1、第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀5.1 液压控制阀的功用与分类液压控制阀的功用与分类5.2 液压控制阀的特性分析液压控制阀的特性分析5.3 方向控制阀方向控制阀5.4 压力控制阀压力控制阀5.5 流量控制阀流量控制阀5.6 电液化例控制阀电液化例控制阀5.7 二通插装阀二通插装阀5.8 电液数字控制阀电液数字控制阀习题与思考题习题与思考题第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀5.1液压控制阀的功用与分类液压控制阀的功用与分类液压控制阀是液压系统中控制油液方向、压力和流量的元件。将这些元件经过适当组合,便能对执行元件的启动、停止、方向
2、、速度、动作顺序和克服负载的能力等进行控制与调节,从而使各类液压机械都能按要求协调地进行工作。液压控制阀(简称液压阀或阀)品种繁多,除了不同品种、规格的通用阀外,还有许多专用阀和复合阀。就液压阀的基本类型来说,可按以下几种方式进行分类。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀1.按功用分按功用分液压阀按功用可分为如下三类：(1)方向控制阀：控制和改变液压系统中液流方向的阀,如单向阀和换向阀等。(2)压力控制阀：控制和调节液压系统中液体压力的阀,如溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。(3)流量控制阀：控制和调节液压系统中液体流量的阀,如节流阀、调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。这三种阀还可
3、根据需要互相组合而构成组合阀,如单向顺序阀、单向节流阀等,使得结构紧凑,连接简单,并提高了效率。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2.按控制方式分按控制方式分 液压阀按控制方式可分为如下三类：(1)开关式或定值控制阀:是最常见的液压阀,又称普通液压阀。该阀借助于手柄、凸轮、通断型电磁铁等方式,将阀芯位置或阀芯上的弹簧设定在某一工作状态,从而使液流的压力、流量或流向保持某一定值。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 (2)电液比例式控制阀(简称比例控制阀):可以根据输入信号的大小,成比例、连续地远距离控制液压系统中液体的压力和流量的大小。该阀常采用比例电磁铁将输入的电信号转换为
4、力或阀的机械位移量来进行控制,也可以采用其它形式的电气输入。比例控制阀是近年发展起来的一种新型的控制方式。(3)电液伺服控制阀(简称伺服控制阀):是一种根据输入信号及反馈量成比例地连续控制液压系统中压力和流量大小的阀,又称随动阀。伺服控制阀常用于液压伺服控制系统。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3.按结构形式分按结构形式分液压阀一般是由阀体、阀芯、控制操纵部分等主要部件组成的,如图5-1所示。根据阀芯的结构形式,液压阀又可分为如下三类:(1)滑阀：如图5-1(a)所示,阀芯为圆柱形。该阀通过阀芯在阀体内孔中的滑动来改变液流通路开口的大小,以实现液流方向、压力和流量的控制。第第5 5
5、章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-1阀的结构形式(a)滑阀；(b)锥阀；(c)球阀 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)锥阀:如图5-1(b)所示,阀芯为圆锥形。该阀利用锥形阀芯的位移来改变液流通路开口的大小,以实现液流方向、压力及流量的控制。(3)球阀：如图5-1(c)所示,阀芯为球形。其工作过程与锥阀相似。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 4.按连接方式分按连接方式分液压阀按连接方式可分为如下三类：(1)管式连接：又称螺纹连接,是将阀体上的螺纹孔直接与管接头、管路相连(大型阀则用法兰连接)。这种连接方式比较简单,重量轻,在移动式设备和流量较小的液压系统中应
6、用较广,但元件安装比较分散,更换元件也比较麻烦。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)板式连接：在这种连接方式中,阀的各油口均布置在同一安装面上,并用螺钉将阀固定在与阀有对应油口的连接板上,再用管接头和管路将连接板与其它元件连接,孔间用O形密封圈密封。由于管路与连接板相联,阀仅用螺钉固定在连接板上,因此便于安装与维修,操纵和调整也都比较方便,所以应用比较广泛。(3)集成式连接:液压阀是液压系统中使用数量最多的元件,为了力求使结构布置紧凑,管路布置简化,因此采用了各种不同的集成连接形式将阀集中布置。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 集成块连接。集成块为六面体,块内钻有连通
7、阀间的油路,标准的板式元件安装在集成块的侧面,集成块的上、下两面为叠积面,中间用O形密封圈密封。将集成块有机组合即成为完整的液压系统。集成块连接便于实现标准化、通用化和系列化,有利于生产与设计,是机床行业一种良好的连接方式。叠加阀式连接。阀的上、下面为连接结合面,各油口分布在这两个面上,通常为相同通径而功用各异的各种板式阀串联叠加。每个阀除其自身的功用外,还起油路通道的作用,无需管路连接。因此，叠加阀式连接结构紧凑,损失很小,工程机械中应用较多。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 插装阀式连接。将阀套、阀芯按标准参数做成圆筒形专用件,然后将这些专用件插入不同的插装块预制孔中,用螺纹连
8、接或盖板固定,并通过块内通道把各插装阀连通,插装块体起阀体和管路的作用。插装阀式连接结构紧凑,且具有一定的互换性,是适应液压系统集成化而发展起来的一种新型连接形式。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀由于液压控制阀在液压元件中无论是在品种上还是在数量上都占有相当大的比重,因此阀类元件性能的好坏在很大程度上影响液压设备的工作可靠性和优越性,所以在使用与维修中必须给予高度的重视。目前,我国中低压阀类元件的设计和生产已经实现了系列化、标准化和通用化,阀类元件正在向着高压化、小型化和集成化的新趋势发展。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀5.2.1圆柱滑阀的特性分析圆柱滑阀的特性分析1
9、.流量压力特性流量压力特性滑阀的流量压力特性是指流经滑阀的流量与前、后压差以及滑阀开口三者之间的关系。5.2液压控制阀的特性分析液压控制阀的特性分析第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-2圆柱滑阀示意图第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀如图5-2所示,设滑阀开口长度为x,阀芯与阀体内孔之间的径向间隙为,阀芯直径为d,阀孔前、后压力差p=pi-po,则根据流体力学中流经薄壁小孔的流量公式,得到流经滑阀的流量q的表达式为pACqq2(5-1)式中:A滑阀阀口的通流面积,A=W ;W滑阀开口宽度,又称通流面积梯度。它表示滑阀阀口通流面积和随滑阀位移的变化率,是滑阀最重要的参数
10、。对于圆柱滑阀,W=d；22x第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 Cq流量系数,与雷诺数Re有关。当Re260时,滑阀的流量系数为常数;如阀口是锐边时,Cq=0.60.65;如阀口是圆边或有很小倒角时,Cq=0.80.9。如果滑阀为理想滑阀(即=0),则其通流面积A=dx,因此公式(5-1)又可写成 pdxCqq2(5-2)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀雷诺数表达式为 vvDRhe(5-3)式中:v油液流经阀口的平均速度;油液的运动粘度;Dh滑阀阀口处的水力直径,Dh=4(阀口面积/湿周长度)。公式(5-2)称为圆柱滑阀的流量压力特性方程,它表明:通过滑阀的流量q与滑阀
11、开口x成正比,与阀口前、后压力差的1/2次方成正比。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2.液流对滑阀的作用力液流对滑阀的作用力1)作用在滑阀上的液压力在液压系统中,重力引起的液体压力差相对于工作压力来说所占比重极小,因此可以忽略不计。在计算时认为同一液体容腔中各点的压力相等。作用在容腔周围固体壁面上的液压力Fp为 pdAFAp(5-4)当壁面为平面时,液压力就等于压力p和面积A的乘积,即Fp=pA(5-5)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2)作用在滑阀上的侧向力对于滑阀来说,它的一个凸肩两端的压力通常是相等的,而阀体与阀芯之间又总是存在着一定的径向间隙,于是在压力差的作用
12、下,油液将通过缝隙流动。假如滑阀的阀体与阀芯的几何形状都是精确的圆柱形并保持其同心度,在油液流经配合间隙时,则缝隙内的压力总是按线性规律下降且沿阀芯圆周均布,因此滑阀的径向液压力是平衡的,如图5-3(a)所示。如果阀芯的轴线相对于原来的位置平行地有一个偏移,此时缝隙内的压力仍然按线性规律分布,因此径向液压力还是平衡的,如图5-3(b)所示。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-3圆柱形阀芯的径向液压力第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀实际上,由于制造误差和装配误差的存在,阀芯的几何形状和安装位置都不可能完全准确,因此,阀芯将由于径向不平衡液压力而受到侧向力的作用。图5-
13、4所示为阀芯具有锥度且与阀体有向上偏心时的侧向力分布情况。(a)图表示阀芯小端处于高压一边的情况,流体力学中称此为“顺锥”。由流体力学可知,阀芯上部和下部缝隙中的压力都是按上凸抛物线规律分布的。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 但上部的缝隙较小,两端缝隙的压力差值较大,曲线凸的较厉害;而下部的缝隙较大,曲线比较平缓。这样,阀芯受到一个向下的径向不平衡力,该力力图使阀芯自动恢复中立位置而消除偏心,因此,阀芯最终仍将处于四周压力平衡的良好状态,起到了自动定心的作用。显然,“顺锥”情况是有利的。(b)图表示阀芯大端处于高压一边的情况,流体力学中称此为“倒锥”。由流体力学可知,阀芯上部和下
14、部缝隙中的压力都是按下凹抛物线规律分布的。同理,上部的缝隙较小,曲线凹的较厉害;而下部的缝隙较大,曲线比较平缓。这样，阀芯受到一个向上的径向不平衡液压力,如图中带阴影的部分,这个侧向力一直将阀芯压到靠住阀体为止,出现所谓的“液压卡紧现象”。其侧向力为 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀142)(4221ttttppdLF(5-6)式中:d滑阀的直径;L滑阀的长度;t滑阀大、小端半径之差;滑阀偏心e=0时的大端径向间隙;p1、p2滑阀两端的压力。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-4具有锥度阀芯的侧向力第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀减小液压侧向力最常用的方
15、法,是在阀芯外表面开均压槽。这是一种普遍采用的既简单又有效的方法。如图5-5所示,在阀芯的凸肩上开一定数量的槽,一般槽宽为0.31 mm,槽深为0.30.5 mm。槽的边缘应与滑阀表面垂直,这样可以避免各种脏物楔入滑阀间隙。由于均压槽将滑阀圆周方向的油液沟通,因此使槽中各点的压力趋于相等,侧向力大为减小。阀芯偏斜时均压槽对径向液压力的影响可由图5-5看出。如果不开均压槽,则上部缝隙中的压力按虚线a1分布,下部缝隙中的压力按虚线b1分布,这时侧向力较大。开了均压槽以后,均压槽把从p1到p2的压力分成几段,阀芯上部和下部的压力分布曲线变为a和b,侧向力锐减。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制
16、阀阀 研究表明,在滑阀凸肩上开一个均压槽,其侧向力可减小到不开槽时的40%;等距地开三个均压槽,则减小到6%;开七个均压槽,可减小到2.7%。通常视凸肩宽度,在一个凸肩上开35条槽。虽然开设均压槽后会缩短滑阀凸肩的密封长度,但由于偏心量减小,因此反而使泄漏量减小。另外,开设均压槽后,脏物有了储存的场所。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-5均压槽对径向液压力的影响 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀除了开设均压槽以外,采用顺锥、精密过滤油液也可以减小液压侧向力。另外,使阀芯产生某种微小位移的“颤振”运动,也用来减小液压侧向力。这是一种在电液比例阀、电液伺服阀中普遍采用
17、的方法。由于油液极性分子的吸附作用及脏物在间隙中的堆积,也会使阀芯发生卡紧现象，因此,在输入的控制信号上叠加一个频率为50200Hz、幅频不超过额定电流20%的正弦或其它波形的颤振电流,就可以获得满意的效果。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3)作用在滑阀上的液动力由流体力学可知,当液体流经滑阀阀口和阀腔时,由于液体流动方向和流速发生变化,造成液体动量的改变,因此阀芯会受到附加的作用力液动力。在阀口开度一定的稳定流动情况下,液动力为稳态液动力;在阀口开度发生变化时,则还有瞬态液动力。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(1)稳态液动力。稳态液动力是指滑阀开口一定时,由于流经阀
18、口和阀腔的液流及其方向的改变而引起液流速度的改变,导致液体动量变化而产生的液动力。稳态液动力可根据动量定理求出。如图5-6所示，阀腔内的液体对其边界面的反作用力为)vm(mvmvF)(12(5-7)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 该力沿阀芯的轴线方向的分力就是稳态液动力Fs。其值为正时，该作用力指向液流方向,负值时为反方向。在图5-6所示情况下,左侧阀口完全开启,此处的流速很小,其流动方向接近于半径方向,它的动量影响可略而不计,因此液动力的轴向分力为 cos sqvF(5-8)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀式中:油液的密度(kg/m3);q油液的流量(m3/s);油
19、液流经阀出口的速度方向角;v油液流经阀口的平均流速(m/s)。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-6滑阀的稳态液动力 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀根据能量方程式,滑阀阀口的平均流速为 pCvv2(5-9)式中:Cv速度系数,一般Cv=0.950.98。如果令Cv=1,则上式又可写为 ACqpCvqv2(5-10)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀对于理想滑阀,将式(5-10)代入式(5-8),得 cos cos 22sACqpqFq(5-11)考虑式(5-8)及A=dx,则上式又可写为 pxKpdxCFqcos 2ss(5-12)式中:Ks液动力系数,
20、Ks=2Cqd cos,为常数。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀由上式可见,当压差p一定时,稳态液动力正比于阀口开度x。此时,液动力相当于刚度为Ksp的液压弹簧的作用。因此,Ksp也称为液动力刚度。公式中的“”视阀腔的形式而定:如图5-7(a)所示,当阀腔为一个完整的阀腔时,无论液流如何,稳态液动力的方向使滑阀的开口趋于关闭,即形成关闭力,则公式右边取“-”号;如图5-7(b)所示,当阀腔为不完整的结构时,稳态液动力的方向力图使滑阀的开口趋于开启,即形成开启力,则公式右边取“+”号。上述计算仅对一个阀口而言,若滑阀上同时有几个阀口工作,则计算结果应叠加。第第5 5章章 液液 压压
21、控控 制制 阀阀图 5-7作用在滑阀上的稳态液动力第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀理论分析和实践表明,对于不存在径向间隙、阀边保持锐角的理想滑阀来说,阀口处液流速度的方向角=69。当存在径向间隙和阀口工作边圆角增大时,角将减小,特别是在开口最小的情况下,近似为21,这时用式(5-12)计算出的稳态液动力误差较大。如前所述,由于稳态液动力相当于液压弹簧力,因此它的存在使移动滑阀的轴向力增大,特别是在高压、大流量情况下,将因为液动力太大而使滑阀操纵困难。因此，需要采取适当的措施来补偿稳态液动力。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-8轴向液动力补偿第第5 5章章 液液 压
22、压 控控 制制 阀阀 采用具有特殊阀腔形状的负力窗口补偿稳态液动力。图5-8所示为将阀芯和阀套做成曲线形状来补偿液动力的结构,相邻凸肩的联接部分为水轮机叶片的剖面形状,阀体沉割槽加深并做成斜切面。高压油从A腔以1角流入C腔,随即改变流动方向,然后以2角流出C腔。液流方向的改变是由于滑阀给它以作用力,而液流则产生反作用力作用在滑阀上,其方向恰好与滑阀移动方向相同,即与轴向液动力的方向相反,从而形成开启力。同时,液流又以3角返回C腔,使液流对滑阀的开启力继续增大。适当选择阀腔的参数,就可以使轴向液动力得到较好的补偿。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图5-9所示为具有轴向液动力补偿的四通
23、滑阀。同上,滑阀叶片式切槽所产生的开启力与中间矩形凸肩阀口所产生的关闭力相互抵消,从而减小了轴向液动力。这种补偿方法只要设计得当,就可以获得较好的补偿作用,在大流量时的效果更明显；但阀芯和阀套的形状较复杂,加工不便。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-9利用负力补偿稳态液动力 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀 采用多个径向小孔补偿稳态液动力。当窗口完全开启后液流的速度方向角就成为90,此时不会产生轴向液动力,因此可以采用如图5-10所示的结构。将阀套上的通油孔由沉割槽改成多个直径为d的小孔来代替,并排列成螺旋线状,使孔与孔口之间重叠一个距离s,以保证流量与位移的线性
24、关系。采用这种措施后,由于前一个小孔完全打开时液动力为零,只有后一个未完全开启的小孔产生稳态液动力,因此稳态液动力便大为减小。通油小孔数目越多,补偿效果就越好；但当阀芯位移较小时，则难以实现多个小孔的布置。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-10开多个径向小孔来补偿稳态液动力 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)瞬态液动力。当阀芯处于运动状态而开口量x发生变化时,除了上述稳态液动力外,还存在着瞬态液动力。这是由于阀口开度变化时流量也发生变化,阀腔内的流速也将随之而变化，因此,阀腔内的液体质量将由于惯性作用而对阀芯产生一个瞬态作用力瞬态液动力,它的作用方向始终与阀腔
25、内液体的加速度方向相反。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图5-11所示为滑阀瞬态液动力示意图。(a)图表示阀口增大且液体向外流动时,由于流量增大,阀腔内液体的加速度向右,因此作用在阀芯上的瞬态液动力Fi向左,使阀口趋于关闭;(b)图表示阀口增大且液体向内流动时,液体的加速度方向向左,因此作用在阀芯上的瞬态液动力Fi向右,使阀口趋于开启。图(a)中的瞬态液动力驱使阀口恢复到关闭状态,因此是一个稳定因素。图(b)中的瞬态液动力使阀口越开越大,因此对阀芯的驱动是一个不稳定因素。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-11作用在滑阀上的瞬态液动力第第5 5章章 液液 压压 控控
26、 制制 阀阀瞬态液动力可根据牛顿第二定律或动量定理进行计算：tmvFid)d(5-13)式中:m阀腔内环形流道中液体的质量,m=AL;液体的密度;A阀腔的断面积;L滑阀进油中心到回油中心之间的轴向长度(见图5-11);t时间。将m的表达式代入上式,得 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀tqLtAvLFiddd)d(式中:q液体流量。根据液流连续性原理,当压差p=常数时,将q=Cqdx代入上式,经整理可得 p2txKtxpdLCFLqidddd2(5-14)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀式中:KL阻尼系数,KL=CqdL ;滑阀开口的变化率,即阀芯的运动速度。从上式可见,
27、瞬态液动力与滑阀的移动速度成正比,因此它起到粘性阻尼力的作用。阻尼系数KL的大小与阀腔长度L及有关。当阀口增大且油液向外流动时为正阻尼,KL取正值;当阀口增大且油液向内流动时为负阻尼,KL取负值。若95%。闭合压力pb与调定压力pT之比,称闭合比,其表达式为 Tbbppn(5-24)一般,直动式溢流阀的nb85%,先导式溢流阀的nb90%。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀这些比值越大,说明溢流阀在工作过程中压力变化范围越小,即稳定性能越好。另一方面,希望开启比nk与闭合比nb尽可能接近些,这就要求阀芯与阀体配合精度较高,表面粗糙度值较小。还可用压力不均匀度p来表示压力的波动情况,并
28、定义。TbTpbTkTpkppp,ppp(5-25)显然,压力不均匀度越小,则溢流阀稳定性能越好。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(3)密封性与泄漏量。当系统压力低于调定值时,阀闭合要严,泄漏要小,即密封性要好。在溢流阀作安全阀时这两种性能尤为重要。通常用锥阀(包括球阀)做安全阀,以提高密封性,减小泄漏量。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(4)压力损失与卸荷压力。对于溢流工况,由于其本身是一个压力损失的过程,因此一般不提出经过阀时的压力损失指标。但当溢流阀作卸荷阀用时,额定流量下的压力损失称为卸荷压力,它反映了卸荷状态下系统的功率损失,以及因功率损失而转换成的油液发热量
29、。显然,卸荷压力越小越好。卸荷压力的大小与阀的结构形式、阀内部的流道以及阀口的尺寸大小有关。(5)最大流量与最小稳定流量。最大流量与最小稳定流量决定了溢流阀的流量调节范围,范围越大,该阀的应用越广。溢流阀的最大流量也就是它的额定流量,又叫公称流量,在此流量下工作时应无噪声。溢流阀的最小稳定流量取决于它的压力稳定性要求,一般规定为额定流量的15%。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2)动态性能所谓动态性能是指溢流阀在过渡过程中(即系统压力突然上升时)的性能,常用时域特性来评价。动态性能通常包括下述指标。(1)超调量。当溢流阀从零压不溢流突然变为额定压力、额定流量溢流时,液压系统将出现压
30、力冲击,我们把最高瞬时压力峰值与额定压力的差值称为动态超调量,用p表示。一般希望动态超调量要小,否则会发生元件损坏或管道破裂等事故。性能良好的溢流阀的超调量不超过额定压力的30%。和动态超调量对应的有动态过渡时间t和振荡次数n。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀过渡过程时间表示从零压改变到压力峰值后,系统压力值在上、下波动后进入稳定溢流状态所需的时间。动态过渡时间短、振荡次数少的溢流阀,其反应性好。图5-69所示为用八线示波器测出的溢流阀时域动态特性的升压过程曲线(过渡过程曲线)。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-69溢流阀时域动态过渡过程曲线 第第5 5章章 液液
31、 压压 控控 制制 阀阀图 5-70溢流阀压力卸荷及压力回升曲线第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)压力卸荷时间及压力回升时间。压力卸荷时间是指卸荷信号发出后,溢流阀从额定压力降至卸荷压力所需要的时间。压力回升时间是指停止卸荷信号发出后,溢流阀从卸荷压力回升至额定压力所需要的时间。这两个指标反映了溢流阀在系统工作中,从一个稳定状态到另一个稳定状态所需要的过渡时间。过渡时间短,溢流阀的动态性能就好。图5-70 所示为溢流阀卸荷及压力回升曲线,图中,t1、t2分别为压力回升时间和卸荷时间,一般要求t1=0.51 s,t2=0.030.09 s。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制
32、阀阀(3)压力稳定性。由于液压泵供油的脉动、液压系统负载的变化或者其它干扰的影响,溢流阀所控制的压力并不能保持绝对不变,而是随着外界的干扰在调定压力的附近作相应的压力波动。压力波动的大小一般用压力表指针的摆动量来衡量,称为压力振摆。压力振摆的存在表明溢流阀的主阀或导阀在作振动,因此压力振摆大的溢流阀的压力稳定性差,反之溢流阀的压力稳定性好。压力稳定性的好坏又直接影响液压系统的工作品质,因此,通常将压力振摆限制在的0.10.2 MPa范围内。如果溢流阀压力稳定性不好,则还会出现剧烈的振动和啸叫声。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3.溢流阀的应用溢流阀的应用1)实现稳压溢流如图5-71
33、所示,在采用定量泵的系统中,溢流阀和节流阀配合使用可保持系统压力(即液压泵的出口压力)基本稳定。进入液压缸的流量由节流阀调节,多余的油液经溢流阀流回油箱。因阀经常处于溢流状态,所以称为溢流阀。调节溢流阀的调压弹簧,即可调节系统的压力。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-71稳压溢流第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-72安全保护第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2)实现安全保护在图5-72所示的液压系统中,由于采用了变量泵,进入液压缸的流量就等于变量泵供给的流量,因此溢流阀在液压系统正常工作时处于关闭状态。只有在系统超载、压力等于或大于溢流阀的调定压力
34、时才开启溢流,这对系统起到了安全保护作用,所以称为安全阀。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3)实现远程调压图5-73所示为实现远程调压的液压系统,图中阀1为先导式溢流阀,阀2为一直动式溢流阀。在先导式溢流阀的控制口K(见图5-67)处,接直动式溢流阀,用以控制主阀芯上腔的压力值。只要阀2的调整压力小于溢流阀1的调整压力,则溢流阀所控制的压力就由阀2来调定。由于阀2可以通过油管连接到较远的地方,因此称远程调压阀。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-73远程调压 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀4)实现液压泵卸荷图5-74所示为用先导式溢流阀使液压泵卸荷的系
35、统。当控制口K经二位二通电磁换向阀和油箱连接后,主阀芯上腔的压力迅速下降,由于主阀弹簧很软,致使阀芯迅速上移,阀口开大,使得溢流阀进口压力(泵的出口压力)只有0.10.2 MPa,从而实现了液压泵卸荷。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-74液压泵卸荷 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-75形成背压 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀5)用于产生背压如图5-75所示将溢流阀串联在执行元件的回油路上,可使执行元件回油腔获得较大的压力(亦称背压),从而提高了执行元件运动的平稳性。这种溢流阀的调定压力较低,一般只有0.20.4 MPa,所以用直动式溢流阀即
36、可。此时的溢流阀也称为背压阀。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀5.4.2减压阀减压阀减压阀用来降低液压系统中某一部分的压力,从而使同一系统能有两个或多个不同的压力。使其出口压力降低且恒定的减压阀称为定值减压阀,是目前应用最为广泛的一种阀,简称减压阀;使进、出口压力之差或出口压力与某一负载压力之差恒定的减压阀称为定差减压阀;使进、出口压力之比恒定的减压阀称为定比减压阀。对于定值减压阀,通常要求在进口压力大于出口压力的情况下,不论进口压力如何变化,出口压力应能保持恒定,且不受通过减压阀流量的影响。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀1.定值减压阀定值减压阀1)定值减压阀的结构和
37、工作原理按照定值减压阀的结构和工作原理,可将其分为直动式和先导式两种。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-76直动式减压阀 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(1)直动式减压阀。图5-76所示为直动式减压阀的结构原理图。它是由阀体、阀芯、调压弹簧、调压螺钉等组成的。其阀芯具有三个凸肩,且处于最低位置时阀口是打开的,使进油口p1与出油口p2相通。进口压力油p1经阀口节流后,降为出口压力油p2,出口压力油又经阀芯上的径向孔与轴向小孔进入阀芯下端,形成向上的液压力,与调压弹簧力平衡。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀当出口压力小于弹簧的调定压力值时,阀芯在弹簧作用
38、下压至下端,阀口开度h最大,减压阀处于不减压状态。当出口压力增加到调定压力值时,阀下腔的液压力就克服弹簧力推动阀芯向上移动,使节流口h变小。由于节流口的节流作用而产生压力损失,因此使出口压力不再增加。这时,作用于阀芯上的力平衡方程式为)(4)(4max022max022hhxdKphhxKdp(5-26)第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀式中:d减压阀阀芯直径(m);K弹簧的刚度系数(N/m);x0弹簧的预压缩量(m);hmax阀口的最大开度(m);h阀口的开度(m)。上式中,阀口开度h是一个变量,但和弹簧的预压缩量x0相比是个较小的数值,在粗略分析时可以忽略不计。因此，认为减压阀的
39、出口压力p2近似为一恒定值。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀如因外界干扰(例如进口压力上升)而使出口压力上升,则阀芯上移,关小节流口,增加节流损失,于是出口压力便下降,阀芯在新的位置上达到新的平衡。反之,若出口压力下降,则节流口开大,出口压力上升。因为减压阀出口的油液有一定压力,所以经阀芯泄漏到弹簧腔的油液须经专门设置的回油管引回油箱。显然,由于减压后的液压力直接与弹簧力平衡,因此该阀只能用于低压场合。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)先导式减压阀。图5-77(a)所示为中压先导式减压阀的结构图。它和中压先导式溢流阀十分相似,某些零件可互相通用。两者的主要差别如下:
40、首先,中压先导式溢流阀的主阀芯为两个凸肩,静止状态时阀口关闭,进、出油口不通;中压先导式减压阀的主阀芯具有三个凸肩,阀口始终开启,形成减压缝隙,阀的进、出油口始终相通。其次,中压先导式溢流阀的先导阀经阀盖与阀体直通出油口回油箱;中压先导式减压阀则因出油口有一定压力,需要专门的回油通道回油箱。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀再则,两者的进、出油口的位置正好相反。这是因为：中压先导式溢流阀是利用进口压力油来控制滑阀移动,保持进口压力恒定,因此进油口在滑阀下端;而中压先导式减压阀是利用出口压力油来控制滑阀移动,保持出口压力恒定,因此出油口在滑阀下端。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制
41、 阀阀图5-77(b)所示为中压先导式减压阀的原理图和符号图。当高压油从进油口A进入时,其压力为p1;经节流缝隙h减压,低压油从出油口B流出,送往执行元件,其压力为p2。低压油经通道f与主阀芯下端的油腔相通,同时又经阻尼孔e与主阀芯上端的油腔相通,该腔经过通道c、b与锥阀右腔连通,此时压力为p3。这样,液压油p3作用于锥阀上的液压力与调压弹簧的弹簧力相平衡。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-77中压先导式减压阀第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀当出口压力p2较低,使p3小于调压弹簧2的调定压力时,锥阀关闭,p2=p3,主阀芯上、下两端液压力相等,主阀弹簧4将主阀芯推
42、在最下端,节流口h最大,减压阀不起减压作用,进、出油口压力相近。当出口压力p2升高而p3随着升高时,若所形成的液压力大于调压弹簧的预紧力,则锥阀打开,少量油液经锥阀口、通道d流回油箱。这时阻尼孔e有油液流过,产生压力降,使p3p2。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀当压力差作用在主阀芯上所产生的向上的液压力大于弹簧4的预紧力、阀芯的自重、阀芯与阀体的摩擦力及液动力等的代数和时,主阀芯5向上移动,使节流口h减小,压力降增大,出口压力便自动下降,直到作用在主阀芯上的诸力相平衡为止,主阀芯便处于新的平衡位置,节流口h保持某一开度。调节先导阀上的硬弹簧,便可调整减压阀的出口压力。比较先导式溢
43、流阀和先导式减压阀的工作原理可以发现,它们的自动调节作用原理是相似的,只是溢流阀保持进口压力恒定,而减压阀则保持出口压力恒定,它也可以用于压力较高的场合。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀*2)减压阀的静态性能根据减压阀的工作特点,对减压阀有如下静态性能要求：(1)调压范围。定值减压阀的调压范围是指阀的进口压力一定时,出口压力可调节的数值范围。在这个范围内使用减压阀,能保证阀的基本性能。通常,当中压先导式减压阀的进口压力为6.3 Pa时,其调压范围为0.55 MPa。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)进口压力对出口压力的影响。前面分析定值减压阀的工作原理时,认为阀的进
44、口压力恒定,但实际上进口压力总是会有变化的,而进口压力的变化又必然影响其出口压力的大小。当进口压力增大时,出口压力也增大,此时,先导阀开度增加,经过阻尼孔e的压力损失增加,主阀芯上移,节流口h减小,压降增大,从而使p2又回到原来的稳定值附近。此时,显然p3有所增加,h有所减小,会使p2有所上升,如图5-78所示。一般对定值减压阀有一定的指标,例如中压先导式减压阀的出口压力为1 MPa时,若进口压力从1.5 MPa升高到6.3 MPa,则其出口压力的波动值应小于0.1 Pa。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-78进口压力对出口压力的影响 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制
45、阀阀图 5-79流量对出口压力的影响第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(3)流量对出口压力的影响。当减压阀的进口压力恒定时,通过阀的流量变化也会引起出口压力的变化,使出口压力不能保持调定的数值。例如,流量减小,h不变时,则经过节流口的损失减小,p2要上升,主阀上移,使阀口关小,从而p2又回到原来稳定值附近。另外,h值的减小,将会使p2值有所上升。图5-79表示了流量对出口压力的影响曲线,说明减压阀具有流量减小,被控压力增大的性能。当出口流量等于零时,通过主阀的流量等于通过先导阀的流量,一般为1/min左右,此时出口压力为最大值。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3)减压阀的
46、应用定值减压阀可用于不同的工作场合,这里仅介绍其中两例。(1)用于夹紧油路。图5-80所示为减压阀用于夹紧油路的原理图。液压泵1除给主工作缸供压力油外,还经过减压阀2、单向阀3和换向阀4进入夹紧缸5。当溢流阀6的调定压力大于减压阀的调定压力时,调节减压阀可得到不同的夹紧力,以适应不同的加工要求。由于减压阀保证了出口压力恒定,因此夹紧缸的夹紧力可以不受液压泵供油压力的影响。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-80减压阀用于夹紧油路 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-81减压阀用于远程减压 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀(2)实现远程减压。图5-81
47、所示为减压阀实现远程减压的原理图。在先导式减压阀主阀芯上端开一控制口,然后经过二位二通常闭型换向阀与另一直动式溢流阀相连通即可实现远程减压。直动式溢流阀可单独连接到较远的地方,所以称远程调压阀,其控制压力必须低于减压阀本身先导阀所调定的压力。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀2.定差减压阀定差减压阀定差减压阀不仅能使其出口压力低于进口压力,而且无论进、出口压力及负载压力如何变化,都能够保证进、出口压力差或出口与某一负载的压力差值保持恒定。图5-82(a)所示为保持进、出口压力差为恒定值的定差减压阀的工作原理和符号图。当该阀工作时,阀芯在弹簧力Ft的作用下处于最下端位置。当阀的进油口接
48、压力油后,阀芯下端作用有一个向上的液压力Fp1=(D2-d2)p1,其克服弹簧力Ft使阀芯上移,阀芯下端与阀体之间出现节流口h,压力油经节流口h流至出口,由于节流口的阻尼作用,使出口压力p2低于进口压力p1。4第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀因为阀芯上端的弹簧腔经阀芯中心孔与出口相通,所以阀芯上又作用着一个向下的液压力Fp2=(D2-d2)p2。如果进口压力p1增大,则阀芯的受力平衡遭到破坏,此时,阀芯向上移动,节流口h增大,减压作用削弱。于是,出口压力p2也随之增大,直到阀芯在新的位置上平衡为止。如果出口压力p2发生变化,则类似上面的分析,亦能保持阀的进、出口压力差恒定。这种定差
49、减压阀一般与其它元件并联,以保证该元件的进、出口压力差恒定。4第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图5-82(b)所示为保持出口压力与某一负载压力之差为恒定值的定差减压阀的工作原理和符号图。当压力油从进油口p1进入阀口,经节流口流到出油口时,压力降为p2。将压力油p2经阀体上通孔引入阀芯左端,则产生一个向右的液压力Fp1=D2p2;而连接负载压力的油口所产生的向左的液压力Fp2=D2p3。44第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀图 5-82 定差减压阀 第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀如果负载压力p3增大,则阀芯受力平衡遭到破坏,此时,阀芯向左端移动,节流口增大,减
50、压作用削弱。于是,出口压力p2相应增大,直到阀芯在新的位置上平衡为止。如果出口压力p2发生变化,则类似上面的分析,亦能保持阀的出口压力与负载压力差值恒定。这种定差减压阀常与其它元件串联,以保证该元件的进、出口压力差恒定。第第5 5章章 液液 压压 控控 制制 阀阀3.定比减压阀定比减压阀定比减压阀能使进口压力p1与出口压力p2保持恒定的比值。图5-83所示为定比减压阀的工作原理和符号图。阀芯为阶梯轴,大端直径为D,小端直径为d。当高压油p1从进油口进入阀腔时,产生一个向上的液压力Fp1=d2p1,使阀芯向上移动。于是,在阀芯和阀体之间形成节流口h,压力油经h由孔道b流至出口,由于节流口的阻尼作
