液壓-第04章流量控制閥

1本章提要節(jié)流口的流量特性；流量負(fù)反饋；節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流閥等三種流量控制閥的原理、結(jié)構(gòu)、主要性能和應(yīng)用；其它液壓閥，如插裝閥、電液比例閥、電液伺服閥的工作原理及應(yīng)用。

本章主要內(nèi)容為：本章重點是節(jié)流口的流量特性、流量負(fù)反饋、調(diào)速閥的工作原理和性能。學(xué)習(xí)時應(yīng)從液壓橋路和流量負(fù)反饋等基本概念著手理解這些閥的工作原理。2

流量控制閥簡稱流量閥，它通過改變節(jié)流口通流面積或通流通道的長短來改變局部阻力的大小，從而實現(xiàn)對流量的控制，進(jìn)而改變執(zhí)行機構(gòu)的運動速度。流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流集流閥等。本章除討論普通的流量閥之外，還要簡要介紹插裝閥、電液比例閥和電液伺服閥。3對流量控制閥的主要性能要求是：l）閥的壓力差變化時，通過閥的流量變化小。2）油溫變化時，流量變化小。3）流量調(diào)節(jié)范圍大，在小流量時不易堵塞，能得到很小的穩(wěn)定流量。4）當(dāng)閥全開時，通過閥的壓力損失要小。5）閥的泄漏量要小。對于高壓閥來說，還希望其調(diào)節(jié)力矩要小。

4對于節(jié)流孔口來說，可將流量公式寫成下列形式:（7.1）7.1節(jié)流口的流量特性7.1.1

節(jié)流口流量公式

式中:閥口通流面積；閥口前、后壓差；由節(jié)流口形狀和結(jié)構(gòu)決定的指數(shù)，0.5＜m＜l；節(jié)流系數(shù)。QΔp圖7.1節(jié)流口的流量-壓力特性細(xì)長孔m=1簿壁口m=0.55關(guān)于薄壁節(jié)流口的流量公式，在流體力學(xué)中已然推導(dǎo)和證明過，我們只引用其結(jié)論即可。令,m=0.5流過薄壁小孔的流量公式由式（7.1）變?yōu)?式中:Cd—流量系數(shù)；ρ—油液密度。在流體力學(xué)中，我們遇到過兩大類節(jié)流口。一類是細(xì)長孔，m=1。在液壓工程中，往往把這類節(jié)流口當(dāng)作固定(不可調(diào))節(jié)流器使用。QΔp細(xì)長孔m=1簿壁口m=0.5另一類是薄壁節(jié)流口,m=0.5。用紊流計算這一類節(jié)流口的流量。常常把它們作為節(jié)流閥閥口使用。6上式也可寫成在上式中若m為常數(shù)，且也是常數(shù)，調(diào)節(jié)A，則可調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥的流量Q。需要說明的是流量系數(shù)Cd并不是常數(shù)，節(jié)流口的結(jié)構(gòu)、形狀、壓力差、油溫都對Cd有影響。精確的Cd值需靠試驗確定。一般Cd=0.6~0.8。m值也受多種因素影響，一般m=0.5~1。一般薄壁節(jié)流口的m為0.5左右。盡管式（7-1）包含著一些非確定因素，但它畢竟給我們提供了一個對流量進(jìn)行概略計算的簡明表達(dá)式。7液壓系統(tǒng)在工作時，希望節(jié)流口大小調(diào)節(jié)好后，流量Q穩(wěn)定不變。但實際上流量總會有變化，特別是小流量時，影響流量穩(wěn)定性與節(jié)流口形狀、節(jié)流壓差以及油液溫度等因素有關(guān)。

7.1.2影響流量穩(wěn)定性的因素

（1）壓差變化對流量穩(wěn)定性的影響

當(dāng)節(jié)流口前后壓差變化時，通過節(jié)流口的流量將隨之改變，節(jié)流口的這種特性可用流量剛度T來表征。

（7.2）

8m=0.5QΔp細(xì)長孔m=1123Δp1Δp2123簿壁口剛度的物理意義如下：當(dāng)△p有某一增量時，Q值相應(yīng)的也有某一增量，Q的增量值越大，說明流量的變化也就越大，從（7.2）式看，剛度就越小。反之，則剛度大。9由式（7.2）可知：流量剛度與節(jié)流口壓差成正比，壓差越大，剛度越大；壓差一定時，剛度與流量成反比，流量越小，剛度越大；系數(shù)m越小，剛度越大。薄壁孔（m＝0.5）比細(xì)長孔（m＝1）的流量穩(wěn)定性受ΔP變化的影響要小。因此，為了獲得較小的系數(shù)m，應(yīng)盡量避免采用細(xì)長孔節(jié)流口，應(yīng)使節(jié)流口形式接近于薄壁孔口，以獲得較好的流量穩(wěn)定性。

10（2）油溫變化對流量穩(wěn)定性的影響

油溫升高，油液粘度降低。對于細(xì)長孔，當(dāng)油溫升高使油的粘度降低時，流量Q就會增加。所以節(jié)流通道長時溫度對流量的穩(wěn)定性影響大。對于薄壁孔，油的溫度對流量的影響是較小的，這是由于流體流過薄刃式節(jié)流口時為紊流狀態(tài)，其流量與雷諾數(shù)無關(guān)，即不受油液粘度變化的影響；節(jié)流口形式越接近于薄壁孔，流量穩(wěn)定性就越好。

11節(jié)流閥的阻塞現(xiàn)象

一般節(jié)流閥，只要保持油足夠清潔，不會出現(xiàn)阻塞。有的系統(tǒng)要求缸的運動速度極慢，節(jié)流閥的開口只能很小,于是導(dǎo)致阻塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。此時，通過節(jié)流閥的流量時大時小，甚至斷流。（3）阻塞對流量穩(wěn)定性的影響

流量小時，流量穩(wěn)定性與油液的性質(zhì)和節(jié)流口的結(jié)構(gòu)都有關(guān)。12產(chǎn)生堵塞的主要原因是：①油液中的雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)等污物堆積在節(jié)流縫隙處；②由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，因而影響了節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物增長到一定厚度時，會被液流沖刷掉，隨后又重新附在閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成流量的脈動;③閥口壓差較大時容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。13減輕堵塞現(xiàn)象的措施有：

·適當(dāng)選擇節(jié)流口前后的壓差,用多個節(jié)流口串聯(lián)。一般取ΔP＝0.2～0.3MPa?！ぞ苓^濾并定期更換油液。在節(jié)流閥前設(shè)置單獨的精濾裝置，為了除去鐵屑和磨料，可采用磁性過濾器。·節(jié)流口零件的材料應(yīng)盡量選用電位差較小的金屬，以減小吸附層的厚度。·采用大水力半徑的薄刃式節(jié)流口。一般通流面積越大、節(jié)流通道越短、以及水力半徑越大時，節(jié)流口越不易堵塞。147.1.3 節(jié)流口的形式與特征

(1)直角凸肩節(jié)流口h≤B；B—閥體沉割槽的寬度。直角凸肩節(jié)流口DBh本結(jié)構(gòu)的特點是過流面積和開口量呈線性結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。但流量的調(diào)節(jié)范圍較小，小流量時流量不穩(wěn)定，一般節(jié)流閥較少使用。

節(jié)流口是流量閥的關(guān)鍵部位，節(jié)流口形式及其特性在很大程度上決定著流量控制閥的性能。

15(2)針閥式（錐形凸肩）節(jié)流口圖7.2(a)針閥（錐形）節(jié)流口Dh(a)θ特點：結(jié)構(gòu)簡單，可當(dāng)截止閥用。調(diào)節(jié)范圍較大。由于過流斷面仍是同心環(huán)狀間隙，水力半徑較小，小流量時易堵塞，溫度對流量的影響較大。一般用于要求較低的場合。16(3)偏心式節(jié)流口節(jié)流口由偏心的三角溝槽組成。閥芯有轉(zhuǎn)角時，節(jié)流口過流斷面面積即產(chǎn)生變化。本結(jié)構(gòu)的特點是，小流量調(diào)節(jié)容易。但制造略顯得麻煩、閥芯所受的徑向力不平衡，只宜用在低壓場合。17(4)軸向三角槽式節(jié)流口沿閥芯的軸向開若干個三角槽。閥芯做軸向運動，即可改變開口量h，從而改變過流斷面面積。本節(jié)流口結(jié)構(gòu)簡單，水力半徑大，調(diào)節(jié)范圍較大。小流量時穩(wěn)定性好，最低對流量的穩(wěn)定流量為50ml/min。因小流量穩(wěn)定性好，是目前應(yīng)用最廣的一種節(jié)流口。φlDhα圖7.2(c)三角槽式節(jié)流口18bhaφαφlDhα19圖7.2(d)周向縫隙式節(jié)流口(5)周向縫隙式節(jié)流口閥芯上開有狹縫，旋轉(zhuǎn)閥芯可以改變縫隙的通流面積大小。這種節(jié)流口可以作成薄刃結(jié)構(gòu)，從而獲得較小的穩(wěn)定流量，但是閥芯受徑向不平衡力，只適于低壓節(jié)流閥中。

20本結(jié)構(gòu)為薄壁節(jié)流口，壁厚約0.07~0.09mm，流量受溫度的影響小、不易堵塞、最低穩(wěn)定流量約20ml/min。閥芯的軸向位移可改變節(jié)流口過流斷面的面積。節(jié)流口易變形，工藝復(fù)雜是本結(jié)構(gòu)的缺點。(6)軸向縫隙式節(jié)流口圖7.2(e)軸向縫隙式節(jié)流口217.3 節(jié)流閥7.3.1 節(jié)流閥液流從進(jìn)油口流入經(jīng)節(jié)流口后，從閥的出油口流出。本閥的閥芯3的錐臺上開有三角形槽。轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)手輪1，閥芯3產(chǎn)生軸向位移，節(jié)流口的開口量即發(fā)生變化。閥芯越上移開口量就越大。閥芯調(diào)節(jié)手輪螺帽閥體(a)22

當(dāng)節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力差為定值時，改變節(jié)流口的開口量，即可改變流過節(jié)流閥的流量。節(jié)流閥和其它閥，例如單向閥、定差減壓閥、溢流閥，可構(gòu)成組合節(jié)流閥。圖7.523圖7.6本節(jié)流閥具有螺旋曲線開口和薄刃式結(jié)構(gòu)的精密節(jié)流閥。轉(zhuǎn)動手輪和節(jié)流閥芯后，螺旋曲線相對套筒窗口升高或降低，改變節(jié)流面積，即可實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)。

247.3.2 單向節(jié)流閥流體正向流動時，與節(jié)流閥一樣，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動時，靠油液的壓力把閥芯4壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實現(xiàn)流體反向自由流動。

節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。25圖7.7單向節(jié)流閥7.3.2 單向節(jié)流閥26根據(jù)“流量負(fù)反饋”原理設(shè)計而成的流量閥稱為調(diào)速閥。根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)分流式”之差別，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥2種主要類型，調(diào)速閥中又有普通調(diào)速閥和溫度補償型調(diào)速閥兩種結(jié)構(gòu)。調(diào)速閥和節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用基本相同，主要與定量泵、溢流閥組成節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流閥適用于一般的系統(tǒng)，而調(diào)速閥適用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。

7.4

調(diào)速閥27串聯(lián)減壓式調(diào)速閥是由定差減壓閥1和節(jié)流閥2串聯(lián)而成的組合閥。節(jié)流閥1充當(dāng)流量傳感器，節(jié)流閥口不變時，定差減壓閥2作為流量補償閥口，通過流量負(fù)反饋，自動穩(wěn)定節(jié)流閥前后的壓差，保持其流量不變。因節(jié)流閥（傳感器）前后壓差基本不變，調(diào)節(jié)節(jié)流閥口面積時，又可以人為地改變流量的大小。

7.4.1串聯(lián)減壓式調(diào)速閥的工作原理

圖7.8(a)28p1p3(c)簡化符號(b)符號原理p1p3p2圖7.8調(diào)速閥工作原理1-減壓閥芯；2-節(jié)流閥芯acd1A2eb2ghp1(a)p2A2結(jié)構(gòu)原理29(b)詳細(xì)符號p1p3(c)簡化符號p1p3p2(a)結(jié)構(gòu)原理p1p3p2節(jié)流閥減壓閥acdA2eb2ghA11A3k30節(jié)流閥芯桿2由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成，當(dāng)油溫升高時，芯桿熱膨脹使節(jié)流閥口關(guān)小，能抵消由于粘性降低使流量增加的影響。7.4.2溫度補償調(diào)速閥（節(jié)流閥）

圖7.9溫度補償調(diào)速閥減壓閥部分的原理和普通調(diào)速閥相同。317.4.2溢流節(jié)流閥

先不考慮安全閥32分流閥的作用是使液壓系統(tǒng)中由同一個油源向兩個以上執(zhí)行元件供應(yīng)相同的流量(等量分流)，或按一定比例向兩個執(zhí)行元件供應(yīng)流量(比例分流)，以實現(xiàn)兩個執(zhí)行元件的速度保持同步或定比關(guān)系。集流閥的作用，則是從兩個執(zhí)行元件收集等流量或按比例的回油量，以實現(xiàn)其間的速度同步或定比關(guān)系。分流集流閥則兼有分流閥和集流閥的功能。它們的圖形符號如圖7.11所示。7.5 分流閥分流閥又稱為同步閥，它是分流閥、集流閥和分流集流閥的總稱。33圖7.11分流集流閥符號(a)分流閥；(b)集流閥；(c)分流集流閥347.5.1 分流閥35代表兩路負(fù)載流量Q1和Q2大小的壓差值ΔP1和ΔP2同時反饋到公共的減壓閥芯6上，相互比較后驅(qū)動減壓閥芯來調(diào)節(jié)Q1和Q2大小，使之趨于相等。

分流閥可以看作是由兩個串聯(lián)減壓式流量控制閥結(jié)合為一體構(gòu)成的。7.5.1 分流閥該閥采用“流量-壓差-力”負(fù)反饋，用兩個面積相等的固定節(jié)流孔1、2作為流量一次傳感器，作用是將兩路負(fù)載流量Q1、Q2分別轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的壓差值ΔP1和ΔP2。367.5.2 集流閥與集流閥與分流閥的不同處為：只能保證執(zhí)行元件回油時同步。集流閥裝在兩執(zhí)行元件的回油路上，將兩路負(fù)載的回油流量匯集在一起回油；兩流量傳感器共出口O，流量傳感器的通過流量Q1（或Q2）越大，其進(jìn)口壓力P1（或P2）則越高。因此集流閥的壓力反饋方向正好與分流閥相反；377.5.3 分流集流閥分流集流閥又稱同步閥，它同時具有分流閥和集流閥兩者的功能，能保證執(zhí)行元件進(jìn)油、回油時均能同步。掛鉤式分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理圖。38分流時，因P0＞P1（或P0＞P2），此壓力差將兩掛鉤閥芯1、2推開，處于分流工況，此時的分流可變節(jié)流口是由掛鉤閥芯1、2的內(nèi)棱邊和閥套5、6的外棱邊組成；39集流時，因P0<P1（或P0<P2），此壓力差將掛鉤閥芯1、2合攏，處于集流工況，此時的集流可變節(jié)流口是由掛鉤閥芯1、2的外棱邊和閥套5、6的內(nèi)棱邊組成。只能保證執(zhí)行元件回油時同步。

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插裝閥又稱邏輯閥，是一種較新型的液壓元件，它的特點是通流能力大，密封性能好，動作靈敏、結(jié)構(gòu)簡單，因而主要用于流量較大系統(tǒng)或?qū)γ芊庑阅芤筝^高的系統(tǒng)。7.6.1 插裝閥7.6 插裝閥、比例閥、伺服閥41圖7.16插裝閥的組成1先導(dǎo)控制閥；2—控制蓋板；3邏輯單元（主閥）、4，閥塊體

插裝閥由控制蓋板、插裝單元（由閥套、彈簧、閥芯及密封件組成）、插裝塊體和先導(dǎo)控制閥（如先導(dǎo)閥為二位三通電磁換向閥）組成。由于插裝單元在回路中主要起通、斷作用，故又稱二通插裝閥。42圖7.15插裝閥邏輯單元

7.6.1.1插裝閥的工作原理

圖中A和B為主油路僅有的兩個工作油口，K為控制油口（與先導(dǎo)閥相接）。當(dāng)K口回油時，閥芯開啟，A與B相通；反之，當(dāng)K口進(jìn)油時，A與B之間關(guān)閉。

二通插裝閥相當(dāng)于一個液控單向閥。437.6.1.2方向控制插裝閥

圖7.17插裝閥用作方向控制閥（a）單向閥；(b)二位二通閥447.6.1.2方向控制插裝閥

圖7.17插裝閥用作方向控制閥(c)二位三通閥;(d)二位四通閥45圖7.18插裝閥用作壓力控制閥（a）溢流閥；(b)電磁溢流閥

7.6.1.3壓力控制插裝閥

467.6.1.4流量控制插裝閥

圖7.19插裝節(jié)流閥

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電液比例閥是一種按輸入的電氣信號連續(xù)地、按比例地對油液的壓力、流量或方向進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制的閥。與手動調(diào)節(jié)的普通液壓閥相比，電液比例控制閥能夠提高液壓系統(tǒng)參數(shù)的控制水平；與電液伺服閥相比，電液比例控制閥在某些性能方向稍差一些，但它結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以它廣泛應(yīng)用于要求對液壓參數(shù)進(jìn)行連續(xù)控制或程序控制，但對控制精度和動態(tài)特性要求不太高的液壓系統(tǒng)中。7.6.2 電液比例閥電液比例控制閥的構(gòu)成，從原理上講相當(dāng)于在普通液壓閥上，裝上一個比例電磁鐵以代替原有的控制（驅(qū)動）部分。根據(jù)用途和工作特點的不同，電液比例控制閥可以分為電液比例壓力閥、電液比例流量閥和電液比例方向閥三大類。下面對三類比例閥作簡要介紹。

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比例電磁鐵是一種直流電磁鐵，與普通換向閥用電磁鐵的不同主要在于，比例電磁鐵的輸出推力與輸入的線圈電流基本成比例。這一特性使比例電磁鐵可作為液壓閥中的信號給定元件。7.6.2.1比例電磁鐵圖7.20比例電磁鐵1一軛鐵；2—線圈；3一限位環(huán)；4—隔磁環(huán)；5一殼體；6—內(nèi)蓋；7一蓋；8—調(diào)節(jié)螺釘；9—彈簧；10—銜鐵；11一支承環(huán)；12—導(dǎo)向套491一閥座；2—先導(dǎo)錐閥；3-軛鐵；4r—銜鐵；5—彈簧；6—推稈；7—線圈；8—彈簧；9—先導(dǎo)閥7.6.2.2電液比例溢流閥用比例電磁鐵取代先導(dǎo)型溢流閥導(dǎo)閥的調(diào)壓手柄，便成為先導(dǎo)型比例溢流閥

507.6.2.2電液比例溢流閥閥下部與普通溢流閥的主閥相同，上部則為比例先導(dǎo)壓力閥。該閥還附有一個手動調(diào)整的安全閥（先導(dǎo)閥）9，用以限制比例溢流閥的最高壓力。51安全閥先導(dǎo)比例閥527.6.2.3比例方向節(jié)流閥537.6.2.4電液比例調(diào)速閥54

電液伺服閥是一種比電液比例閥的精度更高、響應(yīng)更快的液壓控制閥。其輸出流量或壓力受輸入的電氣信號控制，主要用于高速閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，而比例閥多用于響應(yīng)速度相對較低的開環(huán)控制系統(tǒng)中。7.6.3 電液伺服閥在流量型伺服閥中，要求主閥芯的位移XP與的輸入電流信號I成比例，為了保證主閥芯的定位控制，主閥和先導(dǎo)閥之間設(shè)有位置負(fù)反饋，位置反饋的形式主要有直接位置反饋和位置-力反饋兩種。

電液伺服閥多為兩級閥，有壓力型伺服閥和流量型伺服閥之分，絕大部分伺服閥為流量型伺服閥。557.6.3.1直接位置反饋電液伺服閥

力馬達(dá)56動圈式直接位置反饋伺服閥橋路圖先導(dǎo)級放大元件反饋桿57動圈式伺服閥反饋桿58

動圈式伺服閥5960

直接反饋伺服閥控制框圖1、采用閥芯、閥套直接比較法；2、導(dǎo)閥芯導(dǎo)閥套直接比較、通過剛性連接直接（測量）反饋；3、放大元件為導(dǎo)閥部分、缸是主閥兩端部分；

4、指令元件是線圈，被控對象是主閥芯，使主閥芯位移跟蹤動圈的指令位移。主閥兩端缸及主閥阻力主閥芯被控制對象1（導(dǎo)閥套與主閥芯剛性連接）XX套-直接反饋伺服閥控制框圖擾動導(dǎo)閥芯閥套比較線圈導(dǎo)閥B+B開環(huán)控制（放大）部分1X芯617.6.3.2噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥

力馬達(dá)

固定節(jié)流孔反饋彈簧桿噴嘴擋板（導(dǎo)閥芯）彈簧管（扭簧）要求：主閥芯位移自動跟蹤輸入的電流，與輸入電流成比例。主滑閥先導(dǎo)級油缸左腔先導(dǎo)級油缸左腔62

力矩馬達(dá)

銜鐵磁鋼導(dǎo)磁體吸吸斥斥Kt63

雙噴嘴擋板閥64被控對象

被控對象

力矩比較元件反饋桿彈簧管65力馬達(dá)

固定節(jié)流孔反饋彈簧桿噴嘴擋板（導(dǎo)閥芯）彈簧管（扭簧）主滑閥先導(dǎo)級油缸左腔先導(dǎo)級油缸左腔667.6.3.3電液伺服閥的應(yīng)用

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流量負(fù)反饋比壓力負(fù)反饋更為復(fù)雜，關(guān)鍵在于要將流量轉(zhuǎn)化成便于比較的力以后，再反饋到閥芯上。將流量轉(zhuǎn)化成力的過程稱為流量的傳感測量，轉(zhuǎn)換部件稱為流量傳感器。流量閥的流量測量方法有兩種：“壓差法”和“位移法”。用“壓差法”測量時，先將流量轉(zhuǎn)化成壓力差，再用測壓法測量，因此用于穩(wěn)