流量控制阀及其应用

• 液压系统在工作时，常需随工作状态的不同以不同的速度工作，而只要控制了流量就控制了速度。无论哪一种流量控制阀，其内部一定有节流阀，因此，节流阀可以说是最基本的流量控制阀。

• 功用：控制工作液体流量• 原理：，改变节流口的通

流面积，使液阻发生变化，就可以调节流量的大小

流量控制阀：

液压系统中执行元件运动速度的大小，由输入执行元件的油液流量的大小来确定。流量控制阀是依靠改变阀口通流面积（节流口局部阻力）的大小或通流通道的长短来控制流量的液压阀类。常用的流量控制阀有⑴普通节流阀、⑵压力补偿和温度补偿调速间、⑶溢流节流阀和⑷分流集流阀等

⑴ 节流阀： 图 为一种普通节流阀的外观图、工作原理图及图形符号。这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。压力油从进油口 P1 流人，经阀芯上的三角槽式节流口后从出油口 P2 流出。调节手轮，可通过推杆使阀芯做轴向移动，即可改变节流口通流截面积的大小，以调节通过其流量的多少。阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上，这种节流阀的进、出油口可互换。

图形符号

节流阀：

流量控制阀及其应用

•节流阀

•节流阀

• 节流阀

入口、出口压差

Q = K A pm

K 节流系数A 过流面积

流量特性方程

p

m 孔口形状指数

常用类型

节流阀

单向节流阀单向节流阀

流体正向流动时，与节流阀一样，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠油液的压力把阀芯 4 压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。

节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。

图 单向节流阀

单向节流阀单向节流阀

节流阀

节流阀在定量泵系统中，与溢流阀配合组成节流调速系统，以调节执行元件的运动速度。但由节流阀的流量特性可知，当载荷变化时，节流阀前、后压力差随之发生变化，通过节流阀的流量也就变化。这样，执行元件的运动速度将受到载荷变化的影响所以，它只能用在恒定载荷或对速度稳定性要求不高的场合。

　　

•定量泵节流前后的差异• (a) 无节流； (b) 有节流

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。 图示调速阀的结构，其动作原理说明如下：

调速阀动作原理说明如下：

压力油 Pl 进入调速阀后，先经过定差减压阀的阀口 x( 压力由 p1 减至 p2 〉 , 然后经过节流阀阀口 y 流出 , 出口压力为 p3 。从图中可以看到 , 节流阀进出口压力 p2 、 p3经过阀体上的流道被引到定差减压阀阀芯的两端 (p3 引到阀芯弹簧端 ,p2 引到阀芯无弹簧端 ), 作用在定差减压阀芯上的力包括液压力、弹簧力。调速阀工作时的静态方程如下 :

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 0.5 － 1MPa 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。

单向调速阀

调速阀

常用类型

调速阀

节流阀和调速阀特性比较

• 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的活塞和弹簧来使主节流口的前后压差保持固定，从而控制通过节流阀的流量维持不变。　　另外，还有温度补偿流量调速阀，它能在油温变化的情况下，保持通过阀的流量不变。

一 基本的速度控制回路• 调速回路的基本原理 :• 液压马达的转速 nM由输入流量和液压马达的排量 Vm决定，即

nM=q/V m，• 液压缸的运动速度 v 由输入流量和液压缸的有效作用面积 A 决定，

即 v=q/A。 • 可通过改变输入流量 q 、改变液压马达的排量 V m和改变缸的

有效作用面积 A 等方法来调速。由于液压缸的有效面积 A 是定值，只有改变流量 q 的大小来调速，而改变输入流量 q ，可以通过采用流量阀或变量泵来实现，改变液压马达的排量 V m，可通过采用变量液压马达来实现，因此，调速回路主要有以下三种方式：

• 1 ）节流调速回路：由定量泵供油，用流量阀调节进入或流出执行机构的流量来实现调速；

• 2 ）容积调速回路：用调节变量泵或变量马达的排量来调速； • 3 ）容积节流调速回路：用限压变量泵供油，由流量阀调节进入

执行机构的流量，并使变量泵的流量与调节阀的调节流量相适应来实现调速。此外还可采用几个定量泵并联，按不同速度需要，启动一个泵或几个泵供油实现分级调速。

节流调速　　

任何液压系统都有液压泵，不管执行元件的推力和速度如何变化，定量泵的输出流量是固定不变的。速度控制或控制流量只是使流入执行元件的流量小于泵的流量而已，故常将其称为节流调速。

节流调速回路

• 　　节流调速回路有进油节流调速、回油节流调速、旁路节流调速等三种方法。　　 1．进油节流调速　　进油节流调速就是控制执行元件入口的流量，如图 4－ 35 所示。该回路不能承受负向负载，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　　回油节流调速就是控制执行元件出口的流量，如图 4－ 36 所示。回油节流调速可控制排油的流量；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　　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 4－ 37 所示为旁路节流调速回路，该回路的特点是液压缸的工作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被打开。

　　

图进油节流调速回路

节流阀串接在液压缸的进油路上，泵的供油压力由溢流阀调定。调节节流阀开口面积，便可改变进入液压缸的流量，即可调节液压缸的运动速度。泵的多余流量经溢流阀流入油箱 ,故效率低，适用于负载变化不大、功率小的液压系统中。

节流阀放置在回油路上，用它来控制从液压缸回油腔流出的流量，也就控制了进入液压缸的流量，达到调速的目的。回油路上有较大背压，运动平稳性好，又经节流阀后油液直接回油箱，易散热。广泛用于功率不大、负载变化较大或运动平稳较高的液

压系统中。 背压 1. 通常是指运动流体在密闭容器中沿其路径（譬如管路或风通路）流动时，由于受到障碍物或急转弯道的阻碍而被施加的与运动方向相反的压力 .2. 通常用于描述系统排出的流体在出口处或二次侧的压力

• 图回油节流调速回路

•图旁路节流调速回路

• 节流阀安放在与执行元件并联的支路上，用它来调节从支路流回油箱的流量，以控制进入液压缸的流量来达到调速的目的。回路中溢流阀起安全作用，泵的工作压力不是恒定的，它随负载发生变化。该回路只有流量损失，而无压力损失，效率高，一般用于功率较大且对速度稳定性要求不高的场合。

•上述三种调速方法的不同点如下：　　 (1) 进油调速和回油调速会使回路压力升高，造成压力损失；旁路调速则几乎不会。　　 (2) 用旁路调速作速度控制时，无溢流损失，效率最高，控制性能最差，主要用于负载变化很小的正向负载的场合。　　 (3) 用进油调速作速度控制时，效率较旁路调速次之，主要用于负荷变化较大的正向负载的场合。　　 (4) 用回油调速作速度控制时，效率最差，控制性能最佳，主要用于有负向负载的场合。

容积调速回路 • 容积调速回路是通过改变回路中液压泵或液压马达的排

量来实现调速的。其主要优点是功率损失小 ( 没有溢流损失和节流损失 ) 且其工作压力随负载变化，所以效率高、油的温度低，适用于高速、大功率系统。

• 按油路循环方式不同，容积调速回路有开式回路和闭式回路两种。开式回路中泵从油箱吸油，执行机构的回油直接回到油箱，油箱容积大，油液能得到较充分冷却，但空气和脏物易进入回路。闭式回路中，液压泵将油输出进入执行机构的进油腔，又从执行机构的回油腔吸油。闭式回路结构紧凑，只需很小的补油箱，但冷却条件差。为了补偿工作中油液的泄漏，一般设补油泵，补油泵的流量为主泵流量的 10%～ 15%。压力调节为 3×105～10×105Pa。容积调速回路通常有三种基本形式：变量泵和定量液动机的容积调速回路；定量泵和变量马达的容积调速回路；变量泵和变量马达的容积调速回路。

(1)变量泵和定量马达的容积调速回路• 这种调速回路可由变量泵与液压缸或变量泵与定量液压马达组成• 图 (a)为变量泵与液压缸所组成的开式容积调速回路；图 (b)为

变量泵与定量液压马达组成的闭式容积调速回路。

• 图 (b)所示为采用变量泵 3 来调节液压马达 5 的转速，安全阀 4 用以防止过载，低压辅助泵 1 用以补油，其补油压力由低压溢流阀 6 来调节。

• 执行机构的速度 nm 或 (Vm)与变量泵的排量 VB的关系为：

• nm=nBVB/Vm 或 vm=nBVB/A  • 因马达的排量 Vm和缸的有效工作面积

A 是不变的，当变量泵的转速 nB不变，则马达的转速 nm(或活塞的运动速度 )与变量泵的排量成正比 .

• 液压马达的输出转 Tm=VmΔp/2π • 马达的输出转矩 Tm理论上是恒定的，

与变量泵的 VB无关。 • 变量泵和定量马达所组成的容积调速回

路为恒转矩输出，可正反向实现无级调速，调速范围较大。适用于调速范围较大，要求恒扭矩输出的场合，如大型机床的主运动或进给系统中。

(2) 定量泵和变量马达容积调速回路 • 1 、 2 为定量泵和变量马达， 3 为安全

阀， 4 为低压溢流阀， 5 为补油泵。此回路是由调节变量马达的排量 Vm来实现调速。

• 液压马达的转速 nm为： • nm=qB/Vm, 式中 qB为定量泵的输出流量。

可见变量马达的转速 nm与其排量 Vm成正比，当排量 Vm最小时，马达的转速 nm最高。

• 液压马达的输出转矩： Tm=Vm(pB-p0)/2π • 液压马达的输出功率： Pm=nmTm=qB(pB-

p0) • 马达的输出转矩 Tm与其排量 Vm成正比；而

马达的输出功率 Pm与其排量 Vm无关，若进油压力 pB与回油压力 p0不变时， Pm=C，故此种回路属恒功率调速。

(3)变量泵和变量马达的容积调速回路

• 回路的工作原理：改变双向泵 1的转动方向，可以改变马达 2的转动方向

• 调节变量泵 2 的排量 VB和变量马达 10的排量 Vm，都可调节马达的转速 nm；补油泵 1 通过单向阀 4和 5向低压腔补油，其补油压力由溢流阀 12来调节；安全阀 6和 7分别用以防止正反两个方向的高压过载。液控换向阀 8和溢流阀 9用于改善回路工作性能，当高、低压油路压差 (pB-p0)大于一定值时，液动滑阀 8处于上位或下位，使低压油路与溢流阀 9接通，部分低压热油经 8、 9流回油箱。因此溢流阀 9的调节压力应比溢流阀 12的调节压力低些。为合理地利用变量泵和变量马达调速中各自的优点，克服其缺点，在实际应用时，一般采用分段调速的方法。

• 第一阶段将变量马达的排量 Vm调到最大值并使之恒定，然后调节变量泵的排量 VB从最小逐渐加大到最大值，则马达的转速 nm便从最小逐渐升高到相应的最大值 ( 变量马达的输出 转矩 Tm不变，输出功率 Pm逐渐加大 ) 。这一阶段相当于变量泵定量马达的容积调速回路。

• 第二阶段将已调到最大值的变量泵的排量 VB固定不变，然后调节变量马达的排量 Vm， 之从最大逐渐调到最小，此时马达的转速 nm便进一步逐渐升高到最高值 ( 在此阶段中，马达的输出转矩 Tm逐渐减小，而输出功率 Pm不变 ) 。这一阶段相当于定量泵变量马达的容积调速回路。

调速特性曲线

该回路调速范围宽，能够满足一般设备在低速时要求输出较大转矩，高速时又希望输出功率能基本不变的要求，故广泛用在机床主运动和各种行走机械、牵引机等大功率机械中。

1．差动回路：液压缸差动连接回路。开始工作时液压缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔 ( 无杆腔 ) 的有效面积大于右腔 ( 有杆腔 ) 的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液也进入左腔，加大了流人左腔的流量，从而也加快了活塞移动的速度。差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，这种连接方式可在不增加液压泵流量的情况下提高液压执行元件的运动速度。

二 速度控制回路 (快速运动回路 )

快速运动回路：快速运动回路又称增速回路 ,其功用在于使液压执行元件在空载时获得所需的高速 ,以提高系统的工作效率或充分利用功率。实现快速运动的方法不同有多种方案 ,下面介绍几种常用的快速运动回路。

2 ．利用双泵供油的快速运动回路：

当系统中执行元件空载快速运动时，大流量泵与小流量泵共同向系统供油；当工作进给时，系统压力升高，液控卸荷阀打开，大流量泵卸荷，系统小流量泵供油。溢流阀控制小流量泵的供油压力。

• 复习思考题 1. 调速回路有哪几种调速方法？ 2. 容积调速回路中，液压泵和执行元件有哪三种组合形式？各有何调速特性？分别适用于什么场合？ 3. 变量泵 - 变量马达容积调速回路应按怎样的调速方法调速？

液压系统中除了动力元件、执行元件、控制元件外，油箱、虑油器、蓄能器、压力表、密封装置、管件等，都称为液压系统辅助元件。

1 、油箱：油箱的主要功能是储存油液，此外，还有散热以控制油温、阻止杂质进入、沉淀油中杂质、分离气泡等功能。油箱的作用：储油、散热、沉淀杂质、逸出空气。

油箱容量如太小，会使油温上升，油箱容量一般设计为泵每分钟流量的 2 ~ 4 倍；或当所有管路及元件均充满油时，油面需高出过滤器 50-100mm ，而液面高度只占油箱高度 80 ％时的油箱容积。

液压辅助元件

辅助元件1 、油箱 油箱的主要功能是储存油液，此外，还有散热（控制油温）、阻止杂质进人、沉淀油中杂质以及分离气泡等功能。 油箱容量如果太小，就会使油温上升。油箱容量一般设计为泵每分钟流量的 2 ～ 4 倍。油箱可分为⑴开式和⑵闭式两种，开式油箱中油的油液面和大气相通，而闭式油箱中的油液面和大气隔绝。液压系统中大多数采用开式油箱。开式油箱大部分是由钢板焊接而成的，如图 3-27 所示为工业上使用的典型焊接式油箱。

2 、滤油器 ⑴ 功用滤油器的功用：是过滤混在液压油液中的杂质，降低 进人系统中油液的污染度，保证系统正常工作。 ⑵ 类型：滤油器按其滤芯材料的过滤机制来分，有①表面型滤油 器、②深度型滤油器和③吸附型滤油器三种。

液压滤芯

⑶ 滤油器的选用：选用滤油器时应考虑到如下问两：

① 过波精度。原则上大于滤芯网目的污染物是不能通过滤芯的。滤 油器上的过滤精度常用能被过滤掉的杂质颗粒的公称尺寸大小 来表示。系统压力越高，过滤精度越低

② 液压油通过的能力。液压油通过的流量大小和滤芯的通流面积 有关。一般可根据要求通过的流量选用相对应规格的滤油器。 〔 为了降低阻力要求滤油器的容量为泵流量的两倍以上）

③ 耐压。选用滤油器时必须注意系统中冲击压力的产生。而滤油器的 耐压包含滤芯的耐压和壳体的耐压。一般滤芯的耐压为 0.01 ～ 0.1 MPa ，这主要靠滤芯有足够的通流面积，使其压降小，以 避免滤芯被破坏。滤芯被堵塞，压降便增加 .

滤油器

3 、蓄能器 ⑴蓄能器的功用 蓄能器是液压系统中的一种储存油液压力能的装置其主要功用如下： ① 作为辅助动力源； ② 保压和补充泄漏； ③ 吸收压力冲击和消除压力脉动。

3 、蓄能器 ⑴蓄能器的功用 蓄能器是液压系统中的一种储存油液压力能的装置其主要功用如下： ① 作为辅助动力源； ② 保压和补充泄漏； ③ 吸收压力冲击和消除压力脉动。

⑵蓄能器的分类 蓄能器有弹簧式、重锤式和充气式三类。常用的是充气式，它利用气体的压缩和膨胀储存、释放压力能，在充气式蓄能器中，气体和油液被隔开，而根据隔离的方式不同，充气式蓄能器又分为活塞式、气囊式等如图 3-28（ a）所示为活塞式蓄能器，图 3-28（ b）所示为气囊式蓄能器，图 3-28 （ c）为蓄能器的图形符号

4. 空气滤清器 为防止灰尘进入油箱，通常在油

箱的上方通气孔装了空气滤清器。有的油箱利用此通气孔当注油口，如图 3 － 18 所示为带注油口的空气滤清器。空气滤清器的容量必须使液压系统即使达到最大负荷状态时，仍能保持大气压力的程度。

5. 油冷却器 一般说来，造成油箱散热面积不够，必须采

用冷却器来抑制油温的原因有三：1）因机械整体的体积和空间使油箱的大小受到限制。2）因经济上的理由，需要限制油箱的大小等。3）要把液压油的温度控制得更低。

油冷却器可分成水冷式和气冷式两大类。

1 ．水冷式油冷油器

水冷式油冷却器通常都采用壳管式（ shell-and –tube type）油冷却器，它是由一束小管子（冷却管）装置在一个外壳里所构成。

2 ．气冷式油冷却器 气冷式构造如图所示，由风扇和许多带散热片的管子所构成。油

在冷却管中流动，风扇使空气穿过管子和散热片表面，使液压油冷却。其冷却效率较水冷低，但如果冷却水取得不易或水冷式油却器不易安装的场所，必须采用气冷式，尤以行走机械的液压系统使用较多。

3 ． 油冷却器安装的场所 油冷却器安装在热发生体附近，且液压油流经油冷却器时，压

力不得大于 1MPa 。有时必须以安全阀来保护，以使它免于高压的冲击而造成损坏。

1）热发生源，如溢流阀附近，如图所示。

3 ． 油冷却器安装的场所

3）如液压装置很大且运转的压力很高，此时使用独立的冷却系统，如图所示。