第4章 控制元件

第4章控制元件要点概述本章第一节和第二节主要讲述了液压与气动系统中，可自动复位的二位单控电磁换向阀和具有记忆功能的二位双控电磁换向阀以及三位双控电磁换向阀，介绍了液压与气动方向控制阀、单向阀、气动梭阀的结构、特点及控制要点；第三节和第四节主要讲述了具有入口稳压作用的溢流阀、出口稳压作用的减压阀、开关控制作用的顺序阀等液压与气动压力控制元件并介绍了压力阀的控制要点；第五节和第六节主要讲述了节流阀和调速阀等液压与气动流量控制元件，以及气动快速排气节流阀，讲述了流量阀的控制要点；第七节介绍了可用电信号进行连续控制压力和流量的液压比例阀、组合型大流量开关控制作用的液压插装阀、集成化一体的液压叠加阀等的结构、特点及使用方法。第八节介绍了气动比例方向阀、压力阀和流量阀。通过本章的学习，能够掌握液压与气动控制元件的种类及工作原理和结构特点，进而能在液压与气动系统中正确应用。4.1液压方向控制元件液压系统的方向控制元件，主要指两位和三位电磁换向阀及单向阀，液压元件中的方向控制阀可以构成方向控制基本回路，是液压传动系统中通过改变液压油的流动方向和流路的通断，来控制执行元件的运动方向以及起动和停止过程的控制元件。4.1.1二位电磁换向阀1.工作原理（1）直动式电磁阀直动式电磁阀是利用电磁力直接推动阀杆从而带动阀心实现换向。根据阀心复位的控制方式，有单电控和双电控两种。双电控直动式电磁阀工作原理：4.1.1二位电磁换向阀单电控直动式电磁阀工作原理：4.1.1二位电磁换向阀（2）先导式电磁阀先导式电磁阀是由小型直动式电磁阀和大型液控换向阀构成，又称作电控换向阀。先导式电磁阀有单电控、双电控。先导式电磁阀按工作位置有二位和三位，每位有二通、三通、四通、五通等回路接口，阀芯工作形式有截止式和滑柱式等结构。先导式单电控电磁阀工作原理：4.1.1二位电磁换向阀先导式双电控电磁阀工作原理4.1.1二位电磁换向阀2.电气结构电磁阀电气结构包括电磁铁、接线座及保护电路。（1）电磁铁主要由线圈、静铁心和动铁心构成。根据其使用的电源不同，分为交流电磁铁和直流电磁铁两种。（2）接线座用于电磁铁线圈的外部接线，有多种形式，要合理选择引出导线的接线方式。（3）保护电路一般对于交流电磁铁线圈要加阻容吸收回路；对于直流电磁铁线圈要加续流二极管；线圈中一般要串接限流电阻和作为工作指示灯的发光二极管。4.1.1二位电磁换向阀3.电气性能（1）防护等级按设备工作环境的防尘、防湿要求确定并符合IP等级要求。（2）温升与绝缘种类一般电磁铁线圈为B种绝缘，最高允许温度为130℃。（3）电流特性（4）吸力特性（5）功率4.1.1二位电磁换向阀4.控制要求（1）单电控阀的控制在继电器和接触器的电气控制回路中，由于单电控阀具有断电复位功能，因此单电控阀用按钮、行程开关等主令电器起动时应采用自锁回路，防止因触点颤动造成阀的反复吸合，使阀线圈发热。4.1.1二位电磁换向阀（2）双电控阀的控制对于二位双电控换向阀的控制，要保证两端线圈不能同时带电，但能同时断电。4.1.2三位电磁换向阀三位电磁换向阀是在两位双控电磁换向阀的基础上增加了对中弹簧，使双控电磁阀都断电的条件下出现了中间位置，使阀芯在阀体中具有左位、中位、右位等三个位置。1.结构原理三位电磁换向阀主要由阀体、阀芯、对中弹簧、定位套、推杆、静铁芯、动铁芯（衔铁）、电磁线圈等组成。三位电磁换向阀的结构4.1.2三位电磁换向阀（1）中位两线圈断电时的中位工作，P不通，A和B与两端的回流口T接通。4.1.2三位电磁换向阀（2）右位当左线圈通电时，左端动铁芯在线圈电磁力作用下右行，并带动推杆使的阀芯右行，此时压力进口P端和出口B端的通道被阀芯中间滑块密封，B和T接通，而P和A通，A和T的通道被阀芯左滑块密封。4.1.2三位电磁换向阀（3）左位当右线圈通电时，右端动铁芯在线圈电磁力作用下左行，并带动推杆使阀芯左行，此时压力进口P端和出口A端的通道被阀芯中间滑块密封，A和T接通，而P和B通，B和T的通道被阀芯右滑块密封。4.1.2三位电磁换向阀（4）压力控制换向阀如果将三位电磁换向阀的两端电磁铁去掉，并开压力控制孔，用压力作用到阀芯的两端，从而使阀芯左移或右移或不受压力时的中位状态，则三位阀就演变成了液压或气动的压力换向阀。4.1.2三位电磁换向阀2.换向阀的图形符号换向阀的阀芯停留位置就是换向阀的工作位置，换向阀阀芯的工作位置称为阀的“位”。阀芯的停留位置数，成为“位”数。而阀所要控制的主回路和液压与气动系统中回路相连通的回路接口即阀的进出口通路称为“通”，阀的主回路进出连接口数量成为“通”的数。4.1.2三位电磁换向阀（1）阀的“位”用方框表示阀的工作“位”置，有几个方框就是几位阀，二位阀用两个方框表示，三位阀用三个方框表示。（2）阀的“通”在一个方框内，上下进出有几个油口，就称为几“通”。箭头“↑”表示该“位”方框内上下两“通”是接通状态，符号“┬”表示该“位”方框内该“通”口是堵塞状态。计算该方框中“↑”或“┬”与其方框相交的点数之和就是通路数，有几个交点就是几通阀。箭头“↑”只表示两回路口相通，不表示流向；“┬”表示此回路口被阀芯封闭（堵塞），处于不通流状态。4.1.2三位电磁换向阀（3）阀的“常态”三位阀中间的方框和二位阀出口A和B或A或B与执行元件直接连接的方框称为阀的常态位置，即上电初始化后未施加控制信号以前的原始位置。在液压与气动系统原理图中，换向阀的图形符号与油路或气路的连接状态，表示的就是常态位置，常态位要标出方向阀的出口代号A和B或A或B。（4）阀的“复位”用“W”形曲折符号表示弹簧，标注在三位阀的两侧代表对中弹簧，标注在两位单控阀一侧的代表复位弹簧。（5）阀的“控制”4.1.2三位电磁换向阀4.1.2三位电磁换向阀在回路中，利用三位方向控制阀的中间位置结构可以增加回路的功能。同时三位换向阀的常态为中位，因此，三位换向阀的中位又称为中位机能，中位机能一般分“O”型、“H”型、“Y”型、“M”型、“P”型等五种基本形式。4.1.3液压单向阀液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。1.普通单向阀普通单向阀的作用，是使流体油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。4.1.3液压单向阀2.压力控制单向阀当控制口K处无具有压力的流体通入时，它的工作原理机制和普通单向阀一样：具有压力的流体只能从P1口流向P2口，不能反向倒流。当控制口K有具有压力的流体时，P1口和P2口接通，两口具有双向流动性。4.2气动方向控制元件方向控制阀（控制压缩空气流动方向或通断）单向阀或门型梭阀与门型梭阀快速排气阀单向阀：气体只能沿一个方向流动，反向截止4.2.1或门型梭阀在气压传动系统中，当两个通路P1和P2均与另一通路A相通，而不允许P1与P2相通时，就要用或门型梭阀。4.2.1或门型梭阀或门型梭阀的应用（手动和电动方式的转换）4.2.2与门型梭阀又称双压阀，

该阀只有当两个输入口P1、P2同时进气时，A口才能输出。4.2.2与门型梭阀与门型梭阀的应用4.2.3快速排气阀又称快排阀。它是为加快气缸运动作快速排气用的。4.2.3快速排气阀快速排气阀的应用4.3液压压力控制元件压力控制阀是控制液压系统压力或利用压力的变化来实现某种动作的阀,简称压力阀。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理来工作的。按用途不同可分溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。4.3.1溢流阀维持液压系统中的压力基本恒定1.溢流阀的结构和工作原理溢流阀按其结构原理可分为直动式溢流阀和先导式溢流阀两类。直动式溢流阀用于低压系统，先导式溢流阀用于中、高压系统。4.3.1溢流阀溢流阀按照阀芯的结构分为锥阀、球阀、滑阀、带阻尼孔的滑阀、差动滑阀等多种形式2023/2/5334.3.1溢流阀先导式溢流阀设有一个远程压力控制口，通过它可以实现远程调压、多级压力控制和使液压泵卸荷等功能，2023/2/5344.3.2减压阀减压阀的作用是将较高的流体输入压力调到规定的输出压力，并能保持输出压力稳定，不受外部气候条件变化及流体压力源波动的影响。减压阀的调压方式有直动式和先导式两种。减压阀实质上是一种简易压力调节器。减压阀根据流体的特点具有很强的专用性，特别是对腐蚀性液体，减压阀必须具有专用性。2023/2/5354.3.2减压阀先导式减压阀2023/2/5364.3.2减压阀减压阀实际上就是入口压力值与出口之间流体通道面积成反比且保证出口压力恒定的控制阀。2023/2/5374.3.3顺序阀顺序阀与溢流阀结构相近，只是连接的位置有区别。顺序阀的结构原理2023/2/5384.3.3顺序阀几种顺序阀2023/2/5394.4气动压力控制元件在气动压力控制元件中，溢流阀的作用是用于气源最大压力的调整，因此溢流阀属于安全阀；而减压阀是作为二次的支路调压使用，属于调压阀；顺序阀则是按设定的压力控制其各执行元件的先后动作顺序，起到压力导通的开关作用，属于开关阀。2023/2/5404.4.1气动安全阀（溢流阀）气动安全阀和液压溢流阀的工作原理是相同的，但使用的场合和作用是有区别的。安全阀按结构分为弹簧式安全阀，杠杆式安全阀（杠杆和重锤的作用力），脉冲式安全阀（先导式）。安全阀按介质排放形式不同分为全封闭安全阀（排气管排放），半封闭安全阀（排气管与阀和杆间隙共同排放），开放式安全阀（直接排大气）。按压力调节性可分为固定式安全阀和可调式安全阀。按温度高低可分为常温安全阀和高温安全阀。按使用场合可分为蒸汽锅炉安全阀，液体介质用安全阀，空气和其他介质用安全阀，液化石油气罐用或槽用安全阀等。2023/2/5414.4.2气动调压阀（减压阀）气动调压阀是指和液压减压阀结构原理相同的气动减压阀，气动减压阀一般按使用压力、介质种类、工作温度的不同进行分类。气动减压阀包括溢流减压阀和直动减压阀。气动减压阀按结构和特点一般分为紧凑型减压阀，中等流量减压阀，常规高压减压阀，二级减压阀，低压大流量减压阀，专用减压阀。2023/2/5424.4.3气动开关阀（顺序阀）气动顺序阀和液压顺序阀结构原理相同，其用法也基本相同，是根据入口压力的变化控制其阀口的启闭。由于空气的压缩性，气动系统的二次压力与负载阻力成正比并具有相对稳定性，因此气动单向阀与顺序阀一般配合使用，构成单向顺序阀，以控制不同的气缸在不同的压力下能够开始稳定的运行。2023/2/5434.5液压流量控制元件流量控制阀是通过改变阀口通流面积来调节阀口流量，从而控制执行元件运动速度的液压控制阀。常用的流量阀有节流阀和调速阀两种。2023/2/5444.5.1液压节流阀节流阀是通过改变流体流通截面积或流体阻力通道的长度来实现控制流体流量的阀门，可以认为主要是利用局部阻力的变化，达到对流体流量进行控制的。节流阀包括普通节流阀和单向节流阀。1.普通节流阀2023/2/5454.5.1液压节流阀节流口的形式图a为针阀式节流口图b为偏心式节流口(上两种节流口结构简单，制造容易，但节流口容易堵塞，流量不稳定，适用于性能要求不高的场合。)Dh(a)θ2023/2/5464.5.1液压节流阀图c为轴向三角槽式节流口φlDhα（c）2023/2/5474.5.1液压节流阀图d为周向缝隙式节流口阀芯上开有狭缝，旋转阀芯可以改变缝隙的通流面积大小。这种节流口可以作成薄刃结构，从而获得较小的稳定流量，但是阀芯受径向不平衡力，只适于低压节流阀中。

(d)2023/2/5484.5.1液压节流阀图e为轴向缝隙式节流口（这三种节流口性能较好，尤其是轴向缝隙式节流口，可以得到较小的稳定流量。）2023/2/5494.5.1液压节流阀2.单向节流阀单向节流阀实际上是将单向阀和节流阀通过并联连接的组合阀。2023/2/5504.5.2液压调速阀调速阀的工作原理2023/2/5514.5.2液压调速阀2.节流阀与调速阀的性能特点如图所示为液压调速阀与节流阀的流量与压力特性曲线。节流阀的流量q随着输入压力P1的增加而增加。而调速阀的流量变化分两部分，当输入压力P1小于减压阀的设定输出压力P2时，流量q随着输入压力P1的增加而增加；当输入压力P1大于减压阀的设定输出压力P2时，流量q保持恒定。2023/2/5524.6气动流量控制元件气动流量控制元件主要指节流阀和单向节流阀以及排气节流阀等。气动系统所使用的节流阀和单向节流阀的原理与结构和液压系统使用的普通节流阀和单向节流阀的原理与结构相同，而排气节流阀是气动系统独有的流量控制元件。2023/2/5534.6.1气动排气节流阀对于气动系统而言，对执行元件做功后的压缩气体，由于没有回收价值，在换向过程中直接排放，而排放速度直接影响执行元件的回程速度，因此出现了排气节流阀。排气节流阀和节流阀一样，是靠调节压力流体的流通面积来实现排放气体流量的控制，从而实现对气动执行元件回程速度的调节2023/2/5544.6.2流量阀的选择与使用（1）根据液压与气动执行元件的进、排气口的通径来选择流量控制阀。（2）根据传动介质的类型（液或气）、工作压力、流量调节范围及应用场合（室内或室外等使用条件）选择流量控制阀的类型和参数。在气缸速度控制中，要注意以下几点：①要防止管路中的气体泄漏，包括各元件接管处的泄漏，如接管螺纹的密封不严、软管的弯曲半径过小、元件的质量欠佳等因素都会引起泄漏。②要注意减小气缸的摩擦力，以保持气缸运动的平衡。应选用高质量的气缸，使用中要保持良好的润滑状态。要注意正确、合理地安装气缸，超长行程的气缸应安装导向支架。③气缸速度控制有进气节流和排气节流两种。用排气节流的方法比进气节流稳定、可靠。④加在气缸活塞杆上的载荷必须稳定。若载荷在行程中途有变化或变化不定，其速度控制相当困难，甚至不可能。在不能消除载荷变化的情况下，必须借助液压传动，如气-液阻尼缸、气-液转换器等，以达到运动平稳、无冲击。2023/2/5554.7液压比例阀、插装阀、叠加阀在实际的液压系统中为便于系统参数的合理调整、大流量系统的可靠控制、系统元件的成套安装等，以达到缩小系统空间体积，减少系统阻力连接环节，提高系统自动化程度的目的，目前的液压系统大都把比例阀、插装阀、叠加阀作为首选元件。2023/2/5564.7.1液压比例阀电液比例阀简称比例阀，比例阀具有直动阀和先导阀的结构特征，由比例电磁铁和液压阀构成，利用电信号可以按比例控制比例电磁铁的位移量，而电磁铁上的阀杆按位移量推动阀芯，从而实现阀芯平衡系统调定的压力、流量、方向等参数按电信号成比例的变化。比例阀是用比例电磁铁替代普通压力阀和普通流量阀的手动调节装置以及替代换向阀的普通电磁铁。1.比例电磁铁的结构2023/2/5574.7.1液压比例阀3.比例电磁铁的控制信号由于比例电磁铁是一种直流电磁铁，因此其控制信号为直流模拟量形式，包括电流型和电压型两种形式。（1）模拟量控制模拟量控制是指利用(4~20)mA的电流信号，或（0~10）V电压信号，或（-5～+5）V电压信号，或（-10～+10）V电压信号通过驱动电路的比例放大实现对比例电磁铁的线圈控制。2023/2/5584.7.1液压比例阀（2）数字量控制①利用脉冲宽度调制(PWM)进行控制，PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器数字输出脉冲的脉宽变化来对场效应三极管模拟电路的输出电流进行控制，即用电压脉冲信号的“占空比”变化实现对比例电磁铁线圈的电流控制。2023/2/5594.7.1液压比例阀②利用PLC等数字控制系统实现对比例电磁铁的闭环控制，PLC的数字输出信号通过D/A转换模块和驱动电路实现对比例电磁铁的线圈控制，当然也可以采用PWM控制形式；比例电磁铁动作后所控制的执行元件的状态参数，一般由位移传感器和压力传感器进行检测，位移检测信号和回路的压力检测信号一般均为模拟量的形式，需要通过A/D转换模块后送入PLC，从而形成系统的闭环控制。如果传感器的检测信号为数字信号，在24V电压的条件下，则可直接送入PLC。2023/2/5604.7.1液压比例阀4.比例阀比例阀是一种其压力、流量、方向等参数能够被电信号连续调节并无级变化的控制阀。1）比例压力阀比例压力阀包括比例溢流阀、比例减压阀、比例顺序阀。比例溢流阀包括直动型和先导型两种。直动型比例溢流阀是用比例电磁铁取代手动调节装置。而先导型比例溢流阀是用比例电磁铁取代先导型溢流阀中先导阀的手动调节装置（调压手柄），从而可使远程压力控制和手动调节的普通先导型溢流阀，变成了溢流阀所稳定的压力可随比例电磁铁的线圈电流连续控制并按线性变化的比例溢流阀。2023/2/5614.7.1液压比例阀比例溢流阀的结构原理2023/2/5624.7.1液压比例阀2）比例流量阀比例流量阀包括比例节流阀和比例调速阀。是在普通流量阀的基础上，用比例电磁铁取代节流阀或调速阀的手动调节装置，实现用比例电磁铁线圈的电流输入信号控制节流口的开度，从而达到可连续地或按比例地远程控制其输出流量，实现对液压系统中执行元件的速度调节。2023/2/5634.7.1液压比例阀3）比例方向阀用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便可以构成通过对比例电磁铁线圈的电流调节实现节流，而通过电压反向或电流为零实现换向，从而形成了直动型或先导型两位或三位比例方向节流阀。2023/2/5644.7.2插装阀插装阀又称为插装式锥阀，是一种通流能力大，液阻小，密封性能好，动作灵敏，结构简单，标准化、通用化程度高，在液压回路中，是实现回路通断功能的新型逻辑控制阀，它的通流量可达1000L/min，通流直径可达（200～250）mm。由于它的功能比较单一，只有与普通液压控制阀组合使用时，才能实现对系统油液方向、压力、流量的控制，因此根据用途的不同，可组合成各种不同的方向阀组件、压力阀组件、流量阀组件。主要用于流量较大的系统或对密封性能要求较高的系统。2023/2/5654.7.2插装阀1.插装阀原理组件由阀体、阀芯、阀套、弹簧和密封圈组成。组件均有两个主油口A和B及一个控制口C2023/2/5664.7.2插装阀2.插装阀特点（1）组合型（2）体积小、成本低（3）功能全、应用广泛3.插装阀的应用（1）用做方向控制阀2023/2/5674.7.2插装阀用作方向控制阀2023/2/5684.7.2插装阀（2）用作压力控制阀2023/2/5694.7.2插装阀（3）用做流量控制阀2023/2/5704.7.3叠加阀叠加式液压阀简称叠加阀，是以积木叠加的方式连接的液压阀。其阀体本身既是元件又是具有油路通道的连接体，阀体的上、下两面制成连