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1、5 方向控制阀5.1 阀口特性与阀芯的运动阻力5.2 单向阀5.3 换向阀5.4 方向阀在换向与锁紧回路中的应用5.5 液压阀的连接方式本章小结本章提要：本章主要内容为 阀口特性与阀芯的运动阻力，节流边与液压桥路。单向阀、换向阀等方向控制阀，其中主要讨论滑阀式换向阀，要掌握这些阀的工作原理、图形符号、结构形式、滑阀机能以及操纵方式等。方向控制阀在换向回路与锁紧回路中的应用。液压阀的连接方式。本章重点是换向阀的换向原理、滑阀机能和图形符号。学习时应把结构（或结构原理）与液压桥路及图形符号联系起来，才能深入地理解其换向原理和滑阀机能。教学内容：本章介绍了阀口特性与阀芯运动阻力；方向控制阀的单向阀、
2、液控单向阀及换向阀；方向阀在换向与锁紧回路中的应用；液压阀的连接方式。教学重点：1位、通、机能概念；2常用换向阀中位机能的含义与使用场合；3液控换向阀结构与原理。教学难点：1位、通、机能概念；2控制滑阀阀芯动作的五种操作方式； 3常用换向阀中位机能的含义与使用场合； 4液控单向阀的卸压；5液控换向阀。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，利用实验，了解换向阀的结构及工作原理。教学要求：掌握方向控制阀的位、通、机能概念；控制滑阀阀芯动作的五种操作方式；掌握常用换向阀中位机能的含义与使用场合；液控单向阀的卸压。液压控制阀（简称液压阀）是液压系统中的控制元件，用来控制
3、液压系统中流体的压力、流量及流动方向，从而使之满足各类执行元件不同动作的要求。不论何种液压系统，都是由一些完成一定功能的基本液压回路组成，而液压回路主要是由各种液压控制阀按一定需要组合而成。对于实现相同目的的液压回路，由于选择的液压控制阀不同或组合方式不同，回路的性能也不完全相同。因此熟悉各种液压控制阀的性能、基本回路的特点，对于设计和分析液压系统极为重要。液压控制阀按其作用可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类，相应地可由这些阀组成三种基本回路：方向控制回路、压力控制回路和调速回路。按控制方式的不同，液压阀又可分为普通液压控制阀、伺服控制阀、比例控制阀。根据安装形式不同，液压阀还可分
4、为管式、板式和插装式等若干种。各种类型的液压阀的基本工作参数是额定压力和额定流量，不同的额定压力和额定流量使得每种液压阀具有多种规格。本章及以下两章将介绍液压控制阀及其应用。本章仅涉及方向控制阀和方向控制回路。方向控制阀是用来改变液压系统中各油路之间液流通断关系的阀类。如单向阀、换向阀及压力表开关等。5.1 阀口特性与阀芯的运动阻力5.1.1 阀口流量公式及流量系数 对于各种滑阀、锥阀、球阀、节流孔口，通过阀口的流量均可用下式表示： （5.1）式中，为流量系数；为阀口通流面积；为阀口前、后压差；为液体密度。 (1)滑阀的流量系数设滑阀图5.1(a)开口长度为X，阀芯与阀体(或阀套)内孔的径向间
5、隙为，阀芯直径为d，则阀口通流面积为 （5.2）式中，W为面积梯度，它表示阀口过流面积随阀芯位移的变化率。对于孔口为全周边的圆柱滑阀，。若为理想滑阀(即0)，则有,对于孔口为部分周长时(如：孔口形状为圆形、方形、弓形、阶梯形、三角形、曲线形等)，为了避免阀芯受侧向作用力，都是沿圆周均布几个尺寸相同的阀口，此时只需将相应的过流面积A0的计算式代入式(5.1)，即可相应地算出通过阀口的流量。 式(5.1)中的流量系数 Cq与雷诺数Re有关。当Re260时，Cq为常数；若阀口为锐边，则Cq0.60.65；若阀口有不大的圆角或很小的倒角，则 Cq0.80.9。 (2)锥阀的流量系数如图5.1(b)所示
6、，具有半锥角且倒角宽度为s的锥阀阀口，其阀座平均直径为dm=(d1+d2)/2，当阀口开度为x时，阀芯与阀座间过流间隙高度为h=xsin。在平均直径dm处，阀口的过流面积为 (5.3)一般，,则 (5.4)锥阀阀口流量系数约为Cq0.770.82。图5.1 滑阀与锥阀阀口（a）滑阀；（b）锥阀5.1.2 节流边与液压桥路（1） 阀口与节流边液压阀中，各种控制阀口都是可变节流口。为了讨论问题的方便，我们约定，以细箭头表示正作用节流边，所谓正作用节流边是指x增大时，阀口增大；以粗箭头表示反作用节流边，所谓反作用节流边是指x增大时，阀口关小。 如图5.2所示，阀中的可变节流口可以看成是由两条作相对运
7、动的边线构成的，因此可变节流口可以看成是一对节流边。其中固定不动的节流边在阀体上，可以移动的节流边则在阀芯上。这一对节流边之间的距离就是阀的开度x。 阀体的节流边是在阀体孔中挖一个环形槽（或方孔、圆孔）后形成的图5.3（b），阀芯的节流边也是在阀芯中间挖出一个环形槽后形成的图5.3（a），阀芯环形槽与阀体环形槽相配合就可以形成一个可变节流口（即阀口）。若进油道与阀芯环形槽相通，那么出油道必须与阀体的环形槽相通，阀口正好将两个通道隔开图5.3（C）。 如果在阀芯上不开环形槽，而是直接利用阀芯的轴端面作为阀芯节流边图5.4（a），则阀芯受到液压力的作用后不能平衡，会给控制带来困难。通过在阀芯上开设
8、环形槽，形成图5.4（b）所示平衡活塞，则阀芯上所承受的液压力大部分可以得到平衡，施以较小的轴向力即可驱动阀芯。图5.2 节流边(a)正作用节流边；(b)反作用节流边；（c）滑阀节流边图5.3 环形槽结构图5.4 阀芯的平衡活塞(a)无平衡活塞（受力不平衡）；(b)带有平衡活塞 （2） 液压半桥与三通阀 利用阀口（节流边）的有效组合，可以构成类似于电桥的液压桥路。液压桥路也有半桥和全桥之分。液压全桥有A、B两个控制油口，用于控制具有两个工作腔的双作用液压缸或双向液压马达；液压半桥只有一个控制油口A（或B），只能用于控制有一个工作腔的单作用缸或单向马达。 图5.5（a）所示液压半桥是由一个进油阀
9、口和一个回油阀口构成的，它有三个通道进油通道P、回油通道O（或T）和控制通道A，并且进、回油阀口是反向联动布置的，即一个阀口增大时，另一阀口减小。三通换向阀就是液压半桥。 由于液压半桥有三个通道（即三个不同的压力，其中A为被控压力），因此必须在阀芯和阀体上共开出三个环形槽，让P、O、A分别与三个环形槽相通，并且受控压力A要放在P和O的中间，以便于A能分别与P和O接通。液压半桥有两种布置方案，第一种方案是将A放在阀芯环形槽中，而将P、O两腔放在阀体环形槽中如图5.5（b）；另一种方案是将A放在阀体环形槽中，而将P、O两腔放在阀芯环形槽中如图5.5（C）。图5.5 半桥的两种结构(a)半桥的节流边
10、； (b)工作腔PA布置在阀芯环形槽中；（c）工作腔PA布置在阀体环形槽中 （3） 液压全桥与四通阀图5.6 全桥的两种结构(a) 全桥的节流边； (b)工作腔PA、PB布置在阀体环形槽中；（c）工作腔PA、PB布置在阀芯环形槽中；(d)阀体中有3个工艺槽的四台肩式四通阀；(e)阀体中有2个工艺槽的三台肩式四通阀 图5.6（a）所示全桥回路有4个控制阀口，由两个半桥构成。四通换向阀就是液压全桥。在全桥中，左半桥有P、A、O三个压力通道，右半桥有 P、B、O三个压力通道，如果把P布置在中间，则两个半桥可共用一个P通道。因此全桥应该有Ol、A、P、T、O2等5个通道。相应地，阀芯和阀体应共有5个环
11、形槽。液压全桥有两种布置方案。第一种方案如图(b)所示，将A、B通道布置在阀体环形槽中，将O1、P、O2布置在阀芯环形槽中，这种方案的四通阀称为四台肩式四通阀；另一种方案如图(c)所示，将阀芯槽与阀体槽所对应的油口对换，让A、B通道布置在阀芯环形槽中，O1、P、O2布置在阀体环形槽中，这种方案的四通阀称为三台肩式四通阀。 上述四通阀中的各环形槽用于构成阀口节流边，称为工作环形槽。在实际阀的结构中除工作环形槽外，还加工有其它与工作原理无关的环形沟槽，这些环形沟槽不构成节流边（不构成阀口），仅起油道作用。如图(d)为阀体中加工有3个工艺槽的四台肩式四通阀，图(e)为阀体中加工有2个工艺槽的三台肩式
12、四通阀。工艺槽的作用是增加阀腔的通流面积，防止油孔加工时所形成的毛刺对阀芯运动产生卡滞，结果阀体O1、A、P、B、O2各油口对应处皆有环形沟槽，要注意分辩它们之中谁是构成阀口的工作槽。5.1.3 阀芯驱动与阀芯运动阻力驱动阀芯的方式有手动、机动、电磁驱动、液压驱动等多种。其中手动最简单，电磁驱动易于实现自动控制，但高压、大流量时手动和电磁驱方式常常无法克服巨大的阀芯阻力，这时人们不得不采用液压驱动方式。稳态时，阀芯运动的主要阻力为：液压不平衡力，稳态液动力，摩擦力（含液压卡紧力）；动态时还有瞬态液动力，惯性力等。若阀芯设计时静压力不平衡，高压下阀芯可能无法移动，因此阀芯设计时尽可采取静压力平衡
13、措施，如在阀芯上设置平衡活塞。阀芯静压力平衡后，阀芯的稳态液动力和液压卡紧力又成为主要矛盾，高压、大流量时阀芯稳态液动力和液压卡紧力可达数百至数千牛，手动时感到十分吃力。 （1）作用在圆柱滑阀上的稳态液动力 液流经过阀口时，由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到附加的作用力。 在阀口开度一定的稳定流动情况下，液动力为稳态液动力。当阀口开度发生变化时，还有瞬态液动力作用。限于篇幅，这里仅研究稳态液动力。稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围，因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。图5.7 作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力(
14、a)流出式； (b)流入式对于某一固定的阀口开度x来说，根据动量定理(参考图5.7中虚线所示的控制体积)可求得流出阀口时见图5.7(a)的稳态液动力为 (5.5)可见，液动力指向阀口关闭的方向。流入阀口时见图5.7(b)的稳态液动力为 (5.6)可见，液动力仍指向阀口关闭的方向。考虑到 ，所以上式又可写成 (5.7)考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数 Cq可取为常数，且令液动力系数,则上式又可写成 (5.8) 当压差P一定时，由式(5.8)可知，稳态液动力与阀口开度 x成正比。此时液动力相当于刚度为KSp的液压弹簧的作用。因此，KSp被称为液动力刚度。液动力的方向这样判定：对带平衡活塞
15、的完整阀腔而言，无论液流方向如何，其方向总是力图使阀口趋于关闭。 （2）作用在锥阀上的稳态液动力 外流式锥阀见图5.8(a)上作用的稳态轴向液动力。图5.8 作用在锥阀上的稳态液动力(a)外流式； (b)内流式假定锥阀入口处的流速为v1、压力为PS，锥阀出口处的流速为v2、压力为大气压(P20)，锥阀口的开口量为x，半锥角为，阀口处的过流面积为。考虑到锥阀开度不大，则可认为液流射流角;一般倒角宽度s取得很小，故有。在稳定流动时，不计液体的静压力PSA，利用动量定理可得出作用在锥阀上的轴向稳态液动力为 (5.9)此力的方向使阀芯趋于关闭。 内流式锥阀见图5.8(b)上作用的稳态轴向液动力。 设P20，按上述相同方法导出其稳态轴向推
