第3章工程机械用液压阀 3.1概述 3.1.1液压阀的定义 完整的液压系统由以下四个部分组成： 动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件，其中的液压控制元件即液压控制阀(简称液压阀)，它控制液压系统中油液的流动方向、调节系统的压力和流量。将不同的液压阀进行适当的组合，可以达到控制液压系统执行元件(液压缸与液压马达)的输出力和扭矩、速度与运动方向等目的。液压阀性能的优劣、工作是否可靠以及能否正确选用，将对整个液压系统能否正常工作产生直接影响。因此，液压阀是影响整个液压系统性能、可靠性和经济性的重要元件。 在液压系统中，控制液流的压力、流量和流动方向的基本模式有两种： 容积式控制(俗称泵控，具有效率高但动作较慢的特点)和节流式控制(俗称阀控，具有动作快和效率较低的特点)。 3.1.2液压阀的分类、特点和选型 液压阀可按不同的特征进行分类。按照在系统中的功能不同，可分为方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀等，见表31。 表31按照阀在系统中的功能分类 阀 的 类 型具 体 种 类说明 压力控制阀溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀、电液比例溢流阀、电液比例减压阀压力控制阀是利用作用于阀芯上的液压力与弹簧力相平衡的原理进行工作的，它是控制和调节液压系统油液压力或利用油液压力作为控制信号控制其他元件动作的阀类 流量控制阀节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、电液比例节流阀、电液比例流量阀流量控制阀是液压系统中控制液流流量的元件，它依靠改变阀通流面积的大小或通流通道的长短来改变液阻(压力降、压力损失)，从而控制通过阀的流量，达到调节执行元件的运行速度的目的 方向控制阀单向阀、液控单向阀、换向阀方向控制阀是液压系统中占数量比重较大的控制元件，它利用阀芯与阀体间相对位置的改变来实现油路的接通或断开，以满足系统对油流方向的要求 复合控制阀电液比例压力流量复合阀三类阀可根据需要互相组合成为组合阀，以减少管路连接，使其结构更为紧凑、连接简单并提高效率。最常用的是由单向阀和其他阀类组成的组合阀，如单向减压阀、单向顺序阀和单向节流阀等 工程机械专用阀多路阀、稳流阀— 液压阀按输入方式可分为手动控制阀、机械控制阀、液压控制阀、电动控制阀和电液控制阀，一般液压阀以某种输入方式为主，有时兼备一至两种其他输入方式，见表32。 表32按照阀的输入方式分类 阀的类型说明 手动控制阀手把及手轮、踏板、杠杆 机械控制阀挡块及碰块、弹簧 液压控制阀利用液体压力所产生的力进行控制 电液控制阀采用电动控制(普通电磁铁)和液压控制的组合控制方式 电动控制阀用普通电磁铁、比例电磁铁、力马达、力矩马达、步进电动机等控制 液压阀按结构形式可分为滑阀类，锥阀、球阀类，喷嘴挡板阀类，见表33。 表33按照阀的结构形式分类 组织形式说明 滑阀类这类阀的阀芯为圆柱形，通过阀芯在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量以及方向的控制 锥阀、球阀类阀芯为圆锥形或球形，利用锥形阀芯或圆球的位移来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量以及方向的控制 喷嘴挡板阀类用喷嘴与挡板之间的相对位移来改变液流通路开口的大小，以实现控制，常作为伺服阀、比例阀的先导级 对任何液压系统而言，正确选用液压阀，是使液压系统设计合理、性能优良、安装简便、维护容易，同时保证系统正常工作的重要条件。 选择LHDV 33系列平衡阀时，首先要根据系统的功能要求，确定液压阀的类型。应尽量选择标准系列的通用产品。根据实际安装情况，选择不同的连接方式，如管式或板式连接等。然后根据系统设计的最高工作压力选择液压阀的额定压力，根据通过液压阀的最大流量选择液压阀的流量规格。如溢流阀应按液压泵的最大流量选取； 流量阀应按回路控制的流量范围选取，其最小稳定流量应小于调速范围所要求的最小稳定流量。 下面从几个主要方面介绍选择LHDV 33系列平衡阀时应遵循的原则及参数计算方法。 1) 液压阀安装方式的选择 液压阀的安装方式对液压装置的结构形式有决定性的影响，因此要根据具体情况来选择合适的安装方式。一般来说，在选择液压阀安装方式的时候，应根据所选择的液压阀的规格大小、系统的复杂程度及布置特点来定。前面所介绍的几种安装方式各有特点。螺纹连接型适合系统较简单、元件数目较少、安装位置比较宽敞的场合。板式连接型适合系统较复杂、元件数目较多、安装位置比较紧凑的场合。连接板内可以钻孔以沟通油路，将多个液压元件安装在这个连接板上，可以减少液压阀之间的连接管道，减少泄漏点，使得安装、维护更方便。法兰连接型一般用于大口径的阀。 2) 液压阀额定压力的选择 液压阀的额定压力是液压阀的基本性能参数，标志着液压阀承压能力的大小，是指液压阀在额定工作状态下的名义压力。液压阀额定压力的选择，应根据液压系统设计的工作压力选择相应压力级的液压阀。一般来说，应使液压阀上标明的额定压力值适当大于系统的工作压力。 3) 液压阀流量规格的选择 液压阀的额定流量是指液压阀在额定工况下通过的名义流量。液压阀的实际工作流量与系统中油路的连接方式有关： 串联回路各处流量相等，并联回路的流量则等于各油路流量之和。选择液压阀的流量规格时，若使阀的额定流量与系统的工作流量相接近，显然是最经济的。若选择阀的额定流量比工作流量小，则容易引起液压卡紧和液动力，并可能对阀的工作品质产生不良影响。另外，也不能单纯地根据液压泵的额定输出流量来选择阀的流量，因为对一个液压系统而言，其每个回路通过的流量不可能都相同。因此在选用时，应考虑液压阀所在回路可能通过的最大流量。例如，一回路中若采用了差动液压缸，在液压缸换向动作时，无杆腔排出的流量比有杆腔排出的流量大许多，甚至可能超过液压泵输出的最大流量，在选择换向阀时，就应考虑到这一点，做到合理匹配。又如，一些流量通过比较大的回路，若选择与该流量相当规格的换向阀，则在进行换向动作时可能产生较大的液压冲击。为了改善工作性能，可选用大一挡规格的换向阀。 4) 液压阀控制方式的选择 液压阀的控制方式有多种，一般根据系统的操纵需要与电气系统的配置能力进行选择。对于自动化程度要求较低、小型或不常调节的液压系统，则可选用手动控制方式； 而对于自动化程度要求较高或控制性能有要求的液压系统，则可选择电动、液动等方式。 5) 经济方面的选择 选择液压阀时，应在满足工作要求的前提下，尽可能选用造价和成本较低的液压阀，以提高主机的经济指标。比如，对于速度稳定性要求不高的系统，则应选择节流阀而不选用调速阀。另外，在选择液压阀时，也不要一味选择价格比较便宜的阀，要考虑其工作的可靠性与工作寿命，即考虑综合成本。同时也要考虑其维护的方便性与快速性，以免影响生产。 3.1.3液压阀的发展趋势 工业液压的发展要求液压系统的模块化、集成化布置，应运而生，出现了板式以及叠加式液压元件，从而使液压技术的发展进入了一个新的阶段。它使液压系统结构紧凑，减少阀间的管道连接，便于安装、使用和维修。但是，用这些常用的液压机液压阀构成的集成系统仅对小流量的液压系统能收到较为良好的效果，对中、大流量系统，还只能采用管道进行阀间连接，组成系统。 液压阀目前的发展动态大致有如下几个方面： （1） 节能性： 开发高效率的液压阀，如低功率电磁换向阀。 （2） 控制性： 计算机的普遍使用和各种传感器的开发以及控制理论的发展，为液压阀改善性能、提高控制性创造了条件。提高电液伺服阀的性能(如流量控制性、频率特性)以扩大应用范围，开发高性能电液比例阀(为克服死区、提高响应性、静特性与重复性)及数字控制阀等以满足微机控制系统和数字控制系统的需要，正成为研发人员的主攻方向。 （3） 可靠性： 液压阀向高压、高速化方向发展，必然要求提高可靠性和寿命。为此发展了有关液压阀特性的基础性研究。例如，固定节流孔与可变节流孔动特性的研究、作用在滑阀上的瞬态液动力的实验研究、超高速电液伺服阀中瞬态液动力的计算、作用在内流式锥阀上的液动力的实验研究、液压阀气穴的研究等。 （4） 智能化： 为实现远距离控制或遥控，液压阀越来越多地使用电气控制，即通过电信号来使液压阀实现自动控制。目前有一种智能型组合阀（也叫可编程电液控制阀），将电子技术、计算机控制技术和通用液压阀进行融合构成可编程电液控制阀，通过控制几个通用电液阀的控制逻辑和各个阀之间的协调逻辑来实现相当于普通电液控制阀的功能。 （5） 绿色化： 随着人们环保意识的不断提高以及可持续发展理念的提出，未来液压技术的介质、材料、工艺、产品将要符合生态与环保的要求，符合可再生、可持续发展的要求，液压阀势必满足“绿色设计、绿色工艺、绿色产品”的概念，从产品结构、产品材料、产品工艺到产品运行过程，应均符合生态环保要求。 3.2平衡阀 液压平衡阀是工程机械液压系统的重要元件之一，是使用较多的一种控制阀，它对改善工程机械使用性能起着不可忽视的作用，同时对工程机械整机性能(工作平稳性、可靠性和系统效率)也有着重要的影响。例如，液压起重机的起升机构、变幅机构及伸缩机构在带载下降时，若无平衡阀，机构就会在负载的作用下产生超速下降、无法控制、出现危险现象等。同样，在全液压行走系统中(开式系统)，在下坡中也会产生超速下滑的危险。为了避免事故的发生，实现带载下降的能控、微动、平衡及安全，就需要在下降的回路中安装一个既能限制负载下降速度，又可实现微调及任意可控在空间某一高度上停止而没有一丝下移(或下滑)的多功能控制阀。具有上述功能的阀就称为平衡阀。 平衡阀主要用于油马达起升液压回路，主要功能与特点如下： （1） 属先导减压型，不仅能自动感应负力矩大小，还能感应输入流量大小，确保在大范围内控制负力矩下放速度，有效防止速度失控，防止油泵、油马达和系统吸空，使吊重货物平稳下放。 （2） 单向阀和平衡阀芯为锥面线密封，先导减压为小钢球密封，能更有效地起中位液压锁的作用。 （3） 可起软管破损失压时自动切断油路，防止外负荷自行下落的自动保护作用。 平衡阀主要用于使用双作用执行元件(液压缸、液压马达)的起降、摆动、旋转或类似的机构。 平衡阀根据控制形式可以分为单向平衡阀和双向平衡阀，单向平衡阀主要用于执行元件单方向有可能产生反向负载工况的场合； 双向平衡阀主要用于执行元件两个方向都有可能产生反向负载工况的场合。根据安装形式可分为板式安装、通芯螺栓式安装和管式安装。 3.2.1FD系列平衡阀 1. FD系列平衡阀的基本原理和结构 FD系列平衡阀的结构如图31所示。 2. FD系列平衡阀的形式及标记方法 FD系列平衡阀的形式及标记方法如图32所示。 图31FD系列平衡阀结构示意图 1—壳体； 2—腔体； 3—连接负载侧； 4—先导阀芯； 5—阻尼阀芯； 6—先导阻尼； 7—腔体； 8—主阀芯； 9—先导部件 图32FD系列平衡阀的形式及标记方法 3. FD系列平衡阀的外形尺寸及技术参数 FD系列平衡阀倒插阀的单元尺寸如图33所示， KA 2X型管螺纹的技术参数见表34。 FD系列平衡阀用于不带二次溢流阀的SAE法兰连接的单元尺寸如图34所示，FA 2X型管螺纹的技术参数见表35。 图33FD系列平衡阀倒插阀的单元尺寸示意图 1—控制油口； 2—铭牌 表34FD系列平衡阀KA 2X型管螺纹技术参数mm 类型B1B2D1D2D3D4D5D6D7D8D9T1L1L2L3L4L5L6 FD 12 KA 2X/...48705446M42×238344638.616M101639163215.550.560 FD 16 KA 2X/...48705446M42×238344638.616M101639163215.550.660 FD 25 KA 2X/...56806054M52×248406048.625M1219501939226580 FD 32 KA 2X/...66957265M64×258527458.630M1623521940257185 类型L7L8L9L10L11L12阀固定螺钉/紧固扭矩MT/（N·m）质量/kg FD 12 KA 2X/...3781282.3191654个M10×70 DIN 91210.9692.8 FD 16 KA 2X/...3781282.3191654个M10×70 DIN 91210.9692.8 FD 25 KA 2X/...41051822.3253754个M12×80 DIN 91210.91205.6 FD 32 KA 2X/...41051982.3289944个M16×100 DIN 91210.92957.5 注： 符合ISO 228/1标准的管螺纹“G”。 图34FD系列平衡阀用于不带二次溢流阀的SAE法兰连接的单元尺寸示意图 1—控制油口； 2—测量油口； 3—法兰固定螺钉； 4—盲法兰； 5—可选油口B； 6—铭牌； 7—O形环 表35FD系列平衡阀FA 2X型管螺纹技术参数mm 类型B1B2B3B4D1D2D3D4D5H1H2 FD 12 FA 2X/...50.816.572110431810.518M103672 FD 16 FA 2X/...50.816.572110431810.518M103672 FD 25 FA 2X/...57.214.590132502513.525M124590 FD 32 FA 2X/...66.72010515456301530M1450105 类型L1L2L3L4L5L6T1T2质量/kgO形环（7） FD 12 FA 2X/...3923.810565140780.115725×3.5 FD 16 FA 2X/...3923.810565140780.115725×3.5 FD 25 FA 2X/...5027.8148752001050.1181632.92×3.53 FD 32 FA 2X/...5231.6155942151150.1212137.7×3.53 注： 符合ISO 228/1标准的管螺纹“G”。 FD系列平衡阀用于带二次溢流阀的SAE法兰连接的单元尺寸如图35所示，FB 2X型管螺纹技术参数见表36。 FD系列平衡阀用于底板安装两单元尺寸如图36所示，PA 2X型管螺纹技术参数见表37。 图35FD系列平衡阀用于带二次溢流阀的SAE法兰连接的单元尺寸示意图 1—测量油口； 2—次级溢流阀； 3—控制油口； 4—O形环； 5—可选油口B； 6—法兰固定螺钉； 7—盲法兰； 8—铭牌 表36FD系列平衡阀FB 2X型管螺纹技术参数mm 类型B1B2B3B4B5D1D2D3D4D5D6D7H1H2 FD 12 FB 2X/...50.84716.572110431834G1/210.518M103672 FD 16 FB 2X/...50.84716.572110431834G1/210.518M103672 FD 25 FB 2X/...57.28014.590132502542G3/413.525M124590 FD 32 FB 2X/...66.78020105154563042G3/41530M1450105 类型H3L1L2L3L4L5L6L7L8T1T2T3质量/kgO形环（7） FD 12 FB 2X/...1183923.8105141.56516238780.1115925×3.5 FD 16 FB 2X/...1183923.8105141.56516238780.1115925×3.5 FD 25 FB 2X/...1455027.814819875225501050.11181832.92×3.53 FD 32 FB 2X/...1455231.615521594240501150.11212437.7×3.53 注： 符合ISO 228/1标准的管螺纹“G”。 图36FD系列平衡阀用于底板安装的单元尺寸示意图 1—测量油口； 2—控制油口； 3，4—定位销； 5—铭牌； 6—不适用于规格12，16和25； 7—用于规格12，16和25的4个阀固定孔，用于规格32的6个阀固定孔 表37FD系列平衡阀PA 2X型管螺纹技术参数mm 类型B1B2B3H1H2H3L1L2L3L4L5L6 FD 12 PA 2X/...66.785708542.57031.87.2—35.842.973.2 FD 16 PA 2X/...66.785708542.57031.87.2—35.842.973.2 FD 25 PA 2X/...79.410080100508038.911.1—49.260.3109.1 FD 32 PA 2X/...96.812095120609535.316.742.167.584.2119.7 类型L7L8阀固定螺钉/紧固扭矩MT/（N·m）质量/kgO形环（7） FD 12 PA 2X/...651404个M10×100 DIN 91210.975921.3×2.4 FD 16 PA 2X/...651404个M10×100 DIN 91210.975921.3×2.4 FD 25 PA 2X/...752004个M10×120 DIN 91210.9751829.82×2.62 FD 32 PA 2X/...942156个M10×140 DIN 91210.9752438×3 注： 符合ISO 228/1标准的管螺纹“G”。 FD系列平衡阀的技术参数见表38，压差和流量的关系曲线见图37。 表38FD系列平衡阀技术参数 参 数 名 称数值 油口最大工作压力/barA，X350 B420 油口的先导压力/bar （流量控制范围）X最小20~50 最大350 开启压力/barA至B2 二次溢流阀的设置压力/bar400 流量/(L/min)80(规格12)，200（规格16），320（规格25），560（规格/32） 预开口的面积比： 锥座面积先导阀芯面积120 液压油符合DIN 51524的矿物油（HL，HLP），磷酸酯（HFDR） 液压油温度范围/℃-20~+80 黏度范围/cSt10~800 污染度（最大允许）ISO 4406（C）等级20/18/15 图37FD系列平衡阀压差和流量的关系曲线（黏度41cSt，温度50℃） (a) B向A工况（节流孔全开，px=50bar）； (b) A向B工况（在单向阀上测得） 1—规格12； 2—规格16； 3—规格25； 4—规格32 3.2.2LHDV 33系列平衡阀 1. LHDV 33系列平衡阀的基本原理 LHDV 33系列平衡阀的控制是通过对相应执行元件的回油进行节流实现的。如图38所示，平衡阀产生一个总是略高于负载压力的背压。该背压只是在负的负载情况下才产生。如果负载是正的，也就是负载作用于运动的相反方向，平衡阀将完全开启，可使回油畅通。 节流元件是自调节的，因而能连续地适应负载情况的任何变化。这是通过力的平衡实现的，阀的功能元件的一侧作用着液动力，另一侧作用着阀的弹簧力。 当运动开始、暂停或突然操作换向阀导致速度改变时，会强制性地将压力叠加到负载压力上。这个压力波动会通过相连的执行机构影 图38LHDV 33系列平衡阀典型结构示意图 响到进油口，因而影响平衡阀的控制压力。为避免同步的调节振荡而产生的振动，控制压 力在对控制阀芯起作用前已通过阻尼进行了调整。 阻尼只能通过流量对控制压力进行节流，因此控制油路与回路旁通，这样可保持控制油 的泄漏油流量较小并稳定。主要由一个进口和一个旁通节流孔来节流控制压力，同时用一个螺堵和一个单向阀控制打开/关闭方向节流调节速度。 通过更换一个或者两个阻尼，平衡阀可以在特殊情况下加强阻尼效果或者通过较大的控制油泄油而减弱振动的产生，在现场测试时也可直接更换。LHDV 33系列平衡阀应用示意图见图39。 图39LHDV 33系列平衡阀应用示意图 2. LHDV 33系列平衡阀的形式及标记方法 LHDV 33系列平衡阀的形式及标记方法如表39所示。 表39LHDV 33系列平衡阀的形式及标记方法 型式标 记 方 法 单向 平衡阀 LHDV 33 P(H)11LHDV 33 P(H)15