5.4 流量控制阀

液压系统中执行元件运动速度的大小，由输入执行元件的油液流量的大小来确定。流量控制阀就是依靠改变阀口通流面积（节流口局部阻力）的大小或通流通道的长短来控制流量的液压阀类。常用的流量控制阀有普通节流阀、压力补偿和温度补偿调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。

5.4.1 节流口的流量特性

流量控制原理及节流口形式节流阀节流口通常有三种基本形式：薄壁小孔、细长小孔和厚壁小孔，但无论节流口采

用何种形式，通过节流口的流量q及其前后压力差Δp的关系均可用式q=KAΔp^m来表示。

式中 K———由孔口形状尺寸及液体性质决定的系数；

A———孔口通流截面面积；

m———对于薄壁小孔m=0.5，细长小孔m=1，厚壁小孔0.5<m<1。

三种节流口的流量特性曲线如图5-28所示，由图可知：

图5-28 节流阀流量特性曲线

1）压差对流量的影响节流阀两端压差Δp变化时，通过它的流量会发生变化，三种结构形式的节流口中，通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。

2）温度对流量的影响油温会影响到油液黏度，对于细长小孔，油温变化时，流量也会改变，对于薄壁小孔，黏度对流量几乎没有影响，故油温变化时，流量基本不变。

3）节流口的堵塞节流阀的节流口可能因油液中的杂质或由于油液氧化后析出的胶质、沥青等发生局部堵塞，这就改变了原来节流口通流面积的大小，使流量发生变化，尤其是当开口较小时，这一影响更为突出，严重时会完全堵塞节流口而出现断流现象。因此节流口的抗堵塞性能也是影响流量稳定性的重要因素，尤其会影响流量控制阀的最小稳定流量。一般节流口通流面积越大，节流通道越短和水力直径越大，越不容易堵塞，当然油液的清洁度也会对堵塞产生影响。一般流量控制阀的最小稳定流量为0.05L/min。

综上所述，为保证流量稳定，节流口的形式以薄壁小孔式较为理想。图5-29所示为几种常用的节流口形式。图5-29a所示为针阀式节流口，它通道长，湿周大，易堵塞，流量受油温影响较大，一般用于对性能要求不高的场合；图5-29b所示为偏心槽式节流口，其性能与针阀式节流口相同，但容易制造，其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时较费力，一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合；图5-29c所示为轴向三角槽式节流口，其结构简单，水力直径中等，可得到较小的稳定流量，且调节范围较大，但节流通道有一定的长度，油温变化对流量有一定的影响，目前被广泛应用；图5-29d所示为周向缝隙式节流口，沿阀芯周向开有一条宽度不等的狭槽，转动阀芯就可改变开口大小，阀口做成薄刃形，通道短，水力直径大，不易堵塞，油温变化对流量影响小，因此其性能接近于薄壁小孔式，适用于低压小流量场合；图5-29e所示为轴向缝隙式节流口，在阀孔的衬套上加工出图示薄壁阀口，阀芯做轴向移动即可改变开口大小，其性能与图5-29d所示节流口相似。为保证流量稳定，节流口的形式以薄壁小孔式较为理想。

图5-29 典型节流口的结构形式

a）针阀式 b）偏心槽式 c）轴向三角槽式 d）周向缝隙式 e）轴向缝隙式

在液压传动系统中节流元件与溢流阀并联于液压泵的出口，构成恒压油源，使泵出口的压力恒定，如图5-30a所示。此时节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻，液压泵输出流量q_p不变，流经节流阀进入液压缸的流量q₁和流经溢流阀的流量Δq的大小由节流阀和溢流阀液阻的相对大小来决定。若节流阀的液阻大于溢流阀的液阻，则q₁<Δq；反之则q₁>Δq。节流阀是一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过调节节流阀的液阻，来改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度；但若在回路中仅有节流阀而没有与之并联的溢流阀，如图5-30b所示，则节流阀就起不到调节流量的作用，液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。改变节流阀节流口的大小，只是改变液流流经节流阀的压力降。节流口小，流速快；节流口大，流速慢，而总的流量是不变的，因此液压缸的运动速度不变。所以，节流元件用来调节流量是有条件的，即要求有一个接受节流元件压力信号的环节（与之并联的溢流阀或恒压变量泵）。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。液压传动系统对流量控制阀的主要要求有：

图5-30 节流元件的作用

a）节流元件和溢流阀并联 b）仅有节流阀而无与之并联的溢流阀

1）较大的流量调节范围，且流量调节要均匀。

2）当阀前、后压力差发生变化时，通过阀的流量变化要小，以保证负载运动的稳定。

3）油温变化对通过阀的流量影响要小。

4）液流通过全开阀时的压力损失要小。

5）当阀口关闭时，阀的泄漏量要小。

5.4.2 普通节流阀

节流阀是最简易的流量阀，此阀无压力和温度补偿装置，不能自动补偿因负载及油黏度变化而造成的速度波动，但结构简单，制造维护方便，广泛应用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。

对节流阀的性能要求是：

1）阀口前后压差变化对流量的影响小。

2）油温变化对流量的影响小。

3）抗阻塞特性较好，即可获得较低的最小稳定流量。

4）通过节流阀的泄漏小。

图5-31所示为节流阀的结构原理和职能图形符号。图5-32所示为单向节流阀的结构原理和图形符号图。

节流阀用于定量泵系统时，一般都与溢流阀配合使用，可组成三种调速回路：进油路节流调速回路、回油路节流调速回路和旁油路节流调速回路。

图5-31 普通节流阀及其职能图形符号

图5-32 单向节流阀

a）结构图 b）职能图形符号

节流阀的刚性：同一节流阀在不同开口时，其流量稳定性是不一样的。节流阀的刚性表示它抵抗负载变化的干扰（即当节流阀开口量不变时，由于阀前后压力差Δp的变化，引起通过节流阀的流量发生变化的情况），保持流量稳定的能力。如图5-33所示，对于不同的开口面积（A₁、A₂、A₃、A₄），当外负载发生变化引起压力差变化时所导致的流量变化是不一样的。节流阀的刚性即是描述这种变化的。当开口一定、阀前后压力差Δp变化时，流量变化越小，节流阀的刚性越大，反之，其刚性则小，若以T表示节流阀的刚性，则有

T=dΔp/dq （5-7）

由式q=KAΔp^m，可得

T=Δp¹。m/（KAm） （5-8）

从节流阀特性曲线图5-33可以发现，节流阀的刚性T相当于流量曲线上某点的切线和水平线夹角β的余切，即

T=cotβ （5-9）由图5-33和式5-8可以得出如下结论：

1）同一节流阀，阀前后压力差Δp相同，节流开口小时，刚性大。

2）同一节流阀，在节流开口一定时，阀前后压力差Δp越小，刚性越低。为了保证节流阀具有足够的刚性，节流阀只能在某一最低压力差Δp的条件下，才能正常工作，但提高Δp将会引起压力损失的增加。

3）取小的指数m可以提高节流阀的刚性，因此在实际使用中多希望采用薄壁小孔式节流口，即m=0.5的节流口。

图5-33 不同开口时节流阀的流量特性曲线

5.4.3 调速阀

普通节流阀由于刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载（亦即其出口压力）变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合。由于工作负载的变化很难避免，为了改善调速系统的性能，通常对节流阀进行补偿，即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。由q=KAΔp^m可知，当Δp基本不变时，通过节流阀的流量只由其开口量大小来决定。使Δp基本保持不变的方式有两种：一种是将定压差式减压阀与节流阀并联起来构成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来构成溢流节流阀。这两种阀是利用流量的变化所引起的油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作来自动调节节流部分的压力差，使其保持不变。

调速阀是在节流阀2前面串接一个定差减压阀1组合而成的。图5-34为其工作原理图。液压泵的出口（即调速阀的进口）压力p₁由溢流阀调整基本不变，而调速阀的出口压力p₃则由液压缸负载F决定。油液先经减压阀产生一次压力降，将压力降到p₂，p₂经通道e、f作用到减压阀的d腔和c腔；节流阀的出口压力p₃又经反馈通道a作用到减压阀的上腔b，当减压阀的阀芯在弹簧力F_s、油液压力p₂和p₃作用下处于某一平衡位置时（忽略摩擦力和液动力等），有：

p₂A₁+p₂A₂=p₃A+F_s （5-10）

式中，A、A₁和A₂分别为b腔、c腔和d腔内压力油作用于阀芯的有效面积，且A=A₁+A₂。

所以

p₂。p₃=Δp=F_s/A （5-11）

图5-34 调速阀

a）工作原理图 b）职能图形符号 c）特性曲线 1—减压阀 2—节流阀

因为弹簧刚性较低，且工作过程中减压阀阀芯位移很小，可以认为F_s基本保持不变。故节流阀两端压力差p₂。p₃也基本保持不变，这就保证了通过节流阀的流量稳定。

本章小结

液压阀是液压系统中控制液流流动方向、压力高低、流量大小的控制元件。按用途可分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。本章要求学习者掌握这三类阀的工作原理和应用。对液压阀的要求是：①工作可靠，动作灵敏，冲击振动小；②压力损失小；③结构紧凑，安装调整维护使用方便，通用性好。

液压阀的基本工作原理，就是利用阀芯相对阀体的移动控制通断或开口度的大小，实现对液流方向、压力、流量的控制。液压阀工作时，所有阀通过的流量与阀的进出口压力差及开口度大小之间的关系都符合孔口压力流量特性公式。

思考题和习题

5-1 单向阀分类及工作原理。

5-2 换向阀分类及工作原理。

5-3 什么是换向阀的常态位？

5-4 图5-35所示液压缸，A₁=30cm²，A₂=12cm²，F=30×10³N，液控单向阀用于闭锁以防止液压缸下滑，若摩擦力、弹簧力均忽略不计，试计算需要多大的控制压力才能开启液控单向阀？开启前液压缸中最高压力为多少？

5-5 图5-36所示为压力阀的调压回路，结合题图分析要得到三级调压，各元件的动作和须满足的条件。

图5-35 题5-4图

图5-36 题5-5图

5-6 图5-37所示回路中，液压缸无杆腔面积A=50cm²，负载F_L=10000N，各阀的调定压力如图所示，试分析确定在活塞运动时和活塞运动到终端停止时A、B两处的压力。

图5-37 题5-6图

5-7 溢流阀和减压阀有何区别？