1、第四章 控制元件液壓傳動Chapter 4 控制元件本章主要內(nèi)容： 4.1 閥的概述 4.2 閥心的結(jié)構(gòu)和性能 4.3 液壓控制閥 4.5 其它閥簡介1第四章 控制元件液壓傳動目的任務(wù): 重點(diǎn)難點(diǎn): 了解液壓傳動中各種控制元件的功用、工作原理、結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)；掌握主要控制元件的控制機(jī)制及其特性分析方法。換向閥的位、通、滑閥機(jī)能的概念；先導(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性；減壓閥、溢流閥的區(qū)別；調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性；各種控制閥符號的含義。2第四章 控制元件液壓傳動Part 4.1 閥的概述閥有三大類：方向閥、壓力閥和流量閥 。壓力閥和流量閥利用通流截面的節(jié)流作用控制系統(tǒng)的壓力和流量。

2、方向閥則利用通流通道的更換控制流體的流動方向。 在結(jié)構(gòu)上，所有的閥都由閥體、閥心（座閥或滑閥）和驅(qū)使閥心動作的元、部件（如彈簧、電磁鐵）組成。 在工作原理上，所有閥的開口大小，進(jìn)、出口間的壓差以及流過閥的流量之間的關(guān)系都符合孔口流量公式，僅是各種閥控制的參數(shù)各不相同而已。閥是用來控制系統(tǒng)中流體的流動方向或調(diào)節(jié)其壓力和流量的 3第四章 控制元件液壓傳動Part 4.3 常用液壓控制閥 常用的液壓控制閥分為三大類方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥 。）常見的方向控制閥分為單向閥和換向閥。）常見的壓力控制閥按功用可分為溢流閥、減壓閥、順序閥、壓力繼電器。）常用的流量控制閥有節(jié)流閥、調(diào)速閥、旁通式調(diào)速

3、閥（溢流節(jié)流閥）等。 4第四章 控制元件液壓傳動Part 4.3.2 壓力控制閥表4-10 壓力控制閥的分類常用的壓力控制閥的類型如表4-10所示。溢流閥減壓閥順序閥平衡閥壓力繼電器5溢流閥1）直動式溢流閥滑閥型錐閥型球閥型2）先導(dǎo)式溢流閥6第四章 控制元件液壓傳動1. 溢流閥溢流閥是通過閥口的溢流，使被控制系統(tǒng)或回路的壓力維持恒定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、調(diào)壓或限壓作用。工作原理和結(jié)構(gòu)形式 功用和要求 圖4-22 直動式滑閥型溢流閥1調(diào)節(jié)螺母2彈簧3上蓋4閥心5閥體（1）直動式溢流閥圖4-22所示為直動式滑閥型溢流閥的結(jié)構(gòu)及其圖形符號。壓力油從進(jìn)口P進(jìn)入閥后，經(jīng)孔f和阻尼孔g后作用在閥心4的底面c上。當(dāng)進(jìn)

4、口壓力較低時，閥心在彈簧2預(yù)調(diào)力作用下處于最下端，由底端螺母限位。由閥心與閥體5構(gòu)成的節(jié)流口有重疊量l將P與T口隔斷，閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)口P處壓力升高至作用在閥心底面上液壓力大于彈簧預(yù)調(diào)力時，閥心開始向上運(yùn)動。當(dāng)閥心上移重疊量l 時，閥口處于開啟的臨界狀態(tài)。若壓力繼續(xù)升高至閥口打開，油液從P口經(jīng)T口溢流回油箱。此時，由于溢流閥的作用，在流量變化時，進(jìn)口壓力能基本保持恒定。圖4-22中L為泄漏油口。圖示回油口T與泄漏油流經(jīng)的彈簧腔相通，L口堵塞，稱為內(nèi)泄。內(nèi)泄時回油口T的背壓將作用在閥心上端面，這時與彈簧力相平衡的將是進(jìn)出油口壓差。若將泄漏油腔與T口的連接通道e 堵塞，將L口打開，直接將泄漏油

5、引回油箱，這種連接方式稱外泄。7第四章 控制元件液壓傳動直動式滑閥型溢流閥當(dāng)壓力較高、流量較大時，要求調(diào)壓彈簧有很大的力，這不僅使調(diào)節(jié)性能變差，彈簧設(shè)計和結(jié)構(gòu)上也難以實(shí)現(xiàn)而且閥口雖有重疊量，滑閥仍存在泄漏因而難以實(shí)現(xiàn)很高的壓力控制，因而這種閥一般用于低壓小流量場合，目前已較少應(yīng)用。直動式溢流閥8第四章 控制元件液壓傳動圖4-23所示為直動式錐閥型和球閥型溢流閥的結(jié)構(gòu)。節(jié)流口密封性能好，不需重疊量，可直接用于高壓大流量場合。圖4-23a所示高壓大流量直動式溢流閥錐閥型結(jié)構(gòu)的最高壓力、流量分別可達(dá)40MPa和300L/min，圖4-23b所示的球閥型結(jié)構(gòu)的最高壓力、流量可達(dá)63MPa和120L/m

6、in。圖4-23 高壓大流量直動式溢流閥a）錐閥型 b）球閥型9 先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu) 由先導(dǎo)閥和主閥組成。先導(dǎo)閥實(shí)際上是一個小流量直動型溢流閥，其閥芯為錐閥。主閥芯上有一阻尼孔，且上腔作用面積略大于下腔作用面積，其彈簧只在閥口關(guān)閉時起復(fù)位作用。 圖形符號10第四章 控制元件液壓傳動（2）先導(dǎo)式溢流閥 先導(dǎo)式溢流閥按其主閥心不同有三種典型結(jié)構(gòu)形式，即一級、二級和三級同心式。二級同心式先導(dǎo)溢流閥如圖4-24所示，主閥心1上部受壓面積略大于下部，當(dāng)閥P口壓力較低先導(dǎo)閥心4未開啟時，作用在主閥心上液壓力合力方向與彈簧3作用力相同，使閥關(guān)閉。圖4-24 二級同心式先導(dǎo)溢流閥1主閥心 2阻尼孔 3主閥彈簧

7、4先導(dǎo)閥心5先導(dǎo)閥彈簧 6調(diào)壓手輪 7螺堵閥有兩個阻尼孔2和8，一個在主閥心上，另一個在先導(dǎo)閥座上。當(dāng)閥P口的壓力增加時，使阻尼孔2，流道a、動態(tài)阻尼孔8及先導(dǎo)閥心前容腔的壓力相應(yīng)增加，而能克服先導(dǎo)閥彈簧預(yù)調(diào)力使先導(dǎo)閥開啟，就有液流從P口經(jīng)阻尼孔2、流道a、阻尼孔8、開啟的先導(dǎo)閥和通道b流到T口。此流量將在阻尼孔2兩端產(chǎn)生壓差。壓差作用在主閥心上下面積上的合力正好與主閥彈簧力平衡時，主閥心處于開啟的臨界狀態(tài)。當(dāng)P口的壓力再稍稍增加，而使流經(jīng)阻尼孔的流量再稍稍增大，阻尼孔2兩端壓力之差克服主閥彈簧力使主閥打開，這時從P口輸入流量將分成兩部分，少量流量經(jīng)先導(dǎo)閥后流向出油口T，大部分則經(jīng)主閥節(jié)流口流

8、向T口。經(jīng)主閥節(jié)流口的流量便在進(jìn)油口P建立壓力。因流經(jīng)先導(dǎo)閥的流量極小，所以主閥心上腔的壓力基本上和由先導(dǎo)閥彈簧預(yù)調(diào)力所確定的先導(dǎo)閥心前容腔壓力相等，而主閥上阻尼孔2兩端用以打開主閥心的壓差，僅須克服主閥彈簧的作用力、主閥心重力及液動力等，也并不很大，所以可以認(rèn)為溢流閥進(jìn)口處壓力基本上也由先導(dǎo)閥彈簧預(yù)調(diào)力所確定。在溢流閥的主閥心升起且有溢流作用時，溢流閥進(jìn)口處的壓力便可維持由先導(dǎo)閥彈簧所調(diào)定的定值。先導(dǎo)式溢流閥中流經(jīng)先導(dǎo)閥的油液可內(nèi)泄（如圖4-24所示），也可外泄。外泄時，可將先導(dǎo)閥口油單獨(dú)引回油箱，而將先導(dǎo)閥回油口與主閥回油口T的連接通道b堵住。11第四章 控制元件液壓傳動圖4-24 二級同

9、心式先導(dǎo)溢流閥1主閥心 2阻尼孔 3主閥彈簧 4先導(dǎo)閥心5先導(dǎo)閥彈簧 6調(diào)壓手輪 7螺堵閥體上有一個遠(yuǎn)程控制口K，當(dāng)將此口通過二位二通閥接通油箱時，主閥心上腔的壓力接近于零，主閥心在很小的壓力下即可向上移動且閥口開得最大，這時泵輸出的油液在很低的壓力下通過閥口流回油箱，實(shí)現(xiàn)卸荷作用。如果將K口接到另一個遠(yuǎn)程調(diào)壓閥上（其結(jié)構(gòu)和溢流閥的先導(dǎo)閥一樣）并使打開遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的壓力小于打開溢流閥先導(dǎo)閥心4的壓力，則主閥心上腔的壓力（從而溢流閥的溢流壓力）就由遠(yuǎn)程調(diào)壓閥來決定。使用遠(yuǎn)程調(diào)壓閥后，便可對系統(tǒng)的溢流壓力實(shí)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。12先導(dǎo)式溢流閥原理：（三級同心式）13第四章 控制元件液壓傳動特性 當(dāng)溢流閥穩(wěn)定

10、工作時，作用在閥心上的力相互平衡。以圖4-22所示的直動式溢流閥為例，如令p為進(jìn)口處的壓力（穩(wěn)態(tài)下它就是閥心底端的壓力），A為閥心承壓面積，F(xiàn)s為彈簧作用力，F(xiàn)g為閥心重力，F(xiàn)bs為作用在閥心上的軸向穩(wěn)態(tài)液動力，F(xiàn)f為摩擦力，則當(dāng)閥垂直安放時，閥心上的受力平衡方程為（4-8）在一般情況下，略去閥心自重和摩擦力，將式（4-1）代入上式，令xR表示溢流閥的開度，略去Cr不計，且取Cv=1則有（4-9）14第四章 控制元件液壓傳動可見溢流閥進(jìn)口處的壓力是由彈簧力決定的。如忽略穩(wěn)態(tài)液動力，且假設(shè)彈簧力Fs變化相當(dāng)小，則由式（4-9）可知溢流閥進(jìn)口處的壓力基本上維持由彈簧調(diào)定的定值。然而，在彈簧力調(diào)整好

11、之后，因溢流閥流量變化，閥口開度xR的變化影響彈簧壓緊力和穩(wěn)態(tài)液動力，所以溢流閥在工作時進(jìn)口處的壓力還是會發(fā)生變化的。如令xc為彈簧調(diào)整時的預(yù)壓縮量，ks為彈簧剛度，則由式（4-9）有（4-10）當(dāng)溢流閥開始溢流時（即閥口將開未開時），xR=0，這時進(jìn)口處的壓力pc稱為溢流閥的開啟壓力，其值為（4-11）1516第四章 控制元件液壓傳動當(dāng)溢流閥開始溢流時（即閥口將開未開時），xR=0，這時進(jìn)口處的壓力pc稱為溢流閥的開啟壓力，其值為（4-11）當(dāng)溢流量增加時，閥心上升，閥口開度加大，p值亦加大。當(dāng)溢流閥通過額定流量qn時，閥心上升到相應(yīng)位置，這時進(jìn)口處的壓力pT稱為溢流閥的調(diào)定壓力或全流壓力。

12、全流壓力與開啟壓力之差稱為靜態(tài)調(diào)壓偏差；開啟壓力與全流壓力之比稱為開啟比（1）。溢流閥的開啟比越大，所控制的系統(tǒng)壓力便越穩(wěn)定。16第四章 控制元件液壓傳動溢流閥溢流時通過閥口的流量q可以由第一章的式（1-92）求出，在考慮了式（4-10）、式（4-11）和等式A0=xR，并因溢流閥的回油口接通油箱，p=p，便有如下公式：（4-2）17第四章 控制元件液壓傳動直動式溢流閥的“壓力一流量”特性方程 圖4-25 溢流閥的特性曲線根據(jù)特性方程畫出來的曲線稱為溢流特性曲線，如圖4-25所示。溢流閥的理想溢流特性曲線最好是一條在pT處平行于流量坐標(biāo)的直線，即僅在p達(dá)到pT時才溢流，且不管溢流量多少，壓力始

13、終保持在pT值上。實(shí)際溢流閥的特性不可能是這樣的。而只能要求它的特性曲線盡可能接近這條理想曲線。 18第四章 控制元件液壓傳動對先導(dǎo)式溢流閥來說，對應(yīng)于式（4-9）的公式為（4-3）式中，p為主閥心上端的壓力，其值由先導(dǎo)閥彈簧的壓緊力決定；其余符號意義同前。當(dāng)先導(dǎo)閥彈簧調(diào)整好之后，在溢流時主閥心上端的壓力p便基本上是個定值，此值與p值很接近（兩者間之差值為油液通過阻尼孔的壓降），所以主閥彈簧力Fs只要能克服閥心的摩擦力就行，主閥彈簧可以做得較軟。當(dāng)溢流量變化引起主閥閥心位置變化時，F(xiàn)s值變化較小，因而p的變化也較小。為此先導(dǎo)式溢流閥的開啟比通常都比直動式的大，即靜態(tài)調(diào)壓偏差比直動式的小（見圖4

14、-25）。19第四章 控制元件液壓傳動溢流閥的閥心在工作中受到摩擦力的作用，閥口開大和關(guān)小時的摩擦力方向剛好相反，因此閥在工作時不可避免地會出現(xiàn)粘滯現(xiàn)象，使閥開啟時的特性和閉合時的特性產(chǎn)生差異。圖4-25中的實(shí)線表示其開啟特性，而虛線則表示其閉合特性。在某一溢流流量時，這兩曲線縱坐標(biāo)（即壓力）的差值，即是不靈敏區(qū)（壓力在此差值范圍內(nèi)變動時，閥心不起調(diào)節(jié)作用）。不靈敏區(qū)使受溢流閥控制的系統(tǒng)的壓力波動范圍增大。先導(dǎo)式溢流閥的不靈敏區(qū)比直動式溢流閥的小。關(guān)于溢流閥的啟閉特性，目前有如下規(guī)定：先把溢流閥調(diào)到全流量時的額定壓力，在開啟過程中，當(dāng)溢流量加大到額定流量的1%時，系統(tǒng)的壓力稱為閥的開啟壓力。在

15、閉合過程中，當(dāng)溢流量減小到額定流量的1%時，系統(tǒng)的壓力稱為閥的閉合壓力。為了保證溢流閥具有良好的靜態(tài)特性，一般說來，閥的開啟壓力和閉合壓力對額定壓力之比分別不應(yīng)低于85%和80%。20第四章 控制元件液壓傳動當(dāng)溢流閥的溢流量由零到額定流量發(fā)生階躍變化時，其進(jìn)口壓力將如圖4-26所示迅速升高并超過其調(diào)定壓力值，然后逐步衰減并穩(wěn)定在調(diào)定壓力值上。這過程即為溢流閥的動態(tài)特性。圖4-26 溢流閥的動態(tài)特性溢流閥的動態(tài)特性21壓力穩(wěn)定性：壓力在調(diào)定值之間變化壓力超調(diào)：最大峰值壓力與調(diào)定壓力直之間差值過渡時間：壓力上升達(dá)到穩(wěn)定調(diào)定值所需時間動態(tài)特性：進(jìn)口壓力突變時，壓力與時間之間的關(guān)系。必須說明的是：溢流

16、閥的階躍響應(yīng)不僅反映閥本身的性能，而在很大程度上還受系統(tǒng)參數(shù)如閥前容腔大小和油的等效體積模量（與鋼管、橡膠軟管等管道材料及油中含氣量等有關(guān)）的影響。 22第四章 控制元件液壓傳動評價溢流閥階躍響應(yīng)指標(biāo)主要有：1）壓力超調(diào)量 系最大峰值壓力和調(diào)定壓力之差p與閥的調(diào)定壓力pT比的百分值，即p/pT100%。性能良好的溢流閥的壓力超調(diào)量一般應(yīng)小于30%。2）壓力上升時間 壓力開始上升第一次達(dá)到調(diào)定壓力值所需時間t1，它反映閥的快速性。3）過渡過程時間 壓力開始上升到最后穩(wěn)定在調(diào)定壓力pT5%pT所需時間t2。4）壓力卸荷時間 壓力由調(diào)定壓力降到卸荷壓力所需的時間t3。23第四章 控制元件液壓傳動溢流

17、閥的主要用途有：1）作溢流閥，溢流閥有溢流時，可維持閥進(jìn)口亦即系統(tǒng)壓力恒定。2）作安全閥，系統(tǒng)超載時，溢流閥才打開，對系統(tǒng)起過載保護(hù)作用，而平時溢流閥是關(guān)閉的。3）作背壓閥，溢流閥（一般為直動式的）裝在系統(tǒng)的回油路上，產(chǎn)生一定的回油阻力，以改善執(zhí)行元件的運(yùn)動平穩(wěn)性。4）用先導(dǎo)式溢流閥對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓或使系統(tǒng)卸荷。24溢流閥的應(yīng)用 溢流閥旁接在泵的出口，用來限制系統(tǒng)壓力的最大值，對系統(tǒng)起保護(hù)作用，稱為安全閥。 電磁溢流閥還可以在執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作時使泵卸載。 溢流閥旁接在泵的出口，用來保證系統(tǒng)壓力恒定，稱為調(diào)壓閥。 溢流閥接在執(zhí)行元件的出口，用來保證系統(tǒng)運(yùn)動平穩(wěn)性，稱為背壓閥25第四章 控制元件液

18、壓傳動2. 減壓閥減壓閥分定值、定差和定比減壓閥三種，其中最常用的是定值減壓閥。如不指明，通常所稱的減壓閥即為定值減壓閥。功用和要求 在同一系統(tǒng)中，往往有一個泵要向幾個執(zhí)行元件供油，而各執(zhí)行元件所需的工作壓力不盡相同的情況。若某執(zhí)行元件所需的工作壓力較泵的供油壓力低時，可在該分支油路中串聯(lián)一減壓閥。油液流經(jīng)減壓閥后，壓力降低，且使其出口處相接的某一回路的壓力保持恒定。這種減壓閥稱為定值減壓閥。對減壓閥的要求是：出口壓力維持恒定，不受進(jìn)口壓力、通過流量大小的影響。26第四章 控制元件液壓傳動工作原理和結(jié)構(gòu) 減壓閥也有直動式和先導(dǎo)式兩種，每種各有二通和三通兩種型式。 當(dāng)閥心處在原始位置上時，它的閥

19、口a是打開的，閥的進(jìn)、出口溝通。 這個閥的閥心由出口處的壓力控制，出口壓力未達(dá)到調(diào)定壓力時閥口全開，閥心不動。 當(dāng)出口壓力達(dá)到調(diào)定壓力時，閥心上移，閥口開度xR關(guān)小。如忽略其他阻力，僅考慮閥心上的液壓力和彈簧力相平衡的條件，則可以認(rèn)為出口壓力基本上維持在某一定值（調(diào)定值）上。圖4-27 直動式減壓閥工作原理2728第四章 控制元件液壓傳動工作原理和結(jié)構(gòu) 減壓閥也有直動式和先導(dǎo)式兩種，每種各有二通和三通兩種型式。 這時如出口壓力減小，閥心下移，閥口開度xR開大，閥口處阻力減小，壓降減小，使出口壓力回升，達(dá)到調(diào)定值。 反之，如出口壓力增大，則閥心上移，閥口開度xR關(guān)小，閥口處阻力加大，壓降增大，使

20、出口壓力下降，達(dá)到調(diào)定值。圖4-27 直動式減壓閥工作原理28先導(dǎo)式減壓閥原理 減壓閥減壓閥是利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓力損失，使其出口壓力低于進(jìn)口壓力的壓力控制閥。按調(diào)節(jié)要求不同，有定值減壓閥，定差減壓閥，定比減壓閥。其中定值減壓閥應(yīng)用最廣，又簡稱減壓閥。29第四章 控制元件液壓傳動圖4-28所示為直動式三通減壓閥（帶單向閥）的結(jié)構(gòu)和圖形符號。圖中P1口為一次壓力油口，P2口為二次壓力油口，T為回油口，彈簧腔泄漏油口Y和T口相通（內(nèi)泄）。圖4-28 直動式三通減壓閥30第四章 控制元件液壓傳動三通與二通減壓閥減壓的工作原理基本相似，其主要區(qū)別是：前者有兩個可變節(jié)流閥口，因此在工作腔P2中無任何負(fù)

21、載流量時能正常工作，而后者的負(fù)載腔內(nèi)必須有流量時才能正常工作；此外，三通減壓閥的二次壓力油口流入反向流量時也可起恒壓作用，此時的功能相當(dāng)于溢流閥，因此三通減壓閥又稱溢流減壓閥。31第四章 控制元件液壓傳動圖4-29 先導(dǎo)式減壓閥圖4-29所示為先導(dǎo)式減壓閥，它的工作原理可仿照 圖4-27 以及先導(dǎo)式溢流閥來進(jìn)行分析。32第四章 控制元件液壓傳動1）減壓閥保持出口處壓力基本不變，而溢流閥保持進(jìn)口處壓力基本不變。2）在不工作時，減壓閥進(jìn)出口互通，而溢流閥進(jìn)出口不通。3）為保證減壓閥出口壓力調(diào)定值恒定，它的先導(dǎo)閥彈簧腔需通過泄油口單獨(dú)外接油箱；而溢流閥的出油口是通油箱的，所以它的先導(dǎo)閥彈簧腔和泄漏油

22、可通過閥體上的通道和出油口接通，不必單獨(dú)外接油箱（當(dāng)然也可外泄）。先導(dǎo)式減壓閥和先導(dǎo)式溢流閥有以下幾點(diǎn)不同之處：33第四章 控制元件液壓傳動性能 （4-14）在圖4-27中，如忽略減壓閥閥心的自重、摩擦力，且令Cv=1，則閥心上的力平衡方程為式中，xc為當(dāng)閥心開口xR=0時的彈簧預(yù)壓縮量。由此得（4-15）如忽略穩(wěn)態(tài)液動力，則（4-16）34第四章 控制元件液壓傳動在使用ks很小的彈簧，且考慮到xRxc時，則（4-7）圖4-30 減壓閥的特性曲線減壓閥的p2-q特性曲線如圖4-30所示。減壓閥進(jìn)口壓力p1基本恒定時，若通過的流量q增加，則閥口縫隙xR加大，出口壓力略微下降。先導(dǎo)式減壓閥出油口壓力的調(diào)整值