节流阀的压力和温度补偿方法

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：节流阀的压力补偿有两种方式：一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来，组织成溢流节流阀。当节流阀口开度xT调定后，阀的进出口压力p1或p3变化时，xR也变化，弹簧力Fs和液动力Fy也要发生变化。图4-36 温度补偿调速阀的结构温度补偿调速阀最小稳定流量约为20mL/min。

节流阀的压力补偿有两种方式：一种是将定差减压阀与节流阀串联起来，组合成调速阀；另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来，组织成溢流节流阀。这两种压力补偿方式都是利用流量变动所引起油路压力的变化，通过阀芯的负反馈动作，来自动调节节流部分的压力差，使其基本保持不变。油温的变化也必然会引起油液黏度的变化，从而导致通过节流阀的流量发生相应的改变。为消除此问题，又出现了温度补偿调速阀。

1.调速阀

（1）调速阀的结构原理调速阀由定差减压阀和节流阀两部分组成。定差减压阀可以串联在节流阀之前，也可串联在节流阀之后。图4-34所示为调速阀的工作原理。其中，图中1为定差减压阀阀芯，2为节流阀阀芯。压力为p₁的油液流经减压阀节流口后，压力降为p₂，然后经节流阀节流口流出，其压力降为p₃。进入节流阀前的压力为p₂的油液经通道e和f进入定差减压阀的b和c腔，减压阀阀芯在b和c腔的承压面积分别为A_b和A_c；而流经节流口压力为p₃的油液经通道g被引入减压阀a腔，减压阀阀芯在a腔的承压面积为A_a。当减压阀的阀芯在弹簧力F_s、液动力F_y、液压力A_ap₃和（A_b+A_c）p₂的作用下处于平衡位置时，调速阀处于稳态工作点。此时，若调速阀出口压力p₃因负载增大而增加时，作用在减压阀芯左端的压力增加，阀芯失去平衡向右移动，减压阀开口x_R增大，减压作用减小，p₂增加，结果节流阀口两端压差Δp=（p₂-p₃）保持不变。同理，当p₃减小时，减压阀芯左移，p₂也减小，节流阀节流口两端压差同样基本不变。这样，通过节流口的流量基本不会因负载的变化而改变。

图4-34 调速阀工作原理图

1—定差减压阀阀芯 2—节流阀阀芯

当压力差很小时，由于减压阀阀芯被弹簧推至最下端，减压阀阀口全开，不起稳定节流阀前后压力差的作用，故这时调速阀的性能与节流阀相同。因此，调速阀正常工作时，进出口之间至少要求有0.6MPa以上的压力差。

调速阀的图形符号和节流阀相同。

（2）调速阀的静态特性分析调速阀能保持流量稳定的功能，主要是由具有压力补偿作用的减压阀起作用。减压阀可保持节流阀口前后的压差近似不变，而使流量保持近似恒定。建立静态特性方程式的主要依据，是动力学方程和流量连续性方程以及相应的流量表达式。

1）减压阀的流量方程式为

式中 K_R——减压阀口的流量系数；

ω（x_R）——减压阀口的过流面积，其中x_R为减压阀芯位移量（向右方向为正）；

ρ——油液密度；

p₁——调速阀的进口压力（即减压阀的进口压力）；

p₂——减压阀的出口压力（即节流阀的进口压力）。

2）节流阀的流量方程式为

式中 K_T——节流阀口的流量系数；

B（x_T）——节流阀口的过流面积，其中x_T为节流阀口开度；

p₃——调速阀的出口压力（即节流阀的出口压力）。

3）减压阀芯的受力平衡方程式为

p₂A_b+p₂A_c+F_y=p₃A_a+k（x₀-x_R）（4-5）

因为

A_a=A_b+A_c

故

式中 A_a——减压阀芯受力面积；

F_y——稳态液动力，F_y=ρq_Rv_Rcosθ，θ=69°；

k——弹簧刚度，F_s=k（x₀-x_R）；

（x₀-x_R）——弹簧预压缩量；

x_R——减压阀芯位移量（向左方向为正）。

4）根据流量连续性方程，若不计内泄漏，则

q_R=q_T （4-7）

由式（4-6）可知，x₀、x_R、k和A_a值决定了（p₂-p₃）的值。通过理论分析和实验验证，选择（p₂-p₃）为0.3MPa左右。

由式（4-4）可知，要保持流量稳定，就要求（p₂-p₃）压差稳定。当节流阀口开度x_T调定后，阀的进出口压力p₁或p₃变化时，x_R也变化，弹簧力F_s和液动力F_y也要发生变化。由式（4-6）可知，弹簧力变化量ΔF_s与液动力变化量ΔF_y的差值ΔF越小，A_a越大，（p₂-p₃）的变化量就越小。合理设计减压阀的弹簧刚度和减压阀口的形状，就会得到较好的等流量特性。

图4-35 节流阀和调速阀的静特性曲线

1—无压力补偿 2—有压力补偿

图4-35所示为调速阀与普通节流阀相比较的特性曲线，即阀两端压差Δp与通过阀的流量之间关系的曲线。由图4-35可知：在压差较小时，调速阀的特性与普通节流阀相同，此时，由于压差较小，不能将调速阀中的减压阀芯抬起，减压阀失去压力补偿作用，调速阀与节流阀的这部分曲线重合；当阀两端压差大于某一值时，减压阀芯处于工作状态，通过调速阀的流量就不受阀两端压差的影响了，而通过节流阀的流量仍然随压差的变化而改变，两者的曲线出现明显的差别。Δp_min是调速阀的最小稳定工作压差，一般为0.6～0.8MPa。

2.温度补偿调速阀

影响节流阀流量变化的因素主要有两个，一个是节流口上下游的压力差，另一个是温度。前述的调速阀基本上解决了压力差对流量的影响，但并没有解决温度对流量的影响问题。特别是流量较小时，温度对流量的影响相对更大。带温度补偿的调速阀可以解决这个问题。

在温度补偿调速阀的结构中（见图4-36），压力补偿部分和普通调速阀相同，不同之处在于节流阀的节流口的控制方式上，即在手动变量机构和节流口之间加了一个温度补偿控制杆。该控制杆由膨胀系数较大的聚氯乙烯制成。当节流口调整好后，节流阀正常工作。此时若温度增高，使油的黏度变小，流过节流口的流量加大，温度增高又使控制杆变长，则通过机械结构使节流口有所减小，流量又基本上恢复原来的调定值。

图4-36 温度补偿调速阀的结构

温度补偿调速阀最小稳定流量约为20mL/min。本阀只适用于流量小，又对流量稳定性要求较高的场合。

3.溢流节流阀

（1）溢流节流阀工作原理溢流阀是节流阀与溢流阀并联而成的组合阀，它能补偿因负载变化而引起的流量变化。图4-37a所示为溢流节流阀工作原理图，压力为p₁的油液由进油口P₁进入阀后，一部分经节流阀芯2的节流口d进入执行元件，另一部分经溢流阀芯1的溢流口e流回油箱。溢流阀芯右腔a和节流阀出口相通，压力为p₂；溢流阀芯大台肩下面的油腔b、左端油腔c和节流阀的入口相通，压力为p₁。当负载F_L增大时，出口压力p₂增大，溢流阀芯左移，关小溢流口e，节流阀入口压力p₁增大，结果节流阀前后压差（p₁-p₂）基本保持不变；反之情况相同。系统正常工作时，安全阀3关闭；当系统超载时，压力p₂超过系统正常值，安全阀3打开，系统安全溢流。图4-37b所示为溢流节流阀图形符号，图4-37c所示为溢流节流阀简化图形符号。图4-38所示为溢流节流阀的结构，表示了节流阀与先导式溢流阀并联（主阀芯阻尼孔由节流阀替代），由溢流阀实现负载压力补偿，保证节流口前后压差不变，节流阀实现流量调节的原理。