溢流阀的设计
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1 绪论
液压技术发展历史较短，但是发展速度相当快。作为新兴的应用学科，在
国民生活中应用十分广泛。现如今，机电产品正朝着功能多样化的趋势发展，
而液压技术正好满足它的要求，所以，为了实现生产自动化、工业自动化，液
压技术是必不可缺的。
液压技术有很多优点，比如：反应速度快、液压系统体积小、结构简单、
操控方便、传递的力量较大、可实现无极调速等。通常选用矿物油作为工作介
质，使用寿命长，可实现自行润滑。因此，它被广泛应用在工程机械、农业机
械、汽车工业、冶金工业等各行各业中。近几年来，液压技术广泛采用高新技
术成果，使各行业应用领域都有很大发展和提高。
液压传动设备的组成有：动力元件（液压泵）、执行元件（液压马达和液
压缸）、控制元件（液压阀）、辅助元件（油箱、蓄能器等）。液压泵：把电
机的机械能转化成液压能的能量转换装置，液压泵种类有很多，按结构形式分
常用的有：螺旋泵、齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等。液压马达是把液压能转换成
机械能，并且以旋转的形式输出角速度和转矩的一种液压执行机构。液压阀就
是调节和控制流体的流量、方向和压力。按用途分为流量控制阀、方向控制阀
和压力控制阀。常用的流量控制阀有：调速阀、节流阀等；方向控制阀有：换
向阀、方向阀；压力控制阀有：溢流阀、顺序阀、减压阀等；辅助元件有：过
滤器、油箱及蓄能器、密封圈等。 液压阀的作用就是控制液体的方向、流量和压力，液压阀元件的优劣对液
压设备工作的可靠性有很大影响。在设计先导式溢流阀过程中，将它系列化、
标准化和通用化，能够提高产品质量，完善生产工艺性，并且维修方便，保证
其工作效率。
1.1液压技术发展历史
液压技术与流体力学是息息相关的。17世纪50年代，帕斯卡提出了帕斯
卡原理，17世纪70年代牛顿提出了内摩擦定律，18世纪，相继建立伯努利能
量方程和连续性方程，这些理论对液压技术的发展奠定了基础。1795年，约瑟
夫·布拉曼 提出了液压机的专利，并于2年后制造出手动泵供压式水压机。
1905年美国詹尼第一个采用矿物油作为介质，第一台油压柱塞泵问世。随后，
丁腈橡胶等耐油密封材料的相继出现，液压技术得到进一步发展。
第一次世界大战过后，液压技术被广泛应用，在19世纪20年代，液压元
件开始进入工业生产阶段。直到维克斯发明了压力平衡式叶片泵，近代液压元
件工业逐步建立起来。
从1930年开始，舰船、车辆、航空等行业的快速发展，弯轴式及斜轴式轴
向柱塞泵、径向和轴向液压马达等相继问世。1936年，Harry ViKers发明了一
系列管式液压控制元件。
二次世界大战期间，军工事业的高规格需求，促进了液压技术的发展。战
争结束后，各国经济需要恢复和发展，液压技术很快应用到民用生活中，液压
元件越来越规格化、标准化、系列化，使其迅速应用到汽车制造、机械制造、
农业机械等各行各业中。
1960年以后，微电子、原子能等技术的迅速成长，液压技术发展的领域更
加广阔。在某些领域内，液压技术已经占有绝对性优势。例如，美国现生产的
70%的数据加工中心、85%的工程机械，90%以上的自动生产线都采用了液压技术。
到了网络化、、知识化、信息化和全球化的21世纪，先进科学技术的发展对液
压阀在内的各类液压元件的制造，以及液压技术的设计研究及方法影响巨大。
为满足日益变化的市场需要，液压技术需要不断创新，不断提高，不断完
善元件和系统的性能，以保持与世界先进技术同步。
1.2 我国液压技术发展概述 我国的液压技术起步较晚，是从新中国建立开始的。在1950开始，我国
没有专业生产液压元件企业，大部分都是仿制苏联的。1952年，上海机床厂
生产出我国第一件液压元件。1959年，首家液压元件制造企业（天津液压件
厂）建立。
1960年开始，我国的液压工业逐渐从仿制走向自行开发，解决了结构笨
重、品种单调、一味仿苏的问题。1965年，引进了日本油研公司公称压力
21MPa的中高压系列液压阀的生产设备，并成立榆次液压件厂。广州机床研究
所于1966-1968年，两年时间内设计生产出中低压系列的液压喷射泵元件，
包括液压泵、液压马达等180多个品种，并相继批量生产。1968年，有关专
家设计生产了第一套公称压力为31.5MPa的高压阀系列，并相继批量生产。
至此，我国已经形成比较完善的液压元件制造业体系。
到了19世纪70年代，越来越多的高压液压阀，产品更加系列化、通用化
和标准化，努力提高质量，扩大品种，与世界先进水平接轨。1973年，有关专
家完成了公称压力为32MPa高压阀系列图纸的设计。近20年来，我国液压工业
企业加快科技创新，提高产品的市场竞争力，一批国家重点工程和重点主机配
件产品的成功，取得了良好的经济效益和社会效益。
经过这几十年的艰苦探索和发展，我国的液压行业已经具有一定的生产力
和技术水平，并且门类齐全。尽管我们进步很快，可是相对于世界其他各国，
还有一定的差距，需要继续不断改善，不断创新。
1.3本设计的意义和目的
液压技术已经在人们的日常生活中随处可见，并且在各个行业中应用也越
来越广泛。显然，液压技术的先进与落后完全标志着国家工业水平的程度。
由于液压传动及控制技术具有独特的特点，从一般的传动系统到精度非
常高的控制系统，已被广泛应用，尤其是近30年来，比如（航空机械、车辆
工程、冶金机械、军事工业等）。总之，所有的工程领域，有一定的机械设
备，都可采用液压技术。
溢流阀是一种压力控制阀，它的主要功能包括泄压，安全保护，作背压
阀，远程压力调节、系统卸荷、多级压力控制等。
综上所述，液压技术是现代生活科技中必不缺少的技术手段，而溢流阀是
液压系统中重要的元件之一，溢流阀的优劣对液压设备工作的可靠性有很大影响。在设计过程中，将它系列化、标准化和通用化，能够提高产品质量，完善
生产工艺性，并且维修方便，保证其工作效率。
该设计将结合生产实际，理论与实际相结合的工作方法，在以往的设计经
验的基础上，设计一个更高实用价值，更好工作性能的先导式溢流阀。
2 溢流阀总体设计
本章节主要介绍的是溢流阀的相关知识，包括溢流阀的功用和分类、工作
过程、原理以及溢流阀的整体结构、零件和主要性能。
PO
O
O
PP(a)(b)(c)(d)2.1 溢流阀的功用和分类
2.1.1 功用
在不同的场合使用溢流阀，有不同的用途。比如：作定压阀用时，溢流阀
在定量泵节流调速系统中，可用来保证液压系统中压力的基本稳定，起到稳压、
限压或调压的作用；作安全阀时，溢流阀在容积调速系统中，正常工作时是关
闭的，当系统压力大于或等于调定压力时，才开始溢流，这时起过载保护作用；
对于液压系统的卸荷回路中，溢流阀也可以用来作为卸荷阀，然后只需要通过
电磁阀将溢流阀的远程控制口与油箱连接，液压泵即可卸荷，从而降低液压系
统的功率损耗和发热量。
2.1.2 分类
溢流阀类型有很多，根据工作原理可分为直动型和先导型。
1）直动式溢流阀
图2-1 直动型溢流阀结构简图
（a）锥阀式 (b)球阀式 (c)滑阀式 (d)溢流阀的基本符号
1-调压螺栓 2-弹簧 3-阀芯 4-阀体（含阀座）
球阀式和锥阀式，具有密封性能好、动作灵敏、无泄漏等优点，但阀芯和
阀座易损坏，导向性差，抗冲击性好。滑阀式反应迟，但不易产生自激振动，
稳定性好等特点。
K
P
T
遥控口
进油口
出油口P1aP2
符号
2）先导式溢流阀
图2-2 先导式溢流阀
1—阀体 2—主阀座 3—主阀芯 4—先导阀盖 5—先导阀座
6—先导阀锥式阀芯 7—调压弹簧 8—调节杆 9—调压螺栓
10—手轮 11—主阀弹簧
先导阀是一个小型的锥阀式直动溢流阀，先导阀弹簧用于调定主阀的压力。
主阀弹簧能够克服摩擦力使主阀芯及时回位，但是不起调压作用。
直动式和先导式的差别在于控制阀芯启闭的方式：直动式阀芯的启闭是在
系统液压力直接作用下进行的；而先导式阀芯的启闭由先导阀来控制。很明显，
先导式溢流阀的工作过程要比直动式溢流阀复杂，但在使用范围和精度等方面，
先导式优于直动式。 2.2 溢流阀的工作原理
先导式溢流阀由主阀和先导阀组成的。图2-2是一种典型先导式溢流阀结构
图。压力油由进油口P进入后作用在主阀芯的下腔，并经过阻尼孔、油道，作
用在先导阀阀芯上。当作用力小于7的预紧力时，导阀关闭。此时，阻尼孔没
有油液流动，不起阻尼作用，主阀芯的上下两腔压力相同，溢流阀不溢流。当
机油压力大于弹簧预紧力时，先导阀打开，油液通过阻尼孔、油道进入油箱，
所以，油液流经阻尼孔时产生压差，主阀上腔压力小于下腔压力，主阀芯上移，
阀口打开，实现溢流。调节7的预紧力，即可调节溢流压力。阀体上有一个远
程控制口K，当K口通过二位二通阀接油箱时，主阀芯便可在很小的液压力作
用下打开，实现溢流，此时泵卸荷。如果K口和调节压力较低的先导阀入口接
通，就可实现远程调压。
2.3 溢流阀的工作过程
2.3.1 开启过程
如图2-3所示，在这种溢流阀中，作用于主阀阀芯上的力平衡方程为：
油液作用在主阀芯下腔的力=油液作用在主阀芯上腔的力+主阀弹簧力+重力+摩
擦力+液动力
图2-3中各符号代表的意思如下：
A1—主阀芯活塞下端面积；
A2—主阀芯活塞上端面积；
p1—主阀芯下腔压力；
p2—主阀芯上腔压力；
Kx—先导阀弹簧刚度（/Nm）；
K1—主阀弹簧刚度（/Nm）；
x0—先导阀弹簧的预压缩量（m）；
y0—主阀弹簧的预压缩量（m）；
G—主阀芯重力；
Ff—阀芯与阀套的摩擦力； 12
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