这种节流换向阀允许在液压线性驱动系统在没有最大压力损失的情况下降低油缸的工作循环时间

从可控制性和能源消耗来讲，液压驱动的差动油缸应拥有与机电一体化线性驱动轴一样良好的性能。而要实现这种效果的前提是，在压力升高的标准回路和快速运动的回油回路中使用一个节流换向阀。

液压油缸很难控制，或者说液压线性驱动轴不如机电式线性驱动轴的定位精度高，在机床制造领域中，当人们说起线性运动时常可以听到这样的说法。由于机电式线性驱动系统具有很好的受力对称性，且运动速度很容易按照需要进行调节，因此这种说法是正确的。然而，液压线性驱动系统同样能够传递相同的功率并且拥有更高的力密度的说法也是正确的。

图1  标准的节流换向阀（DCV）有四个进出油口和一个柱塞阀芯、三个工作位置（a）；有四个交互式的“阀内分配边缘的节流调节”(b)；与差动油缸配合起来可以构成常见液压线性驱动系统的标准回路(c)

力-重量比提高竞争力

现今，液压线性驱动系统的发展水平已经显示了其强大的竞争力。从力－重量比性能方面来看，液压线性驱动系统足以和机电一体化的线性驱动系统相抗衡，其主要原因是液压线性驱动系统中诞生了一种新型的组合阀：节流换向阀。有了节流换向阀，使得对液压差动油缸的控制就像机电一体化线性驱动系统一样“对称”了。相比较，它比当前的标准技术有着更大的节能潜力。

图2  压力油接口A和B在标准液压回路中油缸活塞伸出和缩回时会使压力和活塞杆的推力大小不相同

液压油缸的型式多种多样，如柱塞缸、多级液压伸缩缸、单杆活塞油缸、双活塞杆双作用推力液压油缸。由于制造技术的简单性，通常会有两个不同工作容积的单杆活塞油缸作为双向运动的差动油缸来使用。在压力恒定时，油缸在活塞杆伸出和缩回时的作用力是不同的。在流量恒定时，油缸的伸出和缩回的深度不同。设计这种差动油缸时最重要的设计参数是有杆腔和无杆腔的横截面积比αz（1）:

式中，Ap表示活塞横截面积；Ar表示减去活塞杆横截面积后的活塞横截面积，也就是所谓的有杆腔的环形面积。一般情况下，机床生产厂都按照油缸两侧最佳的面积比来设计油缸，以满足各种不同运动关系的要求。但在实践中，规定的标准油缸会对这种最佳面积比进行“折中”，大多数的面积比都是2:1或4:3。

图3  采用节流换向阀后，克服了标准液压回路中利用油缸A、B油口进出油时油缸活塞伸出和缩回时压力、活塞杆推力不一致的缺陷

为了使面积比为2:1或4:3的标准液压油缸能够满足各种不同运动关系的要求，则需在液压回路中使用调节阀。利用节流换向阀对液压线性驱动系统进行调节。标准的油缸控制节流换向阀（DCV）有四个进出油口和一个柱塞阀芯、三个工作位置（图1a）。它的进出油口的标记为：P（与油泵连接的高压油口），A和B（油缸进出油接口），T（回油接口）。这种阀可以调节阀芯进出油口的控制面积，阀的进出油口面积的比、控制边缘比与油缸的面积比保持相互匹配。控制边缘比就是阀芯柱塞能够为不同的油缸接口分配不同的进出油面积。

图4 在创新性的液压回路中，液压油在控制边缘PA前（a，P-差动油路）或者后（b，A-差动油路）从有杆腔进入到无杆腔

在本文中阀芯柱塞控制边缘（又称为“节流边缘”）的面积比为1:1:1:1，并与油缸接口连接方式TA、AP、PB和BT的顺序保持一致。“1”表示的是在额定流量Q、额定压差pD时阀芯柱塞棱边所需100%的面积。在图1b中灰色曲线表示的是四种节流分配边缘的互动情况。一般来讲，这样设计的节流换向阀（DCV）可以调节出各种油缸横截面积比。

油缸活塞前后压力不等

油缸和换向阀共同构成了一个液压驱动回路。当油缸活塞停止运动之后，这种液压驱动可以产生最大的液压力。当油缸活塞运动时，液压力会下降到一定的程度。压力降低的幅度用阀节流边缘的压降Δp表示。

图5 节流换向阀在“P-差动油路”工作状况时，可以在外部利用单向阀(a)或在内部利用特种柱塞阀芯(b)来实现

当油缸活塞在无负载的情况下以最高速度运动时，几乎所有输入的能源都因阀的节流损失而转换为热能。因此，这其中有着很大的节能潜力。

在液压线性驱动中使用的是横截面积比为2:1的差动油缸，控制阀是DCV节流换向阀（图1c）。其活塞杆匀速伸出的条件如下：阀芯位置移动到PA－BT位置。由于横截面积比αz的原因，PA油路的油量应为BT油量的两倍。按照这一规定，阀的横截面积PA和BT是相同的。由公式(2)和(3)可知在控制边缘PA处的压降是BT处的四倍，因此在油缸的A、B两腔中的压力和推动力均不相等（图2）。

这一例子是以公称直径100mm的标准油缸、活塞杆直径70mm为基础的。液压系统的压力为100bar（1bar=105Pa），阀的额定流量为50L/min、各节流边缘的压降为5bar。为了能简单明了地说明问题，本文中涉及到数据、计算时都以这些参数为基准。

图6  带有单向止回阀的P差动油路保障了活塞杆伸出和缩回时受到的作用力是相等的；其中，在活塞杆伸出时油缸B口的压力为系统压力

由标准液压回路引起的非对称压力和非对称推力问题可以通过节流换向阀阀芯横截面积比与油缸横截面积比的匹配来解决。图3为相对比值为1:1:0.5:0.5的节流换向阀与2:1的油缸组合使用时的曲线。通过对图2和图3做比较可知：阀与油缸匹配组合后得到的也是非对称的力，但根据运动方向对PA-BT或PB-AT的压降进行补偿，使得油缸A口和B口的压力对称。整个行程中受力均匀性得到了提高，油缸的控制性能也得到了良好地改善，其原因是所有阀芯柱塞各个边缘的压降相同。由于油缸活塞两侧配合着一定值的压力，所以推动活塞伸出的力减小了。活塞杆缩回的速度也减慢了，这是因为压力在速度达到270mm/s时已经由损耗消耗掉了。

图7  使用了特殊阀芯的P差动油路保障了活塞杆伸出和缩回时受到的作用力是相等的。其中，在活塞杆伸出时油缸B口的压力高于系统压力

下一个实现对称的措施是“差动回路”。在恢复时，油缸有杆腔液压油回馈到无杆腔。在活塞杆伸出速度像普通的标准油路一样时，液压系统可以在从油缸B口到A口的回油中使用一个型号规格较小的油泵，从而节约资金。因此，差动油路也常被称之为“节油油路”，但它在实际使用中发挥的作用远不止此。

在阀芯PA控制边缘的前后，节流换向阀阀芯可以把液压油从油缸有杆腔引入到无杆腔。这两种差动油路被称之为“P-差动油路”和“A-差动油路”（图4）。P-差动油路是最经常使用的差动油路。有两种方法可以实现这种P-差动油路（图5），一种是利用外部的单向阀与DCV节流换向阀结合使用，另一种是利用DCV节流换向阀内部阀芯的B-P联通和P-A联通的特殊结构。但不建议使用内部特殊阀芯的差动方式。

图8  常用特殊柱塞阀芯（P-差动）的节流换向阀。与标准结构的柱塞阀芯相比较，特殊柱塞阀芯在PB和BT位置上的控制面积较小

如图6和图7中所指出的那样：两种方式的油路都能执行对称力的状况。为模拟外部单向阀的工作状况，在外部P-差动的计算时把阀芯边缘BT/A/P分成了十份。这样，在阀内容积流量横截面积的模拟时就将理论最大横截面积放大了十倍。由于打开的单向阀的压力损失很小，所以这是一个非常好的近似模拟。模拟的结果表明：在活塞杆伸出时油缸接口B处的压力为系统压力。有杆腔的液压油将被引回到油缸P口，与油泵输出的流量叠加到一起。

图6中向右的蓝色点表示的是新的速度极限值。因为100bar的系统压力太低了，所以这一极限值是达不到的。与标准油路210mm/s的最大伸出速度相比较，由于外部P-差动和系统参数可以把速度提高50%。但此时液压油绕过了控制边缘BT，因此它的线性驱动控制性能就变差了。

图9  为了能够避免内部的P差动(a)在油缸B口产生过高的压力，把带有问题的油路断开（b），并使接口B与接口A连接（c，A-差动）

由于力和速度的原因，内部的P差动控制结果不是很好，当运动速度太低时，油缸B口的压力会超过系统压力。其原因是柱塞在油口PB时不能完全打开到“1”，控制边缘的一半需要用于BT的连接。从图8 中的对比可以看出：标准阀芯在PB和BT时的控制边缘太小。在使用专用阀芯柱塞的P-差动时，将会加大油缸的工作负荷。

A-差动方案是Parker对油路分析的结果。外部P-差动控制的最大薄弱环节是对BT口的控制，它使得油缸的线性控制性能变差。而内部P-差动的问题则在于B口的压力比。液压油应从B口流向A口。从理论上讲，液压油的流动应尽可能的避免与油泵的输出起冲突，因而将B与A连接起来，保持BT畅通。这种简单的措施却起着重大的作用，如图9所示。

与P差动相比较，在速度相同时，PA控制边缘处的液压油流量只有其一半。因此，在PA口的压降较小，这样就有较大的力推动活塞杆伸出。从图10中可以看出，油缸以420mm/s的速度运动，在这种运动速度下的推动力高达24kN。与标准的液压油路相比较，可使伸出速度提高200%，而且在整个运动速度范围内还有足够的动力。

图10  在A-差动油路中，油缸的运动速度可达420mm/s，使伸出速度提高200%，在这种运动速度下的推动力高达24kN

按功率选液压驱动油路

这样实现的最大驱动力只有标准液压控制方式的一半，因为油缸有杆腔反馈到进油口A的液压油压力升高。这一遗留问题可通过二位二通换向阀和单向阀的集成来加以解决。这样，A-差动调节控制就可以随时转换为普通的标准油路控制，而且还不会带来超负荷的不良后果。这样，A差动就构成了一个切实可行的A差动控制回路了。

除了A差动以外，所有前面介绍的线性液压控制油路都已经在工业企业中得到了应用。而对它们提出的要求是正确有效选择液压线性驱动系统的关键。对阀芯柱塞控制边缘进行分析，从而帮助用户做出正确的决策。通过对整个节流损耗的分析可以清楚地得知，A-差动的功率可以提高30%。

根据油缸运动过程中对力或对速度与力的要求，液压系统设计师应对油缸横截面积和控制阀进行优化。当机床油缸活塞伸出运动时的负载较大、缩回运动时的负载较小时，则油缸的横截面积比应与负载运动所需力的比保持一致。若运动速度不作为液压线性驱动的主要参数时，普通的标准油路就足以满足设计要求。若运动速度作为一个重要参数时，则必须采取相应的措施。

图11  A-差动油路由一个集成有二位二通换向阀和单向阀的DCV节流换向阀组成（a），这种结构的阀（b）能够在节能的同时缩短机械循环的时间

采用理想的解决方案，例如注塑机床所需的理想解决方案是注塑模具在开箱和合箱时应具有低负载、高速度，然后转换为低速、大负载紧紧地压合注塑模具。这种相互矛盾的液压控制需求可利用超规格型号的控制阀和油缸配合，或由油缸单独来实现所需的速度和力的要求。但在这台机床中不是同时要求高速度和大推力时，则采用本文介绍的解决方案可以实现，并且能够节约更多能源。

而对于夹具和许多机床来讲，A-差动调节是实现快速、节能、强力的最佳解决方案。它也被称之为“A差动油路”。这种A-差动油路由一个集成有二位二通换向阀和单向阀的DCV节流换向阀组成（图11）。