第五章 液压控制元件及应用

第五章液压控制元件及应用

第一节液压控制阀概述

液压控制阀是液压系统中的控制元件，用来控制系统中油液的流动方向、油液的压力和流量，简称液压阀。根据液压设备要完成的任务，我们对液压阀作相应的调节，就可以使液压系统执行元件的运动状态发生变化，从而使液压设备完成各种预定的动作。

液压阀按连接方式，可分为

1.管式连接

2.法兰式连接

3.板式连接

根据用途，液压阀可分为

方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。

第二节方向控制阀及应用

在液压系统中，用来控制油液流动方向的阀统称方向控制阀，简称方向阀。

一、换向阀

换向阀利用阀芯和阀体间相对位置的改变，来控制油液的流动方向，接通或关闭油路，从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。

1.工作原理

当阀芯在阀体内作往复滑动时，便可改变各油口之间的连通关系，从而改变油液的流动方向。

2.图形符号及含义

（1）“位”数和“通”数

“位”数：指换向阀的工作位置数，即阀芯的可变位置数。用方（或长方）框表示，有几个方框就表示有几“位”。

“通”数：指换向阀与系统油路相连通的油口数目。方框中的箭头表示两油口连通，但不一定为油液的实际流向；“┴”“丅”表示该油口被阀芯封闭，此路不通。箭头或“┴”、“丅”与方框的交点数有几个即为几“通”。

图5-2为常用换向阀“位”和“通”的图形符号。

图5-2换向阀“位”和“通”图形符号

控制滑阀移动的方法有很多，常见的换向阀操纵方式符号见图5-3。

图5-3换向阀操纵方式符号

a)手柄式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.常态位

4. 滑阀机能

指三位阀在常态位时各油口的连接关系。

在分析和选择滑阀机能时，常考虑以下几方面：

（1）泵是否卸荷

（2）缸锁紧或浮动

（3）换向平稳性与精度

（4）启动平稳性

5. 几种常用的换向阀

滑阀式换向阀按操纵方式可分为手动、机动、电动、液动和电液动等类型。

（1）手动换向阀

手动换向阀是依靠手动杠杆的作用力驱动阀芯运动实现换向，按其操作机构形式可分为手柄操作式和手轮操作式两种类型，分别通过推动手柄或转动手轮来改变阀芯位置。

a）、c）弹簧复位式结构及图形符号b）、d）钢球定位式结构及图形符号

图5-4手柄操作换向阀

1-手柄? 2-阀芯? 3-弹簧

手动换向阀操作简便，工作可靠，适用于动作变换频繁、工作持续时间短的场合，常用于行走机械的液压系统中。

（2）机动换向阀

法改变阀芯位置实现换向，一般为二位阀。

二位三通机动换向阀图形符号

机动换向阀换向可靠、平稳，改变挡铁斜面角

度便可改变换向时阀芯的移动速度，即可改变换向时间。

（3）电磁换向阀

电磁换向阀利用电磁铁的作用力推动阀芯移动实现换向。

1）工作原理

三位四通电磁换向阀图形符号

2）阀用电磁铁

根据使用电源的不同，换向阀的电磁铁有交流和直流两种，每一种按电磁铁是否浸在油里，又有干式和

湿式之分。

电磁换向阀的电磁铁可用按钮开关、行程开关、限位开关、压力继电器等发出的电信号控制换向，操纵

方便，自动化程度高，因而应用最广。但由于受到电磁铁吸力较小的限制，只宜用在流量小于

-3m3/s的液压系统中，流量大的场合常采用下面将要介绍的两种换向阀。

（4）液动换向阀

液动换向阀利用控制油路的压力油推动阀芯移动实现换向。

三位四通液动换向阀图形符号

由于压力油可产生很大的推力，所以液动换向阀适用于高压大流量液压系统。液动换向阀控制油路上常

装有可调节流阀，用来调节换向时间。

（5）电液换向阀

电液换向阀是由电磁换向阀和液动换向阀二者组合而成，用在大流量的液压系统中。

1）工作原理

电液换向阀通过电磁阀改变控制油液的方向，继而改变液动阀阀芯的移动方向。其中电磁阀作先导阀，

用来切换控制油路；液动阀作主阀，用来切换系统主油路。由于用来推动液动阀阀芯的控制流量不必很

大，所以可用反应灵敏的小规格电磁阀方便地控制大流量的液动阀。电液换向阀在高压大流量的自动化

液压系统中得到了广泛的应用。

b)图形符号 c)简化图形符号

图5—8 三位四通液动换向阀

2）控制油液进排油方式

电液阀根据控制油液进入和排出的方式不同，可以组成内控外排、外控内排、外控外排和内控内排四种控制形式，供不同的使用场合选用。

6. 换向阀的应用

（1）控制执行元件换向

a）控制单作用式缸换向 b）控制差动缸换向

图5-9换向回路

（2）用行程阀作先导阀实现连续往复运动

图5-10用行程阀作先导阀实现连续往复运动图5-11用电磁阀实现完整工作循环

（3）用电磁阀实现完整工作循环

（4）多路换向阀

将两个以上的手动换向阀组合在一起，形成以换向阀为主的组合阀称多路换向阀，简称多路阀。多路阀具有结构紧凑、管路简单、压力损失小和安装简便等优点，常用于工程机械及其它要求集中操纵多个执行元件运动的行走机械中。

多路阀的组合方式有并联式、串联式、顺序式和复合式四种。

a）并联式 b）串联式 c）顺序式

图5-12多路换向阀

二、单向阀

1.普通单向阀

普通单向阀也称单向阀，其作用是只许油液沿一个方向流动，即正向流通，反向截止。

图形符号

单向阀的阀芯有钢球式和锥阀式两种。钢球式制造简单，价格便宜，但密封性较差，仅用于低压、小流量场合。目前使用的单向阀大多是锥阀式的。

2. 液控单向阀

如果在一般情况下要求油液只能单向流动，但在某一时刻仍希望双向流动时，可采用液控单向阀。

图5-14a所示是液控单向阀的结构图。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：压力油只能从进油口P1流向出油口P2，不能反向倒流。当控制口K有控制压力油通入时，因控制活塞1右侧a腔通泄油口L，活塞1右移，推动顶杆2顶开阀芯3，使进油口P1和出油口P2接通，油液便可以在两个方向自由流通。控制油液常从主油路上单独引出，其最小油压约为系统主油路油液压力的30%~50%。

图形符号

在高压系统中，为降低控制油压力，常采用带卸荷阀芯的液控单向阀。这样，控制口K的最小油压仅为系统主油路油液压力的5%左右。

3.单向阀的应用

（1）普通单向阀的应用

1）作单向阀用，控制油路单向接通。

2）作背压阀用。

3）接在泵的出口，避免系统油液向泵倒流。

4）与其它控制元件组成具有单向功能的组合元件，如单向减压阀、单向顺序阀、单向节流阀和单向调速阀等。

（2）液控单向阀的应用

由于液控单向阀的阀芯一般为锥阀，在未通控制油时，具有良好的反向密封性，实际中常利用液控单向阀将缸固定在任何位置，起锁紧作用。

图5-16用液控单向阀的锁紧回路

三、方向控制阀的常见故障及排除方法

表5-2 方向控制阀常见故障及排除方法

第三节压力控制阀及应用

在液压系统中，用来控制系统压力或利用压力为信号控制其它元件动作的阀，均属于压力控制阀，简称压力阀。它们都是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理进行工作的。

根据结构和功用的不同，压力阀可分为溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器和压力表保护阀等。一、溢流阀

溢流阀是使系统中多余油液通过该阀溢出，从而维持系统压力基本恒定的压力阀。通常接在液压泵出口处的油路上。

1.溢流阀的结构和工作原理

（1）直动式溢流阀

直动式溢流阀是作用在阀芯底部的油液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。

b)原理图 c）图形符号

图5-17

1—调压手柄 2—调压弹簧3—锁紧螺母4—阀芯

图5-17b是直动式溢流阀的工作原理示意图。当进油压力p较低，液压作用力pAFs时，阀芯上升，阀口打开，部分油液溢流回油箱，限制进油压力p继续升高。当溢流阀稳定工作时，作用在阀芯上的力处于平衡状态：pA=Fs，此时阀口保持一定的开度，系统压力调定为p=Fs/A。如果由于外负载等因素的影响，使系统压力升高，超过调定值，则阀口开度x增大，溢流阻力减小，使系统压力降低到调定值；反之，如果系统压力低于调定值，则阀口开度x减小，溢流阻力增大，使系统压力升高至调定值。由于阀口开度x的变化很小，作用在阀芯上的弹簧力Fs的变化也很小，可近视地将其视为常数，故压力p被控制在调定值附近基本保持不变，从而使系统压力近于恒

直动式溢流阀一般只用于压力小于2.5MPa的低压小流量场合。图5-17c所示为直动

式溢流阀的图形符号。

（2）先导式溢流阀

在中、高压，大流量的组合机床、工程机械等液压系统中，常采用先导式溢流阀。

图5-19先导式溢流阀工作原理示意图和图形符号

1—调压手柄2—调压弹簧3—先导阀芯4—主阀弹簧5—主阀芯

它由先导阀和主阀组成。先导阀实际上是一个小规格的直动式溢流阀，用来控制调整主阀芯上腔的压力；

而主阀则用来控制溢流流量。

①当进口压力较低，p1 A1< Fs2时，先导阀关闭，经孔b中的油液不流动，孔b前后压力相等（p1=p），

作用在主阀芯5上下两腔的液压力也相等，此时主阀芯在主阀弹簧4作用下关闭，不溢流。

②当进口压力升高到p1 A1>Fs2时，先导阀打开，少量压力油就可通过通道e、回油口T流回油箱。由

于油液流经阻尼孔b，使主阀芯上下腔产生压力差，当此压力差（Δp =p- p1）对主阀芯产生的作用力

超过主阀弹簧力Fs4时，就会使主阀开启并溢流。主阀弹簧力随其阀口开度x的增大而增大，直到与主

阀芯上的液压作用力相平衡。

在稳定溢流状态下，先导阀芯和主阀芯的力平衡方程分别为：

p1A1= Fs2 （5-1）

pA = p1A + Fs4 （5-2）

故 p = p1 + Fs4/ A （5-3）

由于主阀芯上腔有压力p1存在，所以即使系统压力p较大，主阀弹簧4仍可以做得很软（即刚度很小）。

这样，在阀口开度x随主阀芯的流量改变时，虽然主阀弹簧力Fs4随之发生变化，但因主阀弹簧4刚度

低，Fs4变化小，所以先导式溢流阀的被控压力波动小，调压精度较高。

同时，调压弹簧2的刚度也不必太大，调整比较轻便。

先导式溢流阀的主阀芯上腔开有通往外界的远程控制口K，这使它具有比直动式溢流阀更多的功能。

2. 溢流阀的应用

（1）溢流稳压

这是溢流阀的主要用途，常用于定量泵的节流调速系统中。

图5-21溢流阀起溢流定压作用?图5-22溢流阀起安全阀作用

1—定量泵2—溢流阀 3—节流阀 4—液压缸1—变量泵 2-溢流阀 3-液压缸

（2）作安全阀用

（3）作背压阀用

（4）实现远程调压

远程控制口K不用的时候可用螺塞堵住，此时主阀芯上腔的油液压力只能由自身的先导阀来控制。但如果将K口用油管与其它压力阀相连时，主阀芯上腔的油液压力就可以由远离主阀的另一个压力阀控制，而不受自身先导阀调控。

图5-23溢流阀起远程调压作用

（5）作卸荷阀用

（6）实现多级调压

a) b)

图5-24溢流阀起多级调压作用

3. 溢流阀的性能特性

溢流阀的性能特性包括稳态特性和动态特性。稳态特性是指溢流阀在稳定工作状态下（即系统压力没有突变时），溢流阀所控制的压力—流量特性，它主要包括以下几方面：

（1）调压范围

（2）启闭特性

启闭特性是指溢流阀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，一般用溢流阀开始溢流时的开启压力pk和停止溢流时的闭合压力pB与调定压力pn（阀达到额定溢流量qn时所对应的压力）的比值pk/pn、pB/pn来衡量。前者称为开启率，后者称为闭合率，比值越大，溢流阀的启闭特性就越好。

二、减压阀

减压阀主要用来降低液压系统中某一分支油路的压力，并使其保持基本恒定，即起减压稳压作用。

1. 减压阀的结构和工作原理

①当出口压力p2较低，使p3低于调定压力时，先导阀关闭，主阀芯5被弹簧4推至最下端，主阀阀口全开，不起减压作用。

②当分支油路的负载增大时，p2升高，p3也随之升高，在p3超过调压弹簧调定的压力时，先导阀打开，在压力差的作用下，主阀芯上移，节流阀口x减小，使出口压力p2下降，实现减压，直到作用在主阀芯上的诸力相互平衡，主阀芯处于新的平衡位置。此时节流阀口x保持一定开度，使出口压力基本恒定。

a) 工作原理示意图 b) 先导式减压阀图形符号c) 直动式减压阀图形符号

图5-27先导式减压阀的工作原理示意图

1—调压手柄2-调压弹簧3-先导阀芯4-主阀弹簧5-主阀芯

比较先导式减压阀和先导式溢流阀二者不同之处主要有以下几点：

①控制主阀芯移动的油液减压阀来自出油口，而溢流阀来自进油口。

②减压阀保持出口压力基本不变，而溢流阀保持进口压力基本不变。

③在不工作时，减压阀进、出油口互通，处于常开状态，而溢流阀进、出油口不通，处于常闭状态。

④减压阀的先导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱（外泄）；而溢流阀的出油口是直接通油箱的，其

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