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6 压力控制阀


6 压力控制阀

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 小

压力的调节与控制 溢流阀 减压阀 顺序阀 压力继电器 压力阀在调压与减压回路中的应用 结

本章提要:本章主要内容为 ①调压和稳压的基本原理;②溢流阀、减压阀、顺 本章提要 序阀和压力继电器等四种压力控制阀的原理、结构、主要性能和应用;③调压与 减压

回路。本章的重点是压力负反馈、溢流阀的工作原理和性能、减压阀的工作 原理以及调压回路。其中先导式溢流阀的工作原理尤为重要。学习时应从液压桥 路和压力负反馈等基本概念着手理解这些阀的工作原理。 教学内容: 教学内容: 本章介绍了压力的调节与控制;介绍了压力阀--溢流阀、减压阀、顺序阀和 压力继电器的结构和工作原理;并介绍了压力阀在调压与减压回路中的应用。 教学重点: 教学重点: 1.压力调节与控制的原理; 2.溢流阀、减压阀、顺序阀的原理与结构及区别。 教学难点: 教学难点: 1.掌握压力调节与控制的原理; 2.溢流阀、减压阀、顺序阀的原理与结构; 3.溢流阀和减压阀的稳态特性方程、主要参数及其含义。 教学方法: 教学方法:

课堂教学为主,充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念,利用实 验,了解压力阀的结构及工作原理。 教学要求: 教学要求: 掌握压力调节与控制的原理;溢流阀、减压阀、顺序阀的原理与结构;溢流 阀和减压阀的稳态特性方程、主要参数及其含义。 压力控制阀简称压力阀。 它包括用来控制液压系统的压力或利用压力变化作 为信号来控制其它元件动作的阀类。 按其功能和用途不同可分为溢流阀、 减压阀、 顺序阀和压力继电器等。

6.1

压力的调节与控制
在压力阀控制压力的过程中,需要解决压力可调和压力反馈两个方面的问

题。 6.1.1 调压原理 调压是指以负载为对象,通过调节控制阀口(或调节油泵的变量机构)的大 小,使系统输给负载的压力大小可调。调压方式主要有以下四种: (1)流量型油源并联溢流式调压 定量泵 Q0 是一种流量源(近似为恒流源) ,液压负载可以用一个带外部扰动 的液压阻抗 Z 来描述,负载压力 PL 与负载流量 QL 之间的关系为 PL=QLZ 显然,只有改变负载流量 QL 的大小才能调节负载压力 PL。用定量泵向负载 供油时,如果将控制阀口 Rx 串联在油泵和负载之间,则无论阀口 Rx 是增大还是 减少,都无法改变负载流量 QL 的大小,因此也就无法调节负载压力 PL。只有将 控制阀口 RX 与负载 Z 并联,通过阀口的溢流(分流)作用,才能使负载流量 QL 发生变化,最终达到调节负载压力之目的。这种流量型油源并联溢流式调压 回路如图 6.1(a)所示。

(2)压力型油源串联减压式调压

图 6.1

不同油源的调压方式 (b)压力型油源串联减压式调压

(a)流量型油源并联溢流式调压

如果油源换成恒压源 PS(例如用恒压泵供油) ,并联式调节不能改变负载压 力。这时可将控制阀口 Rx 串联在压力源 PS 和负载 Z 之间,通过阀口的减压作用 即可调节负载压力 PL: PL=PS/(RX+Z) 或者写成: 式中 PL=PS-ΔPR ΔPR---控制阀口 RX 上的压差。 压力型油源串联减压式调压回路如图 6.1(b)所示。 (3)半桥回路分压式调压 图 6.2 所示液压半桥实质上是由进、回油节流口串联而成的分压回路。为了 简化加工,进油节流口多采用固定节流孔来代替,回油节流口是由锥阀或滑阀构 成可调节流口[见图 6.2(a)、 (b)]。 将负载连接到半桥的 A 口 (即分压回路的中点) , 通过调节回油阀口的液阻,可实现负载压力的调节。这种调压方式主要用于液压 阀的先导级中。 (4)油泵变量调压

利用变量泵,通过调节油泵的输出流量可达到改变负载压力之目的。

图 6.2

半桥式调压方式

(a)带一个固定节流孔的锥阀式半桥;(b)带一个固定节流孔的滑阀式半桥; (c)进、回油阀口均为可控节流口的滑阀式半桥

6.1.2 压力负反馈 压力的大小能够调节,并不等于能够稳压。当负载因扰动而发生变化时,负 载压力会随之变化。压力的稳定必须通过压力负反馈来实现。 压力负反馈控制的核心是要构造一个压力比较器。 压力比较器一般是一个减 法器, 将代表期望压力大小的指令信号与代表实际受控压力大小的压力测量信号 相减后,使其差值转化为阀口液阻的控制量,并通过阀口的调节使期望压力与受 控压力之间的误差趋于减小,这就是简单的压力负反馈过程。 构造压力反馈系统必须研究以下问题: ①代表期望压力的指令信号如何产生? ②怎样构造在实际结构上易于实现的比较(减法)器? ③受控压力 PL 如何测量?转换成什么信号才便于比较?,怎样反馈到比较器上 去?

实际上,力信号的比较最容易实现。如图 6.3(a)所示,在一个刚体的正、 反两个方向上分别作用代表指令信号的指令力 F 指及代表受控压力 PL 的反馈力 FP,其合力ΔF 就是比较结果。比较结果用于驱动阀芯,自动调节阀口的开度, 从而完成自动控制。 这种由力比较器直接驱动主控制阀芯的压力控制方式称为直 动型压力控制,所构成的压力控制阀称为直动式压力阀。 指令力可以通过手动调压弹簧来产生。由调压手柄调节弹簧的压缩量,改变 弹簧预压缩力,即可提供不同的指令力。指令力也可以通过比例电磁铁产生。 受控压力可以通过微型测量油缸(或带活塞的测量容腔)转化成便于比较的 反馈力,并应将反馈力作用在力比较器上。这里的测量油缸也称压力传感器。

图 6.3

直动型并联溢流式压力负反馈控制(用于直动式溢流阀)

(a) 调压与稳压原理图;(b)控制方框图;(c)结构化;(d)压力正反馈

图 6.4 直动型串联减压式压力负反馈控制(用于直动式减压阀)

图 6.5 半桥分压式压力负反馈控制(用作先导压力控制级)

当比较器驱动控制阀朝着使稳压误差增大的方向运动时, 系统最终将失去控 制。这种现象称为正反馈。发现正反馈时,改变反馈力的受力方向或阀口节流边 的运动方向,即可变为负反馈[图 6.3(d)]。 6.1.3 先导控制 直动型压力控制中,由力比较器直接驱动主控制阀芯,其阀芯驱动力远小于

调压弹簧力,因此驱动能力十分有限。这种控制方式导致主阀芯不能做得太大, 不适合用于高压大流量系统中。因为阀芯越大、压力越高,阀芯的摩擦力、卡紧 力、轴向液动力也越大,比较器直接驱动变得十分困难。在高压大流量系统中一 般应采用先导控制。 所谓先导型压力控制,是指控制系统中有大、小两个阀芯,小阀芯为先导阀 芯,大阀芯为主阀芯,并相应形成先导级和主级两个压力调节回路。其中,小阀 芯以主阀芯为负载,构成小流量半桥分压式调压回路;主阀芯以系统中的执行元 件为负载, 根据油源不同, 具体选择并联式、 串联式、 或油泵变量式等调节方式, 构成大流量级调压回路。

图 6.6

先导型压力负反馈控制

(a)主级为并联溢流式;(b)主级为串联分压式;(c)主级为油泵变量式

按主级型式的不同,图 6.6(a)所示为主级并联溢流式先导型压力负反馈,据 此原理设计的液压阀称为先导式溢流阀;图 6.6(b)所示为主级串联减压式先导型 压力负反馈,据此原理设计的液压阀称为先导式减压阀;图 6.6(c)所示为主级油 泵变量式先导型压力负反馈,恒压变量泵就是根据这一原理设计而成。

上述先导型压力压力负反馈控制的共同特点如下: (1) 先导型压力负反馈控制中有两个压力负反馈回路,有两个反馈比较器

和调压回路。先导级负责主级指令信号的稳压和调压;主级则负责系统的稳压。 (2) 主阀芯(或变量活塞)既构成主调压回路的阀口,又作为主级压力反

馈的力比较器,主级的测压容腔设在主阀芯的一端,另一端作用有主级的指令力 P2A。 (3) 主级所需要的指令信号(指令力 P2A)由先导级负责输出,先导级通

过半桥回路向主级的力比较器(即主阀芯)输出一个压力 P2,该压力称为主级 的指令压力,然后通过主阀芯端部的受压面积(可称为指令油缸)转化为主级的 指令力 P2A 。 (4) 先导阀芯既构成先导调压回路的阀口,又作为先导级压力反馈的力比

较器,先导级的测压容腔设在先导阀芯的一端(有时直接用节流边作为测压面) , 另一端安装有作为先导级指令元件的调压弹簧和调压手柄(见图 6.5)。在比例压 力阀中则用比例电磁铁产生指令力。 (5) 主阀和先导阀均有滑阀式和锥阀式两种典型结构。 返回本章目录

6.2

溢流阀
根据“并联溢流式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为溢流阀。溢流阀

的主要用途有以下两点:1)调压和稳压。如用在由定量泵构成的液压源中,用 以调节泵的出口压力,保持该压力恒定。2)限压。如用作安全阀,当系统正常 工作时,溢流阀处于关闭状态,仅在系统压力大于其调定压力时才开启溢流,对 系统起过载保护作用。 溢流阀的特征是: 阀与负载相并联, 溢流口接回油箱, 采用进口压力负反馈。 根据结构不同,溢流阀可分为直动型和先导型两类。

6.2.1 直动型溢流阀 直动式溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的 溢流阀。如图 6.7 所示,直动型溢流阀因阀口和测压面结构型式不同,形成了三 种基本结构:图 6.7(a)所示阀采用滑阀式溢流口,端面测压方式;图 6.7(b)所示 阀采用锥阀式溢流口,同样采用端面测压方式;图 6.7(c)所示阀采用锥阀式溢流 口,锥面测压方式,测压面和阀口的节流边均用锥面充当。但无论何种结构,直 动型溢流阀均是由调压弹簧和调压手柄、溢流阀口、测压面等三个部分构成。 锥阀式直动型溢流阀的结构如图 6.8 所示。 阀芯在弹簧的作用下压在阀座上, 阀体上开有进出油口 P 和 T,油液压力从进油口 P 作用在阀芯上。当液压作用力 低于调压弹簧力时,阀口关闭,阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上,溢流口无 液体溢出;当液压作用力超过弹簧力时,阀芯开启,液体从溢流口 T 流回油箱, 弹簧力随着开口量的增大而增大, 直至与液压作用力相平衡。 调节弹簧的预压力, 便可调整溢流压力。 当阀芯重力、 摩擦力和液动力忽略不计, 令指令力 (弹簧调定力) 调 S=KSxS0 F 时,直动式溢流阀在稳态下的力平衡方程为

图 6.7 直动型溢流阀结构原理图 (a)滑阀节流口,端面测压;(b)锥阀节流口,端面测压; (c)锥阀节流口,锥面测压

图 6.8 锥阀式直动型溢流阀

ΔF=F 指-PA= Kx 即 式中 P=K(x0+x)/A≈Kx0/A( 常数) p(或 PL)——进口压力即系统压力(Pa) ;

(6.1) (6.2)

F 指——指令信号,即弹簧预压力(N) ; ΔF 指——控制误差,即阀芯上的合力(N) ; A——阀芯的有效承压面积(m2) ; K——弹簧刚度(N/m) ; X0——弹簧预压缩量(m) ; X——阀开口量(m) 。 由式(6.1)可以看出,只要在设计时保证 X<<X0,即可使 P=K(x0+x)/A ≈

Kx0/A =常数。这就表明,当溢流量变化时,直动式溢流阀的进口压力是近于恒 定的。 直动型溢流阀结构简单,灵敏度高,但因压力直接与调压弹簧力平衡,不适 于在高压、大流量下工作。在高压、大流量条件下,直动型溢流阀的阀芯摩擦力 和液动力很大,不能忽略,故定压精度低,恒压特性不好。 6.2.2 先导型溢流阀 先导型溢流阀有多种结构。图 6.9 所示是一种典型的三节同心结构先导型溢 流阀,它由先导阀和主阀两部分组成。该阀的原理如图 6.10 所示。 图中,锥式先导阀 1、主阀芯上的阻尼孔(固定节流孔)5 及调压弹簧 9 一 起构成先导级半桥分压式压力负反馈控制, 负责向主阀芯 6 的上腔提供经过先导 阀稳压后的主级指令压力 P2。主阀芯是主控回路的比较器,上端面作用有主阀 芯的指令力 P2A2,下端面作为主回路的测压面,作用有反馈力 P1A1,其合力可 驱动阀芯,调节溢流口的大小,最后达到对进口压力 P1 进行调压和稳压的目的。
符号

p
K

9 8

T

图 6.9 YF 型三节同心先导型溢流阀结构图(管式) 1-锥阀(先导阀);2-锥阀座;3-阀盖;4-阀体;5-阻尼孔; 6-主阀芯;7-主阀座;8-主阀弹簧;9-调压(先导阀)弹簧

工作时,液压力同时作用于主阀芯及先导阀芯的测压面上。当先导阀 1 未打 开时,阀腔中油液没有流动,作用在主阀芯 6 上下两个方向的压力相等,但因上 端面的有效受压面积 A2 大于下端面的有效受压面积 A1,主阀芯在合力的作用下 处于最下端位置,阀口关闭。当进油压力增大到使先导阀打开时,液流通过主阀 芯上的阻尼孔 5、先导阀 1 流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用,使主阀芯 6 所受 到的上下两个方向的液压力不相等,主阀芯在压差的作用下上移,打开阀口,实 现溢流,并维持压力基本稳定。调节先导阀的调压弹簧 9,便可调整溢流压力。 根据先导型溢流阀的原理图 6.10,当阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计, 令导阀的指令力 F 指=KSxS0 ΔFS=F 指-P2AS= KSxS 时,导阀芯在稳态状况下的力平衡方程为 (6.3)



P2=KS(xS0+xS)/AS

(6.4)

因导阀的流量极小,仅为主阀流量的 1﹪左右,导阀开口量 XS 很小,因此 有 P2≈KSxS0/AS(常数) 式中 P2-—先导级的输出压力,即主级的指令压力(Pa) ; ; F 指——先导级的指令信号,即导阀的弹簧预压力(N) ΔFS——先导级的控制误差,即导阀芯上的合力(N) ; AS——导阀芯的有效承压面积(m2) ; KS——导阀调压弹簧刚度(N/m) ; ; XS0——导阀弹簧预压缩量(m) XS——导阀阀开口量(m) 。 (6.5)

图 6.10 三节同心先导型溢流阀原理图

由式(6.5)可以看出,只要在设计时保证 XS<<XS0,即可使先导级向主级输出 的压力 P2=KS(xS0+xS)/AS≈KSxS0/AS =常数。因此,先导级可以对主级的指令压力 P2 进行调压和稳压。 在主阀中,当主阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计,令主阀的指令力 F 调 =P2A2,主阀芯在稳态状况下的力平衡方程为 ?F=F 调-P1A1 =P2A2-P1A1=K(x0+x) (6.6)

因主阀芯弹簧不起调压弹簧作用,因此弹簧极软,弹簧力基本为零,即 ΔF=K(x0+x)≈0 故有 P1≈F 调/A1=P2A2/A1

代入(6.5)式后,得

P1=(KSxS0/AS)A2/A1 =(F 指/AS)A2/A1(常数) 式中 P1-—进口压力即系统压力(Pa) ; ; A1-—主阀芯下端面的有效承压面积(m2) ; A2-—主阀芯上端面的有效承压面积(m2) ; K——主阀弹簧刚度(N/m) x0——主阀弹簧预压缩量(m) ; 。 x——主阀阀开口量(m) F 调——主级的指令信号, 即主阀芯上端面有效承压面积上所承受的液压力 (N) ; ΔF——主级的控制误差,即主阀芯上的合力(N) ; 由式(6.7)可以看出,只要在设计时保证主阀弹簧很软,且主阀芯的测压 面积 A1、A2 较大,摩擦力和液动力相对于液压驱动力可以忽略不计,即可使系 统压力 P1≈ SxS0/AS) 2/A1 =常数。 (K A 先导型溢流阀在溢流量发生大幅度变化时, 被控压力 P1 只有很小的变化,即定压精度高。此外,由于先导阀的溢流量仅为 主阀额定流量的 1%左右,因此先导阀阀座孔的面积和开口量、调压弹簧刚度都 不必很大。所以,先导型溢流阀广泛用于高压、大流量场合。 从图(6.9)可以看出,导阀体上有一个远程控制口 K,当 K 口通过二位二 通阀接油箱时,先导级的控制压力 P2≈0;主阀芯在很小的液压力(基本为零) 作用下便可向上移动,打开阀口,实现溢流,这时系统称为卸荷。若 K 口接另 一个远离主阀的先导压力阀(此阀的调节压力应小于主阀中先导阀的调节压力) 的入口连接,可实现远程调压。 (6.7)

图 6.11

二节同心先导型溢流阀(板式)

1-主阀芯;2、3、4,阻尼孔;5-先导阀座;6-先导阀体; 7-先导阀芯;8-调压弹簧;9-主阀弹簧;10-阀体

图 6.11 所示为二节同心先导型溢流阀的结构图,其主阀芯为带有圆柱面的

锥阀。为使主阀关闭时有良好的密封性,要求主阀芯 1 的圆柱导向面和圆锥面与 阀套配合良好,两处的同心度要求较高,故称二节同心。主阀芯上没有阻尼孔, 而将三个阻尼孔 2、3、4 分别设在阀体 10 和先导阀体 6 上。其工作原理与三节 同心先导型溢流阀相同, 只不过油液从主阀下腔到主阀上腔, 需经过三个阻尼孔。 阻尼孔 2 和 4 相串联,相当三节同芯阀主阀芯中的阻尼孔,是半桥回路中的进油 节流口,作用是使主阀下腔与先导阀前腔产生压力差,再通过阻尼孔 3 作用于主 阀上腔, 从而控制主阀芯开启。 阻尼孔 3 的主要作用是用以提高主阀芯的稳定性, 它的设立与桥路无关。 先导型溢流阀的导阀部分结构尺寸较小,调压弹簧不必很强,因此压力调整 比较轻便。但因先导型溢流阀要在先导阀和主阀都动作后才能起控制作用,因此 反应不如直动型溢流阀灵敏。 与三节同心结构相比,二节同心结构的特点是:①主阀芯仅与阀套和主阀座 有同心度要求,免去了与阀盖的配合,故结构简单,加工和装配方便。②过流面 积大,在相同流量的情况下,主阀开启高度小;或者在相同开启高度的情况下, 其通流能力大,因此,可做得体积小、重量轻。③主阀芯与阀套可以通用化,便 于组织批量生产。 6.2.3 电磁溢流阀 电磁溢流阀是电磁换向阀与先导式溢流阀的组合, 用于系统的多级压力控制 或卸荷。为减小卸荷时的液压冲击,可在电磁阀和溢流阀之间加装缓冲器。 图 6.12 为电磁溢流阀的结构图,它是由先导型溢流阀与常闭型二位二通电 磁阀的组合。 电磁阀的二个油口分别与主阀上腔 (导阀前腔) 及主阀溢流口相连。 当电磁铁断电时, 电磁阀两油口断开, 对溢流阀没有影响。 当电磁铁通电换向时, 通过电磁阀将主阀上腔与主阀溢流口相连通,溢流阀溢流口全开,导致溢流阀进 口卸压(即压力为零) ,这种状态称之为卸荷。 先导型溢流阀与常闭型二位二通电磁阀的组合时称为 O 型机能电磁溢流阀; 与常开型二位二通电磁阀的组合时称为 H 型机能电磁溢流阀。

图 6.12

电磁溢流阀

(a) O 型机能电磁溢流阀结构图; (b)O 型机能电磁溢流阀符号; (c)H 型机能电磁溢流阀符号

电磁溢流阀除应具有溢流阀的基本性能外,还要满足以下要求: ·建压时间短; ·具有通电卸荷或断电卸荷功能; ·卸荷时间短且无明显液压冲击; 6.2.4 溢流阀静态特性与动态持性 溢流阀的性能特性包括静态特性和动态特性。 静态特性是指阀在稳态工况时 的特性,动态特性是指阀在瞬态工况时的特性。 (1) 静态特性

溢流阀工作时,随着溢流量 q 的变化,系统压力 P 会产一些波动,不同的溢 流阀其波动程度不同。 因此一般用溢流阀稳定工作时的压力一流量特性来描述溢 流阀的静态特性。这种稳态压力一流量特性又称“启闭特性” 。 启闭特性是指溢流阀从开启到闭合过程中, 被控压力 P 与通过溢流阀的溢流 量 q 之间的关系。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标。 图 6.13 所示为

溢流阀的启闭特性曲线。图中 Pn(P 指)为溢流阀调定压力,Pc 和 Pc′分别为直 动型溢流阀和先导型溢流阀的开启压力。 溢流阀理想的特性曲线最好是一条在 Pn 处平行于流量坐标的直线。其含义 是:只有在系统压力 P 达到 Pn 时才溢流,且不管溢流量 q 为多少,压力 P 始终 保持为 Pn 值不变,没有稳态控制误差(或称没有调压偏差) 。实际溢流阀的特性 不可能是这样的,而只能要求它的特性曲线尽可能接近这条理想曲线,调压偏差 尽(Pn-P)可能小。 由图 6.13 所示溢流阀的启闭特性曲线可以看出: ① 对同一个溢流阀.其开启特性总是优于闭合特性。这主要是由于在开启和 闭合两种运动过程中,摩擦力的作用方向相反所致。 ② 先导式溢流阀的启闭特性优于直动式溢流阀。 也就是说, 先导式溢流 阀的调压偏差(Pn-PC′)比直动式溢流阀的调压偏差(Pn-PC)小,调压精度更 高。 所谓调压偏差,即调定压力与开启压力之差值。压力越高,调压弹簧刚度越 大,由溢流量变化而引起的压力变化越大,调压偏差也越大。 由以上分析可知,直动型溢流阀结构简单,灵敏度高,但压力受溢流量变化 的影响较大,调压偏差大,不适于在高压、大流量下工作,常作安全阀或用于调 压精度要求不高的场合。先导型溢流阀中主阀弹簧主要用于克服阀芯的摩擦力, 弹簧刚度小。当溢流量变化引起主阀弹簧压缩量变化时,弹簧力变化较小。因此 阀进口压力变化也较小。先导型溢流阀调压精度高,被广泛用于高压、大流量系 统。

溢流阀的阀芯在移动过程中要受到摩擦力的作用, 阀口开大和关小时的摩擦 力方向刚好相反,使溢流阀开启时的特性和闭合时的特性产生差异。 除启闭特性外,溢流阀的静态性能指标还有: ①压力调节范围: 是指调压弹簧在规定的范围内调节时, 系统压力平稳地(压 力无突跳及迟滞现象)上升或下降的最大和最小调定压力。 ②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。溢流阀的最小稳定流量取决于对压力平稳性的要求,一般规定为 额定流量的 15%。

图 6.13

溢流阀的静态性曲线

(2) 动态特性

图 6.14 流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性

溢流阀的动态特性是指流量阶跃时的压力响应特性,如图 6.14。其衡量指标 主要有响应时间和压力超调量等: ①压力超调量: 定义为最高瞬时压力峰值与额定压力调定值 Pn 之间的差值 为压力超调量ΔP, 并将(ΔP/Pn)!100%称为压力超调率。 压力超调量是衡量溢流 阀动态定压误差及稳定性的重要指标,一般压力超调率要求小于 10%-30%,否 则可能导致系统中元件损坏,管道破裂或其它故障。 ②响应时间 t1:是指从起始稳态压力 P0 与最终稳态压力 Pn 之差的 10%上升 到 90﹪的时间,即图 6.14 中 A、B 两点间的时间间隔。t1 越小,溢流阀的响应 越快。 ③过渡过程时间 t2:是指从 0.9(Pn-P0)的 B 点到瞬时过渡过程的最终时刻 C 点之间的时间。t2 越小,溢流阀的动态过渡过程越短。 ④升压时间Δt1:是指流量阶跃变化时,0.1(Pn-P0)至 0.9(Pn-P0)的时间,即图 6.15 中 A 和 B 两点间的时间,与上述响应时间一致。

⑤卸荷时间Δt2:是指卸荷信号发出后,0.9(Pn-P0)至 0.1(Pn-P0)的时间,即 C 和 D 两点间的时间。 Δt1 和Δt2 越小,溢流阀的动态性能越好。

图 6.15 溢流阀的升压与卸荷特性

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6.3

减压阀
根据“串联减压式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为减压阀。减压阀

主要用于降低并稳定系统中某一支路的油液压力,常用于夹紧、控制、润滑等油 路中。

图 6.16 先导级由减压出口供油的先导式减压阀

减压阀的特征是:阀与负载相串联,调压弹簧腔有外接泄油口,采用出口压 力负反馈。 减压阀也有直动型和先导型之分,直动型减压阀的工作原理如图 6.4 所示, 但直动型减压阀较少单独使用。在先导型减压阀中,根据先导级供油的引入方式 不同,有“先导级由减压出口供油式”和“先导级由减压进口供油式”两种结构 形式。 6.3.1 先导级由减压出口供油的减压阀 先导级由减压出口供油的减压阀如图 6.16 所示,由先导阀和主阀两部分组 成。该阀的原理如图 6.17 所示。 图中, 压力油由阀的进油口 P1 流入, 经主阀减压口 f 减压后由出口 P2 流出。 锥式先导阀、主阀芯上的阻尼孔(固定节流孔 e)及先导阀的调压弹簧一起构成 先导级半桥分压式压力负反馈控制, 负责向滑阀式主阀芯的上腔提供经过先导阀 稳压后的主级指令压力 P3。主阀芯是主控回路的比较器,端面有效面积为 A,

上端面作用有主阀芯的指令力(即液压力 P3A 与主阀弹簧力预压力 K y0 之和) , 下端面作为主回路的测压面,作用有反馈力 P2A,其合力可驱动阀芯,并调节减 压口 f 的大小,最后达到对出口压力 P2 进行减压和稳压的目的。 由图可见,出口压力油经阀体与下端盖的通道流至主阀芯的下腔,再经主阀 芯上的阻尼孔 e 流到主阀芯的上腔, 最后经导阀阀口及泄油口 L 流回油箱。 因此 先导级的进口(即阻尼孔 e 的进口)压力油引自减压阀的出口 P2,故称为先导级 由减压出口供油的减压阀。

图 6.17 先导级由减压出口供油的先导式减压阀原理图

工作时,若出口压力 P2 低于先导阀的调定压力,先导阀芯关闭,主阀芯上、 下两腔压力相等,主阀芯在弹簧作用下处于最下端,减压口开度 f 为最大,阀不 起减压作用,P2≈P1。当出口压力达到先导阀调定压力时,先导阀阀口打开,主 阀弹簧腔的油液便由外泄口 L 流回油箱,由于油液在主阀芯阻尼孔内流动,使 主阀芯两端产生压力差,主阀芯在压差作用下,克服弹簧力抬起,减压阀口 f 减 小,压降增大,使出口压力下降到调定的压力值。此时,如果忽略液动力、摩擦 力,则先导阀和主阀的力平衡方程式为 ΔF=(P3A+Ky0)-P2A=Ky

P3AS=KS(x0+x)≈KSx0(常数) 式中,A、AS 分别为主阀和先导阀有效作用面积;K、KS 分别为主阀和先导 阀弹簧刚度;x0、x 分别为先导阀弹簧预压缩量和先导阀开口量;y0、y 分别为主 阀弹簧预压缩量、主阀调节位移。 联立上两式后,P2 可写成 P2≈(KSx0/AS+K(y0-y))/A≈(KSx0/AS+Ky0)/A 由上式可以看出,只要在设计时保证主阀弹簧较软,Ky 可以忽略,且主阀 芯的测压面积 A 较大,摩擦力和液动力相对于液压驱动力可以忽略不计,即可 使减压阀出口压力基本恒定。 应当指出,当减压阀出口处的油液不流动时,此时仍有少量油液通过减压阀 口经先导阀和外泄口 L 流回油箱,阀处于工作状态,阀出口压力基本上保持在 调定值上。 6.3.2 先导级由减压进口供油的减压阀 先导级供油既可从减压阀口的出口 P2 引入, 也可从减压阀口的进口 P1 引入, 各有其特点。 先导级供油从减压阀的出口引入时,该供油压力 P2 是经减压阀稳压后的压 力,波动不大,有利于提高先导级的控制精度,但导致先导级的输出压力(主阀 上腔压力)P3 始终低于主阀下腔压力 P2,若减压阀主阀芯上下有效面积相等, 为使主阀芯平衡,不得不加大主阀芯的弹簧刚度,这又会使得主级的控制精度降 低。 先导级供油从减压阀的进口 P1 引入时(见图 6.18), 其优点是先导级的供油压 力较高,先导级的输出压力(主阀上腔压力)P3 也可以较高,故不需要加大主阀 芯的弹簧刚度即可使主阀芯平衡,主级的控制精度可能较高。但减压阀进口压力 P1 未经稳压,压力波动可能较大,又不利于先导级的控制。为了减小 P1 波动可

能带来的不利影响, 保证先导级的控制精度, 可以在先导级进口处用一个小型 “恒 流器”代替原固定节流孔,通过“恒流器”的调节作用使先导级的流量及导阀开 口度近似恒定,结果使有利于提高主阀上腔压力 P3 的稳压精度。 图 6.19 所示就是一种先导级由减压进口供油的减压阀。该阀先导级进口处 设有“控制油流量恒定器”6,它由一个固定节流孔 I 和一个可变节流口Ⅱ串联 而成。可变节流口借助于一个可以轴向移动的小活塞来改变通油孔 N 的过流面 积,从而改变液阻。小活塞左端的固定节流孔,使小活塞两端出现压力差。小活 塞在此压力差和右端弹簧的共同作用下而处于某一平衡位置。

图 6.18 先导级由减压进口供油的先导式减压阀原理图

如果由减压阀进口引来的压力油的压力 P1 达到调压弹簧 8 的调定值时,先 导阀 7 开启,液流经先导阀口流向油箱。这时,小活塞前的压力为减压阀进口压 力 P1,其后的压力为先导阀的控制压力 (即主阀上腔压力)P3,P3 由调压弹簧 8 调定。由于 P3<P1,主阀芯在上、下腔压力差的作用下克服主阀弹簧 5 的力向上 抬起,减小主阀开口,起减压作用,使主阀出口压力降低为 P2。因为主阀采用 了对称设置许多小孔的结构作为主阀阀口,因此液动力为零。

图 6.19

DR20 型减压阀

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;8-调压弹簧;I-固定阻尼;Ⅱ-可变节流口

显然,若先导级阀流量恒定,先导级的输出压力 P3 就不会波动,这有利于 提高减压阀的稳压精度。如何使通过先导阀的流量恒定呢?其工作原理如图 6.18 所示。它的先导级以固定节流孔 I 作为流量传感器,将流量转化为 I 上的压力差 后与弹簧力平衡,压差恒定时流量自然恒定。通过可变节流口Ⅱ,可以自动调节 流量。流量大时,流量传感器(固定节流孔 I)的压差则大,该压差作用在活塞 6 上,压缩弹簧,关小可变节流口Ⅱ,将先导级的流量向减小的方向调节;反之 则增大可变节流口Ⅱ,将先导级的流量向增大的方向调节。总之自动维持先导级 流量稳定。因此这种阀的出口压力 P2,与阀的进口压力 P1 ,以及流经主阀的流 量无关。 如果阀的出口压力出现冲击,主阀芯上的单向阀 4 将迅速开启卸压,使阀的 出口压力很快降低。在出口压力恢复到调定值后,单向阀重新关闭。故单向阀在 这里起压力缓冲作用。 返回本章目录

6.4

顺序阀

顺序阀的作用是利用油液压力作为控制信号控制油路通断。 顺序阀也有直动 型和先导型之分,根据控制压力来源不同,它还有内控式和外控式之分。通过改 变控制方式、泄油方式以及二次油路的连接方式,顺序阀还可用作背压阀、卸荷 阀和平衡阀等。 6.4.1 直动型顺序阀 直动型顺序阀如图 6.20 所示,图 6.20(a)为实际结构图,图 6.20(C)为 原理图。直动式顺序阀通常为滑阀结构,其工作原理与直动式溢流阀相似,均为 进油口测压,但顺序阀为减小调压弹簧刚度,还设置了断面积比阀芯小的控制活 塞 A。顺序阀与溢流阀的区别还有:其一,出口不是溢流口,因此出口 P2 不接 回油箱,而是与某一执行元件相连,弹簧腔泄漏油口 L 必须单独接回油箱;其 二,顺序阀不是稳压阀,而是开关阀,它是一种利用压力的高低控制油路通断的 “压控开关” ,严格地说,顺序阀是一个二位二通液动换向阀。

图 6.20 直动式顺序阀 (a)结构图;(b)内控式直动型顺序阀的符号;(c)原理图

工作时,压力油从进油口 P1(两个)进入,经阀体上的孔道 a 和端盖上的阻 尼孔 b 流到控制活塞(测压力面积为 A)的底部,当作用在控制活塞上的液压力 能克服阀芯上的弹簧力时,阀芯上移,油液便从 P2 流出。该阀称为内控式顺序 阀,其图形符号如图 6.20(b)所示。 必须指出,当进油口一次油路压力 P1 低于调定压力时,顺序阀一直处于关 闭状态;一旦超过调定压力,阀口便全开(溢流阀口则是微开) ,压力油进入二 次油路(出口 P2) ,驱动另一个执行元件。 若将图 6.20(a)中的端盖旋转 90°安装,切断进油口通向控制活塞下腔的 通道,并打开螺堵 K,引入控制压力油,便成为外控式顺序阀,外控顺序阀阀口 开启与否,与阀的进口压力 P1 的大小没有关系,仅取决于控制压力的大小。

6.4.1 先导型顺序阀 如果在直动型顺序阀在基础上, 将主阀芯上腔的调压弹簧用半桥式先导调压 回路代替,且将先导阀调压弹簧腔引至外泄口 L,就可以构成图 6.21 所示先导 式顺序阀。这种先导式顺序阀的原理与先导式溢流阀相似,所不同的是二次油路 即出口不接回油箱,泄漏油口 L 必须单独接回油箱。但这种顺序阀的缺点是外 泄漏量过大。因先导阀是按顺序压力调整的,当执行元件达到顺序动作后,压力 可能继续升高,将先导阀口开得很大,导致大量流量从导阀处外泄。故在小流量 液压系统中不宜采用这种结构。

图 6.21 外泄量较大的一种先导式顺序阀 (a)先导式顺序阀符号;(b)结构图;(c)原理简图

为减少导阀处的外泄量,可将导阀设计成滑阀式,令导阀的测压面与导阀阀 口的节流边分离[见 6.22(b)]。先导级设计为: ① 导阀的测压面与主油路进口一次压力 P1 相通,由先导阀的调压弹簧直接

与 P1 相比较; ② ③ 导阀阀口回油接出口二次压力 P2,这样可不致产生大量外泄流量; 导阀弹簧腔接外泄口(外泄量极小) ,使导阀芯弹簧侧不形成背压;



先导级仍采用带进油固定节流口的半桥回路,固定节流口的进油压力为

P1,先导阀阀口仍然作为先导级的回油阀口,但回油压力为 P2。

图 6.22 DZ 型先导式顺序阀

6-阻尼孔;5-主阀芯;3-先导滑阀

图 6.22(a)所示的 DZ 型顺序阀就是基于上述原理的先导式顺序阀。 主阀为单 向阀式,先导阀为滑阀式。主阀芯在原始位置将进、出油口切断,进油口的压力 油通过两条油路,一路经阻尼孔进入主阀上腔并到达先导阀中部环形腔,另一路 直接作用在先导滑阀左端。当进口压力 P1 低于先导阀弹簧调定压力时,先导滑 阀在弹簧力的作用下处于图示位置。当进口压力 P1 大于先导阀弹簧调定压力时, 先导滑阀在左端液压力作用下右移, 将先导阀中部环形腔与通顺序阀出口的油路 沟通。于是顺序阀进口压力 P1 油经阻尼孔、主阀上腔、先导阀流往出口。由于 阻尼孔的存在,主阀上腔压力低于下端(即进口)压力 P1,主阀芯开启,顺序 阀进出油口沟通(此时 P1≈P2) 。由于经主阀芯上阻尼孔的泄漏不流向泄油口 L, 而是流向出油口 P2;又因主阀上腔油压与先导滑阀所调压力无关,仅仅通过刚 度很弱的主阀弹簧与主阀芯下端液压保持主阀芯的受力平衡,故出口压力 P2 近 似等于进口压力 P1,其压力损失小。与图 6.21 所示的顺序阀相比,DZ 型顺序阀 的泄漏量和功率损失大为减小。 把外控式顺序阀的出油口接通油箱,且将外泄改为内泄,即可构成卸荷阀。 当顺序阀内装并联的单向阀,可构成单向顺序阀。单向顺序阀也有内外控之 分。若将出油口接通油箱,且将外泄改为内泄,即可作平衡阀用,使垂直放置的 液压缸不因自重而下落。 各种顺序阀的职能符号如表 6.1 所示。 表 6.1 顺序阀的职能符号 控 制 与 泄 油 方 内 控 外 控 内 控 外 控 外泄 外泄 内泄 内泄 内 控 外 外 控 外 内 控 内 外 控 内 泄 泄 泄 泄

加 单 向 加 单 向 加 单 向 加 单 向 阀 阀 阀 阀

式 名 称 顺 序 阀 外 控 顺 序 阀 职 能 符 号 返回本章目录 内 控 单 外 控 单 背 压 卸 荷 向 阀 阀 顺序阀 顺序阀 向 内 控 平 外 控 平 衡阀 衡阀

6.5

压力继电器
压力继电器是利用油液的压力来启闭电气触点的液压电气转换元件。 它在油

液压力达到其调定值时,发出电信号,控制电气元件动作,实现液压系统的自动 控制。 压力继电器有柱塞式、膜片式、弹簧管式和波纹管式四种结构形式。柱塞式 压力继电器的结构和图形符号如图 6.23 所示,当进油口 P 处油液压力达到压力 继电器的调定压力时,作用在柱塞 1 上的液压力通过顶杆 2 的推动,合上微动电 器开关 4,发出电信号。图中,L 为泄油口。改变弹簧的压缩量,可以调节继电 器的动作压力。

图 6.23 压力继电器 (a)结构图 (b)图形符号

l 一柱塞;2 一项杆;3 一调节螺钉;4 一微动开关

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6.6

压力阀在调压与减压回路中的应用

6.6.1 调压回路 在定量泵系统中,液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。在变量泵系统 中,用溢流阀作安全阀用来限定系统的最高压力,防止系统过载。当系统中如需 要两种以上压力时,则可采用多级调压回路。

(1)单级调压回路 在图 6.24 所示的定量泵系统中,节流阀可以调节进入液压缸的流量,定量 泵输出的流量大于进入液压缸的流量,而多余油液便从溢流阀流回油箱。调节溢 流阀便可调节泵的供油压力, 溢流阀的调定压力必须大于液压缸最大工作压力和 油路上各种压力损失的总和。为了便于调压和观察,溢流阀旁一般要就近安装压 力表。 (2)双向调压回路 当执行元件正反向运动需要不同的供油压力时,可采用双向调压回路,如图 6.25 所示。图(a)中,当换向阀在左位工作时,活塞为工作行程,泵出口压力 较高,由溢流阀 1 调定。当换向阀在右位工作时,活塞作空行程返回,泵出口压 力较低,由溢流阀 2 调定。图(b)所示回路在图示位置时,阀 2 的出口被高压 油封闭,即阀 1 的远控口被堵塞,故泵压由阀 1 调定为较高压力。当换向阀在右 位工作时,液压缸左腔通油箱,压力为零,阀 2 相当于阀 1 的远程调压阀,泵的 压力由阀 2 调定。

图 6.24 单级调压回路

图 6.25 双向调压回路

(3)多级调压回路 在不同的工作阶段,液压系统需要不同的工作压力,多级调压回路便可实现这种 要求。 图 6.26(a)所示为二级调压回路。图示状态下,泵出口压力由溢流阀 3 调 定为较高压力,阀 2 换位后,泵出口压力由远程调压阀 1 调为较低压力。图 6.26 (b)为三级调压回路。溢流阀 1 的远程控制口通过三位四通换向阀 4 分别接远 程调压阀 2 和 3,使系统有三种压力调定值:换向阀在左位时,系统压力由阀 2 调定;换向阀在右位时,系统压力由阀 3 调定,换向阀在中位时,系统压力由主 阀 1 调定。在此回路中,远程调压阀的调整压力必须低于主溢流阀的调整压力, 只有这样远程调压阀才能起作用。图 6.26(c)所示为采用比例溢流阀的调压回 路。

图 6.26 多级调压回路

(4)电磁溢流阀调压-卸荷回路 液压系统工作时,执行元件短时间停止工作,不宜采用开停液压泵的方法, 而应使泵卸荷, (如压力为零) 。利用电磁溢流阀可构成调压-卸荷回路。 电磁溢流阀是由先导式溢流阀和两位两通电磁换向阀组合而成的复合阀, 既 能调压又能卸荷。如图 6.27 所示,当二位二通换向阀电磁铁通电时,电磁溢流 阀可实现调压;电磁铁断电时,液压泵处于卸荷(卸压)状态。

图 6.27 电磁溢流阀卸荷回路

6.4.2 减压回路 液压系统中的定位、夹紧、控制油路等支路,工作中往往需要稳定的低压, 为此,在该支路上需串接一个减压阀[图 6.28(a)]。

图 6.28 减压回路

图 6.28(b)所示为用于工件夹紧的减压回路。夹紧工作时为了防止系统压力 降低(例如送给缸空载快进)油液倒流,并短时保压,通常在减压阀后串接一个 单向阀。图示状态,低压由减压阀 1 调定;当二通阀通电后,阀 1 出口压力则由 远程调压阀 2 决定,故此回路为二级减压回路。 必须指出, 应用减压阀组成减压回路虽然可以方便地使某一分支油路压力减 低,但油液流经减压阀将产生压力损失,这增加了功率损失并使油液发热。当分 支油路的压力较主油路压力低得多,而需要的流量又很大时,为减少功率损耗, 常采用高、低压液压泵分别供油,以提高系统的效率。 返回本章目录




压力阀中,溢流阀和减压阀是根据压力负反馈原理工作的,用于调压和稳压

(控制压力) 。压力负反馈的核心是将被控压力转化为力信号与指令力比较,指 令力可用调压弹簧或比例电磁铁产生, 比较元件一般是主阀或先导阀。 要通过 “测 压面”“测压孔”“调节阀口”“先导桥路”等几个要点去理解工作原理。 、 、 、

溢流阀的主要作用有:①在某些定量泵系统(如在节流调速系统中)中起定 压溢流作用;②在变量泵系统或某些重要部位起安全限压作用。 溢流阀的结构形式主要有两种:直动式溢流阀和先导式溢流阀。前者一般用 于低压或小流量(如用小流量锥阀式溢流阀作远程调压阀) ,后者用于高压大流 量。 溢流阀是利用作用于阀芯的进油口压力与弹簧力平衡的原理来工作的。 当进 油口压力低于弹簧力时阀口关闭;当进油口压力超过弹簧力时阀口开启。弹簧力 可以调整,故压力也可调整。当有一定流量通过溢流阀时,阀必须有一开口,此 开口形成一个液阻,油液流过液阻时产生压降,这就形成了进油口压力(即溢流 压力) 。实际工作时,溢流阀开口大小是根据通过的流量自动调整,阀的进口压 力 (或系统压力) 将随溢流量的增加而加大。 溢流量改变引起的压力变化的大小, 主要取决于主阀芯上弹簧的刚度(包括液动力弹簧刚度) 。弹簧刚度愈小,压力 变化也愈小。压力变化大小反映了溢流阀稳压性能的好坏。从这点出发,先导式 溢流阀较直动式溢流阀稳压性能好。 先导式溢流阀有一个遥控口,通过它可以实现远程调压、多级压力控制和使 液压泵卸荷等功能。 减压阀是利用液流通过阀口缝隙所形成的液阻使出口压力低于进口压力, 并 使出口压力基本不变的压力控制阀。 它常用于某局部油路的压力需要低于系统主 油路压力的场合。与溢流阀相比,主要差别为:①出口测压;②反馈力指向主阀 口关闭方向;③先导级有外泄口。 顺序阀和压力继电器不是用于控制压力。反过来,它们利用压力作为信号去 驱动液压开关或电器开关。顺序阀是液控液压开关,压力继电器是液控电开关。 信号压力达到调定压力值时开关动作(对顺序阀,阀口全开) 。 顺序阀在油路中相当于一个以油液压力作为信号来控制油路通断的液压开 关。它与溢流阀的工作原理基本相同,主要差别为:①出口接负载;②动作时阀 口不是微开而是全开;③有外泄口。

压力继电器是将压力信号转换为电信号的转换装置。 当作用于压力继电器上 的控制油压升高到(或降低到)调定压力时,压力继电器便发出电信号。


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