压力控制阀

Question

如题所述

Answer 1

压力控制阀在液压系统中主要用来控制系统或回路的压力，或利用压力作为信号来控制其他元件的动作。常用的压力控制阀有溢流阀、减压阀和顺序阀等。

图8-17 双向液压锁结构示意图

图8-18 梭阀结构图及符号

（一）溢流阀

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。

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8-19a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8-19b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.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（直接作用式）和先导式两种。

图8-19 溢流阀的作用

（1）直动式溢流阀：直动式溢流阀是依靠作用在阀芯上主油路的油液压力，直接与作用在阀芯上的弹簧力相平衡来控制阀芯启闭的溢流阀。

直动式溢流阀的结构图和图形符号如图8-20所示，其结构主要由阀体1，阀芯2，弹簧3，调节杆4，调节螺母5等组成。P为进油口，T为回油口。压力油p从P口进入溢流阀，部分压力油经阀芯2下端的径向孔a和轴向阻尼孔b进入阀芯底部油腔c，油液对阀芯产生一个向上的液压力F。若调压弹簧3的预压缩为x₀，则弹簧作用于阀芯上的力F_s，方向向下，大小为F_s＝kx₀

当进口压力p较低，F＜F_s时，阀芯处于图示的位置，将进油口P与回油口T隔断。当压力p增大，达到F≥F_s时，阀芯向上运动，调压弹簧被压缩，溢流阀口被打开，进出油口连通而溢流。此时阀芯处于受力平衡状态，调节螺母5可以改变弹簧的压紧力，这样就可以调节溢流阀的进口油液压力p。若设阀芯下端油液作用面积为A₀，阀口开度为x，弹簧预压缩量为x₀，弹簧刚度为K_s，同时忽略阀芯重力、摩擦力、液动力的影响，则可列出平衡方程

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则

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若溢流阀工作中阀口开度x相对于x₀很小，可忽略，则溢流阀入口压力p为恒定值。

图8-20 直动式溢流阀

图8-21 锥阀式直动溢流阀

由式（8-2）可以看出，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的目的。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。同时可知，系统控制压力与弹簧力的大小成正比，因此要提高控制压力一方面可通过减小阀芯的面积来达到，另一方面可增大弹簧压缩量或增大弹簧的刚度。由于受到结构尺寸的限制，应增大弹簧刚度。这样，在阀芯相同位移的情况下，弹簧力变化较大，因而溢流阀的定压精度较低，所以，这种直动式溢流阀，一般用于定压小于2.5MPa的小流量场合。

如果采取适当的措施，直动式溢流阀也可实现高压大流量情况下的定压控制。如德国Rexroth公司开发的通径为6～20mm的压力为40～63MPa，通径为20～30mm的压力为31.5MPa的直动式溢流阀，最大流量可达330L/min，其中较为典型的锥阀式结构如图8-21所示。锥阀2的左端设有偏流盘1托住调压弹簧，锥阀右端有一阻尼活塞3，用来提高锥阀工作稳定性和保证开启后不倾斜。偏流盘1上的环形槽用来改变液流方向，一方面以补偿锥阀2的液动力，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的增加，但由于与弹簧力反方向的射流力同时增加，结果抵消了弹簧力的增加，有利于提高阀的通流流量和工作压力。

（2）先导式溢流阀：先导式溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀用于控制主阀芯两端的压差，其结构类似于直动式溢流阀，但一般多为锥阀（或球阀）形阀座式结构。主阀用于控制主油路的溢流，其主阀芯有滑阀和锥阀两种。按主阀阀芯的配合情况，可分为三级同心式和二级同心式两种结构。

三级同心式先导式溢流阀的结构如图8-22所示，它要求主阀芯6上部与先导阀体3，中部活塞与主阀体4，下部锥阀与主阀座7三个部位同心，加工精度和装配精度要求都很高。压力油从主阀体4中部的进油口P进入，并通过主阀芯6上的阻尼孔5进入主阀芯上腔，再经过先导阀体3上的通道a和锥阀座上2的小孔作用于锥阀1上。当进油压力p1小于先导阀调压弹簧9的调定值时，先导阀关闭，进入阀腔中的油液不流动，主阀芯上下两侧的油液压力相同，在主阀弹簧8的作用下主阀关闭，不溢流。当进油压力p1超过先导阀的调定压力时，先导阀被打开，进入阀腔的油液经主阀芯阻尼孔5、通道a、先导阀口、主阀芯中心孔至主阀体4下部出油口（溢流口）T流出。油液流过阻尼孔5，在主阀芯上下两侧会产生一定压差，并且其油液压力的合力向上，该力如果能够克服主阀弹簧力、主阀芯自重、阀芯所受液动力和摩擦力时，则主阀芯开启。此时进油口P和出油口T直接相通，系统溢流并保持压力恒定。

图8-22 三级同心式先导式溢流阀

先导式溢流阀有一个远程控制口K，如果将K口用油管连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相似），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。远程调压阀的调节压力应小于溢流阀本身先导阀的调整压力，否则远程调压阀将处于不工作状态。通过一个电磁换向阀使远程口K分别与一个（或多个）远程调压阀的入口连接，即可实现二级（或多级）调压。通过电磁换向阀使远程口与油箱相通，即可使系统卸荷，此时的溢流阀变成了卸荷阀。

3.溢流阀的性能特性

溢流阀的主要性能特性包括稳态特性和动态特性两方面。稳态特性是指液压系统稳定工作时，溢流阀的一些工作特性。动态特性是指液压系统从一个工作状态突变到别另一个工作状态时，阀在瞬态工况时的特性，即阀在过渡过程中的一些特性。对一般的液压系统，主要是要求溢流阀的稳态特性要好，只有在频繁冲击的液压系统中，才对动态特性有所要求。

（二）减压阀

减压阀是利用流体流过阀口产生压力降的原理，使出口压力低于进口压力，并保持出口压力恒定，主要用于系统某一支路的油液压力要求低于主油路压力的场合。例如，当系统中的夹紧支路或润滑支路需要稳定的低压时，只需在该支路上串联一个减压阀即可。减压阀按其控制压力形式不同可分为定值减压阀，定差减压阀和定比减压阀三种。其中定值减压阀应用最为广泛，简称减压阀。按其结构又分为直动式减压阀和先导式减压阀两种。

1.减压阀的结构和工作原理

（1）定值减压阀：定值减压阀使进入阀的进口液压力经减压输出，并保持输出的压力值恒定。

图8-23 直动式减压阀的工作原理

A直动式减压阀：直动式减压阀的工作原理如图8-23所示。p₁口是进油口，p2口是出油口，阀芯在原始位置时，进、出口畅通，阀处于常开状态。阀芯下端的压力引自出口，当出口压力p2增大到减压阀调定压力时，阀芯处于上升的临界状态，当p2继续增大时，阀芯上移，减小阀口，油液阻力增大，使出口压力减小；反之，当出口压力p2减小时，阀芯下移，阀口开大，压降减小，使出口压力回升。若忽略阀芯运动时的摩擦力、重力和液动力，并设阀芯下端油液作用面积为A_R，弹簧刚度为K_s，预压缩量为x₀，阀芯最大开口量为x_max，阀口开度为x，则阀芯的力平衡方程为

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则

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若x＜＜x₀＋x_max则有

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这就是减压阀出口压力可基本保持定值的原因。

当减压阀进油口压力p1基本恒定时，若通过减压阀的流量增加，则阀口开度加大，出口压力p2略有下降。

B先导式减压阀：先导式减压阀的工作原理和图形符号如图8-24所示，其工作原理与先导式溢流阀基本相同，这里不再详述。

图8-24 先导式减压阀

需要注意，先导式减压阀出口处不输出流量时，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口经先导阀和外泄口流回油箱，保持阀处于工作状态；减压阀的泄油口必须直接接回油箱，以保证回油畅通，因为如果泄油有背压或堵塞，将影响减压阀的正常工作。

同先导式溢流阀相比，它们之间有如下几点不同：

a.减压阀保持出口压力不变，而溢流阀保持进口压力不变。

b.在不工作时，减压阀阀口常开，而溢流阀阀口常闭。

c.减压阀泄油口直接接油箱（外泄）；而溢流阀的出油口可外泄，也可内泄。

与溢流阀的入口压力由负载建立一样，减压阀的出口压力也是由负载建立的。若负载建立的压力低于减压阀的调定压力，则阀出口压力由负载决定，此时减压阀不起减压作用，进出口压力相等。对先导式减压阀来说，保证出口压力恒定的条件是先导阀开启，这一点与溢流阀类似。

（2）定差减压阀：定差减压阀保持进、出口压力差不变，其工作原理与图形符号分别如图8-25a、8-25b所示。进口压力p₁经减压口后变为出口压力p2，出口压力油经阀芯中心孔流入阀芯左腔，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，即

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式中：Ks为弹簧刚度；x₀为弹簧预压缩量；x为阀口开度。

可见，只要尽量减小阀口开度的变化量，即可使压力差Δp近似地保持为定值。

图8-25 定差减压阀

（3）定比减压阀：定比减压阀保持进出口压力比值不变，工作原理与图形符号分别如图8-26所示。进口压力p1经减压后降为p2，并将p2引入阀芯上腔。稳态工作时，忽略液动力、阀芯自重和摩擦力，则可得到阀芯的力平衡方程为

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式中：A₁、A₂分别为p1、p2的有效承压面积；k为弹簧刚度；x₀、x分别为弹簧的预压缩量和阀口开度。

由式（8-7）知，只要保证弹簧刚度尽量小，则可忽略弹簧力，于是得

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可见，选择阀芯的作用面积A₁、A₂便可得到所要求的压力比，且比值近似恒定。

图8-26 定比减压阀

2.减压阀的应用及注意事项

当液压系统主油路的压力较高，压力波动比较大而分支油路需要一个稳定的较低工作压力时，可以主油路与分支油路间串接一减压阀，用以降低和调节分去油路的工作压力，同时可消除主油路波动对分支油路的工作压力的影响。减压阀广泛用于系统的夹紧、润滑、电液换向阀的控制压力等回路中。应当注意，为使减压回路可靠工作，其减压阀的最高调定压力应比系统调定压力低一定的数值。例如，在中压系统约低0.5MPa，中高压系统约低1MPa，否则减压阀不能正常工作。当减压支路的执行元件需要调速时，节流元件应安装在减压阀出口的油路上，以免减压阀工作时，其先导阀泄油影响执行元件的速度。

（三）顺序阀

顺序阀是以压力为信号自动控制油路通断的压力控制阀，常用于控制系统中多个执行元件动作的先后顺序。顺序阀按动作原理可分为直动式和先导式；按控制压力油的来源，可分为内控式和外控式；按泄油方式可分为内泄和外泄等类型。

1.顺序阀的结构和工作原理

直动式顺序阀的结构原理如图8-27a所示，当进油口的油压p1低于弹簧2的调定压力时，活塞6下端油液向上的推力较小，阀芯5处于最下端位置，阀口关闭，油液不能通过顺序阀流出。当进油口油液压力p1达到弹簧调定压力时，阀芯5抬起，阀口开启，压力油即可从顺序阀的出口流出，使阀后的油路工作。经阀芯与阀体间的缝隙进入弹簧腔的泄油从外泄口L进入油箱。这种顺序阀利用其进油口压力控制，称为普通顺序阀（也称为内控式顺序阀），其图形符号如图8-27b所示。由于阀出油口接压力油路，因此其上端弹簧处的泄油口必须另接一油管通油箱，这种连接方式称为外泄。

图8-27 直动式顺序阀

2.顺序阀的功能及应用

顺序阀根据控制方式，泄油方式及与单向阀组合可构成各种不同功能的顺序阀。其职能符号和用途见表8-12。

3.平衡阀

平衡阀也称限速锁（图8-28），是一种外控内泄式单向顺序阀，由一个单向阀和一个顺序阀并在一起使用，液压回路中，可以闭锁液压缸或马达油路中的油液，为了防止立式液压缸及其工作部件在悬空停止期间因自重而自行下滑，或在下行运动中由于自重而造成失控超速的不稳定运动，此时起闭锁作用。

表8-12 各种功能顺序阀的职能符号和用途

图8-28 平衡阀结构示意图

当液压缸或马达需要运动时，通过向另一油路通液，同时通过平衡阀内部油路控制顺序阀打开使回路接通，实现其运动。由于顺序阀本身与双向液压锁的结构不同，工作时在回路中建立一定的背压，不至于因自重超速下滑而使液压缸或马达的工作油腔产生负压，因此不会发生向双向液压锁那样的冲击和振动。

因此，平衡阀一般应用于高速重载，且对速度稳定性有一定要求的回路中。

Answer 2

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