液压与气压传动第04章液压控制元件4.1、4.2

在液压系统中，液压阀控制和调节液流的压力、流量和流向，保证执行元件按照要求进行工作，属控制元件。液压阀的种类繁多，结构复杂，新型阀不断涌现，分析和研究工程设备中常用液压阀的工作原理，工作特性及应用场合，对于分析液压设备的工作过程，工作性能，和系统设计十分重要。第四章液压控制元件4.1

概述液压阀基本结构：

包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内作相对运动的装置。驱动装置可以是手调机构，也可以是弹簧或电磁铁，有时还作用有液压力。基本工作原理：

利用阀芯在阀体内作相对运动来控制阀口的通断或阀口开度的大小，实现对压力、流量和方向的控制。流经阀口的流量q与阀口前后压力差Δp和阀口过流面积A有关，但始终满足压力流量方程。式中:阀口通流面积；阀口前、后压差；流量系数；液体密度。1、阀的分类分类方法种类详细分类按机能分类压力控制阀溢流阀、减压阀、顺序阀、卸荷阀、平衡阀、比例压力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力继电器等流量控制阀节流阀、单向节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、比例流量控制阀、排气节流阀等方向控制阀单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、充液阀、梭阀、比例方向控制阀、快速排气阀、脉冲阀等按结构分类滑阀圆柱滑阀、旋转阀、平板滑阀座阀锥阀、球阀射流管阀喷嘴挡板阀单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀分类方法种类详细分类按操纵方法分类手动阀手把及手轮、踏板、杠杆机动阀挡块及碰块、弹簧液/气动阀液动阀、气动阀电液/气动阀电液动阀、电气动阀电动阀普通/比例电磁铁控制、力马达/力矩马达/步进电动机/伺服电动机控制按连接方法分类管式连接螺纹式连接、法兰式连接板式/叠加式连接单层连接板式、双层连接板式、整体连接板式、叠加阀、多路阀插装式连接螺纹式插装（二、三、四通插装阀）、盖板式插装（二通插装阀）

分类方法种类详细分类按控制方法分类比例阀电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀；气动比例压力阀、气动比例流量阀伺服阀单、两级（喷嘴挡板式、滑阀式）电液流量伺服阀、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、气液伺服阀、机液伺服阀、气动伺服阀数字控制阀数字控制压力阀、数字控制流量阀与方向阀按输出参数可调节性分类开关控制阀方向控制阀、顺序阀、限速切断阀、逻辑元件输出参数连续可调的阀溢流阀、减压阀、节流阀、调速阀、各类电液控制阀（比例阀、伺服阀）

动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小，噪

声小，寿命长。

流体流过时压力损失小。

密封性能好。

结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用

性大。

2、应满足要求3、液压阀的性能参数公称通径：代表阀的通流能力大小，对应于阀的额定流量。

与阀的进出油口连接的油管应与阀的通径相一致。阀工作时的实际流量应小于或等于它的额定流量，最大不得大于额定流量的1.1倍。额定压力：阀长期工作所允许的最高压力。对压力控制阀，实际最高压力有时还与阀的调压范围有关；对换向阀，实际最高压力还可能受它的功率极限的限制。第二节方向控制阀方向控制阀用在液压系统中控制液流的方向，从而改变执行元件的运动方向，或液流通断。它包括单向阀和换向阀。一、单向阀类型1）按控制方式不同，单向阀可分为普通单向阀和液控单向阀两类。

2）按阀芯结构分为球芯、锥芯。

3）按液流方向与阀芯移动方向分为直通式、直角式。控制油液的单向流动或通断。DIF直通单向阀上图所示的阀属于管式连接阀，此类阀的油口可通过管接头和油管相连，阀体的重量靠管路支承，因此阀的体积不能太大太重。321P1P2P1P23211—阀体；2—阀芯；3—弹簧；直通式单向阀中的油流方向和阀的轴线方向相同。

直角式单向阀的进出油口P1、P2的轴线均和阀体轴线垂直。P1P2P1P2

图所示的阀属于板式连接阀，阀体用螺钉固定在机体上，阀体的平面和机体的平面紧密贴合，阀体上各油孔分别和机体上相对应的孔对接，用“O”形密封圈使它们密封。I-36B型板式单向阀工作原理压力油从阀体左端通口流入时，液压力克服弹簧3作用在阀芯上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端通口流出；压力油从阀体右端通口流入时，液压力和弹簧力一起使阀芯压紧在阀座上，阀口关闭，油液无法通过。职能符号一、普通单向阀正向导通，反向截止。P2P1对单向阀的性能要求1）正向导通时，压力损失要小；2）反向截止时，密封性要好。3）单向阀中的弹簧主要用来克服摩擦力、阀芯的重力和惯性力，使阀芯在反向流动时能迅速关闭，所以弹簧较软，开启压力一般0.035~0.05MPa。4）阀芯运动平稳，无振动、冲击或噪声。5）能产生较高的反向压力，反向的泄漏要小。组成：普通单向阀+小活塞缸特点：a.无控制油时，与普通单向阀一样，

b.通控制油时，正反向都可以流动。职能符号：KP1P22、液控单向阀液控单向阀是依靠控制流体压力，可以使单向阀反向流通的阀。

活塞顶杆阀芯液控单向阀当控制口K不通压力油时，压力油只能从通口P1流向通口P2，不能反向流动。当控制口K接通压力油时，活塞1右移通过顶杆2顶开阀芯3，使通口P1和P2接通，油液可在两个方向自由流动。液控单向阀的最小控制压力约为主油路压力的30~50％左右。注意：控制压力油油口不工作时，应使其通回油箱，否则控制活塞难以复位，单向阀反向不能截止液流。工作原理功能是一样的。外泄式的液控有4个油口P1、P2、PC、O，PC和O口为控制油口。内泄式的只有3个P1、P2、PC，PC为控制油口。他的回油和P1进油口是通的。

反向流动时，液控单向阀的出口接回油箱时，请选用内部泄油型式，当液控单向阀的出口有背压时，请选用外部泄油型式。25134图中，用单向阀5将系统和泵隔断，泵开机时泵排出的油可经单向阀5进入系统;泵停机时，单向阀5可阻止系统中的油倒流。

普通单向阀和液控单向阀的应用（1）用单向阀将系统和泵隔断(2)用单向阀将两个泵隔断在下图中，1是低压大流量泵，2是高压小流量泵。低压时两个泵排出的油合流，共同向系统供油。高压时，单向阀的反向压力为高压，单向阀关闭，泵2排出的高压油经过虚线表示的控制油路将阀3打开，使泵1排出的油经阀3回油箱，由高压泵2单独往系统供油，其压力决定于阀4。这样，单向阀将两个压力不同的泵隔断，不互相影响。2143(3)用单向阀产生背压

在右图中，高压油进入缸的无杆腔，活塞右行，有杆腔中的低压油经单向阀后回油箱。单向阀有一定压力降，故在单向阀上游总保持一定压力，此压力也就是有杆腔中的压力，叫做背压，其数值不高一般约为0.5MPa（0.2~0.6MPa）。在缸的回油路上保持一定背压，可防止活塞的冲击，使活塞运动平稳。此种用途的单向阀也叫背压阀。背压阀pb(4)用单向阀和其它阀组成复合阀

由单向阀和节流阀组成复合阀，叫单向节流阀。用单向阀组成的复合阀还有单向顺序阀、单向减压阀等。在单向节流阀中，单向阀和节流阀共用一阀体。当液流沿箭头所示方向流动时，因单向阀关闭，液流只能经过节流阀从阀体流出。若液流沿箭头所示相反的方向流动时，因单向阀的阻力远比节流阀为小，所以液流经过单向阀流出阀体。此法常用来快速回油。从而可以改变缸的运动速度。

在右图中，通过液控单向阀往立式缸的下腔供油，活塞上行。停止供油时，因有液控单向阀，活塞靠自重不能下行，于是可在任一位置悬浮。将液控单向阀的控制口加压后，活塞即可靠自重下行。若此立式缸下行为工作行程，可同时往缸的上腔和液控单向阀的控制口加压，则活塞下行，完成工作行程。ABKG(5)用液控单向阀使立式缸活塞悬浮(6)用两个液控单向阀使液压缸双向闭锁

将高压管A中的压力作为控制压力加在液控单向阀2的控制口上，液控单向阀2也构成通路。此时高压油自A管进入缸，活塞右行，低压油自B管排出，缸的工作和不加液控单向阀时相同。同理，若B管为高压，A管为低压时，则活塞左行。若A、B管均不通油时，液控单向阀的控制口均无压力，阀1和阀2均闭锁。这样，利用两个液控单向阀，既不影响缸的正常动作，又可完成缸的双向闭锁。锁紧缸的办法虽有多种，用液控单向阀的方法是最可靠的一种。12AB

换向阀的分类按阀芯运动的方式：滑阀式、转阀式和锥阀式

；按操纵方式：手动、机动、电磁动、液动和电液动；按阀芯在阀体内占据的工作位置：二位、三位、多位等；按阀芯上主油路数量：通、三通、四通、五通、多通等；按安装方式：管式、板式、法兰式；按阀芯定位方式：钢球定位式、弹簧复位式。

换向阀是利用阀芯在阀体孔内作相对运动，使油路接通或切断而改变油流方向的阀。二、换向阀(a)手动式(b)机动式(c)电磁动(d)弹簧控制(e)液动(f)液压先导控制(g)电液控制阀芯与阀体孔配合处为台肩，阀体孔内沟通油液的环形槽为沉割槽。阀体在沉割槽处有对外连接油口。

当阀芯运动时，通过阀芯台肩开启或封闭阀体沉割槽，接通或关闭与沉割槽相通的油口。（一）滑阀式换向阀1、结构2、换向阀的工作原理利用阀芯与阀体的相对滑动换向。换向阀的“通”和“位”“通”和“位”是换向阀的重要概念。不同的“通”和“位”构成了不同类型的换向阀。位：指阀芯的位置，通常所说的“二位阀”、“三位阀”是指换向阀的阀芯有两个或三个不同的工作位置，“位”在符号图中用方框表示。3、职能符号表示方法通：阀体上主油口的个数(不包括控制油口和泄漏油口）。

常态位：阀芯未受到操纵力作用时所处的位置。三位阀的常态位是中位。二位阀的常态位是靠近弹簧的方框内的通路状态位。绘制液压系统时，油路一般连接在换向阀的常态位上。图形符号含义2.有时在图形符号上还标出泄漏油口，用字母L表示。回油口用字母T表示(有时用字母O表示)。1.但箭头方向并不一定表示油流的实际流向。注意：职能符号换向阀职能符号=操纵方式+位和通路常用的滑阀式换向阀操纵方式符号：例：指出下列图形符号的错误，并予以改正。

TPAB

如下图，换向阀阀体2上开有4个通油口P、A、B、T。换向阀的通油口永远用固定的字母表示，它所表示的意义如下：P—压力油口；A、B—工作油口；T——回油口。PTBAPTABTPAB

下图表示阀芯处于中位时的情况,此时从P口进来的压力油没有通路。A、B两个油口也不和T口相通。中位TPAB

下图表示人向一侧搬动控制手柄，阀芯左移，或者说阀芯处于左位的情况。此时P口和A口相通，压力油经P、A到其它元件；从其它元件回来的油经B、阀芯中心孔，T回油箱。PTAB左位PTABTPAB

下图表示人向另一侧搬动控制手柄阀芯右移，或者说阀芯处于右位时的情况。此时，从P口进来的压力油经P、B到其它元件。从其它元件回来的油经A、T回油箱。右位PTBAPTABTPABPTABTPABTPABPTAB滑阀式换向阀主体部分的结构形式名称结构原理图图形符号使用场合二位二通阀控制油路的接通与切断（相当于一个开关）二位三通阀控制液流方向（从一个方向变换成另一个方向）二位四通阀控制执行元件换向不能使执行元件在任一位置上停止运动执行元件正反向运动时回油方式相同三位四通阀能使执行元件在任一位置上停止运动二位五通阀不能使执行元件在任一位置上停止运动执行元件正反向运动时可以得到不同的回油方式三位五通阀能使执行元件在任一位置上停止运动（二）转阀式换向阀工作原理工作原理及职能符号结论：利用阀芯与阀体的相对转动换向。SchoolofMechanicalEngineering1、手动换向阀

图4-7所示为手动换向阀及其图形符号。图a所示为弹簧自动复位结构的阀，松开手柄，阀心靠弹簧力恢复至中位（常位），适用于动作频繁、持续工作时间较短的场合，操作比较安全，常用于工程机械。图b所示为弹簧钢球定位结构的阀，当松开手柄后，阀仍然保持在所需的工作位置上，适用于机床、液压机、船舶等需保持工作状态时间较长的情况。这种阀也可用脚踏操纵。将多个手动换向阀组合在一起，用以操纵多个执行元件的运动，便构成多路阀。（三）换向阀的结构图4-7手动换向阀（三位四通）a）弹簧自动复位结构b）弹簧钢球定位结构2、机动换向阀

图4-8所示为机动换向阀及其图形符号，它依靠挡铁或凸轮来压迫阀心移动，从而实现液流通、断或改变流向。结构及职能符号

电磁铁不得电，阀芯在右端弹簧的作用下，处于左极端位置，油口P与A通，B不通；电磁铁得电产生一个电磁吸力，通过推杆推动阀芯右移，油口P与B通，A不通。电磁换向阀借助于电磁铁吸力推动阀心动作来改变液流流向。这类阀操纵方便，布置灵活，易实现动作转换的自动化，因此应用最广泛。3、电磁换向阀图4-11

三位四通液动换向阀4、液动换向阀以液压力推动阀芯移动实现换向。34Y-25B型三位四通液动换向阀

5、电液换向阀1)原理2)结构及职能符号3)电液换向阀工作要点为保证液动阀回复中位，电磁阀的中位必须是A、B、T油口互通。控制油可以取自主油路的P口（内控），也可以另设独立油源（外控）。采用内控时，主油路必须保证最低控制压力（0.3～0.5MPa)；采用外控时，独立油源的流量不得小于主阀最大通流量的15％，以保证换向时间要求。电磁阀的回油可以单独引出（外排），也可以在阀体内与主阀回油口相通，一起排回油箱（内排）。液动阀两端控制油路上的节流阀可以调节主阀的换向速度。（三）换向阀的性能和特点1、中位机能阀芯在中间位置时各油口的联通情况。换向阀的机能表示阀芯在某位置时阀的主油路连通方式，对三位阀有中位机能、左位机能和右位机能。

中位机能：三位换向阀的阀芯在中间位置时，各通口间有不同的连通方式，可满足不同的使用要求。这种连通方式称为换向阀的中位机能。

三位四通换向阀三位四通换向阀的滑阀机能有很多种，常见的有表所列的几种。中间一个方框表示其原始位置，左右方框表示两个换向位。其左位和右位各油口的连通方式均为直通或交叉相通，所以只用一个字母来表示中位的型式。PTABO型机能②因P口封闭，泵不能卸荷，泵排出的压力油只能从溢流阀排回油箱。③可用于多个换向阀并联的系统。当一个分支中的换向阀处于中位时,仍可保持系统压力，不致影响其它分支的正常工作。PTAB①缸的两腔被封闭,活塞在任一位置均可停住。1）O型机能

阀芯处于中位时,P,A,B,T四个油口均被封闭，其特点是：2）H型机能阀芯处于中位时,P,A,B,T四个油口互通。PTAB①虽然阀芯已处于中位，但缸的活塞无法停住。②不管活塞原来是左行还是右行，缸的各腔均无压力冲击，换向平稳无冲击。③泵可卸荷。④不能用于多个换向阀并联的系统。因一个分支的换向阀一旦处于中位，泵即卸荷，系统压力为零，其它分支也就不能正常工作了。H型机能的特点如下：3）M型机能

阀芯处于中位时,A、B油口被封闭，P、T油口互通。M型机能是取O型机能的上半部，H型机能的下半部组成的，故兼有二者的特点。M型机能如下：①活塞可停在任一位置上。②缸的两腔会出现压力冲击。③泵能卸荷。④不宜用于多个换向阀并联的系统。PTAB此种机能目的是构成差动连接油路，使单活塞杆缸的活塞增速。4）P型机能阀芯处于中位时，P、A、B油口互通，油口T被封闭。PTAB油缸浮动，系统保压。5）Y型机能6）K型机能单向锁紧，油泵卸荷。Ｘ型机能――Ｐ、Ａ、Ｂ、Ｔ之间只有很小的缝隙连通。Ｊ型机能――Ｐ、Ａ封闭，Ｂ、Ｔ互通。Ｃ型机能――Ｐ、Ａ相通，Ｂ、Ｔ封闭。Ｎ型机能――Ｐ、Ｂ封闭，Ａ、Ｔ互通。Ｕ型机能――Ｐ、Ｔ封闭，Ａ、Ｂ互通。

除上述几种常用的机能外，根据油口通断情况不同尚可组合成多种机能，不过这些机能多用在特殊场合。这些机能是：滑阀的中位机能在分析和选择三位换向阀中位工作机能时，通常考虑以下因素：1）系统保压

当P口被堵塞，系统保压，液压泵能用于多缸系统。当P口不太通畅地与T口接通时（如X型），系统能保持一定的压力供控制油路使用。2）系统卸荷

P口通畅地与T口接通，系统卸荷，既节约能量，又防止油液发热。3）换向平稳性和精度

当液压缸的A、B两口都封闭时，换向过程不平稳，易产生液压冲击，但换向精度高。反之，A、B两口都通T口时，换向过程中工作部件不易制动，换向精度低，但液压冲击小。4）起动平稳性阀在中位时，液压缸某腔若通油箱，则起动时该腔因无油液起缓冲作用，起动不太平稳。5）液压缸“浮动”和在任意位置上的停止阀在中位，当A、B两口互通时，卧式液压缸呈“浮动”状态，可利用其他机构移动，调整位置。当A、B两口封闭或与P口连接（非差动情况），则可使液压缸在任意位置停下来。(1)稳态液动力图

滑阀的稳态液动力a）液流流出阀口b）液流流入阀口

稳态液动力是阀心移动完毕，开口固定之后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀心上的力。图所示为油液流过阀口的两种情况。取阀心两凸肩间的容腔中的液体作为控制体，对它列写动量方程，据式（1-44），可得这两种情况下的轴向液动力都是Fbs=ρqvcosΦ，其方向都是促使阀口关闭的。据式（1-91）和式（1-92），并注意到，上式可写成2、滑阀的液动力(2)瞬态液动力

瞬态液动力是滑阀在移动过程中（即开口大小发生变化时）阀腔中液流因加速或减速而作用在阀心上的力。瞬态液动力只与阀心移动速度有关（即与阀口开度的变化率有关），与阀口开度本身无关。

图

瞬态液动力a）开口减小，液流流出阀口

b）开口加大，液流流入阀口一般滑阀的阀孔和阀心之间有很小的缝隙，当缝隙中有油液时，移动阀心所需的力只须克服粘性摩擦力，数值应该是相当小的。可是实际情况并非如此，特别在中、高压系统中，当阀心停止运动一段时间后（一般约5min左右），这个阻力可以大到几百牛，使阀心重新移动十分费力。这就是所谓滑阀的液压卡紧现象。（1）引起液压卡紧的原因:脏物进入缝隙;由于缝隙过小在油温升高时阀心膨胀而卡死;滑阀副几何形状误差和同心度变化所引起的径向不平衡液压力，即液压卡紧力(主要原因）。

3、滑阀的液压卡紧现象当阀芯存在形状和位置误差时，由于阀芯轴向压力分布不均而形成径向不平衡力，使阀芯卡紧在阀体上。（2）卡紧情况图4-4

滑阀上的径向力b）有倒锥，轴线平行，有偏心图4-4b所示为阀心因加工误差而带有倒锥（锥部大端朝向高压腔），阀心与阀孔轴心线平行但不重合时的情况。阀心受到径向不平衡压力的作用（图中曲线A1和A2间的阴影部分，下同），使阀心与阀孔间的偏心距越来越大，直到两者表面接触为止，这时径向不平衡力达到