(Subplates)，盖板(Cover plates)、夹板(Sandwich Plates)、阀安装底板(Valve Adaptors)、泵阀块(PumpManifolds)、逻辑阀块(Logic Manifolds)、叠加阀块(Accumulator Manifolds)、专用阀块(Specialty Manifolds)、集流排管和连接块(Header and Junction Blocks)等多种形式[35][36]。实际系统中的液压阀块是由阀块体以及其上安装的各种液压阀、管接头、附件等元件组成。 (1)SolidWorks阀块体 阀块体是集成式液压系统的关键部件，它既是其它液压元件的承装载体，又是它们油路连通的通道体。阀块体一般都采用长方体外型，材料一般用铝或可锻铸铁。阀块体上分布有与液压阀有关的安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔，以及公共油孔、连接孔等，为保证孔道正确连通而不发生干涉有时还要设置工艺孔。一般一个比较简单的阀块体上至少有40-60个孔，稍微复杂一点的就有上百个，这些孔道构成一个纵横交错的孔系网络。阀块体上的孔道有光孔、阶梯孔、螺纹孔等多种形式，一般均为直孔，便于在普通钻床和数控机床上加工。有时出于特殊的连通要求设置成斜孔，但很少采用。 (2)SolidWorks液压阀 液压阀一般为标准件，包括各类板式阀、插装阀、叠加阀等，由连接螺钉安装在阀块体上，实现液压回路的控制功能。 (3)SolidWorks管接头 管接头用于外部管路与阀块的连接。各种阀和阀块体组成的液压回路，要对液压缸等执行机构进行控制，以及进油、回油、泄油等，必须与外部管路连接才能实现。 (4)其它附件 包括管道连接法兰、工艺孔堵塞、油路密封圈等附件。 3．1．2液压阀块的布局原则 阀块体外表面是阀类元件的安装基面，内部是孔道的布置空间。阀块的六个面构成一个安装面的集合。通常底面不安装元件，而是作为与油箱或其它阀块的叠加面。在工程实际中，出于安装和操作方便的考虑，液压阀的安装角度通常采用直角。 液压阀块上六个表面的功用(仅供参考)： 控制阀细节分析之七——阀门定位器与控制阀的连接 李宝华 摘要：阀门定位器是控制阀的重要附件，与执行机构配合使用，可以改善控制阀的静态特性和动态特性，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，实现控制信号对控制阀的准确定位，最终保证控制系统及工业过程的有效运行。对于阀门定位器与控制阀的连接，长期以来各个厂家各自设计配套，相互配用困难。随着控制系统和控制阀诊断技术的发展及最终用户需求的提高，阀门定位器与控制阀的连接标准化是对制造厂家的基本要求，而国际国内也早有相关标准发布实施。 本文试对阀门定位器与控制阀连接的技术细节进行分析探讨。 关键词：连接；阀门定位器；控制阀；标准化；技术细节；分析 引言 对于调节型的控制阀，配置阀门定位器已是用户普遍选择。阀门定位器与控制阀执行机构（主要是气动执行机构）配合使用，可以改善控制阀的静态特性和动态特性，克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，实现控制信号对控制阀的准确定位，最终保证控制系统及工业过程的有效运行。在摩擦力大需要精确定位、缓慢过程需要提高控制阀响应速度、需要提高执行机构输出力和切断能力、分程控制和控制阀运行中有时需要改变正反作用形式、需要改变控制阀流量特性以及阀前后高压差的场合，都适用阀门定位器。控制阀预测性维护和使控制阀成为现场智能设备更是通过配置数字式阀门定位器来实现。 阀门定位器与控制阀的连接标准化符合工业产品先进制造技术的要求。同时，随着控制系统和总线技术的快速发展，终端控制元件及其配套的阀门定位器也要快速跟进，加之控制阀诊断技术的推出，对不同厂家的控制阀使用相同类型/型号的阀门定位器已是用户进行预测性维护和降低运行成本的手段之一。符合标准的产品也能增加制造厂家的市场竞争力。 国内外的控制阀生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多。仅此连接的问题而言，目前只有SAMSON、ARCA等一小部分制造厂家生产符合阀门定位器与控制阀连接标准的产品。笔者结合相关标准和部分控制阀产品试对阀门定位器与控制阀连接的技术细节进行分析探讨。 阀门定位器与控制阀的连接标准 对于阀门定位器与控制阀的连接，长期以来各个厂家各自设计配套，相互配用困难，有的连接结构也不太适合复杂现场环境、反馈部件和外管路繁杂、易碰损、抗震性差、维护不方便。欧洲国家尤其是德国很早就开始推动此项标准化工作。德国测量与控制标准协会（NAMUR）30多年前就制定有NE 04标准，业内称为NAMUR连接（NAMUR有一系列有关过程控制仪表连接的标准规范，国内控制仪表行业统称之为NAMUR连接），基本解决了不同厂家的控制阀执行机构与阀门定位器相互组合、方便互换的问题；后来在此基础上演变形成了IEC标准IEC 60534-6-1和IEC 60534-6-2。中国于2005年发布了等同于IEC的GB/T标准（GB/T 17213.6-2005和GB/T 17213.13-2005）并于2006年开始实施。而在德国，其德国工程师协会/德国电气工程师协会（VDI/VDE）也发布有阀门定位器与控制阀连接的VDI/VDE 3847标准和VDI/VDE 3845标准， IEC 60534-6-1《工业过程控制阀第6-1部分定位器与控制阀执行机构连接的安装细节定位器在直行程执行机构上的安装》，目的是构筑阀门定位器在执行机构侧面连接的标准化，使各种阀门定位器能直接地或利用过渡支架安装于直行程执行机构上，以满足各种控制阀执行机构与阀门定位器能互换的要求。标准化安装方式适用于铸造支架、杆型（立柱）支架或某种中心管支架，结构规范了带有安装孔的凸缘（即NAMUR NE04标准中的NAMUR rib）、带安装螺孔的平面以及利用U形螺栓固定安装板。其中，带凸缘的铸造支架结构的规范尺寸见图1。 IEC 60534-6-2《工业过程控制阀第6-2部分定位器与控制阀执行机构连接的安装细节定位器在角行程执行机构上的安装》，适用于角行程执行机构，其基本结构和通用结构的规范尺寸见图2。 德国VDI/VDE 3847标准有两个部分，其第1部分针对直行程执行机构提出三种情况的连接标准：直接安装的集成连接方式、铸造支架的连接方式、杆型支架的连接方式。带有凸缘的铸造支架连接型式也就是NAMUR连接。VDI/VDE 3847第1部分中的铸造支架和杆型支架连接方式是与IEC 60534-6-1标准（GB/T 17213.6-2005）基本相同的。第1部分中的直接安装集成连接方式在IEC标准中并没有，但其具有的隐藏保护的反馈连接、无需外部配管的内置气路、很好的防碰撞抗震防护等特征受到大多最终用户的青睐，德国的控制阀和阀门定位器制造厂家基本都有符合直接安装集成连接的产品，计算选型配置时也优先选择直接集成连接方式。 液压阀块设计规范 液压阀块的设计大多属于非标设计,需要根据不同的工况和使用要求进行针对性设计,设计阀块时大致分为以下几步:选材、设计、加工与热处理、去毛刺与清洗、表面防锈处理、试验。 1、选材： 不同的材料决定了不同的压力等级，首先根据使用压力进行合理选材，一般来说遵循以下原则： 工作压力P<6.3MPa时，液压阀块可以采用铸铁HT20一40。采用铸铁件可以进行大批量铸造，减少工时，提高效率，特别适用于标准化阀块。 6.3MPa≤P<21MPa时，液压阀块可以选用铝合金锻件、20号锻钢或者Q235；低碳钢焊接性能好，特别适合与非标的硬管（使用中很多阀块需要和硬管进行焊接）进行焊接。 P≥21MPa时，液压阀块可以选用35号锻钢。锻打后直接机加工或者机加工后调质处理HB200-240（一般高压的阀块，往往探伤、机加工与热处理循环进行）。 设计阀块时阀块最初的厚度定为最大通径的5倍，然后根据具体设计逐步才缩小；设计通道时应合理布置孔道，尽量减少深孔、斜孔和工艺孔，先安排大流量通道，最后是先导油通道，各孔道之间的安全壁厚不得小于3～5mm ，还应考虑钻头在允许范围内的偏斜，适当加大相邻孔道的间距；通道内液压油流速不能高于12m/s ，回油通道要比是进油通道大20-40%；阀块进油口，工作口，控制口要加工测压口；各阀口要刻印标号；对于质量较大的阀块必须有起吊螺钉口。 阀体设计的一般规定: 1.阀块体的外形一般为矩形六面体。 2.阀块体材料宜采用35钢锻件或连铸坯件。 3.阀块体的最大边长宜不大于600mm ，所包含的二通插装阀插件数量宜不大于8。 4.当液压回路所含的插件多于8个时，应分解成数个阀块体，各阀块体之间用螺栓相互连接，结合面处的连接孔道用O 型密封圈予以密封，组成整体的阀块组。连接螺栓的矩形性能应不低于12.9级。 5.设计阀块体的主级孔道时应考虑尽可能减小流阻损失及加工方便。 6.主级孔道的直径按公式(1)估算选取： max v 61.4Q D 式中： D - 孔道直径，mm; Q - 孔道内可能流过的最大工作流量，L/min; vmax - 孔道允许的最大工作液流速，m/s 。 一般，对于压力孔道，vmax 不大于6m/s;对于回油孔道，vmax 不大于3m/s 。 按公式(1)估算出的孔道直径应园整至标准的通径值。 7.当主级孔道与多个插件贯通时，为减小贯通处的局部流阻损失，宜采用与插件孔偏贯通的方法(使主级孔道的中心线与插件孔的中心线偏移)。一般使主级孔道中心线与插件孔孔壁相切。同时也可以加大孔道通径，加大的通径应不超过GB2877的规定。 8.为改善深孔工艺性，设计时可考虑增大孔径或采用两端钻孔对接的方法。 9.设计时应尽量避免在阀块体内设置复杂连接的控制孔道和三维斜孔，应充分利用控制盖板内的控制孔道，或采用先导控制块等专用的控制孔道连接体。先导孔道的直径应与 控制阀的分类及优缺点分析说明控制阀有蝶阀、闸阀、球阀、安全阀、蒸汽疏水阀、截止阀等多种类型，每种类型的控制阀都有自己的优点与缺点，下面就将多种不同类型的控制阀进行详细分析。 蝶阀：蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90°左右来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。 优点： ①结构简单，体积小，重量轻，耗材省，别用于大口径阀门中; ②启闭迅速，流阻小; ③可用于带悬浮固体颗粒的介质，依据密封面的强度也可用于粉状和颗粒状介质。可适用于通风除尘管路的双向启闭及调节，广泛用于冶金、轻工、电力、石油化工系统的煤气管道及水道等。 缺点： ①流量调节范围不大，当开启达30%时，流量就达到近95%以上。 ②由于蝶阀的结构和密封材料的限制，不宜用于高温、高压的管路系统中。一般工作温度在300℃以下，PN40以下。 ③密封性能相对于球阀、截止阀较差，故用于密封要求不是很高的地方。 闸阀：闸阀是指关闭件(闸板)沿通道轴线的垂直方向移动的阀门，在管路上主要作为切断介质用，即全开或全关使用。一般，闸阀不可作为调节流量使用。它可以适用低温压也可以适用于高温高压，并可根据阀门的不同材质。但闸阀一般不用于输送泥浆等介质的管路中。 优点： ①流体阻力小; ②启、闭所需力矩较小; ③可以使用在介质向两方向流动的环网管路上，也就是说介质的流向不受限制; ④全开时，密封面受工作介质的冲蚀比截止阀小; ⑤形体结构比较简单，制造工艺性较好; ⑥结构长度比较短。 缺点： ①外形尺寸和开启高度较大，所需安装的空间亦较大; ②在启闭过程中，密封面人相对摩擦，摩损较大，甚至要在高温时容易引起擦伤现象; ③一般闸阀都有两个密封面，给给加工、研磨和维修增加了一些困难; ④启闭时间长。 球阀：是由旋塞阀演变而来，它的启闭件是一个球体，利用球体绕阀杆的轴线旋转90°实现开启和关闭的目的。球阀在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向，设计成V形开口的球阀还具有良好的流量调节功能。 优点： ①具有最低的流阻(实际为0); ②因在工作时不会卡住(在无润滑剂时)，故能可靠地应用于腐蚀性介质和低沸点液体中; ③在较大的压力和温度范围内，能实现完全密封; ④可实现快速启闭，某些结构的启闭时间仅为0.05~0.1s，以保证能用于试验台的自动化系统中。快速启闭阀门时，操作无冲击。 多路换向阀尺寸设计计算 预设主阀的额定流量：Q =80L/min 预设主阀的额定压力：P S =31.4Mpa 为了使换向阀的压力损失尽量小，应使得流道上任意端面的流速V 限制在2~6m/s 以内，高压时最大亦不应超过8m/s ，而且应使整个流道上的过流断面积只在很小范围内变化，以减小在过流断面积剧烈变化处附加压力损失。故以下取速度V =6m/s 。 1 多路换向阀主要尺寸的确定 1.1、进出油口的直径d 从在进出油口的面积可以顺利通过额定流量考虑： Q V )d (≥??π22 即V Q d ?π?≥ 4 (1-1) 式中d ——进出油口的直径； V ——进出油口直径d 处油液流速； Q ——主阀的额定流量； 1.2 阀芯台肩大直径D 和小直径d 1，阀芯中间孔直径d 0 (1)、理论取值 从强度考虑：d 1≥ 0.5×D ； 从阀芯与阀体间环形通道流可以顺利通过额定流量考虑：0.25×π×(D 2-d 12)×V ≥ Q ； 由上两式解得： d D d V Q ?≤≤+?π?242 1 (1-2) V Q D d D 1?π?- ≤≤?4212 (1-3) 式中D ——阀芯台肩大直径； d 1——阀芯台肩小直径； 式(1-2)、(1-3)两式中对于阀芯无中间孔时常取：d 1=0.5×D (1-4) 以上计算所得的D 、d 1、都要圆整为标准值。 (2)、经验取值 为使得阀芯中间孔壁厚面积 4 2 021d d ?-?ππ、阀杆外环形面积 4 2 12d D ?-?ππ、 阀进出油口面积 4 2 d ?π相当。 当阀芯无中心孔时：取D =1.4×d ；d 1=d ； (1-5) 当阀芯有中心孔时：取D =1.7×d ；d １=1.4×d ；d 0=d ； (1-6) 式中d 0——阀芯中间孔直径； 以上计算所得的D 、d 1、d 0都要圆整为标准值。 1.3、有效封油长度l f 和封油长度L f 及间隙δ的确定 (1)、按照理论选取上述参数l f 、L f 、δ 从泄漏量需要小于允许的最大泄漏量考虑：q ≤[q ] (1-7) 带偏心圆环缝隙泄漏量公式为：)5.11(12223δ μδπe l P D q f ?+?????= (1-8) 有效封油长度与封油长度的关系为：l f =L f -Z×b ， (1-9) 式中：D ——阀芯台肩大径； P ——缝隙前后压差； δ——单边间隙； μ——为油液黏度； e ——为偏心距离； Z ——均压槽个数； b ——均压槽宽度； [q ]——最大内泄漏允许值； 结合目前加工工艺水平，设计时常定为[q ]=0.01Q 。考虑当完全偏心时即e/δ=1此时内泄漏量最大。由上式(1-7)、(1-8)、(1-9)解得： Q P D l f ???????≥μδπ01.0125.23 (1-10) 当完全偏心时,由式(1-9)得泄漏量与间隙成三次方的关系，为了减小泄漏量设计时取: δ=0.0035~0.01mm (1-11) (2)、按照经验选取有效封油长度l f 表1-1 工作压力与封油长度推荐值 工作压力(Mpa) 0.5~2.5 2.5~8.0 8.0~16.0 16.0~32.0 >32.0 封油长度(mm) 1.5~ 2.0 2.0~ 3.0 3.0~ 4.0 4.0~ 5.0 6.0~ 7.0 1.4、沉割槽直径D 1及阀体沉割槽间距b 四通换向阀的结构与工作原理: 1、四通换向阀的构成 四通换向阀主要由四通气动换向阀（主阀）、电磁换向阀（控制阀）及毛细管组成。主阀内由滑块、活塞组成活动阀芯，主阀阀体两端有通孔可使两端的毛细管与阀体内空间相连通，滑块两端分别固定有活塞，活塞两边的空间可通过活塞上的排气孔相通。控制阀由阀体和电磁线圈组成。阀体内有针型阀芯。主阀与控制阀之间有三根（或四根）毛细管相连，形成四通换向阀的整体。 四通换向阀的工作原理, 主阀的管口（4）连接于压缩机高压排气口，管口（2）连接于压缩机低压吸气口。（1）、（3）两个管口分别连接蒸发器的出气口和冷凝器的进气口。按图所示，（3）接冷凝器进气口，（1）接蒸发器出气口。 当电磁阀不通电时，系统工作于制冷状态，控制阀因弹簧1的作用，阀心移至左端，处于释放状态，此时毛细管E与C连通。因为E接在低压吸气管上，所以毛细管C及主阀内左端空间均为低压，高压气体由主阀管口4进入主阀，经活塞I的排气孔使主阀内的右端空间成为高压，推动主阀阀芯移至左端，管口2与管口1连通而管口4与管口3连通，系统形成制冷循环状态。（如图所示） 当电磁阀通电时，电磁力吸动控制阀阀芯向右移动，毛细管E与D相连。主阀内右端空间成为低压，高压气体经活塞II的排气孔进入主阀内左端空间，推动阀芯移向右端，管口2与管口3连通而管口4与管口1连通，蒸发器、冷凝器的功能对换，系统转换成制热循环状态。 3、四通换向阀应用中的注意事项! a）四通换向阀的各接口焊接应严密、可靠，避免出现假焊、虚焊等不良现象； b）四通换向阀不应出现与其它管路、部件碰撞、摩擦现象，以避免造成噪音及部件损坏等后果 c）四通换向阀线圈应固定牢固，避免出现松动现象，影响四通阀吸合的可靠性 d）四通换向阀在焊接时必须采取有效的降温措施，以防置在焊接过程中因高温引起阀芯变形，造成部件报废； e）使用中四通换向阀的四根管路应为2热2凉，如出现温差过小或无温差，说明四通换向阀高、低压已经串气，应及时更换四通换向阀。 四根毛细管连接主阀与控制阀的四通换向阀原理介绍 主阀与控制阀有四根毛细管连接的四通换向阀，与三根毛细管连接的四通换向阀相比较，控制阀下边的三根毛细管连接方法相同，但在控制阀上增加了一根毛细管连接至主阀的高压进气管4，多了一条高压通道。这种四通换向阀的控制阀与主阀在结构和动作原理上基本一致，即：控制阀本身也是一个四通换相阀。 当系统处于制冷状态时，电磁线圈不通电，控制阀释放，阀芯因弹簧力作用移至左端，毛细管E与C连通，B与D连通，主阀管口4 内的高压通过毛细管B、D进入主阀内右端空间，主阀内左端空间经毛细管C、E连至低压出气口2，主阀内部压力为右高左低，活塞带动滑块移向左端，管口2与1连通，4与3连通； 非常详细的液压阀块设计经验总结 1.阀块体的外形一般为矩形六面体。 2.阀块体材料宜采用35钢锻件或连铸坯件。 3.阀块体的最大边长宜不大于600mm，所包含的二通插装阀插件数量宜不大于8。 4.当液压回路所含的插件多于8个时，应分解成数个阀块体，各阀块体之间用螺栓相互连接，结合面处的连接孔道用O型密封圈予以密封，组成整体的阀块组。连接螺栓的矩形性能应不低于12.9级。 5.设计阀块体的主级孔道时应考虑尽可能减小流阻损失及加工方便。 6.主级孔道的直径按公式(1)估算选取： 式中： D - 孔道直径，mm; Q - 孔道内可能流过的最大工作流量，L/min; vmax - 孔道允许的最大工作液流速，m/s。 一般，对于压力孔道，vmax不大于6m/s;对于回油孔道，vmax不大于3m/s。 按公式(1)估算出的孔道直径应园整至标准的通径值。 7.当主级孔道与多个插件贯通时，为减小贯通处的局部流阻损失，宜采用与插件孔偏贯通的方法(使主级孔道的中心线与插件孔的中心线偏移)。一般使主级孔道中心线与插件孔孔壁相切。同时也可以加大 孔道通径，加大的通径应不超过GB2877的规定。 8.为改善深孔工艺性，设计时可考虑增大孔径或采用两端钻孔对接的方法。 9.设计时应尽量避免在阀块体内设置复杂连接的控制孔道和三维斜孔，应充分利用控制盖板内的控制孔道，或采用先导控制块等专用的控制孔道连接体。先导孔道的直径应与GB2877的规定一致。若因工艺需要而减小先导孔道的直径时，应作验算，确认不至影响对主级阀的控制要求。 10. 应避免采用倾斜孔道。必须倾斜时，孔道的倾斜角度应不超过35°，并须保证孔口的密封良好。对主级斜孔，应在有关视图上标注出因斜孔加工而造成的椭园孔口的长轴尺寸。 11. 当较小孔道孔径不大于25mm时，两相邻孔道孔壁之间的距离应不小于5mm;较小孔道孔径大于25mm时，两相邻孔道孔壁之间的距离应不小于10mm。 12. 为避免污染物的沉积，对于相通的孔道，孔深一般应到与之相通的孔道的中心线为止。 13.主级孔道的外接油口一般采用法兰连接。对于通径为25mm以下的较小油口，也可采用螺纹连接。先导孔道的外接油口宜采用螺纹连接。 14. 工艺孔道应采用螺塞、法兰等可拆方式封堵，以便孔道的清理、清洗和检查。螺塞的螺纹应符合GB2878的规定。在位置不允许时，对直径不大于12mm的孔道，允许采用球涨式堵头封堵。 控制阀细节分析之八——控制阀模块化设计 李宝华 摘要：模块化设计是先进制造技术的现代设计方法，对控制阀产品进行模块化设计是发展趋势。从系统论出发，一个好产品首先要全系统通盘考虑，有一个响应全局的结构；再由系统结构决定部件功能；细节决定功能的完善与缺陷。在决定系统结构后，在结构没有问题的前提下，细节决定成败。本文试对控制阀模块化设计以及部分厂家的模块化控制阀产品进行探讨和细节分析 关键词：模块化设计；控制阀系统结构；细节优化；分析 引言 控制阀（Control valve，国标GB/T 17213.1-1998定义为控制阀，国内旧称调节阀）是终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节。 国内外控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐。相比之下，国产控制阀更显弱势，原有的产品设计理念和制造模式使其与国外控制阀厂家的技术差距加大，产品质量更存有较多问题，需要努力和改进的地方很多。 不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何？产品设计理念向何方转变？都是大家关注的问题。针对大多数厂家都能生产的直通单座控制阀，本文试对控制阀模块化设计以及部分厂家的模块化控制阀产品进行探讨和细节分析。 模块化设计 模块化设计（Modular Design缩写MD）是先进制造技术的现代设计方法，也是上世纪九十年代初国际上迅速发展的快速设计技术（Rapid Design Technology缩写RDT）中的重要组成，面对整个产品系统的标准化、组合化设计。 模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，并通过对模块的选择和组合构成不同产品的设计方法。分散的相对独立的模块遵守共同的明确规则，以保证这些模块能够组合成一个完整的系统，并能够随时加入新的模块增加系统功能。动态的模块化设计创造了选择权，缩短了产品生产周期，事后竞争性再集中大大增强了产品的灵活性和竞争力。从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新，是工业产品的发展趋势。 从系统论出发，一个好产品首先要全系统通盘考虑，有一个响应全局的结构；再由系统结构决定部件功能。细节决定功能的完善与缺陷。在决定系统结构后，在结构没有问题的前提下，细节决定成败。模块化设计就是系统结构优先、部件功能优化、模块动态组合，用现代设计技术实现包括控制阀在内的工业产品先进制造的成功之路。 控制阀模块化设计 控制回路中向来薄弱的是终端控制元件（控制阀、执行机构），源自OREDA的回路故障分析，终端控制元件的故障率占了全部故障的50％。传统的控制阀产品性能落后、功能单一、维修不便，在技术上急待改进和创新，发展的方向应是控制阀模块化设计以及数字化应用。 控制阀模块化设计也是遵守从系统结构入手，将整个控制阀系列产品按照功能切分成有限多的通用模块（不变部分）和专用模块（变化部分），各模块独立开发并要求具有更多更好的性能，优化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件，基于大部分部件确定使用通用模块、少部分按用户技术条件选择专用模块，从而快速响应市场，组合成满足需求的控制阀产品。 模块化设计的控制阀以其全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可靠性，以及产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修，使控制阀整体功能和性能明显提升。有统计资料显示，采用模块化设计的控制阀与传统设计的控制阀相比，其零部件数量可减少25%，成本可降低20%，可组成的品种规格可增加40%之多。对最终用户来说，会更有利于设备管理和运行维护，并能大幅度减少备件库存数量。对制造厂而言，工装模具数量将明显减少，中间产品数量和库存也将大大减少，响应市场更快。 对控制阀实施模块化设计较早出现在欧洲的控制阀厂家及其产品系列，在上世纪八、九十年代，德国SAMSON公司有模块化的紧凑型240/250/280系列控制阀、德国ARCA公司有模块化的ECOTROL 控制阀。而全球生产控制阀历史最久的美国FISHER公司（属EMERSON集团）一直坚守传统的设计、推崇原有的E家族系列控制阀，最终也在2004年推出模块化GX型控制阀。中国的控制阀制造厂也开 换向阀中位机能 B P T 一、Ｏ型符号为： 结构特点：其中Ｐ表示进油口，Ｔ表示回油口，Ａ、Ｂ表示工作油口。结构特点：在中位时，各油口全封闭，油不 流通。机能特点：１、工作装置的进、回油口都封闭，工作机构可以固定在任何位置静止不动，即使有外力作用也不能使工作机构移动或转动，因而不能用于带手摇的机构。２、从停止到启动比较平稳，因为工作机构回油腔中充满油液，可以起缓冲作用，当压力油推动工作机构开始运动时，因油阻力的影响而使其速度不会太快，制动时运动惯性引起液压冲击较大。３、油泵不能卸载。４、换向位置精度高。 AB 二、Ｈ型符号为 结构特点：在中位时，各油口全开，系统没有油压。机能特点：１、进油口Ｐ、回油口Ｔ与工作油口Ａ、Ｂ全部连通，使工作机构成浮动状态，可在外力作用下运动，能用于带手摇的机构。２、液压泵可以卸荷。３、从停止到启动有冲击。因为工作机构停止时回油腔的油液已流回油箱，没有油液起缓冲作用。制动时油口互通，故制动较Ｏ型平稳。４、对于单杆双作用油缸，由于活塞两边有效作用面积不等，因而用这种机能的滑阀不能完全保证活塞处于停止状态。 AB PT 三、Ｍ型符号为 结构特点：在中位时，工作油口Ａ、Ｂ关闭，进油口Ｐ、回油口Ｔ直接相连。机能特点：１、由于工作油口Ａ、Ｂ封闭，工作机构可以保持静止。２、液压泵可以卸荷。３、不能用于带手摇装置的机构。４、从停止到启动比较平稳。５、制动时运动惯性引起液压冲击较大。６、可用于油泵卸荷而液压缸锁紧的液压回路中。 AB PT 四、Ｙ型符号为 结构特点：在中位时，进油口Ｐ关闭，工作油口Ａ、Ｂ与回油口Ｔ相通。机能特点：１、因为工作油口Ａ、Ｂ与回油口Ｔ相通，工作机构处于浮动状态，可随外力的作用而运动，能用于带手摇的机构。２、从停止到启动有些冲击，从静止到启动时的冲击、制动性能０型与Ｈ型之间。３、油泵不能卸荷。 AB PT 五、Ｐ型符号为 结构特点：在中位时，回油口Ｔ关闭，进油口Ｐ与工作油口Ａ、Ｂ相通。机能特点：１、对于直径相等的双杆双作用油缸，活塞两端所受的液压力彼此平衡，工作机构可以停止不动。也可以用于带手摇装置的机构。但是对于单杆或直径不等的双杆双作用油缸，工作机构不能处于静止状态而组成差动回路。２、从停止到启动比较平稳，制动时缸两腔均通压力油故制动平稳。３、油泵不能卸荷。４、换向位置变动比Ｈ型的小，应用广泛。 AB PT 六、N型符号为 结构特点：在中位时，进油口P和工作油口B关闭，工作油口A和回油口T相通。机能特点：1、油泵不能卸荷。2、在外力作用下能单方向移动。 为什么截止阀都是低进高出 截止阀 又称截门阀，属于强制密封式阀门，是截断类阀门的一种。 按连接方式分为三种：法兰连接、丝扣连接、焊接连接。我国阀门三化给曾规定，截止阀的流向，一律采用自上而下，所以安装时有方向性。阀杆的运动形式，（通用名称：暗杆），有升降旋转杆式，可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。因此，这种类型的截流截止阀阀门非常适合作为切断或调节以及节流用。由于该类阀门的阀杆开启或关闭行程相对较短，而且具有非常可靠的切断功能，又由于阀座通口的变化与阀瓣的行程成正比例关系，非常适合于对流量的调节。 截止阀设计为低进高出，目的是使流动阻力小，在开启阀门时省力。同时阀门关闭时，阀壳和阀盖间的垫料与阀杆周围的填料不受力，不致长时间受到介质压力和温度的作用可延长使用寿命，减少泄漏的几率。另外这样还可在阀门关闭的状态下更换或增添填料，便于维修。 很多人认为，截止阀都是低进高出，其实不然。一般情况下截止阀都是低进高出，然而也有一些特殊情况截止阀是高进低出： 1、直径大于100mm的高压截止阀 由于大直径阀门密封性能差，采用这种方法截止阀在关闭状态下，介质压力作用在阀瓣上方，以增加阀门的密封性。 2、旁路管道上串联的两个截止阀，第二个截止阀要求高进低出 为保证一个检修周期内阀门的严密性，经常启闭操作的阀门要求装设两个串联的截止阀。对于旁路系统而言，此旁路的装设作用有： ①平衡主管道阀门前后压力，使开启方便省力，减小主管道阀门的磨损； ②启动过程中小流量暖管； ③主给水管道上，控制给水流量以控制锅炉升压速度进行锅炉水压试验。 按介质流动方向旁路截止阀分别为一次阀和二次阀，机组正常运行时一次阀和二次阀是关闭的，二者都和介质直接接触。为防止二次阀阀壳和阀盖间的垫料与阀杆周围的填料长时间受到介质和温度作用，以及在运行过程可以更换阀门的填料，二次阀要求的安装方向高进低出。 3、锅炉排气、放空截止阀 锅炉排气、放空截止阀仅在锅炉启动上水过程中使用，启闭频率小，但常常由于密封不严而造成工质损失，为此有的电厂为了提高严密性将此类截止阀安装方向高进低出。 4、电磁速断阀 电磁速断阀的功能是快速关闭，迅速切断燃油供应。电磁速断阀的结构和截止阀的结构相似，如果电磁速断阀也是工质从下部进入，上部流出，则燃油作用在电磁速断阀阀瓣下部的力很大，而电磁速断阀的重锤远小于它。因此，如果工质从下部进入速断阀，则因重锤产生力矩小于燃油压力产生的力矩，当速断阀动作时不能将燃油切断，因而达不到预期的目的。如果工质从速断阀上部进入，则由于速断阀一旦动作后，阀后压力迅速降低，燃油作用在阀瓣下部的力很快降为零，而燃油作用在阀瓣上的力和重锤、杠杆的重力所形成的力。 控制阀细节分析之六—气动薄膜执行机构 李宝华 摘要：控制阀主要由执行机构和阀两大部分以及相关附件组成。执行机构用于力或力矩转换和位移转 换；阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。最常用的执行机构是气动薄膜执行器，其结构简单、动作可靠、维护方便、价格较低。 关键词：控制阀；气动薄膜执行机构；力平衡关系；结构；技术分析 引言 控制阀是工业过程应用最多的终端控制元件，常常决定着过程控制是否及时有效，是控制回路中较为重要的环节。控制阀主要由执行机构和阀两大部分以及相关附件组成。执行机构用于力或力矩转换和位移转换；阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。 有数据表明控制阀是一个薄弱环节，控制阀故障在控制回路故障总数中有超过50％的频次。在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，控制阀的必要性、重要性以及较高的故障频次已引起业内注意。 国内外的控制阀生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，且质量参差不齐。不同厂家在同类型控制阀的设计差异及其技术特点和应用情况如何？应是大家关注的问题。针对目前用量最大、多数厂家都在生产的控制阀的气动薄膜执行机构，在技术上试进行一些细节分析。 执行机构 现行国标GB/T17213.1-1998《工业过程控制阀 第1部分：控制阀术语和总则》（等效IEC 60534-1：1987）对执行机构（Actuator ）的定义是：将信号转换成相应的运动，改变控制阀内部调节机构（截流件）位置的装置或机构。该信号或者驱动力可以是气动、电动、液动或它们的任何一种组合。 控制阀的阀门型式多种多样，每一种型式都对其驱动装置（执行机构）有不同的要求，执行机构的通用型式有： ? 气动薄膜执行机构 ? 气缸（活塞）式执行机构 ? 电动执行机构 ? 电-液执行机构 ? 手动执行机构 ? 伺服执行机构 其中气动薄膜执行机构以其结构简单、动作可靠、维护方便、价格较低，是直行程控制阀最常用的执行机构。它分为正作用与反作用动作形式以及单弹簧与多弹簧设计结构，如图1、2所示。 气动信号压力引入膜室内，当气压增加将膜片向下推并使执行机构推杆伸出（向下位移）称为正作用执行机构（德国制造厂称之为“Actuator stem retracts （FE ）/执行机构推杆缩回（故障开即气关）”）；反之，当气压增加把膜片向上推并使执行机构推杆缩回（向上位移）称为反作用执行机构（德国制造厂称之为“Actuator stem extends （FA ）/执行机构推杆伸出（故障关即气开）”）。正、反作用的气动薄膜执行机构结构、部件基本相同，都是由上下膜盖、橡胶薄膜膜片、推杆、弹簧及托板等组成，还可 图 1 多弹簧气动薄膜执行机构正作用 反作用信号 图2 单弹簧气动薄膜执行机构膜室盖 膜片托板 执行器弹簧 执行器推杆 弹簧座 弹簧调整 杆连接器 支架 行程指示盘 行程刻度 膜片 反作用正作用信号 信号 换向阀中位机能详解 换向阀中位机能 PT 一、Ｏ型符号为： 结构特点：其中Ｐ表示进油口，Ｔ表示回油口，Ａ、Ｂ表示工作油口。结构特点：在中位时，各油口全封闭，油不 流通。机能特点：１、工作装置的进、回油口都封闭，工作机构可以固定在任何位置静止不动，即使有外力作用也不能使工作机构移动或转动，因而不能用于带手摇的机构。２、从停止到启动比较平稳，因为工作机构回油腔中充满油液，可以起缓冲作用，当压力油推动工作机构开始运动时，因油阻力的影响而使其速度不会太快，制动时运动惯性引起液压冲击较大。３、油泵不能卸载。４、换向位置精度高。 二、Ｈ型符号为 结构特点：在中位时，各油口全开，系统没有油压。机能特点：１、进油口Ｐ、回油口Ｔ与工作油口Ａ、Ｂ全部连通，使工作机构成浮动状态，可在外力作用下运动，能用于带手摇的机构。２、液压泵可以卸荷。３、从停止到启动有冲击。因为工作机构停止时回油腔的油液已流回油箱，没有油液起缓冲作用。制动时油口互通，故制动较Ｏ型平稳。４、对于单杆双作用油缸，由于活塞两边有效作用面积不等，因而用这种机能的滑阀不能完全保证活塞处于停止状态。 P T 三、Ｍ型符号为 结构特点：在中位时，工作油口Ａ、Ｂ关闭，进油口Ｐ、回油口Ｔ直接相连。机能特点：１、由于工作油口Ａ、Ｂ封闭，工作机构可以保持静止。２、液压泵可以卸荷。３、不能用于带手摇装置的机构。４、从停止到启动比较平稳。５、制动时运动惯性引起液压冲击较大。６、可用于 油泵卸荷而液压缸锁紧的液压回路中。 P T 四、Ｙ型符号为 结构特点：在中位时，进油口Ｐ关闭，工作油口Ａ、Ｂ与回油口Ｔ相通。机能特点：１、因为工作油口Ａ、Ｂ与回油口Ｔ相通，工作机构处于浮动状态，可随外力的作用而运动，能用于带手摇的机构。２、从停止到启动有些冲击，从静止到启动时的冲击、制动性能０型与Ｈ型之间。３、油泵不能卸荷。 P T 五、Ｐ型符号为 结构特点：在中位时，回油口Ｔ关闭，进油口Ｐ与工作油口Ａ、Ｂ相通。机能特点：１、对 目录 一、产品概述 2 3 二、工作流程图 5 三、设备的系统说明 6 四、设备的安装和运行 五、设备安装示意图7 8 六、流量型控制器调试步骤 9 七、时间型控制器调试步骤 八、故障排除11 产品概述 FLECK全自动控制器以闻名于世的FLECK公司软化水技术为基础，它是将软水器的运行及再生的每一个步骤实现全自动控制，并采用时间、流量或感应器等方式来启动再生。 调整FLECK系列全自动软水器采用时间同步电机控制全部的工作程序，在7天或12天范围内根据需要设定还原周期，二十四小时内任意选择还原时间，并可以对还原过程进行调整。 富来流量型全自动软水器采用流量控制全部工作程序，设备可连续（或间断）供水。再生—由流量控制器自动启动再生装置，可根据需要自行设定再生程序。由于FLECK系列全自动软水设备控制系统技术成熟、操作简便、采用了无铅黄铜阀体完全符合食品卫生要求，配以聚四氟乙烯（Teflon）涂层活塞减小了阻力，延长了使用寿命，运行可靠。 FLECK系列全自动阀门应用于工业锅炉、热交换器、大型中央空调、宾馆饭店、食品工业、洗衣印染、医疗卫生等行业，该产品具有自动化程度高、交换容量大、结构紧凑、能耗低、省人工、无需日常保养等特点。 进口压力：0.2Mpa—0.6Mpa 工作温度：2℃--50℃ 出水硬度：≤0.03 mmoI/L 使用电源：220V/50Hz AC 布置形式：单罐或多罐并联 再生方式：顺流再生或逆流再生 操作程序：自动程序控制 使用树脂：001×7强酸性阳离子交换树脂 我公司将为用户提供完善的技术服务。 工、3150、2900、3900、MODEL2510、27502850 程图作流 2、反洗状态 1、工作状态 硬水进入控制阀后经过：控制阀硬水经过控制阀进入树脂罐，经树脂通过底部的布中心升降管向下层处理的水通过底步的布水器，进入最后经过树脂层向上水器沿着中心升降管向上，再通过控制阀通过控制阀排水口排出流出。 、再生状态3 4、慢速清洗状态 第一节多路阀主油路液压系统 多路阀是工程机械液压系统的重要部件，它是组成液压系统的主要部分，确定了液压泵向各液压作用元件的供油路线和供油方式，多液压作用元件同时动作时的流量分配，如何实现复合动作，决定了工程机械作业时运动学和动力学的特性，动作优先和配合，合流供油和直线行走等。它的设计依据是能否更好地满足工程机械作业要求和工况要求。工程机械多路阀有采用通用的多路阀，但为了更好的满足工程机械的性能要求，不少工程机械采用专用多路阀，专用多路阀液压系统应该是由了解和熟悉工程机械的主机厂来设计。液压系统原理图设计好后，多路阀的结构设计、工艺制造设计可由主机厂委托液压件厂来生产制造。 一，多路阀基本類型 工程机械多路阀液压系统大致可分为两大类：开中心直通六通阀系统和闭中心四通阀（负载敏感阀）系统，两者差异较大，需要分别讨论。 1，多路阀各阀之间油路连接基本方式 多路阀各阀之间油路连接方式主要是液压泵压力油向各阀供油连接方式，供油方式不同则多路阀阀杆同时动作，实现多液压动作元件复合动作时，其运动特性和力学特性不同。多路阀内阀杆油路连通基本方式有串联式、并联式、优先式（串并联）三种。 2 2 1 12 2 1 1 2 2 1 1 （a）串联式（b）并联式（c）串并联式 图14 多路阀阀杆油路连接基本方式 1．串联式（图13（a）所示） 前联换向阀的回油口和后联换向阀的进油口相连，串联油路的特点可以实现两个和两个以上液压动作元件同时动作。液压泵的工作压力是同时工作液压元件压力的总和。 在初期挖掘机上曾采用过这种油路。但是挖掘机一般都在重负荷下工作，为了使结构紧凑，减轻重量，每个液压作用元件都按液压泵压力设计，不允许两个液压元件串联工作，因此串联油路目前在挖掘机上不采用。 2．并联式（图13（b）所示） 液压泵出口压力油并联供给各阀杆，各阀回油并联回油箱，并联油路特点是多路阀杆同时动作时，泵供油首先进入负荷压力最低的液压元件，负荷高的液压元件由于压力低不能动。要实现多液压元件同时动作，必须通过低负荷阀杆节流，提高系统油压，通过各阀杆开口量控制去各液压元件的流量来实现同时动作时的调速。因此并联方式要实现复合动作，须有高超的技术。但是不稳定，随各液压元件负荷变化情况和发动机转速等因素变化。可以说该油路实现同时复合动作较困难。 3．优先式（串并联式）（图13（c）所示） 液压泵出口压力油按上下油优先顺序供油，上游的阀杆打开进行工作时，就把下游阀杆的进油路切断了，因此下游阀就得不到液压泵压力油，就无法动作。优先阀回油路并联回油，虽然如果上游阀杆不在最大开度位置，部分油会通过节流口流向下流阀，存在下流阀控制的液压元件动作的可能性。但是严格来说优先油路只能一个液压作用元件动作。 2，多路阀中位卸载方式 （1）,开中心卸載:多路阀处于中位不工作时,液压泵所供压力油能通过各阀杆直接回油箱,各阀杆都处于进油口和回油口相通,也就是中位是开式的,我们称它为开中心. （2,）闭中心通过卸载阀来卸载:多路阀在中位时,各阀杆进油口都处在关闭状态,液压泵所供压力油不能通过多路阀,被封闭的压力油,必須通过設立缷载阀来卸荷,多路阀中位是关闭的,所以称为闭中心. 控制阀细节分析之十一——控制阀空化及损害的评估方法 李宝华 引言 控制阀（Control valve ）是终端执行元件，决定着过程控制是否及时有效。在流程工业认识到过程强化、功能安全、控制有效、降低成本的时候，作为控制回路的终端执行元件的控制阀凸显其重要性，也暴露出控制阀长期以来技术比较薄弱的一面，已引起业内注意。 控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐，应对苛刻工况更有很大差异，尤其表现在液体流体应用时所发生的空化及气蚀损害以及如何进行评估和防治方面。空化及气蚀损害会对阀内件和阀体及阀后管件造成很大破坏，严重影响控制阀的工作性能和使用寿命以及加剧噪声、振动，构成安全隐患，了解和防止空化气蚀发生是控制阀应用中必须注重的问题。面对这个重点，笔者力求了解，但所能看到和搜集到的国内外有关控制阀空化及评估的论述很有限，业内对此问题的叙述也有不同，同时也注意到ISA 和IEC 的标准对评估空化及损害提出有各自的西格玛方法和压差比方法。国家标准GB/T 17213.16-2005（等同IEC 60534-8-4：1994）也没有及时修订到汲取有最新研究成果的新版标准IEC 60534-8-4：2005。 本文试对评估控制阀液体流体空化及损害的做一些探讨，以期引起对此问题的关注。 控制阀液体流体的空化 控制阀是流体管路中的节流装置，是最终执行元件。在控制系统的指令下，控制阀不断改变阀内节流部件的流通截面积，形成可调节的缩流，使流体量发生变化，进而达到回路控制目的。控制阀应用中的流体主要是液体和气体。 对于液体流体，由工程热力学得知，一定的温度对应一定的饱和压力（压强）即饱和蒸汽压p v 。如果保持该液体温度不变，降低液体的压力，当降低到温度对应下的饱和蒸汽压p v 时，液体就会汽化；若压力不变，提高液体温度，当温度升高到等于或高于该压力对应的饱和温度时，液体也会汽化。 在（不可压缩的）液体流体通过控制阀阀芯阀座节流时，缩流截面处的流速加快，而静压会降低，当该区域的压力降低到等于或低于流体温度对应下的饱和蒸汽压p v 时，部分液体就会汽化，这时有相当数量的蒸汽及溶解在液体中的气体逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小汽泡。当流体流出缩流区域，静压得以部分恢复，若恢复到该饱和蒸汽压p v 或高于p v 时，汽泡在饱和蒸汽压以上压力的作用下将迅速凝结而破裂。汽泡破裂的瞬间，在汽泡原来占有的空间就形成具有高真空的空穴，周围液体在高压差的作用下，以极高的速度流向空穴，形成有冲击力的微喷射流和压力波，由于汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，因此在冲击力的作用下又分成小汽泡，再被高压力的流体压缩、凝结、破裂，如此形成多次反复。这种汽泡产生和破裂的全过程称为空化（cavitation ）。如果这些汽泡在阀内流路阀内件表面处凝结、破裂，就会对材料表面产生高频冲击，所形成的冲击力可高达几百甚至上千牛顿（冲击的压强可高达几千兆帕），冲击频率可达几万赫兹，从而使材料产生疲劳导致机械剥蚀的损害。同时，从液体中逸出的活性气体（如氧气）借助汽泡凝结时放出的热量，也会对金属材料产生 图1 流体流经控制阀时的压力变化 -不同饱和蒸汽压情况 -Pvc 为缩流处压力 闪蒸 空化 无闪蒸和空化P VC P 1 -P V P 1 -P V （a）汽泡进入高压力区域破裂 （b）靠近硬表面时汽泡破裂 （c）依附硬表面的半球状汽泡破裂 图2 汽泡破裂示意图 （d）微喷射流（e）压力波 波中心 波方向典型多路阀设计与分析
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