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第五章 液压控制阀

2011-06-14  机电机械   |  转藏
   

5   液压控制阀

第一节  概述

1.1液压阀的作用

液压阀是用来控制液压系统中油液的流动方向或调节其压力和流量的,因此它可分为方向阀、压力阀和流量阀三大类。一个形状相同的阀,可以因为作用机制的不同,而具有不同的功能。压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制着系统的压力和流量,而方向阀则利用通流通道的更换控制着油液的流动方向。这就是说,尽管液压阀存在着各种各样不同的类型,它们之间还是保持着一些基本共同之点的。例如:

(1)1在结构上,所有的阀都有阀体、阀芯(转阀或滑阀)和驱使阀芯动作的元、部件(如弹簧、电磁铁)组成 。

(2)2在工作原理上,所有阀的开口大小,阀进、出口间压差以及流过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式,仅是各种阀控制的参数各不相同而已。

1.2液压阀的分类

      液压阀可按不同的特征进行分类,如表5—1所示。

5—1                  液压阀的分类

分类方法

种类

详细分类

 

 

 

按机能分类

 

压力控制阀

溢流阀、顺序阀、卸荷阀、平衡阀、减压阀、比例压力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力继电器

流量控制阀

节流阀、单向节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、比例流量控制阀

  方向控制阀

单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、充液阀、梭阀、比例方向阀

 

按结构分类

滑阀

圆柱滑阀、旋转阀、平板滑阀

座阀

椎阀、球阀、喷嘴挡板阀

射流管阀

射流阀

按操作方法分类

手动阀

手把及手轮、踏板、杠杆

机动阀

挡块及碰块、弹簧、液压、气动

电动阀

电磁铁控制、伺服电动机和步进电动机控制

按连接方式分类

管式连接

螺纹式连接、法兰式连接

板式及叠加式连接

单层连接板式、双层连接板式、整体连接板式、叠加阀

插装式连接

螺纹式插装(二、三、四通插装阀)、法兰式插装(二通插装阀)

按其他方式分类

开关或定值控制阀

压力控制阀、流量控制阀、         方向控制阀

 

 

 

按控制方式分类

 

电液比例阀

电液比例压力阀、电源比例流量阀、电液比例换向阀、电流比例复合阀、电流比例多路阀三级电液流量伺服

伺服阀

单、两级(喷嘴挡板式、动圈式)电液流量伺服阀、三级电液流量伺服

数字控制阀

数字控制压力控制流量阀与方向阀

1.3对液压阀的基本要求

(1)1动作灵敏,使用可靠,工作时冲击和振动小。

(2)2油液流过的压力损失小。

(3)3密封性能好。

(4)4结构紧凑,安装、调整、使用、维护方便,通用性大。

 

 

 

第二节    方向控制阀 

一、单向阀

    液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。

1.普通单向阀 普通单向阀的作用,是使油液只能沿一个方向流动,不许它反向倒流。图5—1a)所示是一种管式普通单向阀的结构。压力油从阀体左端的通口P1流入时,克服弹簧3作用在阀芯2上的力,使阀芯向右移动,打开阀口,并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。但是压力油从阀体右端的通口P2流入时,它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上,使阀口关闭,油液无法通过。图5—1b所示是单向阀的职能符号图。

5-1单向阀

(a)结构图(b)职能符号图1—阀体2—阀芯3—弹簧

 

2.液控单向阀   52a所示是液控单向阀的结构。当控制口K处无压力油通入时,它的工作机制和普通单向阀一样;压力油只能从通口P1流向通口P2,不能反向倒流。当控制口K有控制压力油时,因控制活塞1右侧a腔通泄油口,活塞1右移,推动顶杆2顶开阀芯3,使通口P1P2接通,油液就可在两个方向自由通流。52b所示是液控单向阀的职能符号。

     

5-2液控单向阀

(a)结构图(b)职能符号图1—活塞2—顶杆3—阀芯

 

   二、换向阀

   换向阀利用阀芯相对于阀体的相对运动,使油路接通、关断,或变换油流的方向,从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。

   1. 对换向阀的主要要求  换向阀应满足:

(1)1油液流经换向阀时的压力损失要小。

(2)2互不相通的油口间的泄露要小。

(3)3换向要平稳、迅速且可靠。

   2. 转阀  5—3a)所示为转动式换向阀(简称转阀)的工作原理图。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5—3   转阀

该阀由阀体1、阀芯2和使阀芯转动的操作手柄3组成,在图示位置,通口PA相通、BT相通;当操作手柄转换到位置时,通口PABT均不相通,当操作手柄转换到另一位置时,则通口PB相通,AT相通。5—3b)所示是它的职能符号。

 

  3.滑阀式换向阀   换向阀在按阀芯形状分类时,有滑阀式和转阀式两种,滑阀式换向阀在液压系统中远比转阀式用得广泛。

  1) 结构主体。 阀体和滑动阀芯是滑阀式换向阀的结构主体。表5—3所示是其最常见的结构形式。由表可见,阀体上开有多个通口,阀芯移动后可以停留在不同的工作位置上

 

 

5—3滑阀式换向阀主体结构形式

 

 

 

当阀芯处在图示中间位置时,五个通口都关闭;当阀芯移向左端时,通口O2关闭,通口PB相通,通口AO1相通;当阀芯移向右端时,通口O1关闭,通口PA相通,通口BO2相通。这种结构形式由于具有使五个通口都关闭的工作状态,故可使受它控制的执行元件在任意位置上停止运动。

(2)滑阀的操纵方式。常见的滑阀操纵方式示于图5-4中。

5-4滑阀操纵方式

(a)手动式(b)机动式(c)电磁动(d)弹簧控制(e)液动(f)液压先导控制(g)电液控制

(3)换向阀的结构。

在液压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀,在这里主要介绍这种换向阀的几种典型结构。

①手动换向阀。图5-5(b)为自动复位式手动换向阀,放开手柄1、阀芯2在弹簧3的作用下自动回复中位,该阀适用于动作频繁、工作持续时间短的场合,操作比较完全,常用于工程机械的液压传动系统中。

如果将该阀阀芯右端弹簧3的部位改为可自动定位的结构形式,即成为可在三个位置定位的手动换向阀。图5-5(a)为职能符号图。

 

5-5手动换向阀

(a)职能符号图(b)结构图

1—手柄2—阀芯3—弹簧〖JZ〗〗

 

②机动换向阀。机动换向阀又称行程阀,它主要用来控制机械运动部件的行程,它是借助于安装在工作台上的挡铁或凸轮来迫使阀芯移动,从而控制油液的流动方向,机动换向阀通常是二位的,有二通、三通、四通和五通几种,其中二位二通机动阀又分常闭和常开两种。图5-6(a)为滚轮式二位三通常闭式机动换向阀,在图示位置阀芯2被弹簧1压向上端,油腔PA通,B口关闭。当挡铁或凸轮压住滚轮4,使阀芯2移动到下端时,就使油腔PA断开,PB接通,A口关闭。图5-6(b)所示为其职能符号。

5-6机动换向阀

 

③电磁换向阀。电磁换向阀是利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向的。它是电气系统与液压系统之件发出,从间的信号转换元件,它的电气信号由液压设备结构图(b)职能符号图中的按钮开关、限位开关、行程开关等电气元1—滚轮2—阀芯3—弹簧而可以使液压系统方便地实现各种操作及自动顺序动作。

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可分为“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1015min后烧坏线圈(湿式电磁铁为11.5h),且冲击及噪声较大,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/min,不得超过30/min。直流电磁铁工作较可靠,吸合、释放动作时间约为0.050.08s,允许使用的切换频率较高,一般可达120/min,最高可达300/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。此外,还有一种整体电磁铁,其电磁铁是直流的,但电磁铁本身带有整流器,通入的交流电经整流后再供给直流电磁铁。目前,国外新发展了一种油浸式电磁铁,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,工作更平稳可靠等特点,但由于造价较高,应用面不广。

5-7(a)所示为二位三通交流电磁换向阀结构,在图示位置,油口PA相通,油口B断开;当电磁铁通电吸合时,推杆1将阀芯2推向右端,这时油口PA断开,而与B相通。而当磁铁断电释放时,弹簧3推动阀芯复位。5-7(b)所示为其职能符号。

5-7二位三通电磁换向阀

(a)结构图(b)职能符号图1—推杆2—阀芯3—弹簧

  如前所述,电磁换向阀就其工作位置来说,有二位和三位等。二位电磁阀有一个电磁铁,靠弹簧复位;三位电磁阀有两个电磁铁,如图5-8所示为一种三位五

通电磁换向阀的结构和职能符号。

5-8三位五通电磁换向阀(a)结构图(b)职能符号图

 

 

   液动换向阀。液动换向阀是利用控制油路的压力油来改变阀芯位置的换向阀,图5-9为三位四通液动换向阀的结构和职能符号。阀芯是由其两端密封腔中油液的压差来移动的,当控制油路的压力油从阀右边的控制油口K2进入滑阀右腔时,K1接通回油,阀芯向左移动,使压力油口PB相通,AT相通;当K1接通压

力油,K2接通回油时,阀芯向右移动,使得PA相通,BT相通;当K1K2都通回油时,阀芯在两端弹簧和定位套作用下回到中间位置。



5—9 三位四通液动换向阀

a)结构图 (b)职能符号图

⑤电液换向阀。在大中型液压设备中,当通过阀的流量较大时,作用在滑阀上的摩擦力和液动力较大,此时电磁换向阀的电磁铁推力相对地太小,需要用电液换向阀来代替电磁换向阀。电液换向阀是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。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。由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大,所以主阀芯的尺寸可以做得很大,允许有较大的油液流量通过。这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流。

 

5-10电液换向阀

(a)结构图(b)职能符号(c)简化职能符号

16-节流阀27-单向阀35-电磁铁4-电磁阀阀芯8-主阀阀芯

 

 5-10所示为弹簧对中型三位四通电液换向阀的结构和职能符号,当先导电磁阀左边的电磁铁通电后使其阀芯向右边位置移动,来自主阀P口或外接油口的控制压力油可经先导电磁阀的A′口和左单向阀进入主阀左端容腔,并推动主阀阀芯向右移动,这时主阀阀芯右端容腔中的控制油液可通过右边的节流阀经先导电磁阀的B′口和T′口,再从主阀的T口或外接油口流回油箱(主阀阀芯的移动速度可由右边的节流阀调节),使主阀PABT的油路相通;反之,由先导电磁阀右边的电磁铁通电,可使PBAT的油路相通;当先导电磁阀的两个电磁铁均不带电时,先导电磁阀阀芯在其对中弹簧作用下回到中位,此时来自主阀P口或外接油口的控制压力油不再进入主阀芯的左、右两容腔,主阀芯左右两腔的油液通过先导电磁阀中间位置的A′B′两油口与先导电磁阀T′口相通(如图5-10b所示),再从主阀的T口或外接油口流回油箱。主阀阀芯在两端对中弹簧的预压力的推动下,依靠阀体定位,准确地回到中位,此时主阀的PABT油口均不通。电液换向阀除了上述的弹簧对中以外还有液压对中的,在液压对中的电液换向阀中,先导式电磁阀在中位时,A′B′两油口均与油口P连通,而T′则封闭,其他方面与弹簧对中的电液换向阀基本相似。

(4)换向阀的中位机能分析。三位换向阀的阀芯在中间位置时,各通口间有不同的连通方式,可满足不同的使用要求。这种连通方式称为换向阀的中位机能。三位四通换向阀常见的中位机能、型号、符号及其特点,示于表5-4中。三位五通换向阀的情况与此相仿。不同的中位机能是通过改变阀芯的形状和尺寸得到的。

在分析和选择阀的中位机能时,通常考虑以下几点:

①系统保压。当P口被堵塞,系统保压,液压泵能用于多缸系统。当P口不太通畅地与T口接通时(X),系统能保持一定的压力供控制油路使用。

②系统卸荷。P口通畅地与T口接通时,系统卸荷。

③启动平稳性。阀在中位时,液压缸某腔如通油箱,则启动时该腔内因无油液起缓冲作用,启动不太平稳。

④液压缸“浮动”和在任意位置上的停止,阀在中位,当AB两口互通时,卧式液压缸呈浮动状态,可利用其他机构移动工作台,调整其位置。当AB两口堵塞或与P口连接(在非差动情况下),则可使液压缸在任意位置处停下来。三位五通换向阀的机能与上述相仿。

(5)主要性能。换向阀的主要性能,以电磁阀的项目为最多,它主要包括下面几项:

①工作可靠性。工作可靠性指电磁铁通电后能否可靠地换向,而断电后能否可靠地复位。工作可靠性主要取决于设计和制造,且和使用也有关系。液动力和液压卡紧力的大小对工作可靠性影响很大,而这两个力是与通过阀的流量和压力有关。所以电磁阀也只有在一定的流量和压力范围内才能正常工作。这个工作范围的极限称为换向界限,如图5-11所示。

②压力损失。由于电磁阀的开口很小,故液流流过阀口时产生较大的压力损失。图5-12所示为某电磁阀的压力损失曲线。一般阀体铸造流道中的压力损失比机械加工流道中的损失小。

  内泄漏量。在各个不同的工作位置,在规定的工作压力下,从高压腔漏到低压腔的泄漏量为内泄漏量。过大的内泄漏量不仅会降低系统的效率,引起过热,而且还会影响执行机构的正常工作。

5-11电磁阀的换向界限

④换向和复位时间。换向时间指从电磁铁通电到阀芯换向终止的时间;复位时间指从电磁铁断电到阀芯回复到初始位置的时间。减小换向和复位时间可提高机构的工作效率,但会引起液压冲击。交流电磁阀的换向时间一般约为0.030.05s,换向冲击较大;而直流电磁阀的换向时间约为0.10.3s,换向冲击较小。通常复位时间比换向时间稍长。

⑤换向频率。换向频率是在单位时间内阀所允许的换向次数。目前单电磁铁的电磁阀的换向频率一般为60/min

⑥使用寿命。使用寿命指使用到电磁阀某一零件损坏,不能进行正常的换向或复位动作,或使用到电磁阀的主要性能指标超过规定指标时所经历的换向次数。

电磁阀的使用寿命主要决定于电磁铁。湿式电磁铁的寿命比干式的长,直流电磁铁的寿命比交流的长。

⑦滑阀的液压卡紧现象。一般滑阀的阀孔和阀芯之间有很小的间隙,当缝隙均匀且缝隙中有油液时,移动阀芯所需的力只需克服粘性摩擦力,数值是相当小的。但在实际使用中,特别是在中、高压系统中,当阀芯停止运动一段时间后(一般约5min以后),这个阻力可以大到几百牛顿,使阀芯很难重

新移动。这就是所谓的液压卡紧现象。

引起液压卡紧的原因,有的是由于脏物进入缝隙而使阀芯移动困难,有的是由于缝隙过小在油温升高时阀芯膨胀而卡死,但是主要原因是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。如图5-13(a)所示,当阀芯和阀体孔之间无几何形状误差,且轴心线平行但不重合时,阀芯周围间隙内的压力分布是线性的(图中A1A2线所示),且各向相等,阀芯上不会出现不平衡的径向力;当阀芯因加工误差而带有倒锥(锥部大端朝向高压腔)且轴心线平行而不重合时,阀芯周围间隙内的压力分布如图5-13(b)中曲线A1A2所示,这时阀芯将受到径向不平衡力(图中阴影部分)的作用而使偏心距越来越大,直到两者表面接触为止,这时径向不平衡力达到最大值;但是,如阀芯带有顺锥(锥部大端朝向低压腔)时,产生的径向不平衡力将使阀芯和阀孔间的偏心距减小;图5-13(c)所示为阀芯表面有局部凸起(相当于阀芯碰伤、残留毛刺或缝隙中楔入脏物时,阀芯受到的径向不平衡力将使阀芯的凸起部分推向孔壁。



5-13滑阀上的径向力

当阀芯受到径向不平衡力作用而和阀孔相接触后,缝隙中存留液体被挤出,阀芯和阀孔间的摩擦变成半干摩擦乃至干摩擦,因而使阀芯重新移动时所需的力增大了许多。

滑阀的液压卡紧现象不仅在换向阀中有,其他的液压阀也普遍存在,在高压系统中更为突出,特别是滑阀的停留时间越长,液压卡紧力越大,以致造成移动滑阀的推力(如电磁铁推力)不能克服卡紧阻力,使滑阀不能复位。为了减小径向不平衡力,应严格控制阀芯和阀孔的制造精度,在装配时,尽可能使其成为顺锥形式,另一方面在阀芯上开环形均压槽,也可以大大减小径向不平衡力。

第三节   压力控制阀

 在液压传动系统中,控制油液压力高低的液压阀称之为压力控制阀,简称压力阀。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。

在具体的液压系统中,根据工作需要的不同,对压力控制的要求是各不相同的:有的需要限制液压系统的最高压力,如安全阀;有的需要稳定液压系统中某处的压力值(或者压力差,压力比等),如溢流阀、减压阀等定压阀;还有的是利用液压力作为信号控制其动作,如顺序阀、压力继电器等。

一、一、溢流阀

1、溢流阀的基本结构及其工作原理

溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。几乎在所有的液压系统中都需要用到它,其性能好坏对整个液压系统的正常工作有很大影响。

5-14溢流阀的作用

1—定量泵2—溢流阀 3—节流阀4—液压缸5—变量

 

1.     1.     溢流网的作用和性能要求  

 (1)溢流阀的作用。在液压系统中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。如图5-14(a)所示,溢流阀2并联于系统中,进入液压缸4的流量由节流阀3调节。由于定量泵1的流量大于液压缸4所需的流量,油压升高,将溢流阀2打开,多余的油液经溢流阀2流回油箱。因此,在这里溢流阀的功用就是在不断的溢流过

程中保持系统压力基本不变。                          

用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。如图5-14(b)所示的变量泵调速系统。在正常工作时,安全阀2关闭,不溢流,只有在系统发生故障,压力升至安全阀的调整值时,阀口才打开,使变量泵排出的油液经溢流阀2流回油箱,以保证液压系统的安全。

(2)液压系统对溢流阀的性能要求。

①定压精度高。当流过溢流阀的流量发生变化时,系统中的压力变化要小,即静态压力超调要小。

②灵敏度要高。如图5-14(a)所示,当液压缸4突然停止运动时,溢流阀2要迅速开大。否则,定量泵1输出的油液将因不能及时排出而使系统压力突然升高,并超过溢流阀的调定压力,称动态压力超调,使系统中各元件及辅助受力增加,影响其寿命。溢流阀的灵敏度越高,则动态压力超调越小。

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。

对于经常开启的溢流阀,主要要求前三项性能;而对于安全阀,则主要要求第二和第四两项性能。其实,溢流阀和安全阀都是同一结构的阀,只不过是在不同要求时有不同的作用而已。

2.溢流阀的结构和工作原理

常用的溢流阀按其结构形式和基本动作方式可归结为直动式和先导式两种。

(1)              (1)              直动式溢流阀

直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上与弹簧力等相平衡,以控制阀芯的启闭动作,图5-15(a)所示是一种低压直动式溢流阀,P是进油口,T是回油口,进口压力油经阀芯4中间的阻尼孔g作用在阀芯的底部端面上,当进油压力较小时,阀芯在弹簧2的作用下处于下端位置,将PT两油口隔开。当油压力升高,在阀芯下端所产生的作用力超过弹簧的压紧力F。此时,阀芯上升,阀口被打开,将多余的油液排回油箱,阀芯上的阻尼孔g用来对阀芯的动作产生阻尼,以提高阀的工作平衡性,调整螺帽1可以改变弹簧的压紧力,这样也就调整了溢流阀进口处的油液压力p

a

5-15低压直动式溢流阀(a)结构图(b)职能符号图

1—螺帽2—调压弹簧3—上盖4—阀芯5—阀体

溢流阀是利用被控压力作为信号来改变弹簧的压缩量,从而改变阀口的通流面积和系统的溢流量来达到定压目的的。当系统压力升高时,阀芯上升,阀口通流面积增加,溢流量增大,进而使系统压力下降。溢流阀内部通过阀芯的平衡和运动构成的这种负反馈作用是其定压作用的基本原理,也是所有定压阀的基本工作原理。由式(5-2)可知,弹簧力的大小与控制压力成正比,因此如果提高被控压力,一方面可用减小阀芯的面积来达到,另一方面则需增大弹簧力,因受结构限制,需采用大刚度的弹簧。这样,在阀芯相同位移的情况下,弹簧力变化较大,因而该阀的定压精度就低。所以,这种低压直动式溢流阀一般用于压力小于2.5MPa的小流量场合,图5-15(b)所示为直动式溢流阀的图形符号.由图5-15(a)还可看出,在常位状态下,溢流阀进、出油口之间是不相通的,而且作用在阀芯上的液压力是由进口油液压力产生的,经溢流阀芯的泄漏油液经内泄漏通道进入回油口T

直动式溢流阀采取适当的措施也可用于高压大流量。例如,德国Rexroth公司开发的通径为620mm的压力为4063MPa;通径为2530mm的压力为31.5MPa的直动式溢流阀,最大流量可达到330L/min,其中较为典型的锥阀式结构如图5-16所示。图5-16为锥阀式结构的局部放大图,在锥阀的下部有一阻尼活塞3,活塞的侧面铣扁,以便将压力油引到活塞底部,该活塞除了能增加运动阻尼以提高阀的工作稳定性外,还可以使锥阀导向而在开启后不会倾斜。此外,锥阀上部有一个偏流盘1,盘上的环形槽用来改变液流方向,一方面以

5-16直动式锥型溢流阀

1—偏流盘2—锥阀3—活塞

补偿锥阀2的液动力;另一方面由于液流方向的改变,产生一个与弹簧力相反方向的射流力,当通过溢流阀的流量增加时,虽然因锥阀阀口增大引起弹簧力增加,但由于与弹簧力方向相反的射流力同时增加,结果抵消了弹簧力的增量,有利于提高阀的通流流量和工作压力。

(2)             (2)             先导式溢流阀

5-17所示为先导式溢流阀的结构示意图,在图中压力油从P口进入,通过阻尼孔3后作用在导阀4上,当进油口压力较低,导阀上

的液压作用力不足以克服导阀右边的弹簧5的作用力时,导阀关闭,没有油液流过阻尼孔,所以主阀芯2两端压力相等,在较软的主阀弹簧1作用下主阀芯2处于最下端位置,溢流阀阀口PT隔断,没有溢流。当进油口压力升高到作用在导阀上的液压力大于导阀弹簧作用力时,导阀打开,压力油就可通过阻尼孔、经导阀流回油箱,由于阻尼孔的作用,使主阀芯上端的液压力p2小于下端压力p1,当这个压力差作用在面积为AB的主阀芯上的力等于或超过主阀弹簧力Fs,轴向稳态液动力Fbs、摩擦力Ff和主阀芯自重G时,主阀芯开启,油液从P口流入,经主阀阀口由 T流回油箱,实现溢流,即有:

Δp=p1-p2≥Fs+Fbs+G±Ff/AB                                                      (5-3)

 

5-17先导式溢流阀

1—主阀弹簧2—主阀芯 3—阻尼孔 4—导阀阀芯5—导阀弹簧

 

由式(5-3)可知,由于油液通过阻尼孔而产生的p1p2之间的压差值不太大,所以主阀芯只需一个小刚度的软弹簧即可;而作用在导阀4上的液压力p2与其导阀阀芯面积的乘积即为导阀弹簧5的调压弹簧力,由于导阀阀芯一般为锥阀,受压面积较小,所以用一个刚度不太大的弹簧即可调整较高的开启压力P2,用螺钉调节导阀弹簧的预紧力,就可调节溢流阀的溢流压力。

先导式溢流阀有一个远程控制口K,如果将K口用油管接到另一个远程调压阀(远程调压阀的结构和溢流阀的先导控制部分一样),调节远程调压阀的弹簧力,即可调节溢流阀主阀芯上端的液压力,从而对溢流阀的溢流压力实现远程调压。但是,远程调压阀所能调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀的调整压力。当远程控制口K通过二位二通阀接通油箱时,主阀芯上端的压力接近于零,主阀芯上移到最高位置,阀口开得很大。由于主阀弹簧较软,这时溢流阀P口处压力很低,系统的油液在低压下通过溢流阀流回油箱,实现卸荷。

3.溢流阀的性能  溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能,在此作一简单的介绍。

(1)静态性能。

①压力调节范围。压力调节范围是指调压弹簧在规定的范围内调节时,系统压力能平稳地上升或下降,且压力无突跳及迟滞现象时的最大和最小调定压力。溢流阀的最大允许流量为其额定流量,在额定流量下工作时,溢流阀应无噪声、溢流阀的最小稳定流量取决于它的压力平稳性要求,一般规定为额定流量的15%

②启闭特性。启闭特性是指溢流阀在稳态情况下从开启到闭合的过程中,被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标,一般用溢流阀处于额定流量、调定压力ps时,开始溢流的开启压力pk及停止溢流的闭合压力pB分别与p1的百分比来衡量,前者称为开启比pk,后者称为闭合比ps,即:

                   (5-4)

                   (5-5)

式中:ps可以是溢流阀调压范围内的任何一个值,显然上述两个百分比越大,则两者越接近,溢流阀的启闭特性就越好,一般应使 ≥90% ≥85%,直动式和先导式溢流阀的启闭特性曲线如图5-18所示。

③卸荷压力。当溢流阀的远程控制口K与油箱相连时,额定流量下的压力损失称为卸荷压力。

5-18溢流阀的启闭特性曲线            5-19流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性曲线

(2)动态性能。当溢流阀在溢流量发生由零至额定流量的阶跃变化时,它的进口压力,也就是它所控制的系统压力,将如图5-19所示的那样迅速升高并超过额定压力的调定值,然后逐步衰减到最终稳定压力,从而完成其动态过渡过程。

定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值ps的差值为压力超调量Δp,则压力超调率Δp为:

                    (5-6)

它是衡量溢流阀动态定压误差的一个性能指标。一个性能良好的溢流阀,其 ≤10%30%。图5-19中所示t1称之为响应时间;t2称之为过渡过程时间。显然,t1越小,溢流阀的响应越快;t2越小,溢流阀的动态过渡过程时间越短。

二、减压阀

减压阀是使出口压力(二次压力)低于进口压力(一次压力)的一种压力控制阀。其作用是用低液压系统中某一回路的油液压力,使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。减压阀在各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用较多。此外,当油液压力不稳定时,在回路中串入一减压阀可得到一个稳定的较低的压力。根据减压阀所控制的压力不同,它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。

1.定值输出减压阀

                                  a

5-20减压阀(a)结构图 (c)(d)职能符号图

1—主阀芯2—阻尼孔xR—阀口开口量v—阀口流速L—外泄漏油口

(1)工作原理。图5-20(a)所示为直动式减压阀的结构示意图和图形符号。P1口是进油口,P2口是出油口,阀不工作时,阀芯在弹簧作用下处于最下端位置,阀的进、出油口是相通的,亦即阀是常开的。若出口压力增大,使作用在阀芯下端的压力大于弹簧力时,阀芯上移,关小阀口,这时阀处于工作状态。若忽略其他阻力,仅考虑作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的条件,则可以认为出口压力基本上维持在某一定值——调定值上。这时如出口压力减小,阀芯就下移,开大阀口,阀口处阻力减小,压降减小,使出口压力回升到调定值;反之,若出口压力增大,则阀芯上移,关小阀口,阀口处阻力加大,压降增大,使出口压力下降到调定值。

5-20(b)所示为先导式减压阀的工作原理图和图形符号,可仿前述先导式溢流阀来推演,这里不再赘述。

将先导式减压阀和先导式溢流阀进行比较,它们之间有如下几点不同之处:

①减压阀保持出口压力基本不变,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、出油口互通,而溢流阀进出油口不通。

③为保证减压阀出口压力调定值恒定,它的导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱;而溢流阀的出油口是通油箱的,所以它的导阀的弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道和出油口相通,不必单独外接油箱。

(2)工作特性。理想的减压阀在进口压力、流量发生变化或出口负载增加,其出口压力p2总是恒定不变。但实际上,p2是随p1q的变化,或负载的增大而有所变化。由图5-20(a)可知,当忽略阀芯的自重和摩擦力,当稳态液动力为Fbs时,阀芯上的力平衡方程为:

p2AR+Fbs=ks(xc+xR)                           (5-7)

式中:ks为弹簧刚度;xc为当阀芯开口xR=0时弹簧的预压缩量,其余符号见图,亦即:

p2=ks(xc+xR)-Fbs/AR                          (5-8)

若忽略液动力Fbs,且xRxc时,则有:

p2≈ksxc/AR=常数                                 (5-9)

这就是减压阀出口压力可基本上保持定值的原因。

5-21减压阀的特性曲线                         5-22定差减压阀

 

减压阀的p2-q特性曲线如图5-21所示,当减压阀进油口压力p1基本恒定时,若通过的流量q增加,则阀口缝隙xR加大,出口压力p2略微下降。在如图5-20(b)中的先导式减压阀中,出油口压力的压力调整值越低,它受流量变化的影响就越大。当减压阀的出油口不输出油液时,它的出口压力基本上仍能保持恒定,此时有少量的油液通过减压阀阀口经先导阀和泄油口流回油箱,保持该阀处于工作状态,如图5-20(b)所示。

2.定差减压阀

定差减压阀是使进、出油口之间的压力差等于或近似于不变的减压阀,其工作原理如图5-22所示。高压油p1经节流口xR减压后以低压p2流出,同时,低压油经阀芯中心孔将压力传至阀芯上腔,则其进、出油液压力在阀芯有效作用面积上的压力差与弹簧力相平衡。

Δp=p1-p2=ks(xc+xR)/(π/4(D2-d2))                  (5-10)

式中:xc为当阀芯开口xR=0时弹簧(其弹簧刚度为ks)的预压缩量;其余符号如图所示。

5-23定比减压阀

 

由式(5-10)可知,只要尽量减小弹簧刚度ks和阀口开度xR,就可使压力差Δp近似地保持为定值。

3.定比减压阀  定比减压阀能使进、出油口压力的比值维持恒定。图5-23所示为其工作原理图,阀芯在稳态时忽略稳态液动力、阀芯的自重和摩擦力时可得到力平衡方程为:

p1A1+ks(xc+xR)=p2A2                                              (5-11)

式中:ks为阀芯下端弹簧刚度;xc是阀口开度为xR=0时的弹簧的预压缩量;其它符号如图所示。若忽略弹簧力(刚度较小),则有(减压比)

p2/p1=A1/A2                              (5-12)

由式(5-12)可见,选择阀芯的作用面积A1A2,便可得到所要求的压力比,且比值近似恒定。

三、顺序阀

顺序阀是用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序。依控制压力的不同,顺序阀又可分为内控式和外控式两种。前者用阀的进口压力控制阀芯的启闭,后者用外来的控制压力油控制阀芯的启闭(即液控顺序阀)。顺序阀也有直动式和先导式两种,前者一般用于低压系统,后者用于中高压系统。

5-24所示为直动式顺序阀的工作原理图和图形符号。当进油口压力p1较低时,阀芯在弹簧作用下处下端位置,进油口和出油口不相通。当作用在阀芯下端的油液的液压力大于弹簧的预紧力时,阀芯向上移动,阀口打开,油液便经阀口从出油口流出,从而操纵另一执行元件或其他元件动作。由图可见,顺序阀和溢流阀的结构基本相似,不同的只是顺序阀的出油口通向系统的另一压力油路,而溢流阀的出油口通油箱。此外,由于顺序阀的进、出油口均为压力油,所以它的泄油口L必须单独外接油箱。

直动式外控顺序阀的工作原理图和图形符号如图5-25所示,和上述顺序阀的差别仅仅在于其下部有一控制油口K,阀芯的启闭是利用通入控制油口K的外部控制油来控制。图5-26所示为先导式顺序阀的工作原理图和图形符号,其工作原理可仿前述先导式溢流阀推演,在此不再重复。

 

5-25直动式外控顺序阀                          5-26先导式顺序阀

将先导式顺序阀和先导式溢流阀进行比较,它们之间有以下不同之处:

 

 

(1)溢流阀的进口压力在通流状态下基本不变。而顺序阀在通流状态下其进口压力由出口压力而定,如果出口压力p2比进口压力p1底的多时,p1基本不变,而当p2增大到一定程度,p1也随之增加,则p1=p2+ΔpΔp为顺序阀上的损失压力。

(2)溢流阀为内泄漏,而顺序阀需单独引出泄漏通道,为外泄漏。

(3)溢流阀的出口必须回油箱,顺序阀出口可接负载。

四、压力继电器

5-27压力继电器1—柱塞2—杠杆3—弹簧4—开关

 

压力继电器是一种将油液的压力信号转换成电信号的电液控制元件,当油液压力达到压力继电器的调定压力时,即发出电信号,以控制电磁铁、电磁离合器、继电器等元件动作,使油路卸压、换向、执行元件实现顺序动作,或关闭电动机,使系统停止工作,起安全保护作用等。图5-27所示为常用柱塞式压力继电器的结构示意图和职能符号。如图所示,当从压力继电器下端进油口通入的油液压力达到调定压力值时,推动柱塞1上移,此位移通过杠杆2放大后推动开关4动作。改变弹簧3的压缩量即可以调节压力继电器的动作压力。

第四节 流量控制阀

液压系统中执行元件运动速度的大小,由输入执行元件的油液流量的大小来确定。流量控制阀就是依靠改变阀口通流面积(节流口局部阻力)的大小或通流通道的长短来控制流量的液压阀类。常用的流量控制阀有普通节流阀、压力补偿和温度补偿调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。

一、 流量控制原理及节流口形式

5-28节流阀特性曲线

 

一、流量控制原理及节流口形式

节流阀节流口通常有三种基本形式:薄壁小孔、细长小孔和厚壁小孔,但无论节流口采用何种形式,通过节流口的流量q及其前后压力差Δp的关系均可用式(2-63)q=KAΔpm来表示,三种节流口的流量特性曲线如图5-28所示,由图可知:

(1)压差对流量的影响。节流阀两端压差Δp变化时,通过它的流量要发生变化,三种结构形式的节流口中,通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。

(2)温度对流量的影响。油温影响到油液粘度,对于细长小孔,油温变化时,流量也会随之改变,对于薄壁小孔粘度对流量几乎没有影响,故油温变化时,流量基本不变。

(3)节流口的堵塞。节流阀的节流口可能因油液中的杂质或由于油液氧化后析出的胶质、沥青等而局部堵塞,这就改变了原来节流口通流面积的大小,使流量发生变化,尤其是当开口较小时,这一影响更为突出,严重时会完全堵塞而出现断流现象。因此节流口的抗堵塞性能也是影响流量稳定性的重要因素,尤其会影响流量阀的最小稳定流量。一般节流口通流面积越大,节流通道越短和水力直径越大,越不容易堵塞,当然油液的清洁度也对堵塞产生影响。一般流量控制阀的最小稳定流量为0.05L/min

    综上所述,为保证流量稳定,节流口的形式以薄壁小孔较为理想。图5-29所示为几种常用的节流口形式。图5-29(a)所示为针阀式节流口,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;5-29(b)所示为偏心槽式节流口,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;5-29(c)所示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,5-29(d)所示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;5-29(e)所示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5-29(d)所示节流口相似。为保证流量稳定,节流口的形式以薄壁小孔较为理想。

 

5-29典型节流口的结构形式

 

5-30节流元件的作用 

 

在液压传动系统中节流元件与溢流阀并联于液泵的出口,构成恒压油源,使泵出口的压力恒定。如图5-30(a)所示,此时节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻,液压泵输出流量qp不变,流经节流阀进入液压缸的流量q1和流经溢流阀的流量Δq的大小由节流阀和溢流阀液阻的相对大小来决定。若节流阀的液阻大于溢流阀的液阻,q1Δq;反之则q1Δq。节流阀是一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过调节节流阀的液阻,来改变进入液压缸的流量,从而调节液压缸的运动速度;但若在回路中仅有节流阀而没有与之并联的溢流阀,如图5-30(b)所示,则节流阀就起不到调节流量的作用。液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。改变节流阀节流口的大小,只是改变液流流经节流阀的压力降。节流口小,流速快;节流口大,流速慢,而总的流量是不变的,因此液压缸的运动速度不变。所以,节流元件用来调节流量是有条件的,即要求有一个接受节流元件压力信号的环节(与之并联的溢流阀或恒压变量泵)。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。

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。

 

二、普通节流阀

5—31  普通节流阀

 

1、  1  作原理

 5—31所示为一种普通节流阀的结构和图形符号。这种节流阀的节流通道呈轴向三角

槽式。压力油从进油口P1流入孔道 和阀芯1左端的三角槽进入孔道b,再从出油口P2流出。调节手柄3,可通过推杆2使阀芯作轴向移动,以改变节流口的通流截面积来调节流量。阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上,这种节流阀的进出油口可互换。

5-32不同开口时节流阀的流量特性曲

2、节流阀的刚性  节流阀的刚性表示它抵抗负数变化的干扰,保持流量稳定的能力,即当节流阀开口量不变时,由于阀前后压力差Δp的变化,引起通过节流阀的流量发生变化的情况。流量变化越小,节流阀的刚性越大,反之,其刚性则小,如果以T表示节流阀的刚度,则有:

T=dΔp/dq                 (5-13)

由式q=KAΔpm,可得:

T=Δpm-1Kam                 (5-14)

从节流阀特性曲线图5-32可以发现,节流阀的刚度T相当于流量曲线上某点的切线和横坐标

夹角β的余切,

 

            T=cotβ                           (5-15)

由图5-32和式(5-14)可以得出如下结论:

(1)同一节流阀,阀前后压力差Δp相同,节流开口小时,刚度大。

(2)同一节流阀,在节流开口一定时,阀前后压力差Δp越小,刚度越低。为了保证节流阀具有足够的刚度,节流阀只能在某一最低压力差Δp的条件下,才能正常工作,但提高Δp将引起压力损失的增加。

(3)取小的指数m可以提高节流阀的刚度,因此在实际使用中多希望采用薄壁小孔式节流口,m=0.5的节流口。

三、调速阀和温度补偿调速阀

      普通节流阀由于刚性差,在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载(亦即其出口压力)变化的影响,不能保持执行元件运动速度的稳定,因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合,由于工作负载的变化很难避免,为了改善调速系统的性能,通常是对节流阀进行补偿,即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。由q = K A p m可知,当 p基本不变时,通过节流阀的流量只由其开口量大小来决定,使 p基本保持不变的方式有两种:一种是将定压差式减压阀与节流阀并联起来构成调速阀;另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来构成溢流节流阀。这两种阀是利用流量的变化所引起的油路压力的变化,通过阀芯的负反馈动作来自动调节节流部分的压力差,使其保持不变。

1.     1.     调速阀 

 

5-33调速阀

(a)工作原理图(b)职能符号(c)简化职能符号(d)特性曲线

1—减压阀2—节流阀

油温的变化也将引起油粘度的变化,从而导致通过节流阀的流量发生变化,为此出现了温度补偿调速阀。

 调速阀是在节流阀2前面串接一个定差减压阀1组合而成。图5—33为其工作原理图。液压泵的出口(即调速阀的进口)压力p1由溢流阀调整基本不变,而调速阀的出口压力p3则由液压缸负载F决定。油液先经减压阀产生一次压力降,将压力降到p2p2经通道ef作用到减压阀的d腔和c腔;节流阀的出口压力p3又经反馈通道a作用到减压阀的上腔b,当减压阀的阀芯在弹簧力Fs、油液压力p2p3作用下处于某一平衡位置时(忽略摩擦力和液动力等),则有:

p2A1+p2A2=p3A+Fs                  5-16

式中:AA1A2分别为b腔、c腔和d腔内压力油作用于阀芯的有效面积,且A=A1+A2

                            p2-p3= p =Fs/A             5-17

因为弹簧刚度较低,且工作过程中减压阀阀芯位移很小,可以认为Fs基本保持不变。故节流阀两端压力差p2 - p3也基本保持不变,这就保证了通过节流阀的流量稳定。

2.     2.     温度补偿调速阀  

普通调速阀的流量虽然已能基本上不受外部负载变化的影响,但是当流量较小时,节流口的通流面积较小,这时节流口的长度与通流截面水力直径的比值相对地增大,因而油液的粘度变化对流量的影响也增大,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,可以采用温度补偿调速阀。

 

5-34温度补偿原理图

温度补偿调速阀的压力补偿原理部分与普通调速阀相同,q=ΔKApm可知,Δp不变时,由于粘度下降,K(m≠0.5的孔口)上升,此时只有适当减小节流阀的开口面积,方能保证q不变。图5-34为温度补偿原理图,在节流阀阀芯和调节螺钉之间放置一个温度膨胀系数较大的聚氯乙烯推杆,当油温升高时,本来流量增加,这时温度补偿杆伸长使节流口变小,从而补偿了油温对流量的影响。在2060℃的温度范围内,流量的变化率超过10%,最小稳定流量可达20mL/min(3.3×10-7m3/s)

四、溢流节流阀(旁通型调速阀)  溢流节流阀也是一种压力补偿型节流阀,5-35(a) 为其工作原理图及职能符号。

5-35溢流节流阀

(a)工作原理图(b)职能符号

1—液压缸2—安全阀3—溢流阀4—节流阀

从液压泵输出的油液一部分从节流阀4进入液压缸左腔推动活塞向右运动,另一部分经溢流阀的溢流口流回油箱,溢流阀阀芯3的上端a腔同节流阀4上腔相通,其压力为p2;b和下端腔c同溢流阀阀芯3前的油液相通,其压即为泵的压力p1,当液压缸活塞上的负载力F增大时,压力p2升高,a腔的压力也升高,使阀芯3下移,关小溢流口,这样就使液压泵的供油压力p1增加,从而使节流阀4的前、后压力差(p1-p2)基本保持不变。这种溢流阀一般附带一个安全阀2,以避免系统过载。

溢流节流阀是通过p1p2的变化来使流量基本上保持恒定的,它与调速阀虽都具有压力补偿的作用,但其组成调速系统时是有区别的,调速阀无论在执行元件的进油路上或回油路上,执行元件上负载变化时,泵出口处压力都由溢流阀保持不变,而溢流节流阀是通过p1p2(负载的压力)的变化来使流量基本上保持恒定的。因而溢流节流阀具有功率损耗低,发热量小的优点。但是,溢流节流阀中流过的流量比调速阀大(一般是系统的全部流量),阀芯运动时阻力较大,弹簧较硬,其结果使节流阀前后压差Δp加大(需达0.30.5MPa),因此它的稳定性稍差。

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