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2.2 液压控制阀

2.2.1 液压控制阀的分类与结构特点

(1)按功能分类

液压控制阀按功能分类有以下几种:

①压力控制阀 用于控制或调节液压系统或回路压力的阀,如溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等。

②方向控制阀 用于控制液压系统中液流的方向及其通、断,从而控制执行元件的运动方向及其启动、停止的阀,如单向阀、换向阀等。

③流量控制阀 用于控制液压系统中工作液体流量大小的阀,如节流阀、调速阀、分集流阀等。

(2)按阀的控制方式分类

液压控制阀按控制方式可分为:

①开关(或定值)控制阀 借助于通断型电磁铁及手动、机动、液动等方式,将阀芯位置或阀芯上的弹簧设定在某一工作状态,使液流的压力、流量或流向保持不变的阀。这类阀属于常见的普通液压阀。

②比例控制阀 采用比例电磁铁(或力矩马达)将输入电信号转换成力或阀的机械位移,使阀的输出量(压力、流量)按照其输入量连续、成比例地进行控制的阀。比例控制阀一般多采用开环液压控制系统。

③伺服控制阀 其输入信号(电量、机械量)多为偏差信号(输入信号与反馈信号的差值),阀的输出量(压力、流量)也可按照其输入量连续、成比例地进行控制的阀。这类阀的工作性能类似于比例控制阀,但具有较高动态瞬时响应和静态性能,多用于要求精度高、响应快的闭环液压控制系统。

④数字控制阀 用数字信息直接控制的阀类。

(3)按结构形式分类

液压控制阀按结构形式分类有:滑阀(或转阀)、锥阀、球阀等。

(4)按连接方式分类

液压控制阀按连接方式分为:

①螺纹连接阀 通过阀体上的螺纹孔直接与管接头、管路相连接的阀。这种阀不需要过渡的连接安装板,因此结构简单,但只适用于较小流量的阀类。其缺点是元件布置分散,系统不够紧凑。

②法兰连接阀 通过法兰盘与管子、管路连接的阀。法兰连接适用于大流量的阀,其结构尺寸和质量都比较大。

③板式连接阀 采用专用的过渡连接板连接阀与管路的阀。板式连接阀只需用螺钉固定在连接板上,再把管路与连接板相连。这种连接方式在装卸时不影响管路,并且有可能将阀集中布置,结构紧凑。

④集成连接阀 集成连接是由标准元件或以标准参数制造的元件按典型动作要求组成基本回路,然后将基本回路集成在一起组成液压系统的连接形式。它包括将若干功能不同的阀类及底板块(也叫集成块)叠合在一起的叠加阀;借助六面体的集成块,通过其内部通道将标准的板式阀连接在一起,构成各种基本回路的集成阀;将几个阀的阀芯合并在一个阀体内的嵌入阀;以及由插装元件插入插装块体所组成的插装阀等。

2.2.2 方向控制阀

方向控制阀(简称方向阀),用来控制液压系统的油流方向,接通或断开油路,从而控制执行机构的启动、停止或改变运动方向。

方向控制阀分为单向阀和换向阀两大类。

(1)单向阀

单向阀又分为普通单向阀和液控单向阀。

①普通单向阀 普通单向阀又称逆止阀。它控制油液只能沿一个方向流动,不能反向流动。图2-1(a)所示为机床上常用的管式连接单向阀,它由阀体1、阀芯2和弹簧3等零件构成。阀芯2分锥阀式和钢球式两种,图2-1(a)所示为锥阀式。钢球式阀芯结构简单,但密封性不如锥阀式。当压力油从进油口P1输入时,克服弹簧3的作用力,顶开阀芯2,经阀芯2上四个径向孔a及内孔b,从出油口P2输出。当液流反向流动时,在弹簧和压力油的作用下,阀芯锥面紧压在阀体1的阀座上,油液不能通过。图2-1(b)所示是板式连接单向阀,其进、出油口开在底平面上,用螺钉将阀体固定在连接板上,其工作原理和管式单向阀相同。图2-1(c)所示为单向阀的图形符号,2009版和1993版一样,没有变化。图2-2所示为单向阀的外形结构。

图2-1 单向阀

1—阀体;2—阀芯;3—弹簧

图2-2 单向阀外形结构

普通单向阀中的弹簧主要用来克服阀芯运动时的摩擦力和惯性力。为了使单向阀工作灵敏可靠,弹簧力应较小,以免液流产生过大的压力降。一般单向阀的开启压力在0.035~0.05MPa,额定流量通过时的压力损失不超过0.1~0.3MPa。当利用单向阀作背压阀时,应换上较硬的弹簧,使回油保持一定的背压力。各种背压阀的背压力一般在0.2~0.6MPa。

对单向阀总的要求是:当油液从单向阀正向通过时,阻力要小;而反向不能通过,无泄漏,阀芯动作灵敏,工作时无撞击和噪声。

普通单向阀常与某些阀组合成一体,成为组合阀或称复合阀,如单向顺序阀(平衡阀)、可调单向节流阀、单向调速阀等。为防止系统液压力冲击液压泵,常在泵的出口处安置有普通单向阀,以保护泵。为提高液压缸的运动平稳性,在液压缸的回油路上设有普通单向阀,作背压阀使用,使回油产生背压,以减小液压缸的前冲和爬行现象。

②液控单向阀 液控单向阀的结构如图2-3所示,它与普通单向阀相比,增加了一个控制油口X,控制活塞1通过顶杆2,打开单向阀的阀芯3。当控制油口X处无压力油通入时,液控单向阀起普通单向阀的作用,主油路上的压力油经P1口输入、P2口输出,不能反向流动。当控制油口X通入压力油时,活塞1的左侧受压力油的作用,右侧a腔与泄油口相通。于是活塞1向右移动,通过顶杆2将阀芯3打开。使进、出油口接通,油液可以反向流动,不起单向阀的作用。控制油口X处的油液与进、出油口不通。通入控制油口X的油液压力最小不应低于主油路压力的30%~50%。液控单向阀的外形结构如图2-4所示。

图2-3 液控单向阀

1—活塞;2—顶杆;3—阀芯

图2-4 液控单向阀外形结构图

液控单向阀具有良好的密封性能,常用于保压和锁紧回路。使用液控单向阀时应注意必须保证有足够的控制压力,否则不能打开液控单向阀。

液控单向阀未通控制油时具有良好的反向密封性能,常用于保压、锁紧和平衡回路,作为立式液压缸的支承阀。

(2)换向阀

如图2-5所示,换向阀主要由阀芯、阀体、阀芯复位弹簧和操作装置组成,阀芯1在操纵装置的作用下沿阀体内

图2-5 换向阀

1—阀芯;2—阀体;3—阀芯复位弹簧;4—操纵装置;T,A,P,B—油口;L—排气口

腔移动,从而改变个各阀口间的通断情况,图示为P口与B口相通,且P口和B口与T口和A口不相通,而A口与T口相通;当阀芯在操纵装置的作用下向右移动,则P口和A口相通且与T口和B口不通,而A口这时与T口相通;当操纵装置失去作用时,阀芯在弹簧3的作用下复位至图示位置。

按阀的结构形式换向阀可分为:滑阀式、转阀式、球阀式、锥阀式。

按阀的操纵方式换向阀可分为:手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式。

按阀的工作位置数和控制的通道数换向阀可分为:二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、三位四通阀、三位五通阀等。

换向阀的图形符号如图2-6所示,表示方法如下:

图2-6 换向阀的图形符号

①方框表示阀的工作位置,方框数即“位”数。

②箭头表示两油口连接关系,截止符号表示此油口不通流。

③一个方框内,箭头或截止符号与方框的交点数为油口的通路数,即“通”数。

④P表示压力油的进口,T表示与油箱连通的回油口,A和B表示连接其他工作油路的油口。

⑤三位阀的中位及二位阀侧面画有弹簧的那一方框为常态位。

常用三位换向阀的滑阀(中位)机能如表2-1所示。

除表中所示以外,还有C、D、J、K、N、U、X等型式的滑阀机能,可参见有关资料。

2.2.3 压力控制阀

压力控制阀简称压力阀,利用作用于阀芯上的油液压力和弹簧力相平衡的原理来控制液压系统压力;按功能可分为溢压阀、减压阀、顺序阀以及压力继电器。

(1)溢流阀

溢流阀的作用是通过阀口的溢流,调定系统工作压力或限定其最大工作压力,防止系统过载。对溢流阀的主要要求是静、动态特性要好,前者即是压力-流量特性好;后者即是突加外界干扰后,工作稳定、压力超调量小以及响应快。

溢流阀有直动式和先导式两种。

①直动式溢流阀 图2-7(a)为低压直动式溢流阀的工作原理图。当作用在阀芯3上的液压力大于弹簧7的作用力时,阀口打开,泵出口的部分油液经阀的P口及T口溢流回油箱。通过溢流阀的流量变化时,阀口开度要变化,故阀芯位置也要变化,但因阀芯移动量极小,加之弹簧刚度很小,故作用在阀芯上的弹簧力变化很小。因此可以认为,当阀口打开,部分油液经溢流阀溢流回油箱时,溢流阀入口P处的压力基本上是恒定的,此压力随阀口溢流量的变化而恒定的程度,即是衡量溢流阀静特性好坏的重要指标。经调压螺钉5、调节弹簧7的预紧力,便可调定溢流阀进口P处的压力。图2-7(b)所示为直动式溢流阀的1993版图形符号,图2-7(c)

图2-7 直动式溢流阀的工作原理图和图形符号

1—阻尼孔;2—阀体;3—阀芯;4—阀盖;5—调压螺钉;6—弹簧座;7—弹簧

所示为直动式溢流阀的2009版图形符号。开启压力由弹簧调节。

图2-8所示为DBD型高压直动式溢流阀的结构。图中锥阀6下部为起阻尼作用的减振活塞。图2-9为DBD型高压直动式溢流阀的外形。

图2-8 DBD型直动式液压阀

1—阀座;2—调节杆;3—弹簧;4—套管;5—阀体;6—锥阀

图2-9 DBD型高压直动式溢流阀的外形

直动式溢流阀的结构简单,动作灵敏,但进口压力受阀口溢流量的影响大,不适于在大流量下工作。

②先导式溢流阀 DB型和DBW型溢流阀是常用的两种先导式溢流阀。

图2-10(a)~(c)所示分别为DB型先导式溢流阀的结构、工作原理及1993版图形符号。图2-11所示为先导式溢流阀的2009版图形符号。该阀由先导阀和主阀组成。溢流阀进口P的压力作用于主阀芯3及先导阀芯9上。当先导阀未打开时,阀腔中油液没有流动,作用在主阀芯上、下端的液压力平衡,主阀芯被弹簧5紧压在主阀芯座2上,主阀口关闭。当P口压力增大到使先导阀打开时,液流经阻尼孔a后分成两股:一股经阻尼孔c、先导阀口流回油箱;另一股经阻尼孔b流入主阀芯的上端。由于阻尼孔的节流作用,使主阀芯3下端的压力大于上端的压力,主阀芯在压差的作用下克服弹簧力向上跳起,打开主阀口,实现溢流作用。调节先导阀的调压弹簧10,便可实现P口压力调节。DB型溢流阀主要用作溢流阀、安全阀、远程调压阀等。图2-12所示为DB型先导式溢流阀的外形。

图2-10 DB型先导式溢流阀

1—阀体;2—主阀芯座;3—主阀芯;4—阀套;5—主阀弹簧;6—防振套;7—阀盖;8—阀锥座;9—阀芯(先导阀);10—调压弹簧;11—调压螺钉;12—调压手轮

图2-11 先导式溢流阀

2009版图形符号

图2-12 DB型先导式溢压阀的外形

DBW型号溢流阀主要由五通径二位三通电磁阀、先导阀和主阀组成。其工作原理与DB型号基本相同,不同之处在于它可以通过电磁阀使系统在任意时刻卸荷。DB/DBW阀均设有控制油外部供油口和外排油口。这样根据需要可以选择不同的组合形式:内供内排、内供外排、内供内排和外供外排。图2-13所示为DBW型先导式溢流阀的外形。

图2-13 DBW型先导式溢压阀的外形

DB/DBW型溢流阀采用铸造内流道,具有流通能力强、流量大、结构简单、噪声低、性能稳定等特点。DB/DBW型溢流阀广泛应用在轻工、机床、冶金、矿山、航天等领域中。

(2)减压阀

减压阀分为定压式减压阀、定比式减压阀和定差式减压阀三种。

如图2-14所示,常态下减压阀的阀口常开,当工作油路压力低于减压阀的调定压力时,减压阀不工作,阀口处于最大打开状态。当外负载增大,系统压力升高到减压阀的调定压力时,减压阀开始工作,阀口关小,出口压力为减压阀的调定压力,当系统压力继续升高时,减压阀的阀口关得更小,但此时出口压力不变,将恒定在减压阀的调定压力值处。

图2-14 减压阀

(3)顺序阀

顺序阀的基本功用是以压力为信号,控制多个执行元件顺序动作。

根据控制压力来源的不同,顺序阀有内控式和外控式之分。其结构也有直动式和先导式之分。

①直动式顺序阀 图2-15所示为直动式顺序阀的基本结构和装配形式。图2-15(a)所示为内控式直动顺序阀。当进液口的压力p1低于其调定压力时,阀芯在弹簧力作用下处于下部位置,将出液口封闭,切断一次回路与二次回路。当进液口压力p1达到或超过其调定压力值时,阀芯克服弹簧力上移,使阀口打开,接通进、出液口,使二次回路中的执行元件工作。

将图2-15(a)中所示的下盖转过90°后安装,并将盖上螺钉打开做外控口,如图2-15(b)所示,即为外控式顺序阀。这时,内部控制油路被切断,便于利用外控压力pK来操纵阀的开、关。由于顺序阀的一次回路和二次回路均为压力回路,故必须设置泄漏口L,使内部泄漏的液体引回油箱。

如果令外控式顺序阀的出液口接油箱,它就成为一个卸荷阀[图2-15(c)]。这时可取消单独的泄漏油管,使泄漏口在阀内与回油口接通。

图2-15 直动式顺序阀的工作原理和图形符号

内控式顺序阀与溢流阀的不同之处在于它的出油口(p2处)不接油箱,而通向某一压力油路。

综上所述,顺序阀实质上是一个控制压力可调的二位二通液动阀。为了减小其阀口的压力损失,顺序阀调压弹簧的刚度要尽量地小,因此采用了小的控制柱塞。

②先导式顺序阀 图2-16(a)所示的DZ型顺序阀,主阀为单向阀式,先导阀为滑阀式。主阀芯在原始位置将进、出油口切断,进油口的压力油通过两条油路,一路经阻尼孔进入主阀上腔并到达先导阀中部环形腔,另一路直接作用在先导滑阀左端。当进口压力低于先导阀弹簧调定压力时,先导滑阀在弹簧力的作用下处于图示位置。当进口压力大于先导阀弹簧调定压力时,先导滑阀在左端液压力作用下右移,将先导阀中部环形腔与通顺序阀出口的油路沟通。于是顺序阀进口力油经阻尼孔、主阀上腔、先导阀流往出口。由于阻尼存在,主阀上腔压力低于下端(即进口)压力,主阀芯开启,顺序阀进出油口沟通。由于经主阀芯上阻尼孔的泄漏不流向泄油口L,而是流向出油口(p2处),且主阀上腔油压与先导滑阀所调压力无关,仅仅通过刚度很弱的主阀弹簧与主阀芯下端液压力保持主阀芯的受力平衡,因此出口压力近似等于进口压力,其压力损失小。

图2-16(c)所示为DZ型5X系列先导式顺序阀的外形。

图2-16 先导式顺序阀

1—阻尼孔;2—阀芯;3—导阀芯

(4)压力继电器

压力继电器是利用工作液体的压力来启、闭电气触点的液电信号转换元件,用于当系统达到压力继电器调定压力时,发出电信号,控制电气元件(电动机、电磁铁、继电器等)的动作,实现泵的卸荷或加载控制,执行元件的顺序动作,以及系统的安全保护和联锁等。

压力继电器按压力-位移转换部件的结构形式分有柱塞式、弹簧管式、膜片式及波纹管式4种。

图2-17所示为HED1型柱塞式压力继电器的结构和图形符号。P口进来的高压油作用于柱塞1上,靠弹簧与之平衡,调节螺钉2用来调节调定压力。当系统压力达到其调定压力时,作用于柱塞上的液压力克服弹簧力,顶杆3上移,使微动开关4的触点闭合,发出电信号。

图2-17 HED1型柱塞式压力继电器

1—柱塞;2—调节螺钉;3—顶杆;4—微动开关

图2-18为HED1型柱塞式压力继电器的外形。

图2-18 HED1型柱塞压力继电器的外形

2.2.4 流量控制阀

流量控制阀简称流量阀,是液压系统中控制流量的液压阀。它通过调节流量阀通流面积的大小,来控制流经阀的流量,从而实现对执行元件运动速度的调节或改变分支流量的大小。流量阀包括节流阀、调速阀等。

(1)节流阀

节流阀的基本功能就是在一定的阀口压差作用下,通过改变阀口的通流面积,来调节其通过流量,因而可对液压执行元件进行调速。另外,节流阀实质上还是一个局部的可变液阻,因而还可利用它对系统进行加载。对节流阀的性能要求主要是:要有足够宽的流量调节范围,微量调节性能要好;流量要稳定,受温度变化的影响要小;要有足够的刚度;抗堵塞性要好;节流损失要小。

任何一个流量控制阀都有一个起节流作用的阀口,通常简称为节流口,其结构形式和几何参数对流量控制阀的工作性能起着决定性作用。节流口的结构形式很多,常用的为轴向三角槽式阀口,如图2-19(b)所示。

图2-19所示是节流阀的结构、节流口形式及图形符号,2009版节流阀的图形符号与1993版一样,没有变化。该阀采用轴向三角槽式的节流口形式,主要由阀体1、阀芯2、推杆3、调节手柄4和弹簧5等件组成。油液从进油口P1流入,经孔道a、节流阀阀口、孔道b,从出油口P2流出。调节手柄4借助推杆3可使阀芯2做轴向移动,改变节流口过流断面面积的大小,达到调节流量的目的。阀芯2在弹簧5的推力作用下,始终紧靠在推杆3上。

图2-19 节流阀的结构、节流口形式及图形符号

1—阀体;2—阀芯;3—推杆;4—调节手柄;5—弹簧

图2-20为DR/DRV型节流阀的外形。

图2-20 节流阀的外形

如图2-21所示,压力油从进油口P1流入,经节流口从P2流出。节流口的形式为轴向三角沟槽式。作用于节流阀芯上的力是平衡的,因而调节力矩较小,便于在高压下进行调节。当调节节流阀的手轮时,可通过顶杆推动节流阀芯向下移动。节流阀芯的复位靠弹簧力来实现;节流阀芯的上下移动改变着节流口的开口量,从而实现对流体流量的调节。

图2-21 节流阀的工作原理图

1—调节手柄;2—阀体;3—阀芯推杆

节流阀是通过改变阀口(节流口)通流断面面积的大小来控制通过阀的流量的。节流阀结构简单、制造容易、体积小,但负载和温度变化对流量稳定性的影响大。

(2)调速阀

调速阀和节流阀在液压系统中的应用基本相同,主要与定量泵、溢流阀组成节流调速系统。节流阀适用于一般的节流调速系统,而调速阀适用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中,也可用于容积节流调速回路中。

图2-22(a)为调速阀的工作原理图。调速阀是由减压阀和普通节流阀串联成的组合阀。其工作原理是利用前面的减压阀保证后面节流阀的前后压差不随负载而变化,进而来保持速度稳定的。当压力为p1的油液流入时,经减压阀阀口h后压力降为p2,并又分别经孔道b和f进入油腔c和e。减压阀出口即d腔,同时也是节流阀2的入口。油液经节流阀后,压力由p2降为p3,压力为p3的油液一部分经调速阀的出口进入执行元件(液压缸),另一部分经孔道g进入减压阀芯1的上腔a。调速阀稳定工作时,其减压阀芯1在a腔的弹簧力、压力为p3的油压力和c、e腔的压力为p2的油压力(不计液动力、摩擦力和重力)的作用下,处在某个平衡位置上。当负载FL增加时,p3增加,a腔的液压力亦增加,阀芯下移至一新的平衡位置,阀口h增大,其减压能力降低,使压力为p1的入口油压减少一些,故p2值相对增加。所以,当p3增加时,p2也增加,因而差值(p2-p3)基本保持不变,反之亦然。于是通过调速阀的流量不变,液压缸的速度稳定,不受负载变化的影响。图2-23为调速阀的外形。

图2-22 调速阀的工作原理图及职能符号

1—阀芯;2—节流阀;b,f,g—孔道;a,c~e—油腔;h—阀口

图2-23 调速阀的外形

2.2.5 插装阀

插装阀是一种以锥阀为基本单元的新型液压元件。由于这种阀具有通、断两种状态,可以进行逻辑运算,故又称为逻辑阀。插装阀与普通液压控制阀有所不同,它的通流量可达到1000L/min,最大通径可达200~250mm。其阀芯结构简单,动作灵敏,密封性好,功能比较单一,主要实现通或断。插装阀与普通液压控制阀组合使用时,能实现对系统油液方向、压力和流量的控制。

(1)插装阀的结构及工作原理

插装阀功能组件(简称插装组件)是一个两级阀组,故有主油路和控制油路之分。先导控制阀为普通方向阀、压力阀和流量阀。插装阀主阀的结构如图2-24(a)所示,它由插装阀块体6、插装单元(由阀套5、阀芯4、弹簧3及密封件组成)、控制盖板2和先导控制阀1组成。阀芯与阀套(包括锥面)的配合较精密,工艺要求较高。而阀套与阀体间没有相对运动,依靠橡胶密封圈(O形圈)密封,故对阀体加工工艺要求较低。

插装阀的工作原理相当于一个液控单向阀。图中A和B为主油路的两个工作油口,K为控制油口(与先导阀相接),阀芯锥面的开闭决定A、B口的通断。当K口无液压油作用时,阀芯4受到的向上的液压力大于弹簧3的预紧力时,阀芯开启,A与B相通,至于液流的方向,视A、B口的压力大小而定。

反之,当K口有液压油作用时,K口的油液压力和弹簧预紧力的合力大于A和B口的油液压力,才能保证A与B之间关闭。插装阀的图形符号如图2-24(b)所示。

图2-24 插装阀

1—先导控制阀;2—控制盖板;3—弹簧;4—阀芯;5—阀套;6—阀块体

(2)插装阀用作方向控制阀

由插装阀组成的各种方向控制阀如图2-25所示。

图2-25 方向控制插装阀

如图2-25(a)所示,将K腔与A口或B口连通,即成为单向阀,当pA>pB时,阀芯关闭,A与B不通;而当pB>pA时,阀芯开启,油液从B流向A。

如图2-25(b)所示,用一个电磁先导阀控制K腔的压力,就可以使插装阀成为二位二通阀,当电磁阀断电时,阀芯开启,A与B接通;电磁阀通电时,阀芯关闭,A与B不通。

如图2-25(c)所示,两个插装阀再加上一个电磁先导阀可组成一个二位三通阀,当电磁阀断电时,A与T接通;电磁阀通电时,A与P接通。

如图2-25(d)所示,用四个插装阀以及相应的先导阀才能组成一个二位四通阀,电磁阀断电时,P与B接通,A与T接通;电磁阀通电时,P与A接通,B与T接通。

(3)插装阀用作压力控制阀

对插装阀的控制腔K的压力进行控制,便可构成压力控制阀,如图2-26所示。

如图2-26(a)所示,若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;若B接负载,则插装阀起顺序阀的作用。

图2-26(b)所示为电磁溢流阀,当二位二通电磁阀断电时,插装阀用作溢流阀;当二位二通电磁阀通电时,插装阀便起卸荷作用。

图2-26 压力控制插装阀

(4)插装式流量控制阀

二通插装节流阀的结构及图形符号如图2-27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,起到流量控制阀的作用。图中所示阀芯上带有三角槽,以便于调节其开口大小。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。

图2-27 插装节流阀

(5)插装阀集成块

将四个插装阀装在一个共同的阀体内,并带有相应的电磁先导阀,就成为一个换向集成块。有时将四个插装阀装在两个阀体内,这使得使用时具有更大的灵活性。又如将一个单向阀(泵出口用)和一个溢流阀装在同一阀体内就成为一个调压集成块。有关工厂生产有各种功能的集成块供用户选用。

2.2.6 电液比例阀

电液比例阀简称比例阀,是将手动调节压力、流量等参数的压力阀、流量阀改为电动调节,并使被调节参数和给定的电量(通常是电流)成比例的液压阀。它可以按给定的输入电信号连续地、按比例地控制液流的压力、流量和方向,使用一个比例阀即可得到多种压力或流量,与多级压力控制回路和多种速度控制回路相比简单得多,在工程技术中动态性能要求不高的场合已得到广泛的应用。

比例阀是从两个方面发展来的,一是采用比例电磁铁作为电气-机械转换元件,取代原来阀的手动调节器或普通的开关电磁铁,在普通液压阀的基础上发展起来的各种比例方向、压力和流量阀;二是在高性能的伺服阀基础上,适当简化伺服阀的结构,降低制造精度,增大电气-机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗污染能力后发展起来的。前者是比例阀发展的主要方向。

电液比例阀的结构主要包括电气-机械转换器(比例电磁铁)和阀体两部分。比例阀与液压泵或液压马达或液压缸组成一个整体就构成了比例容积式元件。

根据用途和工作特点的不同,比例阀分为比例压力控制阀、比例流量控制阀、比例方向流量阀。

(1)比例电磁铁

比例电磁铁是电液比例控制阀的重要组成部分,其作用是将比例控制放大器输出的电信号转换成与之成比例的力或位移。

比例电磁铁是在传统湿式直流阀用开关电磁铁的基础上发展而来的一种直流电磁铁,它与普通换向阀所用的电磁铁不同。普通电磁换向阀所使用的电磁铁只要求有吸合和断开两个位置,并且为了增加吸力,在吸合时磁路中几乎没有气隙。而比例电磁铁则要求吸力(或位移)与输入电流成比例,并在衔铁的全部工作位置上,磁路中保持一定的气隙。目前所使用的大多数比例电磁铁具有如图2-28(a)所示的盆底结构。由于磁路结构的特点,使之具有如图2-28(b)所示的水平吸力特性,有助于保持阀的稳定性。

图2-28 耐高压单向移动式比例电磁阀

1—推杆;2—端盖(下轭铁);3—外壳;4—隔磁环;5—工作气隙;6—线圈;
7—支撑环;8—衔铁;9—非工作气隙;10—放气螺钉;11—导套;12—调节螺钉

图2-28所示的比例电磁铁输出的是电磁力,故称为力输出型比例电磁铁。还有一种带位移反馈的位置输出型比例电磁铁,能抑制摩擦力等扰动影响,具有更为优良的稳态控制精度和抗干扰特性。

(2)比例压力阀

比例压力阀按用途不同,有比例溢流阀、比例减压阀和比例顺序阀之分;按照控制功率的大小不同,分为直动式与先导式。

①直动锥阀式比例压力阀 如图2-29所示,用比例电磁铁取代压力阀的手调弹簧力控制机构便可得到比例压力阀。比例电磁铁4通电后产生吸力经推杆3和传力弹簧2作用在锥阀芯1上,当锥阀芯左端的液压力大于电磁吸力时,锥阀芯被顶开溢流。连续地改变控制电流的大小,即可连续按比例地控制锥阀的开启压力,即可调节溢流阀压力的大小。

图2-29 直动锥阀式比例压力阀的结构原理

1—锥阀芯;2—传力弹簧;3—推杆;4—电磁铁

直动式压力阀的控制功率较小,通常控制流量为1~3L/min,低压力等级的流量最大可达10L/min。直动式压力阀可在小流量系统中用作溢流阀或安全阀,更主要的是作为先导阀,控制功率放大级主阀,构成先导式压力阀。

②先导锥阀式比例溢流阀 图2-30所示为先导锥阀式比例溢流阀,其下部为与普通先导式溢流阀相同的主阀,上部则为比例先导压力阀。它的工作原理与普通先导式溢流阀相同。不同点是:普通阀的调压是手动调节的,而比例溢流阀的压力则是由电流(电信号)输入电磁铁后,产生与电流成比例的电磁力推动推杆,压缩弹簧作用在锥阀上来调节的。顶开锥阀的压力即是调整压力。该阀还附有一个手动调整的先导阀9,用以限制比例溢流阀的最高压力,以避免因电子仪器发生故障使得控制电流过大,系统过载。

图2-30 先导锥阀式电磁比例溢流阀

1—先导阀阀座;2—先导锥阀;3—轭铁;4—衔铁;5—弹簧;6—推杆;7—线圈;8—弹簧;9—先导阀

采用比例溢流阀,可以显著提高控制性能,使原来溢流阀控制的压力调整由阶跃式变为比例阀控制的缓变式,避免了压力调整引起的液压冲击和振动。

如将比例溢流阀的泄漏油路及先导阀9的回油路单独引回油箱,主阀出油口也接压力油路,则图示比例溢流阀可作比例顺序阀用。若改变比例溢流阀的主阀结构,就可获得比例减压阀、比例顺序阀等不同类型的比例压力控制阀。

(3)比例流量阀

用比例电磁铁改变节流阀的开度,即成为比例节流阀。将此阀和定差减压阀组合即成为比例调速阀。

图2-31所示为比例调速阀的结构原理。与普通调速阀相比,其主要区别是用直流比例电磁铁取代了手柄对节流阀的控制。比例电磁铁的输出力作用在节流阀芯2上,与弹簧力、液动力、摩擦力相平衡。一定的控制电流对应一定的节流开度,通过改变输入电流的大小,即可改变通过调速阀的流量。为了便于用比例电磁铁控制开口大小,节流阀开口做成轴向形式。由于采用比例电磁铁直接推动节流阀,因此比例电磁铁必须有足够的推力,以克服节流阀上的液压卡紧力、稳态液动力以及弹簧力等。

图2-31 比例调速阀的结构原理

1—定差减压阀芯;2—节流阀芯;3—弹簧

比例调速阀可用于制造行业的注塑机、抛光机和多工位加工机床等速度控制系统中,输入对应于多种速度的电流信号后,可以实现多种加工速度的控制。输入电信号连续变化时,被控制的机床执行元件的运动速度也可实现连续变化。