第4章-液压控制元件-《液压与气动》

第4章液压控制元件

液压控制元件主要是各种控制阀，在液压系统中控制液体流动方向、流量大小和压力的高低，以满足执行元件的工作要求。

4.1方向控制阀(direction control valvess)

方向控制阀是通过控制液体流动的方向来操纵执行元件的运动，如液压缸的前进、后退与停止，液压马达的正反转与停止等。

4.1. 1单向阀

单向阀(Check valve) 使油只能在一个方向流动，反方向则堵塞。其构造及符号如图4-1所示。液控单向阀如图4-2 所示，在普通单向阀的基础上多了一个控制口，当控制口空接时，该阀相当于一个普通单向阀;若控制口接压力油，则油液可双向流动。为减少压力损失，单向阀的弹簧刚度很小，但若置于回油路作背压阀使用时，则应换成较大刚度的弹簧。

4.1. 2换向阀

换向阀是利用阀芯对阀体的相对位置改变来控制油路接通、关断或改变油液流动方向。一般以下述方法分类。

1.按接口数及切换位置数分类

接口是指阀上油的进、出口，压油的进口通常标为P,回油C则标为R或T,油的出口则以A、B来表示。阀内阀芯可移动的位置数称为切换位置数，通常我们将接口称为“通”将阀芯的位置称为“位”，例如:图4-3所示的手动换向阀有三个切换位置，4个接口，我们称该阀为三位四通换向阀。该阀的三个工作位置与阀芯在阀体中的对应位置如图4-4所示，各种位和通的换向阀符号见图4-5所示。

a)手柄左板，阀左位工作  b)松开手柄，阀中位工作   c)手柄右板，阀右位工作

2.按操作方式分类

推动阀内柱塞移动的动力有手、脚、机械、液压、电磁等方法，如图4-6所示。阀上如装弹簧，则当外加压力消失时，柱塞会回到原位。

3.换向阀结构

在液压传动系统中厂泛采用的是滑阀式换向阀,在这里主要介绍这种换向阀的几种结构。

1)手动换向阀

手动换向阀是利用手动杠杆来改变阀芯位置实现换向的,图4-7 所示为手构和图形符号。图4-7a为自动复位式手动换向阀，手柄左板则阀的油口P和A通，B和T通;手柄右板则P和B通，A和T通;放开手柄，阀芯2在弹簧3的作用下自动回复中位(四个油口互不相通)。

如果将该阀阀芯右端弹簧3的部位改为图中7b的形式，即成为可在三个位置定位的手动换向阀，图4-7c、d为其图形符号图。

2)机动换向阀

机动换向阀又称行程阀,它主要用来控制液压善机械运动部件的行程，它是借助于安装在工作台.上的挡铁或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向，机动换向阀通常是二位的,有二通、三通、四通和五通几种，其中二位二三通机动阀又分常闭和常开两种。

图4-8a为滚轮式二位二通常闭式机动换向阀，若滚轮未压住则油口P和A不通，当挡铁或凸轮压住滚轮时，则油口P和A接通。图4-8b为其图形符号。

3)电磁换向阀

电磁换向阀是利用电磁铁的通、断电而直接推动阀芯来控制油口的连通状态。图4- -9所示为三位五通电磁换向阀，当左边电磁铁通电，右边电磁铁断电时，阀油口的连接状态为P和A通，B和T.通，T.堵死;当右边电磁铁通电，左边电磁铁断电时，P和B通，A和T1通，T2堵死，当左右电磁铁全断电时，五个油口全堵死。

4)液动换向阀

图4-10所示为三位四通液动换向阀，当K通压力油，K回油时，P与A接通，B与T接通;当K通压力油，K回油时，P与B接通，A与T接通:当KI K都未通压力油时，P、T、A、B四个油口全堵死。

5)电液换向阀

电液换向阀:是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。电磁滑阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀的位置。由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大，所以主阀可以做得很大，允许有较大的流量通过。这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流。图4-11所示三位四通电液换向阀。

该阀的工作状态(不考虑内部结构)和普通电磁阀-样，但工作位置的变换速度可通过阀上的节流阀调节。

4.比例式电磁换向阀

比例方向阀(Propor tional Directional-Flow Valve)是以在柱塞外装置的电磁线圈所产生的电磁力，来控制柱塞之移动，依靠控制线圈电流来控制方向阀内柱塞之位移量，故可同时控制油流动的方向和流量。

图4-11为比例式方向阀的职能符号，通过控制器可以得任何想要之流量和方向，同时也有压力及温度补偿的功能，比例式方向阀有进油和回油流量控制两种类型。

5.中位机能

当液压缸或液压马达需在任何位置均可停止时，须使用3位阀，(即除前进端与后退端外，还有第三位置)，此阀双边皆装弹簧，如无外来的推力，阀芯将停在中间位置，称此位置为中立位置，简称为中位，换向阀中间位置的连通方式称为中位机能，各种中位机能如表4-1所示。

表4-1三位换向阀的中位机能

不同的中位机能，可以满足液压系统的不同要求，由表4-1可以看出中位机能是通过改变阀芯的形状和尺寸得到的。

在分析和选择三位换向阀的中位机能时通常考虑以下几点:

1)系统保压中位为“O” 型，如图4-13所示，P 口被堵塞时，此时油需从溢流阀流回油箱，增加功率消耗:但是液压泵能用于多缸系统。

2)系统卸荷 中位“M”型，图4-14所示，当方向阀于中位时，因P、T口相通，泵输出的油不经益流阀即可流回油箱，由于直接接油箱，泵的输出压力近似为零，也称泵卸荷，减少功率损失。

3)液压缸快进中位 “P”型，图4-15所示，当方向阀于中位时，因P、A、B相通，故可作差动回路。

图4一15换向阀中位P型

4.3流量控制阀

液压系统在工作时，常需随工作状态的不同而以不同的速度工作，只要控制流量就控制了速度;无论那一种流量控制阀，内部--定有节流阀的构造，因此节流阀可说是最基本的流量控制阀了。

4.3. 1速度控制的概念

1.对液压执行元件而言，控制流入执行元件的流量”或“流出执行元件的流量”都可控制执行元件的速度。

液压缸活塞移动速度: V=Q/A

液压马达的转速:n=Q/q

式中: Q一流入执行元件的流量

A一液压缸活塞的有效面积

q-液压马达的排量

2.任何液压系统都要有泵，不管执行元件的推力、速度如何变化，定量泵的输出流量永远是固定不变的，所谓速度控制或控制流量只是使流入执行元件之流量小于泵的流量而已，故常将其称为节流。

图4-30所示说明定量泵在无负载且设回路无压力损失的状况下，其节流前后的差异;节流前泵打出的的油全进入回路，此时泵输出压力趋近于零，节流后泵50L/min的流量才有30L Jmin能进入回路，虽然其压力趋近于零，但是剩余的20L /min得经溢流阀流回油箱，若将溢流阀压设定为50kg/cm2，此时就算是没有负载，回路压力仍将会大于40kg / cm2,也就是说不管负载的大小如何，只要作了速度控制，则泵的输出压力将会趋近溢流阀的设定压力，趋近的程度由节流量的多少与负载大小来决定。

4. 3. 2节流阀

节流阀( Throtle valve)是根据第第1章中孔口与阻流管原理所作出的，图4-31为节流阀的结构，油液由入口进入，经滑轴上的节流口后，由出流出。调整手轮使滑轴轴向移动，以改变节流门节流面积的大小。

图4-32为单向节流阀，与普通节流阀不同的是:只能控制一个方向的流量大小，而在另一个方向则无节流作用。

1.节流阀的压力特性

图4-33 (a) 所示液压系统未装节流阀，若推动活塞前进所需最低工作压力为10kgf /cm,那么当活塞前进时，压力表指示的压力为10kgf/cm2; 当装了节流阀控制活塞前进速度如图4-33 (b) 所示，那么当活塞前进时，则节流阀入口压力会上升到溢流阀所调定的压力，溢流阀被打开，一部分压油液经溢流阀流入油箱。

2.节流阀流量特性

节流阀的节流口形式可归纳为三种基本形式:孔口、阻流管、与介于两者之间的节流孔。

根据实验，通过节流口的流量可用下式表式:

当液压缸所推动的负载变化时，使得节流阀进出口压力差变化，通过的流量也有变化，从而活塞的速度不稳定。为使活塞运动速度不会因负载的变化而变化，应该采用下文所述的调速阀。

4.3.3调速阀

调速阀能在负载变化的状况下，保持进口、出口压力差恒定。图4-34所示调速阀的结构，其动作原理说明如下:

此时只要将弹簧力固定，则在油温无什么变化时，输出流量即可固定。另外，要使阀能在工作区正常动作，进、出口间压力差要在7-10kg/cm2以上。

以上讲的调速阀是压力补偿调速阀，即不管负载如何变化，通过调速阀内部具有一活塞和弹簧来使主节流口的前后压差保持固定，从而控制通过的流量维持不变。另外还有压力温度补偿流量调整阀，能在油温变化的情况下，保持通过阀的流量不变。

4.3. 4基本的速度控制回路

液压回路基本的速度控制有进油节流调速、回油节流调速、旁路节流调速三种方法。

1.进油节流调速(Meter in)

进油截流调速就是控制执行元件入口的流量，图4-35所示，该回路不能承受负负载，如有负向负荷(负荷与运动方向同向者)，则速度失去控制。

2.回油节流调速(Meter out)

回油节流调速就是控制执行元件出口的流量，图4- 36 所示，回油节流调速是控制排油，节流阀可提供背压，使液压缸能承受各种负荷。

3.旁路节流调速(Bleed off)

旁路节流调速是控制不需流入执行元件也不经溢流阀而直接流回油箱的油的流量，从而达到控制流入执行元件油液流量的目的。图9-67所示旁路节流调速回路，该回路的特点是液压缸的压力基本上等于泵的输出压力其大小取决于负载;该回路中的溢流阀只有在过载时才打开。

从上所述，此三种调速方法不同点为:

1)进油调速和回油调速会使回路压力升高，造成动力损失;旁路调速则几乎不会。

2)用旁路调速作速度控制时，效率最高，控制性能最差，主用于负荷变化很小的正向负荷的场合。

3)用进油调速作速度控制时，效率次之，主用于负荷变化较大之正向负荷的场合。

4)用回油调速作速度控制时，效率最差，控制性能最佳，主用于有负向负荷的场合。

4.3.5行程减速阀及其应用

一般的加工机械如车床、铣床，其刀具有未接触工作时，需快速进给以节省时间，开始切削则应慢速进给，以保证加工质量，或是液压缸前进时，本身冲力过大，需要在行程的未端使其减速，以便液压缸能正确的停止;此时就需要用图4- 38所示减速阀行程减速阀的应用如图4-39所示。

4.3. 6比例式流量阀

前面所述之流量阀都需用手动调整的方式来作流量设定，在需要经常调整流量或要作精密流量控制的液压系统，就得用到比例式流量阀了。比例式流量阀(Proportional Flow Control Valve)也是以在提动杆外装置的电磁线圈所产生的电磁力，来控制流量阀的开口大小，由于电磁线圈有良好的线性度，故其产生的电磁力是和电流的大小成正比，在应用时可产生连续变化的流量了，从而可任意控制流量阀的开口大小。

比例式流量阀也有附单向阀的，各种比例式流量阀的符号如图4- 40所示。

4.4叠加阀

叠加阀(modular valves)是一种阀体本身就拥有共通油路的回路板，等于回路板本身内部就具有阀的机构。

叠加阀是采用堆叠的方式形成各种液压回路，阀和阀之间采用0形环来作密封装置，但也有些是设计另一快隔板上下用O形环来作为中介媒介层。

图4-41为一传统液压回路，如采用传统配管则如图4- 42所示，但如果采用叠加式减压阀，则可像图4-43所示，忽略掉电磁阀和叠加阀之间的配管。

叠加阀的特点是:

1)液压回路是由叠加阀堆叠而成，可大幅缩小安装空间。

2)组装工作不需熟练，并可容易而迅速的实现回路的增添或更改。

3)减少了由于配管弓|起的外部漏油、振动、噪音等事故，因而提高了可靠性。

4)元件集中设置，维护。检修容易。

5)回路的压力损失较少，可节省能源。但流经每一个叠加阀的压力损失必须详查产商资料。

4.4.1.叠加阀的构造

展示叠加阀的内部构造之前，先让大家看一下图 4- 44用叠加阀所构成的回路构造之外观图。最下面的基座板(base plate)是用来承载安装叠加阀，再把后述各种形状的叠加阀一个一个堆叠上去，最上面再放一个电磁阀而构成一个最基本的单元。而像这样的把另一基本单元所需的盛加阀如法炮制堆叠在基座板上排成-横列，就构成整个液压回路。图中之液压回路是由四个基本单元所构成，基座板为一四连式形式。

在图4-44所示基座板上有A、B两孔是用来连接每-基本单元所控制的驱动器。而在基座板上左侧有一T孔(图上看不见)，右侧有一P孔，此两孔是用来连接油箱与泵。以下各图为YUKEN公司所生产之叠加阀，其外观和内部构造，仔细瞧瞧，当可发现其内部构造和动作原理，皆和前所述传统控制阀相似。

看了图4-45至图4-47所示各种形式的叠加阀，可知每一-种叠加阀依其各控制阀原来传统的功能再加上将来要堆叠构成的回路这两项因素;而拼凑出来的流路形式比传统控制阀多出许多了，像溢流阀有3种，减压阀也有3种。另外一些阀就不一-叙述了。 :

与叠加阀配合的电磁阀之类的换向阀(查产商资料可知)。通常把电磁阀装在叠加阀块的最上层，因此只要各接口的位置能够对准叠加阀的接口，即使使用手动换向阀都可以的。

以上述的叠加阀其下面都有密封用的0形环夹在两个接面中间以防止漏油。但有些没有装o形环，就要用图4- 48所示的插入O形环的隔板以防止二个接面之间的漏油。

图4-48叠加阀的隔板

图4-49叠加阀的基座板

4.4. 2.叠加阀用基座板的构造

常见的基板座如图4- 49 所示，此为单层型6连式基座板。在基座板的左右两侧油通往油箱和泵的接口(T及P)，每一连各有其专用通往驱动器的配管接口(A、 B口)，而在其顶面有通往叠加阀的配管口(P、 T、A、B口)，此外还有固定叠加阀用的螺丝孔。

图4-50所示为单连式和多连式基座板的符号，在这些基座板符号上可很清楚看出P(泵)、T (油箱)、A和B (驱动器)等接口。

图4一50单连式和多连式基座板符号示意图

叠加阀通常最高使用压力可达250kgf/cm， 和关其最大流量和阀尺寸之不同而异。(叠加阀尺寸有1/8、1/4、3/8、3/4、5/4）

4.4.3利用叠加阀的回路

如果想直接画出盛加阀的回路，的确令人头痛。通常我们都是将传统的回路先画出来，然后再将传统的回路变成叠加阀的回路。

如图4-51 (a)所示，把图中的电磁阀的符号弓出一条中心线，以此中心线为界将整个回路分成左右两侧，然后将回路各接口之间的连接线弯曲成颠倒的U字形，如此就变成图(b) 叠加阀的回路图。各位看了图(b) 的回路图之后，就可买到你所要得叠加阀。

图4-52所示亦为- -传统阀的回路图，各位再运用上述原则可得图4- - 53所示叠加阀的回路。

图4- 52利用传统控制阀来驱动液压缸及马达的回路

图4-53利用叠加阀来驱动液压缸和马达的回路

4.5插装阀

液压插装阀是由插装式基本单元(以下简称插件体)和带有弓|导油路的阀盖所组成。按回路目的，配不同的插件体及阀盖来进行方向、流量或压力的控制。

插装阀是安装在预先开好阀穴的油路板上(manifold blocks )而构成我们所需要的液压回路，如图4-54所示，因此可使液压系统小形化。

插装阀是七十年代初才出现的-种新型液压元件，为一多功能、标准化、通用化程度相当高的液压元件，适用于钢铁设备、塑胶成型机以及 船舶等机械中。

插装阀的特点是:

1)插装阀盖的配合，可具有方向、流量及压力控制功能。

2)件体为锥形阀结构，因而内部泄漏极少，不存在液压下紧现象，并没有如滑轴(spool) 的重叠现象，反应性良好，可进行高速切换。

3)最适于压力损失小的高压大流量系统。

4)插装阀直接组装在油路板上，因而少了由于配管弓|起的外部泄漏、振动、噪音等事故，系统可靠性增加。

5)安装空间缩小，是液压系统小形化。同时和以往方式相比，可降低液压系统的制造成本。

4.5. 1插装阀的结构

由插装阀所组装成的液压回路，通常含有下列基本元件:

1.油路板

油路板亦有人称为集成块，这是方块钢体-上挖有阀孔,用以承装插装阀，如图4- 55所示。

图4-56为常见油路板上主要阀孔和控制通道,X Y为控制压油油路，F为承装插件体的阀孔，A口B口是配合插件体的压油工作油路。

2.插件体

插件体(cartnidges)主要由锥形阀(poppet)、弹簧套管(sleeve) 及若干个密封垫圈所构成，如图4-55所示。插件体本身有两个主通道用于配合油路板上之A、B通路。

3.盖板

如图4-55所示，安装在插件体上面，里面有控制油路和油路板上X、Y控制油路相通以作为压油之导压或排泄，以使插件体做开闭之功能。又控制油路中还有阻尼孔，用以改善阀的动态特性。

4.引导阀

引导阀(Pilot valves) 为控制插装阀动作的小型电磁换向阀或压力控制阀，叠装在阀盖上。

4.5. 2插装阀的动作原理

参考图4- 55,插件体只有两个主通阀A和B,锥形阀的开闭诀定A口和B口的通断，故插装阀亦称为2路插件阀(2- -way cartidge valves)。在锥形阀上有两个受压面面积为An和Ap,分别和A口和B口相通;有引导压作用在弹簧室上，其受压面积为Ax很显然的Ax=Aa+ AB。分析其力学关系:

Ax. Px+Fs=Fx

As PA+Ap. Pg=Fw :

式中，Ax-X口受压面积

An-A口受压面积

Ap- -B口受压面积

Px- -X口压力

PA-A口压力

Pp一B口压力

Fs- -弹簧预压力

Fx-X口向下力

1. 闭动作

如图4-57所示，当电磁换向阀不动作, x口有引导压，此时Ax. Px+Fs>Au Pa+Ap. Pp故锥形阀关闭，A口和B口通路被切断，所以PA=Pp=0，此时阀闭合。

2.开动作

如图4-58所示，当电磁转向阀动作，X口没有引导压Px=0，此时Ax Px+Fs<Au Pa+Ap. Pe
故锥形阀上升，A口和B口相通，所以A口或B口的压力都有可能单独使锥形阀打开。

若Px=0，则在Pa或PB压力作用下使锥形阀打开的最小压力为锥形阀的开启压力。此开启压力和As
面积大小及弹簧预压力Fs有关，通常开启压力可在0. 3~4kgf/cm2之间。

锥形阀上升，压油可由A流向B,亦可由B流向A。当然如Ax/As= 1时锥形阀为直筒形，此时压油只能由A流向B.

图4-57闭动作

图4-58开动作

4.5. 3插装阀用作方向控制阀

插装阀如用作方向控制阀且能双向导通时(A- →B，B→A)， 则Ax/As=1.5 (参加图4-55)有关方向控制插装阀见图5-59所示。

我们亦可以将图4- 59所示的方向控制插装阀做适当的改变可得图4-60，图4-61,图4-62。图4-63，图4-64，图4- 65所示的各种方向控制阀。

图4-64所示的三位四通电磁阀工作状态如表4-2所示。

表4-2

图4-64及表4-2教我们如何利用插装阀来控制压缸的前进、后退及中位停止。明白了上述道理，我们可知如果采用四个引导阀来控制四个插装阀的开闭，则有16种(24) 可能的状态，但其中有五种流路都是相同，故实际上只有12 种流路，如表4-3所示。由此可知用插装阀换向时较- -个四通阀有较多的机能来选择，但是一-个三 位四通电磁转向阀要有四个插装阀及四个引导阀来组成，其外形尺寸及经济性只有在大流量时才合理。

表4-3

4.5. 4插装阀用作方向、流量控制阀

如在方向控制插装阀的阀盖上增加一锥形阀行程调节器以调节锥形阀开口的大小，如此就行成一手动的方向。 流量控制插装阀，如图4-65所示，此种插装阀具有方向和流量控制的功能，注意其锥形阀的形式和前述方向控制插装阀之锥形阀是相同的。

图4-65方向、流量控制插装阀

4.5. 5插装阀用作压力控制阀

插装阀如用作溢流阀时，Ay/AA=1, 如此以减少B口压力对调整压力的影响。溢流插装阀如图4- 66所示，此时Y口要接油箱。如在X口加装一-个二位二通电磁阀成为电磁控制益流阀，如图4-67所示。当B口不接回油而接负载时，则溢流插装阀可当顺序阀使用。在X口加接若干个引导压力阀及弓导电磁阀，可实现多段的压力控制。有关插装阀可参阅产商的资料。

图4-66溢流插装阀

图4一67电磁控制溢流插装阀