液压系统溢流阀的性能分析与结构介绍

液压泵的工作压力是由外负载决定的,当外负载很大,使系统的压力超过液压泵的机械强度和密封性能所决定的额定压力时,整个系统就不能正常工作,必须限制系统工作压力在所需要的压力范围内。溢流阀的基本功能是,当系统的压力超过或等于溢流阀的调定压力时,系统的油液通过阀口溢出一部分回油箱,防止系统的压力过大,起安全保护作用。溢流阀分为直动式和先导式两种形式。

(1)直动式溢流阀

1)结构和工作原理

图4.32(a)所示为直动式溢流阀的结构图,它由阀体1、阀芯(滑阀式)2、调压弹簧3、调压螺帽4、上盖5 等组成。P 为进油口,O 是回油口。进口压力油经阀芯下端的径向孔、轴向小孔a 进入阀芯底部端面上,形成一个向上的液压作用力。当进口压力较低时,阀芯在弹簧力的作用下被压在图示最下端位置,阀口(即进、回油口P、O 之间在阀内的通道)被阀芯封闭,阀不溢流。当阀的进口压力升高,使阀芯下端的液压作用力足以克服弹簧对阀芯的作用力时,阀芯向上移动,压缩弹簧,此时阀口被打开,进出油口接通而溢流。由间隙处泄漏到弹簧腔的油液可通过泄漏孔b 经回油口排回油箱。调节螺帽以改变弹簧对阀芯的作用力,从而调整进油口的油压即溢流阀的溢流压力。此阀是靠液压力与阀芯调压弹簧力直接平衡而控制阀口启闭的,故称直动式溢流阀。

2)性能分析

当溢流阀稳定工作时,作用在滑阀上的力是平衡的,在不考虑阀芯的自重和摩擦的情况下,阀芯受力的平衡方程式为:

式中　p——作用在阀芯上的液压力;

Fs——弹簧作用力;

A——阀芯截面积;

K——调压弹簧的刚度;

x0——弹簧的预压缩量;

Δx——弹簧的附加压缩量。

图4.32　P 型低压溢流阀

1—阀体;2—阀芯;3—调压弹簧;4—调压螺帽;5—上盖;P—进油口;O—回油口

从上式可以看出,如液压力p 较大时,则弹簧力也应较大,这样不仅调整不够方便,而且当溢流流量变化时相应油压的变化也较大。溢流压力随溢流流量的变化情况如图4.33 所示。当溢流阀刚开始溢流时,因阀芯抬起的高度不大,弹簧的压缩量较小,所以这时油液打开阀口的压力(称为开启压力)p开较小。当溢流量增加时,阀芯上移,开口增大,这时必须进一步压缩弹簧,使弹簧力增大,所以液压力p 值上升。当全部流量溢出时,阀芯上升到最高位置,这时的压力称为调整压力p调(也称为全流压力)。p调和p开的差值就是压力变化值。如果要求控制的液压力越高,则溢流阀的弹簧应越硬,相应压力的变化值就越大,所以直动式溢流阀一般用在压力较低的场合,其最大调整压力为2.5 MPa。直动式溢流阀的特点是结构简单,反应灵敏,缺点是工作时易产生振动和噪声,而且压力波动较大。

图4.32(b)为溢流阀的图形符号。

(2)先导式溢流阀

图4.33　溢流阀流量对压力的影响

1)结构和工作原理

为了克服直动式溢流阀的缺点,使液压系统的压力更加稳定,可采用先导式溢流阀。图4.34 所示为Y1 型溢流阀结构,这种阀是一些液压系统中普遍使用的形式。

这种先导式溢流阀分为上下两部分:上部的先导部分由锥阀芯1、调压弹簧2 和调压螺帽3 等组成,先导阀相当于一个直动式溢流阀;下部的主阀部分由主阀芯5 和主阀弹簧4 等组成,其特点是利用主阀芯上下两端液体的压力差来使主阀阀芯移动的。

图4.34　Y1 型先导式溢流阀

先导式溢流阀的工作原理如图4. 34 所示。油腔b 和进油口相通,油腔d 和回油口相通。压力油从油腔b 进入,作用在主阀芯大直径台肩下部的圆环形面积上,并通过主阀芯中的小孔c 流到下端面油腔中,作用于主阀芯的下端。同时,又经过阻尼小孔e 进入主阀芯的上腔a,还经小孔f、g 作用于先导调压阀的锥阀上。

当进油压力较低,还不能打开先导调压阀时,锥阀关闭,此时没有油液流过阻尼小孔e。由于主阀芯大直径台肩下部的圆环形面积和阀芯下部小直径端面面积之和与大直径台肩上部面积基本相等,其上下两端的液压力也相等,所以阀芯在上端弹簧的作用下,使主阀芯处于最下端位置,将溢流口关闭。因为主阀弹簧的力量只需克服主阀芯的摩擦力,所以做得较软。

当进油压力升高到能够打开先导调压阀时,锥阀就压缩调压弹簧并将油口打开,压力油通过阻尼小孔e 经锥阀流回油箱。由于阻尼小孔e 的作用产生压力降,所以主阀芯上部的液压力p1 小于下部的液压力p。当主阀芯上下两端压力差所产生的作用力超过主阀弹簧的作用力时,主阀芯被抬起,油腔b 和油腔d 接通,油液流回油箱,实现溢流。

用调节螺帽来调节调压弹簧的压紧力,就可以调整溢流阀溢流时进油口的液压力,从而调定了液压系统的压力。K 为远程控制口,用于远程调压用,如果将K 口用油管接到另一个远程调压阀(图中未画出),则主阀芯上部的油压就受这个远程调压阀控制,从而就可以对这个溢流阀实行远程调压。这时溢流阀上部的先导调压阀应不起作用,所以它的调整压力应高于远程调压阀所可能调节的最高压力。一般情况下这个口不用封闭。

当溢流阀稳定工作时,作用在主阀芯上的力(不计阀芯自重和摩擦力)是平衡的,其力的平衡方程为:

或

式中　p——进油腔液压力;

p1——主阀芯上腔的液压力;

A——主阀芯的截面积;

K——主阀芯弹簧的刚度;

x0——主阀弹簧的预压缩量;

Δx——主阀弹簧附加压缩量;

Fs——主阀弹簧的作用力。

从上式可以看出,对于先导式溢流阀,即使进油口的液压力较大,由于阀芯上腔有液压力p1 存在,主阀弹簧可以做得较软,因此当溢流流量变化而引起阀芯位置改变时,弹簧力的变化也较小。此外,当调压弹簧调整好之后,在溢流时阀芯上腔的液压力p1 基本上是个定值,所以进油口液压力p 的数值在溢流量变化时变动较小,这就克服了直动式溢流阀的缺点。同时因为调压锥阀的阀孔尺寸较小,调压弹簧的刚度也不大,因此调压比较轻便。所以这种形式的溢流阀适用于压力较高的场合。Y 型溢流阀的最大调整压力为6.3 MPa。

这种阀振动小,噪声低,压力较稳定。但先导式溢流阀在先导阀和主阀都动作后才能起控制压力的作用,因此动态响应没有直动式溢流阀快。

图4.35 所示为先导式高压溢流阀结构图,它的工作原理和Y1 型溢流阀基本上相同。但高压溢流阀在强度和密封等方面比Y1 型要求更高,其主阀芯采用了锥面阀座式结构,没有搭合量,当油压升高,阀芯开始抬起时马上就能打开阀口,使进油口和回油口接通,故灵敏度高,反应迅速。主阀芯还加了尾锥即防振摆,提高了阀的稳定性,不会因阀芯的高频振动产生尖叫声。但此种阀的结构和制造工艺都比较复杂。其最高调整压力可达35 MPa。

图4.35　先导式高压溢流阀

图4.36　溢流阀的溢流特性曲线

2)性能分析

溢流阀的溢流特性如图4.36 所示,实线表示先导式溢流阀的特性曲线,虚线表示直动式溢流阀的溢流特性曲线。从图中可看出先导式溢流阀的特性曲线较陡,而直动式溢流阀的特性曲线平缓,二者压力波动性相差很大。先导式溢流阀的开启压力p开比直动式溢流阀的开启压力p开′更接近调定压力p调,这是因为先导式溢流阀的主阀芯的复位弹簧很软的缘故,因p开接近p调,故先导式溢流阀的溢流特性较好。

①压力稳定性:由于液压泵的输油量有脉动,系统负载有变化,这就导致溢流阀阀芯产生振动,因而引起溢流阀所控制的压力也会呈现在调定压力附近的波动。这种波动会直接影响系统的工作品质,同时还会使系统出现振动和噪声。先导式溢流阀的压力稳定性优于直动式溢流阀。

②卸荷压力:把先导式溢流阀的遥控口与油箱接通,主阀芯升到最大高度,液压泵卸荷。这时溢流阀进油口与回油口间的压力差就称为卸荷压力。实际上卸荷压力就是额定流量下卸荷时经过溢流阀的压力损失。卸荷压力越小,即油液通过主阀开口处的压力损失越小,此阀性能越好。

③动态特性:溢流阀的动态特性是指从一个稳定工况变化到另一个稳定工况这一过程中的特性,图4.37 即为溢流阀动态过程曲线。当溢流阀从关闭时的压力p0 突然上升到某一调定压力pt 时,液压系统将出现比调定压力还要高的最大压力冲击峰值pmax。这个峰值与调定压力的差就是压力超调量Δp。要求压力超调量越小越好,否则会造成液压元件损坏,管道破裂以及一些以压力作为控制信号的元件误动作。

图4.37　溢流阀动态过程图

压力回升时间Δt2 又称过渡过程时间或调整时间。当溢流阀从初始压力p0 开始升压并稳定到调定压力pt 时所需时间为Δt2,一般要求Δt2=0.1 ~0.5 s。卸荷时间Δt1 指溢流阀从调定压力pt 开始下降至卸荷压力p0 时所需的时间,一般要求Δt1=0.03 ~0.1 s。

压力回升时间Δt2 与卸荷时间Δt1,反映了溢流阀在工作中从一个稳定状态转变到另一个稳定状态所需要的过渡时间的大小,过渡时间短,溢流阀的动态性能好。

(3)溢流阀的应用

溢流阀在液压系统中一般可用于溢流恒压、安全限压、远程调压、造成背压和使系统卸荷等方面。

图4.38 所示为溢流阀用于定量泵节流调速液压系统中。工作时溢流阀常开,调节节流阀的开口度大小来控制进入液压缸的流量,多余的油从溢流阀溢回油箱。随着执行元件所需流量(运动速度)的不同,阀的溢流量时大时小,但液压泵的工作压力则基本保持恒定。调节溢流阀的调压弹簧,即可调节系统的供油压力。

图4.38　定量泵系统溢流调压

图4.39　变量泵系统的安全限压

图4.39 所示为溢流阀用于变量泵系统以限制系统压力超过最大允许值,防止系统过载。在正常工作情况下,溢流阀阀口关闭,当超载时,系统压力达到最大允许值(溢流阀调定压力),阀口才打开,压力油通过阀口流回油箱,油压便不再升高。在此情况下,溢流阀起安全限压保护作用,故又称安全阀。一般将安全阀的压力调整到比系统最高工作压力大5% ~10%。

图4.40 所示为溢流阀用于远程调压的多级调压回路。图中3 为远程调压阀,接主溢流阀2 的遥控口。当二位二通电磁换向阀4 关闭时,液压泵的出口压力由溢流阀2 调定为p1。当二位二通电磁阀通电切换后,其油路接通,这时泵的出口压力由远程调压阀调定为p2。在采用这种回路时,应注意使远程调压阀的调定压力小于主溢流阀本身的调定压力,否则远程调压阀将不起作用。

如果将二位二通电磁阀安装在主溢流阀与远程调压阀之间,则当压力切换时,可能产生较大的压力波动与冲击。

图4.41 所示为先导式溢流阀的卸荷回路。将二位二通电磁换向阀安装在溢流阀的遥控油路上(两者做成一体的又称电磁溢流阀)。卸荷时电磁阀通电,液压泵的输出流量在极低的压力下通过溢流阀的溢流口流回油箱。而通过电磁阀的流量很小,只是溢流阀控制腔的流量(即通过主阀芯上阻尼小孔的流量),故只需选用小规格的电磁阀。卸荷时,溢流阀处于全开状态。当停止卸荷系统重新工作时,不会产生压力冲击现象,故适用于高压大流量系统中。

图4.40　多级调压回路

图4.41　先导式溢流阀卸荷回路

(4)溢流阀的常见故障分析

溢流阀在使用中常见的故障有压力失调和噪声、振动等。

1)压力失调

溢流阀在工作中调定压力下降,即使旋入调压手轮,压力上升也很慢,到一定压力后不再上升。

原因1　先导式溢流阀的主阀芯上开有阻尼小孔,通过该阻尼小孔的流量就是先导流量。当油液中的大粒污垢附着在阻尼孔上,使通流断面积减小,则先导流量将变得很小时,调定压力就会不稳定,压力响应也变慢,结果压力也调不高。

原因2　溢流阀长时间在含有大量细微污垢的油液中工作后,主阀与上盖的滑动面磨损,使间隙增大,流过主阀阻尼小孔的油液从该间隙流向回油口,先导流量减小到极小,响应也变得缓慢,再进一步磨损则压力升不上去。

使用中的阀或新阀的压力完全调不上去。

原因1　主阀芯的阻尼小孔被污垢堵死,先导流量减到零。这时先导调压阀已不起作用,进口液压力将主阀复位弹簧压缩,阀口大开而卸荷,故压力完全调不上去。

原因2　先导阀芯与阀座间进入了大粒污垢,致使先导阀芯开度大于需要值而无法关闭。这时相当于溢流阀的遥控口接通了油箱而卸荷,从而压力完全上不去。

原因3　溢流阀遥控口接有遥控油路,遥控用电磁阀不换向时仍接通了油箱,使压力调不上去。解决方法是首先听一听电磁阀有无吸合声,确定电磁阀是否动作。还可用手动使电磁阀换向,若手动也换不了向,则是污垢把阀芯卡住了,需要拆开清洗干净。若手动可以换向使压力升高,则应检查电气部分的问题。

溢流阀压力下不来,即使将调压手轮全旋松,压力也降不下来而无法调整。

其原因是先导阀座上的小孔被污垢堵死了,主阀芯在复位弹簧作用下将溢流阀口关闭,调压弹簧失去了对溢流阀的调压作用,有时压力会上升到使元件和管路破坏为止。

以上分析压力失调的主要原因,几乎都是由于油液的污染引起。解决方法是拆开溢流阀,清洗主阀芯阻尼小孔、先导阀芯及阀座,必要时更换清洁的油液。对于阀芯或阀座的磨损,采取修复或更换零件的方法解决。

2)噪声和振动

溢流阀的噪声有液流声和机械声两种。其中液流声主要由液体振动、空穴以及液压冲击等原因产生。机械声主要由阀中零件的撞击和摩擦等原因产生。

空穴产生的噪声,通常是在先导式溢流阀的阀口,因油液流速和压力的变化很大,很容易出现空穴现象,由此产生振动和噪声。

先导式溢流阀在卸荷时,会因压力的急骤下降而发出压力冲击噪声。在高压大流量情况下,这种冲击噪声越大,这是由于溢流阀的卸荷时间很短而产生液压冲击所致。在卸荷时,由于油液流速急骤变化,引起压力突变,造成压力波的冲击。压力波是一个小的冲击波,本身产生的噪声很小,但随油液传到系统中,如果同任何一个机械零件发生共振,就可能加大振动和增强噪声。所以在发生液压冲击时,一般多伴有系统的振动。

溢流发出的机械噪声,一般来自零件的撞击和由于加工误差等原因产生的零件摩擦,主要表现为:

①阀芯与阀孔配合过紧或过松都会产生噪声。过紧,阀芯移动困难,引起振动和噪声;过松,造成间隙过大,泄漏严重,液动力等也将导致振动和噪声。所以,装配时必须严格控制配合间隙。

②弹簧刚度不够,产生弯曲变形。液动力引起弹簧自振,当弹簧振动频率与系统振动频率相同时,会出现共振。排除方法就是更换弹簧。

③调压螺母松动。要求在压力调节好后,一定要拧紧,否则就会产生振动与噪声。

④溢流阀实际通过的流量超过了允许最大值,回油管路振动或背压过大都会产生噪声。在使用中应针对不同的故障,采取适当措施加以解决。