溢流阀的调定压力与结构形式及工作原理

溢流阀的主要作用是当系统的压力达到其调定值时开始溢流，将系统的压力基本稳定在某一调定的数值上，即溢流、定压。溢流阀按结构类型和工作原理可分为直动式和先导式两类。

1.溢流阀的典型结构及工作原理

1）直动式溢流阀

直动式溢流阀是利用作用于阀芯有效面积上的液压力直接与弹簧力相平衡来工作的。根据其阀芯结构不同，又可分为滑阀式、锥阀式和球阀式3种形式。现以滑阀式溢流阀为例，介绍其结构及工作原理。

图4.3.1（a）所示为直动式溢流阀的结构图，图4.3.1（b）所示为直动式溢流阀的图形符号。在初始状态，调压弹簧3有预压缩量x0，阀芯在弹簧力的作用下处于最下端位置，将进油口P和回油口T关闭。为了保证密封，通常还会有一段密封带，长度S，即阀芯与阀体的重合长度。当压力油从P口进入阀后，一部分油液经孔f和阻尼孔g后作用在阀芯7的底面C上，产生一个向上的液压力p·A（A为阀芯底部的有效作用面积），直接与调压弹簧3的弹簧力Fs相平衡。当进油口油液压力较低，液压力小于弹簧力时，阀芯不动，溢流阀仍然处于关闭状态。当进油口油液压力升高，作用在阀芯下部的液压力大于弹簧力、阀芯重力及阀芯与阀体之间的摩擦力等力的合力时，阀芯开始向上移动，当移动行程大于密封带长度S后，阀口开启，进油口P的压力油经回油口T溢流回油箱。如果阀开启后，液压力仍然大于弹簧力，则阀芯继续上移并压缩弹簧，直到阀芯处于受力平衡状态，阀口保持一定的开口量x。由于阀芯重力及阀芯与阀体之间的摩擦力与液压力相比非常小，可以忽略，则阀芯的受力平衡关系式可以表示为

式中，p——阀的进油口油液压力，即所要调定的系统压力；

图4.3.1　直动式溢流阀

（a）结构图；（b）图形符号
1—调节杆；2—调节螺母；3—调压弹簧；4—锁紧螺母；5—上盖；6—阀体；7—阀芯；8—堵盖

A——阀芯的有效作用面积；

k——弹簧刚度；

x0——弹簧的预压缩量；

S——密封带长度；

x——阀的开口量。

当通过溢流阀的流量改变时，阀口的开度x也会改变，但变化量很小。由式（4.3.1）可知，如能保证x≪x0，即可使p=k（x0+S+x）/A≈k（x0+S）/A≈常数。这就说明，当溢流量变化不大时（即x相对x0比较小时），直动式溢流阀的入口处压力可以认为几乎不变，这也就是溢流阀能够实现定压的原理。溢流阀的调定压力取决于弹簧刚度k和预压缩量x0，当弹簧刚度一定时，调节弹簧的预压缩量x0，可以改变阀的调定压力。

需要注意的是，在图4.3.1（a）中，阀芯上部的弹簧腔不能封闭，否则会影响阀的正常工作。有两种方法解决这个问题，一种是使弹簧腔通过流道e与回油口T相通，当回油口T直接回油箱时，可以近似认为弹簧腔压力为0，这种连接方式称为内泄式。另一种方法是，将上盖5绕阀芯轴线旋转180°安装，切断弹簧腔与回油口T之间的通路，然后将弹簧腔通过泄漏口L单独接油箱，这种连接方式称为外泄式。

由式（4.3.1）可知，要想提高溢流阀的调定压力，可以通过减小阀芯有效作用面积或提高弹簧刚度来实现。减小阀芯有效作用面积会导致阀的通流能力下降，提高弹簧刚度则会导致在溢流流量变化时，调定压力波动较大。因此，直动式溢流阀一般用于压力小于2.5 MPa的小流量场合。当然，在采取结构优化设计后，直动式溢流阀也可以做成高压阀，如德国Rexroth公司开发的DBD型直动式溢流阀，其工作压力范围可达40～63 MPa。

2）先导式溢流阀

先导式溢流阀（图4.3.2）由先导阀和主阀两部分组成，有多种结构形式，较常见的有三节同心式和二节同心式两种。

图4.3.2（b）是先导式溢流阀的一种典型结构，其上半部分是先导阀，下半部分是主阀。其先导阀为锥阀结构，实际上是一个小流量的直动式溢流阀。其主阀也是由阀体、阀芯、阀座和主阀弹簧等组成。由于主阀芯6与阀盖3（即先导阀体）、阀体4和主阀座7三处有同心配合要求，故属于三节同心式结构。现以此为例来说明先导式溢流阀的工作原理。

压力油由进油口P进入后，作用于主阀芯6活塞下腔，并经主阀芯上的阻尼孔5进入主阀芯活塞上腔，然后由阀盖3上的通道a并经先导阀座2上的小孔作用于先导阀芯1上。当作用在先导阀芯上的液压力小于先导阀调压弹簧9的预紧力Fs时，先导阀芯在弹簧力的作用下处于关闭状态。此时阻尼孔5中没有油液流动，主阀活塞上下两油腔压力相等，主阀芯6在主阀弹簧8的作用下处于最下端，进、出油口被主阀芯切断，溢流阀不溢流。当作用在先导阀芯上的液压力大于弹簧力时，先导阀打开，压力油经阻尼孔5、通道a、先导阀口、主阀中央孔至出油口T后流回油箱。由于油液流过阻尼孔5时要产生压降，使主阀上腔压力小于下腔压力。当通过先导阀的流量达到一定值时，主阀活塞上、下腔压力差所形成的液压力超过主阀弹簧8的预紧力、主阀芯与阀体的摩擦力和主阀芯自重等力的合力时，主阀芯向上移动，使进油口P和出油口T相通，压力油液从出油口T溢流回油箱。此时，主阀芯处于受力平衡状态，溢流口保持一定的开度，阀进口处的压力也保持某一定值。调节先导阀弹簧9的预压缩量，即可调节阀的入口压力（即系统压力），而改变调压弹簧9的刚度，则可以改变阀的调压范围。

图4.3.2　先导式溢流阀

（a）图形符号；（b）结构图；（c）实物图
1—先导阀芯；2—先导阀座；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—调节螺钉；11—调压手轮

在某一稳定工况下，若不考虑作用在阀芯上的重力、摩擦力和液动力，先导式溢流阀的先导阀芯和主阀芯的受力平衡方程为：

式中，p——主阀进口压力，即系统压力；

pd——先导阀前腔压力；

As，A——主阀活塞上、下腔有效作用面积；

Ad——先导阀阀芯有效作用面积；

Kd，K——先导阀和主阀的弹簧刚度；

xd0，x0——先导阀和主阀的弹簧预压缩量；

xd，x——先导阀和主阀的阀口开口量。

将式（4.3.2）与式（4.3.3）联立，可得

为了使主阀的阀口在关闭时有足够的密封力，一般使主阀的活塞上腔有效作用面积As略大于下腔有效作用面积A（As/A=1.03～1.05）。主阀的弹簧只用于克服主阀阀芯的摩擦力，因而其刚度很小，即K≪Kd。这样，主阀溢流量变化引起的主阀开口量x的变化对溢流压力的影响很小。由于先导阀的溢流量很小（约为溢流阀流量的1％），故先导阀的阀芯有效作用面积Ad和阀口开口量xd都很小，即Ad≪A，先导阀弹簧刚度Kd不必很大就能得到较高的溢流压力。先导式溢流阀稳定系统压力的能力要好于直动式溢流阀，一般高压大流量溢流阀均为先导式溢流阀。

先导式溢流阀有一个与主阀上腔相通的遥控口K，这使其比直动式溢流阀具有更多的功能。例如，将遥控口K与另一个压力阀的入口接通，则可以通过它来调节主阀的溢流压力，即起远程调压作用。这样做的前提是，先导式溢流阀的先导阀的调定压力要比远程控制阀的调定压力高，否则远程调压阀不起作用。如果将远程控制口直接接回油箱，则可使系统压力（即溢流压力）降至0（或接近于0），从而使系统卸荷。

图4.3.3所示为二节同心式先导式溢流阀的结构图。其先导阀与图4.3.2（b）中先导阀的结构及工作原理类似，但其主阀芯2为带有导向圆柱面的锥阀。为了使主阀关闭时有良好的密封性，要求主阀芯2的圆柱导向面和圆锥面与阀套配合良好，两处的同心度要求较高，“二节同心”由此得名。主阀芯上没有阻尼孔，而将阻尼孔置于先导阀体2内。其工作原理和图4.3.2（b）中的先导式溢流阀相同，在此不再赘述。

图4.3.3　DB型先导式溢流阀结构图

1—主阀芯；2，3，4—阻尼孔；5—先导阀座；6—先导阀体；7—先导阀芯；8—调压弹簧；9—主阀弹簧；10—阀体(www.xing528.com)

2.溢流阀的性能指标

溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能，在仅介绍其静态性能。

1）压力-流量特性（p-q特性）

压力-流量特性又称溢流特性，表示溢流阀在某一调定压力下工作时，溢流量的变化与阀的实际进口压力之间的关系。溢流阀的压力-流量特性曲线如图4.3.4所示，由图可知：

（1）不同的开启压力pk对应着不同的曲线，pk的大小可通过改变弹簧的预压缩量来得到。

（2）当开启压力pk一定时，溢流压力随着溢流量的增加而升高。当溢流量达到阀的额定流量qn时，与此相对应的压力值称为溢流阀的调定压力pn（或称全流量压力）。pn与pk之差称为调压偏差，其大小反映了调压精度的高低。一般希望溢流量变化引起的溢流压力变化要小，即调压精度要高。另外，弹簧刚度k越小，曲线就越陡，调压精度就越高；反之，调压精度就差。由于先导式溢流阀的主阀弹簧刚度较直动式溢流阀小得多，所以先导式溢流阀的调压精度比直动式溢流阀高。除调压偏差外，也常用开启压力比n来衡量调压精度的高低，。调压偏差越小或开启压力比越大，调压精度越高。图4.3.5分别画出调定压力相同的直动式溢流阀和先导式溢流阀的压力-流量特性曲线，以便比较。

图4.3.4　溢流阀的压力-流量特性曲线

图4.3.5　直动式和先导式溢流阀压力-流量特性比较

以上分析忽略了阀芯移动时摩擦力的影响。由于阀芯从闭合到开启时和阀芯从开启到闭合时其摩擦力方向相反，故溢流阀的开启压力和闭合压力不同。开启压力大于闭合压力，且开启过程与闭合过程的压力-流量特性曲线不重合，如图4.3.6所示。由于要克服摩擦力，实际压力pk必须大于理论开启压力，阀才能开启。当溢流量增加时，压力沿开启曲线上升。当溢流量为qn时，压力为力pn。当溢流量减小时，压力沿关闭曲线下降，完全闭合时的压力为力pB。溢流阀开启过程和闭合过程的压力-流量特性称为启闭特性。

图4.3.6　溢流阀的启闭特性

2）压力稳定性

溢流阀的压力稳定性有两种含义：

（1）在调定压力下，工作一段时间后，调定压力的偏移量。压力偏移的原因主要和阀芯摩擦力、油温变化、油液清洁度等有关，是一种静态特性。

（2）溢流阀在调定压力下，负载流量没有变化时，调定压力的振摆值。它和泵源的流量脉动以及阀和管路的动态特性有关，是一种综合的动态指标。

3）压力损失和卸荷压力

将调压弹簧全部放松，当阀通过额定流量时，进油腔压力与回油腔压力之差称为溢流阀的压力损失。将先导式溢流阀的遥控口接回油箱，当阀通过额定流量时，阀的进油腔压力和回油腔压力之差称为卸荷压力。

3.溢流阀在液压系统中的应用

溢流阀在液压系统中主要起定压、溢流的作用，保持阀进口处的压力接近于定值。在有些情况下，溢流阀还可作安全阀（防止系统过载）、制动阀（对执行机构进行缓冲和制动）、背压阀（为系统提供背压）等。

1）作定压阀用

在图4.3.7所示的定量泵节流调速液压系统中，通过调节节流阀的开口大小可调节进入执行元件的流量，定量泵输出的多余油液则经溢流阀回油箱。在工作过程中，溢流阀总是有油液通过（溢流），液压泵的工作压力取决于溢流阀的调定压力，且基本保持恒定。溢流阀的调定压力必须大于执行元件的最高工作压力与管路上各种压力损失之和。

2）作安全阀用

在图4.3.8所示的容积调速回路中，泵的全部流量都输出到主油路中，平时溢流阀是关闭的，只有当系统压力超过溢流阀调定压力时，阀才打开，油液经阀流回油箱，系统压力不再升高。因而该阀用以防止液压系统过载，起限压、安全作用。作为安全阀时，溢流阀的调定压力可以比系统最高工作压力高10％～20％。

图4.3.7　溢流阀起定压溢流作用

图4.3.8　溢流阀起限压安全作用

3）作背压阀用

将溢流阀装在回油路上，通过调节溢流阀的调压弹簧，即能调节执行元件回油腔压力的大小，见图4.3.9。在回油路中设置背压阀，可以提高执行元件运动的平稳性。

4）实现远程调压回路

利用远程调压阀的远程调压回路见图4.3.10。这里应注意，只有在先导式溢流阀的调定压力高于远程调压阀的调定压力时，远程调压阀才能起作用。

图4.3.9　溢流阀作背压阀用

图4.3.10　远程调压回路

5）实现多级调压

多级调压回路可以实现多级压力的变换，图4.3.11便是一个二级调压回路。先导式溢流阀3的远程控制口串接远程调压阀2和二位二通换向阀1。当两个压力阀的调定压力符合pB＜pA时，液压系统就可以通过换向阀的左位和右位分别得到pA和pB两种压力。当液压缸有足够的负载阻力时，换向阀在左位（图示位置），液压缸进油口压力由先导式溢流阀3调定；当换向阀在右位时，进口压力由远程调压阀2调定。如果在溢流阀的远程控制口处多连几个调压阀，各调压阀的出口分别接到多位换向阀的不同通口上，则液压系统就可以相应地得到多级压力。

图4.3.11　二级调压回路

1—远程调压阀；2—二位二通换向阀；3—先导式溢流阀；4—二位四通电磁换向阀