换向阀的结构特点及工作原理

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图11－2 机械动作3/2常闭式球座阀 (a)正常位置结构；(b)动作位置结构；(c)职能符号
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2)盘座阀(Disc seat valve) 盘座换向阀采用圆盘密封结构，较小的阀芯位移就可产生较大 的过流面积，具有响应快，抗污染能力强，寿命长，通流能力较大 等特点。 图11－3所示为二位三通机械动作常闭式盘座阀的工作原理。 如图11－3(b)所示，在未驱动状态下，进气口1关闭，工作口2与排 气口3相通。如图11－3(c)所示，驱动推杆动作时，阀口打开，从而 使进气口1与工作口2相通，换向阀有气信号输出。考虑到其阀芯工 作面积，此类换向阀的驱动力较大。盘座阀主要制成2/2、3/2及4/2 阀，按控制需求有“常闭”式和“常开”式。此类阀芯可由人力、 机械、电磁或气压操纵，操纵时须克服复位弹簧力和空气压力。图 11－4所示为二位三通机械动作常开式盘座阀的工作原理。
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图11－7 直动式3/2电磁阀 (a)外观；(b)正常位置结构；(c)动作位置结构；(d)职能符号
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直动式电磁阀只适用于小型阀。如果要利用直动式电磁铁 控制大流量空气，则阀的体积必须加大，电磁铁也要加大才能 吸引柱塞，而体积和电耗都增大会带来不经济的问题，为克服 这些缺点，应采用先导式结构。
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图11－8 先导式3/2电磁阀 (a)正常位置结构；(b)工作位置结构；(c)职能符号
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2．滑动阀(Slide valve) 滑动阀是利用滑柱、滑板或旋转滑轴在阀体里运动来实现 气路通断的阀。 1)纵向滑柱阀(Longitudinal slide valve) 纵向滑柱阀是利用一个有台肩的滑柱在阀体内轴向移动， 从而使各气口接通或关断的。滑柱的移动可采用人力、机械、 电气或气动方式操纵。
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图11－6 双气控二位五通圆盘式换向阀(带手动复位) (a)控制口14有信号结构图；(b)控制口12有信号结构图；
(c)14口通气状态职能符号；(d)12口通气状态职能符号
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以下所述的电磁阀，从结构上也属于提动阀。电磁阀是气 动控制元件中最主要的元件，其品种繁多，结构各异，按操纵 方式可分为直动式和先导式两类。
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图11－9 双气控5/2滑柱式换向阀 (a)控制口12有信号时；(b)控制口14有信号时；(c)职能符号
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图11－10(a)所示为单电控先导式二位五通换向阀的外观。 该阀在结构上属于滑柱式，主要用于控制双作用缸的运动。如 图11－10(b)所示，当没有电信号输入时，先导阀的柱塞顶在阀 座上，阀的滑柱右边没有先导气压。如图11－10(c)所示，当电 磁铁通电时，先导阀的柱塞被吸，右移，压缩空气经1口的小孔 通到滑柱右边使滑柱左移，故空气从1口流向4口，从2口流向3 口，5口被遮断。当断电时，滑柱左侧弹簧将滑柱向右推，换向 阀复位。此阀带有手动复位按钮。
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1)球座阀(Ball seat valve) 图11－2所示为二位三通(3/2)机械动作球座阀的工作原理。 当换向阀未驱动时如图112(a)所示，复位弹簧将球状阀芯挤压在 阀座上，从而使进气口1关闭，进气口1与工作口2不相通，工作 口2与排气口3相通。当换向阀工作时如图11－2(b)所示，驱动推 杆可将阀口打开。当阀口打开时，换向阀须克服复位弹簧力和 气压力(由压缩空气产生)。
直动式(Direct control)电磁阀是利用电磁力直接驱动阀芯换 向的。如图11－7所示的直动式电磁阀，属于小尺寸阀，故电磁 力可直接吸引柱塞，从而使阀芯换向。图11－7(b)所示为电磁铁 尚未通电状态，弹簧将柱塞压下，使1口和2口断开，2口和3口 接通，阀处于排气状态。如图11－7(c)所示，当电磁铁通电后， 电磁力大于弹簧力，柱塞被提上升，1口和2口通，3口被遮断， 阀处于进气状态。
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图11－11 双电控先导式5/2换向阀(带手动复位) (a)外观；(b)正常位置结构；(c)动作位置结构；(d)职能符号
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2)纵向滑板阀(Longitudinal flatslide valve) 纵向滑板阀是利用滑柱的移动带动滑板来接通或断开各通 口的。滑板靠气压或弹簧压向阀座，能自动调节。这种阀的滑 板即使产生磨耗，也能保证有效的密封。 图11－12所示为双气控二位四通滑板阀的工作原理。当压 缩空气从12口引入时，滑柱左移，空气从1口流向2口，从4口流 向3口，如图11－12(a)所示。当压缩空气从14口引入时，滑柱右 移，空气从1口流向4口，从2口流向3口，如图11－12(b)所示。 如切断控制口的气源，则滑柱在从另一侧接受信号前，仍停留 在当前位置。两端控制口的气信号只要是脉冲信号即可。
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图11－14 常闭式延时阀 (a)控制口12无气结构；(b)控制口12有气结构；(c)职能符号；(d)时序图
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若压缩空气是洁净的，且压力稳定，则可获得精确的延时 时间。通常，延时阀的时间调节范围为0～30 s，通过增大气室 可以使延时时间加长。延时阀通常带可锁定的调节杆，可用来 调节延时时间。
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图11－3 机械动作3/2常闭式盘座阀 (a)外观；(b)正常位置结构；(c)动作位置结构；(d)职能符号
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图11－4 机械动作3/2常开式盘座阀 (a)正常位置结构；(b)动作位置结构；(c)职能符号
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图11－5所示为单气控常闭式3/2盘状阀的工作原理。单气控 二位三通阀由控制口12上的气信号直接驱动。由于此换向阀只 有一个控制信号，因此，这种阀被称为直动式换向阀，该换向 阀靠弹簧复位。如图11－5(b)所示，当控制口12上有气信号时， 盘状阀芯推动滑柱正对复位弹簧移动，使进气口1与工作口2相 通，工作口2有气信号输出。控制口12上的气体压力必须足够大， 以克服作用在阀芯上的弹簧力和空气压力使阀芯移动。通常， 根据流量选择换向阀通径大小。
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图11－9所示为双气控二位五通滑柱式换向阀。由于没有复 位弹簧，因此只要在12口或14口引入一个较低的工作压力即可 使滑柱移动。如图11－9(a)所示，当控制口12有压缩空气时，滑 柱右移，则空气从1口流向2口，从4口流向5口，3口被遮断。除 非14口有压缩空气引入(如图11－9(b)所示)，否则滑柱不会改变 位置，这就是该阀所具有的记忆功能。控制口12口或14口的压 缩空气只需一个脉冲信号即可使滑柱移动，但12口和14口不能 同时有信号。在这种换向阀中，阀芯与阀体之间的间隙不超过 0.002～0.004 mm。与提动式换向阀相比较，这种换向阀工作行 程要大一些。
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一旦阀口打开，进气口1就与工作口2相通，压缩空气进入换向 阀输出侧，使换向阀有气信号输出。驱动力大小取决于换向阀 通径。这种换向阀结构紧凑、简单，可安装各种类型的驱动头。 对于直接驱动方式来说，驱动推杆动作的驱动力限制了其应用。 大流量时，阀芯有效面积也大，需要较大的驱动力才能将阀口 打开，因此，此类型换向阀通径不宜过大。这种阀的操作皆由 人力或机械驱动，弹簧复位。
先导式(Pilot control)电磁阀是由小型直动式电磁阀和大型气 控换向阀组合构成的。它利用直动式电磁阀输出先导气压，此 先导气压再推动主阀芯换向，该阀的电控部分又称为电磁先导 阀。
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图11－8所示为先导式单电控3/2换向阀的工作原理。图11－ 8(a)所示为电磁线圈未通电状态，主阀的供气路1有一小孔通路 (图中未示出)到先导阀的阀座，弹簧力使柱塞压向先导阀的阀座， 1口和2口断开，2口和3口接通，阀处于排气状态。图11－8(b)所 示为电磁线圈通电状态，电磁力吸引柱塞被提升，压缩空气流 入主阀阀芯上端，推动阀芯向下移动，且使盘阀离开阀座，压 缩空气从1口流向2口，3口被断开。电磁铁断电，则电磁阀复位。
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如图11－14(a)所示，当控制口12没有气信号时，换向阀阀芯受 弹簧作用力压在阀座上，2口无信号输出。如图11－14(b)所示， 当控制口12上有气信号输入时，经节流阀注入气室，因单向节 流阀的节流作用且气室有容积，在短时间内无足够压力推动换 向阀阀芯换向，经过一段时间Δt后，气室中气体压力已达到预定 压力，二位三通换向阀换向，2口有信号输出。图11－14(d)所示 为延时阀的时序图。
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图11－13 旋转滑轴式4/3换向阀(中位封闭) (a)外观；(b)阀位；(c)结构；(d)职能符号
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3.延时阀(Time delay valve) 延时阀是一种时间控制元件，它的作用是使阀在一特定时 间发出信号或中断信号，在气动系统中作信号处理元件。延时 阀是一个组合阀，由二位三通换向阀、单向可调节流阀和气室 组成。二位三通换向阀既可以是常闭式，也可以是常开式。图 11－14所示为常闭式延时阀的工作原理。
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图11－10 单电控先导式5/2换向阀(带手动复位 )(a)外观；(b)正常位置结构；(c)动作位置结构；(d)职能符号
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图11－11(a)所示为双电控先导式二位五通换向阀的外观。 该阀在结构上也属于滑柱式，主要用于控制双作用缸的运动及 信号的转接。图11－11(b)所示为阀两边电磁铁均未通电状态， 弹簧将先导阀芯压在先导阀的阀座上，故主阀滑柱两端皆没有 先导气压，主阀的滑柱停在上一个动作信号所决定的位置，空 气从1口流向2口，从4口流向5口，3口被遮断。如图11－11(c)所 示，当右边电磁铁通电时，右边先导阀芯右移，1口气源信号经 右边小孔通到主阀滑柱右边，滑柱左移，空气从1口流向4口， 从2口流向3口，5口被遮断。如切断电源，则滑柱停在左边。若 使滑柱右移，则使左边电磁铁通电即可。此阀也为记忆阀，带 有手动复位按钮。
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图11－5 单气控3/2常闭式盘座阀 (a)正常位置结构；(b)动作位置结构；(c)职能符号
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图11－6所示的双气控二位五通换向阀采用圆盘密封方式， 其开闭行程相对较短。阀口的圆盘密封，既可以使进气口1与工 作口2相通，也可以使进气口1与工作口4相通。双气控二位五通 阀具有记忆功能，当两个控制口14和12中的一个有气信号时， 二位五通换向阀将换向，且一直保持原来工作位置不变，直到 另一个控制口有信号时才切换阀芯。这种换向阀两端各有一个 手控装置，以便对阀芯手动操作。
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3)旋转滑轴阀(Plate slide valve) 旋转滑轴阀是利用两个盘片使各个通路互相连接或分开的， 通常用手或脚操作，主要有二位四通或三位四通阀。图11－13 所示为旋转滑轴式4/3换向阀的工作原理。
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图11－12 双气控4/2纵向滑板阀 (a)12口有信号，14口无信号的结构； (b)14口有信号，12口无信号的结构；(c)职能符号
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第11章 气动控制元件
➢11．1 方向控制阀 ➢11．2 流量控制阀 ➢11．3 压力控制阀 ➢思考题与习题
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11．1．2 换向阀的结构特点及工作原理 换向阀按结构可分为提动阀(或称截止阀)和滑动阀。其中提
动阀又可分为球座阀和盘座阀。滑动阀可分为纵向滑柱阀、纵 向滑板阀和旋转滑轴阀。
1．提动阀(Poppet valve) 提动阀是利用圆球、圆盘、平板或圆锥阀芯在垂直方向相 对阀座移动，以控制通路的开启或切断。