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项目四 认识液压控制元件
教学目标
1.了解方向阀的图形符号。
2.掌握方向阀的工作原理。
3.了解各类方向阀的优缺点及应用。
二、课时分配
本章共3个任务，本章安排9课时。
三、教学重点
通过本章的学习，能了解压力控制阀的基本分类，掌握各压力控制阀的工作原理并且了解各类压力控制阀的优缺点及应用。
教学难点
1.了解流量阀的分类。
2.掌握各类流量阀的工作原理。
3.了解各类流量阀的优缺点及应用。
五、课后作业
完成课后习题。
教学过程和组织
任务一 认识方向阀
知识储备
方向控制阀通过控制液流方向或通断，从而控制执行元件的启动、停止或改变运动方向。方向控制阀一般分为单向阀和换向阀两大类。
一、单向阀
液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。其作用是控制液体的单向流动。
1．普通单向阀
普通单向阀只允许液流沿一个方向通过，而反向截止，简称单向阀。图为管式单向阀实物图。
图为单向阀结构图。管式连接阀，此类阀的油口可通过管接头和油管相连，阀体的重量靠管路支承，因此阀的体积不能太大太重。
2．液控单向阀
液控单向阀是一种通入控制液压油后即允许油液双向流动的单向阀。它由单向阀和液控装置两部分组成，如图所示。
液控单向阀可以按需要控制其油液单向或双向通过，K口的液流用来控制阀的工作，称为控制油液。
3．对单向阀的要求
（1）开启压力要小。
（2）能产生较高的反向压力，反向的泄漏要小。
（3）正向导通时，阀的阻力损失要小。
（4）阀芯运动平稳，无震动、冲击或噪声。
4．液控单向阀的应用
液控单向阀具有良好的单向密封性能，常用于执行元件需要较长时间保压、锁紧的情况，也用于防止立式液压缸停止时自动下滑及速度换接等回路中。当执行元件的两腔都需长时间锁紧时，可采用两个液控单向阀的组合形式，称为双向液压锁，如图所示。
二、换向阀
换向阀一般是利用阀芯在阀体中相对位置的变化，使各流体通路之间（与该阀体相连接的流体通路）实现接通或断开以改变流动方向，从而控制执行机构的运动方向。
1．换向阀的换向原理及图形符号
如图所示为滑阀式换向阀，它是主要靠阀芯在阀体内做轴向运动，而使相应的油路接通或断开的换向阀。
换向阀的图形符号表示的含义为：
（1）用方框表示阀的工作位置数，有几个方框就是几位阀。
（2）在一个方框内，箭头“↑”或堵塞符号“┬”或“⊥”与方框相交的点数就是通路数，有几个交点就是几通阀，箭头“↑”表示阀芯处在这一位置时两油口相通，但不一定是油液的实际流向，“┬”或“⊥”表示此油口被阀芯封闭（堵塞）不通流。
（3）三位阀中间的方框、两位阀画有复位弹簧的那个方框为常态位置（即未施加控制号以前的原始位置）。
（4）控制方式和复位弹簧的符号画在方框的两侧。
2．换向阀的操纵控制方式
按照换向阀的操纵方式可分为：手动、机动、电磁控制、液动、电液动和气动等。各种控制方式的图形符号见表。
3．中位机能
分析和选择三位换向阀的中位机能时，通常考虑以下几个方面：
（1）系统保压。
（2）系统卸荷。
（3）任意位置上停止。
（4）液压缸“浮动”。
（5）启动平稳性。
（6）换向平稳与精度。
4．常用换向阀及应用
（1）手动换向阀。
图表示阀芯处于中位时的情况,此时从P口进来的压力油没有通路。A、B两个油口也不和T口相通。
图表示人向一侧扳动控制手柄，阀芯左移，或者说阀芯处于左位时的情况。（2）机动换向阀。
（3）电磁换向阀。
（4）液动换向阀。
如图所示是两位四通液动换向阀的结构图。
（5）电液动换向阀。
电液动换向阀内的节流阀可以调节主阀芯的移动速度，从而使主油路的换向平稳性得到控制。
（6）转阀。在图示位置（DD剖面）用手柄3使阀芯旋转时，P与B通，A与T通，油路换向。
任务实施
一、训练场地及设备
（1）场地：液压实训室、实训基地。
（2）设备：液压实训台、各类型的液压阀实物，每种3~4台，总数不少于15台。
二、训练步骤
1．搭建行程开关控制的自动连续换向回路
Step 1按照图所示的行程开关控制的自动连续换向回路原理图搭建回路。
Step 22YA得电，活塞杆向右，到底。
Step 3行程开关B发讯，1YA得电，活塞杆向左。
Step 4行程开关A发讯，2YA得电，活塞杆向右连续往返。
2．搭建锁紧回路
搭建如图所示锁紧回路，发现回路工作过程。
3．双缸顺序动作回路
Step 1搭建如图所示顺序阀顺序动作回路。
Step 2如图所示为采用顺序阀的顺序动作回路，动作要求见表：
（1）用继电器线路或PLC编程完成上述双缸顺序动作。
说明：顺序阀3稍调紧，左缸前进泵压很低，当左缸运动到底后，泵压升高，右缸前进。
（2）两缸返回时由于油管长度不同。不能同时返回。
任务二 认识压力阀
知识储备
一、溢流阀
（一）溢流阀的功用和分类
1．直动式溢流阀
如图所示，P是进油口，T是回油口，进口压力油进油经阀芯中间的阻尼孔a作用在阀芯底部端面上，当进口P从系统接入的油液压力不高时，锥阀芯被弹簧压在阀座上，阀口关闭；当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，推开锥阀，使阀口打开，油液就由进油口P流入，再从回油口T流回油箱（溢流），进油压力也就不会继续升高。
当溢流阀稳定工作时，作用在阀芯上的力应是平衡的。若忽略阀芯自重、摩擦阻力和稳态轴向液动力，则阀芯的受力平衡方程为：
P*A=K*X0
当阀芯处于某一位置时，阀芯的受力平衡为：
P*A=K(X0+X)
式中：x为弹簧附加压缩量。由上式可知，当阀芯处于不同位置时，溢流压力是变化的。
2．先导式溢流阀
先导式溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀的结构原理与直动式溢流阀相同，但一般采用锥形坐阀式结构。图为先导式溢流阀。
油液从P口进入，经阻尼孔作用于主阀芯的两端及先导阀阀芯上（一般情况下，外控口是堵塞的）。
系统油压升高到先导阀弹簧的预调压力时：先导阀口打开，主阀弹簧腔的油液流过先导阀口并经阀体上的通道和回油口T流回油箱。忽略阀芯自重和摩擦力,主阀受力平衡为:
PA=P1A+Fa=P1A+K(x0+x)
或P=P1+K(x0+x)/A
式中：P——溢流阀所控制的主阀下腔压力,即进油口压力；
P1——主阀芯上腔的压力；
A——主阀芯上端面面积；
K——主阀芯平衡弹簧的刚度；
x0——平衡弹簧的预压缩量；
x——主阀开启后,平衡弹簧增加的压缩量；
F——平衡弹簧对主阀芯的作用力。
由上式可知,先导式溢流阀所控制的压力由P1和Fa/A两项组成。由于有主阀上腔P1的存在，即使被控压力P较大,主阀上平衡弹簧力也只需很小,只要能克服摩擦力使主阀芯复位即可。
（二）溢流阀的主要性能
1．静态特性
（1）压力—流量特性。
当溢流量变化时,阀口开度也相应的变化,其溢流压力也有所变化,这就是溢流阀的压力—流量特性。
（2）启闭特性。
启闭特性是指溢流阀在稳态情况下，从闭合到完全开启，再从全开到闭合的过程中，被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系
（3）卸荷压力。
将先导式溢流阀的远程控制口直接通油箱，当阀通过额定流量时，阀的进油腔压力和回油腔压力的差值称为卸荷压力。显然，它和通道阻力、平衡弹簧预紧力有关。
2．动态性能
溢流阀的动态性能通常是指溢流阀由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态时，溢流阀所控制的压力随时间变化的过渡过程性能。
（三）溢流阀的应用
（1）调压溢流。
（2）安全保护。
（3）使泵卸荷。
（4）远程调压。
（5）形成背压。
二、减压阀
减压阀是利用油液通过缝隙时产生压力损失的原理，使其出口压力低于进口压力的压力控制阀。
1．减压阀的结构和工作原理
减压阀工作原理：若P1瞬时升高，P2将随之升高，使阀芯下方油压力升高，在阀芯上产生的推力相应增大，此推力破坏了原来力的平衡，使阀芯向上移动，有少部分油经溢流孔L排出。减小阀口开口度，节流作用加大，使输出压力下降，直至达到新的平衡为止，输出压力基本又回到原来值。若输入压力瞬时下降，输出压力也下降，阀芯随之下移，阀口开口度增大，节流作用减小，使输出压力也基本回到原来值。
图所示为先导式减压阀工作原理，该阀分为两部分：先导阀调压、主阀减压。压力为P1的油从阀的进油口A流入，经过缝隙δ减压以后，压力降为P2，再从出油口B流出。
2．减压阀的应用
在使用定量泵的机床油路中，液压缸的工作压力P1较高，用溢流阀来调节。控制油路的工作油压P2较低，润滑油路的工作压力P3则更低，皆可以用减压阀来实现调节。
3．工作特性
理想的减压阀在进口压力、流量发生变化或出口负载增加时，其出口压力P2总是恒定不变的。但实际上，P2是随P1、q的变化，或负载的增大而有所变化。由图可知，当忽略阀芯的自重和摩擦力，当稳态液动力为Fbs时，阀芯上的力平衡方程为：
式中：Ks为弹簧刚度，xc为当阀芯开口xR=0时弹簧的预压缩量，其余符号如图所示。
上式也可写成：
若忽略液动力Fbs，且xR≤xc时，则有：
这就是减压阀出口压力可基本上保持定值的原因。
4．定差减压阀
定差减压阀是使进、出油口之间的压力差等于或近似于不变的减压阀，其工作原理如图所示。
式中：xc为当阀芯开口xR=0时弹簧(其弹簧刚度为Ks)的预压缩量，其余符号如图所示。
由式可知，只要尽量减小弹簧刚度Ks和阀口开度xR，就可使压力差ΔP近似地保持为定值。
5．定比减压阀
定比减压阀能使进、出油口压力的比值维持恒定。图所示为其工作原理图，阀芯在稳态时忽略稳态液动力、阀芯的自重和摩擦力时可得到力平衡方程为：
式中：Ks为阀芯下端弹簧刚度；xc是阀口开度为xR=0时的弹簧的预压缩量；其他符号如图所示。若忽略弹簧力(刚度较小)，则有(减压比)：
由式可见，选择阀芯的作用面积A1和A2，便可得到所要求的压力比，且比值近似恒定。
6．减压阀和溢流阀的主要区别
（1）减压阀为出口压力控制，保持出口压力不变；溢流阀为进口压力控制，保持进口压力不变。
（2）常态时，减压阀阀口常开；溢流阀阀口常闭。
（3）减压阀与系统串联，出口接执行元件，泄油方式为外泄；溢流阀与系统并联，出口接油箱，泄油方式为内泄。
三、顺序阀
1．顺序阀的结构和工作原理
顺序阀是用来控制液压系统中两个或两个以上工作机构的先后顺序。顺序串联于回路上，它是利用系统中的压力变化来控制油路通断的。顺序阀分为直动式和先导式，又可分为内控式和外控式，压力也有高低压之分。应用较广的是直动式。
顺序阀的结构及工作原理与溢流阀相似。它们的主要差别是：
（1）顺序阀的出油口与负载油路相连接，而溢流阀的出油口直接接回油箱。
（2）顺序阀的泄油口单独接回油箱，而溢流阀的泄油则通过阀体内部孔道与阀的出口相通流回油箱。
（3）顺序阀的进口压力由液压系统工况来决定，当进口压力低于调压弹簧的调定压力时，阀口关闭；当进口压力超过弹簧的调定压力时，阀口开启，接通油路，出口压力油对下游负载做功。
2．顺序阀的应用
（1）实现多个液压缸顺序动作。顺序阀的调整压力应高于先动作缸的最高工作压力，以保证动作顺序可靠。中压系统一般要高于0.5~0.8MPa。
（2）与单向阀组成单向顺序阀。
（3）作卸荷阀用。
（4）作背压阀用。
四、压力继电器
1．柱塞式压力继电器
压力油作用在柱塞1的底部，当压力达到压力继电器调压弹簧调整值时，作用在柱塞1上的液压作用力便直接压缩弹簧，压下微动开关触头。
2．膜片式压力继电器
图为膜片式压力继电器结构。其工作原理是控制油口K接到需要取得液压信号的油路上，当其压力达到弹簧调定力时，膜片2在液压力的作用下产生变形，使柱塞3上升。
3．应用
如图所示压力继电器连接在油缸的油路中；换向阀的电磁铁断电左位接通，缸右移，右移终了时，油缸左腔压力升高，升高至调定值时，压力继电器发讯，使电磁铁通电，阀换向缸右移。
4．性能指标
（1）调压范围：发出信号最低和最高工作压力之间的范围。
（2）通断返回区间：开启压力与闭合压力之间的差值。
任务实施
一、训练场地及设备
（1）场地：液压实训室、实训基地。
（2）设备：液压实训台、各种类型的液压阀实物，每种3~4台，总数不少于15台。
二、训练步骤
用压力继电器和行程开关发讯的双缸顺序动作回路，如图438所示为采用压力继电器和行程开关发讯的双缸顺序动作回路。
Step 1动作顺序要求。
第一步：左缸前进；第二步：右缸前进；第三步：双缸同退；第四步：停（因压差不同，双缸退回时，有前后）。
Step 2按液压系统图和动作顺序，其发讯状况：3YA得电，右缸退回到终点，2YA得电→左缸前进→到底后行程开关B发讯，3YA失电→右缸前进→到底后压力继电器C发讯→1YA得电，3YA得电→两缸同时退回，左缸到底后行程开关A发讯→停泵。
Step 3读通上述发讯状况请自行填写动作顺序表。
Step 4按动作顺序表，用PLC编程完成上述双缸顺序动作。
Step 5任务结束，关闭电源，整理设备。
任务三 认识流量阀
知识储备
一、节流阀
（一）节流阀的结构与工作原理
1．节流阀的结构及其符号
2．节流阀的流量特性
节流阀的节流口通常有三种形式：薄壁小孔、细长小孔和短孔。
（1）压差对流量的影响：当节流阀两端压差ΔP改变时，通过它的流量也要发生变化。三种结构形式的节流口中，通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。
（2）温度对流量的影响：温度对薄壁小孔的流量几乎没有影响。
（3）孔口大小对流量的影响：节流阀的节流口可能因杂质或由于油液氧化后出现的胶质、沥青等胶状颗粒而局部堵塞，这就改变了原来节流口通流面积的大小，使流量发生变化，尤其节流口小、进出口压差较大时，流量会出现时大时小的脉动现象,一般节流口的流通面积越大，节流通道越短，越不容易堵塞。流量控制阀的最小稳定流量为0.05L/min。
（二）节流口堵塞及最小稳定流量
1. 产生堵塞的主要原因
（1）油液中的机械杂质或因氧化析出的胶质、沥青、炭渣等污物堆积在节流缝隙处。
（2）由于油液老化或受到挤压后产生带电的极化分子，节流缝隙的金属表面上存在电位差，极化分子被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，吸附层的厚度一般为5～8μm，影响节流缝隙的大小。
（3）阀口压差较大时，因阀口温升高，液体受挤压的程度增强，金属表面也更易受摩擦作用而形成电位差，因此压差大时容易产生堵塞现象。
2. 减轻堵塞现象的措施
（1）选择水力半径大的薄刃节流口。
（2）精密过滤并定期更换油液。
（3）适当选择节流口前后的压差。
（4）采用电位差较小的金属材料、选用抗氧化稳定性好的油液、减小节流口的表面粗糙度等，都有助于缓解堵塞的产生。
（三）节流阀的应用
1．进油路节流调速
2．回油路节流调速
3．旁油路节流调速
4．作背压阀用
（四）、单向节流阀
单向节流阀是单向阀和节流阀的组合，阀芯同时起节流阀和单向阀两种作用，如图所示。流体P1正向流向P2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P2反向流向P1时，靠油液的压力把阀芯压下，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。
（五）行程节流阀
行程节流阀是由滚轮控制的可调节流阀，又称减速阀。如图所示，其原理是通过行程挡块压下滚轮，使阀芯下移改变节流口通流面积，减小流量而实现减速。
二、调速阀
1．调速阀的工作原理
定差减压阀能自动保持节流阀前后压差不变从而使执行元件运动速度不受负载变化的影响。
2．调速阀的静态特性
图表示节流阀和调速阀流量Q与阀进、出口压差ΔP的关系。从图中可看出，节流阀的流量随压差的变化比较大。
3．溢流节流阀
溢流节流阀是由定差溢流阀和节流阀并联而成的。定差溢流阀稳定节流阀前后的压差，消除负载变化对节流阀的影响。
　溢流节流阀的结构及图形符号，如图所示。
（2）溢流节流阀的应用。
①溢流节流阀其入口压力即泵的供油压力随P负载的大小而变化。
②溢流节流阀的流量稳定性较调速阀差，在小流量时尤其如此。
③在使用中，溢流节流阀只能安装在节流调速回路的进油路上，而调速阀在节流调速回路的进油路、回油路和旁油路上都可以应用。
任务实施
一、训练场地及设备
（1）场地：液压实训室、实训基地。
（2）设备：液压实训台、各种类型的液压阀实物，每种3~4台，总数不少于15台。
二、训练步骤
Step 1搭建如图所示调速阀的串联调速回路。
Step 2打开电源启动设备，调节调速阀4开口大于调速阀6开口量。
Step 3快进：当2YA得电，1YA、3YA、4YA不得电，系统不节流，缸运动速度最快。
Step 4Ⅰ工进（稍慢）：2YA、3YA得电，1YA、4YA失电，调速阀4起作用。
Step 5Ⅱ工进（慢）：2YA、3YA、4YA均得电，节流口小的调速阀6起作用。缸返回运动，1YA得电，2YA、3YA、4YA失电，压力油通过单向阀使液压缸返回。
任务拓展
一、电液比例控制阀
（一）工程机械电液比例阀
1.工程机械电液比例阀的种类和形式
电液比例阀包括比例流量阀、比例压力阀、比例换向阀。根据工程机械液压操作特点，以结构形式划分电液比例阀主要有两类：一类是螺旋插装式比例阀，另一类是滑阀式比例阀。
2. 电液比例多路阀负载传感与压力补偿技术
为了节约能量、降低油温和提高控制精度，同时也使同步动作几个执行元件运动时互不干扰，现在较先进的工程机械都采用了负载传感与压力补偿技术。负载传感与压力补偿是一个很相似的概念，都是利用负载变化引起压力变化去调节泵或阀的压力与流量以适应系统工作需求。
3. 工程机械电液比例阀先导控制与遥控
电液比例阀和其他专用器件技术的进步，使工程车辆挡位、转向、制动和工作装置等各种系统电气控制成为现实。一般需要位移输出机构可采用类似于比例伺服控制手动多路阀驱动器完成。
（二）常见电液比例阀简介
1．比例电磁铁
比例电磁铁是一种直流电磁铁，输出的推力与输入电流基本成比例，并在衔铁的全部工作位置上，磁路保持一定的气隙。
2．比例压力阀
用比例电磁铁取代先到溢流阀的手动装置（调压手柄）便成为先到比例压力阀。安全阀9用于限制比例压力阀的最高压力，以避免因电子仪器发生故障使得控制电流过大、压力超过允许最大的可能性。
3．比例流量阀
用比例电磁铁取代节流阀或调速阀的手动装置，以输入电信号控制节流口开度，便可连续地或按比例地远程控制其输出流量，实现执行机构的速度调节。
4．比例方向阀
用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动型比例方向阀。
二、插装阀
插装阀（逻辑阀），是一种较新型的液压元件，它的特点是通流能力大、密封性能好、动作灵敏、结构简单，因而主要用于流量较大的系统或对密封性能要求较高的系统。
1．插装阀的工作原理
插装阀的结构及图形符号如图所示。
2.方向控制插装阀
插装阀用作各种方向控制阀如图所示。图为单向阀，当PA＞PB时，阀芯关闭，
3.压力控制插装阀
插装阀用作压力控制阀如图所示。在图中，如B接油箱，则插装阀用作溢流阀，其原理与先导式溢流阀相同。如B接负载时，则插装阀起顺序阀作用。图所示为电磁溢流阀，当二位二通电磁阀通电时起卸荷作用。
4.流量控制插装阀
二通插装节流阀的结构及图形符号如图所示。在插装阀的控制盖板上有阀芯限位器，用来调节阀芯开度，从而起到流量控制阀的作用。若在二通插装阀前串联一个定差减压阀，则可组成二通插装调速阀。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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