【引言】近年来，随着液压传动技术的迅速发展，在一些高精度的场合中，一般都会采用液压传动装置。其中，以电动、气动和液动方式为代表的三大基本控制元件是应用最为广泛的液压元件。但是，由于目前国内所生产的油缸数量有限，因此很难满足各领域的需求。于是，便有了液压选择阀这一液压元件的出现。它不仅可以实现对液压泵和液压缸的切换，而且还具有结构简单、成本低、可靠性高等特点，因此在现代工业机械中得到广泛的应用。
1、插装式液控能源选择阀的结构组成和原理
插装式液控能源选择阀是一种液压控制阀，其结构和原理涉及多个方面。插装式液控能源选择阀的结构通常包括主阀、控制油路和可变阻尼形式等。插装式液控能源选择阀是液压系统中用于控制和切换油源的重要组件，其结构设计对于确保系统的安全性和可靠性至关重要。在原理上，通过主阀阀芯的启闭，可以对主油路的通断起控制作用。使用不同的先导阀，可以构成压力控制、方向控制或流量控制，并可组成复合控制。这表明插装式液控能源选择阀能够通过调整阀芯的位置和先导阀的选择来实现对液压系统的精确控制。基于油源冗余控制的插装式液控能源选择阀设计主要指的是在液压系统中，利用油源冗余控制技术来设计和实现一个可以自动或手动切换油路的装置。这种设计通常用于提高系统的可靠性和安全性，确保在某个油源出现问题时，系统可以无缝地切换到备用油源，从而避免因液压能源故障而导致整个系统停机。
2基于油源冗余控制的插装式液控能源选择阀设计方法
2.1能源选择
在插装式液控能源选择阀设计中为最大限度上提升运行的稳定性和可靠性，在能源选择管理上采用冗余管理方式，可实现多油源供给多个负载来提高系统的安全性和可靠性。这种设计方法在插装式液控能源选择阀的设计中尤为重要，因为它能够确保即使其中一个油源发生故障，其他油源仍然可以继续工作，从而保证整个液压系统的正常运行，比如：A负载由油源A来供油，B负载由油源B来供油，互不影响独立运行。但若油源A和油源B有一个出现了失效问题，如油源A出现了故障，则负载B依然可以为A负载供油，此种状态下油源B会同时负责负载A和负载B的供油，可满足整个系统降级使用的需求，不至于发展停机故障，通知也可以为油源A的维修争取到更多的时间。即便是在频发换向操作时也不会出现稳定性不足的情况，以提升能源选择阀的可靠性【1】。
2.2 主阀结构设计
在基于油源冗余控制的插装式液控能源选择阀设计中为最大限度上提升整个系统运行的稳定性，主阀结构宜采用两位三通三台肩的设计方案，其结构示意图如图1所示：
图1 基于油源冗余控制的插装式液控能源选择阀主阀结构示意图
在现代液压系统中，主阀的结构和布局对于系统的性能和可靠性至关重要。其位置不仅决定了油液的流向，还直接影响着系统的控制精度和响应速度。特别是在涉及负载口供油的场景中，主阀的位置及其与油源之间的连接关系更是显得尤为关键。当主阀结构布置在左侧时，油源B作为负载口供油的主要来源，负责向系统提供所需的液压油。此时，主阀的阀芯左侧形成控制腔，而右侧则与弹簧腔和油源B相连通。这种布局有利于实现精准的油液控制，使得系统能够按照预设的逻辑和时序进行工作。然而，如果将主阀结构放置在右侧，情况就会有所不同。此时，油源A承担起向负载供油的任务。在这种配置下，主阀的阀芯右侧形成控制腔，而左侧则与弹簧腔和油源B相连。这种布局同样能够实现油液的有效控制，但可能需要根据具体的系统需求和应用场景进行选择和调整。在实际应用中，这种缓冲机制的重要性不容忽视。液压冲击是液压系统中常见的问题之一，它可能导致系统的不稳定、零件的损坏甚至整个系统的失效。因此，通过合理设计主阀结构和阀盖，以及它们之间的相互作用，可以有效地减少液压冲击，提高系统的稳定性和可靠性。
2.3先导阀结构设计
在插装式液控能源选择阀中，基于油源冗余控制的先导阀结构控制的主要方法。这一结构巧妙地结合了三种主要部分，共同实现了对油液流动的精确控制，从而确保系统的稳定性和可靠性。
首先，滑阀结构作为先导阀的基石，其存在的主要目的是将油源A和油源B分隔成两个独立的系统。这一设计不仅使得两个油源之间互不干扰，还能够根据需要灵活地选择使用哪个油源，从而增强了系统的灵活性和冗余性。
其次，锥阀结构在先导阀中发挥着至关重要的作用。它负责对油液通断进行有效控制，确保在需要的时候能够迅速而准确地切断或恢复油液的流动。这种结构的设计使得系统能够迅速响应外部指令或环境变化，从而保持系统的稳定性和高效性。
最后，另一种滑阀结构在先导阀中也扮演着不可或缺的角色。它的主要作用是控制泄漏流道的启闭。在这部分结构上，精心设计的通孔为通过锥阀的油液和主阀左侧容腔联通提供了一个通道。而通孔之上的径向孔与先导阀之上的阻尼孔相互结合，就构成了可变阻尼结构。这种结构的独特之处在于，在先导阀开启的状态下，它能够有效地关闭泄漏流道，从而避免油液的浪费和系统的能量损失。而当先导阀关闭时，泄漏流道则会被打开，使得系统能够保持一定的灵活性和适应性。
这种设计方法的最大优势在于其独特的油源冗余控制机制。当先导阀处于开启状态时，要想关闭先导阀，就需要油源B的压力能够恢复到比开大先导阀时更大的供油压力。这种机制有效地避免了因压力波动过大而导致先导阀频繁启闭的问题。与此同时，由于主阀芯也不会产生频繁换向，整个系统的运行稳定性和可靠性得到了显著提升。
3、建模验证分析
在对插装式液控能源选择阀进行有限元分析前，先将阀门工作状态下的实际受力和位移数据导入到ANSYS中，分析能源选择阀切换特性。若油源A于开启压力的附近发生了波动，设定其压力波动形式为可通过以下公式表示出来：
此公式中Pa为油源A的压力（MPa）；t为工作时间（s），通过仿真分析得到的油源脉动环境下的阀芯位移如2所示：
图2油源脉动环境下的阀芯位移图
在了解先导阀和主阀在压力正弦波动下的表现时，可以从图2中观察到一些有趣的现象。在压力正弦波动的影响下，先导阀和主阀在打开后位移都保持不变，这显示出它们具有出色的稳定性。这种快速的启闭特性不仅符合设计要求，而且在实际应用中具有重要的意义。首先，快速启闭可以提高阀门的响应速度，使得系统在面对压力波动时能够更快地达到稳定状态。其次，快速启闭也可以减少系统的能耗，因为在较短的时间内完成启闭过程，意味着阀门在打开或关闭时所需的能量会更少。
另外，这种快速启闭特性还在一定程度上提高了系统的可靠性。由于阀门能够迅速响应压力变化，因此可以减少因压力波动而引起的系统故障或损坏。这对于需要高可靠性的系统来说尤为重要，例如水力发电、石油化工等领域【3】。总的来说，先导阀和主阀在压力正弦波动下的表现充分展示了其设计的巧妙和实用性。通过合理的压差设计，使得阀门在快速启闭的同时保持了稳定性，从而满足了各种实际应用场景的需求。这不仅体现了工程技术的精湛，也为进一步探索和研究阀门控制技术提供了有益的启示。
【结束语】
综上所述，结合理论实践，研究了插装式液控能源选择阀的设计，严结果表明，在插装式液控能源选择阀设计中融入冗余控制设计理念，具有良好的应用效果。插装式液控能源选择阀在运行中即便是某一个元器件发生了故障，可快速实现不同元器件之间的切换，通过正常运行元器件来代替发生故障的元器件，从而保障整个系统始终处于安全、稳定、可靠的运行状态。
【参考文献】
[1]李瑞丰,刘景超,张亮等.智能完井井下液控滑套开度变化判定方法研究[J].科学技术创新,2022,(31):162-165.
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[3]薛德栋,晁圣棋,王立苹等.智能井多档位液控阀结构优化设计[J].中国海上油气,2021,33(05):148-152.
