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论文液压控制阀的研究与设计

液压控制阀的研究与设计

第1章绪论

液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。

液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%~20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。

因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。

液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件——液压泵；执行元件——液压缸和液压马达；控制元件——各种液压阀；辅助元件——油箱、蓄能器等。

液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。

1.1液压技术的发展历史

液压传动理论和液压技术发展的历史可追溯17世纪，当时的荷兰人史蒂文斯（Strvinus）研究指出，液体静压力随液体的深度变化，与容器的形状无关。

之后托里塞勒（Torricelli）也对流体的运动进行研究。

17世纪末，牛顿对液体的粘度以及浸入运动流动体中的物体所受的阻力进行了研究。

18世纪中叶，伯努利提出的流束传递能量理论及帕斯卡提出的静压传递原理，使液压理论有了关键性的进展。

1795年英国伦敦的约瑟夫.布拉默（JosephBramah1749~1814）创造了世界上第一台水压机——棉花、羊毛液压打包机。

1905年，詹尼（Janney）设计了一台带轴向柱塞泵的油压传动与控制装置，并于1906年成功地应用在弗吉尼亚号战舰的炮塔俯仰、转动机构中。

1936年，哈里.威克斯（HarryVikers）提出了包括先导式溢流阀在内的些液压控制元件有力地推动了液压技术的进步。

1958年美国麻萨诸塞州理工学院的布莱克本（Blackburn）、李诗颖创造了电液伺服阀，并于1960年发表了对液压技术有杰出贡献的论著——《流体动力控制》。

现在由于微型计算机与液压技术日益密切的结合，对液压控制阀提出了更高、更新的要求，液压控制已开始形成了一个分支学科，继续不断不断地向高、精、尖的方向发展。

1.2我国液压阀技术的发展概况

我国的液压工业及液压阀的制造，起始于第一个五年计划（1953~1957年），期间，由于机床制造工业发展的迫切需求，50年代初期，上海机床厂、天津液压件厂仿造了苏联的各类低压泵、阀。

随后，以广州机床研究所为主，在引进消化国外中低压元件制造技术的基础上，自行设计了公称压力为2.5MPa和6.3MPa的中低压液压阀系统（简称广州型），并迅速投入大批量生产。

60年代初期，为适应液压工程机械从中低压向高压方向的发展，以山西榆次液压件厂为主，引进了日本油研公司的公称压力为21MPa的中高压液压阀系列，以及全部加工技术和制造、试验设备，并据此发展、设计成我国的中高压液压闪系统（简称榆次型）。

1968年，当时的一机部组织有关单位，在公称压力21MPa液压阀的基础上，设计了我国一套公称压力为31.5MPa的高压阀系列，并投入批量生产。

为使产品实现标准化、通用化、系列化，我国于1973年再次组成“液压阀联合设计组”，

在总结国产高压阀设计、生产经验的基础上，借鉴了国外同类产品的结构，性能、工艺特点，又增补了多种规格和新品种，并使国产阀的安装连接尺寸首次符合国际标准。

并于1977年正式完成了公称压力为31.MPa的高压阀新系列的设计。

1978年起，通过全系列图纸的审查、试制、鉴定等工作，并在全国推广使用。

1982年，通过了全系列的定型工作。

故上述产品简称为“82年联合设计型高压液压阀系列”。

为适应高压、大流量的液压传动要求，济南铸锻研究所、上海704研究所和北京冶金液压机械厂等单位，自1976年开始，还引进、消化和研制了二通插装阀（简称CV阀），并在80年代初期，完成了自己的系列。

二通插装阀作为不同于常规阀的另一类液压阀类，也正在开拓着它的使用范围。

此外，随着组合机床在机械制造行业中的广泛应用，1975年，大连组合机床研究引进、消化、吸收和研制了叠加式液压阀。

建国以来，我国液压行业及液压阀的制造生产，从无到有，发展很快，取得了巨大的成绩。

但与国外同类产品相比，品种和性能指标还有较大差距。

为了提高我国液压行业的综合素质，国家机械部制定了以下调整原则：

A类重点发展产品（包括国产的电液伺服阀、比例阀和数字控制阀以及引进、消化德国力士乐公司的压力为21、35、63MPa，通径为6~32mm的三大类液压阀和我国自行开发的叠加阀、插装阀及GE系列阀等）；

B类允许保留和过渡产品（包括目前应用面广、市场需求最大，一时尚无替代产品；国内70年代、80年代开发的，现在已成为主导产品，虽然技术上达不到国际80年代水平，但需要保留一段时间的产品。

）

C类限制发展和逐步淘汰产品。

（指水平低，性能差，耗能耗材的产品，不符合标准的落后产品，不符合标准的老产品，具体指我国50、60年代设计的广州型中低压系列，及与之相仿的早期产品。

）

1.3本课题的目的及研究范围

作为工科类院校，特别是机械专业，液压技术是一门必不可少的课程，但由于学科本身内容的复杂程度和教学条件的限制，不能轻易地使教师讲得清楚，学生听得明白。

有监于此，本课将重点对液压控制阀部分进行理论研究，主要研究对象为溢流阀、减压阀和顺序阀。

第2章　　压力控制阀的分类与型号

液压系统中，用来控制系统的压力、流量和液流方向的元件均称为液压控制阀，简称液压阀。

液压阀品种繁多，规格复杂，按工作原理可划分为以下几种：

通断式控制元件（即开关或定值控制阀）：

这是常用的一类液压阀，又称普通液压阀。

伺服式控制元件：

压力伺服阀、流量伺服阀等。

比例式控制元件：

比例压力阀、比例流量阀和比例方向阀等。

本章及后续几章将就常用压力控制阀进行详细论述。

2.1　压力控制阀的分类：

在液压传动系统中，液流的压力是最基本的参数之一，执行元件的输出力或输出扭矩的大小，主要由供给的液压力所决定。

为了对油液压力进行控制，并实现和提高系统的稳压、保压、减压、调压等性能或利用压力变化实现执行机构的顺序动作等，根据油液压力和控制机构弹簧力相平衡的工作原理，人们设计制造了各种压力控制阀。

常见种类如下：

2.2　我国常用的压力控制阀型号及意义表示

2.2.16.3MPa以下中低压系列（广州型）

2.2.2　中高压系列（榆次型）

2.2.3　高压系列（联合设计组）

2.2.4我国引进的德国力士乐公司压力阀系列:

（1）溢流阀

\

（2）减压阀

（3）顺序阀

第3章　溢流阀

3.1　溢流阀的结构和工作原理

溢流阀的基本功用是：

当系统的压力达到或超过溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一些，以维持系统压力近于恒定，防止系统压力过载，保障泵、阀和系统的安全，此时的溢流阀常称为安全阀或限压阀。

溢流阀的根据结构可分为直动型和先导型两种。

3.1.1　直动型溢流阀

图3-1直动型溢流阀结构简图

（a）锥阀式（b）球阀式（c）滑阀式（d）溢流阀的基本符号

1-调压螺栓2-弹簧3-阀芯4-阀体（含阀座）

锥阀式和球阀式又叫座阀式溢流阀，特点是动作灵敏，密封性能好，配合没有泄漏间隙，但导向性差，冲击性较强，阀座阀芯易损坏。

滑阀式由于阀口有一段密封搭合量，稳定性较好，不易产生自激振动，但动作反应较慢。

下面以锥阀式DBD直动型溢流阀为例说时其工作原理：

图3-2锥阀式DBD直动型溢流阀（插装式）

（a）结构图（b）局部放大图（c）简化符号（d）详细符号

1-偏流盘2-锥阀3-阻尼活塞4-调节杆5-调压弹簧6-阀套7-阀座

（1）工作原理:

设弹簧预紧力为Ft,活塞底部面积为A则：

当PA

　　　　　　当PA=Ft时,阀口即将打开,此时,PA=F

=KX0,

P=PK（开启压力）=KX0/A

当PA>Ft时,阀口打开,P→T,稳压溢流或安全保护。

锥阀开启后,由[1]得锥阀的力平衡方程为：

PA＝K（

+

）+G

F

+Fs–Fj

即：

P=[K（

+

）+G

F

+Fs–Fj]/A　　（3-1）

式中：

K、

分别为弹簧刚度和预压缩量（m）;G为阀芯自重（水平时不考虑）:

F

为阀芯与阀套间的摩擦力（N）；Fs为稳态液动力（N）；Fj为射流力（N）。

此处∵Fs=0,Fj=KX（N）

∴P=（K

+G

F

）/A（3-2）

（2）调压原理：

调节调压螺帽改变弹簧预压缩量,便可调节溢流阀调整压力。

（3）特点：

从式（3-2）可知这种阀的进口压力P不受流量变化的影响,被控力P变化很小,定压精度高。

但由于Ft直接与PA平衡,若P较高,Q较大时,K就相应地较大,不但手调困难,且Ft略有变化,p变化较大,所以一般用于低压小流量场合。

3.1.2先导式溢流阀

　先导阀--直动式锥阀，硬弹簧。

（1）组成:

带有导向圆锥面的锥阀（二级同心式）和软弹簧

主阀滑阀和软弹簧。

　　　　　　　　带有多节导向圆锥面的锥阀（三级同心式）和软弹簧

图3-3YF型三节同心先导溢流阀（板式）

1、阀体2、主阀座3、主阀芯4、阀盖（先导阀体）5、先导阀座

6、先导阀锥式阀芯7、调压弹簧8、调节杆9、调压螺栓10、手轮

11、主阀弹簧

先导型溢流阀的先导阀是一个小规格的锥阀式直动溢流阀，其弹簧用于调定主阀部分的溢流压力。

主阀的弹簧不起调压作用，仅是为了克服摩擦力使主阀芯及时回位而设置。

（2）工作原理：

设Ac为先导阀阀座孔面积（m

）,Fx、Kx为先导阀弹簧预紧力、刚度,Ft、G、Ff、Ky为主阀弹簧预紧力、自重、摩擦力。

当P2Ac

当P2Ac>Fx时,导阀打开,主阀两端产生压差:

△p

当△p

时,主阀关闭。

△p>Ft+G+F

时,主阀打开稳压溢流或安全保护。

由[1]得主阀芯和导阀的力平衡方程分别为：

由上两式可得溢流阀进口压力为：

（Pa）　（3-3）

调压原理：

调节调压螺帽,改变硬弹簧力,即可改变压力。

特点:

∵溢流阀稳定工作时,主阀阀芯上部压力小于下部压力。

∴即使下部压力较大,因有上部压力,弹簧可做得较软,流量变化引起阀心位置变化时,弹簧力的变化量较小,压力变化小。

又∵调压弹簧调好后,上部压力为常数。

∴压力随流量变化较小,克服了直动式溢流阀的缺点。

还∵先导阀的溢流量仅为主阀额定流量的1%左右

∴先导阀阀座孔的面积AC、开口量x、调压弹簧刚度KX都不必很大

∴先导型溢流阀广泛用于高压、大流量场合。

3.2　溢流阀的主要性能

3.2.1　静态特性：

（1）压力调节范围

定义：

调压弹簧在规定范围内调节时，系统压力平稳（压力无突跳及迟滞现象）上升或下降最大和最小调定压力差值。

（2）启闭特性

定义：

溢流阀从开启到闭合全过程的被控压力p与通过溢流阀的溢流量q之间的关系。

一般用溢流阀处于额定流量、额定压力Ps时，开始溢流的开启压力Pk和停止溢流的闭合压力P

分别与Ps的百分比来表示。

开启压力比：

=（Pk/Ps）

100%

闭合压力比：

=（P

/Ps）

100%

两者越大及越接近,溢流阀的启闭特性越好。

一般规定：

开启压力比应不小于90%，闭合压力比应不小于85%，其静态特性较好。

（3）卸荷压力：

当溢流阀作卸荷阀用时，额定流量下进、出油口的压力差称为卸荷压力。

（4）最大允许流量和最小稳定流量：

溢流阀在最大允许流量（即额定流量）下工作时应无噪声。

3.2.2　动态特性

（1）压力超调量：

最大峰值压力与调定压力的差值。

（2）响应时间：

指从起始稳定压力与最终稳态压力之差的10%上升到90%的时间。

（即图3-4中A、B两点的间的时间间隔）

（3）过渡过程时间：

指从调定压力到最终稳态压力的时间。

（即图3-4中B点到C点间的时间间隔）

（4）升压时间：

指溢流阀自卸荷压力上升至稳定调定压力所需时间。

（即图3-5的△t1）

（5）卸荷时间：

指卸荷信号发出后由稳态压力状态到卸荷压力状态所需的时间。

（即图3-5中的△t2）

图3-4流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性

图3-5溢流阀升压与卸荷特性

3.2.3　先导型溢流阀的静态特性分析：

以本次设计中绘制ＹＦ型溢流阀为例：

具体尺寸见相关装配图及零件图。

（1）开启过程：

设额定排放压力pn=16MPa，开启压力pk=14MPa，先导阀弹簧刚度为Kx=４2Ｎ／mm、预压缩量为X0=５mm，主阀弹簧刚度Ｋy＝20N/mm、预压缩量y0=40mm额定流量qn=120L/min，主阀芯与阀孔间的摩擦力为Ff，上、下腔的液压力分别为p2和p1，而其上下有效作用面积分别为A2和A1

A2=

=1055mm2；A1=

=1016mm2

=1.04（符合在1.03~1.05之间的条件）

主阀芯自重为：

G=mg=0.18×9.8=1.764N，

先导阀孔座面积为：

Ac=

=14.85mm2

稳态时的主阀开度y=0.4mm，则：

A.当液压系统压力p1低于先导阀的开启压力pk时，先导阀保持关闭。

根据[1]此时主阀芯受力条件为

A1p1

式中KX、Ky分别为先导阀弹簧和主阀弹簧的刚度（N/m）；X0、y0分别为先导阀弹簧和主阀弹簧的预压缩量（m）。

此时阀口仍关闭。

B.当系统压力上升到先导阀的开启压力时，先导阀处于即将开启但未开启的状态，主阀芯受力关系仍为式（3-4）

C.当系统压力升高超过先导阀开启压力时，先导阀打开，液压油经由阻尼孔流向先导阀再流回油箱。

此时主阀芯上下两腔将产生压力差，但尚未到达足以抬升主阀芯的程度，根据[1]主阀芯的受力方程为：

A1p1q

D.当系统压力上升到主阀开启压力时，通过阻尼孔的流量增大，产生的压力差使主阀芯处于平衡状态：

根据[1]有力平衡方程：

A1p1n=A2p2n+Kyy0+G+Ff（3-6）

图3-6先导型溢流阀示意图

E.当系统压力高于主阀开启压力时，主阀开启，根据[1]其受力为

=A2p2+Ky（y0+y）+G+Ff（3-7）

式中，y为主阀口的开度（m）；

为液体入射角，近似等于维阀半维角

=38.5（0）；D1=16为主阀座孔直径（m）;根据[7]主阀口流量系数C1=0.77～０.8（取０.8）为。

F.当系统压力升到调定压力时，阀内通过额定流量，根据[1]此时主阀芯受力方程为：

=A2p2n+Ky（y0+y）+G+Ff（3-8）

到此，溢流阀开启完成。

（2）闭合过程：

其过程与开启过程相反，但各关键点相似，不同的是由于摩擦力方向改变，造成阀口的关闭压力比相应的开启压力要小。

（3）静态特性关系式

先导型溢流阀在稳态溢流条件下，满足下列关系式：

A.　根据[1]，主阀口出流方程式为

　　　（m3/s）（3-9）

式中，p1为受控压力（Ｐa），油液密度

=900（kg/m3）,其他参数意义同前。

Ｂ.　主阀芯受力平衡方程式：

A2p2＝Ky（y0+y）＋

+G

Ff　（Ｎ）（3-10）

式中，Ff开启时取正号，闭合时取负号；其余参数意义同前。

C.通过主阀芯阻尼孔的流量方程式：

阻尼孔结构为细长孔，根据[3]其流量

q=

（m3/s）（3-11）

式中阻尼孔截面积A0=

=0.785（m2）;根据[3]阻尼孔的流量系数C’=0.82。

D.先导阀口出流方程式根据[1]有：

q=

（m3/s）（3-12）

式中，根据[3]先导阀流量系数C2=0.77，先导阀阀座孔直径d=4（mm）;x为先导阀阀口的轴向开度（m）；先导阀芯的半锥角

=20（0）。

E.先导阀芯受力平衡方程式根据[1]有：

Acp2＝Kx（x0+x）＋

　（Ｎ）（3-13）

式中，各参数意义同前。

（4）溢流阀内泄漏量：

根据[10]按偏心环状缝隙的流量公式来计算：

q=

（cm3/s）（3-14）

式中，主阀芯直径D=4（cm）

主阀芯直径Ｄ与阀体间的单边配合间隙△r=0.005（cm）

公称压力Pg=16Mpa=16/0.09807≈163.15（kgf/cm2）

油液动力粘度

（kgf.s/cm2）

主阀芯与阀体的配合长度Ｌ=1.5（cm）

Ｌ处均压槽数Z=7

均压槽宽B=0.05（cm）

则：

q=

=1.76×10-3（cm3/s）

3.3　溢流阀的基本应用

（1）稳压溢流回路：

溢流阀和定量泵、节流阀并联，阀口常开。

（如图3-7所示）

在采用定量泵的液压系统中，溢流阀与节流元件及负载并联，泵的供油量大于节流阀通道的需求量，此时，溢流阀作定压阀使用，阀口常开，使多余的油液回油箱，以保持节流阀进口的系统压力基本为恒定值。

（2）安全限压回路：

溢流阀和变量泵组合，正常工作时阀口关闭,过载时打开压力油经阀口回油箱，油压不再升高,起安全保护作用,故又称安全阀。

（如图3-8所示）

图3-7稳压溢流回路图3-8安全限压回路

（3）远程调压回路：

将先导式溢流阀的远程控制口K接远程调压阀进油口，并p远程

（4）系统卸荷回路：

溢流阀和二位二通阀组合（先导式）（如图3-10所示）将先导式溢流阀的遥控口K通过二位二通电磁换向阀直接与油箱连接，当换向阀的P、O口处于联通状态时，系统卸荷

（5）多级调压回路（如图3-11所示）

（6）形成背压

图3-9远程调压回路图3-10系统卸荷回路

图3-11多级调压回路

第4章　减压阀

减压阀是一种将出口压力调节到低于进口压力的控制阀。

用于减低系统中某一分支液压油路的压力，以满足液压设备执行元件的需要，常见于各种液压控制系统、夹紧系统、辅助系统及润滑系统中。

根据减压阀的工作特点，可分为：

定压输出减压阀、定差减压阀、定值减压阀。

4.1减压阀和结构及工作原理

4.1.1　定压输出减压阀

减压原理：

利用油液在某个地方的压力损失，使出口压力低于进口压力，并保持恒定，故称定值减压阀。

（1）出口压力控制式先导型定压输出减压阀

结构如下：

图4-1定压输出减压阀

（a）结构；（b）先导型定压输出减压阀符号；（c）一般符号

1-调压手轮；2-调节螺钉；3-锥阀；5-阀盖；6-阀体；7-主阀；

8-端盖9-阻尼孔；10-主阀弹簧；11-高压弹簧

工作原理：

液压油由进口P1经减压口变为P2，再经通道进入主阀7下腔，再经阻尼孔9进入主阀上腔和先导阀前腔，然后通过锥阀座4中的阻尼孔后作用在锥阀3上。

设A、Ac分别为主阀和先导阀有效作用面积（

）；Kx、Ky分别为先导阀和主阀弹簧刚度（N/m）；X0、X分别为先导阀弹簧预压缩量和开口量（m）；Y0、Y、Ymax分别为主阀弹簧预压缩量、主阀开口量和最大开口量（m）,则：

当：

P3Ac

当：

P3Ac

忽略稳态液动力时，根据[1]先导阀和主阀的力平衡方程为：

　（4-1）

（4-2）

所以，出口压力：

P2=

（4-3）

又∵X<<

，Y<<

+

Ky很小

∴

≈C（常数）

∴P2=

（4-4）

调节调压弹簧，改变硬弹簧力，即可改变出口压力。

特点：

在减压阀出口油液不再流动时，由于先导阀卸油仍未停止，减压口仍有油液流动，阀就处于工作状态，出口压力也就保持调定压力不变。

（2）进口压力控制式先导型定压减压阀

结构如下图

图4-2DR20~30型定压输出减压阀

1、阀体2、主阀芯3、阀套4、单向阀5、主阀弹簧

6、控制油流量恒定器7、先导阀芯8、调压弹簧I、固定阻尼

II、可变阻尼

工作原理：

设A、Ac分别为主阀和先导阀有效作用面积（m2）；Kx、Ky分别为先导阀和主阀弹簧刚度（N/m）；X0、X分别为先导阀弹簧预压缩量和开口量（m）；Y0、Y、Ymax分别为主阀弹簧预压缩量、主阀开口量和最大开口量（m）,则：

当：

P3Ac

当：

P3Ac

主阀芯力平衡方程：

（4-5）

又∵Y<<

+

Ky很小

∴

≈C（常数）

∴（4-6）

与溢流阀比较：

　　　溢流阀　　　　　　减压阀

　　A　保持进口压力不变　　　　　出口压力

　　B　内部回油　　　　　　　　外部回油

　　C　阀口常闭　　　　　　　　　阀口常开

　　D　阀心二凸肩　　　　　　　　阀心三凸肩

　　C一般并联于系统一般串联于系统

4.1.2定差减压阀

减压原理：

利用油液在某个地方的压力损失，使进出口压差或出口压力与某一负载压力之差为常数并保持恒定，故称定差减压阀

图4-3定差减压阀（a）工作原理；（b）符号

工作原理：

高压油P1经节流口减压后以低压P2流出，同时低压油经阀芯中心孔将压力P2传至阀芯上腔，其进出油压在阀芯有效作用面积上的压力与弹簧力相平衡根据[1]有：

△P=

（Pa）（4-7）

式中，K、X0分别为弹簧刚度（N/m）和预压缩量（m）;P1、P2、X、D和d如图4-3所示。

应用：

与节流阀组合作调速阀，使通过节流阀的流量基本不受外界负载影响。

4.1.3定比减压阀

减压原理：

利用油液在某个地方的压力损失，使进出口压差或出口压力与某一负载压力之比为常数并保持恒定，故称定比减压阀。

工作原理：

高压油P1经过减压

口后从以P2流出，同时低压油作用

于阀芯上腔，若忽略刚度很小的弹

簧力，则有近似的阀芯平衡方程式：

由上式可知道只要选择适当的大小柱塞的直径比，即可获得所需的进、出口压力比。

图4-4定比减压阀（a）、工作原理；（b）、符号

4.2减压阀的主要性能

（1）调压范围

（2）压力特性

（3）流量特性

4.3减压阀的基本应用：

减压或稳压

图4-5是一种常见的减压回路，图中系统的最大工作压力由溢流阀4加以调节，主油路是油液从泵5经顺序阀3通过电液换向阀的主通道去执行部件。

电液换向阀2的控制用低压油、由减压阀1将主油路的部分油液减压后供给。

这样右节省一只低压供油泵。

当换向阀使主油路卸荷时（图示状态），为避免减压阀进口油压力为零（即无减压油输出），从而不能控制换向阀动作，所以在系统中接入顺序阀3以产生背压。

图4-5减压回路

图4-6锁紧系统中的单向减压回路

如图4-6所示，系统中仅有一台高压泵，但侧向锁紧液压缸需要用低压油，故需交油液减压。

单向减压阀接于