5.3 压力控制阀

在液压传动系统中，控制油液压力高低的液压阀称为压力控制阀，简称压力阀。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。

在具体的液压系统中，根据工作需要的不同，对压力控制的要求是各不相同的：有的需要限制液压系统的最高压力，如安全阀；有的需要稳定液压系统中某处的压力值（或者压力差、压力比等），如溢流阀、减压阀等定压阀；还有的需要利用液压力作为信号控制动作，如顺序阀、压力继电器等。

5.3.1 溢流阀

1.溢流阀的基本结构及其工作原理

溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。几乎在所有的液压系统中都需要用到它，其性能好坏对整个液压系统的正常工作有很大影响。

2.溢流阀的作用和性能要求

（1）溢流阀的作用 在液压系统中维持定压是溢流阀的主要用途。它常用于节流调速系统中，和流量控制阀配合使用，调节进入系统的流量，并保持系统的压力基本恒定。如图5-12a所示，溢流阀2并联于系统中，进入液压缸4的流量由节流阀3调节。由于定量泵1的流量大于液压缸4所需的流量，油压升高，将溢流阀2打开，多余的油液经溢流阀2流回油箱。因此，这里溢流阀的功用就是在不断的溢流过程中保持系统压力基本不变。

用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。图5-12b所示的变量泵调速系统，在正常工作时，溢流阀2关闭，不溢流，只有在系统发生故障，压力升至安全阀的调整值时，阀口才打开，使变量泵排出的油液经溢流阀2流回油箱，以保证液压系统的安全。

图5-12 溢流阀的作用

a）保持系统压力基本恒定 b）用于过载保护 1—定量泵 2—溢流阀 3—节流阀 4—液压缸 5—变量泵

（2）液压系统对溢流阀的性能要求

1）定压精度高。当流过溢流阀的流量发生变化时，系统中的压力变化要小，即静态压力超调要小。

2）灵敏度要高。如图5-12a所示，当液压缸4突然停止运动时，溢流阀2要迅速开大。否则，定量泵1输出的油液将因不能及时排出而使系统压力突然升高，并超过溢流阀的调定压力，这种现象称动态压力超调，它使系统中各元件及辅件受力增加，影响其寿命。溢流阀的灵敏度越高，则动态压力超调越小。

3）工作要平稳，且无振动和噪声。

4）当阀关闭时，密封要好，泄漏要小。

对于经常开启的溢流阀，主要要求前三项性能；而对于安全阀，则主要要求第二和第四两项性能。其实，溢流阀和安全阀都是同一结构的阀，只不过是在不同要求时有不同的作用而已。

3.溢流阀的结构和工作原理

常用的溢流阀按其结构形式和基本动作方式可分为直动式和先导式两种。

（1）直动式溢流阀 直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上来与弹簧力等相平衡，以控制阀芯的启闭动作，图5-13a所示是一种低压直动式溢流阀，P是进油口，T是回油口，进口压力油经阀座中间的通孔作用在阀芯的底部端面上，当进油压力较小时，阀芯在弹簧的作用下处于右端位置，将P和T两油口隔开。当油压力升高时，在阀芯下端所产生的作用力超过弹簧的压紧力。此时，阀芯左移，阀口被打开，将多余的油液排回油箱。调整螺母手轮可以改变弹簧的压紧力，这样也就调整了打开溢流阀的进口压力p。图5-13b所示是溢流阀的职能图形符号。

图5-13 直动式溢流阀

a）结构图 b）职能图形符号 1—调整螺母 2—调压弹簧 3—阀盖 4—阀芯 5—阀体

（2）先导式溢流阀 图5-14所示为先导式溢流阀的结构示意图，在图中，压力油从进油口P（P₁）进入，通过主阀芯平衡活塞上阻尼孔5进入活塞上腔，再由通道作用在先导锥阀上。当进油口压力较低，先导阀上的液压作用力不足以克服导阀左边的弹簧的作用力时，导阀关闭，没有油液流过阻尼孔，所以主阀芯上下两端压力相等，在较软的主阀弹簧作用下主阀芯处于最下端位置，溢流阀阀口P和出油口O隔断，没有溢流。当进油口压力升高到作用在先导阀上的液压力大于导阀弹簧作用力时，导阀打开，压力油就可通过阻尼孔，经导阀、主阀芯中心通孔流回油箱，由于阻尼孔的作用，主阀芯上端的液压力p₂小于下端压力p₁、当这个压力差作用在主阀芯上的力等于或超过主阀弹簧力F_s、轴向稳态液动力F_bs、摩擦力F_f和主阀芯自重G时，主阀芯开启，油液从P口流入，经主阀阀口、出油口O流回油箱，实现溢流，即有

Δp=p₁。p₂≥（F_s+F_bs+G±F_f）/A （5-1）

图5-14 先导式溢流阀

1—先导阀阀芯 2—先导阀座 3—先导阀体 4—主阀体 5—油道 6—主阀芯 7—主阀阀座 8—主阀弹簧 9—先导阀调压弹簧 10—调压螺杆 11—旋钮

由式（5-1）可知，由于油液通过阻尼孔而产生的p₁与p₂之间的压差值不太大，所以主阀芯只需一个小刚度的软弹簧即可；而作用在导阀上的液压力p₂与其导阀阀芯面积的乘积即为导阀弹簧的调压弹簧力，由于导阀阀芯一般为锥阀，受压面积较小，所以用一个刚度不太大的弹簧即可调整较高的开启压力p₂，用调压手轮调节导阀弹簧的预紧力，就可调节溢流阀的溢流压力。

先导式溢流阀有一个远程控制口K，如果将K口用油管接到另一个远程调压阀（远程调压阀的结构和溢流阀的先导控制部分一样），调节远程调压阀的弹簧力，即可调节溢流阀主阀芯上端的液压力，从而对溢流阀的溢流压力实现远程调压。但是，远程调压阀所能调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀的调整压力。当远程控制口K通过二位二通阀接通油箱时，主阀芯上端的压力接近于零，主阀芯上移到最高位置，阀口开得很大。由于主阀弹簧较软，这时溢流阀P口处压力很低，系统的油液在低压下通过溢流阀流回油箱，实现卸荷。

4.溢流阀的性能

溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能，在此做一简单的介绍。

（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，且压力无突跳及迟滞现象时的最大和最小调定压力。

2）最大允许流量、最小稳定流量：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%。

3）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ps的百分比来衡量，前者称为开启比，后者称为闭合比，即

式中，p_s可以是溢流阀调压范围内的任何一个值，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，一般应使，，直动式和先导式溢流阀的启闭特性曲线如图5-15所示。

4）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，即在此情况下的进出口压力差。

（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5-16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。

图5-15 溢流阀的启闭特性曲线

图5-16 流量阶跃变化时溢流阀的 进口压力响应特性曲线

定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值p_s的差值为压力超调量Δp，则压力超调率为

它是衡量溢流阀动态定压误差的一个性能指标。一个性能良好的溢流阀，其为10%～30%。图5-16中所示t₁为响应时间，t₂为过渡过程时间。显然，t₁越小，溢流阀的响应越快；t₂越小，溢流阀的动态过渡过程时间越短。

5.溢流阀的应用

（1）调压溢流 在定量泵系统中，常用于溢流稳压（注：阀口通常是打开的）。如图5-17a所示，溢流阀并联于回路中，进入液压缸的流量由节流阀调节。由于定量泵的流量大于液压缸所需流量，油压升高，溢流阀打开，多余油经溢流阀流回油箱。因此，溢流阀的功用就是保持系统压力基本不变。

（2）安全保护 在变量泵系统中，常用于防止过载，故又称为安全阀。如图5-17b所示，在正常工作时，安全阀关闭，只有在系统发生故障，压力升至安全阀的调定值时，阀口才打开，使变量泵排出的油液流回油箱，以保证液压系统的安全。

（3）使泵卸荷 采用先导溢流阀调压的定量泵系统，当阀的外控口K与油箱连通时，其主阀芯在进油口压力很低时即可迅速抬起，使泵卸荷，以减少能量损失。如图5-17c所示，当电磁铁通电时，溢流阀外控口通油箱，因而能使泵卸荷。

（4）远程调压 如图5-17d，当先导溢流阀的外控口K（远程控制口）与调压较低的溢流阀连通时，其主阀芯上腔的油压只要达到低压阀的调整压力，主阀芯即可抬起溢流，其先导阀不再起调压作用，即实现远程控制作用。

（5）形成背压 将溢流阀装在回油路上，调节溢流阀的调压弹簧即能调节背压力的大小。如图5-17e所示。

图5-17 溢流阀功用

a）调压溢流 b）安全保护 c）使泵卸荷 d）远程调压 e）形成背压

5.3.2 减压阀

1.减压阀的功用

减压阀是使出口压力（二次压力）低于进口压力（一次压力）的一种压力控制阀。其作用使液压系统中某一回路的油液压力降低，使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。减压阀在各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用较多。此外，当油液压力不稳定时，在回路中串入一减压阀可得到一个稳定的较低的压力。根据减压阀所控制的压力不同，它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。

图5-18 直动式减压阀

a）结构图 b）职能图形符号

2.减压阀结构、工作原理

（1）定值输出减压阀

工作原理：图5-18所示为直动式减压阀的结构示意图和职能图形符号。P₁口是进油口，P₂口是出油口，阀不工作时，阀芯在弹簧作用下处于最下端位置，阀的进、出油口是相通的，亦即阀是常开的。若出口压力增大，使作用在阀芯下端的压力大于弹簧力，则阀芯上移，关小阀口，这时阀处于工作状态。若忽略其他阻力，仅考虑作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的条件，则可以认为出口压力基本上维持在某一定值（调定值）上。这时如出口压力减小，阀芯就下移，开大阀口，阀口处阻力减小，压降减小，使出口压力回升到调定值；反之，若出口压力增大，则阀芯上移，关小阀口，阀口处阻力加大，压降增大，使出口压力下降到调定值。

图5-19所示为先导式减压阀的结构示意图和职能图形符号。先导式减压阀工作原理与前述先导式溢流阀相似。将先导式减压阀和先导式溢流阀进行比较，它们之间有如下几点不同之处：

图5-19 先导式减压阀

a）结构图 b）职能图形符号

1）减压阀保持出口压力基本不变，而溢流阀保持进口压力基本不变。

2）在不工作时，减压阀进、出油口互通，而溢流阀进出油口不通。

3）为保证减压阀出口压力调定值恒定，它的导阀弹簧腔须通过泄油口单独外接油箱；而溢流阀的出油口是通油箱的，所以它的导阀的弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道与出油口相通，不必单独外接油箱。

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的。减压阀的p₂-q特性曲线如图5-20所示。

图5-20 减压阀的特性曲线

（2）定差减压阀

定差减压阀是使进、出油口之间的压力差不变或近似不变的减压阀，其工作原理如图5-21所示。高压油p₁经节流口x_R减压后以低压p₂流出，同时，低压油经阀芯中心孔将压力传至阀芯上腔，则其进、出油液压力在阀芯有效作用面积上的压力差与弹簧力相平衡。

（3）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5-22所示为其工作原理图，在阀芯处于稳态时忽略稳态液动力、阀芯的自重和摩擦力可得到力平衡方程为：

p₁A₁+k_s（x_c+x_R）=p₂A₂ （5-5）

式中 k_s———阀芯下端弹簧刚度；

x_c———阀口开度x_R=0时的弹簧的预压缩量。

若忽略弹簧力（刚度较小），则有（减压比）：

p₂/p₁=A₁/A₂ （5-6）

由式（5-6）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。

图5-21 定差减压阀结构示意图及职能图形符号

图5-22 定比减压阀

3.减压阀的应用

如图5-23所示，至主油路的压力由其负载通过溢流阀1调定。而系统中夹紧机构不需要与主油路一样高的压力，这时应用减压阀2调定夹紧机构所需要的压力值。

图5-23 减压回路

1—溢流阀 2—减压阀

5.3.3 顺序阀

1.顺序阀功用

顺序阀是用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序的。依控制压力的不同，顺序阀又可分为内控式和外控式两种。前者用阀的进口压力控制阀芯的启闭，后者用外来的控制压力油控制阀芯的启闭（即液控顺序阀）。顺序阀也有直动式和先导式两种，前者一般用于低压系统，后者用于中高压系统。

2.顺序阀的工作原理

图5-24所示为直动式顺序阀的工作原理图和职能图形符号。压力油从进油口P₁进入，经阀道上的孔道a和端盖阻尼孔流到控制活塞底部，当作用在控制活塞上的液压力能克服阀芯上的弹簧力时，阀芯上移，油液便从P₂流出。该阀称为内控式顺序阀，其职能图形符号如图5-24b所示。外控式顺序阀职能图形符号如图5-24c所示。

图5-24 直动式顺序阀

a）结构图 b）内控顺序阀图形符号 c）外控顺序阀图形符号 1—调整螺钉 2—调压弹簧 3—阀盖 4—阀体 5—阀芯 6—控制柱塞 7—底盖

由图可见，顺序阀和溢流阀的结构基本相似，不同的只是顺序阀的出油口通向系统的另一压力油路，而溢流阀的出油口通油箱。此外，由于顺序阀的进、出油口均为压力油，所以它的泄油口L必须单独外接油箱。

先导式顺序阀的工作原理与先导式溢流阀相似，如图5-14所示。这里比较溢流阀与顺序阀的不同之处：

1）溢流阀的进口压力在通流状态下基本不变。而顺序阀在通流状态下，其进口压力由出口压力而定，如果出口压力p₂比进口压力p₁低得多时，p₁基本不变，而当p₂增大到一定程度时，p₁也随之增加，则p₁=p₂+Δp，Δp为顺序阀上的损失压力。

2）溢流阀为内泄漏式，而顺序阀须单独引出泄漏通道，为外泄漏式。

3）溢流阀的出口必须回油箱，顺序阀出口可接负载。

3.顺序阀的应用

如图5-25所示，由顺序阀控制定位液压缸和夹紧液压缸动作的先后。顺序阀的调定压力由系统中夹紧力确定。当系统工作时，换向阀调控定位液压缸A使工件到位，当系统压力达到顺序阀的调定压力值时，顺序阀工作使夹紧液压缸B动作，将工件夹紧。加工完成后，换向阀换向使定位液压缸A、夹紧液压缸B返回。

5.3.4 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。压力继电器按结构特点大体分为柱塞式、膜片式、弹簧管式、波纹管式四种。

图5-26所示为一种应用较普遍的柱塞式压力继电器的结构示意图。如图5-26所示，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，压下微动开关触点，发出电信号。

图5-25 顺序阀在系统中的应用

图5-26 单触点柱塞式压力继电器

1—柱塞 2—顶杆 3—调节螺钉 4—微动开关

当压力达到压力继电器调压弹簧调整值时，推动柱塞1上移，此位移通过顶杆2放大后推动开关4动作。调整调节螺母位置（即改变弹簧压缩量）就可以调节压力继电器的动作压力。

由于柱塞式压力继电器采用比较成熟的弹性元件弹簧，所以工作可靠、寿命长、成本低。因为它的容积变化较大，所以不易受压力波动的影响。其缺点是液体作用力直接作用并与弹簧力平衡，因而弹簧较粗，力量较大，重复精度和灵敏度较低，误差为1.5﹪～2.5﹪，因此开启压力与闭合压力的差值较大。

如图5-27所示，节流阀3控制进油节流调节液压缸5向右运动速度。液压缸活塞杆牵引或推动物体到达位置，活塞左腔压力升高达到压力继电器4的调定值，压力继电器断开电磁铁1Y、接通2Y电流，使液压缸快速返回。

图5-27 压力继电器在液压系统的应用

1—二位四通电磁换向阀 2—二位二通电磁换向阀 3—节流阀 4—压力继电器 5—双作用液压缸