第五章液压控制阀.docx

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第五章液压控制阀

第五章液压控制阀

第一节概述

一、液压阀的作用

液压阀是用来控制液压系统中油液的流动方向或调节其压力和流量的，因此它可分为方向阀、压力阀和流量阀三大类。

一个形状相同的阀，可以因为作用机制的不同，而具有不同的功能。

压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制着系统的压力和流量，而方向阀则利用通流通道的更换控制着油液的流动方向。

这就是说，尽管液压阀存在着各种各样不同的类型，它们之间还是保持着一些基本共同之点的。

例如：

（1）在结构上，所有的阀都有阀体、阀芯（转阀或滑阀）和驱使阀芯动作的元、部件　（如弹簧、电磁铁）组成。

（2）在工作原理上，所有阀的开口大小，阀进、出口间压差以及流过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式，仅是各种阀控制的参数各不相同而已。

二、液压阀的分类

液压阀可按不同的特征进行分类，如表5—1所示。

表5—1液压阀的分类

分类方法

种类

详细分类

按机能分类

压力控制阀

溢流阀、顺序阀、卸荷阀、平衡阀、减压阀、比例压力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力继电器

流量控制阀

节流阀、单向节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、比例流量控制阀

　方向控制阀

单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、充液阀、梭阀、比例方向阀

按结构分类

滑阀

圆柱滑阀、旋转阀、平板滑阀

座阀

椎阀、球阀、喷嘴挡板阀

射流管阀

射流阀

按操作方法分类

手动阀

手把及手轮、踏板、杠杆

机动阀

挡块及碰块、弹簧、液压、气动

电动阀

电磁铁控制、伺服电动机和步进电动机控制

按连接方式分类

管式连接

螺纹式连接、法兰式连接

板式及叠加式连接

单层连接板式、双层连接板式、整体连接板式、叠加阀

插装式连接

螺纹式插装（二、三、四通插装阀）、法兰式插装（二通插装阀）

按其他方式分类

开关或定值控制阀

压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀

按控制方式分类

电液比例阀

电液比例压力阀、电源比例流量阀、电液比例换向阀、电流比例复合阀、电流比例多路阀三级电液流量伺服

伺服阀

单、两级（喷嘴挡板式、动圈式）电液流量伺服阀、三级电液流量伺服

数字控制阀

数字控制压力控制流量阀与方向阀

三、对液压阀的基本要求

（1）动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。

（2）油液流过的压力损失小。

（3）密封性能好。

（4）结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大。

第二节方向控制阀

方向控制阀是用来改变液压系统中各油路之间液流通断关系的阀类，如单向阀、换向阀及压力表开关等。

一、单向阀

液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。

1.普通单向阀普通单向阀的作用，是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。

图5—1（a）所示是一种管式普通单向阀的结构。

压力油从阀体左端的通口P1流入时，克服弹簧3作用在阀芯2上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。

但是压力油从阀体右端的通口P2流入时，它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上，使阀口关闭，油液无法通过。

图5—1（b）所示是单向阀的职能符号图。

图5-1单向阀

（a）结构图（b）职能符号图1—阀体2—阀芯3—弹簧

2.液控单向阀图5—2（a）所示是液控单向阀的结构。

当控制口K处无压力油通入时，它的工作机制和普通单向阀一样；压力油只能从通口P1流向通口P2，不能反向倒流。

当控制口K有控制压力油时，因控制活塞1右侧a腔通泄油口，活塞1右移，推动顶杆2顶开阀芯3，使通口P1和P2接通，油液就可在两个方向自由通流。

图5—2（b）所示是液控单向阀的职能符号。

图5-2液控单向阀

（a）结构图（b）职能符号图1—活塞2—顶杆3—阀芯

二、换向阀

换向阀利用阀芯相对于阀体的相对运动，使油路接通、关断，或变换油流的方向，从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。

1.对换向阀的主要要求换向阀应满足：

（1）油液流经换向阀时的压力损失要小。

（2）互不相通的油口间的泄露要小。

（3）换向要平稳、迅速且可靠。

2.转阀图5—3（a）所示为转动式换向阀（简称转阀）的工作原理图。

图5—3转阀

该阀由阀体1、阀芯2和使阀芯转动的操作手柄3组成，在图示位置，通口P和A相通、B和T相通；当操作手柄转换到“止”位置时，通口P、A、B和T均不相通，当操作手柄转换到另一位置时，则通口P和B相通，A和T相通。

5—3（b）所示是它的职能符号。

3.滑阀式换向阀换向阀在按阀芯形状分类时，有滑阀式和转阀式两种，滑阀式换向阀在液压系统中远比转阀式用得广泛。

（1）结构主体。

阀体和滑动阀芯是滑阀式换向阀的结构主体。

表5—3所示是其最常见的结构形式。

由表可见，阀体上开有多个通口，阀芯移动后可以停留在不同的工作位置上

。

表5—3　　　　滑阀式换向阀主体结构形式

当阀芯处在图示中间位置时，五个通口都关闭；当阀芯移向左端时，通口O2关闭，通口P和B相通，通口A和O1相通；当阀芯移向右端时，通口O1关闭，通口P和A相通，通口B和O2相通。

这种结构形式由于具有使五个通口都关闭的工作状态，故可使受它控制的执行元件在任意位置上停止运动。

（2）滑阀的操纵方式。

常见的滑阀操纵方式示于图5-4中。

图5-4滑阀操纵方式

（a）手动式（b）机动式（c）电磁动（d）弹簧控制（e）液动（f）液压先导控制（g）电液控制

滑阀的液压卡紧现象不仅在换向阀中有，其他的液压阀也普遍存在，在高压系统中更为突出，特别是滑阀的停留时间越长，液压卡紧力越大，以致造成移动滑阀的推力（如电磁铁推力）不能克服卡紧阻力，使滑阀不能复位。

为了减小径向不平衡力，应严格控制阀芯和阀孔的制造精度，在装配时，尽可能使其成为顺锥形式，另一方面在阀芯上开环形均压槽，也可以大大减小径向不平衡力。

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第三节压力控制阀

在液压传动系统中,控制油液压力高低的液压阀称之为压力控制阀,简称压力阀。

这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。

在具体的液压系统中，根据工作需要的不同，对压力控制的要求是各不相同的：

有的需要限制液压系统的最高压力，如安全阀；有的需要稳定液压系统中某处的压力值（或者压力差，压力比等），如溢流阀、减压阀等定压阀；还有的是利用液压力作为信号控制其动作，如顺序阀、压力继电器等。

一、溢流阀

1、溢流阀的基本结构及其工作原理

溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。

几乎在所有的液压系统中都需要用到它，其性能好坏对整个液压系统的正常工作有很大影响。

图5-14溢流阀的作用

1—定量泵2—溢流阀3—节流阀4—液压缸5—变量

1．流网的作用和性能要求

（1）溢流阀的作用

在液压系统中维持定压是溢流阀的主要用途。

它常用于节流调速系统中，和流量控制阀配合使用，调节进入系统的流量，并保持系统的压力基本恒定。

如图5-14（a）所示，溢流阀2并联于系统中，进入液压缸4的流量由节流阀3调节。

由于定量泵1的流量大于液压缸4所需的流量，油压升高，将溢流阀2打开，多余的油液经溢流阀2流回油箱。

因此，泵在这里溢流阀的功用就是在不断的溢流过程中保持系统压力基本不变。

用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。

如图5-14（b）所示的变量泵调速系统。

在正常工作时，安全阀2关闭，不溢流，只有在系统发生故障，压力升至安全阀的调整值时，阀口才打开，使变量泵排出的油液经溢流阀2流回油箱，以保证液压系统的安全。

（2）液压系统对溢流阀的性能要求

①定压精度高。

当流过溢流阀的流量发生变化时，系统中的压力变化要小，即静态压力超调要小。

②灵敏度要高。

如图5-14（a）所示，当液压缸4突然停止运动时，溢流阀2要迅速开大。

否则，定量泵1输出的油液将因不能及时排出而使系统压力突然升高，并超过溢流阀的调定压力，称动态压力超调，使系统中各元件及辅助受力增加，影响其寿命。

溢流阀的灵敏度越高，则动态压力超调越小。

③工作要平稳，且无振动和噪声。

④当阀关闭时，密封要好，泄漏要小。

对于经常开启的溢流阀，主要要求前三项性能；而对于安全阀，则主要要求第二和第四两项性能。

其实，溢流阀和安全阀都是同一结构的阀，只不过是在不同要求时有不同的作用而已。

2.溢流阀的结构和工作原理

常用的溢流阀按其结构形式和基本动作方式可归结为直动式和先导式两种。

（1）直动式溢流阀

直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上与弹簧力等相平衡，以控制阀芯的启闭动作，图5-15（a）所示是一种低压直动式溢流阀，P是进油口，T是回油口，进口压力油经阀芯4中间的阻尼孔g作用在阀芯的底部端面上，当进油压力较小时，阀芯在弹簧2的作用下处于下端位置，将P和T两油口隔开。

当油压力升高，在阀芯下端所产生的作用力超过弹簧的压紧力F。

此时，阀芯上升，阀口被打开，将多余的油液排回油箱，阀芯上的阻尼孔g用来对阀芯的动作产生阻尼，以提高阀的工作平衡性，调整螺帽1可以改变弹簧的压紧力，这样也就调整了溢流阀进口处的油液压力p。

（a）

图5-15低压直动式溢流阀（a）结构图（b）职能符号图

1—螺帽2—调压弹簧3—上盖4—阀芯5—阀体

溢流阀是利用被控压力作为信号来改变弹簧的压缩量，从而改变阀口的通流面积和系统的溢流量来达到定压目的的。

当系统压力升高时，阀芯上升，阀口通流面积增加，溢流量增大，进而使系统压力下降。

溢流阀内部通过阀芯的平衡和运动构成的这种负反馈作用是其定压作用的基本原理，也是所有定压阀的基本工作原理。

由式（5-2）可知，弹簧力的大小与控制压力成正比，因此如果提高被控压力，一方面可用减小阀芯的面积来达到，另一方面则需增大弹簧力，因受结构限制，需采用大刚度的弹簧。

这样，在阀芯相同位移的情况下，弹簧力变化较大，因而该阀的定压精度就低。

所以，这种低压直动式溢流阀一般用于压力小于2.5MPa的小流量场合，图5-15（b）所示为直动式溢流阀的图形符号.由图5-15（a）还可看出，在常位状态下，溢流阀进、出油口之间是不相通的，而且作用在阀芯上的液压力是由进口油液压力产生的，经溢流阀芯的泄漏油液经内泄漏通道进入回油口T。

直动式溢流阀采取适当的措施也可用于高压大流量。

例如，德国Rexroth公司开发的通径为6～20mm的压力为40～63MPa；通径为25～30mm的压力为31.5MPa的直动式溢流阀，最大流量可达到330L/min，其中较为典型的锥阀式结构如图5-16所示。

图5-16为锥阀式结构的局部放大图，在锥阀的下部有一阻尼活塞3，活塞的侧面铣扁，以便将压力油引到活塞底部，该活塞除了能增加运动阻尼以提高阀的工作稳定性外，还可以使锥阀导向而在开启后不会倾斜。

此外，锥阀上部有一个偏流盘1，盘上的环形槽用来改变液流方向，一方面以

图5-16直动式锥型溢流阀

1—偏流盘2—锥阀3—活塞

补偿锥阀2的液动力；另一方面由于液流方向的改变，产生一个与弹簧力相反方向的射流力，当通过溢流阀的流量增加时，虽然因锥阀阀口增大引起弹簧力增加，但由于与弹簧力方向相反的射流力同时增加，结果抵消了弹簧力的增量，有利于提高阀的通流流量和工作压力。

（2）先导式溢流阀

图5-17所示为先导式溢流阀的结构示意图，在图中压力油从P口进入，通过阻尼孔3后作用在导阀4上，当进油口压力较低，导阀上的液压作用力不足以克服导阀右边的弹簧5的作用力时，导阀关闭，没有油液流过阻尼孔，所以主阀芯2两端压力相等，在较软的主阀弹簧1作用下主阀芯2处于最下端位置，溢流阀阀口P和T隔断，没有溢流。

当进油口压力升高到作用在导阀上的液压力大于导阀弹簧作用力时，导阀打开，压力油就可通过阻尼孔、经导阀流回油箱，由于阻尼孔的作用，使主阀芯上端的液压力p2小于下端压力p1，当这个压力差作用在面积为AB的主阀芯上的力等于或超过主阀弹簧力Fs，轴向稳态液动力Fbs、摩擦力Ff和主阀芯自重G时，主阀芯开启，油液从P口流入，经主阀阀口由T流回油箱，实现溢流，即有：

Δp=p1-p2≥Fs+Fbs+G±Ff/AB（5-3）

图5-17先导式溢流阀

1—主阀弹簧2—主阀芯3—阻尼孔4—导阀阀芯5—导阀弹簧

由式（5-3）可知，由于油液通过阻尼孔而产生的p1与p2之间的压差值不太大，所以主阀芯只需一个小刚度的软弹簧即可；而作用在导阀4上的液压力p2与其导阀阀芯面积的乘积即为导阀弹簧5的调压弹簧力，由于导阀阀芯一般为锥阀，受压面积较小，所以用一个刚度不太大的弹簧即可调整较高的开启压力P2，用螺钉调节导阀弹簧的预紧力，就可调节溢流阀的溢流压力。

先导式溢流阀有一个远程控制口K，如果将K口用油管接到另一个远程调压阀（远程调压阀的结构和溢流阀的先导控制部分一样），调节远程调压阀的弹簧力，即可调节溢流阀主阀芯上端的液压力，从而对溢流阀的溢流压力实现远程调压。

但是，远程调压阀所能调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀的调整压力。

当远程控制口K通过二位二通阀接通油箱时，主阀芯上端的压力接近于零，主阀芯上移到最高位置，阀口开得很大。

由于主阀弹簧较软，这时溢流阀P口处压力很低，系统的油液在低压下通过溢流阀流回油箱，实现卸荷。

3.溢流阀的性能

溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能，在此作一简单的介绍。

（1）静态性能

①压力调节范围。

压力调节范围是指调压弹簧在规定的范围内调节时，系统压力能平稳地上升或下降，且压力无突跳及迟滞现象时的最大和最小调定压力。

溢流阀的最大允许流量为其额定流量，在额定流量下工作时，溢流阀应无噪声、溢流阀的最小稳定流量取决于它的压力平稳性要求，一般规定为额定流量的15%。

②启闭特性。

启闭特性是指溢流阀在稳态情况下从开启到闭合的过程中，被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。

它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标，一般用溢流阀处于额定流量、调定压力ps时，开始溢流的开启压力pk及停止溢流的闭合压力pB分别与p1的百分比来衡量，前者称为开启比pk，后者称为闭合比ps，即:

（5-4）

（5-5）

式中：

ps可以是溢流阀调压范围内的任何一个值，显然上述两个百分比越大，则两者越接近，溢流阀的启闭特性就越好，一般应使

≥90%，

≥85%，直动式和先导式溢流阀的启闭特性曲线如图5-18所示。

③卸荷压力。

当溢流阀的远程控制口K与油箱相连时，额定流量下的压力损失称为卸荷压力。

图5-18溢流阀的启闭特性曲线图5-19流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性曲线

（2）动态性能。

当溢流阀在溢流量发生由零至额定流量的阶跃变化时，它的进口压力，也就是它所控制的系统压力，将如图5-19所示的那样迅速升高并超过额定压力的调定值，然后逐步衰减到最终稳定压力，从而完成其动态过渡过程。

定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值ps的差值为压力超调量Δp，则压力超调率Δp为：

（5-6）

它是衡量溢流阀动态定压误差的一个性能指标。

一个性能良好的溢流阀，其

≤10%～30%。

图5-19中所示t1称之为响应时间；t2称之为过渡过程时间。

显然，t1越小，溢流阀的响应越快；t2越小，溢流阀的动态过渡过程时间越短。

由式（5-12）可见，选择阀芯的作用面积A1和A2，便可得到所要求的压力比，且比值近似恒定。

第四节流量控制阀

 为保证流量稳定，节流口的形式以薄壁小孔较为理想。

二、普通节流阀

图5—31普通节流阀

1．工作原理

图5—31所示为一种普通节流阀的结构和图形符号。

这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。

压力油从进油口P1流入孔道

和阀芯1左端的三角槽进入孔道b，再从出油口P2流出。

调节手柄3，可通过推杆2使阀芯作轴向移动，以改变节流口的通流截面积来调节流量。

阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上，这种节流阀的进出油口可互换。

 三、调速阀和温度补偿调速阀

普通节流阀由于刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载（亦即其出口压力）变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合，由于工作负载的变化很难避免，为了改善调速系统的性能，通常是对节流阀进行补偿，即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。

由q=KA

pm可知，当

p基本不变时，通过节流阀的流量只由其开口量大小来决定，使

p基本保持不变的方式有两种：

一种是将定压差式减压阀与节流阀并联起来构成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来构成溢流节流阀。

这两种阀是利用流量的变化所引起的油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作来自动调节节流部分的压力差，使其保持不变。

1.调速阀

图5—33为调速阀工作原理图，从结构上来看，调速阀是在节流阀2前面串接一个定差减压阀1组合而成。

液压泵的出口（即调速阀的进口）压力p1由溢流阀调整基本不变，而调速阀的出口压力p3则由液压缸负载F决定。

油液先经减压阀产生一次压力降，将压力降到p2，p2经通道e、f作用到减压阀的d腔和c腔；节流阀的出口压力p3又经反馈通道a作用到减压阀的上腔b，当减压阀的阀芯在弹簧力Fs、油液压力p2和p3作用下处于某一平衡位置时（忽略摩擦力和液动力等），则有：

p2A1+p2A2=p3A+Fs（5-16）

式中：

A、A1和A2分别为b腔、c腔和d腔内压力油作用于阀芯的有效面积，且A=A1+A2。

故　　　　　p2-p3=

p=Fs/A（5-17）

因为弹簧刚度较低，且工作过程中减压阀阀芯位移很小，可以认为Fs基本保持不变。

故节流阀两端压力差p2-p3也基本保持不变，这就保证了通过节流阀的流量稳定。

油温的变化也将引起油粘度的变化，从而导致通过节流阀的流量发生变化，为此出现了温度补偿调速阀。

溢流节流阀是通过p1随p2的变化来使流量基本上保持恒定的,它与调速阀虽都具有压力补偿的作用,但其组成调速系统时是有区别的,调速阀无论在执行元件的进油路上或回油路上,执行元件上负载变化时,泵出口处压力都由溢流阀保持不变,而溢流节流阀是通过p1随p2（负载的压力）的变化来使流量基本上保持恒定的。

因而溢流节流阀具有功率损耗低,发热量小的优点。

但是,溢流节流阀中流过的流量比调速阀大（一般是系统的全部流量）,阀芯运动时阻力较大,弹簧较硬,其结果使节流阀前后压差Δp加大（需达0.3～0.5MPa）,因此它的稳定性稍差。