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5液压控制阀
5.1绪论
液压系统中的液压传动控制是通过控制阀来实现的。系统功能决定控制要求。通过控制压力，流量或流向，以液压方式实现对传递给负载的机械能的参数的管理。控制阀分为以下几种主要的类型：
bull; 普通开关阀
bull; 比例阀
bull; 伺服阀
bull; 数字阀
本章节主要研究以下几种普通阀门：
bull; 压力控制阀（）
bull; 溢流阀（直动式和先导式）
bull; 减压阀（直动式和先导式）
bull; 顺序阀（直动式和先导式）
bull; 蓄能器充油阀
bull; 方向控制阀（；直动式和先导式）
bull; 流量控制阀（）
bull; 节流阀
bull; 串联压力补偿流量控制阀
bull; 并联压力补偿流量控制阀
bull; 分流器
bull; 单向阀
bull; 直动式单向阀
bull; 先导式单向阀（液压控制或机械控制）
液压控制阀中使用的三个基本控制元件是锥阀，滑动滑阀和旋转滑阀。这些阀件的结构和优缺点如表5.1所示。
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类型 |
示意图 |
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锥阀 该阀由一个头部（称为锥阀阀芯），一个弹簧和一个阀座组成。锥阀可以是球形，圆锥形，平面形或其他形状。在工作过程中，阀门处于关闭状态（锥阀插入阀座）或打开状态（锥阀未插入阀座）。该阀具有成本低，构造、维修和保养简单，泄漏可忽略不计的优点。主要缺点是受油口数量的限制和可控性差。 |
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滑阀（滑动滑阀） 该阀由套筒和安装在套筒中的阀芯组成。该阀通常是轴对称的，其阀芯轴向滑动。该阀的主要优点是增加了油口的数量和更好的可控制性。主要缺点是泄漏增加，制造成本和维护保养成本高。 |
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滑阀（旋转滑阀） 该阀由套筒和安装在套筒中的阀芯组成。其阀芯在套筒中旋转。该类阀件主要应用于某些车辆的转向系统。 |
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表5.1 液压控制阀的基本控制元件 |
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5.2压力控制阀
5.2.1直动式溢流阀
溢流阀连接着高压回路和低压回路。它们用于限制高压管路中的最大工作压力。安全阀主要由锥阀组成，并由弹簧加载（如图5.1所示）。锥阀阀芯被弹簧推动，使其靠在阀套中。通过调节弹簧座螺钉或插入定位环来调节弹簧预紧力。
锥阀阀芯承受弹簧力和压力。只要压力比弹簧力小，锥阀阀芯就靠在阀座上。当压力达到开启压力时，两个力相等。为了进一步增加压力，锥阀阀芯被排出，液压油从高压管路流向回流管路。
或 （5.1）
其中：---弹簧系数，
---弹簧预压距离，
---开启压力，
---锥阀阀芯受压面积；对于座式锥阀，
---阀座直径，
在此示例中，阀打开（节流）面积和承受压力的锥阀阀芯受压面积随锥阀阀芯位移呈非线性变化。然而，在其他示例中，锥阀阀芯受压面积是恒定不变的，如图5.2所示。该图说明了一个直动式溢流阀，该阀由阀芯1，阀套2，弹簧3，弹簧座4和调节旋钮5组成。
根据图5.2所示的阀，可推导出阀流量与系统压力之间的关系如下：
（5.2）
得： 或 （5.3）
（5.4）
在稳定状态下，阀芯（1）在压力、弹力和射流反作用力的作用下达到平衡。忽略径向间隙泄漏和射流反作用力，并假定回油管压力为零，当压力增大，使阀芯位移距离x，此时
,当 （5.5.1）
当 （5.5.2）
得 （5.6）
或 （5.7）
得 （5.8）
（5.9）
其中，---阀门节流面积，
---排放系数
---阀门输入压力，
---阀芯位移，
---阀芯重叠量，
---阀门节流面积比例系数，
阀的稳态特性通过压力-流量关系来表示，如图5.3所示。该图显示了达到最大压力时，所对应的流量。压力差称为调压差值。在压力时，锥阀在压力和弹簧预紧力的作用下处于平衡状态。假设泄漏忽略不计，则阀门关闭时，其流量为零。锥阀阀芯在高于的压力下发生位移，此时液压油可以流动。压力的增量即为调压差值。流量越大，调压差值就越高。
曲线的斜率取决于比例系数[见公式（5.9）]。在低流量和高压状态下运行的阀的和值较小，而弹簧刚度较大。常数值越小，特性曲线就越向轴倾斜。在这种情况下，阀门运行时的流量越大，此时的调压差值就越大。因此，流量对系统最大压力的影响很大。所以，阀门应设计成具有近似垂直的特性曲线。这样，最大压力受流量变化的影响就会没那么明显。因此，应通过增加阀门尺寸和以及减小弹簧刚度来使系数的值取到最大。但是这些条件是相互矛盾的，因为在弹簧力与大压力相互抵抗的作用下，阀门会关闭。通过使用先导式溢流阀，我们可以解决这一矛盾。
在直动式溢流阀中，锥阀实际上是弹簧所支撑的有质量的部分。该有质量物体-弹簧系统受到非常低的粘性摩擦和弹簧材料的结构阻尼力。然后，在稳定状态下，该阀锥阀阀芯的可能会发生持续振荡，从而导致可观察到的压力振荡（见图5B.4）。因此，在阀上增加一个阻尼元件是有必要的。图5.4展示了带阻尼滑阀的直动式溢流阀。附录5B对该阀进行了详细分析。
5.2.2先导式溢流阀
通过使用先导阀的设计，解决了直动式溢流阀中调压差值升高的问题（如图5.5所示）。先导式溢流阀包括主阀1和弹簧2，主阀1由弹簧2加载。该阀在设计时，选取了主锥阀1的相对较大的直径和主阀弹簧2的较小的刚度，这减小了调压差值。弹簧已预压缩。但是，我们可以通过输入压力和弹簧腔压力之间约4-10的压差来克服弹簧预紧力。
安装先导级3来控制主阀的工作。先导式溢流阀就是一个直动式溢流阀，通过两个喷嘴和连接到输入高压管路。这些喷嘴的直径通常小于1。通过他们的流量很小，可以忽略不计。直动式溢流阀3用于对弹簧腔压力2施加上限。先导级具有较小的尺寸和刚度较大的弹簧。但是，由于流量非常小，因此该阀中的调压差值可以忽略不计。
当供应压力小于先导级的开启压力时，其锥阀阀芯插入阀座，并且阀输入管路和弹簧腔中的压力相等。在这种情况下，作用在主阀芯1上的压力得到补偿。弹簧2用于关闭主阀。当压力大于先导阀开启压力时，先导阀锥阀打开，腔室和中的压力等于先导级的泄压压力。随着先导阀流量的增大，喷嘴和的动态压降会致使进气腔和腔之间的压力差足够大。主阀锥阀阀芯移动打开，允许液压油流到回流管路。与直动式溢流阀相比，先导式溢流阀允许更大的流量和较小的调压差值。
图5.6a说明了直动式溢流阀和先导式溢流阀的静态特性。注意，在商业目录中，这些特性绘制时，是以横轴为流速，竖轴为压力（如图5.6b所示）。
图5.7所示为一个夹层结构的先导式溢流阀。它由套筒7和泄压盒组成。系统压力由调节元件4设定。油口上的压力作用于主锥阀1。同时，高压油通过节流孔2到达主锥阀阀芯1的弹簧侧，再通过节流孔3到达先导阀锥阀阀6。如果油口处的压力超过弹簧5上设定的值，则先导锥阀6打开。液压油从主锥阀阀芯1的弹簧加载侧流过孔口3，然后流经通道8到达回流管路。在孔口2上产生的压降作用在主锥阀阀芯1上。当该压降超过主阀开启压力时，主阀打开。图5.8所示为先导式溢流阀的另一种设计，它具有两个分别用于主级和先导级的阀芯。先导式溢流阀除了可以降低调压差值外，还可用于系统卸荷。它也可以用于产生多压力极限值。先导式溢流阀这两种应用的符号如图5.9所示。
5.2.3减压阀
当子系统的压力低于主系统的压力时，可以使用减压阀。通常，减压和控制是通过节流元件实现的。图5.10所示为液压减压阀的工作原理。两个节流口用于将减压管路连接到高压管路，并连接回油（油箱）管路。通过增加面积或减小面积可以增加减压，反之则相反。
经推导，减压的表达式如下：
（5.10）
假设油箱管路压力为零，，那么对于相等的排放系数，
（5.11）
减压可通过调节节气门面积和来控制。当第一个阀完全关闭时，，而第二个阀打开时，，减压等于返回压力，，而当且时，减压等于供给压力，。因此，减压可以是在供给管路压力和返回管路压力之间的任何值。
图5.11所示为直动式减压阀。 它包括阀芯2和弹簧3，阀芯2由弹簧3加载。出油口中的压力通过管路6连接到阀芯右侧的控制室。它作用在阀芯上，压紧弹簧3。如果出油口中的压力小于相对应的弹簧预紧力，则阀芯会移至其最右端位置。压力管路与出油口相连接。油口中的压力增加，作用在阀芯上的力也相应增加。当该力克服弹簧力时，阀芯向左移动，连接处被节流。在最终位置，阀芯下降，除了径向间隙外，管路与压力管路和油箱管路断开。如果压力增加到大于弹簧预设值，则阀芯会进一步向左移动。该阀芯位移后，管路与油箱相连接，从而降低了管路中的压力。当压力和弹簧力达到平衡时，阀芯位移达到最终的稳态值。
因此，通过控制弹簧预紧力可以简单地调节减压值。减压是在无流量条件下精确调节的。阀门打开时，液压油从管路流向管路。管路中的压力由下游子系统的负载条件决定。对于每个压力等级，阀芯都处于一个相应的位置；,并释放出相应的流量。在这种情况下，减压随着阀流量的增加而减小。
图5.12所示为不同预设压力等级下减压阀的流量特性。如果出口压力增大，阀芯就会向左移动，这会使流液压油从油口流入油箱管路，从而产生负流量。这样，该阀既作为减压阀，同时也作为管路的溢流阀。内置的单向阀2允许在需要时液压油从管路到管路自由流动。典型的直动式减压阀的不同工作原理如图5.13所示。图5.14所示为一个直动式减压阀应用的液压回路原理图。
在流量增大的情况下，则使用先导式减压阀。图5.15所示为先导式减压阀的结构。该减压阀由主壳体1，先导阀2和主阀芯组件3组成。先导式减压阀是一种简单的直动式溢流阀。它将主阀后的压力限制在最大值。通过该阀的流量非常小， 因此，它的调压差值可忽略不计。先导阀14的弹簧腔中的液压油通过通道15排出。主阀13通常是打开的，使液压油可以从高压油口流到出出油口。油口连接到弹簧腔有两种方式，一种是通过孔口4，另一种是通过孔口7和10。
如果油口的减压小于最大值，则先导级关闭，此时腔室13中的压力等于输入压力，作用在主阀芯上的压力处于平衡状态。腔室12中的弹簧使主阀芯13保持打开状态。当油口的压力大于时，先导锥阀6打开，此时节流孔4、7和10保持先导锥阀6上方的流量。当主阀芯上的压力差大于腔室12中的弹簧力的值时，主阀芯13开始关闭。从到的液压油流量逐渐节流。因此，当作用在主阀芯13上的合力为零时，它达到最终的稳定状态。或
（5.12）
其中，为阀芯受压面积。
与弹簧预压缩距离相比，阀芯位移实际上非常小。
5.2.4顺序阀
顺序阀用于根据系统的压力水平，实现特定的工作顺序。图5.16所示为一个直动式顺序阀，该顺序阀由阀芯2和弹簧3组成，阀芯2由弹簧3加载。进油口中的压力通过通道6与阀芯右侧的控制室相连接。该腔室内的压力作用在阀芯上以抵抗弹簧力。如果压力大于弹簧力，则阀芯向左移动，使管路与管路相连接。阀可以通过油口由外部实现控制。在这种情况下，油口与控制室的连接是断开的。有的顺序阀配有单向阀，使液压油可以自由逆流。直动式顺序阀打开和关闭的工作原理如图5.17所示。
忽略回流管路压力，该阀稳态流量的表达式推导如下：
（5.13）
得 （5.14）
图5.17中，从进油口到出油口的流量为
,当 （5.15.1）
,当 （5.15.2）
流量为确定已知时，顺序阀上的压降为
（5.16）
其中，---阀芯受压面积，
---进口压力，
---出口压力，
---阀芯重叠量，
公式（5.16）表明，顺序阀上的压降与进口压力成反比。输入压力增加，在高于顺序阀开启压力时，会减少阀中的压力和功率损耗。典型的直动式顺序阀中的压力损失及其流量特性如图5.18所示。这些特性表明，顺序阀中路径的压力损失与单向阀中的压力损失具有相同的数量级。
顺序阀也称为多功能阀，用于各种配置中，可以实现控制顺序、制动、卸荷、负载计数器平衡或其他功能。图5.19所示为顺序阀典型应用的液压回路原理图。
先导式顺序阀（如图5.20所示）用于流量较大的应用。先导式顺序阀由一个带阀芯组件的主壳体1和一个先导阀2组成，有的还包括一个自由逆流单向阀3。该阀的功能取决于先导管路（内控或外控）和排放管路（内泄或外泄）。
先导级是阀芯类型为2/2的直动式方向控制阀（请参见第5.3.3节）。通过调节弹簧8的预紧力来对阀芯进行加载。实现内控式功能时，插头4.1拔出，插头4.2插入。控制压力通过柱塞5作用在阀芯上。实现外控式功能时，管路工作；插头4.2拔出，插头4.1插入。
如果先导级压力小于弹簧力，则阀芯向左移动。阀芯台阶10关闭主阀7的弹簧腔。主阀的两侧通过节流孔6相连接。输入管路的压力和弹簧腔的压力相等，弹簧起到保持主阀关闭的作用。另一方面，如果先导级控制压力大于先导阀弹簧8的弹簧力，
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