流量控制阀培训课件.docx
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流量控制阀培训课件
流量控制阀培训课件
课件整理人：
精轧电气李逸峰2010年4月11日
目录
1．节流口的流量特性
2.流量负反馈FlowNegativeFeedback
3. 节流阀ThrottleValve
4. 调速阀SpeedRegulatingValve
5. 分流阀FlowDivider
6. 插装阀CartridgeValve、比例阀ProportionalValve、伺服阀ServoValve
本章提要：
本章主要内容为①节流口的流量特性;②流量负反馈；③节流阀、调速阀、分流阀等三种流量控制阀的原理、结构、主要性能和应用；④其它液压阀，如插装阀、电液比例阀、电液伺服阀的工作原理及应用。
本章重点是流量负反馈、调速阀的工作原理和性能。
其中阀的工作原理尤为重要。
学习时应从液压桥路和流量负反馈等基本概念着手理解这些阀的工作原理。
流量控制阀简称流量阀，它通过改变节流口通流面积或通流通道的长短来改变局部阻力的大小，从而实现对流量的控制，进而改变执行机构的运动速度的。
流量控制阀是节流调速系统中的基本调节元件。
在定量泵供油的节流调速系统中，必须将流量控制阀与溢流阀配合使用，以便将多余的流量排回油箱。
流量控制阀包括节流阀、调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。
对流量控制阀的主要性能要求是：
l）当阀前后的压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小；2）当油温发生变化时，通过节流阀的流量变化要小；3）要有较大的流量调节范围，在小流量时不易堵塞，这样使节流阀能得到很小的稳定流量，不会在连续工作一段时阀后因节流口堵塞而使流量减小，甚至断流；4）当阀全开时，液流通过节流阀的压力损失要小；5）阀的泄漏量要小。
对于高压阀来说，还希望其调节力矩要小。
本章除讨论普通的流量阀之外，还简要介绍插装阀、电液比例阀和电液伺服阀。
1. 节流口的流量特性
1.1节流口的流量特性公式
1.2影响流量稳定性（FlowStability）的因素
1.3节流口的形式与特征
7.1.1节流口的流量特性公式
对于节流孔口（Orifice）来说，可将流量公式写成下列形式
Q=KA0Δpm（7.1）
图7.1节流口的流量特性曲线
式中：
A0—节流口的通流面积（m2）；Δp—节流口前、后的压差（Pa）；K—节流系数（DischargeCoefficient），由节流口形状、流体流态、流体性质等因素决定，数值由实验得出[对薄壁锐边孔口（Thin-walledOrifice）
，对细长孔
，Cd为流量系数（DischargeCoefficient），
为动力粘度（DynamicalViscosity），d和L为孔径和孔长；m—由节流口形状和结构决定的指数，0.5＜m＜l，当节流口接近于薄刃式时，m=0.5，节流口越接近于细长孔，m就越接近于1。
上式说明通过节流口的流量与节流口的截面积及节流口两端的压力差的m次方成正比。
它的特殊情况是m=0.5。
在阀口压力差基本恒定的条件下，调节阀口节流面积的大小，就可以调节流量的大小。
节流孔口的流量-压差特性曲线如图7.1所示。
7.1.2影响流量稳定性（FlowStability）的因素
液压系统在工作时，希望节流口大小调节好后，流量Q稳定不变。
但实际上流量总会有变化，特别是小流量时流量稳定性与节流口形状、节流压差以及油液温度等因素有关。
（1）压差变化对流量稳定性的影响
当节流口前后压差变化时，通过节流口的流量将随之改变，节流口的这种特性可用流量刚度来表征。
由式（7.l）可求得节流口的流量刚度T为：
（7.2）
流量的刚度反映了节流口在负载压力变化时保持流量稳定的能力。
它定义为节流口前后压差Δp的变化与流量Q的波动值的比值。
节流口的流量刚度越大，流量稳定性越好，用于液压系统时所获得的负载特性也越好。
由式（7.2）可知：
·节流口的流量刚度与节流口压差成正比，压差越大，刚度就越大；
·当节流口压差一定时，刚度与流量成反比，通过节流口的流量越小，刚度也越大；
·系数m越小，刚度越大。
m越大，Δp变化后对流量的影响就越大，薄壁孔（m＝0.5）比细长孔（m＝1）的流量稳定性受Δp变化的影响要小。
因此，为了获得较小的系数，应尽量避免采用细长孔节流口，即避免使流体在层流状态下流动；而是尽可能使节流口形式接近于薄壁孔口，也就是说让流体在节流口处的流动处在紊流状态，以获得较好的流量稳定性。
（2）油温变化对流量稳定性的影响
当开口度不变时，若油温升高，油液粘度会降低。
对于细长孔，当油温升高使油的粘度降低时，流量Q就会增加。
所以节流通道长时温度对流量的稳定性影响大。
而对于薄壁孔，油的温度对流量的影响是较小的，这是由于流体流过薄刃式节流口时为紊流状态，其流量与雷诺数无关，即不受油液粘度变化的影响；节流口形式越接近于薄壁孔，流量稳定性就越好。
（3）阻塞（Backup）对流量稳定性的影响
流量小时，流量稳定性与油液的性质和节流口的结构都有关。
表面上看只要把节流口关得足够小，便能得到任意小的流量。
但是油中不可避免有脏物，节流口开得太小就容易被脏物堵住，使通过节流口的流量不稳定。
产生堵塞的主要原因是：
①油液中的机械杂质或因氧化析出的胶质、沥青、炭渣等污物堆积在节流缝隙处；②由于油液老化或受到挤压后产生带电的极化分子，而节流缝隙的金属表面上存在电位差，故极化分子被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，因而影响了节流缝隙的大小。
以上堆积、吸附物增长到一定厚度时，会被液流冲刷掉，随后又重新附在阀口上。
这样周而复始，就形成流量的脉动；③阀口压差较大时容易产生堵塞现象。
减轻堵塞现象的措施有：
·采用大水力半径的薄刃式节流口。
一般通流面积越大，节流通道越短以及水力半径越大时，节流口越不易堵塞。
·适当选择节流口前后的压差。
一般取Δp＝0.2～0.3MPa。
因为压差太大，能量损失大，将会引起流体通过节流口时的温度升高，从而加剧油液氧化变质而析出各种杂质，造成阻塞；此外，当流量相同时，压差大的节流口所对应的开口量小，也易引起阻塞。
若压差太小，又会使节流口的刚度降低，造成流量的不稳定。
·精密过滤并定期更换油液。
在节流阀前设置单独的精滤装置，为了除去铁屑和磨料，可采用磁性过滤器。
·构成节流口的各零件的材料应尽量选用电位差较小的金属，以减小吸附层的厚度。
选用抗氧化稳定性好的油液、并控制油液温度的升高，以防止油液过快地氧化和极化，都有助于缓解堵塞的产生。
7.1.3节流口的形式与特征
节流口是流量阀的关键部位，节流口形式及其特性在很大程度上决定着流量控制阀的性能。
几种常用的节流口如图7.2所示。
图7.2节流口的形式
（1）图7.2（a）为针阀式节流口（NeedleValveThrottle）。
针阀作轴向移动时，调节了环形通道的大小，由此改变了流量。
这种结构加工简单。
但节流口长度大，水力半径小，易堵塞，流量受油温变化的影响也大，一般用于要求较低的场合。
（2）图7.2（b）为偏心式节流口（Off-centralGrooveOrifice）。
在阀芯上开一个截面为三角形（或矩形）的偏心槽，当转动阀芯时，就可以改变通道大小，由此调节了流量。
偏心槽式结构因阀芯受经向不平衡力，高压时应避免采用。
（3）图7.2（c）为轴向三角槽式节流口（AxialTriangleGrooveOrifice）。
在阀芯端部开有一个或两个斜的三角槽，轴向移动阀芯就可以改变三角槽通流面积从而调节了流量。
在高压阀中有时在轴端铣两个斜面来实现节流。
轴向三角槽式节流口的水力半径较大。
小流量时的稳定性较好。
（4）图7.2（d）为缝隙式节流口（RadialApertureOrifice）。
阀芯上开有狭缝，油液可以通过狭缝流入阀芯内孔再经左边的孔流出，旋转阀芯可以改变缝隙的通流面积大小。
这种节流口可以作成薄刃结构，从而获得较小的稳定流量，但是阀芯受径向不平衡力，故只适用于低压节流阀中。
（5）图7.2（e）为轴向缝隙式节流口（AxialApertureOrifice）。
在套筒上开有轴向缝隙，轴向移动阀芯就可以改变缝隙的通流面积大小。
这种节流口可以作成单薄刃或双薄刃式结构，流量对温度不敏感。
在小流量时水力半径大，故小流量时的稳定性好，因而可用于性能要求较高的场合（如调速阀中）。
但节流口在高压作用下易变形，使用时应改善结构的刚度。
对比图7.2中所示的各种形状节流口，图（a）的针式和图（b）的偏心式由于节流通道较长，故节流口前后压差和温度的变化对流量的影响较大，也容易堵塞，只能用在性能要求不高的地方。
而图（e）所示的轴向缝隙式，由于节流口上部铣了一个槽，使其厚度减薄到0.07～0.09毫米，成为薄刃式节流口，其性能较好，可以得到较小的稳定流量。
7.2流量负反馈FlowNegativeFeedback
流量阀的节流面积一定时，节流口压差受负载变化的影响不可避免地要发生变化，由此会导致流量的波动。
负载变化引起的流量波动可以通过流量负反馈来加以减小或消除。
流量负反馈是增大流量刚度的重要手段。
与压力负反馈一样，流量负反馈控制的核心是要构造一个流量比较器（FlowComparator）和流量测量传感器（FlowMeasureSensor）。
流量测量传感器的作用是将不便于直接比较的流量信号转化为便于比较的物理信号，一般转化为力信号后再进行比较。
用于一般流量阀的流量测量方法主要有“压差法”和“位移法”两种。
7.2.1流量的“压差法”（DifferencePressureMethod）测量
如图7.3（a）所示，在主油路中串联一个节流面积A0已调定的液阻RQ（一般采用薄刃式节流口）作为流量一次传感器，其压力差PQ则随负载流量QL而变化，故受控流量QL通过液阻RQ转化成压差PQ；再设置一个作为流量二次传感的微型对称测压油缸A，将一次传感器输出的压差PQ引入该测压油缸A的两腔，即可将流量转化成与之相关的活塞推力FQ，FQ即为反馈信号，因此液阻RQ和压差测量缸A一起构成“压差法”流量传感器。
这种流量传感器结构简单，易于实现，其缺点是负载流量QL与一次传感器的输出压差PQ之间是非线性关系。
流量负反馈与压力负反馈相类似，可用弹簧预压力F指作为指令信号，并与流量传感器的反馈力FQ共同作用在力比较器上，构成“流量-压差-力负反馈”，利用比较信号驱动某流量调节阀芯，控制其阀口液阻Rx的大小，最终达到流量自动稳定控制之目的。
因此，要想补偿流量的波动，还须有调节阀口Rx及相应的调控回路，要根据油源的不同，选择不同的回路形式。
与压力调节相类似，流量调节也有“压力源串联减压式调节”[图7.3（c）]和“流量源并联溢流式调节”[图7.3（d）]之分。
所谓“压力源串联减压式调节”是指系统用压力源（近似恒压源，如定量泵加并溢流阀）供油时，用于流量调节的阀口Rx与负载Z相串联，构成“RQ-Rx-Z”串联回路，此时阀口Rx称为减压阀口。
当负载压力PL波动引起负载流量QL变化时，流量传感器RQ上的压力差PQ也会发生变化，以此为控制依据，调节减压阀口Rx开口度，使流量传感器上压力差朝着误差减小的方向变化，从而补偿流量的波动，维持负载流量QL基本恒定。
据此原理设计而成的流量阀称为“调速阀”。
图7.3流量的“压差法”测量与反馈
（a）“压差法”流量传感器；（b）控制方框图；
（c）压力源串联减压式调节；（d）流量源并联溢流式调节
“流量源并联溢流式调节”则是指系统用流量源（如定量泵）供油时，用于流量调节的阀口Rx应与负载Z相并联（此时流量传感器RQ与负载Z串联），构成并联分流回路才能调节负载流量QL的大小。
此时阀口Rx称为溢流阀口。
当负载压力PL波动引起负载流量QL变化时，流量传感器RQ上的压力差PQ也会发生变化，以此作为控制信号，调节溢流阀口Rx的开口度，使流量传感器上压力差朝着误差减小的方向变化，从而补偿流量的波动，维持负载流量QL基本恒定。
据此原理设计而成的流量阀称为“溢流节流阀”。
与压力阀类似，流量阀中流量负反馈也有直动型和先导型之分，但具体结构多为直动型。
7.2.2流量的“位移法”（DisplacementMethod）测量
图7.4（a）所示为“位移法”流量传感器。
与“压差法”相反，本方法是在主油路中串联一个压差PQ基本恒定（通过与弹簧预压力平衡而恒定），但节流面积A0可变的节流口RQ作为流量的一次传感器。
因传感器的压差恒定，故液阻RQ及传感器阀芯位移xQ将随负载流量QL而变化，受控流量信号相应地转换成传感器的位移信号xQ。
根据节流口流量公式
，有
若将流量传感器做成线性传感器，令
，则
（7.3）
式中，C、C0、K0均为常数，即负载流量QL将与传感器的位移成比例。
图7.4流量的“位移法”测量与反馈
（a）“位移法”流量传感器；（b）控制方框图；（c）串联型“位移法”流量负反馈结构原理图
为了将一次传感器的位移信号转换成便于比较的力信号，再设置一个传感弹簧KQ作为位移-力转换的二次传感器，将一次传感器输出的位移xQ联接到该弹簧的一端，将位移xQ作为弹簧压缩量，即可将流量QL转换成与之成比例的弹簧压缩力FQ。
FQ即为反馈。
因此，定压差的可变液阻RQ和位移测量弹簧一起构成了具有“流量-位移-力负反馈”的所谓“位移法”流量传感器。
这种传感器的特点是线性好，但结构复杂，常用于比例流量阀[图7.4（c）]。
“位移法”流量负反馈除传感器不同外，其余部分与“压差法”相同，也有“压力源串联减压式调节”与“流量源并联溢流式调节”两种形式。
7.3节流阀ThrottleValve
节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀；将节流阀和单向阀（CheckValve）并联则可组合成单向节流阀（ThrottleCheckValves）。
节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，在定量泵（FixedDisplacementPump）液压系统中，节流阀和溢流阀（PressureReliefValve）配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。
节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。
按其功用，具有节流功能的阀有节流阀、单向节流阀、精密节流阀、节流截止阀（Shut-offThrottleValve）和单向节流截止阀等；按节流口的结构形式，节流阀有针式、沉割槽式、偏心槽式、锥阀式、三角槽式、薄刃式等多种；按其调节功能，又可将节流阀分为简式和可调式两种。
所谓简式节流阀通常是指在高压下调节困难的节流阀，由于其对作用于节流阀芯上的液压力没有采取平衡措施，当在高压下工作时，调节力矩很大，因而必须在无压（或低压）下调节；相反，可调式节流阀在高压下容易调节，它对作用于其阀芯上的液压力采取了平衡措施.因而无论在何种工作状况下进行调节，调节力矩都较小。
对节流阀的性能要求是：
·流量调节范围大，流量一压差变化平滑；
·内泄漏量小，若有外泄漏油口，外泄漏量也要小；
·调节力矩小，动作灵敏。
7.3.1节流阀ThrottleValve
节流阀的结构和职能符号如图7.5所示。
压力油从进油口P1流入，经节流口从P2流出。
节流口的形式为轴向三角沟槽式。
作用于节流阀芯上的力是平衡的，因而调节力矩较小，便于在高压下进行调节。
当调节节流阀的手轮时，可通过顶杆推动节流阀芯向下移动.节流阀芯的复位靠弹簧力来实现；节流阀芯的上下移动改变着节流口的开口量，从而实现对流体流量的调节。
图7.6所示节流阀是一种具有螺旋曲线开口和薄刃式结构的精密节流阀。
阀套上开有节流窗口，阀芯2与阀套3上的窗口匹配后，构成了具有某种形状的薄刃式节流孔口。
转动手轮1（此手轮可用顶部的钥匙来锁定）和节流阀芯后，螺旋曲线相对套筒窗口升高或降低，改变节流面积，即可实现对流量的调节。
因而其调节流量受温度变化的影响较小。
节流阀芯上的小孔对阀芯两端的液压力有一定的平衡作用，故该阀的调节力矩较小。
7.3.2单向节流阀ThrottleCheckValves
图7.7为单向节流阀的结构图和职能符号，它把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。
当流体正向流动时，其节流过程与节流阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠油液的压力把阀芯4压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。
图7.5轴向三角槽式节流阀
l—顶盖（TopCover）；2—导套（GuideSleeve）；3—阀体（ValveBody）；4—阀芯（Spool）；5—弹簧（Spring）；6—底盖（BottomCover）。
图7.6螺旋曲线开口式节流阀
1—手轮（Handwheel）；2—阀芯；3—阀套（ValvePocket）；4—阀体
图7.7单向节流阀
l—顶盖；2—导套；3—上阀芯；4—下阀芯；5—阀体；6—复位弹簧；7—底座
7.4 调速阀FlowControlValve
根据“流量负反馈”原理设计而成的流量阀称为调速阀。
根据“串联减压式”和“并联溢流式”之差别，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型，调速阀中又有普通调速阀和温度补偿型调速阀两种结构。
调速阀和节流阀在液压系统中的应用基本相同，主要与定量泵、溢流阀组成节流调速系统。
调节节流阀的开口面积，便可调节执行元件的运动速度。
节流阀适用于一般的节流调速系统，而调速阀适用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中，也可用于容积节流调速回路中。
7.4.1串联减压式调速阀的工作原理
采用“压差法”测量流量的串联减压式调速阀是由定差减压阀（ReducingValve）2和节流阀4串联而成的组合阀，其工作原理及职能符号如图7.8所示。
节流阀4充当流量传感器，节流阀口不变时，定差减压阀2作为流量补偿阀口，通过流量负反馈，自动稳定节流阀前后的压差，保持其流量不变。
因节流阀（传感器）前后压差基本不变，调节节流阀口面积时，又可以人为地改变流量的大小。
图7.8调速阀的工作原理和职能符号
（a）结构原理图；（b）符号；（c）简化符号（d）反馈原理
设减压阀的进口压力为P1，负载串接在调速阀的出口P3处。
节流阀（流量-压差传感器）前、后的压力差P2-P3代表着负载流量的大小，P2和P3作为流量反馈信号分别引到减压阀阀芯两端（压差-力传感器）的测压活塞上，并与定差减压阀芯一端的弹簧（充当指令元件）力相平衡，减压阀芯平衡在某一位置。
减压阀芯两端的测压活塞做得比阀口处的阀芯更粗的原因是为了增大反馈力以克服液动力和摩擦力的不利影响。
当负载压力P3增大引起负载流量和节流阀的压差（P2-P3）变小时，作用在减压阀芯右（下）端的压力差也随之减小，阀芯右（下）移，减压口加大，压降减小，使P2也增大，从而使节流阀的压差（P2-P3）保持不变；反之亦然。
这样就使调速阀的流量恒定不变（不受负载影响）。
上述调速阀是先减压后节流的结构。
也可以设计成先节流后减压的结构。
两者的工作原理基本相同。
图7.9 温度补偿原理图
l-手柄（HandLever）；2-温度补偿杆（TemperatureCompensationSpool）；3-节流口（Orifice）；4-节流阀芯（ThrottlingSpool）
7.4.2 温度补偿调速阀TemperatureCompensatedFlow-controlValve
普通调速阀的流量虽然已能基本上不受外部载荷变化的影响，但是当流量较小时，节流口的通流面积较小，这时节流孔的长度与通流断面的水力半径的比值相对地增大，因而油的粘度（Viscidity）变化对流量变化的影响也增大，所以当油温升高后油的粘度变小时，流量仍会增大。
为了减小温度对流量的影响，常采用带温度补偿的调速阀。
温度补偿调速阀也是由减压阀和节流阀两部分组成。
减压阀部分的原理和普通调速阀相同。
节流阀部分在结构上采取了温度补偿措施，如图7.9所示，其特点是节流阀的芯杆（即温度补偿杆）2由热膨胀系数较大的材料（如聚氯乙烯塑料）制成，当油温升高时，芯杆热膨胀使节流阀口关小，正好能抵消由于粘性降低使流量增加的影响。
7.4.3 溢流节流阀 FlowControlValveswithReliefValveCompensation
溢流节流阀与负载相并联，采用并联溢流式流量负反馈,可以认为它是由定差溢流阀和节流阀并联组成的组合阀。
其中节流阀充当流量传感器（FlowSensor），节流阀口不变时，通过自动调节起定差作用的溢流口的溢流量来实现流量负反馈，从而稳定节流阀前后的压差，保持其流量不变。
与调速阀一样，节流阀（传感器）前后压差基本不变，调节节流阀口时，可以改变流量的大小。
溢流节流阀能使系统压力随负载变化，没有调速阀中减压阀口的压差损失，功率损失小，是一种较好的节能元件，但流量稳定性略差一些，尤其在小流量工况下更为明显。
因此溢流节流阀一般用于对速度稳定性要求相对较高，而且功率较大的进油路节流调速系统。
图7.10溢流节流阀
（a）结构图；（b）详细符号；（c）简化符号；（d）反馈原理图
1-安全阀（SafetyValve）；2-节流阀（ThrottleValve）；3一溢流阀（ReliefValve）
图7.10为溢流节流阀的工作原理图和图形符号。
溢流节流阀有一个进口P1、一个出口P2、和一个溢流口T，因而有时也称之为三通流量控制阀。
来自液压泵的压力油P1，一部分经节流阀进入执行元件，另一部分则经溢流阀回油箱。
节流阀的出口压力为P2，P1和P2分别作用于溢流阀阀芯的两端，与上端的弹簧力相平衡。
节流阀口前后压差即为溢流阀阀芯两端的压差，溢流阀阀芯在液压作用力和弹簧力的作用下处于某一平衡位置。
当执行元件负载增大时，溢流节流阀的出口压力P2增加，于是作用在溢流阀阀芯上端的的液压力增大，使阀芯下移，溢流口减小，溢流阻力增大，导致液压泵出口压力P1增大，即作用于溢流阀阀芯下端的液压力随之增大，从而使溢流阀阀芯两端受力恢复平衡，节流阀口前后压差（P1—P2）基本保持不变，通过节流阀进入执行元件的流量可保持稳定，而不受负载变化的影响。
这种溢流节流阀上还附有安全阀，以免系统过载。
7.5分流阀FlowDividerValve
分流阀又称为同步阀（SynchronousValve），它是分流阀、集流阀和分流集流阀的总称。
分流阀的作用是使液压系统中由同一个油源向两个以上执行元件供应相同的流量（等量分流），或按一定比例向两个执行元件供应流量（比例分流），以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系。
集流阀的作用，则是从两个执行元件收集等流量或按比例的回油量，以实现其间的速度同步或定比关系。
分流集流阀则兼有分流阀和集流阀的功能。
它们的图形符号如图7.11所示。
图7.11分流集流阀符号
（a）分流阀（FlowDividers）；（b）集流阀（FlowCombiners）；
（c）分流集流阀（FlowDividersandCombiners）
7.5.1分流阀FlowDividersvalve
图7.12（a）所示为等量分流阀的结构原理图，它可以看作是由两个串联减压式流量控制阀结合为一体构成的。
该阀采用“流量-压差-力”负反馈，用两个面积相等的固定节流孔1、2作为流量一次传感器，作用是将两路负载流量Q1、Q2分别转化为对应的压差值Δp1和Δp2。
代表两路负载流量Q1和Q2大小的压差值Δp1和Δp2同时反馈到公共的减压阀芯6上，相互比较后驱动减压阀芯来调节Q1和Q2大小，使之趋于相等。
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