液压与气压传动 第五章 液压控制元件.docx
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液压与气压传动第五章液压控制元件
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授课日期
班别
题目
第五章液压控制元件
目
的
要
求
Ø了解液压传动中各种控制元件的功用、工作原理
Ø了解液压传动中各种控制元件的结构形式和性能特点
Ø掌握主要控制元件的控制机制及其特性分析方法
重
点
Ø换向阀的位、通、滑阀机能的概念
Ø先导式溢流阀的结构、工作原理、特性
Ø减压阀、溢流阀的区别
Ø各种控制阀符号的含义
难
点
调速阀的结构、工作原理、特性
教具
课本
教学方法
课堂教学
报
书
设
计
第五章液压控制元件
第一节液压阀的分类及基本要求
第二节方向控制阀
第三节压力控制阀
第四节流量控制阀
教学过程：
复习：
1、液压马达的工作原理及各种液压马达的结构
2、液压缸的典型结构
新课：
第五章液压控制元件
第一节液压阀的分类及基本要求
阀:
控制流体的流动方向、调节压力、调节流量。
一、阀的分类
1、按机能分类
（1）方向控制阀
用于控制液压系统中液流的流动方向，以实现执行装置的启动、停止、进行压力和速度的变换或完成其他特殊功能。
如单向阀、换向阀、梭阀、行程减速阀、充液阀等。
（2）压力控制阀
用于控制液压系统中的压力，以满足执行装置所需要的压力、转矩或程序控制。
如溢流阀、顺序阀、卸荷阀、限压切断阀、压力继电器、截止阀、缓冲阀等。
（3）流量控制阀
用于控制液压系统中油液流量的大小，以实现执行装置所需要的运动速度。
如节流阀、分流阀、集流法阀、调速阀、液压保险丝等。
2、按操纵方式分
手动、脚踏、机动、气动、电动和液动等方式。
3、按连接方式分
管式连接、板式连接、叠加式连接、插装式连接和法兰连接等。
4、按结构分
滑阀、座阀、射流管阀、喷嘴挡板阀等。
二、液动力
阀口控制了液流，同时也产生着液动力。
液动力对液压阀的性能起着重大的影响。
液动力：
稳态液动力和瞬态液动力
1、稳态液动力
稳态液动力是阀心移动完毕，开口固定之后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀心上的力。
稳态液动力对滑阀性能的影响是加大了操纵滑阀所需的力。
在高压大流量情况下，这个力将会很大，使阀心的操纵成为突出的问题。
这时必须采取措施补偿或消除这个力。
2、瞬态液动力
瞬态液动力是滑阀在移动过程中（即开口大小发生变化时）阀腔中液流因加速或减速而作用在阀心上的力。
瞬态液动力只与阀心移动速度有关（即与阀口开度的变化率有关），与阀口开度本身无关。
3、卡紧力
一般滑阀的阀孔和阀心之间有很小的缝隙，当缝隙中有油液时，移动阀心所需的力只须克服粘性摩擦力，数值应该是相当小的。
可是实际情况并非如此，特别在中、高压系统中，当阀心停止运动一段时间后（一般约5min左右），这个阻力可以大到几百牛，使阀心重新移动十分费力。
这就是所谓滑阀的液压卡紧现象。
引起液压卡紧的原因：
主要的原因来自滑阀副几何形状误差和同心度变化所引起的径向不平衡液压力，即液压卡紧力。
图4-4所示为滑阀上产生径向不平衡力的一种情况。
为了减小液压卡紧力，可以采取下述一些措施：
1）提高阀的加工和装配精度，避免出现偏心。
阀心的圆度和圆柱度允差为0.003～0.005mm，要求带顺锥，阀心的表面粗糙度Ra值不大于0.2μm，阀孔Ra值不大于0.4μm。
2）在阀心台肩上开出平衡径向力的均压槽。
如图4-6所示。
槽的位置应尽可能靠近高压端。
槽的尺寸是：
宽0.3～0.5mm，深0.5～0.8mm，槽距1～5mm。
3）使阀心或阀套在轴向或圆周方向上产生高频小振幅的振动或摆动。
4）精细过滤油液。
4、阀的泄漏
◆锥阀不产生泄漏。
◆滑阀由于阀心和阀孔间有一定的间隙，在压力作用下要产生泄漏。
第二节方向控制阀
一、单向阀（checkvalve）
单向阀包括普通的单向阀、液控单向阀和机控单向阀等几种形式。
1、普通单向阀（单向阀）checkvalve
它只允许油液沿一个方向通过，而反向液流被截止，亦称逆止阀、止回阀，要求其正向液流通过时压力损失较小，反向截止时密封性能好。
按进出油液流向的不同分直通式和直角式两种结构，都由阀芯、阀体和弹簧等组成。
（小规格直通式阀有用钢球作阀芯的，我们试验室里看到的就是这种），当液流从进油口A流入时，油液压力克服弹簧阻力和阀体1与阀芯2间的摩擦力，顶开带有锥端的阀芯（或钢球），从出油口B流出。
当油液反向从B流入时，油液压力使阀芯紧密地压在阀座上，故不能逆流。
由于弹簧仅起复位作用，因而弹簧力很小。
所以正向开启压力只需0.03～0.05MPa;反向截止时，因阀芯与阀座孔为线密封，且密封力随压力增高而增大，故密封性能良好。
应用：
（1）单向阀安置在液压泵的出口，一方面防止由于系统压力突然升高而损坏液压泵或因系统压力冲击影响泵的正常工作；另一方向在泵不工作时防止系统的油液到流经泵回油箱。
（2）将单向阀换上较硬的弹簧，使开启压力达到0.2～0.6MPa或（0.3～0.5）MPa，放置在回油路上，可作背压阀用。
（3）单向阀可与减压阀、节流阀、顺序阀并联组成复合阀。
2、液控单向阀hydraulicallyoperatedcheckvalve
液控单向阀是一种通入控制压力油后允许油液双向流动的单向阀，它由单向阀和液控装置两部分组成。
当控制油口K不通压力油时，作用与普通单向阀相同，油液只能从P1到P2正向通过，反向P2到P1不通；当控制油口K通入压力控制油时，控制活塞顶推，推动顶杆，将阀芯强行顶开，使油口A与B相通，这时油液就可两方向流通。
组成：
普通单向阀+小活塞缸
特点：
a.无控制油时，与普通单向阀一样，
b.通控制油时，正反向都可以流动。
液控单向阀根据控制活塞的背压腔的泄油方式的不同，分为外泄式和内泄式，外泄式控制活塞的背压腔直接回油箱，内泄式控制活塞的背压腔与单向阀的P1口相通，一般在反向出油腔无背压或背压较低时采用内泄式；反向出油腔背压较高时采用外泄式，以降低控制压力。
应用：
将两个液控单向阀组成液压锁lockvalve（又称双向液控单向阀），常用在汽车起重机的液压支腿油路。
如图所示，支腿油缸工作时，支腿活塞杆上受有很大负载R，油缸上腔为高压，若不采用液压锁，虽然换向阀3处于中位时，油缸上下腔通道关闭，但油缸上腔高压油仍可经过换向阀的密封间隙泄漏，支腿缩回，造成事故。
为了避免这一不正常现象发生，采用液压锁，液控单向阀2的控制油液由油缸下腔引入，此时下腔为低压，阀2在上腔高压作用下紧紧关闭，保证无泄漏，支腿不会缩回。
当需要收回支腿时，换向阀左位接入，液压泵的油液由A口经单向阀1进入油缸下腔，由这一油路引出的控制油使阀2强制开启，油缸上腔得油反向流过阀2经B口流回油箱，支腿收回。
当换向阀右位接入时，液压泵的油经B口和阀2通向油缸上腔，并与阀1控制油道相通，使阀1强制打开，油缸下腔回油经阀1反向流回油箱，支腿放下。
液压锁：
密封好、锁紧精度高。
二、换向阀（directionvalve）
换向阀是利用阀芯在阀体孔内作相对运动，使油路接通或切断而改变油液流动方向的阀。
换向阀的应用十分广泛，种类也很多，可根据其结构，操纵控制方式和通路分类。
见下表。
按阀的安装方式分类：
螺纹式换向阀、板式换向阀、法兰式换向阀。
1、换向阀的主要要求
（1）油液流经阀时的压力损失要求；
（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。
换向阀的“位”——阀芯在阀体内可能有的工作位置数；
换向阀的“通”——阀上主油路进、出油口的数目。
2、换向阀的工作原理
3、换向阀的结构形式
4、滑阀的中位机能（又称滑阀机能）
中位机能：
根据不同的使用要求，使三位换向阀处于中间位置时，其各油口间的各种不同连接方式称“中位机能”或“滑阀机能”。
对中位机能的选用应从执行元件的换向平稳性要求，换向位置精度要求，重新启动时能否允许有冲击、是否需要浮动或差动、是否需要卸荷和保压等方面加以考虑。
在分析和选择中位机能时，通常考虑以下因素：
（1）系统保压
（2）系统卸荷
（3）换向平稳性与精度
（4）启动平稳性
（5）液压缸“浮动”和在任意位置上的停止
第三节压力控制阀
压力控制阀：
控制油液压力高低或利用压力变化实现某种动作的阀。
常见的压力控制阀按功用分为溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等。
共同特点：
利用作用于阀芯上的液体压力和弹簧力相平衡的原理进行工作
一、溢流阀
功用：
溢流阀使进口压力恒定，溢流定压。
实现稳压、调压或限压作用。
对溢流阀的主要要求：
调压范围的大、调压偏差小、压力振摆小、动作灵敏、过流能力达、噪声小。
分类：
直动式溢流阀、先导式溢流阀
1、直动式溢流阀
工作原理：
阀芯受液压作用力和弹簧预压力作用，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，最终阀芯受液压作用力和弹簧力平衡。
工况：
进口压力等于阀的调定压力时，阀口打开，实现溢流定压。
溢流阀使进口压力等于调定压力。
调节弹簧的预压缩量即调节了阀的调定压力大小。
小结：
溢流阀使进口压力恒定，控制油来自阀的进油口；溢流阀出口接油箱,没有单独的（弹簧腔）泄油油路。
2、先导式溢流阀
结构组成：
由先导阀和主阀组成。
有两个阻尼孔2和8。
先导阀实际上是一个小流量直动型溢流阀，其阀心为锥阀。
主阀心上有一阻尼孔，油液流过时有压力损失，主阀心弹簧很软,只在阀口关闭时起复位作用。
工作情况：
先导阀和主阀阀芯分别处于受力平衡，其阀口都满足压力流量方程。
阀的进口压力主要由先导阀调压弹簧的预压缩量确定，主阀弹簧起复位作用。
通过先导阀的流量很小，是主阀额定流量的1％，因此其尺寸很小，即使是高压阀，其弹簧刚度也不大。
这样一来阀的调节性能有很大改善。
主阀芯开启是利用液流流经阻尼孔形成的压力差。
阻尼孔一般为细长孔，孔径很小φ=0.8～1.2mm，孔长l=8～12mm，因此工作时易堵塞，一旦堵塞则导致主阀口常开无法调压。
先导阀前腔有远程控制口K，用于卸荷和遥控。
远程控制口K情况:
先导阀上有一个远程控制口K，用于卸荷和遥控。
（1）K口堵死时，调定压力由先导阀调定。
（2）K口接油箱时，使阀入口压力为零，实现卸荷。
（3）K口接远程调压阀时，可实现远程调压。
远程调压阀的调定压力小于先导溢流阀的调定压力，则溢流阀进口压力就由远程调压阀来决定。
远程调压阀：
一个独立的压力先导阀，旁接在远程控制口处，起远程调压作用，（相当于两个压力先导阀并联）。
哪个调定压力低，哪个起作用。
油液主要经主阀阀口回油箱。
先导式溢流阀小结：
（1）阀的进口压力由先导阀调定，主阀弹簧只起复位作用；
（2）通过先导阀的流量很小，大量油液由主阀溢流；
（3）主阀心开启是利用液流流经阻尼孔形成的压力差，如果阻尼孔堵塞，则导致主阀口常开，实现卸荷作用，阀无法调压。
（4）远程控制口接油箱时，主阀心弹簧腔的压力接近于零，进口压力很小就可以使主阀心移动，主阀口打开。
这时进口油液在很低的压力下通过阀口流回油箱，实现卸荷作用，系统压力接近零。
（5）远程控制口接远程调压阀时，实现远程调压。
（远程调压阀的调定压力应该小于先导式溢流阀的调定压力）
3、溢流阀的性能
理论分析：
以直动式溢流阀为例。
当溢流阀稳定工作时，作用在阀心上的力相互平衡。
如令p为进口处的压力，A为阀心承压面积，Fs为弹簧作用力，忽略重力、液动力、摩擦力，则阀心上的受力平衡方程为
令ks为弹簧刚度，xc为弹簧的预压缩量，xR为阀口开度。
可见溢流阀进口处的压力是由弹簧力决定的。
当溢流阀开始溢流时（即阀口将开未开时），xR=0，这时进口处的压力称为溢流阀的开启压力：
溢流阀的开启压力
调定压力：
当溢流阀通过额定流量qn时，进口处的压力pT称为溢流阀的调定压力或全流压力。
调压范围：
调定压力的范围
全流压力与开启压力之差称为静态调压偏差。
开启压力与全流压力之比称为开启比。
与直动式相比，先导式溢流阀的开启比大，静态调压偏差小，调压性能好。
直动式溢流阀的“压力一流量”特性方程
4、溢流阀的主要用途
（1）作溢流阀：
溢流阀有溢流时，可维持阀进口亦即系统压力恒定。
（2）作安全阀：
系统超载时，溢流阀才打开，对系统起过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的。
（3）作背压阀：
溢流阀（一般为直动式的）装在系统的回油路上，产生一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。
（4）用先导式溢流阀对系统实现远程调压或使系统卸荷。
二、减压阀
减压阀：
使出口压力（二次压力）低于进口压力（一次压力）的一种压力控制阀。
工作原理：
利用进口压力油流经缝隙时产生压力损失的原理使出口油液的压力低于进口压力，并能自动调节缝隙大小，从而保持出口压力恒定。
这种减压阀称为定值减压阀。
作用：
用来减低液压系统中某一回路的油液压力，从而用一个油源就能同时提供两个或几个不同压力的输出；也有用在回路中串接一减压阀来保证回路压力稳定。
对减压阀的要求：
出口压力维持恒定，不受进口压力、通过流量大小的影响。
分类：
直动式减压阀、先导式减压阀、定比减压阀。
1、直动式减压阀
工作原理和结构
（1）原始状态减压阀的阀口全开。
（2）减压阀出口接油路，因此，弹簧腔的泄油口单独接油箱。
工作情况：
减压阀出口压力与出口负载有关：
（1）当出口负载压力大于或等于减压阀的调定压力时，减压阀才起减压作用且保持出口压力恒定。
特别的：
当出口负载压力为无穷大时，减压阀仍然工作，使出口压力等于调定压力。
（2）当出口负载压力小于调定压力时，减压阀不工作，阀口常开，开口最大，此时减压阀不起减压作用。
特别的：
当出口接油箱时，减压阀不工作。
阀口开口最大。
2、先导式减压阀
先导式减压阀由压力先导阀和主阀组成。
出口压力油引至主阀芯上腔和先导阀前腔，当出口压力大于减压阀的调定压力时，先导阀开启，主阀芯上移，减压缝隙关小，减压阀才起减压作用且保证出口压力为定值。
符号：
先导式减压阀和先导式溢流阀有以下几点不同之处：
1）减压阀保持出口处压力基本不变，而溢流阀保持进口处压力基本不变。
2）在不工作时，减压阀进出口互通，而溢流阀进出口不通。
3）减压阀有单独的泄油口；溢流阀弹簧腔的泄漏油经阀体內流道內泄至出口。
减压阀的p2-q特性曲线
3、应用
减压阀用在液压系统中获得压力低于系统压力的二次油路上，如夹紧回路、润滑回路和控制回路。
减压定压。
三、顺序阀
1、顺序阀
（1）功用
顺序阀用来控制多个执行元件的顺序动作。
通过改变控制方式、泄油方式和二次油路的接法，顺序阀还可用作背压阀、平衡阀或卸荷阀用。
分类：
根据结构不同：
直动式、先导式
根据控制压力来源：
内控式、外控式
根据泄油方式：
内泄式、外泄式。
（2）工作原理和结构
结构与溢流阀基本相似，但出口接油路，弹簧腔的泄油口需单独接油箱。
①内控式顺序阀：
进口压力≥调定压力时，阀口打开，进出油口连通。
②外控式顺序阀：
控制油口压力≥调定压力时，阀口打开，进出油口连通。
阀口的开启与否和一次油路处来的进口压力没有关系，仅决定于控制压力的大小。
（3）性能
顺序阀的主要性能和溢流阀相仿。
此外，顺序阀为使执行元件准确的实现顺序动作，要求阀的调压偏差小，在压力—流量特性中通过额定流量时的调定压力应与启闭压力尽可能的接近，因而调压弹簧刚度小一些好。
此外，阀关闭时，在进口压力作用下各密封部件的内泄漏应尽可能小，否则可能引起误操作。
（4）应用
1）控制多个执行元件的顺序动作。
2）与单向阀组成平衡阀。
保持垂直放置的液压缸不因自重而下落。
3）用外控顺序阀可在双泵供油系统中，当系统所需流量较小时，使大流量泵卸荷。
卸荷阀便是由先导式外控顺序阀与单向阀组成的。
4）用内控顺序阀接在液压缸回油路上，产生背压，以使活塞的运动速度稳定。
四、压力继电器
压力继电器是利用液体压力信号来启闭电气触点的液压电气转换元件。
当油液压力达到压力继电器的设定压力时，压力继电器发出电信号。
应用：
如控制电磁铁通断电
压力继电器的主要性能包括：
（1）调压范围
指能发出电信号的最低工作压力和最高工作压力之间的范围。
（2）灵敏度和通断调节区间
压力升高，继电器接通电信号的压力（称启动压力）和继电器复位切断信号的压力（称闭合压力）之差为压力继电器的灵敏度。
为避免压力波动时继电器时通时断，要求开启压力和闭合压力间有一可调节的一定的差值，称为通断调节区间。
（3）重复精度
在一定的设定压力下，多次升压（或降压）过程中，开启压力和闭合压力本身的差值称为重复精度。
（4）升压或降压动作时间
压力由卸荷压力升到设定压力，微动开关触点闭合发出电信号的时间，称为升压动作时间，反之称为降压动作时间。
第四节流量控制阀
流量控制阀是通过改变可变节流口面积大小，从而控制通过阀的流量，达到调节执行元件（缸或马达）运动速度的阀类。
常用的液压流量控制阀有节流阀、调速阀、旁通式调速阀（溢流节流阀）、分流集流阀和限速切断阀等。
一、对流量控制阀的要求及控制原理
1、液压系统中使用的流量控制阀应满足如下要求
有足够的调节范围；能保证稳定的最小流量；温度和压力变化对流量的影响小；调节方便；泄漏小等。
2、控制原理
式中:
K—常数；
A（x）—可变节流孔的通流面积；
x—开口量；
m—指数，0.5≤m≤1。
由上式可知，在一定压差Δp下，改变阀心开口x可改变阀口的通流面积A（x），从而可改变通过阀的流量。
这就是流量控制的基本原理。
由上式还可以看出，通过阀口的流量，和阀口前后压差、油温及阀口形状等因素密切相关。
（1）压差Δp对流量稳定性的影响在使用中，当阀口前后压差变化时，使流量不稳定。
上式中的m越大，Δp的变化对流量的影响越大，因此阀口制成薄壁孔（m=0.5）比制成细长孔（m=1）的好。
（2）温度对流量稳定性的影响油温的变化引起油液粘度的变化，从而对流量发生影响。
这在细长孔式阀口上是十分明显的。
而对锐边或薄壁型阀口来说，当雷诺数Re大于临界值时，流量系数不受油温影响；但当压差小，通流面积小时，流量系数与Re有关，流量要受到油温变化的影响。
因而阀口应采用锐边或薄壁型的为好。
（3）最小稳定流量和流量调节范围当阀口压差Δp一定，在阀口面积调小到一定值时，流量将出现时断时续现象；进一步调小，则可能断流。
这种现象称为节流阀的阻塞现象。
每个节流阀都有一个能正常工作的最小稳定流量，其值一般约在0.05L/min左右。
节流阀口发生阻塞的主要原因是由于油液中的杂质、油液高温氧化后析出的胶质等附在节流阀口表面上所致。
当阀口开度很小，这些附着层达到一定厚度时，就会使油液时断时续，甚至断流。
为减小阻塞现象，可采用水力直径大的节流口；另外，选择化学稳定性和抗氧化稳定性好的油液，精细过滤，定期换油等都有助于防止阻塞，降低最小稳定流量。
流量调节范围指通过阀的最大流量和最小流量之比，一般在50以上。
高压流量阀则在10左右。
二、节流阀
图4-36所示的节流阀，可通过旋转阀心3使之在螺母1中上下移动，从而改变阀心与阀体2组成的节流口面积大小。
采用三角槽结构的阀口可提高分辨率，即减小节流口面积对阀心位移的变化率（又称面积梯度），使调节的精确性提高。
节流阀在液压系统中主要与定量泵、溢流阀和执行元件等组成节流调速系统。
调节其开口，便可调节执行元件运动速度的大小。
节流阀也可于试验系统中用作加载等。
三、调速阀
减压阀阀心上端的油腔b通过孔道a和节流阀后的油腔相通，压力为p2，而其肩部腔c和下端油腔d，通过孔道f和e与节流阀前的油腔相通，压力为pm。
活塞上负载Ｆ增大时，p2升高，于是作用在减压阀阀心上端的液压力增加，阀心下移，减压阀的开口加大，压降减小，因而使pm也升高，结果使节流阀前后的压差pm-p2保持不变。
反之亦然。
这样就使通过调速阀的流量恒定不变，活塞运动的速度稳定，不受负载变化的影响。
上述调速阀是先减压后节流型的结构。
调速阀也可以是先节流后减压型的，两者的工作原理和作用情况基相上相同。
应当指出，这种阀称为调速阀是不十分确切的，称稳流量阀似更合符实际。
调速阀和节流阀的流量特性
调速阀的q与Δp间的关系曲线示于图4-38中。
图中也示出节流阀的流量特性，以资比较。
调速阀因有减压阀和节流阀两个液阻串联，所以它在正常工作时，至少要有0.4~0.5MPa的压差。
这是因为在压差很小时，减压阀阀心在弹簧作用下处于最下端位置，阀口全开，不能起到稳定节流阀前后压差的缘故。
应用
1）调速阀在液压系统中的应用和节流阀相仿，它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，也可用在容积-节流调速回路中。
2）调速阀在连接时，可接在执行元件的进油路上，也可接在执行元件的回油路上，或接在执行元件的旁油路上。
小结：
1、液压阀的分类及基本要求
2、方向控制阀的分类及各种方向控制阀的特性及原理
3、压力控制阀的分类及各种方向控制阀的特性及原理
4、流量控制阀的分类及各种方向控制阀的特性及原理
课后作业：
复习本节课所教内容。
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