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第5章液压控制阀 章节目录 5 1液压阀概述5 2方向控制阀5 3压力控制阀5 4流量控制阀5 5叠加阀和插装阀5 6电液伺服阀5 7电液比例阀5 8电液数字阀 5 1液压阀概述 5 1 1液压阀的基本共同点 液压控制阀的种类繁多 但他们在液压系统的作用主要有三个方面 控制液压油的压力 压力控制阀 流量 流量控制阀 和流动方向 方向控制阀 保证执行元件按照负载的需求进行工作 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 但都具有基本共同点 1 在结构上 所有液压阀均由阀体 阀芯 锥阀 滑阀或球阀 和驱动阀芯动作的元 部件组成 其中阀芯的结构如图5 1所示 图5 1阀的结构型式 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 只是各种阀控制的参数各不相同而已 表5 1液压控制阀的分类 5 1 3对液压阀的基本要求 1 动作灵敏 使用可靠 工作时冲击和振动要小 2 阀口全开时 液流压力损失小 阀口关闭时 密封性能好 3 所控制的参量 压力或流量 稳定 受外干扰时变化量要小 4 结构紧凑 安装 调试 维护方便 通用性好 5 1 2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 5 2方向控制阀 方向控制阀主要有单向阀和换向阀两类 5 2 1单向阀 常用的单向阀有 普通单向阀和液控单向阀两种 1 普通单向阀 单向阀 普通单向阀的作用是只允许液流沿一个方向通过 不能反向流动 普通单向阀如图5 2所示 图5 2普通单向阀 2 液控单向阀 普通单向阀 正向 内泄式液控单向阀 控制油口不通压力油时 外泄式液控单向阀 需要指出的是 控制压力油油口不工作时 应使其通回油箱 否则控制活塞难以复位 单向阀反向不能截止液流 5 2 2换向阀 1 功能 换向阀是利用阀芯在阀体中作相对运动 使油路接通 切断或改变流动方向 从而使执行元件启动 停止或变换运动方向 2 分类 1 按结构类型可分为滑阀式 转阀式和球阀式 2 按阀体连通的主油路数可分为二通 三通 四通等 3 按阀芯在阀体内的工作位置可分为二位 三位 四位等 4 按操作阀芯运动的方式可分为手动 机动 电磁动 液动和电液动等 3 滑阀或换向阀的结构 不同的通数和位数构成了不同类型的换向阀 所谓二位阀 三位阀是指换向阀的阀芯有两个或三个不同的工作位置 二通阀 三通阀 四通阀是指其阀体上有两个 三个 四个各不相通且与系统中不同油管连接的油路接口 换向阀的功能主要就是由其控制的通路数和工作位置所决定 换向阀都有两个或两个以上的工作位置 其中一个是常位 即阀芯未受外部操纵时所处的位置 绘制液压系统图时 油路一般应连接在常位上 4 滑阀式换向阀的操纵方式 滑阀式换向阀的操纵方式包括 手动 机动 电磁动 液动和电液联合驱动等 见图5 4 5 5 5 6 图5 4三位四通手动换向阀 图5 5二位二通电磁换向阀 电磁铁得电时 Graphicssymbol 图形符号 Simplifiedgraphics 简化图形 5 滑阀的中位机能 三位阀有三个工作位置 根据需要 执行元件可在左位或右位工作 三位换向阀的阀芯在中间位置时 各通口间有不同的连通方式 可满足不同的使用要求 这种连通方式称为换向阀的中位机能 不同的中位机能是在阀体的尺寸不变的情况下 通过改变阀芯的形状和尺寸得到的 常见的中位机能 符号及其特点如表5 3所列 表5 3三位四通滑阀的中位机能 表5 3三位四通滑阀的中位机能 续 5 3压力控制阀 5 3 1溢流阀 普通的压力控制阀包括溢流阀 减压阀 顺序阀和压力继电器 它们用来控制液压系统中的油液压力或通过压力信号实现控制 溢流阀按结构型式分 1 直动型 2 先导型 它旁接在液压泵的出口保证系统压力恒定或限制其最高压力 有时也旁接在执行元件的进口 对执行元件起安全保护作用 1 结构及工作原理 1 直动型 图5 7直动型溢流阀 直动型溢流阀的结构及其图形符号如图5 7所示 压力油从进口P进入阀后 经孔和阻尼孔后作用在阀芯4的底面上 若弹簧刚度为K 预压缩量为 阀芯直径为D 阀口刚开启时的进口压力为 通过额定流量时的进口压力为 作用在阀芯上的稳态液动力为 则得 a 阀口刚开启时的阀芯受力平衡关系式 b 阀口开启溢流时阀芯受力平衡关系式 5 1 5 2 注意两点 a 调节弹簧的预压缩量x0 可以改变阀口的开启压力pk 进而调节控制阀的进口压力p 此处弹簧称之为调压弹簧 c 阀口开启溢流的压力流量方程 5 3 联立求解式 5 7 和 5 8 可求得不同流量下的进口压力 b 直动型溢流阀因液压力直接与弹簧力相平衡而工作的 若压力较高 流量较大 则要求调压弹簧具有很大的弹簧力 这不仅使调节性能变差 而且结构上也难以实现 所以滑阀式直动型溢流阀一般只用于低压小流量处 2 先导型 若系统压力和流量较大时 通常使用先导型溢流阀 其常见的结构如图5 8所示 它们由先导阀和主阀两部分组成 这种阀的工作原理是利用主阀上下两端油液压力差来使主阀阀芯移动的 图5 8先导溢流阀 先导型溢流阀的静特性可用下列五个方程描述 a 主阀阀芯受力平衡方程 b 主阀阀口压力流量方程 c 先导阀阀芯受力平衡方程 5 4 5 5 5 6 d 先导阀阀口压力流量方程 5 7 e 流经阻尼孔的压力流量方程 5 8 3 溢流阀的基本性能主要有 1 调压范围在规定的范围内调节时 阀的输出压力能平稳地升降 无压力突跳或迟滞现象 2 压力流量特性溢流阀的进口压力随流量变化而波动的性能称为压力流量特性或启闭特性 如图5 9所示 3 压力超调量压力峰值与额定压力之差称为压力超调量 一般限制超调量不得大于额定值的30 图5 10为溢流阀由零压 零流量过渡为额定压力 额定流量的动态过程曲线 图5 9溢流阀的压力流量特性曲线 图5 10溢流阀的动态过程曲线 5 3 2减压阀 减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压力损失 使其出口压力低于进口压力的压力控制阀 按调节要求不同有 1 用于保证出口压力为定值的定值减压阀 2 用于保证进出口压力差不变的定差减压阀 3 用于保证进出口压力成比例的定比减压阀 其中定值减压阀应用最广 又简称为减压阀 1 减压阀结构及工作原理 图5 11先导型减压阀 2 减压阀功用和特点 比较减压阀与溢流阀的工作原理和结构 可以将二者的差别归纳为以下三点 l 减压阀保持出口压力为定值 而溢流阀则保持进口压力恒定 2 阀不工作时 减压阀进出油口相通 而溢流阀则进出油口不通 3 减压阀进出油口都有压力 先导阀弹簧腔的泄漏油需单独引回油箱 而溢流阀的出口直接接回油箱 因此先导阀弹簧腔的泄漏油经阀体内流道内泄至出口 5 3 3顺序阀1 顺序阀功能2 工作原理 顺序阀是一种利用压力控制阀口通断的压力阀 因用于控制多个执行元件的动作顺序而得名 图5 12为直动式顺序阀的工作原理 图5 12直动型顺序阀 3 顺序阀的控制形式 依控制压力的不同 顺序阀可分为内控和外控式两种 见图5 14 图5 14顺序阀的四种控制形式 4 特点 其中内控内泄用在系统中作平衡阀或背压阀 外控内泄用作卸载阀 外控外泄相当于一个液控二位二通阀 将其特点归纳如下 内控外泄顺序阀与溢流阀的相同之点是 阀口常闭 由进口压力控制阀口的开启 区别是内控外泄顺序阀调整压力油去工作 当因负载建立的出口压力高于阀的调定压力时 阀的进口压力等于出口压力 作用在阀芯上的液压力大于弹簧力和液动力 阀口全开 当负载所建立的出口压力低于阀的调定压力时 阀的进口压力等于调定压力 作用在阀芯上的液压力 弹簧力 液动力平衡 阀的开口一定 满足压力流量方程 5 3 4压力继电器1 功能2 结构特点 压力继电器是一种将液压系统的压力信号转换为电信号输出的元件 其作用是 根据液压系统压力的变化 通过压力继电器内的微动开关 自动接通或断开电气线路 实现执行元件的顺序控制或安全保护 压力继电器按结构特点可分为柱塞式 弹簧管式和膜片式等 图5 15为单触点柱塞式压力继电器 图5 15单触点柱塞式压力继电器 5 4流量控制阀 5 4 1流量控制原理 流量控制阀是通过改变阀口大小 改变液阻实现流量调节的阀 普通流量控制阀包括节流阀 调速阀 溢流节流阀和分流集流阀 5 9 由流体力学知识知 流经孔口及缝隙的流量与其前后压力差和孔口 缝隙面积有关 它可以用通用节流方程表示 常用的节流口结构形式如图5 16所示 图5 16几种节流口的结构型式 5 4 2节流阀1 结构与原理 图5 17节流阀 节流阀是一个最简单又最基本的流量控制阀 其实质相当于一个可变节流口 即一种借助于控制机构使阀芯相对于阀体孔运动改变阀口过流面积的阀 常用在定量泵节流调速回路实现调速 2 流量特性与刚性 5 10 刚性T越大 节流阀的性能越好 因薄壁孔型的m 0 5 故多作节流阀的阀口 另外 p大有利于提高节流阀的刚性 但 p过大 不仅造成压力损失的增大 而且可能导致阀口因面积大小而堵塞 因此一般取 p 0 15 0 4 MPa 一般定义节流阀开口面积A一定时 节流阀前后压力差的变化量与流经阀的流量变化量之比为节流阀的刚性T 即 5 4 3调速阀 通过节流阀阀口的流量因阀口前后压力差变化而变化 刚性差 因此仅适用于执行元件工作负载变化不大且对速度稳定性要求不高的场合 为解决负载变化大的执行元件的速度稳定性问题 应采取措施保证负载变化时 使节流阀前后的压力差常量 这就是调速阀和溢流节流阀的基本原理 1 调速阀 图5 18为调速阀的工作原理图 它是在节流阀前面串联一个定差减压阀组合而成 3 应用节流阀在液压系统中 主要与定量泵 溢流阀组成节流调速系统 调节节流阀的开口 便可以实现调速 图5 18调速阀的工作原理 调速阀工作时的静态方程为 5 11 5 12 5 13 5 14 图5 19旁通型调速阀 2 溢流节流阀 旁通型调速阀 溢流节流阀也是一种压力补偿型节流阀 图5 19为其工作原理图 5 5插装阀和叠加阀 5 5 1叠加阀 叠加阀是以板式阀为基础 将各种液压阀的上下面都做成像板式阀底面那样的连接面 做成叠装式结构称为叠加阀 如图5 20a所示 单个叠加阀的工作原理与普通阀完全相同 所不同的是 每个叠加阀都有四个油口P A B T贯通 它除了具有液压阀的功能外 而且还起阀与阀之间油路通道作用 相同规格的各种叠加阀的油口位置 连接安装尺寸都相同 组成系统时 将相同规格的各种功能的叠加阀 按液压系统图的一定顺序叠加起来 即可组成叠加阀系统图 如图5 20b所示 图5 20a 叠加阀结构图 图5 20b 叠加阀系统图 5 5 1插装阀 插装阀在高压大流量的液压系统中应用很广 其元件已标准化 将几个插装式元件组合一下便可组成复合阀 与普通液压阀相比 它有如下优点 1 通流能力大 特别适用于大流量场合 它的最大通径可达200 250mm 通过的最大流量可达10000L min 2 阀芯动作灵敏 抗堵塞能力强 3 密封性好 泄漏小 油液流经阀口的压力损失小 4 结构紧凑 简单 易于实现标准化 特别是在一些大流量及介质为非矿物油的场合 优越性更为突出 1 插装阀的工作原理和基本组件 插装阀基本组件由阀芯 阀套 弹簧和密封圈组成 根据其用途不同分为方向阀组件 图5 21a 压力阀组件 图5 21b 和流量阀组件 图5 21c 三种 三种组件均有两个主油口A和B 一个控制油口X 设阀芯直径为D 阀座孔直径为d 则油口A B X的作用面积AA AB AX分别为 面积比 图5 21插装阀基本组件 2 先导阀与盖板 先导阀通过盖板安装在阀块上 并经盖板上的油道来控制插装阀组件控制腔X的通油方式 从而控制阀口的开启和关闭 其中方向阀组件的先导阀可以是电磁滑阀 也可以是电磁球阀 压力阀组件的先导阀包括压力先导阀 电磁滑阀等 其控制原理与普通溢流阀完全相同 流量阀组件的先导阀除电磁滑阀外 还需在盖板上装阀芯行程调节杆 以限制 调节阀口开度大小 即改变阀口通流面积 见图5 21c 3 插装阀的应用举例 1 插装式阀作单向阀 将方向阀组件的控制油口X通过阀块和盖板上的通道与油口A或B直接沟通 可组成单向阀 其中图5 22b所示结构 反向 A B 关闭时 控制腔的压力油可能经过阀芯上端与阀套孔之间的环形间隙 向油口B泄漏 密封性能不及图5 22a所示的连接形式 图5 22插装式单向阀 正向演示 反向演示 2 插装式阀作二位二通阀 如图5 23所示 由二位三通先导电磁滑阀控制方向阀组件控制腔的通油方式 如图5 23a所示 电磁铁失电时 控制腔x通过二位三通阀的常位通油箱 因此 无论A口来油 还是B口来油均可将阀口开启通油 电磁铁得电 二位三通阀右位工作 控制腔X与油口A接通 从B口来油可顶开阀芯通油 而A口来油则阀口关闭 相当于B A的单向阀 与图5 23a不同 图5 23b所示结构在二位三通阀处于右位工作时 因梭阀的作用 控制腔X的压力始终为A B两油口中压力较高者 因此 无论是A口来油 还是B口来油 阀口均处于关闭状态 油口A与B不通 图5 23二通阀 3 插装式阀作二位三通阀 图5 24中三通插装阀由两个方向阀组件并联而成 对外形成一个压力油口P 一个工作油口A和一个回油口T 两组件的控制腔的通油方式由一个二位四通电磁滑阀 先导阀 控制 在电磁铁Y失电时 二位四通阀左位 常位 工作 阀1的控制腔接回油箱 阀口开启 阀2的控制腔接压力油p 阀口关闭 于是油口A与T通 油口P不通 4 插装式阀作四通阀 四通插装阀由两个三通阀并联而成 如图5 25所示 用四个二位三通电磁阀分别控制四个方向阀组件的开启和关闭 可以得到图示十二种机能 实际应用最多的是一个三位四通电磁阀成组控制阀1 阀2和阀3和阀4的开启和关闭的三位四通阀 图5 24三通阀 电磁铁Y不得电时 电磁铁Y得电时 图5 25插装式四通阀 5 6电液伺服阀 电液伺服阀将电信号传递处理的灵活性和大功率液压系统控制相结合 可对大功率 快速响应的液压系统实现远距离控制 计算机控制和自动控制 同时它也是将小功率的电信号输入转换为大功率的液压能 压力和流量 输出 实现执行元件的位移 速度 加速度及力控制的一种装置 因而在现代工业生产中被广泛应用 图5 26所示为喷嘴挡板式电液伺服阀的结构原理图 电液伺服阀通常由三部分组成 图5 26喷嘴挡板式电液伺服阀 图5 27液压放大器 3 反馈和平衡机构 是使电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入电信号成比例的特性 如图5 27所示 它是由固定节流孔g 喷嘴2 挡板1 兼作放大器的力反馈弹簧 组成 在这里 滑阀是它的执行元件 1 电气 机械转换装置 用来将输入的电信号转换为转角或直线位移输出 输出转角的装置称为力矩马达 输出直线位移的装置称为力马达 2 液压放大器 实现液压油控制功率的转换和放大 液压放大器如图5 27所示 5 7电液比例阀 电液比例阀是一种性能介于普通液压控制阀和电液伺服阀之间的新阀种 它既可以根据输入的电信号大小连续地成比例地对液压系统的参量 压力 流量及方向 实现远距离控制 计算机控制 又在制造成本 抗污染等方面优于电液伺服阀 但其控制性能和精度不如电液伺服阀 广泛应用于要求不是很高的液压系统中 5 7 1电液比例压力阀 图5 28所示为电液比例压力先导阀 它与普通溢流阀 减压阀 顺序阀的主阀组合可构成电液比例溢流阀 电液比例减压阀和电液比例顺序阀 图5 28电液比例压力先导阀 图5 29直接检测式比例溢流阀 图5 29所示为一种压力直接检测反馈的电液比例溢流阀的结构原理图 5 7 2电液比例流量阀1 电液比例二通节流阀 电液比例流量阀是将流量阀的手调部分改换为比例电磁铁而成 下面介绍它们的结构和工作原理 图5 30电液比例节流阀 2 电液比例流量阀 图5 31电液比例流量阀 5 7 3电液比例换向阀 图5 32电液比例换向阀 5 8电液数字阀 5 8 1电液数字阀的工作原理与组成 用数字信息直接控制阀口的开启和关闭 从而实现液流压力 流量 方向控制的液压控制阀 称为电液数字阀 简称数字阀 数字阀可直接与计算机接口 不需要D A转换器 数字阀与伺服阀和比例阀相比 结构简单 工艺性好 价格低廉 抗污染能力强 工作稳定可靠 功耗小 在计算机实时控制的电液系统中 已部分取代比例阀或伺服阀 为计算机在液压领域的应用开拓了一个新的途径 增量控制数字阀采用步进电机 机械转换器 通过步进电动机 在脉数 PNM 信号的基础上 使每个采样周期的步数在前一个采样周期步数上增加或减少步数 以达到需要的幅值 由机械转换器输出位移控制液压阀阀口的开启和关闭 图5 45为增量式数字阀用于液压系统的框图 图5 33增