液压系统中的压力控制阀及其应用

在液压系统中控制油液压力高低或利用压力变化实现某种动作的阀通称为压力控制阀。常见的压力控制阀按功用分为溢流阀、顺序阀、减压阀、压力继电器等。

1.溢流阀

溢流阀有多种用途，主要是运用溢流的方法使液压泵的供油压力得到调整并保持基本恒定。溢流阀按其结构原理可分为直动式溢流阀和先导式溢流阀两种。

对溢流阀的主要要求：①调压范围大，调压偏差小，动作灵敏；②过流能力强；③工作时噪声小等。

（1）直动式溢流阀 图2-48为锥阀式和滑阀式普通直动式溢流阀的结构原理。对于锥阀式溢流阀（见图2-48a），当进油口P的油液压力不高时，阀芯2被调压弹簧3压紧在阀座上，阀口关闭。当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，便推开阀芯使阀口打开，油液就从回油口T流回油箱（溢流），进油压力也就不会继续升高。对于滑阀式直动溢流阀（见图2-48b），其工作原理与锥阀式类似，进口的液压油通过阀体内的通道a引入阀芯下端，直接与上端的弹簧相互作用，弹簧腔的泄漏油与出油口相连。当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，便推动阀芯运动，油液就由进油口P流入，从回油口T流回油箱。当通过溢流阀的流量变化时，阀口开度变化，弹簧压缩量也随之改变。在弹簧压缩量变化很小的情况下，可以认为阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡，溢流阀进口处的压力基本保持在弹簧调定值。拧动调压手轮4改变弹簧的预压缩量，便可调整溢流阀的溢流压力。

这种溢流阀因为其作用在阀芯上的液压力直接和调压弹簧力抗衡，所以称为直动式溢流阀。由于液压力直接作用于弹簧的结构原因，需要的弹簧刚度很大，当溢流量较大时，阀口开度增大，弹簧的压缩量增大，控制的油液压力波动大，手轮调节所需力也大，所以普通直动式溢流阀适用于低压、小流量系统。

（2）先导式溢流阀 图2-49a所示为某先导式溢流阀的结构原理。它由主阀和先导阀两部分组成。主阀由主阀体、主阀芯、小弹簧等组成；先导阀是普通直动式锥阀芯溢流阀。

图2-48 普通直动式溢流阀

a）锥阀式溢流阀 b）滑阀式溢流阀 c）图形符号

1—阀体 2—阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮

图2-49 先导式溢流阀

a）结构原理 b）图形符号

1—先导阀座 2—先导阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮 5—主阀体 6—主阀芯弹簧 7—主阀芯

当先导式溢流阀的进油口P通入液压油时，液压油可通过主阀芯上的阻尼孔R进入左侧油腔，并通过先导阀阀体上的孔道进入先导阀的下腔。

当溢流阀进油口P处的压力较小，不足以顶开先导阀阀芯时，主阀芯上的阻尼孔只起通油作用，这时主阀芯左、右两腔的液压力相等，而左腔又有一个小弹簧力的作用，必使主阀芯处在右端极限位置，封闭P口到T口的溢流通道；当压力增大到先导阀锥阀芯的开启压力时，先导阀锥阀芯打开，油液可以经过主阀芯上的泄油孔道b流回主阀的回油腔T，实行内泄。由于阻尼孔R的液阻很大，靠流动阻力的作用产生压力降，使主阀芯所受的液压力不平衡，当入口处的液压力达到溢流阀的调定压力，这时溢流阀阀芯右侧作用的液压力大于左侧的液压力与小弹簧的作用力之和，主阀芯开始向左运动，打开P口到T口的通道而产生溢流，达到溢流稳压的目的。

调节先导阀的调压手轮，便能调整溢流压力；更换不同刚度的调压弹簧，便能得到不同的调压范围。先导式溢流阀上开有一个远程控制口K，它和主阀芯的左腔相连，图示为控制口处于封闭状态。当要实行远程控制时，在此口连接一个调压阀，相当于给溢流阀的调压部分并联一个先导调压阀，溢流阀工作压力就由溢流阀本身的先导调压阀和远程控制口上连接的调压阀中较小的调压值决定。调节远程控制口上连接的调压阀（调节压力小于溢流阀本身先导阀的调定值），可以实现对于溢流阀的远程控制或使溢流阀卸荷。如不使用其功能，如图中所示堵上远程控制口即可。

在先导式溢流阀中，先导阀的作用是控制和调节溢流压力，其阀口直径较小，即使在较高压力的情况下，作用在锥阀芯上的液压力也不大，因此调压弹簧的刚度不必很大，压力调整也比较轻便；主阀芯的两端均受油压作用，主阀弹簧也只需很小的刚度，这样，当溢流量变化而引起弹簧压缩量变化时，进油口的压力变化不大。故先导式溢流阀的稳压性能优于普通直动式溢流阀。但先导式溢流阀是二级阀，其灵敏度低于直动式溢流阀。

（3）溢流阀的性能 溢流阀的性能包括静态性能和动态性能，在此做简单介绍。

1）静态性能。

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，系统压力能平稳地上升或下降时的最大和最小调定压力，在调节范围内，压力无突跳及迟滞现象。溢流阀的最大允许流量为其额定流量，在额定流量下工作时溢流阀应无噪声；溢流阀的最小稳定流量取决于它的压力平稳性要求，一般规定为额定流量的15%。

②启闭特性。启闭特性是指溢流阀在稳态情况下从开启到闭合的过程中，被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。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、调定压力p_s时，开始溢流的开启压力p_k及停止溢流的闭合压力p_b分别与p_s的百分比来衡量，前者称为开启比。后者称为闭合比。显然，上述两个百分比越大，则两者越接近，溢流阀的启闭特性就越好。直动式和先导式溢流阀的启闭特性曲线如图2-50所示。

③卸荷压力。当溢流阀的远程控制口K与油箱相连时，额定流量下的压力损失称为卸荷压力。

2）动态性能。当溢流阀在溢流量发生由零至额定流量的阶跃变化时，它的进口压力，也就是它所控制的系统压力，将如图2-50所示的那样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。

定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值的差值Δp为压力超调量，它是衡量溢流阀动态定压误差的一个重要指标。

如图2-51所示，t₁称之为响应时间，t₂称之为过渡时间。t₁越小，溢流阀的响应越快；t₂越小，动态响应过程时间越短。

图2-50 溢流阀的启闭特性曲线

图2-51 流量阶跃变化时溢流阀的进口特性响应曲线

2.顺序阀

顺序阀是利用油路中压力的变化来控制阀口启闭，以实现各工作部件依次顺序动作的液压元件，常用于控制多个执行元件的顺序动作，故名顺序阀。顺序阀按结构不同分为直动式顺序阀和先导式顺序阀两种，一般先导式顺序阀用于压力较高的场合。当顺序阀利用外来液压力进行控制时，称为液控顺序阀。不论是直动式顺序阀还是先导式顺序阀都和对应的溢流阀原理相类似，主要不同是溢流阀的调压弹簧腔的泄漏油和出油口相连，而顺序阀单独接回油箱。

对顺序阀的主要要求：①调压范围大；②动作可靠，不因压力波动等原因产生误动作，保证系统安全；③过流能力强，工作时噪声小等。

（1）直动式顺序阀 图2-52所示为直动式顺序阀的结构原理及其图形符号。它分为直动式内控顺序阀（见图2-52a）和直动式外控顺序阀（见图2-52b）。在进口（见图2-52a）（或外控油口，见图2-52b）液压油的压力没有达到调定压力时，顺序阀关闭，当达到调定压力时顺序阀开启。图2-52c、d所示分别为直动式内控顺序阀和直动式外控顺序阀的图形符号。

图2-53所示为直动式内控顺序阀。通过转动下阀盖180°，去掉螺塞2，作为外控口，可实现外控顺序阀功能；原状态下，转动上阀盖180°后用螺塞封闭泄油口实现溢流阀功能的液压阀原理。它从原理上说明了溢流阀和顺序阀相通的特点，最大的差别为调压弹簧腔的泄漏油是接出油口还是单独接回油箱，进而关系到出口油压是否影响入口油压。

图2-52 直动式顺序阀

a）直动式内控顺序阀 b）直动式外控顺序阀 c）直动式内控顺序阀图形符号 d）直动式外控顺序阀图形符号

1—阀体 2—阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮

图2-53 直动式内控顺序阀

1—下阀盖 2—螺塞 3—上阀盖

（2）先导式顺序阀 图2-54所示为先导式顺序阀的结构原理及其图形符号。

当先导式顺序阀的入口通入液压油时，油液经过主阀芯的径向孔，右侧通阀芯右腔，左侧经阻尼孔R通主阀弹簧腔，并作用在先导调压阀的调压阀阀芯上。当顺序阀的进油压力低于调定压力时，调压先导锥阀关闭，主阀芯左、右所受的液压力平衡，靠主阀弹簧作用使顺序阀口闭合；达到锥阀开启压力时，液压油顶开先导锥阀，其泄漏油经L口单独接回油箱；当进油压力达到顺序阀预先调定压力时，顺序阀口开启，油液从顺序阀出油口P₂输出，使下一级液压元件（液压缸等）动作。先导式顺序阀也可以通过远程控制口K进行远程控制。

图2-54 先导式顺序阀

a）结构原理 b）图形符号(www.xing528.com)

1—先导阀阀座 2—先导阀阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮 5—主阀体 6—主阀芯 7—主阀芯弹簧

3.减压阀

减压阀是使出口压力低于进口压力的一种压力控制阀。利用减压阀可降低系统提供的压力，使同一系统具有两个或两个以上的压力回路。减压阀根据功用的不同可以分为定值减压阀、定差减压阀和定比减压阀。

（1）定值减压阀 定值减压阀的功用是获得比进口压力低但稳定的出口工作压力。常用在夹紧油路或润滑油路中。对定值减压阀的主要要求：维持出口压力稳定，受入口压力和通过流量变化影响小。

1）直动式减压阀。图2-55所示为直动式减压阀的结构原理及其图形符号。P₁为进油口，P₂为出油口，阀芯上端弹簧腔的泄漏油经L口单独接回油箱。

图2-55 直动式减压阀

a）结构原理 b）图形符号

1—阀体 2—阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮

减压阀不工作时，由于弹簧力的作用，阀芯处在下端的极限位置，阀口是常通的。减压阀正常工作时，其出口液压力（出口液压油通过阀内通道a引入，作用在阀芯下端向上的作用力）和弹簧调定压力相平衡，维持节流降压口开度H为固定值。当出口压力增大时，作用在阀芯下端的液压力大于弹簧的调定值时，阀芯上移，减小节流降压口开度，使节流降压作用增强；反之，出口的压力减小时，阀芯下移，增大节流降压口开度，使节流降压作用减弱，控制出口的压力维持在调定值。

阀芯的受力平衡方程为

p₂A=k（x₀+Δx） （2-56）

式中 A——阀芯的有效作用面积；

k——弹簧的刚度；

x₀——弹簧正常工作时的压缩量；

Δx——压力变化时弹簧压缩量的变化量。

因为Δx值很小，所以可认为p₂为定值。

2）先导式减压阀。图2-56所示为先导式减压阀的结构原理及其图形符号。

图2-56 先导式减压阀

a）结构原理 b）图形符号

1—先导阀阀座 2—先导阀阀芯 3—调压弹簧 4—调压手轮 5—主阀体 6—主阀芯 7—主阀芯弹簧

减压阀不工作时，由于弹簧力的作用，阀芯处在右端的极限位置，阀口是常通的。在减压阀通入液压油时，液压油减压口减压后从出口流出，经减压的出口液压油经阀体上的孔道引入阀芯的左端，通过主阀芯上的阻尼孔R进入主阀芯的左侧油腔，并通过先导阀体上的孔道进入先导阀的下腔。

当减压阀出口的压力较小，不足以顶开先导阀芯时，主阀芯上的阻尼孔R只起通油作用，使主阀芯左、右两腔的液压力相等，而左腔又有一个小弹簧力的作用，必使主阀芯处在右端极限位置，使节流降压口开度H变大，减压阀不起减压作用；当压力增大到先导锥阀芯的开启压力时，先导锥阀芯打开，泄漏油液可以经过泄油孔道单独流回油箱，实行外泄。减压阀在调定压力下正常工作时，由于出口压力与先导阀溢流压力和主阀芯弹簧力的平衡作用，维持节流降压口开度H为定值。当出口压力增大，由于阻尼孔流动阻力的作用产生压力降，主阀芯所受的力不平衡，使阀芯左移，减小节流降压口开度，使节流降压作用增强；反之，出口的压力减小时，阀芯右移，增大节流降压口开度，使节流降压作用减弱，控制出口的压力维持在调定值。同样，先导式减压阀具有远程控制口K，通过它可以实现远程控制。

（2）定差减压阀 定差减压阀可使阀的进、出口压差保持为定值。如图2-57所示，进油口P₁的高压油经节流口减压后从出口P₂以低压油流出，同时出口的低压油经阀芯中心孔将压力p₂传至阀芯的上腔，其进、出油压在阀芯有效作用面积上的压差与弹簧力相平衡，即

式中 k——弹簧刚度；

x₀——弹簧正常工作时的压缩量；

Δx——压差波动时弹簧压缩量的变化量；

D、d——阀芯的有效直径（见图2-57a）。

在工作中若弹簧的压缩量变化不大（实际情况就是如此），则此减压阀的进、出口压差就基本保持恒定。

（3）定比减压阀 定比减压阀可使阀进、出口压力间保持一定的比例关系。图2-58所示为定比减压阀的结构原理及其图形符号。阀芯的作用力平衡关系为

p₁A₁+k（x₀+Δx）=p₂A₂ （2-58）

这里，弹簧的刚度很小，几乎可以没有，所以，进、出口压力之间的关系约为

即如果忽略刚度很小的弹簧的作用，就可以认为这个液压阀的进、出口压力比为大、小柱塞的断面积之比。

图2-57 定差减压阀

a）结构原理 b）图形符号

1—阀体 2—阀芯 3—弹簧 4—调压手轮

图2-58 定比减压阀

a）结构原理 b）图形符号

1—下阀盖 2—弹簧 3—阀芯 4—上阀盖

4.压力继电器

压力继电器是一种将油液的压力信号转换成电信号的电液控制元件，当油液压力达到压力继电器的调定压力时，即发出电信号，以控制电磁铁、电磁离合器、继电器等元件动作，使油路卸压、换向，执行元件实现顺序动作，或关闭电动机，使系统停止工作，起安全保护作用等。

压力继电器根据液压系统的压力变化自动接通和断开有关电路，借以实现程序控制和安全保护作用。图2-59所示为压力继电器的结构原理及其图形符号。当P口连接的液压油压力达到压力继电器动作的调定压力时，通过柱塞1推动杠杆3压动微动开关4发出电信号。此处为增压控制发信继电器，相应地还有降压控制发信的。