摘要 本文主要對比分析了國外陶瓷磚自動液壓機(jī)中常見的幾種充液閥結(jié)構(gòu)及控制油路，闡明了充液閥通流面積和閥芯復(fù)位彈簧的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞 主缸外置式充液閥，主缸內(nèi)置式充液閥，無復(fù)位彈簧式充液閥

1引 言

充液閥在陶瓷磚自動液壓機(jī)液壓系統(tǒng)中是最為重要的一個(gè)閥。其作用是當(dāng)活動橫梁快速下行時(shí)，低壓充液箱中的油經(jīng)該閥快速流入主油缸；在活動橫梁快速回程時(shí)，主油缸活塞腔的油經(jīng)該閥快速排入低壓充液箱。由此可見，充液閥的結(jié)構(gòu)、流道形狀、液流速度大小及其液壓控制系統(tǒng)，對提高壓機(jī)空程快速控制和回程的速度很重要，也即影響到壓磚機(jī)的壓制次數(shù)和生產(chǎn)效率，而這正是當(dāng)前陶瓷磚自動液壓機(jī)發(fā)展的核心問題之一。

本文就以上提到的充液閥的一些問題，根據(jù)國外壓機(jī)已有的充液閥結(jié)構(gòu)作一些分析，使充液閥的結(jié)構(gòu)、流道形狀、流速、控制油路更趨合理，以提高壓機(jī)的速度和生產(chǎn)率。

2在陶瓷磚液壓機(jī)中常見的幾種充液閥結(jié)構(gòu)及其控制油路

在普通的油壓機(jī)中，其充液箱多為常開式的，即常通大氣，頂置在壓機(jī)的上部，活塞與活動橫梁依靠本身自重快速下行，稱自動式快速下行。但這種方法只適合于行程較長、速度較慢的壓機(jī)，對于行程短、速度快的壓機(jī)則不適用。陶瓷磚壓機(jī)的行程比較小，速度又比較快，如3000噸以下的壓機(jī)，其行程約在140～160㎜，3000噸以上的壓機(jī)約在160～250㎜。而快速行程階段的行程則更短。壓磚機(jī)要求動作快，壓制次數(shù)高，所以應(yīng)采用強(qiáng)迫主油缸活塞快速下行的方法，目前常用的有以下方法：

（1） 采用約0.2MPa的閉式低壓充液油箱頂置在上橫梁之上，依靠低壓油作用強(qiáng)迫主油缸活塞快速下行（在Sacmi、Citi、Nassetti壓機(jī)上采用）；

（2） 與上面的方法相類似，采用在上橫梁之上頂置一個(gè)約0.6MPa的低壓蓄能器的方法（在Welko壓機(jī)上采用）；

（3） 采用在上橫梁之上頂置流量放大器的方法（在Welko壓機(jī)上采用）；

（4） 采用兩個(gè)輔助小油缸差動快下，帶動主油缸柱塞快下，低壓充液油箱則向主柱塞缸補(bǔ)充低壓油的方法（在Laeis壓機(jī)上采用）。

實(shí)踐證明，第1種方法簡單、可靠，行之有效地強(qiáng)迫主缸活塞快速下行；第2、3種方法缺點(diǎn)較多，不可靠；第4種方法也是很好的方法。

圖1是Nassetti 800～2000噸壓機(jī)上采用的典型的頂置在上橫梁之上充液箱之內(nèi)的主油缸外置式充液閥結(jié)構(gòu)圖。該閥屬于常閉自吸開啟式結(jié)構(gòu)，采用蕈形閥芯單彈簧結(jié)構(gòu)，具有很大的通流面積，充液快，動作靈活可靠。如圖1所示，這種充液閥在上橫梁之上，浸于充液箱之中，閥芯下面直通油缸，當(dāng)活動橫梁下行時(shí)，缸內(nèi)形成負(fù)壓，在低壓油的作用下，閥芯克服彈簧力作用而開啟，低壓油進(jìn)入主油缸，推動主活塞快速下行。為了使閥芯更快地打開，以縮短充液時(shí)間、提高充液速度，在油路設(shè)計(jì)時(shí)采用了強(qiáng)迫打開充液閥的設(shè)計(jì)。圖1所示的電磁閥S10在常態(tài)位時(shí)，控制油缸通壓力油，控制活塞將充液閥完全打開，以獲得更快的充液，滿足主油缸活塞快速下行的需要。在壓機(jī)快速下行同時(shí)減速開始之際，即令S10通電，控制活塞回程，充液閥芯在彈簧力作用下關(guān)閉，以便隨后進(jìn)行加壓。在壓機(jī)回程時(shí)，S10斷電，控制活塞下行，推動充液閥芯開啟，但只有當(dāng)主油缸的高壓油通過主缸卸荷閥卸壓之后，充液閥芯才能開啟，主油缸活塞快速回程，主缸活塞腔的油液被快速排回充液油箱。

圖2是Laeis600～3000噸壓機(jī)上采用的主油缸內(nèi)置式充液閥結(jié)構(gòu)圖。該圖與圖1的結(jié)構(gòu)原理基本相同，但是Laeis壓機(jī)的充液閥較Nassetti壓機(jī)充液閥具有更多的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 該閥有一個(gè)稱作導(dǎo)流體的零件（同時(shí)也是閥芯復(fù)位彈簧的支座），其外形曲線與上橫梁構(gòu)成的充液導(dǎo)流通道是精心設(shè)計(jì)的，具有流線型阻力小的特點(diǎn)，使充液阻力更小、充液更快。

（2） 充液閥座和閥芯置于上橫梁主油缸孔內(nèi)，故稱內(nèi)置式。這種結(jié)構(gòu)，作用于閥芯上的高壓油壓力完全由壓機(jī)上橫梁承受（即機(jī)架承受），所以固定閥座的螺釘可以很小。而圖1的結(jié)構(gòu)，作用于閥芯上高壓油壓力完全由固定閥座的螺釘承受，螺釘尺寸大，數(shù)量多，法蘭盤很大。

（3） 減小了充液的容積，節(jié)省了充液時(shí)間，也有利于加壓快速進(jìn)行。

（4） 導(dǎo)向精度高，有利于閥芯平穩(wěn)工作。

圖3是Nassetti 2500～5000噸壓機(jī)和Welko WK型3500～6200噸壓機(jī)上采用的無復(fù)位彈簧式充液閥結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是充液閥芯與控制油缸的活塞桿固結(jié)在一起，省去了閥芯的復(fù)位彈簧；控制油缸與充液閥座復(fù)合為一體，基本零件只有4件，整體結(jié)構(gòu)極為簡單，通流面積大、流程短、液阻小、充液快；充液閥采用全液壓控制，內(nèi)置于主油缸內(nèi)，作用于充液閥芯上的液壓力完全由上橫梁承受。

圖4是Citi公司STAR 4200～7200噸壓機(jī)上采用的另一種無閥芯復(fù)位彈簧充液閥結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)與前者相同；其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是充液閥芯與控制油缸活桿為整體結(jié)構(gòu)，閥座是單獨(dú)置于主油缸內(nèi)的。

圖5是采用如圖3結(jié)構(gòu)充液閥Welko WK型5200噸壓機(jī)其充液閥的控制油路圖。該油路的特點(diǎn)是控制油缸的活塞桿腔常通壓力油，其活塞腔經(jīng)減壓溢流閥VR10、電磁閥EVD也能通入壓力油。這樣，控制活塞在壓差的作用下，閥芯處于開啟狀態(tài)。當(dāng)電磁閥EVD通電時(shí)，充液閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)。充液閥控制油缸活塞桿腔常通壓力油，應(yīng)使其對閥芯產(chǎn)生的提升力稍大于閥芯、控制活塞自重和充液箱低壓油作用于閥芯上的向下之力，此提升力實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)液壓彈簧力。這種設(shè)計(jì)，充液閥開啟靠差動油壓力作用打開，開啟快；關(guān)閉靠液壓彈簧力作用，關(guān)閉快，閥芯動態(tài)響應(yīng)快。顯而易見，閥芯復(fù)位靠液壓彈簧力作用，故依然保持了當(dāng)充液閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，一旦主油缸出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，充液閥可自吸開啟，補(bǔ)充低壓油，依然具有機(jī)械彈簧復(fù)位式充液閥的優(yōu)點(diǎn)。

圖5中單向節(jié)流閥的作用是為了使充液閥芯快速關(guān)閉和平穩(wěn)打開而設(shè)置的，減壓閥的作用是調(diào)控閥芯的開啟壓力，以使充液閥芯動作更加平穩(wěn)，減輕噪聲。

圖6是Sacmi公司PH4600～6200噸壓機(jī)缸內(nèi)下置式充液閥的控制油路，其原理與圖5一樣?？刂朴透讞U腔常通壓力油，而其活塞腔則是由電磁閥YV307控制進(jìn)油或排油，YV307常態(tài)位時(shí)，壓力油進(jìn)入，在壓差作用下充液閥閥芯開啟，YV307通電時(shí)排油，充液閥閥芯在液壓彈簧力作用下關(guān)閉。與圖5的區(qū)別是，充液閥控制油缸桿腔常通的壓力油是由一小蓄能器和一減壓溢流閥組成的液壓彈簧系統(tǒng)，減壓閥用于調(diào)整充液閥控制活塞的上抬力大小，并使上抬力保持穩(wěn)定。小蓄能器的作用是使充液閥閥芯開啟時(shí)平穩(wěn)，而在閥芯關(guān)閉時(shí)又具有足夠的快速性。

另外由圖6可看出，該系列壓機(jī)主油缸為活塞桿固定缸動的結(jié)構(gòu)形式，充液閥置于活塞的底部，這樣的設(shè)計(jì)就實(shí)現(xiàn)了主缸內(nèi)直接充液，具有充液容積小、充液快、加壓速度快的優(yōu)點(diǎn)。

以上所介紹的充液閥閥芯均為蕈形錐閥結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是在主缸加壓時(shí)，在高壓油的作用下錐形閥芯將緊緊貼在閥座的錐面上，閥口密封性好，可防止高壓油泄漏，同時(shí)錐形閥芯動作靈敏，只要閥芯一移動即形成開口，實(shí)現(xiàn)液流通過，這些都對提高壓機(jī)的壓制次數(shù)有利。

根據(jù)上面的分析，單獨(dú)采用滑閥結(jié)構(gòu)作為充液閥使用的情況尚未見到。但是，Sacmi公司在HP680～3590型壓機(jī)中，利用陶瓷磚壓機(jī)的工作特點(diǎn)，巧妙地將增速油缸和增壓油缸復(fù)合在一起，實(shí)現(xiàn)具有增壓、增速和充液功能的專用復(fù)合油缸，俗稱三合一放大器或多功能放大器。其中的充液功能就是采用滑閥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

如圖7所示，中間的快速小活塞是固定的，其外面的增壓大活塞則是其缸筒，是可動的，同時(shí)又可將該缸筒視為滑閥的閥芯，將導(dǎo)向套視為滑閥的閥體。在圖示位置時(shí)，當(dāng)主油缸活塞快速下行時(shí)，則低壓充液箱的油經(jīng)導(dǎo)向套上的充液窗口進(jìn)入主油缸，實(shí)現(xiàn)快速下行充液。當(dāng)壓力油進(jìn)入快速小活塞的活塞腔時(shí)，推動其缸筒增壓，使大活塞快速下行，當(dāng)其桿部移過導(dǎo)向套上的充液窗口后，充液窗口即被封閉，主油缸活塞進(jìn)入一次加壓階段。由于增壓活塞桿的直徑大于快速小活塞的直徑，兩者的面積比稱為流量放大系數(shù)，即相當(dāng)于系統(tǒng)的流量被放大并流入主缸，故此時(shí)放大器起流量放大的作用。此階段，由于增壓活塞快速下移，其上腔會形成負(fù)壓，補(bǔ)油單向閥開啟，充液箱的油經(jīng)補(bǔ)油閥向上補(bǔ)油。當(dāng)壓力油同時(shí)進(jìn)入增壓缸活塞腔與快速缸活塞腔時(shí)，補(bǔ)油單向閥關(guān)閉，增壓活塞下移，主油缸活塞進(jìn)入增壓加壓階段。由于增壓活塞的直徑大于增壓活塞桿部的直徑，兩者的面積比稱為壓力放大系數(shù)，即相當(dāng)于系統(tǒng)的壓力油壓力被放大并流入主缸，故此時(shí)放大器起壓力放大的作用。

這種多功能放大器，結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，使油路布局大為簡化，但也存在一些缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造精度要求高，由于充液閥為滑閥結(jié)構(gòu)，存在高壓泄漏可能性。當(dāng)壓力油進(jìn)快速小活塞桿腔時(shí)，增壓活塞雖然可以較快的速度回程，但因其行程較長，要走過增壓行程、增速行程和充液窗口長度的總和，充液窗口才能完全打開，沒有錐閥閥口充液閥動作靈敏，錐閥充液閥行程小，閥芯開啟得快，關(guān)閉得也快。

3充液閥的設(shè)計(jì)計(jì)算

下面是關(guān)于充液閥通流面積的計(jì)算。

主閥芯的結(jié)構(gòu)一般采取蕈形單向閥的型式，主閥芯完全打開時(shí)，應(yīng)滿足主油缸活塞快速下行時(shí)所需要的最大流量能通過閥芯開口通流面積的要求。根據(jù)液體流動的連續(xù)方程式，充液閥的通流面積可表示為：

式中：

a——充液閥的通流面積

A ——被充液油缸的有效工作面積，cm2

υ——充液行程時(shí)活動橫梁的最大移動速度，m/s

[υ]——通過充液閥口允許的液體流速，m/s

對于開式流液箱，即在大氣壓力下，[υ]水≤7m/s；[υ]液壓油為1.5～2.5m/s。對于閉式油箱，當(dāng)充液油箱的相對壓力為2個(gè)大氣壓力時(shí)，液壓油為4.5～7.5m/s。當(dāng)油缸直徑較大或行程較大時(shí)，液流允許流速可取較大的數(shù)值。

當(dāng)通流面積確定之后，再根據(jù)主油缸及相關(guān)的尺寸就可定出充液閥閥芯的直徑和開口量的尺寸。

圖8是在各種尺寸確定之后，閥口完全打開時(shí)，其最小通流面積，該通流面積即為圖中所示的abcd截頭錐體的側(cè)面積，該面積應(yīng)大于或等于前面根據(jù)液流連續(xù)方程式計(jì)算出來的充液閥的通流面積。

根據(jù)幾何學(xué)，截頭錐abcd的側(cè)面積可以表示為：

a=πl(wèi)(R+r)

式中：

如果把該式中的a值代入前面計(jì)算出來的充液閥要求的通流面積，閥的開口量h按結(jié)構(gòu)尺寸確定，錐角 α一般為60°或確定為相應(yīng)的角度，則根據(jù)該式可求出充液閥口的最小直徑:

關(guān)于充液閥閥芯復(fù)位彈簧的計(jì)算。

設(shè)計(jì)充液閥閥芯復(fù)位彈簧時(shí)，應(yīng)考慮使復(fù)位彈簧對閥芯產(chǎn)生一定的初始密封壓力，一般不小于0.05MPa，再根據(jù)閥芯和閥座的結(jié)構(gòu)尺寸，閥芯的自重就可以確定出復(fù)位彈簧的初始工作壓力，即彈簧的預(yù)壓力。

充液閥工作時(shí)，要求當(dāng)主油缸出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)可自吸而開補(bǔ)充低壓油，但吸油負(fù)壓一般不大于0.03MPa，再根據(jù)閥芯的結(jié)構(gòu)尺寸和自重，就可以確定出復(fù)位彈簧的最大工作壓力。

有了復(fù)位彈簧的初始工作壓力和最大工作壓力，以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸就可以設(shè)計(jì)出復(fù)位彈簧。

如果采用前述無復(fù)位彈簧式結(jié)構(gòu)充液閥，則可省去此步。

參考文獻(xiàn)

1 Sacmi、Citi、Nassetti、 Welko、Laeis公司陶瓷磚自動液壓機(jī)產(chǎn)品使用說明書

2 米海耶夫.機(jī)械工業(yè)出版社:水壓機(jī)，1957

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。