王家旺，楊喜旺，周惠瑾，張海兵，張 杰，杜智敏，閻善武

（1.山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城273500；2.陜西多倫科技發(fā)展有限公司，陜西 西安710043）

邏輯閥的定義來(lái)源于計(jì)算機(jī)數(shù)碼0 或者1，邏輯閥關(guān)閉代表0，開啟代表1。邏輯閥也稱二通插裝閥或者簡(jiǎn)稱錐閥，不管是開關(guān)閥還是壓力閥，只關(guān)乎開啟或者關(guān)閉。開關(guān)閥包括內(nèi)流閥和外流閥，而壓力閥中的溢流閥都是外流式，減壓閥是內(nèi)流式?，F(xiàn)有的專著論文或者高校教材，有大量的邏輯閥結(jié)構(gòu)講解和理論分析，顯得復(fù)雜而不容易掌握。復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，是工程應(yīng)用的最佳途徑。

1 邏輯閥的分類

從功能上分，有開關(guān)閥、壓力閥和流量閥；從主閥液流方式上分有內(nèi)流閥和外流閥；從控制方式上有內(nèi)控內(nèi)排、外控外排、內(nèi)控外排和外控內(nèi)排。

2 邏輯閥的參數(shù)和使用

2.1 開關(guān)閥參數(shù)

如圖1 所示開關(guān)閥主要參數(shù)，下腔A、上腔B、控制腔C；閥芯直徑?D、閥芯在閥口處的直徑?d1、閥口直徑?d、主閥行程h、彈簧力F（kN）、公稱流量Q（L/min）、過(guò)流面積A1、系統(tǒng)公稱壓力P、閥口壓降ΔP、開啟時(shí)間T1、關(guān)閉時(shí)間T2、流量系數(shù)C1、浮環(huán)比i、浮環(huán)面積A2、最小流量Q1（L/min）、先導(dǎo)流量Q2（L/min）、工作缸內(nèi)壓力P1、先導(dǎo)外控壓力P2、下腔壓力Pa、上腔壓力Pb、控制腔壓力Pc、閥口支撐力F1、閥蓋支撐閥芯力F2、閥口液流力F2、先導(dǎo)控制壓力Px、回油背壓Py。

圖1 開關(guān)閥芯

浮環(huán)比i=（D×D-d1×d1）/d×d。Rexroth 邏輯閥浮環(huán)比主要有7%和50%，Parker 邏輯閥浮環(huán)比為40%，Vickers 邏輯閥浮環(huán)比為45%。而Oilgear 邏輯閥沒(méi)有浮環(huán)比，而是采用了直徑差異的邏輯閥。

公稱流量Q（L/min）一般是指ΔP=5bar 時(shí)，邏輯閥的實(shí)際流量（測(cè)試值）。在主閥行程h 全開啟的前提下，邏輯閥公稱流量Q（L/min）=C1（ΔP/A1），國(guó)產(chǎn)開關(guān)邏輯閥C1一般為0.654，按照這個(gè)公式計(jì)算DN25～DN125（標(biāo)準(zhǔn)系列）的流量壓降曲線（也稱邏輯閥靜態(tài)特性），與Rexroth 樣本給定的曲線基本一致，在ΔP=5bar～20bar 區(qū)域內(nèi)也與試驗(yàn)測(cè)試一致。

開關(guān)閥的靜態(tài)特性包括四個(gè)狀態(tài)特性：①關(guān)閉可靠性，在液壓系統(tǒng)邏輯控制中，一個(gè)工作腔在電信號(hào)給定情況下動(dòng)作會(huì)伴隨一部分邏輯閥可靠關(guān)閉，因此在合理的浮環(huán)比的前提下，公式一直成立（Pc×D×D×π/4 +F）=A2×Pb+A1×Pa+F1；②開啟過(guò)程，也稱開啟特性，包括開啟加速階段、穩(wěn)定開啟階段和末端緩沖階段，這幾個(gè)階段始終保持邏輯閥向上開啟的趨勢(shì)，需要設(shè)計(jì)先導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)控制功能來(lái)匹配；③開啟保持可靠性公式一直成立（Py×D×D×π/4+F+F2）=A2×Pb+A1×Pa（ΔP 為Pb和Pa差值，始終正數(shù)）；④關(guān)閉過(guò)程，也稱關(guān)閉特性，包括關(guān)閉加速階段、穩(wěn)定關(guān)閉階段和末端緩沖階段，這幾個(gè)階段始終保持邏輯閥向下關(guān)閉的趨勢(shì)，需要設(shè)計(jì)先導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)控制功能來(lái)匹配。而這四種狀態(tài)特性在不同（如內(nèi)流或者外流以及進(jìn)油或者排油）功能邏輯閥的使用中，應(yīng)該分別予以計(jì)算或者選定。

邏輯閥開啟和關(guān)閉的動(dòng)態(tài)特性包括：①各腔壓力波動(dòng)峰值；②過(guò)度過(guò)程頻率；③緩沖度。

2.2 開關(guān)閥的使用

開關(guān)閥主要用于單向、循環(huán)釋放、進(jìn)液、排液。單向功能主要是根據(jù)系統(tǒng)對(duì)壓降的要求，選擇合理規(guī)格的邏輯閥，然后就是單向開啟壓力的選擇如0.5bar、1bar、2bar 和4bar。

開關(guān)邏輯閥作為進(jìn)液閥或者排液閥（包括循環(huán)釋放閥），允許使用內(nèi)流式或者外流式。合理的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是閥芯最大限度容納彈簧，并必須在420bar 壓力下不能變形，避免閥芯和閥杯卡死。

進(jìn)液邏輯閥使用中最容易出問(wèn)題，關(guān)閉要快速通過(guò)閥芯阻尼凸頭實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉末端緩沖，而開啟需要先導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)阻尼緩沖或者節(jié)流閥緩沖，國(guó)內(nèi)外進(jìn)液閥控制蓋板共同特點(diǎn)：使用先導(dǎo)插裝式節(jié)流閥來(lái)控制排液主閥的開啟或者關(guān)閉，比如DN25、DN32、DN40 使用DN6 電磁閥以及插到蓋板里的DN6 梭閥或單向節(jié)流閥控制進(jìn)液閥，控制時(shí) 間 范 圍 為60～180ms；大 規(guī) 格DN63、DN80、DN100、DN160 進(jìn)液邏輯閥使用了二級(jí)先導(dǎo)控制，尤其是快鍛進(jìn)液閥使用一級(jí)帶節(jié)流調(diào)節(jié)桿DN16開關(guān)閥和二級(jí)先導(dǎo)單向閥聯(lián)合控制，進(jìn)液閥建立關(guān)閉啟動(dòng)條件必須得到保障，這也是很多液壓系統(tǒng)使用先導(dǎo)外控的主要原因。然而最佳的使用方式是，不再使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺釘孔（圖1），所先導(dǎo)功能元件全部采用疊加式。

進(jìn)液邏輯閥關(guān)閉重點(diǎn)是建立關(guān)閉啟動(dòng)條件，因?yàn)橐坏﹩?dòng)了關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，隨著行程的縮短，不斷增加的液動(dòng)力也會(huì)加速邏輯閥關(guān)閉，在液動(dòng)力和控制腔靜液壓力的共同作用下，邏輯閥一定會(huì)完成剩余的關(guān)閉行程。要控制進(jìn)液邏輯閥快速關(guān)閉，有以下常用方法：①先導(dǎo)控制增加外控，通過(guò)電磁閥下疊加的梭閥選取控制主閥關(guān)閉的壓力，確保主閥關(guān)閉的啟動(dòng)；②主閥閥口壓力降不能小于3bar 以下（匹配合適的流量范圍）；③邏輯閥的彈簧力必須保證(所以進(jìn)液閥都選4bar 或者2bar 的彈簧力)；④限制主閥芯導(dǎo)向的機(jī)械卡緊力（保證加工精度）。

不管是內(nèi)流還是外流邏輯閥，液流力始終是使閥芯關(guān)閉的，這也是除Oilgear 公司以外，幾乎所有液壓公司都在使用等直徑邏輯閥的原因。液流力Fstr=－ρQVcosΦ（ρ 液流密度，Q 邏輯閥過(guò)流量，V閥口流蘇，Φ 射流角)公式已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

循環(huán)釋放閥的使用與排液閥相同，關(guān)閉要快速通過(guò)閥芯阻尼凸頭實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉末端緩沖，而開啟需要先導(dǎo)阻尼緩沖或者節(jié)流閥緩沖，國(guó)內(nèi)外排液閥控制蓋板都在使用先導(dǎo)插裝式節(jié)流閥來(lái)控制排液主閥的開啟，DN25、DN32、DN40 使用DN6電磁閥及DN6 單向節(jié)流閥控制排液閥，控制時(shí)間范圍為40～180ms。大規(guī)格邏輯閥DN63、DN80、DN100、DN125 排液閥使用了二級(jí)先導(dǎo)排液，尤其是快鍛排液閥使用一級(jí)帶節(jié)流調(diào)節(jié)桿DN16 開關(guān)閥，排液閥的開啟分為兩個(gè)階段，先導(dǎo)泄壓及緩沖開啟的第一階段，后期低壓階段壓力換向閥快速開啟排液邏輯閥，到排液閥壓力下降到P1×33%左右使用壓力換向閥大量排掉邏輯閥控制腔的液體，控制沖擊振動(dòng)的前提下縮短排液的開啟時(shí)間。最佳的使用方式是，不再使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有XYZ+ABPT 控制油孔和螺釘孔（圖2），所有先導(dǎo)功能元件全部采用疊加式，完全實(shí)現(xiàn)排液邏輯閥的開啟和關(guān)閉。華德、立新、泰豐和Rexroth、Parker、Vickers（帶凸頭蓋板）、Oilgear各家電子樣本給出的龐大的開關(guān)閥功能蓋板一族，完全不用去理會(huì)了，讓邏輯閥的使用最大限度簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化。

圖2 開關(guān)閥控制蓋

2.3 壓力閥參數(shù)

如圖3 所示，壓力閥包括溢流閥和減壓閥，這里重點(diǎn)研究溢流閥，同樣的研究也適用于減壓閥。溢流閥的主要參數(shù)：下腔A、上腔B、控制腔C；閥芯直徑?D、閥芯在閥口處的直徑?d1、閥口直徑?d、主閥行程h、彈簧力F（kN）、公稱流量Q（L/min）、過(guò)流面積A1、系統(tǒng)公稱壓力P、閥口壓降ΔP、開啟時(shí)間T1、關(guān)閉時(shí)間T2、流量系數(shù)C1、最小流量Q1（L/min）、先導(dǎo)流量Q2（L/min）、先導(dǎo)外控壓力P2、下腔壓力Pa、上腔壓力Pb、控制腔壓力Pc、閥口支撐力F1、閥蓋支撐閥芯力F2、閥口液流力F2、先導(dǎo)控制壓力Px、回油背壓Py、一級(jí)阻尼?1、二級(jí)綜合阻尼?2。

圖3 壓力閥芯

溢流閥的靜態(tài)特性包括：①用開啟比例δ=Δp/p表達(dá)定壓精度；②用調(diào)節(jié)偏差表達(dá)調(diào)節(jié)敏感度ε=Δp/Q；③導(dǎo)閥溢流量的大小。

邏輯溢流閥的動(dòng)態(tài)特性主要是穩(wěn)定性和噪聲控制，主閥在一級(jí)阻尼?I 和先導(dǎo)閥匹配的前提下達(dá)到最佳穩(wěn)定性，二級(jí)綜合阻尼?F 與先導(dǎo)閥的參數(shù)匹配控制了噪聲。應(yīng)用時(shí)，只需要選擇標(biāo)準(zhǔn)DN6 和DN10 先導(dǎo)溢流閥即可防止噪聲。通過(guò)主閥芯和先導(dǎo)閥芯的受力平衡方程與一級(jí)阻尼與先導(dǎo)溢流閥流量連續(xù)方程，計(jì)算得到邏輯閥一級(jí)阻尼的參數(shù)，按照表1 選擇一級(jí)阻尼?I，保證邏輯溢流主閥基本靜態(tài)特性。

表1 一級(jí)阻尼選擇

試壓測(cè)試與計(jì)算基本一致，邏輯溢流主閥控制腔壓力在（55～70%）p（主閥溢流壓力）范圍內(nèi)，邏輯主閥可以穩(wěn)定溢流。

2.4 溢流閥的使用

溢流閥主要使用在泵頭安全溢流和工作缸的安全溢流。邏輯溢流閥安裝口尺寸與開關(guān)閥的一樣，都是ISO 標(biāo)準(zhǔn)。

與開關(guān)閥的使用一樣，不要使用帶插件的蓋板，避免備件的煩擾。通過(guò)蓋板上安裝的疊加式溢流閥及電磁換向閥，組成一級(jí)、二級(jí)或三級(jí)壓力選擇溢流閥。不使用帶插件的控制蓋板，控制蓋板僅僅有X+T控制油孔和螺釘孔，所先導(dǎo)功能元件全部采用疊加式。這樣給液壓系統(tǒng)和集成閥組設(shè)計(jì)帶來(lái)極大簡(jiǎn)化，也給調(diào)試、維護(hù)和保養(yǎng)帶來(lái)便利。一級(jí)阻尼?I 安裝到控制蓋板上，簡(jiǎn)化了邏輯溢流閥主閥芯。如圖4 所示。

華德、立新、泰豐和Rexroth、Parker、Vickers（帶凸頭蓋板）、Oilgear 各家樣本或者電子樣本給出的龐大的蓋板一族，和繁雜的各式原理圖，完全不用去選擇了。

值得注意的是在鍛造操作機(jī)的旋轉(zhuǎn)和行走控制回路中，使用定壓精度更高、調(diào)節(jié)偏差更小的直動(dòng)式溢流閥代替二級(jí)先導(dǎo)溢流閥，來(lái)保證液壓馬達(dá)回路的安全溢流。國(guó)內(nèi)使用二級(jí)溢流閥的國(guó)產(chǎn)操作機(jī)，帶來(lái)了大量旋轉(zhuǎn)和行走液壓馬達(dá)的損壞和設(shè)備事故。

圖4 壓力閥控制蓋

2.5 比例閥的參數(shù)和使用

原則上來(lái)講，所有邏輯閥的進(jìn)液閥和排液閥（循環(huán)釋放閥）都要使用比例流量閥，因?yàn)楸壤髁块y可以實(shí)現(xiàn)邏輯閥的所有功能。但是因?yàn)楸壤y造價(jià)高、使用維護(hù)水平要求高，在一些常規(guī)液壓控制場(chǎng)合，還是大量使用了普通邏輯閥。

比例閥主要參數(shù)是流量壓降曲線，由于比例閥可以在行程的任何階段停止，主閥的流量系數(shù)是變參數(shù)，而與一般邏輯閥的單一參數(shù)不同。

主要參數(shù)：①公稱流量（ΔP 為5bar）；②最大流量；③關(guān)閉時(shí)間；④開啟時(shí)間；⑤動(dòng)態(tài)誤差；⑥線性度；⑦勢(shì)能狀態(tài)；⑧最低控制壓力；⑨先導(dǎo)排油背壓；⑩控制體積。

邏輯閥中的比例閥使用，主要用來(lái)排液，控制缸位置、速度和同步。先導(dǎo)控制流量必須足夠，并且μm以下精度的過(guò)濾。

值得注意的是比例閥的勢(shì)能控制，確保設(shè)備停機(jī)狀態(tài)比例主閥是關(guān)閉的。

3 結(jié)束語(yǔ)

開關(guān)和壓力邏輯閥的控制蓋板，只需要控制油口連接閥體標(biāo)準(zhǔn)連接口和電磁閥連接口，蓋板體上不要安裝任何插件，所有功能插件（如梭閥、單向節(jié)流閥、單向閥和先導(dǎo)溢流閥）全部疊加在電磁閥和蓋板之間。只要各種功能的邏輯閥使用對(duì)了，任何液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題都好解決了，使用狀態(tài)方程控制理論可以建立每個(gè)邏輯閥的運(yùn)動(dòng)模型，系統(tǒng)中的邏輯閥再聯(lián)動(dòng)起來(lái)就完成了系統(tǒng)的狀態(tài)仿真，根據(jù)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)調(diào)整邏輯閥控制蓋上疊加的功能閥，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的最優(yōu)化。