1、第 5 章 液压控制阀内容提要本章主要介绍液压控制元件（压力阀、流量 阀、方向 阀等）在液 压系统中的作用、工作原理、性能、职能符号及其应用。基本要求、重点和难点基本要求：通过本章学习，要求掌握 压力阀、流量 阀、方向阀的工作原理，性能、特性及其在液压系统中的应用。重点： 压力阀中的先导式溢流阀、减 压阀。 流量阀中的普通节流阀、调速阀。 方向 阀中滑 阀式电磁阀、电液 换向阀。难点： 直动 式溢流阀与先导式溢流阀的流量压力特性比较。 减压阀的作用。 调 速阀的基本工作原理。 换向阀的换向原理和滑 阀机能。5.1 概述5.1.1 液压控制阀的功用、分类1.液压控制阀的功用液压控制阀是液压系统中
2、用来控制油液的流动方向或调节其压力和流量的元件。借助于这些阀,便能对执行元件的启动、停止、运动方向、速度、动作顺序和克服负载的能力进行调节与控制，使各类液压机械都能按要求协调地进行工作。液压控制阀对液压系统的工作过程和工作特性有重要的影响。2.液压控制阀的基本共同点及要求尽管液压阀的种类繁多，且各种阀的功能和结构形式也有较大的差异，但它们之间均保持下述基本共同点：1）在结构上，所有液压阀都是由阀体、阀芯、和驱动阀芯动作的元、部件组成；2）在工作原理上，所有液压阀的开口大小、进出口间的压差以及通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。液压系统中所使用的液压阀均应
3、满足以下基本要求：1）动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小；2）油液流过时压力损失小；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。3.液压控制阀的分类液压控制阀按不同的特征和方式可分为以下几类，如表 5.1 所示。表 5.1 液压控制阀的分类分类方法 种类 详细分类压力控制阀 溢流阀、减压阀、顺序阀、比例压力控制阀、压力继电器等流量控制阀 节流阀、调速阀、分流阀、比例流量控制阀等按用途分方向控制阀 单向阀、液控单向阀、换向阀、比例方向控制阀人力操纵阀 手把及手轮、踏板、杠杆机械操纵阀 挡块、弹簧、液压、气动按操纵方式分电动操纵阀 电磁铁控制、电一液联合控制管式连接 螺
4、纹式连接、法兰式连接按连接方式分 板式及叠加式连接 单层连接板式、双层连接板式、集成块连接、叠加式插装式连接 螺纹式插装、法兰式插装开关或定值控制阀 压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀电液比例阀 电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀、伺服阀单、两极 （喷嘴挡板式、动圈式）电液流量伺服阀、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、气液伺服阀、机液伺服阀按控制原理分数字控制阀 数字控制压力阀、数字控制流量阀与方向阀4.液压控制阀的基本参数1）公称通径公称通径代表阀的通流能力大小，对应阀的额定流量。与阀的进出口连接油管的规格应与阀的通径相一致。阀工作时的实际流量应
5、小于或等于它的额定流量,最大不得大于额定流量的 1.1 倍。2）额定压力额定压力代表阀在工作时允许的最高压力。对压力控制阀,实际最高压力有时还与阀的调压范围有关；对换向阀,实际最高压力还可能受其功率极限的限制。5.1.2.阀口的结构形式和流量计算公式1.阀口的结构形式液压阀中常见阀口的结构形式如图 5-1 所示。图 5-1 阀口的形式（a） （b）滑阀式 （c）错位孔式 （d）三角槽式（e）弓形孔式 （f）偏心槽式（g）斜槽式 （h）转楔式 （i）旋转槽式 （j）针阀式（k）缝隙式2.流量计算公式各种液压阀阀口都以接近于薄壁小孔为目标，这正是为了减小液压油的粘温特性对阀口通流性能的影响。工程上
6、阀口的流量计算公式mTpCAq （5-1）式中 C与阀口形状、液体流态、油液性质有关的系数；m流量指数，取值范围为 0.51， 越小，节流口越接近于薄壁小孔，越大，节流口越接近于细长孔； TA通流截面面积；p流经阀口的压差； 5.1.3 液动力驱动阀芯的方式有手动、机动、电磁驱动、液压驱动等多种。其中手动最简单，电磁驱动易于实现自动控制，但高压、大流量时手动和电磁驱动方式常常无法克服巨大的阀芯阻力，这时不得不采用液压驱动方式。稳态时（即阀芯与阀体是相对静止的） ，阀芯运动的主要阻力为：液压不平衡力、稳态液动力、摩擦力（含液压卡紧力） ；动态时（即阀芯与阀体是相对运动的）还有瞬态液动力、惯性力等
7、。阀芯的稳态液动力和瞬态液动力在高压、大流量时可达数百至数千牛，影响阀芯的操纵稳定性，因此有必要了解它们的特性。下面以应用广泛的滑阀为例进行介绍。1.稳态液动力稳态液动力是阀芯移动完毕，开口固定之后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀芯上的力。图 5-2 示油液流过阀口的两种情况。图 5-2 滑阀的稳态液动力（a）液流流出阀口 （b）液流流入阀口根据动量方程，取阀芯两凸肩间的容腔中液体作为控制体，可得这两种情况下的轴向液动力都是 cospqvFbs，其方向都是促使阀口关闭的。用薄壁小孔的速度公式21)(CvV和流量公式21)(pACTd代入上式。可得 cosVdbs （5-2）式中 d流量系数
8、；V小孔速度系数；TA小孔截面积；p小孔前后压差；液流速度方向角。在高压大流量的情况下，稳态液动力将会很大，使阀芯的操纵成为突出的问题.这时必须采取措施补偿或消除这个力。图 5-3（a）采用特种形状的阀腔；（b）在阀套上开斜孔，使流出和流入阀腔液体的动量互相抵消，从而减小轴向液动力；（c）改变阀芯的颈部尺寸，使液流流过阀芯时有较大的压降，以便在阀芯两端面上产生不平衡液动力，抵消轴向液动力。图 5-3 稳态液动力的补偿法（a）特种形状阀腔 （b）阀态开斜孔 （c）液流产生压降稳态液动力始终使阀口关闭，相当于一个回复力，故它对滑阀性能的另一影响是使滑阀的工作趋于稳定。 2.瞬态液动力瞬态液动力是滑
9、阀在移动过程中（即开口大小发生变化时）阀腔中液流因加速或减速而作用在阀芯上的力。这个力只与阀芯移动速度有关（即与阀口开度的变化率有关） ，与阀口开度本身无关。图 5-4 瞬态液动力（a）开口加大，液流流出阀口 （b）开口加大，液流流入阀口图 5-4 示阀芯移动时出现瞬态液动力的情况。当阀口开度发生变化时，阀腔内长度为l 那部分油液的轴向速度亦发生变化，也就是出现了加速或减速，于是阀芯就受到了一个轴向的反作用力 btF，这就是瞬态液动力。很明显，若流过阀腔的瞬时流量为 q，阀腔的截面积为 sA，阀腔内加速或减速部分油液的质量为 om，阀芯移动的速度为 v，则有dtltvAldtlvAdtqmss
10、obt / （5-3） 因为 VWX，当阀口前后的压差不变或变化不大时，流量的变化率 t/为dtPCdtqV/2/2/1将上式代入式（5-3） ，得XlFdbt / （5-4）滑阀上瞬态液动力的方向，视油液流入还是流出阀腔而定。图 5-4（a）中油液流出阀腔，则阀口开度加大时长度为 l 的那部分油液加速，开度减小时油液减速，两种情况下瞬态液动力作用方向都与阀芯的移动方向相反，起着阻止阀芯移动的作用，相当于一个阻尼力。这时式（5-4）中的 取正值，并称之为滑阀的“正阻尼长度” 。反之，图 5-4（b）中油液流入阀腔，阀口开度变化时引起液流流速变化的结果，都是使瞬态液动力的作用方向与阀芯移动方向相
11、同，起着帮助阀芯移动的作用，相当于一个负的阻尼力。这种情况下式（5-4）中的 l取负值，并称之为滑阀的“负阻尼长度” 。滑阀上的“负阻尼长度”是造成滑阀工作不稳定的原因之一。滑阀上如有好几个阀腔串联在一起，阀芯工作的稳定与否就要看各个阀腔阻尼长度的综合作用结果而定。5.1.4 卡紧力 液压卡紧是一种特殊的流体力学现象，对液压元件性能的影响很大。液压元件的运动副中有很多环形缝隙，如滑阀阀芯与阀体之间的缝隙等，这些缝隙一般都充满油液。正常情况下，移动阀芯时所需的力只须克服粘性摩擦力，数值要求不大。电磁换向阀是一种利用电磁铁来推动阀芯实现换向的液压阀，其电磁推力仅 3050N，使用效果很好，得到大量
12、的应用。由于电磁换向阀可很方便地实现与 PLC、单片机及工业控制计算机的接口，使液压系统成为一种理想的计算机控制对象。但是，有时情况会变得很糟，特别是在中、高压系统中，当阀芯停止移动一段时间后（一般约 5 分钟） ，这个阻力可以增大到数百牛顿，阀芯仅依靠电磁力根本无法推动，就像“卡死了”一样，系统因而无法完成预定的动作。导致这种情况出现的原因，是阀的缝隙处产生了“液压卡紧” 。1.卡紧力产生的原因出现液压卡紧有可能是因油温升高导致阀芯膨胀引起的，也有可能是异物进入配合面或配合面划伤破坏了配合副的间隙引起的，但更常见的是阀芯严重偏心使阀体之间形成了直接的机械接触。除了制造方面的问题之外，径向不平
13、衡力也是造成阀芯偏心的原因。如果缝隙中的液体压力在周向不是均匀分布的，则在此不均匀的压力的作用下，阀芯或者将贴靠阀体，或者将被推向中心。滑阀阀芯在制造中总难免有一定的锥度，根据压力差方向与锥度方向之间的关系，可以分为顺锥和倒锥两种情形。如果阀芯与阀孔之间是完全同心的，不论顺锥还是倒锥，其缝隙中的压力分布在圆周方向将是完全对称的，不会产生径向力。但如果阀芯与阀孔不同心，情况就变得复杂起来。图 5-5 缝隙中的压力分布（a）倒锥形缝隙 （b）顺锥形缝隙 （c）均压槽的作用图 5-5（a）所示是不同心时的倒锥及其缝隙中的压力分布，缝隙最小处压力降低得比较慢，而缝隙最大处压力降低得要快一些。两处径向力
14、存在一定的差值，这个径向不平衡力的作用将使阀芯偏心进一步加大。图 5-5（b）所示是不同心时的顺锥及其缝隙中的压力分布，缝隙最小处压力降低得比较快，而缝隙最大处压力降低得要慢一些。两处径向力存在一定的差值，这个径向不平衡力的作用将使阀芯偏心减小。倒锥是一种不稳定状态，偏心越大，径向不平衡力就越大，反过来进一步加大偏心，形成恶性循环，最终使阀芯贴靠阀孔，造成液压卡紧。尽管顺锥有利于减小偏心，但工程上很难保证阀芯处的缝隙一定是顺锥，特别是在缝隙两端压力差方向会改变时更是如此。2.减小卡紧力的措施为了减小液压卡紧力，可以采取下述一些措施。1）提高阀的加工和装配精度，避免出现偏心。阀芯的圆度和圆柱度误
15、差不大于0.003-0.005m，要求带顺锥，阀芯的表面粗糙度 aR值不大于 0.2 m。阀孔的 aR值不大于 0.4。2）在阀芯台肩上开出平衡径向力的均压槽。均压槽可使同一圆周上各处的压力油互相沟通，减小径向不平衡力，使阀芯在中心定位。3）使阀芯或阀套在轴向或圆周方向上产生高频小振幅的振动或摆动。4）精细过滤油液。 液压元件中普遍采用的均压槽结构，可以有效地防止或减轻倒锥导致的液压卡紧的影响，如图 5-5(c)所示。均压槽是在阀芯上沿轴向分布的一系列环形浅槽，其作用是通过槽的沟通使缝隙相应截面处周向的压力趋于一致。这样，相当于把一个大的倒锥，分割成了若干个小的倒锥，这些小倒锥所产生的径向不平
16、衡力已经降低到了微乎其微的程度。一般地，均压槽的尺寸是：宽 0.3-0.5m，深 0.5-0.8 ，槽距 1-5m。阀芯表面粗糙度过大或小的污染物进入缝隙中，也会产生类似效果的液压卡紧现象。因此，除采用开均压槽的方法来控制液压卡紧外，必须从制造、抗污染等多方面入手，才能取得好的效果。换向阀、压力阀以及液压泵等中，均存在液压卡紧现象，这是液压元件中的一个共性问题，必须予以高度重视。液压元件制造精度要求高，如阀芯的圆度和锥度允差为 0.003-0.005m，表面粗糙度 aR的数值不大于 0.20 m等，均较一般机械零件的要求高，很大程度上是为了防止发生液压卡紧。5.2 压力控制阀5.2.1 概述在
17、液压传动系统中，控制油液压力高低或利用压力实现某些动作的液压阀统称压力控制阀,简称压力阀。压力阀按其功能可分为溢流阀，减压阀，顺序阀和压力继电器等。这类阀的共同点都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。5.2.2 溢流阀溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压，调压或限压作用。溢流阀按其结构原理分为直动型和先导型。对溢流阀的主要要求是：调压范围大，调压偏差小，压力振摆小，动作灵敏，过流能力大，嗓声小。1 直动式溢流阀1)直动式溢流阀的工作原理和结构图 5-6（a）所示为锥阀式(还有球阀式和滑阀式)直动型溢流阀的工作原理图。当进油口 P 从系统接入的油液
18、压力不高时，锥阀芯 2 被弹簧 3 紧压在阀体 1 的孔口上，阀口关闭。当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，便推开锥阀芯使阀口打开，油液就由进油口 P 流入，再从回油口 T 流回油箱(溢流)，进油压力也就不会继续升高。当通过溢流阀的流量变化时，阀口开度即弹簧压缩量也随之改变。但在弹簧压缩量变化甚小的情况下，可以认为阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡，溢流阀进口处的压力基本保持为定值。拧动调压螺钉 4改变弹簧预压缩量，便可调整溢流阀的溢流压力。这种溢流阀因压力油直接作用于阀芯，故称直动型溢流阀。直动型溢流阀一般只能用于低压小流量处，因控制较高压力或较大流量时，需要装刚度较大的硬弹簧或阀芯开启的距离
19、较大，不但手动调节困难，而且阀口开度（弹簧压缩量）略有变化便引起较大的压力波动，压力不能稳定。系统压力较高时宜采用先导型溢流阀。图 5-6 直动式溢流阀（a） 结构原理图（b）DBD 型直动型溢流阀结构原理图 （c）阀芯局部放大图1-阀体 2-锥阀芯 3,9-弹簧 4-调节螺钉 5-上盖 6-阀套 7-阀芯 8-插块阀体 10-偏流盘 11-阀锥 12-阻尼活塞若阀芯的面积为 A，则此时阀芯下端受到的液压力为 pA，调压弹簧的预紧力为 sF，当 pFs时，阀芯即将开启，这一状态时的压力称之直动溢流阀的开启压力，用 kp表示。即oskKXFp或 / （5-5） 式中 K -弹簧的刚度oX-弹簧的
20、预压缩量当 skFAp时，阀芯上移，弹簧进一步受到压缩，溢流阀开始溢流。直到阀芯达到某一新的平衡位置时停止移动。此时进油口的压力为 p。AXpo/式中 由于阀芯的移动使弹簧产生的附加压缩量。由于阀芯移动量不大（即 变动很小） ，所以当阀芯处于平衡状态时，可认为阀进口压力 p基本保持不变。图 5-6（b）为德国力士乐公司的 DBD 型直动型溢流阀的结构图。图中锥阀下部为减振阻尼活塞，见图 5-6（c）的局部放大图。这种阀是一种性能优异的直动型溢流阀，其静态特性曲线较为理想，接近直线，其最大调节压力为 40MPa。这种阀的溢流特性好，通流能力也较强，既可作为安全阀又可作为溢流稳压阀使用。该阀阀芯
21、7 由阻尼活塞 12、阀锥11 和偏流盘 10 三部分组成（见图 5-6（c）阀芯局部放大） 。在阻尼活塞的一侧铣有小平面，以便压力油进入并作用于底端。阻尼活塞作用有两个：导向和阻尼。保证阀芯开始和关闭时既不歪斜又不偏摆振动，提高了稳定性。阻尼活塞与阀锥之间有一与阀锥对称的锥面，故阀芯开启时，流入和流出油液对两锥面的稳态液动力相互平衡，不会产生影响。此外，在偏流盘的上侧支承着弹簧，下侧表面开有一圈环形槽，用以改变阀口开启后回油射流的方向。对这股射流运用动量方程可知，射流对偏流盘轴向冲击力的方向正与弹簧力相反，当溢流量及阀口开度 X 增大时，弹簧力虽增大，但与之反向的冲击力亦增大，相互抵消，反之
22、亦然。因此该阀能自行消除阀口开度 X 变化对压力的影响。故该阀所控制的压力基本不受溢流量变化的影响，锥阀和球阀式阀芯结构简单，密封性好，但阀芯和阀座的接触应力大。实际中滑阀式阀芯用得较多，但泄漏量较大。2）溢流阀的性能溢流阀的性能主要有静态性能和动态性能两种。 静态特性 溢流阀的静态性能是指阀在系统压力没有突变的稳态情况下，所控制流体的压力、流量的变化情况。溢流阀的静态特性主要指压力-流量特性、启闭特性、压力调节范围、流量许用范围、卸荷压力等。a.溢流阀的压力-流量特性 溢流阀的压力-流量特性是指溢流阀入口压力与流量之间的变化关系。图 5-7 为溢流阀的静态特性曲线。其中 1kp为直动式溢流阀
23、的开启压力，当阀入口压力小于 1kp时，溢流阀处于关闭状态，通过阀的流量为零；当阀入口压力大于 1kp时，溢流阀开始溢流。图 5-7 中 2k为先导阀的开启压力，当阀进口压力小于 2k时，先导阀关闭，溢流量为零，当压力大于 p时，先导阀开启，然后主阀芯打开，溢流阀开始溢流。在两种阀中，当阀入口压力达到调定压力 n时，通过阀的流量达到额定溢流量 nq。由溢流阀的特性分布可知：当阀溢流量发生变化时，阀进口压力波动越小，阀的性能越好。由图 5-7 溢流阀的静态特性曲线可见，先导式溢流阀性能优于直动式溢流阀。图 5-7 溢流阀的静态特性曲线 图 5-8 溢流阀的启闭特性曲线b.溢流阀的启闭特性启闭特性
24、是表征溢流阀性能好坏的重要指标，一般用开启压力比率和闭合压力比率表示。当溢流阀从关闭状态逐渐开启，其溢流量达到额定流量的 1%时所对应的压力，定义为开启压力 kp， 与调定压力 sp之比的百分率，称之为开启压力比率。当溢流阀从全开启状态逐渐关闭，其溢流量为其额定流量的 1%时，所对应的压力定义为闭合压力 kp， 与调定压力 s之比的百分率，称之为闭合压力比率。开启压力比率与闭合压力比率越高，阀的性能越好。一般开启比率应90%，闭合比率应85%。图 5-8 为溢流阀的启闭特性曲线。曲线 1 为先导式溢流阀的开启特性，曲线 2 为闭合特性。c.溢流阀的压力稳定性系统在工作时，由于油泵的流量脉动及负
25、载变化的影响，导致溢流阀的主阀芯一直处于振动状态，阀所控制的油压也因此产生波动。衡量溢流阀的压力稳定性用两个指标度量：一是在整个调压范围内阀在额定流量状态下的压力波动值，二是在额定压力和额定流量状态下，3 min内的压力偏移值。上述两个指标越小，溢流阀的压力稳定性就越好。d.溢流阀的卸荷压力将溢流阀的遥控口与油箱连通后，油泵处于卸荷状态时，溢流阀进出油口压力之差称之为卸荷压力。溢流阀的卸荷压力越小，系统发热越少，一般溢流阀的卸荷压力不大于 0.2 aMP,最大不应超过 0.45 aMP。e.压力调节范围 溢流阀的压力调节范围是指溢流阀能够保证性能的压力使用范围。溢流阀在此范围内调节压力时，进口
26、压力能保持平稳变化，无突跳、迟滞等现象。在实际情况下，当需要溢流阀扩大调压范围时，可通过更换不同刚度的弹簧来实现。如国产调压范围为 1231.5 a的高压溢流阀，更换四种刚性不等的调节弹簧可实现0.57 P、3.514 、721 aP和 1435 a四种范围的压力调节。f.许用流量范围 溢流阀的许用流量范围一般是指阀额定流量的 15%100%之间。阀在此流量范围内工作，其压力应当平衡、嗓声小。 动态特性 溢流阀的动态特性，是指在系统压力突变时，阀的响应过程中所表现出的性能指标。图 5-9 为溢流阀的动态特性曲线。此曲线的测定过程是：将处于卸荷状态下的溢流阀突然关闭时（一般是由小流量电磁阀切断通
27、油池的遥控口） ，阀的进口压力迅速提升至最大峰值，然后振荡衰减至调定压力，再使溢流阀在稳态溢流时开始卸荷。经此压力变化循环过程后，可以得出以下动态特性指标：图 5-9 溢流阀的动态特性曲线 a压力超调量 最大峰值压力与调定压力之差，称之为压力超调量，用 p表示。压力超调量越小，阀的稳定性越好。b过渡时间 指溢流阀从压力开始升高达到稳定在调定压力所需的时间，用符号 t 表示。过渡时间越小，阀的灵敏性越高。c. 压力稳定性 溢流阀在调压状态下工作时，由于泵的压力脉动而引起系统压力在调定压力附近产生有规律的波动，这种压力的波动可以从压力表指针的振摆看到，此压力振摆的大小标志阀的压力稳定性。阀的压力振
28、摆越小，压力稳定性越好。一般溢流阀的压力振摆应小于 0.2 aMP。2.先导型溢流阀先导型溢流阀是由先导阀和主阀组成。先导阀用以控制主阀芯两端的压差，主阀芯用于控制主油路的溢流。图 5-10（a）所示为一种板式连接的先导型溢流阀的结构原理图。由图可见，先导型溢流阀由先导阀 1 和主阀 2 两部分组成。先导阀就是一个小规格的直动型溢流阀，而主阀阀芯是一个具有锥形端部、上面开有阻尼小孔的圆柱筒。（a） (b) (c)图 5-10 先导型溢流阀工作原理（a）结构原理图 （b）一般符号或直动型符号 （c）先导型符号在图 5-10（a）中，油液从进油口 P 进入，经阻尼孔 R 到达主阀弹簧腔，并作用在先
29、导阀锥阀阀芯上（一般情况下，外控口 K 是堵塞的） 。当进油压力不高时，液压力不能克服先导阀的弹簧阻力，先导阀口关闭，阀内无油液流动。这时，主阀芯因前后腔油压相同，故被主阀弹簧压在阀座上，主阀口亦关闭。当进油压力升高到先导阀弹簧的预调压力时，先导阀口打开，主阀弹簧腔的油液流过先导阀口并经阀体上的通道和回油口 T 流回油箱。这时，油液流过阻尼小孔 R，产生压力损失，使主阀芯两端形成了压力差，主阀芯在此压差作用下克服弹簧阻力向上移动，使进、回油口连通，达到溢流稳压的目的。调节先导阀的调压螺钉，便能调整溢流压力。更换不同刚度的调压弹簧，便能得到不同的调压范围。先导型溢流阀的阀体上有一个远程控制口 K，当将此口通过二位二通阀接通油箱时，主阀芯上端的弹簧腔压力接近于零，主阀芯在很小的压力下便可移动到上端，阀口开至最大，这时系统的油液在很低的压力下通过阀口流回油箱，实现卸荷作用。如果将 K 口接到另一个远程调压阀上（其结构和溢流阀的先导阀一样） ，并使打开远程调压阀的压力小于先导阀的调定压力，则主阀芯上端的压力就由远程调压阀来决定。使用远程调压阀后便可对系统的溢流压力实行远程调节。
