高低壓切換是混凝土泵送系統中重要功能之一，以“高壓”和“低壓”兩種狀態進行泵送，可以適應不同的工況。當前，實現高低壓切換功能多使用專用的閥塊或閥組，普遍存在重量大、成本高的缺點。
利用高壓球閥實現混凝土泵送系統的高低壓切換功能是一種新技術，球閥具有結構簡潔、可靠性高、通用性好、成本更低等優點，用于泵送系統高低壓切換具有很強的優勢。本文介紹分別以二通球閥、三通球閥、四通球閥所組成的高低壓切換液壓系統，并對其進行對比分析。
1.傳統方案介紹
目前，混凝土泵送系統的高低壓切換功能普遍采用專用集成閥塊。如圖1所示，高低壓切換集成閥塊主要由6個邏輯閥和1個兩位四通電磁閥組成。6個邏輯閥分為兩組，一組邏輯閥（圖中2-1、2-3、2-5）關閉、另一組（2-2、2-4、2-6）打開時，系統處于高壓工作狀態；反之，一組邏輯閥（2-1、2-3、2-5）打開、另一組（2-2、2-4、2-6）關閉時，系統處于低壓工作狀態。該集成閥塊也可以與泵送系統的其他功能集成在一起。

圖1 高低壓切換集成閥塊原理圖
使用集成閥塊能夠很好地實現高低壓切換的功能，而且具有較高的可靠性，但由于集成閥塊屬于非標件，閥塊內部管路較多、結構復雜，而且液壓件對于加工精度的要求很高，導致其制造成本較高。由于不同型號混凝土泵所需液壓系統壓力、排量等參數不同，進一步增加了零部件通用的難度，也導致制造成本的上升。
另外，由于元件數量多、系統復雜，高低壓切換系統對液壓系統動力也有一定的損耗，增加了系統發熱，縮短了液壓元件壽命。
2.球閥方案原理
球閥是一種通用元件，高壓球閥工作壓力達到40MPa，完全可滿足混凝土泵送系統對于液壓系統的需求。球閥具有開關迅速方便、密封性好、使用壽命長、可靠性高等優點，而且其內部通道平整光滑，流體阻力小，可**降低能耗，降低系統發熱，保護液壓元器件。而且球閥可實現批量生產，**降低使用成本。
2.1 二通球閥方案
如圖2所示，使用6個二通球閥與主油缸組成高低壓切換系統。如圖2a所示，當球閥4、5、7打開，3、6、8關閉時，主油缸有桿腔聯通，無桿腔接入液壓系統，此時泵送系統處于“高壓”工作狀態；如圖6b所示，當球閥4、5、7關閉，3、6、8打開時，主油缸無桿腔聯通，有桿腔接入液壓系統，此時泵送系統處于“低壓”工作狀態。
二通球閥高低壓切換方案原理與傳統方案類似，但是將邏輯閥換成二通球閥。該方案使用的元件簡單、成本較低，但是管路較復雜。

1.泵送主油缸2.液壓系統接口3-8.二通球閥
圖2 二通球閥組高低壓切換原理圖
2.2 三通球閥方案
如圖3所示，使用3個“L型”三通球閥與主油缸組成高低壓切換系統。當球閥組處于圖3a所示狀態時，主油缸無桿腔聯通，有桿腔接入液壓系統，泵送系統處于“低壓”工作狀態；當處于圖3b所示狀態時，主油缸有桿腔聯通，無桿腔接入液壓系統，泵送系統處于“高壓”工作狀態。

1.泵送主油缸 2.液壓系統接口 3-5.三通球閥
圖3 三通球閥組高低壓切換原理圖
三通球閥高低壓切換方案有了很大的改進，將元器件的數量減少一半，而且管路較簡單。
2.3 四通球閥方案
如圖4所示，使用2個四通球閥與主油缸組成高低壓切換系統。當球閥組處于圖4a所示狀態時，主油缸無桿腔聯通，有桿腔接入液壓系統，泵送系統處于“低壓”工作狀態；當處于圖4b所示狀態時，主油缸有桿腔聯通，無桿腔接入液壓系統，泵送系統處于“高壓”工作狀態。
四通球閥高低壓切換方案將元器件數量減少到2個，管路也更簡化了，但是四通球閥應用面較窄，制造也相對困難，降低了系統的經濟性。

1.泵送主油缸 2.液壓系統接口 3-4.四通球閥
圖4 四通球閥組高低壓切換原理圖
3.比較分析
綜上所述使用二通球閥組所需要的球閥數量最多，為6個，所需要的管路也最復雜，需要6個三通接頭；使用四通球閥組所需要的球閥數量最少，為2個，所需要的管路最簡單，無需三通接頭；使用三通球閥組所需球閥和管路都適中，球閥和三通接頭各需3個。
由于二通、三通和四通球閥結構不同，相同通徑的閥體結構尺寸及重量也有差別。比較其球體大小可以作為制定其結構和重量的依據。
圖5a所示二通球閥，其球體半徑R2大約為球閥通徑d的0.8倍；圖5b所示三通球閥的球體，其半徑R3比二通球閥半徑R2略大，約為通徑d的1倍；圖5c所示的四通球閥，由于其內部有二條通道，球體半徑R4也較大，約為通徑d的1.5倍。
由于球體的體積及重量與其半徑成3次方的關系，在相同通徑前提下，設三通球閥球體體積為1，則二通球閥球體體積約為0.51，四通球閥球體體積約為3.38。據此可得出不同球閥重量之比，算出球閥組的相對重量。

圖5 三種球閥的球體示意圖
另外，考慮到四通球閥內部有2條通路，結構較復雜，制造成本更高。
各種球閥組所組成的高低壓切換系統的對比，如表1所示。
表1 三種球閥組高低壓切換方案比較

根據比較可知，以上3種方案各有長短，其適用范圍也不同。二通球閥方案適用于結構空間較大、液壓系統壓力較低的情況；四通球閥方案使用于對液壓管路精簡要求較高，但對系統重量要求不高的場合；三通球閥方案的經濟性、通用性**，適合于推廣使用。
4.試驗實例
以三一重工SY5160THB-23混凝土泵車的試驗為例，該泵車應用傳統閥塊式高低壓切換閥方案與三通球閥組高低壓切換方案作為液壓系統選配，并且進行了比較試驗。
泵送系統主要參數及試驗環境如下：
混凝土理論排量 90m3/h
理論泵送壓力 7.8MPa
液壓系統 開式
系統油壓 32MPa
系統排量 50%
環境溫度 21℃
試驗結論如表2及圖6所示。
表2 兩種高低壓切換系統試驗數據比較


圖6 兩種方案系統溫升曲線
高壓球閥組實現泵送系統高低壓切換，具有經濟性好、通用性高等優點，不同球閥類型所組成的系統，也有不同特點。二通球閥組由于球閥數量多、管路復雜，優勢不明顯；三通球閥組在成本方面有較大優勢，但與四通球閥組相比，球閥數量較多；四通球閥組管路最簡單，但球閥本身重量較大，成本也較高。因此，根據不同泵送設備及工況的特點，選擇使用不同球閥組完成高低壓切換功能，將能發揮其更大優勢。
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