07流量控制阀

1第七章流量控制阀FLOWCONTROLVALVE2本章提要•节流口的流量特性；•流量负反馈；•节流阀、调速阀、分流阀等三种流量控制阀的原理、结构、主要性能和应用；•其它液压阀，如插装阀、电液比例阀、电液伺服阀的工作原理及应用。本章主要内容为：本章重点是节流口的流量特性、流量负反馈、调速阀的工作原理和性能。学习时应从液压桥路和流量负反馈等基本概念着手理解这些阀的工作原理。3流量控制阀简称流量阀。它通过改变节流口通流面积或通流通道的长短来改变局部阻力的大小，从而实现对流量的控制，进而改变执行机构的运动速度。流量控制阀包括节流阀（ThrottleValve）、调速阀（SpeedRegulatingValve）、分流集流阀（FlowDivider）等。本章除讨论普通的流量阀之外，还要简要介绍插装阀(CartridgeValve)、比例阀(ProportionalValve)、伺服阀（ServoValve）。4对流量控制阀的主要性能要求是：l）阀的压力差变化时，通过阀的流量变化小。2）油温变化时，流量变化小。3）流量调节范围大，在小流量时不易堵塞，能得到很小的稳定流量。4）当阀全开时，通过阀的压力损失要小。5）阀的泄漏量要小。对于高压阀来说，还希望其调节力矩要小。5本章教学内容7.1节流口的流量特性7.2流量负反馈7.3节流阀7.4调速阀7.5分流阀7.6插装阀比例阀伺服阀本章小结习题点击进入相应章节引用本教案内容，请注明出处返回本页点击此67.1节流口的流量特性TheFlowCharacteristicsoftheOrifice7对于节流孔口(Orifice)来说，可将流量公式写成下列形式:（7.1）mpAKQ7.1节流口的流量特性7.1.1节流口流量公式TheFlowFormulaoftheOrificeQΔp图7.1节流口的流量-压力特性细长孔m=1簿壁口m=0.5式中:A阀口通流面积；p阀口前、后压差；m由节流口形状和结构决定的指数，0.5＜m＜l。K节流系数；8)(221ppACQd令，m=0.5流过薄壁小孔(thin-walledorifice)的流量公式由式（7.1）变为:/2dCK式中:Cd—流量系数；ρ—油液密度。在流体力学中，节流口有两大类。一类是细长孔，m=1。在液压工程中，往往把这类节流口当作固定(不可调)节流器使用。另一类是薄壁节流口，m=0.5。用紊流计算这一类节流口的流量。常常把它们作为节流阀阀口使用。QΔp图7.1节流口的流量-压力特性细长孔m=1簿壁口m=0.59上式也可写成mdpACQ)2(在上式中若m为常数，且也是常数，调节A，则可调节通过节流阀的流量Q。mp)/2(需要说明的是流量系数Cd并不是常数，节流口的结构、形状、压力差、油温都对Cd有影响。精确的Cd值需靠试验确定。一般Cd=0.6~0.8。m值也受多种因素影响，一般m=0.5~1。一般薄壁节流口的m为0.5左右。尽管式（7.1）包含着一些非确定因素，但它毕竟给我们提供了一个对流量进行概略计算的简明表达式。10液压系统在工作时，希望节流口大小调节好后，流量Q稳定不变。但实际上流量总会有变化，特别是小流量时，影响流量稳定性与节流口形状、节流压差以及油液温度等因素有关。7.1.2影响流量稳定性的因素FactorstotheFlowStability（1）压差(DifferentialPressure)变化对流量稳定性的影响当节流口前后压差变化时，通过节流口的流量将随之改变，节流口的这种特性可用流量刚度T来表征。QpmpQT1)/(1(7.2)11tgQppQT11m=0.5QΔp细长孔m=1123Δp1Δp2123簿壁口刚度的物理意义如下：当△p有某一增量时，Q值相应的也有某一增量，Q的增量值越大，说明流量的变化也就越大，从式(7.2)看，刚度就越小。反之，则刚度大。7.1.2影响流量稳定性的因素12由式（7.2）可知：流量刚度与节流口压差成正比，压差越大，刚度越大；压差一定时，刚度与流量成反比，流量越小，刚度越大；系数m越小，刚度越大。薄壁孔(m＝0.5)比细长孔(m＝1)的流量稳定性受ΔP变化的影响要小。因此，为了获得较小的系数m，应尽量避免采用细长孔节流口，应使节流口形式接近于薄壁孔口，以获得较好的流量稳定性。7.1.2影响流量稳定性的因素13（2）油温(OilTemperature)变化对流量稳定性的影响油温升高，油液粘度降低。对于细长孔，当油温升高使油的粘度降低时，流量Q就会增加。所以节流通道长时温度对流量的稳定性影响大。对于薄壁孔，油的温度对流量的影响是较小的，这是由于流体流过薄刃式节流口时为紊流状态，其流量与雷诺数无关，即不受油液粘度变化的影响；节流口形式越接近于薄壁孔，流量稳定性就越好。7.1.2影响流量稳定性的因素14节流阀的阻塞现象一般节流阀，只要保持油足够清洁，不会出现阻塞。有的系统要求缸的运动速度极慢，节流阀的开口只能很小，于是导致阻塞现象的出现。此时，通过节流阀的流量时大时小，甚至断流。（3）阻塞(Backup)对流量稳定性的影响流量小时，流量稳定性与油液的性质和节流口的结构都有关。7.1.2影响流量稳定性的因素15产生堵塞的主要原因是：①油液中的杂质或因氧化析出的胶质等污物堆积在节流缝隙处；②由于油液老化或受到挤压后产生带电的极化分子，被吸附到缝隙表面，形成牢固的边界吸附层，因而影响了节流缝隙的大小。以上堆积、吸附物增长到一定厚度时，会被液流冲刷掉，随后又重新附在阀口上。这样周而复始，就形成流量的脉动;③阀口压差较大时容易产生堵塞现象。7.1.2影响流量稳定性的因素16适当选择节流口前后的压差，用多个节流口串联。一般取p＝0.2～0.3MPa。精密过滤并定期更换油液。在节流阀前设置单独的精滤装置，为了除去铁屑和磨料，可采用磁性过滤器(MagneticFilter)。节流口零件的材料应尽量选用电位差较小的金属，以减小吸附层的厚度。采用大水力半径的薄刃式节流口。一般通流面积越大、节流通道越短、以及水力半径(HydraulicRadius)越大时，节流口越不易堵塞。7.1.2影响流量稳定性的因素减轻堵塞现象的措施有：177.1.3节流口的形式与特征StructuresanditsCharacteristicsoftheOrifice(1)直角凸肩节流口Square-edgedOrificeh≤B；B—阀体沉割槽的宽度。直角凸肩节流口DBh特点：过流面积和开口量呈线性结构关系，结构简单，工艺性好。但流量的调节范围较小，小流量时流量不稳定，一般节流阀较少使用。节流口是流量阀的关键部位，节流口形式及其特性在很大程度上决定着流量控制阀的性能。18(2)针阀式(锥形凸肩)节流口NeedleValveOrifice图7.2(a)针阀（锥形）节流口Dh(a)θ特点：结构简单，可当截止阀用。调节范围较大。由于过流断面仍是同心环状间隙，水力半径较小，小流量时易堵塞，温度对流量的影响较大。一般用于要求较低的场合。7.1.3节流口的形式与特征19(3)偏心槽式节流口Off-centralGrooveOrifice节流口由偏心的三角沟槽组成。阀芯有转角时，节流口过流断面面积即产生变化。本结构的特点是，小流量调节容易。但制造略显得麻烦、阀芯所受的径向力不平衡，只宜用在低压场合。7.1.3节流口的形式与特征20(4)轴向三角槽式节流口AxialTriangleGrooveOrifice沿阀芯的轴向开若干个三角槽。阀芯做轴向运动，即可改变开口量h，从而改变过流断面面积。特点：结构简单，水力半径大，调节范围较大。小流量时稳定性好，最低对流量的稳定流量为50ml/min。因小流量稳定性好，是目前应用最广的一种节流口。7.1.3节流口的形式与特征21图7.2(d)周向缝隙式节流口(5)周向缝隙式节流口RadialApertureOrifice阀芯上开有狭缝，旋转阀芯可以改变缝隙的通流面积大小。这种节流口可以作成薄刃结构，从而获得较小的稳定流量，但是阀芯受径向不平衡力，只适于低压节流阀中。7.1.3节流口的形式与特征22特点：薄壁节流口，壁厚约0.07~0.09mm，流量受温度的影响小、不易堵塞、最低稳定流量约20ml/min。阀芯的轴向位移可改变节流口过流断面的面积。节流口易变形，工艺复杂是本结构的缺点。(6)轴向缝隙式节流口AxialApertureOrifice图7.2(e)轴向缝隙式节流口7.1.3节流口的形式与特征237.2流量负反馈FlowNegativeFeedback247.2流量负反馈负载变化引起的流量波动可以通过流量负反馈来加以控制。与压力负反馈一样，流量负反馈控制的核心是要构造一个流量比较器（FlowComparator）和流量测量传感器(FlowSensor)。流量阀的流量测量方法主要有“压差法”和“位移法”两种。25(1)流量测量原理7.2.1流量的“压差法”(DifferentialPressureMethod)测量qpQqp液阻RQ和压差测量缸A一起构成“压差法”流量传感器。再设置一个作为流量二次传感的测压油缸A，将一次传感器输出的压差pQ引入该测压油缸A的两腔，即可将流量转化成与之相关的活塞推力FQ，FQ即为反馈信号(FeedbackSignal)。在主油路中串联一个节流面积A0已调定的液阻RQ作为流量一次传感器，其压力差Δpq代表流量QL流量调节阀口Rx流量传感器RQ26流量传感器RQ流量调节阀口RxqpQqp恒定所以固定节流孔液阻恒定弹簧力QpQApqq,与压力负反馈相类似，可用弹簧预压力F指作为指令信号，并与流量传感器的反馈力FQ共同作用在力比较器上，构成“流量-压差-力负反馈”，利用比较信号驱动流量调节器阀芯（液阻Rx），最终达到流量自动稳定控制之目的。代表流量大小的压差力DifferentialPressureForce指令力SpringForce27qpqp流量传感器RQ流量调节阀口Rx流量大小（压差力）指令力Q28qp流量传感器RQ流量调节阀口Rx代表流量大小的压差力指令力(2)串联减压式流量负反馈控制所谓“压力源串联减压式调节”是指系统采用压力源供油，流量调节阀口Rx与负载Z相串联，此时阀口Rx称为减压阀口。恒定所以固定节流孔液阻恒定弹簧力QpQApqq29当负载流量QL变化时，流量传感器RQ上的压力差pQ也会发生变化，以此为控制依据，调节减压阀口Rx开口度，使流量朝着误差减小的方向变化，从而维持负载流量QL基本恒定。据此原理设计而成的流量阀称为“调速阀”(FlowControlValve)。30恒定所以固定节流孔液阻恒定弹簧力QpQApqq,qp流量传感器RQ流量调节阀口Rx代表流量大小的压差力指令力(2)串联减压式流量负反馈控制In-seriesReducingFlowNegativeFeedbackControl31恒定所以固定节流孔液阻恒定弹簧力QpQApqqqp流量传感器RQ(3)并联溢流式流量负反馈控制ParallelConnectionReliefFlowNegativeFeedbackControl指令力代表流量大小的压差力流量调节阀口Rx“流量源并联溢流式调节”则是指系统用流量源供油，流量调节阀口Rx与负载Z相并联。32此时阀口Rx称为溢流阀口。当流量QL变化时，流量传感器RQ上的压力差pQ也会发生变化，以此作为控制信号，调节溢流阀口Rx的开口度，使流量朝着误差减小的方向变化，从而维持负载负载流量QL基本恒定。据此原理设计而成的流量阀称为“溢流节流阀”。(3)并联溢流式流量负反馈控制33图7.3(4)串联与并联式对比In-seriesandParallelContrast34与“压差法”相反，本方法是在主油路中串联一个压差pQ基本恒定，但节流面积A0可变