液压冲击器换向阀设计方法

1、换向阀的设计准则
　　换向阀是液压冲击器的重要部件，其设计质量直接影响液压冲击器的性能。为此，经过多年来对换向阀的研究，总结归纳出了液压冲击器换向阀的设计准则。
　　具体设计应遵守以下原则：（1）阀芯两端受力应始终处于不平衡状态，以保证阀芯稳定在冲程或回程配油位置；（2）在保证阀口全流量时不致有过大阻力的情况下，行程尽可能短，重量尽可能轻些，以减少耗油量和提高换向速度；（3）要保证最小封油长度、间隙及加工精度；（4）保证阀芯两端推阀油压作用面积满足参数计算要求；（5）阀芯径向最薄部位不小于2mm。
　　液压冲击器的换向阀有多种多样的形式，概括起来有套阀和阀芯两大类，芯阀按形状又可分为柱状阀和筒状阀。
　　前腔常压油型液压冲击器是利用差动活塞的原理，故只需用三通滑阀，而双面回油型液压冲击器则必须采用四通滑阀。三通滑阀的典型结构是三槽二台肩（见图1a），四通滑阀的典型结构是五槽三台肩（见图1b）。三通滑阀阀芯比四通滑阀阀芯少一个台肩因而较短，减轻了阀芯重量，可提高冲击机构的效率。另外三通滑阀只有3个关键尺寸和1条通向液压缸的孔道，结构简单，工艺性好；而四通滑阀则有5个关键尺寸和2个通向液压缸的孔道，结构复杂，工艺性差，加工难度大。

　　2、液压冲击器换向阀的工作原理及油路分析
　　换向阀通过阀芯的左右换向使前腔与进油口或回油口相通，从而使整个冲击器正常工作，其换向原理与整个油路密切相关。图3为整个冲击器的油路示意图，压力油经进油口从B孔进入换向阀（见图4），部分油被压入铸造流道O中，使阀芯小端面受到工作压力的影响而保持常压状态，换向阀停留于右端。进油口B与前腔口P相通，压力油进入前腔，在常压油的作用下使活塞处于回程阶段。

　　当活塞回程到图5的位置时，即过信号孔之后，换向阀大端的油路被打通，前腔的常压油进入换向阀的右端盖，从而对阀芯大端面也施加了工作压力，由于阀芯两端面的面积差，使阀芯往小端面方向移动，形成换向。

　　换向后进油口与前腔口被封闭，前腔与回油道打通，此时活塞前腔的油经过换向阀阀口P流进回油口A，换向阀为回油阶段，如图6。

　　此时活塞前腔无压力，后端的氮气室因活塞回程的压缩而产生气压，推动活塞向前冲击，处于冲击阶段。前腔压力的撤去使阀芯大端压力也随之撤去，换向阀换向，又回到了图4的状态，如此反复循环运动。以上运动均在极短的时间内完成。
　　综上所述，换向阀的换向原理就是利用两端的面积差和压力差来作往复运动，耦合活塞的运动，形成冲击器的整个过程。
　　3、液压冲击器换向阀的设计计算
　　换向阀的计算包括几何尺寸的确定、受力计算、性能计算和强度计算等。几何尺寸确定时除应满足有关设计要求外，还要尽量在保证强度的条件下减小阀的外形尺寸；受力计算主要是通过对各种作用力的计算，保证换向阀动作可靠；性能计算是对设计要求中提出的性能指标进行验算，包括压力损失、见泄漏量、换向时间和压力冲击等。限于篇幅，具体计算内容从略。
　　要保证换向阀动作可靠，必须使原动力（如电磁铁推力、控制压力油的液压力、弹簧力、操作力等）足以克服阀芯在移动过程中的各种阻力。对于液动阀和手动阀，一般下来说其可靠性和对中不成问题，因为控制压力油的液压力和手柄操作力不像电磁铁推力那样受到限制。
　　4、结论
　　换向阀是液压冲击器的重要组成部分，换向阀阀芯的运动速度和运动时间直接控制活塞运动的频率，因此对换向阀的要求是：阀芯的响应速度快，过渡时间短，过渡冲击小，控制能量消耗少。阀芯运动行程越小，换向阀的运动频率越高，但是阀芯的行程越短，则阀的开口量越小，油流经过阀口时的压力损失越大，可见阀芯的运动行程也不能太小。所以，在设计换向阀时，必须在保证阀芯动作快速性的前提下，使换向阀的能量损失最小。换向阀的结构参数包括阀芯行程、开口处直径和推阀油压作用面积。开口处直径的确定主要受结构尺寸的限制，油液流经阀口的压降越小越好，而行程又不能太大，故阀芯直径越大越好。按这一原则，应先根据合理的整体结构确定开口处直径，然后可根据冲击机构的最大瞬时流量平均值确定阀的开口量，以及油道、油槽尺寸。根据最大开口量和密封长度可初步确定阀芯的行程。为了确定推阀油压作用面积，可先根据开口处直径、阀芯行程及必要的油槽与密封长度估算阀芯重量，设定阀芯换向时间系数，根据已知的活塞运动时间，求出阀芯的一次运动时间，进而建立力的平衡方程式，求出阀芯两端的推阀油压作用面积。本文详细地讨论了液压冲击器的设计理论及换向阀各个参数的计算内容，讨论了各种主要结构参数与液压冲击机构输入参数间的关系以及各种动态影响因素，得出了主要零部件的设计准则。