第五章液压控制阀 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 5-1阀内流动的的基本规律;5-4方向控制阀 3、教学目的要求 了解阀内流动的的基本规律:掌握方向控制阀的位、通、机能概念;掌握常用换向阀工作原理 性能特点及使用场合。 4、教学内容要点 阀内流动的的基本规律;方向控制阀的位、通、机能概念:常用换向阀工作原理性能特点;在 路中的应用。 5、重点、难点 方向控制阀的工作原理、性能、在液压系统中的作用、职能符号 6、教学方法和手段 课堂教学为主,充分利用多媒体动画来表示抽象概念。 7.主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1复习提问 回想液压系统的四大组成部分,要执行所需要的动作,需要对液压系统进行控制。 8.2讲授新课 5-1阀内流动的的基本规律 、液压控制阀的分类 Thydraulic control valve) 在液压系统中,用于控制或调节液体的流动方向、压力高低、流量大小的元件统称为液压控制 阀。液压阀性能的优、劣、工作是否可靠,对整个液压系统能否正常工作将产生直接影响。本章将 重点介绍常用液压阀的典型结构、工作原理、性能特点及应用范围。 在液压系统中,用于控制系统中液流压力、流量和液流方向的元件总称为液压控制阀。液压控 制阀的种类繁多,除了不同品种、规格的通用阀外,还有许多专用阀和复合阀。就液压阀的基本类 型来说,通常按以下方式进行分类 1、按按用途分 (1)、压力控制阀( pressure control valve) 用来控制和调节液压系统中液流的压力或利用压力控制的阀类称为压力控制阀。如溢流阀
第五章 液压控制阀 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 5-1 阀内流动的的基本规律；5-4 方向控制阀 3、教学目的要求 了解阀内流动的的基本规律；掌握方向控制阀的位、通、机能概念；掌握常用换向阀工作原理 性能特点及使用场合。 4、教学内容要点 阀内流动的的基本规律；方向控制阀的位、通、机能概念；常用换向阀工作原理性能特点；在 回路中的应用。 5、重点、难点 方向控制阀的工作原理、性能、在液压系统中的作用、职能符号 6、教学方法和手段 课堂教学为主，充分利用多媒体动画来表示抽象概念。 7．主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1 复习提问 回想液压系统的四大组成部分，要执行所需要的动作，需要对液压系统进行控制。 8.2 讲授新课 5-1 阀内流动的的基本规律 一、液压控制阀的分类(hydraulic control valve) 在液压系统中，用于控制或调节液体的流动方向、压力高低、流量大小的元件统称为液压控制 阀。液压阀性能的优、劣、工作是否可靠，对整个液压系统能否正常工作将产生直接影响。本章将 重点介绍常用液压阀的典型结构、工作原理、性能特点及应用范围。 在液压系统中，用于控制系统中液流压力、流量和液流方向的元件总称为液压控制阀。液压控 制阀的种类繁多，除了不同品种、规格的通用阀外，还有许多专用阀和复合阀。就液压阀的基本类 型来说，通常按以下方式进行分类。 1、按按用途分 (1)、压力控制阀(pressure control valve) 用来控制和调节液压系统中液流的压力或利用压力控制的阀类称为压力控制阀。如溢流阀
减压阀、顺序阀、电液比例溢流阀、电液比例减压阀等。 2)、流量控制阀( low control valve) 用来控制和调节液压系统中液流流量的阀类称为流量控制阀,如节流阀、调速阀、分流阀、电 液比例流量阀等 (3)、方向控制阀 directional control valve) 用来控制和改变液压系统中液流方向的阀类称为方向控制阀,如单向阀、换向阀等 方向控制阀一-单向阀、换向阀等 液压阀用途)压力控制阀--溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等 流量控制阀--节流阀、调速阀 这三类可互相组合,成为复合阀,以减少管路连接,使结构更为紧凑,提高系统效率,如单向 行程调速阀等。 2、按控制方式 开关或定值控制阀 伺服挫制阀 (控制方式电液比例控制阀 数字挫制阀 (1)、开关或定值控制阀( switch valve) 这是最常见的一类液压阀,又称为普通液压阀。此类阀采用手动、机动、电磁铁和控制压力油 等控制方式启闭液流通路、定值控制液流的压力和流量。 (2)、伺服控制阀( pilot valve) 这是一种根据输入信号(电气、机械、气动等)及反馈量成比例地连续控制液压系统中液流的压 力、流量的阀类,又称为随动阀。伺服控制阀具有很高的动态响应和静态性能,但价格昂贵、抗污 染能力差,主要用于控制精度要求很高的场合 3)、电液比例控制阀 electro- hydraulic proportional valve) 电液比例控制阀的性能介于上面两类阀之间,它可以根据输入信号的大小连续地成比例地控制 液压系统中液流的参量,满足一般工业生产对控制性能的要求。与伺服控制阀相比具有结构简单 价格较低、抗污染能力强等优点,因而在工业生产中得到广泛应用。但电液比例控制阀存在中位死 区,工作频宽较伺服控制阀低。电液比例阀又分为两种,一种是直接将开关定值控制阀的控制方式 改为比例电磁铁控制的普通电液比例阀,另一种是带内反馈的新型电液比例阀 (4)、数字控制阀( digital control valve) 用计算机数字信息直接控制的液压阀称为电液数字阀。数字控制阀可直接与计算机连接,不需 要数/模转换器。与比例阀、伺服阀相比,数字阀具有结构简单、工艺性好、价廉、抗污染能力强 重复性好、工作稳定可靠、放大器功耗小等优点。在数字阀中,最常用的控制方法有增量控制型和 脉宽调制(PWM)型。数字阀的出现至今已有二十多年,但它的发展速度不快,应用范围也不广。主 要原因是,增量控制型存在分辨率限制,而PWM型主要受两个方面的制约:一是控制流量小且只 能单通道控制,在流量较大或要求方向控制时难以实现:二是有较大的振动和噪声,影响可靠性和 使用环境。此外,数字阀由于按照载频原理工作,故控制信号频宽较模拟器件低。 3、根据结构形式分类 液压控制阀一般由阀心、阀体、操纵控制机构等主要零件组成。根据阀心结构形式的不同,迪 压控制阀又可以分为以下几类 (1)、滑阀类( slide valves) 滑阀类的阀心为圆柱形,通过阀心在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小,以实现液流 压力、流量及方向的控制。 (2)、提升阀类( poppet valves) 提升阀类有锥阀、球阀、平板阀等,利用阀心相对阀座孔的移动来改变液流通路开口的大小
减压阀、顺序阀、电液比例溢流阀、电液比例减压阀等。 (2)、流量控制阀(flow control valve) 用来控制和调节液压系统中液流流量的阀类称为流量控制阀，如节流阀、调速阀、分流阀、电 液比例流量阀等。 (3)、方向控制阀(directional control valve) 用来控制和改变液压系统中液流方向的阀类称为方向控制阀，如单向阀、换向阀等。 − − − − − − 流量控制阀 节流阀 调速阀 压力控制阀 溢流阀 减压阀 顺序阀 压力继电器等 方向控制阀 单向阀 换向阀等 液压阀 用途 、 、 、 、 、 ( ) 这三类可互相组合，成为复合阀，以减少管路连接，使结构更为紧凑，提高系统效率，如单向 行程调速阀等。 2、按控制方式 数字控制阀 电液比例控制阀 伺服控制阀 开关或定值控制阀 (控制方式) (1)、开关或定值控制阀(switch valve) 这是最常见的一类液压阀，又称为普通液压阀。此类阀采用手动、机动、电磁铁和控制压力油 等控制方式启闭液流通路、定值控制液流的压力和流量。 (2)、伺服控制阀(pilot valve) 这是一种根据输入信号(电气、机械、气动等)及反馈量成比例地连续控制液压系统中液流的压 力、流量的阀类，又称为随动阀。伺服控制阀具有很高的动态响应和静态性能，但价格昂贵、抗污 染能力差，主要用于控制精度要求很高的场合。 (3)、电液比例控制阀(electro-hydraulic proportional valve) 电液比例控制阀的性能介于上面两类阀之间，它可以根据输入信号的大小连续地成比例地控制 液压系统中液流的参量，满足一般工业生产对控制性能的要求。与伺服控制阀相比具有结构简单、 价格较低、抗污染能力强等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。但电液比例控制阀存在中位死 区，工作频宽较伺服控制阀低。电液比例阀又分为两种，一种是直接将开关定值控制阀的控制方式 改为比例电磁铁控制的普通电液比例阀，另一种是带内反馈的新型电液比例阀。 (4)、数字控制阀(digital control valve) 用计算机数字信息直接控制的液压阀称为电液数字阀。数字控制阀可直接与计算机连接，不需 要数／模转换器。与比例阀、伺服阀相比，数字阀具有结构简单、工艺性好、价廉、抗污染能力强、 重复性好、工作稳定可靠、放大器功耗小等优点。在数字阀中，最常用的控制方法有增量控制型和 脉宽调制(PWM)型。数字阀的出现至今已有二十多年，但它的发展速度不快，应用范围也不广。主 要原因是，增量控制型存在分辨率限制，而 PWM 型主要受两个方面的制约：一是控制流量小且只 能单通道控制，在流量较大或要求方向控制时难以实现；二是有较大的振动和噪声，影响可靠性和 使用环境。此外，数字阀由于按照载频原理工作，故控制信号频宽较模拟器件低。 3、根据结构形式分类 液压控制阀一般由阀心、阀体、操纵控制机构等主要零件组成。根据阀心结构形式的不同，迪 压控制阀又可以分为以下几类。 (1)、滑阀类(slide valves) 滑阀类的阀心为圆柱形，通过阀心在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小，以实现液流 压力、流量及方向的控制。 (2)、提升阀类(poppet valves) 提升阀类有锥阀、球阀、平板阀等，利用阀心相对阀座孔的移动来改变液流通路开口的大小
以实现液流压力、流量及方向的控制 3)、喷嘴挡板阀类( nozzle- flapper valves) 喷嘴挡板阀是利用喷嘴和挡板之间的相对位移来改变液流通路开口大小,以实现控制的阀类。 该类阀主要用于伺服控制和比例控制元件 4、根据连接和安装方式分类 (1)、管式阀( be valve) 管式阀阀体上的进出油口通过管接头或法兰与管路直接连接。其连接方式简单,重量轻,在移 动式设备或流量较小的液压元件中应用较广。其缺点是阀只能沿管路分散布置,装拆维修不方便。 2)、板式阀( plate valve) 板式阀由安装螺钉固定在过渡板上,阀的进出油口通过过渡板与管路连接。过渡板上可以安 装一个或多个阀。当过渡板安装有多个阀时,又称为集成块,安装在集成块上的阀与阀之间的油路 通过块内的流道沟通,可减少连接管路。板式阀由于集中布置且装拆时不会影响系统管路,因而操 纵、维修方便,应用十分广泛 (3)、插装阀( plug-in valve) 插装阀主要有二通插装阀、三通插装阀和螺纹插装阀。二通插装阀是将其基本组件插入特定 设计加工的阀体内,配以盖板、先导阀组成的一种多功能复合阀。因插装阀基本组件只有两个油口, 因此被称为二通插装阀,简称插装阀。该阀具有通流能力大、密封性好、自动化和标准化程度高等 特点。三通插装阀具有压力油口、负载油口和回油箱油口,起到两个二通插装阀的作用,可以独立 控制一个负载腔。但由于通用化、模块化程度远不及二通插装阀,因此,未能得到广泛应用。螺纹 式插装阀是二通插装阀在连接方式上的变革,由于采用螺纹连接,使安装简捷方便,整个体积也相 对减小 (4)、叠加阀( stack valve) 叠加阀是在板式阀基础上发展起来的、结构更为紧凑的一种形式。阀的上下两面为安装面, 并开有进出油口。同一规格、不同功能的阀的油口和安装连接孔的位置、尺寸相同。使用时根据液 压回路的需要,将所需的阀叠加并用长螺栓固定在底板上,系统管路与底板上的油口相连。 按操纵方法分类,液压阀有手动式、机动式、电动式、液动式和电液动式等多种 按安装方式分类,液压阀有管式(螺纹式)和板式两种。 对液压阀的基本要求:各种液压阀,由于不是对外作功的元件,而是用来实现执行元件(机构) 所提出的力(力矩)、速度、变向的要求的,因此对液压控制阀的共同要求是: (1)、动作灵敏、性能好,工作可靠且冲击振动小 (2)、油液通过阀时的液压损失要小; (3)、密封性能好 (4)、结构简单紧凑、体积小,安装、调整、维护、保养方便,成本低廉,通用性大,寿命长。 阀口流量公式及流量系数 对于各种滑阀、锥阀、球阀、节流孔口,通过阀口的流量均可用下式表示: 式中,C为流量系数;为阀口通流面积;4为阀口前、后压差;P为液体密度。 1、滑阀的流量系数 设滑阀[图(a)开口长度为X,阀芯与阀体(或阀套)内孔的径向间隙为Δ,阀芯直径为d,则阀口 通流面积0为 A=W√x2+△2 式中,W为面积梯度,它表示阀口过流面积随阀芯位移的变化率。对于孔口为全周边的圆柱滑阀
以实现液流压力、流量及方向的控制。 (3)、喷嘴挡板阀类(nozzle-flapper valves) 喷嘴挡板阀是利用喷嘴和挡板之间的相对位移来改变液流通路开口大小，以实现控制的阀类。 该类阀主要用于伺服控制和比例控制元件。 4、根据连接和安装方式分类 (1)、管式阀(tube valve) 管式阀阀体上的进出油口通过管接头或法兰与管路直接连接。其连接方式简单，重量轻，在移 动式设备或流量较小的液压元件中应用较广。其缺点是阀只能沿管路分散布置，装拆维修不方便。 (2)、板式阀(plate valve) 板式阀由安装螺钉固定在过渡板上，阀的进出油口通过过渡板与管路连接。过渡板上可以安 装一个或多个阀。当过渡板安装有多个阀时，又称为集成块，安装在集成块上的阀与阀之间的油路 通过块内的流道沟通，可减少连接管路。板式阀由于集中布置且装拆时不会影响系统管路，因而操 纵、维修方便，应用十分广泛。 (3)、插装阀(plug-in valve) 插装阀主要有二通插装阀、三通插装阀和螺纹插装阀。二通插装阀是将其基本组件插入特定 设计加工的阀体内，配以盖板、先导阀组成的一种多功能复合阀。因插装阀基本组件只有两个油口， 因此被称为二通插装阀，简称插装阀。该阀具有通流能力大、密封性好、自动化和标准化程度高等 特点。三通插装阀具有压力油口、负载油口和回油箱油口，起到两个二通插装阀的作用，可以独立 控制一个负载腔。但由于通用化、模块化程度远不及二通插装阀，因此，未能得到广泛应用。螺纹 式插装阀是二通插装阀在连接方式上的变革，由于采用螺纹连接，使安装简捷方便，整个体积也相 对减小。 (4)、叠加阀(stack valve) 叠加阀是在板式阀基础上发展起来的、结构更为紧凑的一种形式。阀的上下两面为安装面， 并开有进出油口。同一规格、不同功能的阀的油口和安装连接孔的位置、尺寸相同。使用时根据液 压回路的需要，将所需的阀叠加并用长螺栓固定在底板上，系统管路与底板上的油口相连。 按操纵方法分类，液压阀有手动式、机动式、电动式、液动式和电液动式等多种。 按安装方式分类，液压阀有管式(螺纹式)和板式两种。 对液压阀的基本要求：各种液压阀，由于不是对外作功的元件，而是用来实现执行元件(机构) 所提出的力(力矩)、速度、变向的要求的，因此对液压控制阀的共同要求是： (1)、动作灵敏、性能好，工作可靠且冲击振动小； (2)、油液通过阀时的液压损失要小； (3)、密封性能好； (4)、结构简单紧凑、体积小，安装、调整、维护、保养方便，成本低廉，通用性大，寿命长。 二、阀口流量公式及流量系数 对于各种滑阀、锥阀、球阀、节流孔口，通过阀口的流量均可用下式表示： q = cq A0 2p / 式中， q c 为流量系数； A0 为阀口通流面积； p 为阀口前、后压差； 为液体密度。 1、滑阀的流量系数 设滑阀[图(a)]开口长度为 X，阀芯与阀体(或阀套)内孔的径向间隙为 ，阀芯直径为 d，则阀口 通流面积 A0 为 2 2 A0 = W x + 式中，W 为面积梯度，它表示阀口过流面积随阀芯位移的变化率。对于孔口为全周边的圆柱滑阀
W=md。若为理想滑阀(即△=0),则有40=mtr 对于孔口为部分周长时(如:孔口形状为圆形、 方形、弓形、阶梯形、三角形、曲线形等),为了避免阀芯受侧向作用力,都是沿圆周均布几个尺寸 相同的阀口,此时只需将相应的过流面积Ao的计算式代入式 x2+△2 即可相应地算出 通过阀口的流量 式4=W 中的流量系数Cq与雷诺数R有关。当R>260时,Cq为常数;若阀口 为锐边,则Cq=0.6~0.65:若阀口有不大的圆角或很小的倒角,则Cq=0.8~0.9 滑阀与锥阀阀口 (a)滑阀;(b)锥阀 2、锥阀( cone valve)的流量系数 如图(b所示,具有半锥角a且倒角宽度为s的锥阀阀口,其阀座平均直径为dm=(d+d2)2,当 阀口开度为x时,阀芯与阀座间过流间隙高度为h= sina。在平均直径dm处,阀口的过流面积为 x Ao=nd x sin a(l 2d Sin 2a) 般 x<< d Ao 锥阀阀口流量系数约为Cq=0.77~0.82 、液动力 驱动阀芯的方式有手动、机动、电磁驱动、液压驱动等多种。其中手动最简单,电磁驱动易于 实现自动控制,但高压、大流量时手动和电磁驱方式常常无法克服巨大的阀芯阻力,这时人们不得 不采用液压驱动方式。稳态时,阀芯运动的主要阻力为:液压不平衡力,稳态液动力,摩擦力(含 液压卡紧力):动态时还有瞬态液动力,惯性力等。若阀芯设计时静压力不平衡,高压下阀芯可能 无法移动,因此阀芯设计时尽可采取静压力平衡措施,如在阀芯上设置平衡活塞。阀芯静压力平衡 后,阀芯的稳态液动力和液压卡紧力又成为主要矛盾,高压、大流量时阀芯稳态液动力和液压卡紧 力可达数百至数千牛,手动时感到十分吃力 1、作用在圆柱滑阀上的稳态液动力 液流经过阀口时,由于流动方向和流速的改变,阀芯上会受到附加的作用力。 在阀口开度一定的稳定流动情况下,液动力为稳态液动力。当阀口开度发生变化时,还有瞬态 液动力作用。限于篇幅,这里仅研究稳态液动力。 稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围, 因此沿阀芯的径向分力互相抵消了,只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力
W =d 。若为理想滑阀(即 Δ＝0)，则有 A =dx 0 ,对于孔口为部分周长时(如：孔口形状为圆形、 方形、弓形、阶梯形、三角形、曲线形等)，为了避免阀芯受侧向作用力，都是沿圆周均布几个尺寸 相同的阀口，此时只需将相应的过流面积 A0 的计算式代入式 2 2 A0 = W x + ，即可相应地算出 通过阀口的流量。 式 2 2 A0 = W x + 中的流量系数 Cq 与雷诺数 Re 有关。当 Re＞260 时，Cq 为常数；若阀口 为锐边，则 Cq＝0.6～0.65；若阀口有不大的圆角或很小的倒角，则 Cq＝0.8～0.9。 滑阀与锥阀阀口 （a）滑阀；（b）锥阀 2、锥阀(cone valve)的流量系数 如图 (b)所示，具有半锥角 α 且倒角宽度为 s 的锥阀阀口，其阀座平均直径为 dm=(d1+d2)/2，当 阀口开度为 x 时，阀芯与阀座间过流间隙高度为 h=xsinα。在平均直径 dm处，阀口的过流面积为 sin 2 ) 2 0 sin (1 m m d x A = d x − 一般， dm x ,则 A0 = d m x sin 锥阀阀口流量系数约为 Cq＝0.77～0.82。 三、液动力 驱动阀芯的方式有手动、机动、电磁驱动、液压驱动等多种。其中手动最简单，电磁驱动易于 实现自动控制，但高压、大流量时手动和电磁驱方式常常无法克服巨大的阀芯阻力，这时人们不得 不采用液压驱动方式。稳态时，阀芯运动的主要阻力为：液压不平衡力，稳态液动力，摩擦力（含 液压卡紧力）；动态时还有瞬态液动力，惯性力等。若阀芯设计时静压力不平衡，高压下阀芯可能 无法移动，因此阀芯设计时尽可采取静压力平衡措施，如在阀芯上设置平衡活塞。阀芯静压力平衡 后，阀芯的稳态液动力和液压卡紧力又成为主要矛盾，高压、大流量时阀芯稳态液动力和液压卡紧 力可达数百至数千牛，手动时感到十分吃力。 1、作用在圆柱滑阀上的稳态液动力 液流经过阀口时，由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到附加的作用力。 在阀口开度一定的稳定流动情况下，液动力为稳态液动力。当阀口开度发生变化时，还有瞬态 液动力作用。限于篇幅，这里仅研究稳态液动力。 稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围， 因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力
q 作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力 (a)流出式:(b)流入式 对于某一固定的阀口开度ⅹ来说,根据动量定理(参考图5.7中虚线所示的控制体积)可求得流 出阀口时[见图(a)]的稳态液动力为 FS=-pgv2 cos8-V, cos 90%)=-pv2 cos 可见,液动力指向阀口关闭的方向 流入阀口时[见图57(b)的稳态液动力为 F=-Ag(v, cos 900-v2 cos 0)=pv2 cose 可见,液动力仍指向阀口关闭的方向。 v2=CrAp, q=Cx,ap 考虑到 所以上式又可写成 F.=±(2CC,Wcos)x4 考虑到阀口的流速较高,雷诺数较大,流量系数Cq可取为常数,且令液动力系数 K.=2 Cocosθ=常数 ,则上式又可写成 F,=±K,x4p 当压差△P一定时,由式F=士x可知,稳态液动力与阀口开度x成正比。此时液动力 相当于刚度为Ks△p的液压弹簧的作用。因此,Ks△p被称为液动力刚度。 液动力的方向这样判定:对带平衡活塞的完整阀腔而言,无论液流方向如何,其方向总是力图 使阀口趋于关闭 作用在锥阀上的稳态液动力 (1)、外流式锥阀[见图(a)]上作用的稳态轴向液动力 d P2=0 (b) 作用在锥阀上的稳态液动力 (a)外流式;(b)内流式
作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力 (a)流出式； (b)流入式 对于某一固定的阀口开度 x 来说，根据动量定理(参考图 5.7 中虚线所示的控制体积)可求得流 出阀口时[见图 (a)]的稳态液动力为 Fs = −q(v2 cos − v1 cos90) = −qv2 cos 可见，液动力指向阀口关闭的方向。 流入阀口时[见图 5.7(b)]的稳态液动力为 Fs = −q(v1 cos90 − v2 cos ) = qv2 cos 可见，液动力仍指向阀口关闭的方向。 考虑到 v = Cv p q = CqWx p 2 , 2 2 ，所以上式又可写成 Fs = (2CqCvW cos )xp 考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数 Cq 可 取 为 常 数， 且 令 液 动力 系 数 Ks = 2CqCvW cos = 常数,则上式又可写成 Fs = Ks xp 当压差 ΔP 一定时，由式 Fs = Ks xp 可知，稳态液动力与阀口开度 x 成正比。此时液动力 相当于刚度为 KSΔp 的液压弹簧的作用。因此，KSΔp 被称为液动力刚度。 液动力的方向这样判定：对带平衡活塞的完整阀腔而言，无论液流方向如何，其方向总是力图 使阀口趋于关闭。 2、作用在锥阀上的稳态液动力 (1)、外流式锥阀[见图 (a)]上作用的稳态轴向液动力 作用在锥阀上的稳态液动力 (a)外流式； (b)内流式
假定锥阀入口处的流速为v1、压力为Ps,锥阀出口处的流速为v、压力为大气压(P2=0),锥 阀口的开口量为x,半锥角为a,阀口处的过流面积为4= rnasin a,dm=(d1+d2)2。考虑 到锥阀开度不大,则可认为液流射流角0=a,一般倒角宽度s取得很小,故有md1≈d2。在稳 定流动时,不计液体的静压力PsA,利用动量定理可得出作用在锥阀上的轴向稳态液动力为 F,=-p 0=-c c nd 20 此力的方向使阀芯趋于关闭 (2)、内流式锥阀[见图(b)]上作用的稳态轴向液动力 设P2=0,按上述相同方法导出其稳态轴向推力为 Fs=p2 cose=Cq Crndmxps, sin 2a 此力的方向使阀芯进一步开启,是一个不稳定因素。故在先导型溢流阀的主阀芯上,常用在锥 阀下端加尾碟(防振尾)的办法来保证使作用其上的液动力指向阀口关闭的方向,以增加主阀芯工作 的稳定性 3、作用在滑阀上的液压卡紧力 如果阀芯与阀孔都是完全精确的圆柱形,而且径向间隙中不存在仼何杂质、径向间隙处处相等 就不会存在因泄漏而产生的径向不平衡力。但事实上,阀芯或阀孔的几何形状及相对位置均有误差 使液体在流过阀芯与阀孔间隙时产生了径向不平衡力,称之为侧向力。由于这个侧向力的存在,从 而引起阀芯移动时的轴向摩擦阻力,称之为卡紧力。如果阀芯的驱动力不足以克服这个阻力,就会 发生所谓的卡紧现象 PL 引下:在+可 B B p. 滑阀上的侧向力 (a)倒锥;(b)顺锥;(c)倾斜 阀芯上的侧向力如图所示。图中P1和P2分别为高、低压腔的压力。图(a)表示阀芯因加工误差 而带有倒锥(锥部大端在高压腔),同时阀芯与阀孔轴心线平行但不重合而向上有一个偏心距e。如 果阀芯不带锥度,在缝隙中压力呈三角形分布(图中点划线所示)。现因阀芯有倒锥,高压端的缝隙 小,压力下降较快,故压力分布呈凹形,如图(a)中实线所示;而阀芯下部间隙较大,缝隙两端的相 对差值较小,所以b比a凹得较小。这样,阀芯上就受到一个不平衡的侧向力,且指向偏心一侧, 直到二者接触为止。图(b)所示为阀芯带有顺锥(锥部大端在低压腔),这时阀芯如有偏心,也会产生 侧向力,但此力恰好是使阀芯恢复到中心位置,从而避免了液压卡紧。图(c)所示为阀芯(或阀体)因 弯曲等原因而倾斜时的情况,由图可见,该情况的侧向力较大。 根据流体力学对偏心渐扩环形间隙流动的分析,可计算出侧向力的大小。当阀芯完全偏向一边 时,阀芯出现卡紧现象,此时的侧向力最大。最大液压侧向力值为 Fms=0.27a(P1-P2) 则移动滑阀需要克服的液压卡紧力为
假定锥阀入口处的流速为 v1、压力为 PS，锥阀出口处的流速为 v2、压力为大气压(P2＝0)，锥 阀口的开口量为 x，半锥角为 α，阀口处的过流面积为 A0 =d m x sin ,d m = (d1 + d2 )/ 2 。考虑 到锥阀开度不大，则可认为液流射流角 θ＝α;一般倒角宽度 s 取得很小，故有 dm d1 d2 。在稳 定流动时，不计液体的静压力 PSA，利用动量定理可得出作用在锥阀上的轴向稳态液动力为 Fs = −qv2 cos = −CqCvd m x ps sin 2 此力的方向使阀芯趋于关闭。 (2)、内流式锥阀[见图 (b)]上作用的稳态轴向液动力 设 P2＝0，按上述相同方法导出其稳态轴向推力为 Fs = qv2 cos = CqCvd m x ps sin 2 此力的方向使阀芯进一步开启，是一个不稳定因素。故在先导型溢流阀的主阀芯上，常用在锥 阀下端加尾碟(防振尾)的办法来保证使作用其上的液动力指向阀口关闭的方向，以增加主阀芯工作 的稳定性。 3、作用在滑阀上的液压卡紧力 如果阀芯与阀孔都是完全精确的圆柱形，而且径向间隙中不存在任何杂质、径向间隙处处相等， 就不会存在因泄漏而产生的径向不平衡力。但事实上，阀芯或阀孔的几何形状及相对位置均有误差， 使液体在流过阀芯与阀孔间隙时产生了径向不平衡力，称之为侧向力。由于这个侧向力的存在，从 而引起阀芯移动时的轴向摩擦阻力，称之为卡紧力。如果阀芯的驱动力不足以克服这个阻力，就会 发生所谓的卡紧现象。 滑阀上的侧向力 (a)倒锥；(b)顺锥；(c)倾斜 阀芯上的侧向力如图所示。图中 P1 和 P2 分别为高、低压腔的压力。图(a)表示阀芯因加工误差 而带有倒锥(锥部大端在高压腔)，同时阀芯与阀孔轴心线平行但不重合而向上有一个偏心距 e。如 果阀芯不带锥度，在缝隙中压力呈三角形分布(图中点划线所示)。现因阀芯有倒锥，高压端的缝隙 小，压力下降较快，故压力分布呈凹形，如图(a)中实线所示；而阀芯下部间隙较大，缝隙两端的相 对差值较小，所以 b 比 a 凹得较小。这样，阀芯上就受到一个不平衡的侧向力，且指向偏心一侧， 直到二者接触为止。图(b)所示为阀芯带有顺锥(锥部大端在低压腔)，这时阀芯如有偏心，也会产生 侧向力，但此力恰好是使阀芯恢复到中心位置，从而避免了液压卡紧。图(c)所示为阀芯(或阀体)因 弯曲等原因而倾斜时的情况，由图可见，该情况的侧向力较大。 根据流体力学对偏心渐扩环形间隙流动的分析，可计算出侧向力的大小。当阀芯完全偏向一边 时，阀芯出现卡紧现象，此时的侧向力最大。最大液压侧向力值为 0.27 ( ) max p1 p2 F = ld − 则移动滑阀需要克服的液压卡紧力为
F≤0.27fu(p1-p2) 式中,f为摩擦系数,介质为液压油时,取f=0.04~0.08。 为了减小液压卡紧力,可采取以下措施 (1)、在倒锥时,尽可能地减小,即严格控制阀芯或阀孔的锥度,但这将给加工带来困难 (2)、在阀芯凸肩上开均压槽。均压槽可使同一圆周上各处的压力油互相沟通,并使阀芯在中心 定位。开了均压槽后,引入液压卡紧力修正系数为K,可将式F≤027(P-P2)修正 为F≤027KJ(P1-P2) 开一条均压槽时,K=04:开三条等距槽时,K=0.063:开七条槽时,K=0.027。槽 的深度和宽度至少为间隙的10倍,通常取宽度为0.3~0.5mm,深度为08~1mm。槽的边 缘应与孔垂直,并呈锐缘,以防脏物挤入间隙。槽的位置尽可能靠近高压腔:如果没有 明显的高压腔,则可均匀地开在阀芯表面上。开均压槽虽会减小封油长度,但因减小了偏 心环形缝隙的泄漏,所以开均压槽反而使泄漏量减少 (3)、采用顺锥 (4)、在阀芯的轴向加适当频率和振幅的颤振 (5)、精密过滤油液。 4、滑阀的液压卡紧现象 换向阀在停止使用一段时问后(一般约五分钟以后)重新起动时,为使阀芯移动,理论上只需 要很小的力来克服粘性摩擦阻力就可以了。但实际上,特别在中、高压系统中却十分费力,需要克 服很大的阻力才能使阀芯移动,把这种现象称为滑阀的液压卡紧现象 液压卡紧现象是由于阀芯和阀体的几何形状误差和中心线的不重合而造成的。因为在这种情况 下,进入阀芯与阀体配合间隙中的压力油将对阀芯产生不平衡的径向力,该力在一定条件下使阀芯 贴在孔壁上,产生相当大的摩擦力(扣紧力),使得操纵滑阀运动发生困难,严重时甚至被卡住 为减小径向不平衡液压力,一般在阀芯在台肩上开有宽0.3~0.5mm、深05~lmm、间距1~5mm的 环形均压槽。这样可以显著地减小液压卡紧力 滑阀的液压卡紧现象是个共性问题,不仅换向阀有,其它液压阀(如溢流阀、减压阀等)上也存 在。为减小液压卡紧力.必须对滑阀的几何精度从配合间隙予以严格探控制,可参考有关液压设 手册 5-4方向控制阅( directional control valve) 方向控制阀有单向阀、换向阀等。 、单向阀( one-way valve) 单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种 1、普通单向阀( check valve) 单向阀又称止回阀,它使液体只能沿一个方向通过,反向流通时则不通。单向阀可用于液压 泵的出口。防止系统油液倒流:用于隔开油路之间的联系,防止油路相互干扰:也可用作旁通阀 与其它类型的液压阀相并联,从而构成组合阀。对单向阀的主要性能要求是:油液向一个方向通过 时压力损失要小;反向不通时密封性要好:动作灵敏,工作时无撞击和噪声 (1)、单向阀的工作原理图和图形符号 图为单向阀的工作原理图和图形符号。当液流由A腔流入时,克服弹簧力将阀芯顶开,于是液 流由A流向B;当液流反向流入时,阀芯在液压力和弹簧力的作用下关闭阀口,使液流截止,液流 无法流向A腔。单向阀实质上是利用流向所形成的压力差使阀芯开肩或关
0.27 ( ) p1 p2 Ft fld − 式中，f 为摩擦系数，介质为液压油时，取 f=0.04～0.08。 为了减小液压卡紧力，可采取以下措施： (1) 、在倒锥时，尽可能地减小，即严格控制阀芯或阀孔的锥度，但这将给加工带来困难。 (2)、在阀芯凸肩上开均压槽。均压槽可使同一圆周上各处的压力油互相沟通，并使阀芯在中心 定位。开了均压槽后，引入液压卡紧力修正系数为 K，可将式 0.27 ( ) p1 p2 Ft fld − 修正 为 0.27 ( ) Ft Kfld p1 − p2 开一条均压槽时，K＝0.4；开三条等距槽时，K＝0.063；开七条槽时，K＝0.027。槽 的深度和宽度至少为间隙的 10 倍，通常取宽度为 0.3～0.5mm，深度为 0.8～1mm。槽的边 缘应与孔垂直，并呈锐缘，以防脏物挤入间隙。槽的位置尽可能靠近高压腔； 如果没有 明显的高压腔，则可均匀地开在阀芯表面上。开均压槽虽会减小封油长度，但因减小了偏 心环形缝隙的泄漏，所以开均压槽反而使泄漏量减少。 (3)、采用顺锥。 (4)、在阀芯的轴向加适当频率和振幅的颤振。 (5)、精密过滤油液。 4、滑阀的液压卡紧现象 换向阀在停止使用一段时问后(一般约五分钟以后)重新起动时，为使阀芯移动，理论 上只需 要很小的力来克服粘性摩擦阻力就可以了。但实际上，特别在中、高压系统中却十分费力，需要克 服很大的阻力才能使阀芯移动，把这种现象称为滑阀的液压卡紧现象。 液压卡紧现象是由于阀芯和阀体的几何形状误差和中心线的不重合而造成的。因为在这种情况 下，进入阀芯与阀体配合间隙中的压力油将对阀芯产生不平衡的径向力，该力在一定条件下使阀芯 紧贴在孔壁上，产生相当大的摩擦力(扣紧力)，使得操纵滑阀运动发生困难，严重时甚至被卡住。 为减小径向不平衡液压力，一般在阀芯在台肩上开有宽 0.3~0.5mm、深 0.5~1mm、间距 1~5 mm 的 环形均压槽。这样可以显著地减小液压卡紧力。 滑阀的液压卡紧现象是个共性问题，不仅换向阀有，其它液压阀(如溢流阀、减压阀等)上也存 在。为减小液压卡紧力．必须对滑阀的几何精度从配合间隙予以严格探控制，可参考有关液压设计 手册。 5-4 方向控制阀(directional control valve) 方向控制阀有单向阀、换向阀等。 一、单向阀(one-way valve) 单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。 1、普通单向阀(check valve) 单向阀又称止回阀，它使液体只能沿一个方向通过，反向流通时则不通。 单向阀可用于液压 泵的出口。防止系统油液倒流；用于隔开油路之间的联系，防止油路相互干扰；也可用作旁通阀， 与其它类型的液压阀相并联，从而构成组合阀。对单向阀的主要性能要求是：油液向一个方向通过 时压力损失要小；反向不通时密封性要好；动作灵敏，工作时无撞击和噪声。 (1)、单向阀的工作原理图和图形符号 图为单向阀的工作原理图和图形符号。当液流由 A 腔流入时，克服弹簧力将阀芯顶开，于是液 流由 A 流向 B；当液流反向流入时，阀芯在液压力和弹簧力的作用下关闭阀口，使液流截止，液流 无法流向 A 腔。单向阀实质上是利用流向所形成的压力差使阀芯开启或关闭
单向阀的工作原理图和图形符号 (a)工作原理图:(b)详细符号:(c)简化符号 (2)、典型结构与主要用途 单向阀的结构如图所示。按进出口流道的布置形式,单向阀可分为直通式和直角式两种。直通 式单向阀进口和出口流道在同一轴线上:而直角式单向阀进出口流道则成直角布置。图(b)、(c) 为管式连接的直通式单向阀,它可直接装在管路上,比较简单,但液流阻力损失较大,而且维修装 拆及更换弹簧不便。图(a)为板式连接的直角式单向阀,在该阀中,液流顶开阀芯后,直接从阀 体内部的铸造通道流出,压力损失小,而且只要打开端部螺塞即可对内部进行维修,十分方便。 按阀芯的结构型式,单向阀又可分为钢球式和锥阀式两种。图(b)是阀芯为球阀的单向阀 其结构简单,但密封容易失效,工作时容易产生振动和噪声,一般用于流量较小的场合。图(c)是阀 芯为锥阀的单向阀,这种单向阀的结构较复杂,但其导向性和密封性较好,工作比较平稳。 163B型式单向阀 单向阀开启压力一般为0035~0.05MPa,所以单向阀中的弹簧3很软。单向阀也可以用作背 压阀。将软弹簧更换成合适的硬弹簧,就成为背压阀。这种阀常安装在液压系统的回油路上,用以 产生0.2~0.6MPa的背压力。 单向阀的主要用途如下: 液交(1)、安装在液压泵或双向液压泵出口,防止系统压力突然升高而损坏液压泵。防止系统中的油 泵停机时倒流回油箱
单向阀的工作原理图和图形符号 （a）工作原理图；（b）详细符号；（c）简化符号 (2)、典型结构与主要用途 单向阀的结构如图所示。按进出口流道的布置形式，单向阀可分为直通式和直角式两种。直通 式单向阀进口和出口流道在同一轴线上；而直角式单向阀进出口流道则成直角布置。 图（b）、(c) 为管式连接的直通式单向阀，它可直接装在管路上，比较简单，但液流阻力损失较大，而且维修装 拆及更换弹簧不便。图（a）为板式连接的直角式单向阀，在该阀中，液流顶开阀芯后，直接从阀 体内部的铸造通道流出，压力损失小，而且只要打开端部螺塞即可对内部进行维修，十分方便。 按阀芯的结构型式，单向阀又可分为钢球式和锥阀式两种。图（b）是阀芯为球阀的单向阀， 其结构简单，但密封容易失效，工作时容易产生振动和噪声，一般用于流量较小的场合。图(c)是阀 芯为锥阀的单向阀，这种单向阀的结构较复杂，但其导向性和密封性较好，工作比较平稳。 单向阀开启压力一般为 0.035～0. 05MPa，所以单向阀中的弹簧 3 很软。单向阀也可以用作背 压阀。将软弹簧更换成合适的硬弹簧，就成为背压阀。这种阀常安装在液压系统的回油路上，用以 产生 0.2～0.6MPa 的背压力。 单向阀的主要用途如下： (1)、安装在液压泵或双向液压泵出口，防止系统压力突然升高而损坏液压泵。防止系统中的油 液在泵停机时倒流回油箱
2 单向阀用于双系系 单向阀用作背压阀 液梨12一单向;3流:4过滤器 (2)、安装在回油路中作为背压阀。 (3)、与其它阀组合成单向控制阀。 2、液控单向阀( pilot-controlled check valve) 普通单身阀是通过调节弹簧的松紧来控制,而液控单向阀则是通过液压来实现 液控单向阀是允许液流向一个方向流动,反向开启则必须通过液压控制来实现的单向阀。液控 单向阀可用作二通开关阀,也可用作保压阀,用两个液控单向阀还可以组成液压锁 (1)、液控单向阀的工作原理图和图形符号 图为液控单向阀的工作原理图和图形符号。当控制油口无压力油(P=0)通入时,它和普通单 向阀一样,压力油只能从由A腔流向B腔,不能反向倒流。若从控制油口K通入控制油Pk时,即 可推动控制活塞,将推阀芯顶开,从而实现液控单向阀的反向开启,此时液流可从B腔流向A腔。 (b)详细符号 控制活塞 (n)工作原理图 (c)简化符号 液控单向阀的工作原理和图形符号
(2)、安装在回油路中作为背压阀。 (3)、与其它阀组合成单向控制阀。 2、液控单向阀(pilot-controlled check valve) 普通单身阀是通过调节弹簧的松紧来控制，而液控单向阀则是通过液压来实现。 液控单向阀是允许液流向一个方向流动，反向开启则必须通过液压控制来实现的单向阀。液控 单向阀可用作二通开关阀，也可用作保压阀，用两个液控单向阀还可以组成液压锁。 (1)、液控单向阀的工作原理图和图形符号 图为液控单向阀的工作原理图和图形符号。当控制油口无压力油（Pk=0）通入时，它和普通单 向阀一样，压力油只能从由 A 腔流向 B 腔，不能反向倒流。若从控制油口 K 通入控制油 Pk时，即 可推动控制活塞，将推阀芯顶开，从而实现液控单向阀的反向开启，此时液流可从 B 腔流向 A 腔
IY25B型液控单向 · (2)、典型结构与主要用途 液控单向阀有带卸荷阀芯的卸载式液控单向阀(见图)和不带卸荷阀芯的简式液控单向阀(见上 图)两种结构形式。卸载式阀中,当控制活塞上移时先顶开卸载阀的小阀芯,使主油路卸压,然后再 顶开单向阀芯。这样可大大减小控制压力,使控制压力与工作压力之比降低到45%,因此可用于 压力较高的场合,同时可以避免简式阀中当控制活塞推开单向阀芯时,高压封闭回路内油液的压力 将突然释放,产生巨大冲击和响声的现象 反向进反 通外泄油口 控制油口 控制油口 带卸荷阀芯的液控单向阀 (a)带卸荷阀芯的内泄式液控单向阀;(c)带卸荷阀芯的外泄式液控单向阀 上述两种结构形式按其控制活塞处的泄油方式,又均有内泄式和外泄式之分。图(a)为内泄 式,其控制活塞的背压腔与进油口P1相通。外泄式[见上图和(b的活塞背压腔直接通油箱,这样 反向开启时就可减小P1腔压力对控制压力的影响,从而减小控制压力Pk。故一般在反向出油口压 力P1较低时采用内泄式,高压系统采用外泄式 液控单向阀具有良好的单向密封性能,在液压系统中应用很广,常用于执行元件需要较长时间 压、锁紧等情况下,也用于防止立式液压缸停止时自动下滑及速度换接等回路中。图所示,为采 用液控单向的锁紧回路
(2)、典型结构与主要用途 液控单向阀有带卸荷阀芯的卸载式液控单向阀(见图)和不带卸荷阀芯的简式液控单向阀(见上 图)两种结构形式。卸载式阀中，当控制活塞上移时先顶开卸载阀的小阀芯，使主油路卸压，然后再 顶开单向阀芯。这样可大大减小控制压力，使控制压力与工作压力之比降低到 4.5％，因此可用于 压力较高的场合，同时可以避免简式阀中当控制活塞推开单向阀芯时，高压封闭回路内油液的压力 将突然释放，产生巨大冲击和响声的现象。 带卸荷阀芯的液控单向阀 （a）带卸荷阀芯的内泄式液控单向阀；（c）带卸荷阀芯的外泄式液控单向阀 上述两种结构形式按其控制活塞处的泄油方式，又均有内泄式和外泄式之分。图（a）为内泄 式，其控制活塞的背压腔与进油口 P1 相通。外泄式[见上图和 (b)]的活塞背压腔直接通油箱，这样 反向开启时就可减小 P1 腔压力对控制压力的影响，从而减小控制压力 PK。故一般在反向出油口压 力 P1 较低时采用内泄式，高压系统采用外泄式。 液控单向阀具有良好的单向密封性能，在液压系统中应用很广，常用于执行元件需要较长时间 保压、锁紧等情况下，也用于防止立式液压缸停止时自动下滑及速度换接等回路中。图所示，为采 用液控单向的锁紧回路