第四章 液压控制元件.ppt

第四章液压控制元件重点：难点：第一节概述液压阀：液压系统中控制液流流动方向，压力高低、流量大小的控制元件。各类控制阀的特点：1、结构基本相同：阀体、阀芯、驱动部件等；2、遵循流量公式；3、控制参数不同。,液压阀分类：按用途分：压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀操纵方式分：人力操纵阀、机械操纵阀、电动操纵阀连接方式分：管式连接、板式及叠加式连接、插装式连接按结构分类：滑阀,座阀,射流管阀按控制方式：电液比例阀,伺服阀,数字控制阀按输出参量可调节性分类：开关控制阀,输出参量可调节的阀液压系统对阀的基本要求：1.工作可靠，动作灵敏，冲击振动小2.压力损失小，密封好，泄漏小，无外漏3.结构紧凑，安装调整维护使用方便，通用性好,第二节方向控制阀方向控制阀用在液压系统中控制液流的方向。它包括单向阀和换向阀。单向阀有普通单向阀和液控单向阀。换向阀按操作阀芯运动的方式可分为手动、机动、电磁动、液动、电液动等。,一、单向阀,普通单向阀是只允许液流一个方向流动，反向则被截止的方向阀。要求正向液流通过时压力损失小，反向截止时密封性能好。图形符号,工作原理左端进油，压力油作用在阀芯左端，克服右端弹簧力使阀芯右移，阀口开启，油液从右端流出；若右端进油，压力油与弹簧同向作用，将阀芯紧压在阀座孔上，阀口关闭，油液被截止不能通过。正向开启压力只需（0.030.05）MPa，反向截止时为线密封，且密封力随压力增高而增大，密封性能良好。开启后进出口压力差（压力损失）为（0.20.3）MPa。,普通单向阀的应用,常被安装在泵的出口，一方面防止压力冲击影响泵的正常工作，另一方面防止泵不工作时系统油液倒流经泵回油箱。被用来分隔油路以防止高低压干扰。与其他的阀组成单向节流阀、单向减压阀、单向顺序阀等，使油液一个方向流经单向阀，另一个方向流经节流阀等。安装在执行元件的回油路上，使回油具有一定背压。作背压阀的单向阀应更换刚度较大的弹簧，其正向开启压力为（0.30.5）MPa。,液控单向阀,工作原理当控制油口不通压力油时，油液只能从p1p2；当控制油口通压力油时，正、反向的油液均可自由通过。根据控制活塞上腔的泄油方式不同分为内泄式和外泄式。复式结构液控单向阀，单向阀芯内装有卸载小阀芯。控制活塞上行时先顶开小阀芯使主油路卸压，再顶开单向阀阀芯，其控制压力仅为工作压力的4.5，没有卸载小阀芯的液控单向阀的控制压力为工作压力的4050。,双向液压锁,单向阀,液控单向阀的应用,用于保压回路,用于锁紧回路,需要指出，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。,二、换向阀,工作原理:利用阀芯和阀体的相对运动,使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的启动、停止或变换运动方向主要要求:(1)油液经换向阀时压力损失要小。(2)互不相通的油口间的泄漏要小。(3)换向要平稳，迅速且可靠。分类:按操作方式分：手动换向阀、机动换向阀（亦称行程阀）、电磁换向阀、液动换向阀和电液换向阀等按阀芯工作时在阀体中所处的位置和换向阀所控制的通路数不同分：二位二通换向阀、二位三通换向阀、二位四通换向阀、三位四通换向阀等按阀的安装方式分：管式（亦称螺纹式）换向阀、板式换向阀和法兰式换向阀等按阀的结构形式分：滑阀式换向阀、转阀式换向阀和锥阀式换向阀等,换向阀：滑阀式换向阀,A,B,P,T,T,A,B,（一）、换向阀的工作原理,换向阀的换向功能主要由阀的工作位置数和由它所控制的通路数所决定,换向阀,A,B,P,T,P,T,A,B,P,T,A,B,A,B,P,T,溢流阀,液压泵,A,B,P,T,溢流阀,液压泵,P,T,A,B,换向阀的图形符号,方格数即“位”数，三格即三位,代表阀芯停留的位置箭头表示两油路连通，但不表示流向。“”表示油路不通。在一个方格内，箭头或“”符号与方格的交点数为油路的通路数，即“通”数每个换向阀都有一个常态位（即阀芯在未受到外力作用时的位置）。在液压系统图中，换向阀的符号与油路的连接一般应画在常态位上换向阀=操纵方式+位和通路,位、通及图形符号,动画,换向阀操纵方式符号,（二）、换向阀的结构,1、手动换向阀:利用手动杠杆来改变阀芯位置实现换向,P,B,A,T,2、机动换向阀(行程阀)行程阀，通常是两位常开常闭,3、电磁换向阀,阀芯运动是藉助于电磁力和弹簧力的共同作用。电磁铁不得电，阀芯在右端弹簧的作用下，处于左极端位置（右位），油口p与A通，B不通；电磁铁得电产生一个电磁吸力，通过推杆推动阀芯右移，则阀左位工作，油口p与B通，A不通。两位电磁阀有弹簧复位式（一个电磁铁）和钢球定位式（两个电磁铁）。,电磁铁按使用电源的不同，可分为交流和直流两种。按衔铁工作腔是否有油液又分为：“干式“和“湿式。交流电磁铁起动力较大，不需要专门的电源，吸合、释放快，动作时间约为0.010.03s，其缺点是若电源电压下降15以上，则电磁铁吸力明显减小，若衔铁不动作，干式电磁铁会在10-15min后烧坏线圈(湿式电磁铁为1一1.5h)，且冲击和噪声较大，寿命低，因而在实际使用中交流电磁铁允许的切换频率一般为10次min，不得超过30次/min。直流电磁铁工作较可靠，吸合、释放动作时间约为0.05一0.08s，允许使用的切换频率较高，一般可达120次min，最高可达300次min，且冲击小、体积小、寿命长。但需有专门的直流电源，成本较高。本整形电磁铁，其电磁铁是直流的，但电磁铁铁本身带有整流器，通入的交流电经整流后再供给直流电磁铁。目前，国外新发展一种油浸式电磁铁，不但衔铁，而且激磁线圈也都浸在油液中工作，它具有寿命更长，工作更可靠等特点，但由于造价较高，应用面不广。,4、液动换向阀:利用控制油路的压力油来改变阀芯位置。工作原理：K1通油：P-B，A-O；K2通油：P-A，B-O；K1，K2不通油：中位；,5、电液换向阀:由电磁滑阀和液动滑阀组合而成电磁吸力有限，电磁换向阀最大通流量小于100L/min。对液动力较大的大流量阀则应选用液动换向阀或电液换向阀。电磁阀是先导阀，液动阀是主阀电磁滑阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置（Y型中位机能）,电液换向阀,先导阀中位Y机能；内控/外控；内泄/外泄；单向节流调整换向速度；,电液换向阀工作原理要点,为保证液动阀回复中位，电磁阀的中位必须是A、B、T油口互通。控制油可以取自主油路的p口（内控），也可以另设独立油源（外控）。采用内控时，主油路必须保证最低控制压力（0.30.5MPa)；采用外控时，独立油源的流量不得小于主阀最大通流量的15，以保证换向时间要求。,电磁阀的回油可以单独引出（外排），也可以在阀体内与主阀回油口沟通，一起排回油箱（内排）。液动阀两端控制油路上的节流阀可以调节主阀的换向速度。,（三）、换向阀的性能,1、中位机能：三位阀常态位(即中位)各油口的连通方式。不同滑阀机能的滑阀，阀体是通用的，仅阀芯台肩的尺寸和形状不同。系统保压系统卸荷换向平稳性与精度启动平稳性液压缸“浮动”和在任意位置上的停止滑阀机能的应用：使泵卸载的有H、K、M型；使执行元件停止的有O、M型；使执行元件浮动的有H、Y型；使液压缸实现差动的有P型。三位换向阀的非中位机能：OP型MP型,2、换向阀的性能,换向可靠性：换向信号发出后阀芯能灵敏地移到工作位置；换向信号撤除后阀芯能自动复位。同一通径的电磁阀，机能不同，可靠换向的压力流量范围不同，一般用工作极限曲线表示。压力损失：包括阀口压力损失和流道压力损失。换向阀的压力损失除与通流量有关，还与阀的机能、阀口流动方向有关，一般不超过1MPa。内泄漏量：滑阀式换向阀为环形间隙密封，工作压力越高，内泄漏越大。泄漏不仅带来功率损失，而且引起油液发热。因此阀芯与阀体要同心，并要有足够的封油长度。换向平稳性：就是要求换向时压力冲击要小。手动换向阀和电液换向阀可以控制换向时间来减小换向冲击。换向时间和换向频率：交流电磁铁的换向时间约为0.030.15s，直流电磁铁的换向时间约为0.10.3s；换行频率为60240次/min。,3、滑阀的液动力由液流的动量定律可知，油液通过换向阀时作用在阀芯上的液动力有稳态液动力和瞬态液动力两种。（1）稳态液动力：阀芯移动完毕，开口固定后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀芯上有使阀口关小的趋势的力，与阀的流量有关。（2）瞬态液动力：滑阀在移动过程中，阀腔液流因加速或减速而作用在阀芯上的力，与移动速度有关。4、液压卡紧现象卡紧原因：脏物进入缝隙；温度升高，阀芯膨胀；但主要原因是滑阀副几何形状和同心度变化引起的径向不平衡力的作用，其主要包括：a阀芯和阀体间无几何形状误差，轴心线平行但不重合b阀芯因加工误差而带有倒锥，轴心线平行但不重合c阀芯表面有局部突起减小径向不平衡力措施：1）提高制造和装配精度2）阀芯上开环形均压槽(教材P106,图4-12）,A图：轴线不平行，B图：锥度C图：有凸起D图：轴线倾斜，合力使使阀芯更加接触阀孔；,A图：倒锥，大头朝高压，合力使偏心增大B图：顺锥，小头朝高压，合力使偏心减小,自学内容,第三节压力控制阀,压力控制阀是用来控制液压系统中油液压力或通过压力信号实现控制的阀类。它包括溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器。压力控制阀的基本工作原理:通过液压作用力与弹簧力进行比较来实现对油液压力的控制。调节弹簧的预压缩量即调节了阀芯的动作压力，该弹簧是压力控制阀的重要调节零件，称为调压弹簧。要掌握各种压力阀的结构原理及其应用。,一、溢流阀的基本结构和工作原理,溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。（一）溢流阀的作用和性能要求1溢流阀的作用在液压系统中用来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。图4-16a用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。图4-16b,2液压系统对溢流阀的性能要求（1）定压精度高（2）灵敏度要高（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,按结构形式分直动型溢流阀先导型溢流阀,（二）溢流阀的结构和工作原理,1、直动型溢流阀,结构原理直动型溢流阀由阀芯、阀体、弹簧、上盖、调节杆、调节螺母等零件组成。阀体上进油口旁接在泵的出口，出口接油箱。原始状态，阀芯在弹簧力的作用下处于最下端位置，进出油口隔断。进口油液经阀芯径向孔、轴向孔作用在阀芯底端面，当液压力等于或大于弹簧力时，阀芯上移，阀口开启，进口压力油经阀口溢回油箱。此时阀芯受力平衡，阀口溢流满足压力流量方程。,阀口刚开启时阀芯受力平衡方程pkD2/4=K（xo+L）阀口开启后阀芯受力平衡方程pD2/4=K（xo+L+x）+Fs（液动力）阀口开启后溢流的压力流量方程q=CDx（2p/）1/2,直动型溢流阀工作原理要点,对应调压弹簧一定的预压缩量xo，阀的进口压力p基本为一定值。由于阀开口大小x和稳态液动力Fs的影响，阀的进口压力随流经阀口流量的增大而增大。当流量为额定流量时的阀的进口压力ps最大，ps称为阀的调定压力。弹簧腔的泄漏油经阀内泄油通道至阀的出口引回油箱，若阀的出口压力不为零，则背压将作用在阀芯上端，使阀的进口压力增大。对于高压大流量的压力阀，要求调压弹簧具有很大的弹簧力，这样不仅使阀的调节性能变差，结构上也难以实现。,2、先导型溢流阀,结构组成它由先导阀和主阀组成。先导阀实际上是一个小流量直动型溢流阀，其阀芯为锥阀。主阀芯上有一阻尼孔，且上腔作用面积略大于下腔作用面积，其弹簧只在阀口关闭时起复位作用。图形符号,动作原理动画,YF型先导溢流阀教材P109,图4-15,DB型先导阀,：主阀芯下腔压力；,：先导阀口的压力，和主阀芯上腔相同；,：先导阀阀口面积,：主阀芯下腔面积,：主阀芯上腔面积,：先导阀弹簧刚度,：主阀弹簧刚度,：先导阀弹簧预压缩量,：主阀弹簧预压缩量先导阀的阀芯受力平衡方程：,主阀阀芯受力平衡方程：,综合先导阀和主阀阀芯受力平衡方程得：,先导型溢流阀工作原理要点（定压精度高）,上式中，P1取决于第1项和第2项之和，由于A0A1,如果取Ky弹簧调定压力，且负载压力p2p2;,顺序阀的功用,内控外泄顺序阀与溢流阀非常相象：阀口常闭，进口压力控制，但是该阀出口油液要去工作，所以有单独的泄油口。内控外泄顺序阀用于多个执行元件顺序动作。,内控内泄顺序阀的图形符号和工作原理与溢流阀相同。多串联在执行元件的回油路上，使回油具有一定压力，保证执行元件运动平稳。如图示阀3作背压阀。,外控内泄顺序阀等同于二位二通阀，可作卸载阀，如双泵供油回路中阀3是泵1的卸载阀。,外控外泄顺序阀可作液动开关和限速锁。如远控平衡阀可限制重物下降的速度。,四、压力继电器,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。其作用是实现执行元件的顺序控制或安全保护。按结构特点分为柱塞式、弹簧管式和膜片式。图示为柱塞式压力继电器。主要零件包括柱塞1、调节螺帽2和电气微动开关3。压力油作用在柱塞下端，液压力直接与弹簧力比较。当液压力大于或等于弹簧力时，柱塞向上移压微动开关触头，接通或断开电气线路。反之，微动开关触头复位。,压力继电器的功用,如图所示，压力继电器用在顺序动作回路中。当执行元件工作压力达到压力继电器调定压力时，压力继电器将发出电信号，使电磁铁得电，换向阀换向，从而实现两液压缸的顺序动作。,第四节流量控制阀,流量控制阀是通过改变阀口大小来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。,节流阀,调速阀,一、流量控制原理和节流口形式,流经薄壁小孔的流量q=cdA(2p/)1/2流经细长孔的流量q=(d4/128l)p综合两式得通用节流方程q=KLApm节流阀的节流口通常有三种基本形式：薄壁小孔（m=0.5）、细长小孔（m=1）和厚壁小孔。（1）压差对流量的影响；（2）温度对流量的影响；（3）节流口的堵塞；为保证流量稳定、节流口的形式以薄壁小孔较为理想。,典型节流口形式,针阀式节流口,偏心槽式节流口,三角槽式节流口,周向缝隙式节流口,轴向缝隙式节流口,图a为针阀式节流口，它通道长，湿周大，易堵塞，流量受油温影响较大。一般用于对性能要求不高的场合；图b为偏心槽式节流口，其性能与针阀式节流口相同，但容易制造，其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时较费力，一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合；图c为轴向三角槽式节流口，其结构简单，水力直径中等，可得到较小的稳定流量，且调节范围较大，但节流通道有一定的长度，油温变化对流量有一定的影响，目前被广泛应用；图d为周向缝隙式节流口，沿阀芯周向开有一条宽度不等的狭槽，转动阀芯就可改变开口大小。阀口做成薄刃形，通道短，水力直径大，不易堵塞，油温变化对流量影响小，因此其性能接近于薄壁小孔，适用于低压小流量场合；图e为轴向缝隙式节流口，在阀孔的衬套上加工出图示薄壁阀口，阀芯作轴向移动即可改变开口大小，其性能与图d所示节流口相似。,节流阀的作用：液压传动系统对流量控制阀的主要要求有：1)较大的流量调节范围，且流量调节要均匀。2)当阀前、后压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小，以保证负载运动的稳定。3)油温变化对通过阀的流量影响要小。4)液流通过全开阀时的压力损失要小。5)当阀口关闭时，阀的泄漏量要小。,节流元件的作用,二、普通节流阀,结构原理主要零件有阀芯、阀体和螺母。阀体上开有进油口和出油口。阀芯一端开有三角尖槽，另一端加工有螺纹，旋转阀芯即可轴向移动改变阀口过流面积。为平衡液压径向力，三角槽须对称布置。,流量特性方程q=KLApm它反映了流经节流阀的流量q与阀前后压力差p和开口面积A之间的关系。刚性外负载波动引起阀前后压力差p变化，即使阀的开口面积A不变，也会导致流经阀的流量q不稳定。定义：阀的开口面积A一定时，T=dp/dq=p1-m/KLAm为节流阀的刚性。T越大，节流阀的性能越好。1）同一节流阀，压力差相同时，开口小，刚性大；2）同一节流阀，开口一定时，压力差小，刚性小；因此要保证一定的压差；3）m小（近似为薄壁孔）的节流口有利于提高刚性；4）p增大可提高刚性，但过大不仅造成压力损失增大，而且可能因阀口太小而堵塞，一般取p（0.150.4）MPa。最小稳定流量节流阀在很小开口下工作时，流经阀的流量会出现周期性脉动，甚至间歇式断流，这种现象称为节流阀的堵塞现象。为此对节流阀有一个能正常工作的最小流量的限制。,节流阀的应用,当节流阀前后p一定时，改变A可改变流经阀的流量起节流调速作用，如阀3。当q一定时，改变A可改变阀前后压力差p起负载阻尼作用，如阀1。当q0时，安装节流元件可延缓压力突变的影响起压力缓冲作用，如阀2。,三、节流阀的压力和温度补偿,补偿的必要性：普通节流阀刚性差，流量受负载变化（压差变化）影响比较大，不能保持速度恒定，只用于速度要求不高的场合。补偿思路：保持压差不变，可使流量仅取决于开口的大小的变化。补偿方法：一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合而成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来，组织成溢流节流阀。补偿原理：这两种压力补偿方式是利用流量变动所引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作，来自动调节节流部分的压力差，使其基本保持不变。温度补偿：油温的变化也必然会引起油液粘度的变化，从而导致通过节流阀的流量发生相应的改变，为此出现了温度补偿调速阀。,1、调速阀,结构原理调速阀是由定差减压阀与节流阀串连而成。压力油p1先经定差减压阀，然后经节流阀流出。节流阀进、出口压力油p2、p3经阀体流道被引至定差减压阀阀芯的两端，(p2-p3)与定差减压阀的弹簧力进行比较，因定差减压阀阀口的压力补偿作用，使得(p2-p3)基本不变。调速阀可以是定差减压阀在前，节流阀在后，也可以是节流阀在前，定差减压阀在后。,由于弹簧刚度较低，工作时减压阀阀芯位移较小，可认为弹簧力Fs基本不变，因此保证了p2-p3基本不变。,A1,A2,A3,调速阀工作时的静态方程定差减压阀受力平衡方程p2A=p3A+Ft-Fs定差减压阀压力流量方程q1=Cd1dx2（p1-p2）/1/2节流阀压力流量方程q2=Cd2Aj2（p2-p3）/1/2通过调速阀的流量q1=q2=q流量稳定性分析调速阀用于调节执行元件运动速度，并保证其速度的稳定。这是因为节流阀既是调节元件，又是检测元件。当阀口面积调定后，它一方面控制流量的大小，一方面检测流量信号并转换为阀口前后压力差反馈作用到定差减压阀阀芯的两端面，与弹簧力相比较，当检测的压力差偏离预定值时，定差减压阀阀芯产生相应位移，改变减压缝隙进行压力补偿，保证节流阀前后的压力差基本不变。但是阀芯位移势必引起弹簧力和液动力波动，因此流经调速阀的流量只能基本稳定。调速阀的速度刚性可近似为。为保证定差减压阀的压力补偿作用，调速阀的进出口压力差应大于弹簧力Fs和液动力Ft所确定的最小压力差。否则无法保证流量稳定。,2、温度补偿调速阀,温度变化时影响流量系数k，通过调节补偿开口的大小来补偿流量的变化。,3、旁通型调速阀,结构原理该阀又称为溢流节流阀，由节流阀与差压式溢流阀并连而成，阀体上有一个进油口，一个出油口，一个回油口。这里节流阀既是调节元件，又是检测元件；差压式溢流阀是压力补偿元件，它保证了节流阀前后压力差p基本不变。,旁通型调速阀用于调节执行元件运动速度只能安装在执行元件的进油路上，其速度刚性较调速阀小，但因此时的系统压力为（负载压力节流阀前后压差p），是变压系统，与调速阀调速回路相比，回路效率较高。溢流节流阀的流量大，阀芯阻力大，因此弹簧较硬，稳定性稍差。,4、分流集流阀,分流集流阀是用来保证多个执行元件速度同步的流量控制阀，又称为同步阀。它包括分流阀、集流阀和分流集流阀三种控制类型。分流阀结构原理：它由两个固定节流孔1、2、阀体、阀芯和两个对中弹簧等组成。阀芯两端台肩与阀体沉割槽组成两个可变节流口3、4。固定节流孔起检测流量的作用，可变节流口起压力补偿作用，其过流面积通过压力p1和p2的反馈作用进行控制。无论负载压力p3、p4如何变化，都能保证q1q2。,1、插装阀,二通插装阀是插装阀基本组件（阀芯、阀套、弹簧和密封圈）插到特别设计加工的阀体内，配以盖板、先导阀组成的一种多功能的复合阀。因每个插装阀基本组件有且只有两个油口，故被称为二通插装阀，早期又称为逻辑阀。特点：阀芯为锥阀，密封性能好，且动作灵敏；通流能力大，抗污染；一阀多用，易组成各式系统，结构紧凑。特别对大流量及非矿物油介质的场合，优点更为突出。,第五节插装阀和叠加阀,插装阀基本组件,组件由阀芯、阀套、弹簧和密封圈组成。根据用途不