一种电动四通阀的方案设计及实现
韩兴连 周光明 张元禾 高明辉 谢艳
摘要：电磁四通阀由于在实际使用中经常发生堵塞故障，运行成本较高。文章提出一种电动四通阀的设计，并阐述了实现该产品的过程，较好地解决了使用电磁阀时出现的故障率高及成本高的弊端。关键词：电磁四通阀；电动阀；自动控制
1.研究背景
近年来，随着机电一体化的发展，电动阀门这一重要的机械产品迎来了前所未有的市场。巨大的市场需求对于电动阀门的要求也越来越高。
在运作效率及节省能源消耗方面，自动控制阀的运用是不可缺少的一环，传统产业界常用的手动阀、气动阀，在安装成本及效率上均不及电动阀。有媒体称电动阀产品将成为阀门业界的主流产品。电动闸阀随着市场科学技术的不断发展，正向着高技术含量、高参数、耐强腐蚀、高寿命方向发展。
当前的四通阀产品大多采用的是电磁线圈技术控制阀门的开关换向，此类电磁四通阀产品广泛应用于空调制冷或制热领域，具有以下优点：外漏杜绝、内漏易控、使用安全、系统简单、价格低廉、开关信号控制、动作迅速、功率微小、外形轻巧，但其还存在调节精度受限、适用介质受限等缺点。电磁阀对介质洁净度有较高要求，含颗粒状的介质不能适用。电磁阀一般流通系数很小，而且工作压力差很小，主要用在小流量和小压力方面。
文章提出一种电动四通阀设计方案，通过反馈信号对阀门进行有效的阀位控制，可满足自动化生产的需要；还可实现减少设备维护量、用于管网阀门微功耗调节控制等。
2.技术特点
该电动四通阀设计可以选择手动或电动方式实现其开关的控制；当采用电动方式控制时可通过结合可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的DI，DO模块实现自动控制与状态采集。同时主要是通过改变电动四通阀1，2出口的开关切换实现外部阀的左缸腔和右缸腔的流量控制，从而实现控制外部阀的开关量。与外部设备的连接示意如图1所示。
设计性能参数：采用全铜陶瓷快开阀芯，耐磨性好，对水质杂质质量要求不高，适用于管网各种水质。最高使用温度90°C，使用寿命50万次，阀体采用铝合金。工作时设备功耗5W，工作电流0.2-0.4A，堵转电流1A。支持4-60℃寬温操作。自带阀门限位开关并可调整。电源有直流24v供电和交流220v供电小两种可选；可实现阀门的三线换向控制；同时可使电机在堵转时得到保护，以避免电机堵转时电流过大烧坏元器件。开到位、关到位信号反馈，便于其得到更好的控制。阀门开关换向控制可通过手动和自动两种操作方式实现。整个阀体体积小，便于集中安装。
3.产品实现
该产品的系统架构主要有阀体、电路板两部分组成。阀体主要包括电机、减速机、传动机构、限位开关、手动操作插口、4个阀门、电插口针等部分，其主要作用是实现电动四通阀的机械作用与电动四通阀的的手动操作工作模式。
电路板主要由三极管、可控硅、二极管、电阻、电容等电子元器件及PCB板组成。根据阀体内部剩余空间及控制线走线方便美观等因素综合考虑将电路板安装于阀体的手动操作插口旁的阀体左侧的内壁，并合理设计电路板的尺寸；同时为了符合工业用电的规定及标准，设计了直流DC24v和交流AC220v两种供电方式的电路板；电路板的主要作用为：①电动四通阀在电动工作模式下实现阀门的换向控制即开启、关闭控制，其实现方式主要是提供3个端子即开向控制端、关向控制端、公共端。②在电机堵转时，电路板为其提供保护的功能，其实现方式为通过导通可控硅从而使三极管工作在截止状态以达到切断供电源为电机供电。
手动工作模式：将手动操作插口G按下，使齿轮E，F分离并旋转使c跟随F动作，同时4个阀门Vl，V2，V3，V4随之动作。
电动工作模式：当将手动操作插口G松开后，齿轮F使复位轴套与弹簧H发挥作用，恢复原位使E，F接触，此时可通过电动方式控制阀门Vl，V2，V3，V4动作。若当电机通电动作时，则F随E动作，Vl，V2，V3，V4随之F动作。同时由于Vl，V2，V3，V4传动传递性决定了V1，V3与V2，V4反向动作，即当Vl与V3开阀，V2与V4关阀；Vl与V3关阀，V2与V4开阀；从而控制出1：31，2以达到实现流体控制的目的。
自动工作模式：主要是通过PLC实现对电动四通阀的开关控制并采集电动四通阀的开到位，关到位反馈信号；同时也可结合反馈信号实现对阀门的精确控制。主要实现方式通过DI模块，DO模块，继电器并结合程序实现阀门的开关换向控制。
该产品的“四阀”主要由V1，V2，V3，v4等4个阀门互相两两啮合组合而成，主要是通过阀门的开关实现本产品的出口1，2的通断；从而实现对外部设备的流体控制。其具体工作流程为：①当阀门V1，V3都处于开启状态时，则V2，V4处于关闭状态，此时流体从“进”口进入后通过阀门Vl并经过出口1流入外部设备的左腔从而改变外部设备左腔的流量进而推动外部设备的活塞后，使得外部设备的右腔的流量改变同时腔内的流体从出口2并经过阀门V3最后从“出”口流出，其流体流向如图2所示的实线箭头部分。②当阀门V2，V4都处于开启状态时，则V1，V3处于关闭状态，此时流体从“进”口进入后通过阀门V2并经过出1212流入外部设备的右腔从而改变外部设备右腔的流量进而推动外部设备的活塞后，使得外部设备的左腔的流量改变同时腔内的流体从出口1并经过阀门V4最后从“出”口流出，其流体流向为图2的虚线箭头部分。通过以上①②两个流程，可实现阀门V5的开关控制。
