CN111853282A - 液压换向阀 - Google Patents

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胡启辉
贺广济
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Abstract

一种液压换向阀，包括阀芯；阀体，其限定出用于容纳阀芯的阀腔，所述阀芯适于在阀腔内沿着轴向方向直线往复运动，所述阀腔至少包括压力油腔、第一工作油腔和第一回油腔，所述阀体包括位于压力油腔和第一工作油腔之间的第一阀体凸台以及位于所述第一工作油腔和回油腔之间的第二阀体凸台，所述阀芯包括适于与第一阀体凸台接触或脱开的第一阀芯凸台以及适于与第二阀体凸台接触或脱开的第二阀芯凸台，第一阀芯凸台和第二阀芯凸台之间形成连接槽，所述连接槽还设有附加凸台，所述第一阀芯凸台和附加凸台之间形成导流槽，所述第一阀芯凸台和附加凸台的轴向距离大于所述第一阀体凸台的轴向长度，所述附加凸台的直径小于所述第一阀芯凸台的直径。

Description

液压换向阀
技术领域
本发明涉及一种液压换向阀，尤其是改善液动力的液压换向阀。
背景技术
在各种液压传动装置中，液压控制阀是必不可少的元件，其是指液压传动中用于控制流体压力、流量和方向的元件，其中常见的一种液压控制阀为液压换向阀。
为了精确控制液压换向阀，需要对液压换向阀的受力和工作过程进行深入研究。作用在液压换向阀上的液压力、推力、弹簧力通常都是可控和可预知的。然而，液压流体流经阀口时，由于流动方向和流速的变化会造成液压流体动量的改变，阀芯会受到附加作用力，即液动力，这种力同样会影响对阀芯的控制。液动力通常随阀的开口的大小、通过流量的大小、入口压力等变化。
液动力可以分为稳态液动力和瞬态液动力，所谓的稳态液动力是指阀的开口量一定时，液压流体通过阀口时因动量变化而作用在阀芯上的使阀趋于关闭的力。因此，稳态液动力会增大操纵液压换向阀所需的力，尤其是在高压大流量的情况下，对液压换向阀的操控有着明显不利影响，甚至会出现液动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况。因此，如何减小或抵消稳态液动力一直是液压领域广受关注的问题。
目前的解决方法主要有：1)通过设计阀腔使流入和流出阀腔的液压流体的轴向动量不变，从而减小轴向液动力；2)使用先导阀控制主阀芯。然而，无论使用哪种方法，都会使液压换向阀的铸造和机加工过程变得复杂，而且还可能需要使用附加的先导阀，所有这些都会增大液压换向阀的成本。目前的阀腔设计这种方式比较复杂，不利于加工和制造。
因此，目前迫切需要一种简单的设计来降低液压换向阀的稳态液动力。稳态液动力的降低，反过来又会进一步简化液压换向阀的设计和降低液压换向阀的成本。
发明内容
本申请要解决的主要是降低液压换向阀的稳态液动力影响。
为解决上述技术问题，本申请提供一种液压换向阀，包括阀芯,包括芯轴和设置于所述芯轴的若干阀芯凸台；阀体，其限定出用于容纳阀芯的阀腔，其中，所述阀芯适于在阀腔内沿着轴向方向直线往复运动，所述阀腔至少包括压力油腔、第一工作油腔和第一回油腔，所述阀体包括位于压力油腔和第一工作油腔之间的第一阀体凸台以及位于所述第一工作油腔和回油腔之间的第二阀体凸台，所述若干阀芯凸台包括适于与第一阀体凸台轴向接触或脱开的第一阀芯凸台以及适于与第二阀体凸台轴向接触或脱开的第二阀芯凸台，所述第一阀芯凸台和第二阀芯凸台之间形成连接槽，所述连接槽还设有附加凸台，所述第一阀芯凸台和附加凸台之间形成导流槽，所述第一阀芯凸台和附加凸台的轴向距离大于所述第一阀体凸台的轴向长度，所述附加凸台的直径小于所述第一阀芯凸台的直径。
所述附加凸台有效引导和形成了液压流体的入射角度和出射角度，且其轴向长度和直径设计降低了对现有换向功能的干涉，有效降低了稳态液动力，改善性能和寿命。
附图说明
结合附图参阅以下具体实施方式的详细说明，将更加充分地理解本申请。其中：
图1显示本申请一种液压换向阀的阀腔打开的内部结构示意图，此时阀芯置于非工作位；
图2显示本申请一种液压换向阀的置于右位时的阀腔结构示意图；
图3显示未设置附加凸台时的模流仿真图；
图4显示本申请一种液压换向阀设置附加凸台后的模流仿真图；
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个实施例对本发明液压换向阀进行进一步详细说明。下述具体实施方式和权利要求书涉及的“左”、“右”、“上”、“下”等概念，系在附图所示角度和姿态下，为了方便说明本发明内容而做的参考，并不因产品的具体放置或者组装形态的不同而受影响。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限制本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个可选的示例性实施例的液压换向阀的局部纵向剖视图。如图1所示，该液压换向阀为电磁换向阀，其依靠电磁驱动机构产生的电磁作用力实现对阀芯的操作和控制。该液压换向阀包括第一电磁驱动机构1、第二电磁驱动机构2以及位于第一电磁驱动机构1、第二电磁驱动机构2之间的阀芯3。在阀芯3的第一端4处，第一弹簧5的一端支撑在第一电磁驱动机构1的铁芯管6上，另一端支撑在第一挡圈7上。在阀芯3的与第一端4相反的第二端8处，第二弹簧9的一端支撑在第二电磁驱动机构2的铁芯管10上，另一端支撑在第二挡圈11上。
第一弹簧5和/或第二弹簧9通常为螺旋弹簧，且第一弹簧5和第二弹簧9通常至少部分分别相应地套装在阀芯3的第一端4和第二端8上。通常，第一挡圈7套装在阀芯3的第一端4上并被阀芯3的第一台阶12轴向阻止。类似地，第二挡圈11套装在阀芯3的第二端8上并被阀芯3的第二台阶13轴向阻止。在第一弹簧5和第二弹簧9产生的相向的轴向弹簧力的作用下，阀芯3在非工作状态(非工作位)下处于对中位置。具体地讲，阀芯3的第一端4穿过第一挡圈7，而第一挡圈7又被阀芯3的第一端4处的第一台阶12轴向阻止，从而支撑在第一挡圈7上的第一弹簧5可向阀芯3施加向着其第二端8作用的第一轴向作用力。类似地，阀芯3的第二端8穿过第二挡圈11，而第二挡圈11又被阀芯3的第二端8处的第二台阶13轴向阻止，从而支撑在第二挡圈11上的第二弹簧9可向阀芯3施加向着其第一端4作用的第二轴向作用力。通过选择第一弹簧5和第二弹簧9的弹簧特性，可在非工作状态下将阀芯3保持在对中位置。在对中位置，液压换向阀优选处于零位，使得流体不能流动通过液压换向阀。
请继续参阅图1所示，所述第一电磁驱动机构1包括常态与阀芯3保持接触的第一阀芯推杆14。当第一电磁驱动机构1被通电时，第一阀芯推杆14借助于电磁作用力而可以向着阀芯3的第一端4移动，从而可推动阀芯3向着第二电磁驱动机构2移动。阀芯3的这种移动可以使液压换向阀变换到第一工作状态。在第一工作状态下，液压换向阀允许流体以一种方向流动通过。类似地，第二电磁驱动机构2包括第二阀芯推杆15。当第二电磁驱动机构2被通电时，第二阀芯推杆15借助于电磁作用力而可以向着阀芯3的第二端8移动，从而可推动阀芯3向着第一电磁驱动机构1移动。阀芯3的这种移动可以使液压换向阀变换到第二工作状态。在第二工作状态下，液压换向阀允许流体以另一种不同的方向流动通过而实现换向功能。
请结合图1和图2所示，具体地讲，本实施例所述的液压换向阀为三位四通阀，其包括：阀芯3,包括芯轴30和设置于所述芯轴30的若干阀芯凸台31；阀体16，其限定出用于容纳阀芯3的阀腔17，所述阀芯3适于在阀腔17内沿着轴向方向直线往复运动，所述阀腔17至少包括压力油腔18(也可称为P腔)、第一工作油腔19(也可称为A腔)、第二工作油腔24(也可称为B腔)、第一回油腔21和第二回油腔25。所述第一工作油腔19和第二工作油腔24，以及第一回油腔21和第二回油腔25分别对称地设置于所述压力油腔18的两侧。所述阀体16包括位于压力油腔18和第一工作油腔19之间的第一阀体凸台161以及位于所述第一工作油腔19和回油腔21之间的第二阀体凸台162。所述若干阀芯凸台31包括适于与第一阀体凸台161轴向接触或脱开的第一阀芯凸台311以及适于与第二阀体凸台162轴向接触或脱开的第二阀芯凸台312。显然，为了能够实现换向功能，阀芯3的第一阀芯凸台311的外径与阀体16的第一阀体凸台161的内径对应，阀芯3的第二阀芯凸台312的外径与阀体16的第二阀体凸台162的内径对应。当液压换向阀处于图1所示的非工作位，即中位时，阀芯3的第一阀芯凸台311和第二阀芯凸台312的外周面分别抵靠着阀体16的第一阀体凸台161和第二阀体凸台162的内周面，从而使得压力油腔18内的液压流体既不能流到第一工作油腔19，也不能流到第二工作油腔24，即，所述第一工作油腔19和第二工作油腔24之间的流路均被切断。
当阀芯3向着第二电磁驱动机构2移动至图2所示位置时，阀芯3的第一阀芯凸台311会与阀体16的第一阀体凸台161脱离而使液压流体可从压力油腔18流入到第一工作油腔20，此时，液压换向阀处于工作位(具体为三位四通阀的右位工作位)。需要反向运动，即三位四通阀的左位工作位时遵循同样的操作，这里不再赘述。当液压换向阀从图1的非工作位状态切换到图2的工作位(具体为右位工作位)时，液压流体的流动会产生稳态液动力，这种稳态液动力趋向于关闭液压换向阀，从而会影响对液压换向阀的控制，在极端情况下甚至会使得电磁驱动机构无法使阀芯正常移动。
所述第一阀芯凸台311和第二阀芯凸台312之间形成连接槽315，所述连接槽315还设有附加凸台313，所述第一阀芯凸台311和附加凸台313之间形成导流槽314，所述第一阀芯凸台311和附加凸台313的轴向距离大于所述第一阀体凸台161的轴向长度，所述附加凸台313的直径小于所述第一阀芯凸台311的直径。请参阅图3所示的现有技术连接槽315中未设置附加凸台时液压流体在阀腔各位置流速状态的模流仿真图以及图4所示的本申请一种具体实施方式连接槽315中设置有附加凸台313时液压流体在阀腔各位置流速状态的模流仿真图，其中颜色越深表示液压流体的流速越高，V1和α1表示液压流体从压力油腔18进入连接槽315的速度和入射角度，V2和α2表示液压流体从连接槽315进入第一工作油腔20的速度和出射角度。根据液动力公式F＝ρq(V1cosα1-V2cosα2)，其中ρ为流体密度，q为流量，可以看出附加凸台313的设置有效引导和形成了液压流体的入射角度和出射角度，而且附加凸台313的轴向长度和直径设计又降低了对换向阀已有功能的干涉，进而有效降低了稳态液动力，改善了液压换向阀的操作性能和寿命。在本实施例所述的三位四通阀中，所述第二阀芯凸台302和第三阀芯凸台317相对于所述第一阀芯凸台311对称，此外，所述压力油腔18两侧还对称设有两个附加凸台313,313’，以实现三位四通阀在左位和右位换向时实现同样的改善液动力效果。
请着重参阅图2所示，所述液压换向阀具有第一阀体凸台161接触第一阀芯凸台311且第二阀体凸台162接触第二阀芯凸台312的非工作位以及第一阀体凸台161轴向脱开第一阀芯凸台311且第二阀体凸台162接触第二阀芯凸台312的工作位，所述第一阀体凸台161具有与所述第一工作油腔19相接的第一阀体凸台左接触环1611，所述附加凸台313具有与导流槽314相接的附加凸台右接触环3131，所述附加凸台右接触环3131在工作位时轴向与所述第一阀体凸台左接触环1611对齐或者位于所述第一阀体凸台左接触环1611的左侧。此设计引导和辅助液压流体以合适的出射角度进入第一工作油腔19，间接降低液动力影响。而且，由于所述第一阀体凸台左接触环1611和附加凸台右接触环3131的关键位置，下文会作为第一阀体凸台161和附加凸台313轴向距离和直径的基准点。进一步地，所述液压换向阀在工作位时，所述导流槽314的出口通流面积大于入口通流面积。进而为压降和改善液动力提供保障。此外，所述附加凸台313的直径小于所述第一阀芯凸台311的5/6直径。此设计为液压流体提供了足够的开度空间，又不致影响液压阀的正常换向工作。而且，所述第一阀芯凸台311和附加凸台313的轴向距离小于所述第一阀体凸台161的1.5倍轴向长度。这是为了保证附加凸台313位于入射角度V1有效的影响范围内。所述导流槽314的最小直径大于所述第一阀芯凸台311的6/10直径，不难理解，导流槽314的深度可以对进入其内的液压流体的入射角度和出射角度产生影响。所述导流槽314轴截面轮廓的入射角度大于出射角度。例如，当轴截面为最基本的直槽时，可以实现基本的液动力改善，而当轴截面为圆弧形，甚至根据出射入射角度的不同需求进行特别优化，例如直线曲线组合、甚至多段不同的曲线等等，进而影响压力流体经过导流槽314的入射角度和出射角度，从而对整体液动力构成影响，而且还可以综合扰流、涡流等其他因素一起实现稳态液动力调节。
上面虽然以三位四通液压换向阀为例描述了本发明，但本发明的技术思想也可应用于许多液压换向阀上。例如两通换向阀或者其他适合采用本申请液动力改善方案的阀。而且，对于本领域的技术人员而言，本发明的其他优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本发明就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。

Claims (9)

1.一种液压换向阀，包括：
阀芯(3),包括芯轴(30)和设置于所述芯轴(30)的若干阀芯凸台(31)；
阀体(16)，其限定出用于容纳阀芯(3)的阀腔(17)，其中，所述阀芯(3)适于在阀腔(17)内沿着轴向方向直线往复运动，所述阀腔(17)至少包括压力油腔(18)、第一工作油腔(19)和第一回油腔(21)，所述阀体(16)包括位于压力油腔(18)和第一工作油腔(19)之间的第一阀体凸台(161)以及位于所述第一工作油腔(19)和回油腔(21)之间的第二阀体凸台(162)，所述若干阀芯凸台包括适于与第一阀体凸台(161)轴向接触或脱开的第一阀芯凸台(311)以及适于与第二阀体凸台(162)轴向接触或脱开的第二阀芯凸台(312)，所述第一阀芯凸台(311)和第二阀芯凸台(312)之间形成连接槽(315)，
其特征在于，所述连接槽(315)内还设有附加凸台(313)，所述第一阀芯凸台(311)和附加凸台(313)之间形成导流槽(314)，所述第一阀芯凸台(311)和附加凸台(313)的轴向距离大于所述第一阀体凸台(161)的轴向长度，所述附加凸台(313)的直径小于所述第一阀芯凸台(311)的直径。
2.如权利要求1所述的液压换向阀，其特征在于，所述液压换向阀具有第一阀体凸台(161)接触第一阀芯凸台(311)且第二阀体凸台(162)接触第二阀芯凸台(312)的非工作位以及第一阀体凸台(161)轴向脱开第一阀芯凸台(301)且第二阀体凸台(162)接触第二阀芯凸台(302)的工作位，所述第一阀体凸台(161)具有与所述第一工作油腔(19)相接的第一阀体凸台左接触环(1611)，所述附加凸台(313)具有与导流槽(314)相接的附加凸台右接触环(3131)，所述附加凸台右接触环(3131)在工作位时轴向与所述第一阀体凸台左接触环(1611)对齐或者位于所述第一阀体凸台左接触环(1611)的左侧。
3.如权利要求2所述的液压换向阀，其特征在于，所述液压换向阀在工作位时，所述导流槽(314)的出口通流面积大于入口通流面积。
4.如权利要求1所述的液压换向阀，其特征在于，所述附加凸台(313)的直径小于所述第一阀芯凸台(311)的5/6直径。
5.如权利要求1所述的液压换向阀，其特征在于，所述第一阀芯凸台(311)和附加凸台(313)的轴向距离小于所述第一阀体凸台(161)的1.5倍轴向长度。
6.如权利要求1所述的液压换向阀，其特征在于，所述导流槽(314)的最小直径大于所述第一阀芯凸台(311)的6/10直径。
7.如权利要求1所述的液压换向阀，其特征在于，所述导流槽(314)轴截面轮廓的入射角度大于出射角度。
8.如权利要求1-7中任一项所述的液压换向阀，其特征在于，所述阀腔(17)包括对称设置于所述压力油腔(18)另一侧的第二工作油腔(24)和第二回油腔(25)，所述阀芯(3)包括对称设置于所述第一阀芯凸台(311)另一侧的第三阀芯凸台(317)和附加凸台(313’)。
9.如权利要求1-7中任一项所述的液压换向阀，其特征在于，液压换向阀为三位四通阀，所述压力油腔(18)两侧对称设有两个附加凸台(313,313’)。
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