第四章 流量控制阀

第四章 流 量 控 制 阀流量控制阀（流量阀）是用来控制液压系统中的流量，以便控制液压缸、液压马达的运动速度的阀类。

根据流量的基本计算式，压差不变时只要调节阀口面积，就能改变通过阀的流量。

因此，流量控制阀的主要部分是一个可调节的液阻——节流器，借助于调节阀口通流面积的大小，来控制通过该阀的流量。

流量控制阀是节流调速系统中的基本调节器件。

在定量泵供油的节流调速系统中，必须将流量控制阀与溢流阀配合使用，以便将多余的流量排回油箱。

§4-1 流量阀的分类及性能一、分类按照阀的功能，常规的流量阀可分为节流阀、调速阀、分流（集流）阀等类型。

此外，专用设计的限速切断阀也属于流量控制阀的范畴。

除了这些常规的流量阀外，还有比例控制型的各种流量阀。

上述各种流量阀还可以与单向阀组合为复合式阀。

（一）节流阀节流阀是最简单的流量阀。

日常生活中遇到的自来水龙头（阀门），就是一种应用最广的节流阀。

由于液压系统的工作压力较高，对流量的控制性能也严格得多，所以结构与它不同。

图4-1（图4-1省略p69）所示是可以在高压下使用的两种不同型式的节流阀。

图4-1a 中，转动手轮1可以使阀芯沿轴向移动。

节流阀在图示位置处于关闭状态。

阀芯向下移动时节流口逐渐开启而增大阀口面积。

阀芯中间的通孔使上、下端面受到的液压力相等，所以调节手轮时只需要克服复位弹簧的作用力。

图4-1b 所示节流阀采用了转阀结构。

转阀的螺旋曲线开口与阀套上的窗口匹配后，构成了具有某种形状的棱边型节流孔。

转动手轮（此手轮可用图中上端画出的钥匙来锁定）时，螺旋曲线相对于阀套窗口升高或降低，从而调节阀口的开启面积。

对于节流阀来说，系统负载压力发生变化时阀口前后的压差也会相应改变。

对应于某一固定的节流阀开口的流量就会受工作负载的影响而变动，因此其特性的刚性比较差。

所以只适用于负载变化不大或调速稳定性要求不高的场合。

（二）调速阀调速阀实质上是一种进行了压力补偿的节流阀。

它采用定差减压阀或溢流阀来对负载压力的变动进行补偿，使节流口的前后压差在负载压力变化时保持恒定。

由于这种稳压作用，使调速阀的调定流量可以基本不受负载变动的影响。

通常将定差减压阀与节流阀的组合称为调速阀；溢流阀与节流阀的组合称为溢流节流阀。

图4-2a （图4-2省略p69）所示是调速阀的原理图。

图4-2b 是它的详细符号，图4-2c 是简化符号。

节流阀口前、后的压力分别引到定差减压阀的阀芯右端和左端。

从图示定差减压阀的结构不难看出，由于负载变动而使压力1p 或3p 变化时，减压阀阀芯将产生运动，调节阀口的减压作用。

当阀芯处于新的平衡位置时，若不考虑液动力的影响，则节流阀前后的压差()32p p -始终与减压阀芯上的弹簧力相平衡而保持不变。

因此，调速阀的流量特性可以基本不受负载的影响，具有良好的负载刚性。

图4-3（图4-3省略p70）是溢流节流阀的原理图和符号图。

此处采用的是偏心式结构的节流阀，转动阀芯就能改变节流口的面积。

供油压力1p 引到溢流阀芯的右端，节流阀出口的输出压力2p 引到溢流阀芯 的左端弹簧腔中。

当阀芯处于静态平衡位置时，如果仅考虑阀芯上的液压力和弹簧力，则压差()21p p -只取决弹簧力的大小而保持恒定。

因此，负载力2p 变化时进口压力1p 将产生相应的变化，从而使节流阀在开度一定时的流量能保持不变。

带定差减压阀的调速阀和溢流节流阀虽然都是通过压力补偿来保持节流阀两端的压差不变，但是在性能上和应用上仍有一些差别。

调速阀应用在液压泵定压供油的节流调速系统中，它可以安装在执行元件的进油路上，也可以安装在回油路上。

溢流节流阀只用在进油路上。

泵的供油压力（即图4-3中的1p）将随2p而改变，因此系统的功率损失较小。

为了防止系统过载，通常在溢流节流阀中带有简式安全阀。

由于溢流节流阀已经具有将泵的多余供油量排回油箱的溢流功能，所以与调速阀不同，在系统中不必另行设置单独的溢流阀。

（三）分流集流阀分流集流阀（或简称分流阀）包括分流阀、集流阀及兼有分流、集流功能的分流集流阀。

这是一种同步控制阀，它的作用是按一定的流量比例同时向两个液压缸或液压马达供油（分流），或接受回油（集流）。

为了使流量不致受负载压力变化的影响，分流集流阀具有压力补偿的功能。

图4-4a（图4-4省略p71）是阀芯内部设有换向小活塞的分流集流阀。

图4-4c和图4-4d分别是它在分流和集流时的工作原理图。

小活塞的端面上各有一个固定节流孔A F和B F，这两个孔的尺寸相同。

在液流通过固定节流孔时的压差作用下，使小活塞在分流时处于阀芯的左、右两端（见图4-4c）；集流时则处于阀芯的中间部位（见图4-4d）。

因此，分流时液流经过可变节流口A f和B f，然后分别从A腔和B腔流到液压执行元件；集流时从A腔和B腔来的液流经过可变节流口f和D f，再汇集到P（O）腔。

C实际上，阀芯的位置受控于左、右活塞的两个液压半桥。

分流时，若A腔的负载压力增大，a室的压力随之升高，这时经过固定节流孔A F的流量有减小的趋势。

但是由于a室压力升高时阀芯向右移动，使A f的阀口增大而B f的阀口减小，b室的压力随即增高。

当a室、b室的压力相等时，阀芯处于一个新的平衡位置。

这时A F和B F两端的压力又相等，所以从A腔、B腔通过的流量也相等。

因此，负载压力的变化不影响执行元件的运动速度。

集流时具有类似的压力补偿作用，不过参与工作的可变节流口是f、D f。

C分流阀、集流阀、分流集流阀的符号见图4-4b。

单一功能的分流阀或集流阀的结构中，就不必采用上述小活塞来选择参与工作的可变节流口。

作为分流阀时，保留A f、B f。

作为集流阀时，保留C f、D f。

改变两个固定节流孔的面积比，就可以实现不同比例的分流、集流作用。

分流集流阀的控制精度一方面受到设计因素的限制（例如，液压半桥的增益），另外，还由于液动力、摩擦力、弹簧力的影响和两个固定节流孔的几何尺寸不可能完全一致，所以存在一定的分流、集流误差。

分流集流阀用来控制两个执行元件的稳态流量，亦即控制它们的运动速度的同步而不是位置同步。

它用在要求精度不太高的同步控制场合，其分流集流误差约（2~5）%。

额定流量工况时误差较小（1~3）%，流量减小时精度会降低。

（四）限速切断阀在液压举升系统中，为了防止在意外情况时负载由于自重作用而超速下落，设置一个当管路中的流量超过一定值时自动切断油路的安全保护阀，即限速切断阀。

在图4-5（图4-5省略p71）所示限速切断阀中，阀芯右端通过节流器与B口相通，左端则与A口相通。

由于阀中部的过流截面较小，因此它可以作为流量—压力转换器件。

当液流从A流向B时，B口的压力随流量的增加而明显下降，从而使阀芯向右移动，将阀口关小。

流量相当大时，阀芯会完全关闭而使液流切断。

节流器3可以用来调节阀芯的运动阻尼。

反向流动时此阀没有限流作用。

限速切断阀应该动作灵敏可靠，流动阻力损失小。

这种阀一般均根据主机的要求单独设计。

二、性能流量控制阀的基本性能要求，可归结为以下几方面：（一）静态性能1.流量调节范围对于节流阀和调速阀，系指在规定的进、出口压差下，调节阀口开度时能达到的最小稳定流量和最大流量之间的范围。

所谓最小稳定流量，是阀能够稳定（流量变化率小于10%）而不出现断流地进行正常工作的最小流量。

最大流量与最小稳定流量的比值一般在50以上。

对于分流集流阀来说，当工作流量低于额定流量时，分流精度会下降，所以通常它的最小工作流量限定不低于额定流量的50%左右。

因此，不规定流量的调节范围。

2.流量—压力特性的刚性对于流量阀的基本要求是调定的输出流量能保持稳定，不受外界负载压力变动等干扰的影响。

因此要求阀的流量—压力特性具有良好的刚性。

流量特性（图4-6）（图4-6省略p72）的刚性定义为αcot =∂∆∂=Qp T （4-1） 理想的流量特性应是不受阀前后压差影响的水平特性。

此时，刚性为无穷大。

一般的节流阀由于没有压力补偿的功能，所以刚性较差。

调速阀和分流集流阀的刚性良好。

具有流量—位移—力反馈的电液比例调速阀具有接近于水平线的流量特性。

3.压力损失 流量控制阀是节流型液压器件，因此，工作时必然伴有一定的压力损失。

为了避免功率损失过大，规定了通过额定流量时的压力损失值。

一般阀类约在0.4Mpa 以下，高压时可至0.8Mpa 左右。

附有单向阀的复合式阀还规定反向流动时的压力损失（一般小于0.2~0.3Mpa ）。

额定流量时的压力损失反映了阀的通流能力。

4.调节力和调节的线性 在采用手轮调节时，要求动作轻便、调节力矩小。

手轮的旋转角度与流量的变化率应尽可能均匀。

当采用电信号为输入量时（例如电液比例流量阀）应使输入信号与输出流量保持良好的线性关系。

5.内泄漏量 节流阀和流量阀有时需要将阀关闭，以切断油路的工作。

所以从进油腔漏至出油腔的流量（内泄漏量）必须加以限制。

内泄露量还会影响节流阀的最小稳定流量，影响分流集流阀的精度。

6.其他 工作时油温的变化会影响粘度而使流量变动。

因此，通常采用对油温不太敏感的薄刃型节流孔。

某些流量阀在设计时还考虑到对油温变化进行补偿的功能。

三、动态性能对于手动调节的节流阀，没有动态性能的要求。

对于具有压力补偿功能的流量阀，要求它对负载压力变化能迅速作出反应。

尤其是分流集流阀和限速切断阀，动态性能的好坏会影响同步控制精度和限速保护功能。

§4-2 节 流 阀节流阀实质上都是一个可调节的局部阻力——节流孔。

它的结构型式繁多，由于采用了不同类型的局部阻力和结构措施，所以性能上有较大差异。

一、节流阀的基本特性作为一种流量阀来说，显然它的基本特性是流量特性。

在流体力学中，按照液流的流动状态（层流、紊流、过渡区）和阻力的类型，流量方程有不同的描述。

（一）节流阀的基本特性在讨论流量阀，包括节流阀的特性时，将局部阻力的节流特性统一用以下流量方程来表达m p KA Q ∆= （4-2）式中 K ——与节流孔的形状、油的粘度、液流状态有关的系数；A ——节流孔的通流面积；p ∆——节流孔前后压差；m ——指数，主要由节流孔的形状来决定，15.0≤≤m 。

在式（4-2）中，系数K 和m 的数值由实验来决定。

方程式中余下的只有节流孔的通流面积A 和压差p ∆这两个参数，因此方程式的形式便于工程应用。

而且它也完全能反映层流（系数1=m ）、紊流阻力平方区（5.0=m ）以及上述两者之间的过渡区（15.0<<m ）等不同流动状态下的流量关系式。

上述特性曲线见图4-7（图4-7省略p73）。

指数m 的数值主要由节流孔的形状来决定。

对于细长孔或狭缝，流动基本是层流，因此1=m 。

薄壁刃口形节流孔的流动具有典型的紊流特征，所以5.0=m 。

其他型式的节流孔，根据其特点而介于上述两者之间。