压力阀的结构原理

    用来控制和调节液压系统液流压力或通过压力信号实现控制的阀类通称为压力阀。压力阀共同特点是利用油液压力和弹簧力相平衡的原理进行工作。调节弹簧的预压缩量即调节了阀芯的动作压力，该弹簧是压力控制阀的重要调节零件，称为调压弹簧。

    压力阀按功能和用途可分为溢流阀、减压阀、顺序阀等。

    1．直动型溢流阀

    溢流阀按结构形式分为直动型溢流阀和先导型溢流阀。

    直动型溢流阀由阀芯、阀体、弹簧、阀盖、调节杆、调节螺母等零件组成，如图5－7所示。阀体上进油口旁接在泵的出口，出口接油箱。常态时，阀芯在弹簧力Fs的作用下处于最下端位置，进、出油口隔断。进口油液经阀芯径向孔、轴向孔a作用在阀芯底端面，产生液压力F，当液压力等于或大于弹簧力时，阀芯上移，阀口开启，进口压力油经阀口溢回油箱，此时阀芯受力平衡。

    图5－7 直动型溢流阀

    1—调节杆；2—调节螺母；3—调压弹簧；4—锁紧螺母；5—阀盖；

    6—阀体；7—阀芯；8—底盖

    通流量q，阀口开度x，进油口压力p，弹簧刚度K，弹簧预压缩量x0，阀芯直径D，阀口刚开启时的压力pk，作用在阀芯上的稳态液动力Fs，则阀口刚开启时阀芯受力平衡方程为

    pkπD2/4＝K（x0＋L）

    阀口开启后阀芯受力平衡方程

    pπD2/4＝K（x0＋L＋x）＋Fs

    阀口开启后溢流的压力流量方程

    q＝CπDx（2p/ρ）1/2 　（5－2）

    直动型溢流阀工作原理要点：对应调压弹簧一定的预压缩量x0，阀的进口压力p基本为一定值。

    由于阀开口大小x和稳态液动力Fs的影响，阀的进口压力随流经阀口流量的增大而增大。当流量为额定流量时，阀的进口压力ps最大，ps称为阀的调定压力。弹簧腔的泄漏油经阀内泄油通道至阀的出口引回油箱，若阀的出口压力不为零，则背压将作用在阀芯上端，使阀的进口压力增大。

    对于高压大流量的压力阀，要求调压弹簧具有很大的弹簧力，滑阀式直动型溢流阀的调节性能变差，结构上也难以实现。锥阀式直动型溢流阀压力可达40MPa，流量可达330L/min。

    2．先导型溢流阀

    先导型溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀类似于直动型溢流阀，但一般多为锥阀（或球阀）型阀座式结构。主阀有一节同心结构、两节同心结构和三节同心结构。

    1）先导型溢流阀的结构原理

    图5－8所示为三节同心结构先导型溢流阀。先导阀是一个小流量锥阀芯直动型溢流阀。由于主阀芯6与阀盖3、阀体4及主阀座7等三处有同心配合要求，故属于三节同心结构。

    图5－8 三节同心结构先导型溢流阀

    1—先导锥阀芯；2—锥阀座；3—阀盖；4—阀体；5—阻尼孔；6—主阀芯；

    7—主阀座；8—主阀弹簧；9—调压弹簧；10—调节螺母；11—调压手轮

    系统压力油自进油口P进入，并通过主阀芯6上的阻尼孔5进入主阀芯上腔，再通过阀盖3上的通道和锥阀座2上的小孔作用在先导锥阀芯1上。当进油压力p1小于先导阀调压弹簧9的调定值pp时，先导阀关闭，而且由于主阀芯上、下两侧有效面积比（A2/A1）为1．03～1．05，上侧稍大，作用在主阀芯上的压差（p1、p2）和主阀弹簧力Ft使主阀口闭紧，主阀不溢流。当进油压力超过先导阀的调定压力时，先导阀被打开，压力油经主阀芯阻尼孔5、先导阀口、主阀芯中心卸油孔L、出油口（溢流口）T流出，阻尼孔5处的压力损失使主阀芯上、下腔中的油液产生一个随先导阀流量增加而增加的压差，当它在主阀芯上、下作用面上产生的总压差足以克服主阀弹簧力Ft、主阀自重G和摩擦力Ff时，主阀芯开启。此时进油口P与出油口T直接相通，造成溢流以保持系统压力pp。

    先导阀和主阀芯分别处于受力平衡，其阀口都满足压力流量方程。阀的进口压力由两次压力比较得到，压力值主要由先导阀调压弹簧的预压缩量确定，主阀弹簧起复位作用。

    通过先导阀的流量很小，是主阀额定流量的1％，因此，其尺寸很小，即使是高压阀，其弹簧刚度也不是很大，所以阀的调节性能得到很大改善。

    主阀芯开启是利用液流流经阻尼孔形成的压差，阻尼孔一般为细长孔，φ＝0．8～1．2mm，孔长l＝8～12mm，孔径很小，因此，工作时易堵塞，一旦堵塞则导致主阀口常开，无法进行调压。

    2）溢流阀的功用

    （1）调压阀（恒压阀、定压阀、稳压阀） 阀旁接在泵的出口处，用来调定系统压力。

    （2）安全阀 溢流阀旁接在泵的出口处，用来限制系统压力的最大值，起保护作用。

    （3）卸荷阀 用电磁换向阀与溢流阀遥控口（卸荷口）连接，使泵卸荷，称电磁溢流阀。

    （4）远程调压阀 用直动溢流阀与先导溢流阀遥控口连接，实现远程调压，远程距离一般小于3m，再远可采用比例调压。

    （5）背压阀 将溢流阀串接在回油路上，可产生背压，使运动稳定，宜用直动型。

    3）溢流阀的特性性能

    （1）溢流阀的静态性能指标分为以下几点。

    ①压力调节范围。压力调节范围是指调压弹簧在规定的范围内调节时，系统压力平稳地（压力无突跳及迟滞现象）上升或下降的最大和最小调定压力。为改善高压溢流阀的调节性能，往往通过更换4根刚度不同的弹簧（0．6～8MPa、4～16MPa、8～20MPa、16～32MPa）来实现四级调压。

    ②最大允许流量和最小稳定流量。最大允许流量和最小稳定流量决定了溢流阀的流量调节范围，最大允许流量即额定流量，在额定流量下工作时应无噪声。溢流阀的最小稳定流量取决于对压力平稳性的要求，一般规定为额定流量的15％。

    ③卸荷压力。当溢流阀卸荷时，额定流量下进油口压力称卸荷压力，约为0．5MPa。

    ④压力损失。当调压弹簧预压缩量等于零或主阀上腔经遥控口直接接回油箱时的压力。流经阀的流量为额定值时，溢流阀的进油口压力称压力损失，压力损失略高于卸载压力。

    ⑤压力流量特性。溢流阀的进口压力p随溢流量q变化的性能，又称溢流特性。溢流阀从开启到闭合的过程中，压力p与溢流量q的特性称启闭特性（因摩擦力不同）。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标，一般用溢流阀处于额定流量qn、额定压力pn时，开始溢流的开启压力pk及停止溢流的闭合压力分别与pn的百分比来衡量，前者称为开启压力比nk＝pk/pn，后者称为闭合压力比n B＝p B/pn。显然，nk和n B越大及两者越接近，溢流阀的启闭特性越好。一般应使nk≥90％，n B≥85％。（pn―pk）、（pn―p B）称为调压偏差，调压偏差小好，如图5－9所示。

    （2）动态性能指标如下。

    当溢流阀的溢流量由零阶跃变化至额定流量时，其进口压力（及其控制的系统压力）将迅速升高并超过额定压力的调定值，然后逐步衰减到最终稳定压力，从而完成其动态过渡过程（见图5－10）。

    图5－9 压力－流量特性曲线

    图5－10 溢流阀动态特性曲线

    ①压力超调量。定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值pn的差值为压力超调量。压力超调量是衡量溢流阀动态定压误差的一个性能指标，要求小于10％～30％；否则，可能导致系统中元件损坏、管道破裂或其他故障。

    ②响应时间Δt1。响应时间是指从起始稳态压力p0（p0≯20％pn）到最终稳态压力pn的时间，即图5－10中A、B两点间的时间间隔。Δt1越小，溢流阀的响应越快，为0．5～1s。

    ③过渡过程时间Δt2。过渡过程时间是指从0．9（pn－p0）的B点到瞬时过渡过程的最终时刻C点之间的时间。C点以后的压力波形应落在图中给定的（0．9～1．05）（pn－p0）限制范围内；否则，C点应后滞，直到满足要求为止。Δt2越小，溢流阀的动态过渡过程就越短。

    ④卸荷时间Δt2。卸荷时间是指卸荷信号发出后，（0．9～0．1）（pn－p0）的时间，即C点和D点间的时间差。Δt1和Δt2越小，溢流阀的动态性能越好，为0．03～0．1s。

    3．减压阀

    在一个液压系统中，往往有一个泵要向几个执行元件供油，若遇到各执行元件所需的工作压力不相同的情况，可在分支油路中串联一减压阀。油液流经减压阀后，压力降低，且使其出口处相接的某一回路的压力保持恒定。这种减压阀称为定值减压阀。

    减压阀是利用液流流过缝隙产生压降，使出口压力低于进口压力的压力控制阀。按压力调节要求不同，有定值减压阀、定差减压阀和定比减压阀三种。其中，定值减压阀应用最广，通常用的减压阀就是定值减压阀。

    定值减压阀有直动型和先导型两种结构形式。先导型中又分为出口压力控制式和进口压力控制式两种。

    图5－11所示为直动型减压阀，阀体上进油口P1与泵连接，出油口P2接系统，卸油口L接油箱。出口油压未达到阀的调定压力时，阀芯在弹簧力Fs的作用下处于最下端位置，阀口x全开，进、出油口相通。同时，出油口油液经阀体孔道作用在阀芯底端面，产生液压力F，当出油口液压力大于弹簧调定压力时，阀芯上移，阀口变小，压降增大，使出口压力下降，达到阀的调定压力值。

    图5－11 直动型减压阀

    4．顺序阀

    顺序阀是利用压力来控制阀口通断的压力阀，主要功用是以压力为信号使多个执行元件自动按预设先后顺序动作。

    1）直动型顺序阀

    图5－12所示为直动型顺序阀，进油口P1，出油口P2，在进油口压力p1未达到阀的调定压力之前，阀芯一直是关闭的；达到调定压力之后，阀口才开启，使油口P1处的压力油从油口P2流出，以驱动该阀后的执行元件。

    2）DZ型顺序阀

    DZ型直动型顺序阀的响应快、体积小、使用方便，控制压力至21MPa或31．5MPa，工作压力为31．5MPa，流量达30L/min、60L/min、80L/min。

    DZ型先导型顺序阀，控制压力至21MPa，工作压力为31．5MPa，流量达150L/min、300L/min、450L/min，用作旁通阀和卸荷阀。其主阀为锥阀式结构，先导阀为滑阀式结构。

    DZ型顺序阀的泄漏量和功率损失大为减小，把外控式顺序阀的出油口接通油箱，且将外泄改为内泄，可构成卸荷阀。

    3）顺序阀类型及职能符号

    与溢流阀不同之处在于顺序阀的出油口P2不接油箱，而通向某一压力回路，因而其泄油口L必须接回油箱，这种泄油方式称为外泄；如泄油口经内部通道并入出油口接回油箱，称为内泄。

    图5－12所示的顺序阀控制压力油口C直接引自进油口，这种控制方式称内控；如打开外控口的螺栓，控制压力油口C从外部引入，称外控。外控式顺序阀阀口开启与否，与阀的进口压力的大小没有关系，仅取决于控制压力的大小。

    图5－12 直动型顺序阀

    顺序阀按结构分为直动型和先导型两种。根据控制压力来源的不同，它有内控式和外控式，按弹簧腔泄漏油引出方式不同分内泄式和外泄式。当顺序阀与单向阀并联，可做平衡阀用，使垂直放置的液压缸不因自重而下落。顺序阀名称与图形符号如表5－4所示。

    表5－4 顺序阀名称与图形符号

    4）顺序阀的特点应用

    内控外泄顺序阀与溢流阀非常相似：阀口常闭，进口压力控制，但是该阀出口油液要工作，所以有单独的泄油口。内控外泄顺序阀用于多个执行元件顺序动作，其进口压力先要达到阀的调定压力，而出口压力取决于负载。当负载压力高于阀的调定压力时，进口压力等于出口压力，阀口全开；当负载压力低于调定压力时，进口压力等于调定压力，阀的开口一定。

    顺序阀的特点如下：

    （1）使两个或两个以上的执行元件按一定的顺序工作；

    （2）做背压阀用；

    （3）单向顺序阀可作为平衡阀用；

    （4）外控顺序阀可作为卸荷阀用。

    5．溢流阀、顺序阀、减压阀的比较

    溢流阀、顺序阀、减压阀的比较如表5－5所示。

    表5－5 溢流阀、顺序阀、减压阀的比较