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  • 流量电液动平板闸门要受到油温变化的影 响
  • 2019-12-24    发布者:扬州嘉丰
  •   液压传动4_液压控制阀_物理_自然科学_专业资料。液压传动 本章主要内容: 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 *4.6 *4.7 第4章 液压控制阀 Chapter 4 液压控制阀 液压阀概述 方向控制阀 压力控制阀 流量控制阀 液压叠加阀

      液压传动 本章主要内容: 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 *4.6 *4.7 第4章 液压控制阀 Chapter 4 液压控制阀 液压阀概述 方向控制阀 压力控制阀 流量控制阀 液压叠加阀、插装阀和多路阀 电液伺服控制阀 电液比例控制阀 中国矿业大学机电工程学院 School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 ◆学习要求: ?掌握各种阀的工作原理 第4章 液压控制阀 ?熟悉各种阀的特性及应用场合 ?熟悉常见阀的结构及调整方法 ?能识别各种阀的职能符号和工作方式 ?能评价和选择各种阀的性能参数 ?了解各种新型阀的工作原理和结构特点 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 ◆本章重点: 第4章 液压控制阀 各种常用的换向阀 、压力阀 、流量阀的工作原 理、典型结构、工作特性、职能符号的识别 ◆本章难点: 对阀工作原理的理解以及阀工作特性分析 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 ◆学习建议: 第4章 液压控制阀 ?着重学习液压控制元件的工作原理 ?着重学习液压控制元件的基本特性 ?着重学习液压控制元件之间的区别 ?着重学习液压控制元件的应用 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1 液压阀概述 第4章 液压控制阀 液压阀是用来控制系统中液体流动方向或调节其压力和流量 液压阀有三大类:方向阀、压力阀和流量阀 。 ?压力阀和流量阀是利用通流截面的节流作用来控制系统的 压力和流量。 ?方向阀则利用通流通道的更换来控制液体的流动方向。 在结构上,所有的阀都由阀体、阀心(座阀或滑阀)和驱 使阀心动作的元、部件(如弹簧、电磁铁)组成。 在工作原理上,所有阀的开口大小,进、出口间的压差以 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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 阀可按不同的特征进行分类! 液压传动 表4-1 液压阀分类 分类方法 种 类 第4章 液压控制阀 详 细 分 类 溢流阀、减压阀、顺序阀、卸荷阀、平衡阀、比例压 力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力 继电器等 节流阀、单向节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、比 例流量控制阀等 单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、梭阀、 比例方向控制阀等 圆柱滑阀、旋转阀、平板滑阀 压力控制阀 按机能分类 流量控制阀 方向控制阀 滑阀 按结构分类 座阀 射流管阀 喷嘴挡板阀 锥阀、球阀 单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀 中国矿业大学机电工程学院 School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 分类方法 种 手动阀 机动阀 按操纵 方法分类 类 挡块及碰块、弹簧 液动阀 电液动阀 第4章 液压控制阀 详 细 分 类 手把及手轮、踏板、杠杆 液动阀 电液阀 电动阀 管式连接 普通/比例电磁铁控制、力马达/力矩马达/步进电动 机/伺服电动机控制 螺纹式连接、法兰式连接 单层连接板式、双层连接板式、整体连接板式、叠加 阀、多路阀 螺纹式插装(二、三、四通插装阀)、盖板式插装 (二通插装阀) 按连接 方法分类 板式/叠加式连接 插装式连接 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 分类方法 种 比例阀 按控制 方法分类 第4章 液压控制阀 类 详 细 分 类 电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向 阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀; 单、两级(喷嘴挡板式、滑阀式)电液流量伺服阀 、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、机液伺 服阀 数字控制压力阀、数字控制流量阀与方向阀 方向控制阀、顺序阀、限速切断阀 溢流阀、减压阀、节流阀、调速阀、各类电液控制 阀(比例阀、伺服阀) 伺服阀 数字控制阀 按输出参 数可调节 性分类 开关控制阀 输出参数连 续可调的阀 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1.1 阀性能的基本要求 第4章 液压控制阀 系统中所用的阀,应满足如下要求: ? 动作灵敏,使用可靠,工作时冲击和振动小,噪 声小,寿命长 ? 液体流过时压力损失小 ? 密封性能好 ? 结构紧凑,安装、调整、使用、维护方便,通用 性大 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1.1 阀性能的基本要求 ◆液压阀共同点: 第4章 液压控制阀 ? 结构:阀都是由阀体、阀芯、使阀芯动作的部件 组成 ?工作原理:都符合孔口流量公式 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1.2 阀心的结构和性能 第4章 液压控制阀 表4-2 阀口的形式及其通流截面的计算公式* 类 型 滑阀式① 阀 口 形 式 通流截面计算公式 A ? πDx A=nwx n为槽数 x ? ? R? 2 ? 2 ) ? ( R ? x ) ? 2R x ? ( x ) ? A ? 2? R 2 arccos( ? R 2 2 2 ? ? ? ? 中国矿业大学机电工程学院 滑阀式 错位孔式 School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 类 型 阀 口 形 式 A? n 三角槽式 第4章 液压控制阀 通流截面计算公式 ? 2 x 2 tan2? n为槽数 A ? nR 2 arccos R? x ? ( R ? x ) 2 Rx ? x2 R 或 弓形孔式 R2 A?n (? ? sin? ) ; 以弧度计 ? 2 n为孔数 wx ? , w ? 2 tan x 2 2 偏心槽式 A? x ? e 2 ? R2 ? 2eRcos? ? R School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 斜槽式 第4章 液压控制阀 A ? wx sin ? 旋旋槽式 A ? Rw? 转楔式 A ? w( 1 ? cosα)Rcotθ ①滑阀式的阀口,当阀心在中间位臵时,如沉割槽宽度B大于阀心凸肩宽度b,即B>b,则 表示有正预开口;b=B,为零开口;b>B,为正遮盖(即负预开口)。 液压传动 Part 4.1.3 液动力 第4章 液压控制阀 很多液压阀采用滑阀式结构。滑阀的阀心 移动、改变阀口的开口大小或启闭时控制 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。 液动力有稳态液动力和瞬态液动力两种。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 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。图4-1所示为油液流过阀口的 两种情况。取阀心两凸肩间的容腔中的液 体作为控制体,对它列写动量方程,可得 这两种情况下的轴向液动力都是 Fbs=ρqvcosΦ,其方向都是促使阀口关闭的。 2 根据章知识以及 A0 ? w cr2 ? xV ,上式 可写成 第4章 液压控制阀 Fbs ? 2C dC v w c ? x ?p cos ? 2 r 2 V 图4-1 滑阀的稳态液动力 a)液流流出阀口 b)液流流入阀口 中国矿业大学机电工程学院 (4-1) School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 第4章 液压控制阀 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。例如, 当Cd=0.7,Cv=1,cr=0,w=1cm,Φ=69°,Δp=10MPa, xv=0.101cm 时,稳态轴向液动力Fbs≈50N。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。 图4-2a所示为采用特种形状的阀腔;图4-2b所示为在阀套上开斜 孔,使流出和流入阀腔液体的动量互相抵消,从而减小轴向液动力; 图4-2c所示为改变阀心的颈部尺寸,使液流流过阀心时有较大的压 降,以便在阀心两端面上产生不平衡液压力,抵消轴向液动力等, 都是在实践中使用过的具体例子。 稳态液动力要使阀口关闭,相当于一个复位力,故它对滑阀性能的 另一影响是使滑阀的工作趋于稳定。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-2 稳态液动力的补偿法 a)特种形状阀腔 b)阀套开斜孔 c)液流产生压降 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 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。 第4章 液压控制阀 图4-3 瞬态液动力 a)开口加大,液流流出阀口 b)开口加大,液流流入阀口 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-3所示为阀心移动时出现瞬态液动力的情况。当阀口开度发生变 化时,阀腔内长度为l 那部分油液的轴向速度亦发生变化,也就是 出现了加速或减速,于是阀心就受到了一个轴向的反作用力Fbt,这 就是瞬态液动力。很明显,若流过阀腔的瞬时流量为q,阀腔的截 面积为As,阀腔内加速或减速部分油液的质量为m0,阀心移动的速 度为v,则有 d( As v ) dv dv dq Fbt ? ? m0 ? ? ?As l ? ? ?l ? ? ?l dt dt dt dt (4-2) 据章知识和等式Ao=wxv,当阀口前后的压差不变或变化不大时, 流量的变化率dq/dt为。 dx dq 2 ? Cd w ?p V dt ? dt School of Mechanical and Electrical Engineering 代入式(4-2),得 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 瞬态液动力公式 第4章 液压控制阀 滑阀上瞬态液动的方向, 视油液流入还是流出阀腔 而定。 dxV F ? ?C wl 2 ??p bt d dt (4-3) 图4-3a中油液流出阀腔,则阀口开度加大时长度为l 的那部分油液 加速,开度减小时油液减速,两种情况下瞬态液动力作用方向都与 阀心的移动方向相反,起着阻止阀心移动的作用,相当于一个阻尼 力。这时式(4-3)中的l 取正值,并称之为滑阀的“正阻尼长度”。 反之,图4-3b中油液流入阀腔,阀口开度变化时引起液流流速变化 的结果,都是使瞬态液动力的作用方向与阀心移动方向相同,起着 帮助阀心移动的作用,相当于一个负的阻尼力。这种情况下式(43)中的l 取负值,并称之为滑阀的“负阻尼长度”。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 滑阀上的“负阻尼长度”是造成滑阀工 作不稳定的原因之一。 滑阀上如有好几个阀腔串联在一起,阀 心工作的稳定与否就要看各个阀腔阻尼 长度的综合作用结果而定。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1.4 卡紧力 第4章 液压控制阀 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,有的是由于脏物进入缝隙而使阀心移 动困难,有的是由于缝隙过小在油温升高时阀心膨胀而卡死。 但是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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 图4-4b所示为阀心因加工误差而带有 图4-4c所示为阀心表面有局部 图4-4a所示为阀心与阀孔无几 倒锥(锥部大端朝向高压腔),阀心 突起(相当于阀心碰伤、残留 何形状误差,轴心线平行但不 与阀孔轴心线平行但不重合时的情况。 毛刺或缝隙中楔入脏物),且 重合时的情况,这时阀心周围 阀心受到径向不平衡压力的作用(图 中曲线间的阴影部分,下同), 突起在阀心的高压端时,阀心 缝隙内的压力分布是线性的 使阀心与阀孔间的偏心距越来越大, 受到的径向不平衡力将使阀心 (图中A1和A2线所示),且各 直到两者表面接触为止,这时径向不 的高压端凸起部分推向孔壁。 向相等,因此阀心上不会出现 平衡力达到值。但是,如阀心带 径向不平衡力。 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心和阀孔 间的偏心距减小。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-4所示为滑阀上产生径向不平衡力的几种情况 图4-4 滑阀上的径向力 b)有倒锥,轴线平行,有偏心 a)无锥度,轴线平行,有偏心 c)阀心表面有突起 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 当阀心受到径向不平衡力作用而和阀孔相接触后,缝隙中的 存留液体被挤出,阀心和阀孔间的摩擦变成半干摩擦乃至干 摩擦,因而使阀心重新移动时所需的力就大大增加了。 由图4-5可以推导出径向不平衡力的估算公式如下: F ?? 2π 0 ? ? h ? ?r ? ? ? ? p1 ? ? 1 ? ?p ?lr cos ? d? dx ?0 2h1 ? ?r ? ? ? ? l ? ? ? ? ? ? 2πlr1?r ?p 1 ? ? 1? ? 2 4e ? ? ? 2e ? 1? ? ? ? ? ? ? ? 2h0 ? ?r ? ? ? ? ? πlD?r ?p ? e ? 2 ? 2 ? (2h0 ? ?r ) ? z (4-4) 图4-5 径向不平衡力计算图 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 式中,D=2r1;Δp=p1-p2;Δr=r1-r2;h1= h0-ecosθ,h0为阀心 与阀套同心时大端的缝隙值。 由式(4-4),并设在阀心大端已接触阀套,即e=h0时,得 ? ? ?r ? ? 2? ? h0 F π ? ?r ? ? ? ? ? 1? ? h ?? ? 2 lD?p 4 ? 0 ? ? ? ?r ? ?r ? ? ? ? ? 4 ? h0 ? h0 ? ? ? ? ? ? ? 此式在Δr/h0=0.9时有极值, 故有 Fmax ? 0.27lD?p (4-5) 设阀心与阀套间的摩擦因数为f,则移动阀心所需克服的 大摩擦阻力为: Ft ? 0.27 flD?p (4-6) 液压传动 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。槽的位臵应尽可能靠 近高压端。槽的尺寸是:宽0.3~0.5mm, 深0.5~0.8mm,电液动三通分料器槽距1~5mm。 开槽后,移动阀心的力将减小,如取摩 擦因数f=0.04~0.08时,移动阀心的力: 第4章 液压控制阀 为了减小液压卡紧力,可以采取下述一些措施: 图 均 压 槽 的 位 置 4-6 式中,λk是一系数,其数值与槽数n有关, 均压槽数n 如表4-3所示。 λ k Ft=(0.01~0.02)λklDΔp (4-7) 表4-3 λk值 1 0.4 3 0.06 7 0.027 液压传动 第4章 液压控制阀 为了减小液压卡紧力,还可以采取下述一些措施: 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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.1.5 阀的泄漏特性 ?锥阀不产生泄漏。 第4章 液压控制阀 ?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。 ?滑阀用于压力阀或方向阀时,压力油通过径向缝隙泄漏量 的大小,是阀的性能指标之一。 ?滑阀用于伺服阀时,实际的和理论的滑阀零开口特性之间 的差别,也取决于泄漏特性。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 滑阀的泄漏量计算公式 ?dh3 ?dh q0 ? ?p ? u0 12?l 2 第4章 液压控制阀 ∴为了减小泄漏,应尽量使阀心和阀 孔同心,另外应提高制造精度。 图4-7 泄漏量曲线 滑阀在某一位臵停留时,通过缝隙的泄漏量随时间的增加而逐渐减 小,但有时也出现相反的现象,即随时间的增加而增大。泄漏量减小 的原因,有人认为是油液中的污染物沉积所致;但也有人认为是油液 分子粘附在缝隙表面而使通流截面减小所致。泄漏增大的原因则是由 于在液压卡紧力作用下,阀心在阀孔处于偏心状态所致。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.2 方向控制阀 第4章 液压控制阀 常用的方向控制阀的类型如表4-4所示。 表4-4 方向控制阀的类型 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 1. 单向阀 图4-8所示为一种管式普通单 液压系统中常用的单 向阀的结构。压力油从阀体 向阀有普通单向阀和 左端的通口P1流入时,克服 液控单向阀两种。 弹簧3作用在阀心2上的力, 使阀心向右移动,打开阀口, 普通单向阀 并通过阀心上的径向孔a、轴 向孔b从阀体右端的通口P2流 普通单向阀的作用, 出。但是压力油从阀体右端 是使油液只能沿一个 的通口P2流入时,它和弹簧 方向流动,不许它反 力一起使阀心锥面压紧在阀 座上,使阀口关闭,油液无 向倒流。 法从P2口流向P1口。 图4-8b所示是单向阀的图形 符号图(后同)。 第4章 液压控制阀 图4-8 单向阀 a)结构图 b)图形符号图 1—阀体 2—阀心 3—弹簧 单向阀的阀心也可以用钢球式的结构, 其制造方便,但密封性较差,只适用于 小流量的场合。 液压传动 第4章 液压控制阀 在普通单向阀中,通油方向的阻力应尽可能小,而不通油方向应 有良好的密封。另外,单向阀的动作应灵敏,工作时不应有撞击 的噪声。单向阀弹簧的刚度一般都选得较小,使阀的正向开启压 力仅需0.03~0.05MPa。如采用刚度较大的弹簧,使其开启压力达 0.2~0.6MPa,便可用作背压阀。 单向阀性能参数主要有:正向小开启压力、正向流动时压力损 失以及反向泄漏量等。这些参数都和阀的结构和制造质量有关。 单向阀常被安装在泵的出口,可防止系统压力冲击对泵的影响, 另外泵不工作时可防止系统油液经泵倒流回油箱。单向阀还可用 来分隔油路防止干扰。单向阀和其他阀组合,便可组成复合阀。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 口, 的上 内泄 构较 ,K 的压 仅适 。 液压传动 液控单向阀 第4章 液压控制阀 液控单向阀有普通型和带卸荷阀心型两种,每种又按其控制活塞的 泄油腔的连接方式分为内泄式和外泄式两种。 图4-9为普通型外泄式液控单向阀。 当控制口K处无控制压力通入时, 其作用和普通单向阀一样,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,且其作用在控制活塞1上 的液压力超过P2腔压力和弹簧4作 用在阀心3上的合力时(控制活塞 上腔通泄油口),控制活塞推动 推杆2使阀心上移开启,通油口P1 和P2接通,油液便可在两个方向 自由通流。这种结构在反向开启 时控制压力较小。 图4-9 普通型液控单向阀 1—控制活塞 2—推杆 3—阀心 4—弹簧 液压传动 在高压系统中,液控单向阀反向开 启前P2口的压力很高,所以使之反 向开启的控制压力也较高,且当控 制活塞推开单向阀心时,高压封闭 回路内油液的压力突然释放,会产 生很大的冲击,为了避免这种现象 且减小控制压力,可采用如图4-10所 示的带卸荷阀心的液控单向阀。作 用在控制活塞1上的控制压力推动控 制活塞上移,先将卸荷阀心6顶开, P2和P1腔之间产生微小的缝隙,使 P2腔压力降低到一定程度,然后再 顶开单向阀心实现P2到P1的反向通 流。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-10带卸荷阀心的液控单向阀(内泄) 1—控制活塞 2—推杆 3—阀心 4—弹 簧座 5—弹簧 6—卸荷阀心 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 液控单向阀的一般性能与普通单向阀相同,但有反向开启小控 制压力要求。当P1口压力为零时,反向开启小控制压力:普通 型的为(0.4~0.5)p2,而带卸荷阀心的为0.05p2,两者相差近10倍。 必须指出,其反向流动时的压力损失比正向流动时还小,因为在 正向流动时,除克服流道损失外,还须克服阀心上的液动力和弹 簧力。 液控单向阀在系统中主要用途有: 1)对液压缸进行锁闭; 2)作立式液压缸的支承阀; 3)某些情况下起保压作用。 顺便指出,也有一种液控单向阀,其控制压力的作用是使阀 心关闭的,但这种阀仅在特殊场合中使用。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 2. 换向阀 第4章 液压控制阀 换向阀是利用阀心在阀体中的相对运动,使液流的通路接通、 关断,或变换流动方向,从而使执行元件启动、停止或变换 运动方向。 对换向阀的主要要求 : 换向阀应满足: 1)液体流经阀时的压力损失要小 2)互不相通的通口间的泄漏要小 3)换向要平稳、迅速且可靠 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 换向阀的工作原理: 图4-11所示为滑阀式换向阀的 工作原理。阀心在中间位臵时 ,流体的全部通路均被切断, 活塞不运动。当阀心移到左端 时,泵的流量流向A口,使活 塞向右运动,活塞右腔的油液 流经B口和阀流回油箱;反之 ,当阀心移到右端时,活塞便 向左运动。因而通过阀心移动 可实现执行元件的正、反向运 动或停止。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-11 滑阀式换向阀工作原理 和图形符号 a)示意图 b)图形符号 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 换向阀的结构形式: 第4章 液压控制阀 换向阀的功能主要由其控制的通路数及工作位臵所决定。图4-11 所示的换向阀有三个工作位臵和四条通路(P、A、B、T),称 为三位四通阀。 结构主体 阀体和滑阀阀心是滑阀式换向阀的结构主体。 表4-5列出了常见滑阀式换向阀主体部分的结构原理、图形符号和使用场 合。以表中末行的三位五通阀为例,阀体上有P、A、B、T1、T2五个通 口,阀心有左、中、右三个工作位臵。当阀心处在图示中间位臵时,五 个通口都关闭;当阀心移向左端时,通口T2关闭,通口P和B相通,通口 A和T1相通;当阀心移向右端时,通口T1关闭,通口P和A相通,通口B 和T2相通。这种结构型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臵上停止运动。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 名 称 二位 二通阀 二位 三通阀 二位 四通阀 三位 四通阀 二位 五通阀 三位 五通阀 第4章 液压控制阀 图形符号 使用场合 控制油路的接通与切断(相当于一个开关) 控制液流方向(从一个方向变换成另一个 方向) 不能使执行元件 在任一位臵上停 止运动 能使执行元件在 任一位臵上停止 运动 不能使执行元件 在任一位臵上停 止运动 能使执行元件在 任一位臵上停止 运动 表4-5 滑阀式换向阀主体部分的结构形式 结构原理图 控 制 执 行 元 件 换 向 执行元件正反向 运动时回油方式 相同 执行元件正反向 运动时可以得到 不同的回油方式 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 换向阀都有两个或两个以上的工作位臵,其中一个是常位,即阀 心未受外部操纵时所处的位臵。绘制液压系统图时,油路一般应 连接在常位上。 滑阀的操纵方式 ①手动换向阀 图4-12所示为手动换向阀及其图形符号。图412a所示为弹簧自动复位结构的阀,松开手柄,阀心靠弹簧力恢复 至中位(常位),适用于动作频繁、持续工作时间较短的场合, 操作比较安全,常用于工程机械。图4-12b所示为弹簧钢球定位结 构的阀,当松开手柄后,阀仍然保持在所需的工作位臵上,适用 于机床、液压机、船舶等需保持工作状态时间较长的情况。这种 阀也可用脚踏操纵。 将多个手动换向阀组合在一起,用以操纵多个执行元件的运动 ,便构成多路阀。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-12 手动换向阀(三位四通) a)弹簧自动复位结构 b)弹簧钢球定位结构 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 ②机动换向阀 图4-13所示为机动换向阀及其图形符号,它依靠 挡铁或凸轮来压迫阀心移动,从而实现液流通、断或改变流向。 ③电磁换向阀 电磁换向阀借助于电磁 铁吸力推动阀心动作来改变液流流向 。这类阀操纵方便,布臵灵活,易实 现动作转换的自动化,因此应用广 泛。图4-14和图4-15所示为电磁换向 阀的结构及图形符号。 电磁阀的电磁铁按所用电源的不同 ,分为交流型、直流型和交流本整型 三种;按电磁铁内部是否有油侵入, 又分为干式、湿式和油浸式三种。 1—滚轮 2—阀心 3—弹簧 School of Mechanical and Electrical Engineering 图4-13 机动换向阀 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-14 交流二位三通电磁换向阀及其干式电磁铁结构图 1—衔铁 2—线—阀体 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 1—阀体 2—阀心 3—弹簧座 4—弹簧 5—挡块 6—导磁套7—推杆 8—街铁 9—线 直流三位四通电磁换向阀及其湿式电磁铁结构图 液压传动 第4章 液压控制阀 交流电磁铁使用方便,起动力大,吸合、释放快,动作时间快 约为10ms;但工作时冲击和噪声较大,为避免线圈过热,换向频 率不能超过60次/min;起动电流大,在阀心被卡时会烧毁线圈; 工作寿命仅数百万次至一千万次以内。 直流电磁铁体积小,工作可靠;冲击小,允许换向频率为120次 /min,可达300次/min;使用寿命可高达两千万次以上;但 起动力比交流电磁铁要小,且需有直流电源。 交流本整型电磁铁自身带有整流器,可以直接使用交流电源,又 具有直流电磁铁的性能。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 干式电磁铁如图4-14a所示。为避免油液侵入电磁铁,在推杆4的 外周上装有密封圈3,使线的绝缘性能不受油液的影响。但推 杆上密封圈的摩擦力则影响着电磁铁的换向可靠性。 湿式电磁铁如图4-15a所示。该电磁铁的导磁套6是一个密封筒状 结构,与换向阀阀体1接连时仅套内的衔铁8工作腔与滑阀直接连 接,推杆7上没有任何密封,套内可承受一定的液压力。线部 分仍处于干的状态。由于推杆上没有密封,从而提高了换向可靠 性。衔铁工作时处于油液润滑状态,且有一定阻尼作用而减小了 冲击和噪声。所以湿式电磁铁具有吸合声小、散热快、可靠性好 、效率高、寿命长等优点。因此已逐渐取代传统的干式电磁铁。 油浸式电磁铁铁心和线圈都浸在油液中工作,因此散热更快、换 向更平稳可靠、效率更高、寿命更长。但结构复杂,造价较高。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 根据JB5244—1991标准规定,各种形式电磁铁的机械寿命(吸 合与释放次数)应不低于表4-6所列数值。 表4-6 电磁铁的机械寿命 电磁铁形式 交流干式型 直流干式型 交流本整干式型 机械寿命/次 60×104 6×106 电磁铁形式 交流湿式型 直流湿式型 交流本整湿式型 机械寿命/次 6×106 10×106 由于电磁铁的吸力一般≤90N,因此电磁换向阀只适用于压力不太 高、流量不太大的场合。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 ④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心位臵的 换向阀。图4-16所示为三位四通液动换向阀及图形符号。当控制油路的 压力油从控制油口K1进入滑阀左腔、滑阀右腔经控制油口K2接通回油时 ,阀心在其两端压差作用下右移,使压力油口P与A相通、B与T相通;当 K2接压力油、K1接回油时,阀心左移,使P与B相通、A与T相通;当K1 和K2都通回油时,阀心在两端弹簧和定位套作用下处于中位,P、A、B 、T相互均不通。必须指出,液动换向阀还需另一个阀来操纵其控制油路 的方向。 图4-16 三位四通液动换向阀 液压传动 第4章 液压控制阀 ⑤电液换向阀 图4-17所示为电液换向阀的结构原理及其图形符号。 由图可见,当两个电磁铁都不通电时,电磁阀阀心4处于中位,液动阀( 主阀)阀心8因其两端都接通油箱,也处于中位。电磁铁3通电时,电磁 阀阀心移向右位,压力油经单向阀1接通主阀心的左端,其右端的油则经 节流阀6和电磁阀而接通油箱,于是主阀心右移,移动速度由节流阀6的 开口大小决定。同理,当电磁铁5通电,电磁阀阀心移向左位时,主阀心 也移向左位,其移动速度由节流阀2的开口大小决定。 在电液换向阀中,控制主油路的主阀心不是靠电磁铁的吸力直接推动的 ,是靠电磁铁操纵控制油路上的压力油液推动的,因此推力可以很大, 操纵也很方便。此外,主阀心向左或向右的移动速度可分别由节流阀2或 6来调节,这就使系统中的执行元件能够得到平稳无冲击的换向。所以, 这种操纵型式的换向性能是较好的,适用于高压、大流量的场合。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 1、7—单向阀 2、6—节流阀 3、5—电磁铁 4—电磁阀阀心 8—液动阀阀心(主阀心) 图4-17 电液换向阀 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 滑阀机能 第4章 液压控制阀 换向阀的滑阀机能分为工作位臵机能和过渡状态机能, 前者是指滑阀处于某个工作位臵时,其各个油口的连通关系; 后者则指滑阀从一个工作位臵变换到另一个工作位臵的过渡 过程中,它的各个油口的瞬时连通关系。不同的滑阀机能对 应有不同的功能。滑阀机能对换向阀的换向性能和系统的工 作特性有着重要的影响。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 表4-7 二位换向阀滑阀工作位臵机能 几种常用换向阀的滑阀机能见表4-7~表4-8。 通路数 二 通 三 通 滑阀机能代号 O 图形符号 通路数 滑阀机能代号 图形符号 H H O I1 Y K P J 四 通 四 通 I2 I3 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 滑阀性能代号 O 第4章 液压控制阀 图形符号 中位特点 各油口全封闭,系统不卸载,缸封 闭 各油口全连通,系统卸载 表4-8 三位换向阀滑阀工作位臵机能 滑阀中位状态 H Y 系统不卸载,缸两腔与回油连通 J 系统不卸载,缸一腔封闭,另一腔 与回油连通 压力油与缸一腔连通,另一腔及回 油皆封闭 C School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 P 第4章 液压控制阀 压力油与缸两腔连通,回油封闭 K 压力油与缸一腔及回油连通,另一 腔封闭,系统可卸载 压力油与各油口半开启连通,系统 保持一定压力 系统卸载,缸两腔封闭 X M 系统不卸载,缸两腔连通,回油封 闭 系统不卸载,缸一腔与回油连通, 另一腔封闭 U N 注:阀心两端工作位臵的接通形式,除常用的交叉通油外,也可设计成特殊的OP型或MP型。 液压传动 第4章 液压控制阀 在分析和选择三位换向阀中位工作机能时,通常考虑以下因素: 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(如X型),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,系统卸荷,既节约能量,又防止油液 发热。 3)换向平稳性和精度 当液压缸的A、B两口都封闭时,换向过程不平稳, 易产生液压冲击,但换向精度高。反之,A、B两口都通T口时,换向过 程中工作部件不易制动,换向精度低,但液压冲击小。 4)起动平稳性 阀在中位时,液压缸某腔若通油箱,则起动时该腔因无油 液起缓冲作用,起动不太平稳。 5)液压缸“浮动”和在任意位臵上的停止 阀在中位,当A、B两口互通时, 卧式液压缸呈“浮动”状态,可利用其他机构移动,调整位臵。当A、B 两口封闭或与P口连接(非差动情况),则可使液压缸在任意位臵停下。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 *电磁球阀简介 第4章 液压控制阀 电磁球阀是一种以电磁铁的推力为驱动力推动钢球来实 现油路通断的电磁换向阀。 电磁球阀密封性能好,可应用于达63MPa的高压,换向、复 位速度快,换向频率高(可达250次/min),对工作介质粘 度的适应范围广,可直接用于高水基、乳化液,由于没有液 压卡紧力,以及受液动力影响小,换向、复位所需力很小, 此外,它的抗污染性也好。电磁球阀在小流量系统中可直接 控制主油路,而在大流量系统中作先导阀也很普遍。目前电 磁球阀只有两位阀,需用两个二位阀才能组成一个三位阀。 这种阀的加工、装配精度要求较高,成本价格也相应增加。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 图4-18所示为一个二位三 通电磁球阀。当电磁铁8断 电时,弹簧7将钢球5压紧 在左阀座4的孔上,油口P 与A通,T关闭。当电磁铁 通电时,电磁推力使杠杆3 绕支点1逆时针旋转,电磁 力经杠杆放大后通过操纵 杆2克服弹簧力将钢球压向 右阀座6的孔上,于是油口 P与A不通,A与T相通,实 现换向。通道b的作用使钢 球两侧液压力平衡。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-18 电磁球式换向阀(二位三通) 1—支点 2—操纵杆 3—杠杆 4—左阀座 5—钢球 6—右阀座 7—弹簧 8—电磁铁 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 *转阀 第4章 液压控制阀 转阀通过阀心的旋转实现油路的通断和换向。 图4-19所示为三位四通转阀原理、符号和结构图。原理图4-19a和 符号图4-19b的左、中、右位臵是相对应的。 图4-19中,当阀心处于图4-19a、b所示的中位时,P、A、B、T互不相 通。当阀心顺时针转一角度,处于图4-19a、b右位所示状态,油口P和B 相通,A和T相通。当阀心反时针转一角度,处于图4-19a、b左位所示状 态,则油口P和A相通,B和T相通,此时对应图4-19c所示状态。 转阀可用手动或机动操纵。由于转阀径向力不平衡,旋转阀心 所需力较大,且密封性能差,故一般用于低压小流量场合,或作 先导阀用。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 换向阀的主要性能(以电磁阀的项目为多): (1)工作可靠性 工作可靠性指电磁铁通电以后能否可靠地 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,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4-20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4-21所示为某电磁阀的压力损失曲 线。一般地说,阀体铸造流道中的压力损失比机械加工流道 中的损失小。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-20 电磁阀的换向界限 图4-21 电磁阀的压力损失 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 (3)内泄漏量 在各个不同工作位臵,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 执行元件的正常工作。 (4)换向和复位时间 换向时间指从电磁铁通电到阀心换 向终止的时间;复位时间指从电磁铁断电到阀心回复到初 始位臵的时间。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。一般说来,交流电磁阀的换向时 间约为0.03~0.05s,换向冲击较大;而直流电磁阀的换向 时间约为0.1~0.3s,换向冲击较小。通常复位时间比换向 时间稍长。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 (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。目前交流单电磁铁的电磁阀的换向 频率一般为60次/min以下。 (6)使用寿命 使用寿命指电磁阀用到它某一零件 损坏,不能进行正常的换向或复位动作(或者使 用到电磁阀的主要性能指标超过规定指标时经历 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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 Part 4.3 压力控制阀 第4章 液压控制阀 表4-9 压力控制阀的分类 常用的压力控制阀的类 型如表4-9所示。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 1. 溢流阀 (1)直动式溢流阀 图4-22中L为泄漏油口。 功用和要求 图4-22所示为直动式滑阀型溢流阀 图示回油口T与泄漏油流经的弹簧 直动式滑阀型溢流阀当压力较 当进口P处压力升高至作用在阀心 溢流阀是通过阀口的溢流,使被控 的结构及其图形符号。压力油从进 腔相通,L口堵塞,称为内泄。内 高、流量较大时,要求调压弹簧有 底面上液压力大于弹簧预调力时, 制系统或回路的压力维持恒定,实 口P进入阀后,经孔f和阻尼孔g后作 泄时回油口T的背压将作用在阀心 很大的力,这不仅使调节性能变差, 阀心开始向上运动。当阀心上移重 现稳压、调压或限压作用。 用在阀心4的底面c上。当进口压力 上端面,这时与弹簧力相平衡的将 弹簧设计和结构上也难以实现,而 叠量l 时,阀口处于开启的临界状 对溢流阀的主要要求:调压范围大, 较低时,阀心在弹簧2预调力作用 是进出油口压差。 且阀口虽有重叠量,滑阀仍存在泄 态。若压力继续升高至阀口打开, 调压偏差小,压力振摆小,动作灵 下处于下端,由底端螺母限位。 漏,因而难以实现很高的压力控制, 油液从P口经T口溢流回油箱。此时, 若将泄漏油腔与T口的连接通道e 堵 敏,过流能力大,噪声小。 由阀心与阀体5构成的节流口有重 因而这种阀一般用于低压小流量场 由于溢流阀的作用,在流量变化时, 塞,将L口打开,直接将泄漏油引 叠量l将P与T口隔断,阀处于关闭 合,目前已较少应用。 进口压力能基本保持恒定。 工作原理和结构形式 回油箱,这种连接方式称外泄。 状态。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-22 直动式滑阀型溢流阀 1-调节螺母 2-弹簧 3-上盖 4-阀心 5-阀体 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-23所示为直动式锥阀型和球阀型溢流阀的结构。节流口 密封性能好,不需重叠量,可直接用于高压大流量场合。 图4-23 高压大流量直动式溢流阀 a)锥阀型 b)球阀型 图4-23a所示高压大流量直动式溢流阀锥阀型结构的压力、 流量分别可达40MPa和300L/min,图4-23b所示的球阀型结 构的压力、流量可达63MPa和120L/min。电液动三通分料器 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 经主阀节流口的流量便在进油口 压差作用在主阀心上下面积上 阀有两个阻尼孔2和8,一个 (2)先导式溢流阀 先导式 P建立压力。因流经先导阀的流 的合力正好与主阀弹簧力平衡 在主阀心上,另一个在先导阀 溢流阀按其主阀心不同有三种 量极小,所以主阀心上腔的压力 先导式溢流阀中流经先导阀的 时,主阀心处于开启的临界状 典型结构形式,即一级、二级 座上。当阀P口的压力增加时 基本上和由先导阀弹簧预调力所 和三级同心式。 油液可内泄(如图4-24所示) 态。当P口的压力再稍稍增加 ,使阻尼孔2,流道a、动态 确定的先导阀心前容腔压力相等 ,而使流经阻尼孔的流量再稍 阻尼孔8及先导阀心前容腔的 ,也可外泄。 ,而主阀上阻尼孔2两端用以打 二级同心式先导溢流阀如图4开主阀心的压差,仅须克服主阀 稍增大,阻尼孔2两端压力之 压力相应增加,而能克服先导 外泄时,可将先导阀口油单独 24所示,因其主阀与锥阀部 弹簧的作用力、主阀心重力及液 差克服主阀弹簧力使主阀打开 阀弹簧预调力使先导阀开启, 引回油箱,而将先导阀回油口 分直径保持同心而得名。主阀 动力等,也并不很大,所以可以 ,这时从P口输入流量将分成 就有液流从P口经阻尼孔2、 与主阀回油口T的连接通道b 心1上部受压面积略大于下部 认为溢流阀进口处压力基本上也 两部分,少量流量经先导阀后 流道a、阻尼孔8、开启的先 由先导阀弹簧预调力所确定。在 堵住。 ,当阀P口压力较低先导阀心 流向出油口T,大部分则经主 导阀和通道b流到T口。此流 溢流阀的主阀心升起且有溢流作 4未开启时,作用在主阀心上 用时,溢流阀进口处的压力便可 阀节流口流向T口。 量将在阻尼孔2两端产生压差 液压力合力方向与弹簧3作用 维持由先导阀弹簧所调定的定值 。 力相同,使阀关闭。 。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-24 二级同心式先导溢流阀 1—主阀心 2—阻尼孔 3—主阀弹簧 4—先导阀心 5—先导阀弹簧 6—调压手轮 7—螺堵 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 阀体上有一个远程控制口K,当将 此口通过二位二通阀接通油箱时, 主阀心上腔的压力接近于零,主阀 心在很小的压力下即可向上移动且 阀口开得,这时泵输出的油液 在很低的压力下通过阀口流回油箱 ,实现卸荷作用。如果将K口接到 另一个远程调压阀上(其结构和溢 流阀的先导阀一样)并使打开远程 调压阀的压力小于打开溢流阀先导 阀心4的压力,则主阀心上腔的压 力(从而溢流阀的溢流压力)就由 远程调压阀来决定。使用远程调压 阀后,便可对系统的溢流压力实行 远程调节。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-24 二级同心式先导溢流阀 1—主阀心 2—阻尼孔 3—主阀弹簧 4—先导阀心 5—先导阀弹簧 6—调压手轮 7—螺堵 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 特性 第4章 液压控制阀 当溢流阀稳定工作时,作用在阀心上的力相互平衡。以图4-22所示的直 动式溢流阀为例,如令p为进口处的压力(稳态下它就是阀心底端的压 力),A为阀心承压面积,Fs为弹簧作用力,Fg为阀心重力,Fbs为作用 在阀心上的轴向稳态液动力,Ff为摩擦力,则当阀垂直安放时,阀心上 的受力平衡方程为 pA ? Fs ? Fg ? Fbs ? Ff (4-8) 在一般情况下,略去阀心自重和摩擦力,将式(4-1)(即:轴向稳态液 动力公式)代入上式,令xR表示溢流阀的开度,略去Cr不计,且取Cv=1 则有 Fs p? A ? 2Cd? xR cos ? (4-9) 中国矿业大学机电工程学院 School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 第4章 液压控制阀 可见溢流阀进口处的压力是由弹簧力决定的。如忽略稳态液动力, 且假设弹簧力Fs变化相当小,则由式(4-9)可知溢流阀进口处的压力基 本上维持由弹簧调定的定值。然而,在弹簧力调整好之后,因溢流阀流 量变化,阀口开度xR的变化影响弹簧压紧力和稳态液动力,所以溢流阀 在工作时进口处的压力还是会发生变化的。 如令xc为弹簧调整时的预压缩量,ks为弹簧刚度,则由式(4-9)有 k s ( xc ? x R ) p? A ? 2Cd?xR cos? (4-10) 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 pc称为溢流阀的开启压力,其值为 ks pc ? xc A School of Mechanical and Electrical Engineering (4-11) 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 当溢流量增加时,阀心上升,阀口开度加大,p值亦加大。 当溢流阀通过额定流量qn时,阀心上升到相应位臵,这时进 口处的压力pT称为溢流阀的调定压力或全流压力。全流压力 与开启压力之差称为静态调压偏差,而开启压力与全流压力 之比称为开启比。溢流阀的开启比越大,它的静态调压偏差 就越小,所控制的系统压力便越稳定。 溢流阀溢流时通过阀口的流量q可以由章的公式求出,在 考虑了式(4-10)、式(4-11)和等式A0=ωxR,并因溢流阀 的回油口接通油箱,Δp=p,便有如后页所示的公式 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 直动式溢流阀的“压力量”特性方程 Cd Aw 2p q? ( p ? pc ) ks ? 2Cd w cos?p ? 根据特性方程画出来曲线称为溢流特 性曲线所示。溢流阀的理 想溢流特性曲线是一条在pT处平 行于流量坐标的直线,即仅在p达到pT 时才溢流,且不管溢流量多少,压力 始终保持在pT值上。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) School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 对先导式溢流阀来说,对应于式(4-9)的公式为 式中,p'为主阀心上端的压 Fs ? p?A (4-13) 力,其值由先导阀弹簧的压紧 p? A ? 2Cd wxR cos? 力决定;其余符号意义同前。 当先导阀弹簧调整好之后,在溢流时主阀心上端的压力p'便基本 上是个定值,此值与p值很接近(两者间之差值为油液通过阻尼孔 的压降),所以主阀弹簧力Fs只要能克服阀心的摩擦力就行,主 阀弹簧可以做得较软。当溢流量变化引起主阀阀心位臵变化时, Fs值变化较小,因而p的变化也较小。为此先导式溢流阀的开启比 通常都比直动式的大,即静态调压偏差比直动式的小(见图425)。 中国矿业大学机电工程学院 School of Mechanical and Electrical Engineering 液压传动 第4章 液压控制阀 溢流阀的阀心在工作中受到摩擦力的作用,阀口开大和 关小时的摩擦力方向刚好相反,因此阀在工作时不可避免地 会出现粘滞现象,使阀开启时的特性和闭合时的特性产生差 异。图4-25中的实线表示其开启特性,而虚线则表示其闭合 特性。在某一溢流流量时,这两曲线纵坐标(即压力)的差 值,即是不灵敏区(压力在此差值范围内变动时,阀心不起 调节作用)。不灵敏区使受溢流阀控制的系统的压力波动范 围增大。先导式溢流阀的不灵敏区比直动式溢流阀的小。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 关于溢流阀的启闭特性,目前有如下规定:先把溢流阀 调到全流量时的额定压力,在开启过程中,当溢流量加大到 额定流量的1%时,系统的压力称为阀的开启压力。在闭合 过程中,当溢流量减小到额定流量的1%时,系统的压力称 为阀的闭合压力。为了保证溢流阀具有良好的静态特性,一 般说来,阀的开启压力和闭合压力对额定压力之比分别不应 低于85%和80%。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 溢流阀的动态特性 当溢流阀的溢流量由零 到额定流量发生阶跃变 化时,其进口压力将如 图4-26所示迅速升高并 超过其调定压力值,然 后逐步衰减并稳定在调 定压力值上。这过程即 为溢流阀的动态特性。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-26 溢流阀的动态特性 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 评价溢流阀阶跃响应指标主要有: 1)压力超调量 是峰值压力和调定压力之差Δp与阀的调 定压力pT比的百分值,即Δp/pT×。性能良好的溢流阀 必须说明的是:溢流阀的阶跃响应 的压力超调量一般应小于30%。` 不仅反映阀本身的性能,而在很大 程度上还受系统参数如阀前容腔大 2)压力上升时间 压力开始上升次达到调定压力值所需 小和油的等效体积模量(与钢管、 时间Δt1,它反映阀的快速性。 橡胶软管等管道材料及油中含气量 3)过渡过程时间 压力开始上升到后稳定在调定压力 等有关)的影响。 pT±5%pT所需时间Δt2。 4)压力卸荷时间 压力由调定压力降到卸荷压力所需的时间 Δt3。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 溢流阀的主要用途有: 第4章 液压控制阀 1)作稳压阀,溢流阀有溢流时,可维持阀进口亦即系统压力 恒定。(常开做稳压阀) 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。(常闭做安全阀) 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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 2. 减压阀 第4章 液压控制阀 减压阀分定值、定差和定比减压阀三种,其中常用的是定 值减压阀。如不指明,通常所称的减压阀即为定值减压阀。 功用和要求 在同一系统中,往往有一个泵要向几个执行元件供油,而各执行元 件所需的工作压力不尽相同。若某执行元件所需的工作压力较泵的供油 压力低时,可在该分支油路中串联一减压阀。油液流经减压阀后,压力 降低,且使其出口处相接的某一回路的压力保持恒定。这种减压阀称为 定值减压阀。 对减压阀的要求是:出口压力维持恒定,不受进口压力、通过流量大小 的影响。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 工作原理和结构 第4章 液压控制阀 减压阀也有直动式和先导式两种,每种各有二通和三通两种形式。 图4-27所示为直动式二通减压阀的工作原理。 当阀心处在原始位臵上时,它的阀口a是打开 的,阀的进、出口沟通。这个阀的阀心由出口 处的压力控制,出口压力未达到调定压力时阀 口全开,阀心不动。当出口压力达到调定压力 时,阀心上移,阀口开度xR关小。如忽略其他 阻力,仅考虑阀心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, 阀心下移,阀口开度xR开大,阀口处阻力减小, 压降减小,使出口压力回升,达到调定值。反 之,如出口压力增大,则阀心上移,阀口开度 xR关小,阀口处阻力加大,压降增大,使出口 压力下降,达到调定值。 图4-27 直动式减压阀工作原理 液压传动 第4章 液压控制阀 图4-28所示为直动式三通减压阀(带单向阀)的结构和图形符号 。图中P1口为一次压力油口,P2口为二次压力油口,T为回油口, 弹簧腔泄漏油口Y和T口相通(内泄)。 图4-28 直动式三通减压阀 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 三通与二通减压阀减压的工作原理 基本相似,其主要区别是:前者有 两个可变节流阀口,因此在工作腔 P2中无任何负载流量时能正常工作, 而后者的负载腔内必须有流量时才 能正常工作;此外,三通减压阀的 二次压力油口流入反向流量时也可 起恒压作用,此时的功能相当于溢 流阀,因此三通减压阀又称溢流减 压阀。 图4-29所示为先导式减压阀,它的 工作原理可仿照图4-27以及先导式 溢流阀来进行分析。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-29 先导式二通减压阀 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 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,电液动三通分料器而溢流阀保持进 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)为保证减压阀出口压力调定值恒定,它的先导阀弹 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,所以它的先导阀弹簧腔和泄漏油可通过阀体 上的通道和出油口接通,不必单独外接油箱(当然也可 外泄)。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 性能 第4章 液压控制阀 在图4-27中,如忽略减压阀阀心的自重、摩擦力,且令Cv=1,则 阀心上的力平衡方程为 p2 A ? 2Cd wxR cos? ( p1 ? p2 ) ? ks ( xc ? xR ) ks ( xc ? xR ) ? 2Cd wxR cos?p1 p2 ? A ? 2Cd wxR cos? 如忽略稳态液动力,则 (4-14) 式中,xc为当阀心开口xR=0时的弹簧预压缩量。由此得 (4-15) p2 ? ks ( xc ? x R ) A (4-16) 液压传动 第4章 液压控制阀 在使用ks很小的弹簧,且考虑到xRxc时,则 ks p2 ? xc ? con st (4-17) A 当减压阀的出油口处不输出油 减压阀的p2-q特性曲线 液时,它的出口压力基本上仍 所示。减压阀进口压力p1基本 能保持恒定,此时有少量的油 恒定时,若通过的流量q增加, 液通过减压阀开口经先导阀和 则阀口缝隙xR加大,出口压力 泄油管流回油箱,保持该阀处 略微下降。先导式减压阀出油 于工作状态。 口压力的调整值越低,它受流 量变化的影响就越大。 School of Mechanical and Electrical Engineering 图4-30 减压阀的特性曲线 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 应用 第4章 液压控制阀 减压阀主要用在系统的夹紧、电液换向阀的控制压力油、 润滑等回路中。而三通减压阀还可用在有反向冲击流量的场 合。必须指出,应用减压阀必有压力损失,这将增加功耗和 使油液发热。当分支油路压力比主油路压力低很多,且流量 又很大时,常采用高、低压泵分别供油,而不宜采用减压阀。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 应用 定差减压阀和定比减压阀。 主要用来和其他阀组成组合 阀,如定差减压阀可保证节 流阀进出口间的压差维持恒 定,这种减压阀和节流阀串 联连接组成的调速阀,其工 作原理将在后面提及。 图4-31所示为定比减压阀的 结构原理图。定比减压阀的 进口压力和出口压力之比维 持恒定。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-31 定比减压阀 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 应用 阀心在稳态下的力平衡方程: 第4章 液压控制阀 p1 A1 ? ks ( xc ? xR ) ? p2 A2 (4-18) 式中 p1、p2 ——进口、出口压力; A1、A2——阀心面积; xR——阀口开度; xc——阀口关闭,即xR=0时的 弹簧预压缩量; ks——弹簧刚度。 School of Mechanical and Electrical Engineering 图4-31 定比减压阀 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 弹簧力很小可忽略,则有 p2 p1 ? A 1 A2 第4章 液压控制阀 (4-19) 由式(4-19)可见,在A1/A2一定 时,该阀能维持进、出口压力 间的定比关系,而改变阀心的 压力作用面积A1、A2,便可得 到不同的压力比。 图4-31 定比减压阀 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 3. 顺序阀 第4章 液压控制阀 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 序阀还可具有其他功能,如作背压阀、平衡阀或卸 荷阀用。 工作原理和结构 顺序阀也有直动式和先导式之分,根据控制压力来 源的不同,它有内控式和外控式之分;根据泄油方 式,它有内泄式和外泄式两种。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 直动式内控外泄顺序阀的工作原理 第4章 液压控制阀 图4-32所示为直动式 内控外泄顺序阀的工 作原理。泵起动后, 油源压力p1克服负载 使液压缸Ⅰ运动。当 p1口压力升高至作用 在柱塞A下端面积上 的液压力超过弹簧预 调力时,阀心便向上 运动,使p1口和p2口 接通。油源压力经顺 序阀口后克服液压缸 Ⅱ的负载使活塞运动。 这样利用顺序阀实现 了液压缸Ⅰ和Ⅱ的顺 序动作。 东南大学机械工程学院 图4-32 顺序阀的工作原理 a)结构 b)内控外泄式顺序阀符号 c)外控外泄式顺序阀符号 液压传动 第4章 液压控制阀 顺序阀的结构与溢流阀相似。两者主要差别是: 顺序阀的出口通常与负载油路相通,而溢流阀的出口则与回 油相通,因此顺序阀调压弹簧中的泄漏油和先导控制油必须 外泄,如内泄阀将无法开启;而溢流阀的泄漏油和先导控制 油可内泄也可外泄。此外,溢流阀的进口压力调定后是不变 的,而顺序阀的进口压力在阀开启后将随出口负载增加而进 一步升高。 若将图4-32a的下部阀盖转动180°,并将外控口K的螺堵卸 去,便成为外控式。为减少弹簧刚度以使开启后进、出口压 力尽可能接近,该阀采用截面积较小的柱塞A。阀心中空以 使阀心下端的泄漏油经弹簧腔外泄。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 第4章 液压控制阀 ?内控式顺序阀在其进油路压力p1达到阀的设定压力之 前,阀口一直是关闭的,达到设定压力后阀口才开启, 使压力油进入二次油路,驱动另一个执行元件工作。 ?外控式顺序阀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。 ?直动式顺序阀结构简单,动作灵敏,但由于弹簧和结 构设计的限制,虽可采用小直径柱塞,弹簧刚度仍较大, 因此调压偏差大且限制了压力的提高,调压范围一般小 于8MPa,较高压力时宜采用先导式顺序阀。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 图4-33所示为先导式顺序 阀,图示为内控式,也可变成 外控式。其先导控制油必须经 L口外泄。采用先导控制后, 主阀弹簧刚度可大为减小,主 阀心面积则可增大,故启闭特 性显著改善,工作压力也可大 大提高。先导式顺序阀的缺点 是当阀的进口压力因负载压力 增加而增大时,将使通过先导 阀的流量随之增大,引起功率 损失和油液发热。 School of Mechanical and Electrical Engineering 第4章 液压控制阀 图4-33 先导式顺序阀 1—阀体 2—阀心 3—阻尼孔 4—盖板 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 性能 第4章 液压控制阀 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地实 现顺序动作,要求阀的调压偏差小,因而调压弹簧的刚度小一些好。另 外,阀关闭时,在进口压力作用下各密封部位的内泄漏应尽可能小,否 则可能引起误动作。 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,保持垂直放臵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。 School of Mechanical and Electrical Engineering 中国矿业大学机电工程学院 液压传动 *4. 平衡阀 第4章 液压控制阀 图4-34所示为在工程机械领域得到广泛应用的一种平衡阀结构。重物下 降时的油流方向为B→A,X为控制油口。当没有输入控制油时,由重物 形成的压力油作用在锥阀2上,B口与A口不通,重物被锁定。当输入控 制油时,推动活塞4右移,先顶开锥阀2内部的先导锥阀3。由于阀3右移, 切断了弹簧8所在容腔与B口高压腔的通路,该腔快速卸压。此时,B口 还未与A口沟通。当活塞4右移至其右端面与锥阀2端面接触时,其左端 圆盘正好与活塞附件5接触形成一个组件。该组件在控制油作用下压缩弹 簧9继续右移,打开锥阀2,B口与A口相通,其通流截面依靠阀套上几排 小孔来逐渐增大,从而起到了很好的平衡阻尼作用。活塞4左端中心部分 还配臵了一套阻尼组件6。这样,平衡阀在反向

     



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