新型高性能气动换向阀的设计

　　摘　要　研制了一种性能优良的气动换向阀，给出了主要技术参数及各参数的选取范围。
　　关键词　气动换向阀设计
　　分类号　TH138.523

　　新型高性能气动换向阀充分发挥滑阀式和截止式阀两者的特长，将其主要通口（P-A,P-B通口）设计成阀芯结构对称的平面密封截止阀，使其具有密封性能好，接触应力小，工作可靠等优越性能，被用于机械加工中心等先进设备上。

图1　换向阀结构图

1　主要技术参数

　　通径：D_g=12mm;
　　工作压力：P=（0.2-1.0）MPa;
　　流量特性：k_r=3.0;
　　有效通流面积：S=60mm²;
　　额定流量时阀的压降：△P≤0.01MPa;
　　额定流量：10m²/h;
　　泄漏量：≤0.1L/min;
　　寿命：>150万次；
　　换向时间：≤30ms;
　　最高允许换向频率：≤6Hz。

2　主要参数的设计

2.1　阀芯直径d₀和阀杆直径d₁
　　为了满足流量特性的要求，阀内各流通面积应大于连接管道的流通面积。则

式中：K₂—流通面积系数，可在1.0～1.3范围内选取。
　　　—阀杆直径d₁与阀芯直径d₀之比，可在（0.5～0.8）范围内选取。
　　D_g=12mm—阀的公称通径。
　　经过计算，同时考虑到选用标准密封圈，取d₀=14mm,d₁=6mm。
2.2　重迭量
　　重迭量是指阀在换向过程中相邻三通路同时（对负迭量）或同时断（对正迭量或零迭量）的一段行程。对三位阀来说，它表示阀的中位机能，对二位阀来说，虽无中位，但在换向过程中总存在着阀芯处于中间位置的某一瞬间，该瞬间各通路的通断关系相当于中位机能。不考虑阀杆凸台圆角的重迭量称为理论重迭量，用δ表示。对于采用软质密封结构的阀，常将阀杆凸台设计成带圆角的，扣除圆角的重迭量称为实际重迭量，用δ_s表示。如图2所示。

图2　阀芯位置结构

2.3　开口量y
　　为满足流量特性要求，当不考虑阀芯凸台圆角时：

　　取y=2.5mm。
2.4　阀芯行程s
　　s=δ+2y=9mm。
　　但从装配几何尺寸计算，比要求值小1mm。这是因为这种复合式换向阀的中央凸台是平面密封截止阀，其断面结构如图3。在空气作用下，厚为0.3mm的凸台被压入密封垫，而且整个密封垫被压缩0.2mm,这使得阀芯得到0.5mm的附加行程。

图3　平面密封断面结构

　　重迭量δ_s、δ、开口量y、阀芯行程s间的关系如图4所示。

图4　迭量开口量与行程的关系

2.5　控制活塞的设计
　　单气控气压复位式换向阀的控制活塞按差动活塞的原理工作（图5）。

图5　差动活塞

　　大控制活塞直径：D_K1=30mm;
　　小控制活塞直径：D_K2=22mm;
　　大小控制活塞面积之比：i=1.86;
　　最小控制压力：P_kmin=(0.15-0.2)MPa;
　　当小控制活塞通压缩空气，大控制活塞通大气时，产生的推力。
　　在两种情况下，控制活塞产生的推力都大于阀芯和控制活塞上的密封阻力之和。
　　平面密封圈所受的挤压应力：P=（180～200)Pa,小于允许值。

3　结语

　　（1）滑阀部分采用四个Y型密封圈，比一般圆柱形滑阀少用两个，而且这种气压密封结构的密封阻力随工作压力而变，因而减少了换向启动力和换向阻力，又增加了密封可靠性。
　　（2）阀体内孔是无台阶的通孔，阀芯基本上是圆柱形，结构简单对称，因而工艺性好。采用阀套式结构，便于控制轴向尺寸精度。
　　（3）回气口（A-R或B-S通口）设计成锥形，起制动锥的作用，可以产生背压。增加了阀芯动作的稳定性，减小了换向过程中的冲击。
　　（4）通用性强，易于形成系列化产品，图1所示为二位五通单电控换向阀，在它的基础上，只需改变个别零件或修改少量尺寸，即可发展成系列产品。例如取去小控制活塞上的活塞套，换上一个同另一侧同样大的控制活塞，就成为双电控或双气控阀。（当然，阀体上的通道要作相应的变化）；在此基础上再改变弹簧卡的圈的位置即成为三位阀；改变中间凸台的轴向尺寸，就可得到不同的中位机能的阀等等。
　　由此可见，该气动换向阀是性能比较优越，工作可靠的高质量阀。