稳态液动力和阀芯面积

液压阀芯上的作用力1 液压力在液压元件中，由于液体重力引起的液体压力差相对于液压力而言是极小的，可以忽略不计，因此，在计算时认为在同一容腔中液体的压力相同。

例：锥阀阀芯受到的液压作用力(阀座有倒角的)1) 当x=0时，阀芯受到的液压力为2）当x>0时，阀芯受到的液压力有两部分组成F=F1+F2受p1作用的液压力F1：受阀座倒角处压力p的液压力F2：上述计算比较复杂，如果阀座上的倒角尺寸较小，则工程上可以简化计算：即用中经来简化计算液压力：，其中2 阀芯受到的稳态液动力以滑阀为例1 稳态液动力分析将牛顿第二定律改写为动量定理：, 式中的F，v为向量。

在定常不可压缩情况下，dt时间内，控制体内部液体的动量变化为0，流入和流出控制体的质量为，动量为别为：所以动量定理表示为：，注意，式中的是向量。

2.1 直进斜出式图（a）所示状况，控制体在X方向受到的外力为：,方向为X正方向。

环形阀口的平均流速，阀口流量压力方程，所以流速，则，式中，称K为液动力系数。

根据牛顿第三定律，控制体对阀芯的作用力Fs的方向与Fx的相反，即Fs=-Fx， Fs是稳态流动的液体对阀芯的作用力，称为‘稳态液动力’。

由图（a）知，该稳态液动力的方向使阀口趋于关闭。

稳态液动力的大小（液动力系数）正比于阀口开度x，稳态液动力相当于刚度为的‘液压弹簧’。

1 稳态液动力分析2.2 斜进直出式图（b）所示状况，控制体在X方向受到的外力为：，方向为X负方向。

则控制体对阀芯的作用力Fs的方向为X正方向，图（b）所示，同样，该稳态液动力的方向使阀口趋于关闭。

2.3 不完整阀腔式图（c）所示为不完整阀腔结构，其稳态液动力大小及方向与图（b）所示的相同，，该稳态液动力的方向仍然使阀口趋于关闭。

但阀芯还受到向左的静压力作用，液体对阀芯的合力为：，该合力的方向取决于稳态液动力与静压作用力之差，所以阀口可能趋于闭合，也可能趋于开启。

由上述分析可知稳态液动力的特性如下：无论阀腔是否完整，稳态液动力的方向总是使阀口趋于关闭。

1纠正纠正一些一些一些关于关于关于稳态稳态稳态液动力的错误液动力的错误液动力的错误认识认识张海平（上海 hpzhang856@ ）摘要：从动力学角度阐明了液压阀稳态液动力的基本概念和计算方法，分析了滑阀、锥阀、插装阀的稳态液动力受力情况的差异，分析结果表明：稳态液动力总是使阀芯关闭。

结合实例，分析了考虑稳态液动力时的液压阀、液压系统的影响因素。

纠正了国内一些大学液压教材中关于稳态液动力的一些错误认识。

关键词：大学教材，液压传动，液动力Correct some Wrong Opinions about Flow ForcesZHANG Hai-ping（Shanghai ，hpzhang856@ ）Abstract : Starting from hypostasis of steady flow forces, this paper corrects some wrong opinions about the flow forces in most Chinese university textbooks. The behavior of flow forces in hydraulics system was introduced. Some practice examples were analyzed. Key words : university textbooks, hydraulic power and control, flow forces. 收稿日期：2010-06-06作者简介：张海平（1947-），男，江西湖口人。

1 引言稳态液动力是指液压阀内流体流动过程中没有时变流动的情况下，由于液体流动而引起的液体介质对阀芯的附加作用力。

要强调的是，一，流体不流动时本身就具有一定的静压力，而我们要研究的液动力是由于流动而引起的在此静压力上附加的部分；二，虽然我们只关心流体流动时对阀芯的作用力，但流体对阀体也可能会有作用力，即阀体也可能会对流体有反作用力，忽视了这一点，就可能引出错误的结论。

1、双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动液压缸的（）。

1. 1/2倍2. 2倍3. 1倍2、平衡回路中，活塞快速向下运动时功率损失较大，锁住时，活塞和与之相连的工作部件会因泄漏而缓慢下落塞锁住定位要求不高的场合的平衡阀是（）。

1.液控顺序阀组成的平衡阀2.单向顺序阀和换向阀组成的平衡阀3. A和B两项3、在油箱当中，吸油管道和回油管道的距离尽量（）一些，以增加油液的循环距离，使油液散热量。

1.无相关规定2.远3.近4、蓄能器的功能主要是储存油液中多余的压力能，并在需要的时候释放出来，常用来在短时间内供应大量的压1.减小液压冲击或压力脉动2.增加系统压力3.减少压力、作为开关信号5、液压油牌号为LHL-32，第一个L代表的是润滑剂类，第二个L 代表的是（）。

1.抗磨性2.导轨油型。

3.防锈、抗氧化型6、在定量泵－变量马达的容积调速回路中，如果液压马达所驱动的负载转矩变小，若不考虑泄漏的影响，试判1.基本不变2.增大3.减小7、在先导型溢流阀中，在远程调压时，无论是远程的调压阀起作用，还是先导阀起作用，溢流量始终经（1.先导阀阀口2.主阀阀口3.泄漏口。

8、下列属于方向控制阀的是（）。

1.截止阀2.节流阀3.溢流阀9、理想液体的伯努利方程PV+ 1/2mv2 + mgh = 常数的量纲是（）。

1.压力单位2.长度单位3.焦耳10、单作用叶片泵在转子转动一周的过程中吸油和压油各（）。

1. F. 二次2.三次。

3.一次11、在液压系统中，常要求液压执行机构在一定的行程位置上停止运动或在微小的位移下稳定地维持住一定的1. E. 减压2.调压3.保压12、减压阀分为定值加压阀、定差减压阀和（）。

1.定速减压阀。

2.定比减压阀3.定量减压阀13、液压泵吸油口通常会安装过滤器，其额定流量应为液压泵流量的（）倍。

1. 22. 13. 314、（）是板式连接阀的一种发展形式。

1.叠加阀2.插装阀3.管式15、在先导型溢流阀的图形符号中，黑色三角符号代表的是（）。

2.3.2.4 作用在阀芯上的液动力问题当液流流经液压阀阀腔时，由于液流的动量发生变化，液流对液压阀会产生作用力，这个力称液动力，液动力是作用在阀芯上的主要轴向力之一。

液动力问题一直是液压界关注的一个重要问题，液动力不仅会影响阀的操纵力，而且还可能引起阀的自激振动，影响整个系统的稳定性和可靠性。

1. 作用在滑阀阀芯上的液动力图2.3-11a 所示为一四边滑阀，该滑阀具有两种不同油液进出形式的阀腔，如图2.3-11b 和c 所示。

b ) 出口节流c ）进口节流a ）四边滑阀图2.3-11滑阀的液动力计算对于某一固定的阀口开度x 来说，阀芯固定不动，阀腔中的流动为定常流动，液流对阀芯的作用力为稳态液动力。

图2.3-11a 为流体从阀腔流出时被节流的情况，选择阀腔进、出口过流断面及腔内壁面为控制面的控制体，运用式（2.3.6）得到阀芯所受轴向稳态液动力F s 为θρcos Qv F s -= （2.3.24）式中 v —滑阀节流口处的平均流速；θ—射流方向角，理想直角锐缘滑阀的射流角θ＝690；Q —流量。

当流体反方向流动，即进口节流时，如图2.3-11b 所示，稳态液动力仍为式（2.3.24）。

应用阀口流速和流量公式，稳态液动力F s 的计算式还可以表示为θcos 2p wx C C F q v s ∆-= （2.3.25）式中 C v —流速系数，一般取0.98～0.99；C q —流量系数；Δp —阀口前后的压差；w ─阀口节流边周长，w=πd ；由于θ角总是小于900，因此不论流动方向如何，稳态液动力方向始终使阀口趋于关闭。

当阀芯处于运动状态时，阀口的开度x 变化而使流量随时间t 发生变化，阀腔内的液流速度也将随时间而变，因此属非定常流动的情况，此时除了上述稳态液动力以外，阀芯还受到轴向瞬态液动力F i ，F i 可由式（2.3.6）中第二项得到dtdQ L d v t F i ρτρ∂∂τ =-=⎰ （2.3.26） 式中 —当出口节流时取“－”，进口节流时取“＋”；L —进、出口中心距离；由上式可知，对图2.3-11a 所示的出口节流情况，在滑阀开启过程中，由于流量增大，作用在阀芯上的瞬态液动力F i 指向左，使阀芯趋于关闭，而在滑阀关闭过程中使滑阀趋于开启。

1、如图所示的回路中，溢流阀的调整压力为5MPa，减压阀的调整压力为2.5 MPa，夹紧缸在夹紧工件前作（）。

1. 5MPa，5MPa,2.5 Mpa zxl2. 0MPa，0 MPa, 0MPa3. 5MPa，0 MPa ，0MPa2、在齿轮泵的泄漏当中，（）泄漏量最大，占到总泄漏量的80%以上。

1.端面2.齿顶3.齿侧3、对于液动换向阀，按照阀芯对中的形式，分为弹簧对中式和（）。

1.手动对中型。

2.液压对中型3.磁力对中式4、应用最广的减压阀类型是（）。

1.定差减压阀2.定比减压阀3.定值减压阀5、按照气动控制元件的作用是，顺序阀属于（）。

1.压力控制阀2.方向控制阀3.流量控制阀6、下列属于液压传动中最基本的参数是（）。

1.压力2.效率3.功率7、利用先导型溢流阀的远程控制口卸荷属于（）。

1.流量和压力卸荷两者都有2.压力卸荷3.流量卸荷8、世界上第一台水压机是（）制成的。

1. B. 美国2.英国3.中国9、调速阀是将定差减压阀和节流阀串联起来，溢流节流阀是将稳压溢流阀和节流阀（）起来1.串并联2.并联3.串联10、压力阀共同的特点是作用于阀芯上的（）与弹簧力相平衡的原理进行工作的。

1.重力2.液动力3.液压力11、下列不属于溢流阀特征的是（）。

1.阀与负载相并联2.采用进口压力控压。

3.阀和负载相串联12、液体质点互不干扰，液体的流动呈线性，且平行于管道轴线，这种流动状态称之为（1.紊流2.层流3.断流。

13、与溢流阀的图形符号和动作原理相同的是（）。

1.内控内泄顺序阀2.内控外泄顺序阀3.外控外泄顺序阀14、差动连接能（）液压缸行进速度。

1.减少2.增加3.相等。

15、活塞杆固定式双杆活塞缸，缸筒与工作台相连，工作台的移动范围等于活塞有效行程的（1. 4倍2. 2倍3. 3倍16、一水平放置的双杆液压缸，采用三位四通电磁换向阀，要求阀处于中位时，换向过程中工作部件不易制稳的是下列哪种中位机能（）。

第一章 思考题和习题解注：2-6 结果与答案不同， 6-1，2结果与答案不同1.1 液压千斤顶如图1-7所示。

小活塞直径15 mm ，行程 10 mm ，大活塞直径60 mm ，重物产生的力F 2= 48 000 N ，手压杠杆比L ：l = 750：25，试求：（1）此时密封容积中的液体压力p 是多少？（2）杠杆端施加力F 1为多少时，才能举起重物？（3）在不计泄漏的情况下，杠杆上下动作一次，重物的上升高度2S 是多少？解：（1）324800017(6010)4F p A π-===⨯MPa （2）63211710(1510)4F pA π-==⨯⨯⨯⨯ N125100750l F FF L ==⨯= N （3）212121510()0.62560A S S A ===mm 答：密封容积中的液体压力p = 17MPa ，杠杆端施加力F 1 =100 N ，重物的上升高度2S =0.625 mm 。

如果小活塞摩擦力175N ，大活塞摩擦力2000N ，并且杠杆上下一次密封容积中液体外泄0.2cm 3，重复上述计算。

解：（1）3248000200017.69(6010)4F p A π-+===⨯ MPa （2）63211710(1510)4F pA π-==⨯⨯⨯⨯ N125(175)110750l F F F L =+=⨯= N （3）11220.21000.554S A S A -⨯== mm1-2 如下图所示，两液压缸的结构和尺寸均相同，无杆腔和有杆腔的面积各为1A 和2A ，122A A =，两缸承受负载1F 和2F ，且122F F =，液压泵流量为q,求并联和串联时，活塞移动速度和压力。

并联时：两缸顺序动作，缸2先动。

速度相同，qv A=。

压力由负载决定。

串联时：速度由泵的流量决定：前缸1qv A =，后缸112q v A ⨯=压力由负载决定：后缸221F p A =，前缸21111112 2.5F A F A F p A A ⨯+==1-3 液压传动系统有液压泵，液压阀、液压缸、油箱、管路等元件和辅件，还要有电动机，而电气驱动系统只要一台电动机就行了，为什么说液压传动系统的体积质量小呐？解答：在同等功率条件下，液压传动相对于机械传动，体积和质量小。

不同锥角的直动式溢流阀稳态液动力分析蔡超英;林添良;缪骋;任好玲【摘要】In order to reduce the impact of the steady-state flow force onthe performance of proportional relief valve, two kinds of basic structures which the seat and the spool with cone angle are analyzed.PRO/E is utilized to build the channel model of these two structures under different cone putational fluid dynamics (CFD)flow field simula-tion software is employed to simulate the flow field under different seats and spools cone angles and the pressure flow field distribution of the valves under different cone angles is analyzed.The steady-state flow force of different structures and different cone angles are compared.The results show that the steady-state flow force is reduced by 35%-60% when the seat with cone angle compared with the spool with cone angle.And the minimum steady-state flow forces are obtained when the half cone angleof the seat is 32.5°and that of the spool is 30°.%为了降低稳态液动力对比例溢流阀性能的影响，分析了阀座带锥角和阀芯带锥角两种比例溢流阀的基本结构方案，利用PRO／E 建立两种结构下不同锥角的流道模型．通过计算流体动力学（CFD）流场仿真软件对不同阀座与阀芯锥角的锥阀口流场进行数值模拟，分析不同锥角阀口的压力流场分布．对不同结构、不同锥角情况下的稳态液动力进行分析，结果表明：阀座带锥角比阀芯带锥角的结构稳态液动力减小了35％～60％；当阀座半锥角为32．5°，阀芯半锥角为30°时，稳态液动力最小．【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(037)002【总页数】5页(P129-133)【关键词】比例溢流阀;稳态液动力;滑锥阀;流场仿真【作者】蔡超英;林添良;缪骋;任好玲【作者单位】华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021;华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021;华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021;华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TP137随着数字液压与智能液压的发展，比例阀在液压系统中的应用日益广泛.液动力包括稳态液动力和瞬态液动力，是影响比例阀性能的关键因素之一[1].比例阀的工作频率较低，瞬态液动力较小，一般可以忽略.稳态液动力是指液压阀内流体在没有时变流动的情况下，由于液体流动而引起的液体介质对阀芯的附加作用力[2].当阀口流量较大时，液动力随之增大，对比例溢流阀的性能产生较大的影响[3].比例溢流阀的结构合理性影响着整个液压系统的工作特性，减小稳态液动力是提高比例溢流阀特性的一项主要措施.国内外许多学者对稳态液动力进行了大量研究.Amirante 等[4-5]对中位常开式换向阀的液动力进行了研究，发现中位常开与常闭液动力存在很大的差异.周盛等[6]提出了利用阻尼套压力补偿法补偿外流式锥阀的液动力.这些研究主要采用滑阀与锥阀结构的阀口，在一定条件下通过附加措施加以补偿或削弱[7]，并没有深层次地分析液动力的影响因素，从根本上减小液动力对阀芯的影响.对采用滑锥阀式阀口的直动式比例溢流阀稳态液动力的研究则更少.一般阀口锥角都是按照经验值30°进行设计，并没有理论上的依据.本文以常用的4通径直动式滑锥阀为研究对象，分析阀座带锥角与阀芯带锥角两种不同结构的比例溢流阀的工作原理，采用Pro/E三维建模并通过计算流体动力学(CFD)流场仿真获得不同锥角下，阀芯所受到的稳态液动力，建立稳态液动力与锥角之间的关系.根据市面上成熟的小通径比例溢流阀的常用结构及基本参数，确定所研究的直动式比例溢流阀的主要参数：通径为4.39 mm；最高设定压力为31.5 MPa；最大阀口流量为40 L·min-1.溢流阀一般采用锥阀作为阀芯，锥阀具有密闭性好、加工方便等优点，但其导向条件差，需要增加额外的导向结构.滑锥阀继承了滑阀和锥阀的优点，具有很好的密封性和导向性，其两种结构形式，如图1所示.以阀座带锥角的形式(图1(a))为例，其工作原理为：阀芯在上侧比例电磁铁输出力FE与下侧液压力Fp(Fp=πpDx2/4)作用下达到平衡.式中：p为直动式比例溢流阀的入口压力；Dx为阀芯直径.因此，通过比较比例电磁铁输出力FE与作用在阀芯下端面的液压力Fp的大小，确定阀芯的移动方向，具体有以下2个步骤.1) 当FE>Fp时，阀芯处于最下端，阀口处于关闭状态，P-T不通，直动式比例溢流阀不工作.2) 当FE<Fp时，阀芯上移，阀口打开，P-T导通，直动式比例溢流阀起溢流调压作用.图1(b)中：阀芯带锥角的结构除了压力作用面直径从Dx变为dx以外，其工作原理与之相同，不再赘述.根据锥阀稳态液动力的图解法[2]可推导出滑锥阀的稳态液动力的图解法，如图2所示.比例溢流阀阀口关闭时，液体无流动，阀芯受到的静压力分布,如图2(b)所示.此时，阀芯受到的轴向合力为F=pA.比例溢流阀阀口打开时，在液体流动时，阀芯受到的压力不再处处相等.越靠近阀口处，液体的流速越高，压力越低.液体流动时阀芯的压力分布，如图2(a)所示.此时，阀芯受到的轴向力FZ如果还是按照静压力pA计算，必须加上一个修正量，即稳态液动力Fy，其方向指向阀口关闭的方向，如图2(c)所示.其中，轴向合力FZ数值可根据流体仿真得出，进而算出液动力Fy.阀芯带锥角的结构虽然在阀口结构上有区别，但是分析方法与此类似，不再赘述.3.1 锥阀口通流面积的计算通过阀口的流量方程[1]为式(1)中：Q为通过阀口流量；αD为流量系数(文中取0.7)；A为通流面积；Δp为阀口前后压差；ρ为油液密度.根据式(1)可以推出通流面积，即将直动式比例溢流阀的相关数据带入式(2)，计算得出最大通流面积A为3.59 mm2.故比例溢流阀的通流面积在0～3.59 mm2之间变化.由于在相同的通流面积与阀口压差时，稳态液动力的大小仅和阀口结构(阀座或阀芯锥角)有关，因此，为方便计算选取A为3 mm2.3.2 网格模型的建立1) 阀座带锥角的滑锥阀通流面积[1]为式(3)中：A(x)为阀口通流面积；x为阀口开度；β为阀座半锥角；Dx为阀芯直径. 在已知阀口通流面积为3 mm2,阀座半锥角β的情况下，反推式(3)可得阀口开度x 为一个一元二次方程，即由式(4)可得不同阀座锥角对应的阀口开度，如表1所示.2) 阀芯带锥角的通流面积[1]为在已知阀口通流面积为3 mm2,阀芯半锥角β的情况下，反推式(5)可得阀口开度x 的计算公式，即由式(6)可计算出不同阀芯半锥角对应的阀口开度.文中仅选取几个比较特殊的角度，如表2所示.根据表1，2的阀座锥角和阀口开度，利用Pro/E对直动式比例溢流阀内部流场进行三维实体建模.采用CFD前处理软件Gambit进行网格的划分及边界条件的设定.阀座锥角与阀芯锥角为30°时的网格划分截面图，如图3所示.3.3 计算条件设置为了保证结果的准确性及可比性，锥角为唯一变量，其他条件保持一致.模型的边界条件为压力进口及压力出口，进口压力为31.5 MPa，出口压力设置1 MPa背压；流体为不可压缩牛顿流体，流动状态为紊流，采用标准的k-ε湍流模型；流动介质为液压油，密度为870 kg·m-3，动力粘度为0.0261 Pa·s.采用CFD后处理软件Fluent进行数值求解.迭代结束后，残差收敛曲线平滑收敛，说明仿真的结果是可信的[8].比例溢流阀仿真压力图，如图4所示.由图4可知：当相同的阀口通流面积时，锥角变化会导致阀口压力分布发生变化，液体流动所产生的液动力也发生变化；比较阀座半锥角为30°，50°的压力图，压力场的变化较大，而阀芯带锥角的压力场则变化很小.利用Fluent的Force Report 功能计算各个仿真结果中阀芯受到的轴向力.通过进一步计算可以得出阀座半锥角从25°～50°的变化，以及阀芯半锥角从27.5°～42.5°的稳态液动力，如图5所示.由图5可以得到以下3点结论.1) 在相同锥角的情况下，阀座带锥角的结构比阀芯带锥角的结构稳态液动力降低了35%～60%；通过对2种结构分析可知：在流动时，液体作用在阀座锥角上的轴向力会反作用于阀芯，阀座反作用力的方向为阀口打开的方向，这与稳态液动力的方向相反，故可以抵消一部分液动力；而对于阀芯带锥角的结构，则无反作用力存在，因而在相同条件下，阀座带锥角结构的液动力会小于阀芯带锥角的结构.2) 对于阀座带锥角阀口，锥角的变化对稳态液动力的影响较大.当阀座半锥角从25°增加到30°时，稳态液动力随着半锥角的增大而减小；而当阀座半锥角从30°增加到50°时，稳态液动力随着半锥角的增大而增大.在30°时，稳态液动力出现最小值，由此推断：对阀座带锥角的结构，30°是最佳阀座半锥角.这与常用的阀芯锥角角度相吻合，说明所采用的理论分析和数值计算方法是准确的.3) 对于阀芯带锥角阀口，锥角的变化对稳态液动力的影响比较小.当阀座半锥角从27.5°增加到32.5°时，稳态液动力随着半锥角的增大而减小；当阀座半锥角从32.5°增加到42.5°时，稳态液动力随着半锥角的增大而增大.在此过程中，液动力在阀座锥角为32.5°时出现了最小值.因此，对于阀芯带锥角的结构，32.5°是其最佳半锥角，而不是常用的30°，但其最小稳态液动力是阀座带锥角的2.43倍.通过仿真分析，可以获得以下5点结论.1) 在相同锥角的情况下，阀座带锥角的结构比阀芯带锥角的结构稳态液动力减小了35%～60%.因此，在结构设计时应优先选择阀座带锥角的结构．2) 在相同条件下，阀座半锥角为30°时，阀芯所受稳态液动力最小为24.41 N；阀芯半锥角为32.5°时，阀芯所受稳态液动力最小为59.37 N．3) 当阀芯带锥角时，对稳态液动力的影响较小.4) 数值仿真结果与经验值相吻合，说明对稳态液动力的分析方法和所建立数值仿真模型是准确可信的．5) 阀芯带锥角的阀口结构的最佳锥角是32.5°．【相关文献】[1] 何晓晖,孙宏才,程健生,等.基于动网格的液压阀阀芯启闭中的液动力分析[J].解放军理工大学学报：自然科学版,2011,12(5):491-495.[2] 张海平.纠正一些关于稳态液动力的错误认识[J].液压气动与密封,2010(9):10-15.[3] 郭津津,解宁,刘杰，等.基于FLUENT的滑阀液动力研究及结构分析[J].机械工程文摘,2011(6):50-54.[4]AMIRIANTE R,DEL VESCOVO G,LIPPOLIS A.Flow forces analysis of an open center hydrauli c directional control valve sliding spool[J].Energy Conversion and Management,2006,47(1) :114-131[5]AMIRIANTE R,MOSCATELLI B P G,CATALANOL A.Evaluation of the flow force on a direct (single stage) proportional value by means of a computational fluid dynamic 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5.1.3 阀芯驱动与阀芯运动阻力 Spool Driving and Spool Resistance in Movement驱动阀芯的方式有手动(Manually-actuated)、机动(Mechanically-actuated)、电磁驱动(Solenoid-actuated)、液压驱动(Hydraulic Pressure-actuated )等多种。

其中手动最简单，电磁驱动易于实现自动控制，但高压、大流量时手动和电磁驱方式常常无法克服巨大的阀芯阻力(Resistance)，这时人们不得不采用液压驱动方式。

稳态时，阀芯运动的主要阻力为：液压不平衡力，稳态液动力（Steady-hydrodynamic Force ，i.e. Bernoulli Force ），摩擦力(Frictional Force)（含液压卡紧力）；动态时还有瞬态液动力，惯性力(Inertia Force)等。

若阀芯设计时静压力不平衡，高压下阀芯可能无法移动，因此阀芯设计时尽可采取静压力平衡措施，如在阀芯上设置平衡活塞。

阀芯静压力平衡后，阀芯的稳态液动力和液压卡紧力又成为主要矛盾，高压、大流量时阀芯稳态液动力和液压卡紧力可达数百至数千牛，手动时感到十分吃力。

（1）作用在圆柱滑阀上的稳态液动力液流经过阀口时，由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到附加的作用力。

在阀口开度一定的稳定流动情况下，液动力为稳态液动力。

当阀口开度发生变化时，还有瞬态液动力作用。

限于篇幅，这里仅研究稳态液动力。

稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。

由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围，因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。

图5.7 作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力(a)流出式； (b)流入式对于某一固定的阀口开度x 来说，根据动量定理(Theorem of momentum)(参考图5.7中虚线所示的控制体积)可求得流出阀口时[见图5.7(a)]的稳态液动力为(5.5)可见，液动力指向阀口关闭的方向。

第五章 液压控制元件第一节 概述一、 液压控制阀的功能和分类表5-1列出了液压阀的分类情况。

表5-1 液压阀的分类表对液压阀的基本要求：1）结构简单、紧凑、动作灵敏，工作可靠、调节方便。

2）密封性能好、压力损失小。

3）通用性好，便于维护和安装。

二、阀口的结构形式与对应的流量公式分类 方法种 类详 细 种 类按功 能分压力控制阀溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀、卸荷阀、比例压力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力继电器等流量控制阀 节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、分流集流阀、比例流量控制阀等 方向控制阀 单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、充液阀、梭阀、比例方向控制阀等按结构分类 滑阀 圆柱滑阀、转阀、平板滑阀、 座阀 锥阀、球阀、喷嘴当板阀、射流管阀按操纵方法分类 手动阀 手把及手轮、踏板、杠杆 机动阀 挡块及碰块、弹簧、液压、气动 电动阀 电磁铁控制、伺服电机和步进电机控制 按连接方式分类管式连接 螺纹式连接、法兰式连接板式及叠加式连接 单层连接板式、双层连接板式、整体连接版式、叠加阀 插装式连接 螺纹式插装[二、三、四通插装阀]、法兰式插装、[二通插装阀]按控制方式分类电液比例阀 电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀伺服阀 单、两极（喷嘴挡板式、动圈式）、电液流量伺服阀、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、气液伺服阀、机液伺服阀 数字控制阀 数字控制压力阀、数字空制流量阀与方向阀液压阀的阀口结构形式及过流面积如表5-2所示 。

表5-2液压阀的阀口结构形式及过流面积通过各阀口的流量为三、液动力液流流经阀口时，由于流动方向和流速的变化造成液体动量的改变，阀芯会受到附加作用力，即液动力。

px A C q d ∆=2)(ρ液动力分为稳态液动力和瞬态液动力两种。

（一）稳态液动力稳态液动力指的是阀芯移动完毕，阀口开度固定之后，液流流经阀口时因动量改变而附加作用在阀芯上的力。

令负载流量为31Q Q Q L ==则有)(1L s vd L p p wx c Q -=ρ式中：w ～滑阀节流窗口面积梯度 ρ～液体密度若采用整圆周开口，则v dx A π= 即d w π= 若采用局部开口，则v wx A = 即d w π< 2、当0<v x 时有)(2222p p A c Q s d -=ρ1442p A c Q d ρ=013==Q Q根据假设条件可得4231;Q Q Q Q ==所以)(2222p p A c Q s d -=ρ4142Q p A c d ==ρ因为42A A =将21p p p s +=及21p p p L -=代入上式可得 则有)(211L s p p p +=)(212L s p p p -=则有)(1L s vd L p p wx c Q +=ρ注意：此时负载流量为负值，表明流动方向与图2.8所示方向相反。

将0>v x ，0<v x 的负载流量综合起来，有)(1L vv s vd L p x x p wx c Q -=ρ称该式为稳态特性方程。

三、无因次稳态特性方程当max ,0n v L x x p ==时有s v d p wx c Q ρ1maxmax 0=称该式为最大空载流量方程。

用最大空载流量除稳态流量可得无因次稳态特性方程。

sL v v v v l p p x x x x Q Q --=1maxmax即L vv v L p x x x Q -=1式中：L Q ～无因次负载流量 v x ～无因次阀芯位移L p ～无因次负载压降四、压力～流量特性曲线根据无因次稳态特性方程，可作出压力～流量特性曲线如图2.9所示。

4.14.1-LQ 1-Lp图2.9压力～流量特性曲线注：当s p 在一定条件下，在32:≤=L sL p p p 范围内，特性曲线的线性度较好，因此希望阀工作在该区域中。

五、稳态特性方程的线性化稳态特性方程的线性化，实质上是在某一稳态工况点上进行线性化，即在此工矿电附近，用直线代替原有的特性曲线。

溢流阀的⼯作原理及分类溢流阀的⼯作原理及分类溢流阀的⽤途溢流阀定压溢流作⽤：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。

当系统压⼒增⼤时，会使流量需求减⼩。

此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进⼝压⼒，即泵出⼝压⼒恒定（阀⼝常随压⼒波动开启）。

安全保护作⽤：系统正常⼯作时，阀门关闭。

只有负载超过规定的极限（系统压⼒超过调定压⼒）时开启溢流，进⾏过载保护，使系统压⼒不再增加（通常使溢流阀的调定压⼒⽐系统最⾼⼯作压⼒⾼10％～20％）。

作卸荷阀⽤作远程调压阀作⾼低压多级控制阀作顺序阀⽤于产⽣背压（串在回油路上）。

1、直动型溢流阀1）、锥阀式直动型溢流阀锥阀式直动型溢流阀图⽰为锥阀式直动型溢流阀。

锥阀2的左端设有偏流盘1托住弹压弹簧5，锥阀右端有⼀阻尼活塞3（阻尼活塞⼀⽅⾯在锥阀开启或闭合时起阻尼作⽤，⽤来提⾼锥阀⼯作的稳定性；另⼀⽅⾯⽤来保证锥阀开启后不会倾斜）。

进⼝的压⼒油（压⼒为P）可以由此活塞的径向间隙进⼊活塞底部，形成⼀个向左的液压⼒F=P·A（A为活塞底部⾯积）。

当作⽤在底部的液压⼒F⼤于弹簧⼒时，锥阀阀⼝打开，油液由锥阀⼝经回流⼝溢回油箱。

只要阀⼝打开，有油液流经溢流阀，溢流阀⼊⼝的压⼒就基本保持恒定。

通过调节杆4来改变调压弹簧5的预，即可调整溢流压⼒。

紧⼒Ft锥阀开启后，（5－21）式中，K、X分别为弹簧刚度和预压缩量（m）；G为阀芯⾃重（阀芯垂直安放时考虑⾃重，⽔平安放时不考虑⾃重）（N）；Ff为阀芯与阀套间的摩擦⼒（⽅向与阀芯运动的⽅向相反）（N）；F5为稳态液动⼒，由于阻尼活塞与锥阀连接处为锥⾯，且与锥阀对称，因此在锥阀开启时进油流与出油流的稳态液动⼒相互平衡，所以F5=0；Fj为射流⼒，在锥阀端部的偏流盘上开有⼀个环形槽，⽤以改变锥阀出流⼝的液流⽅向，产⽣⼀个与弹簧⼒⽅向相反的射流⼒，当通过溢流阀的流量增加时，虽然因为锥阀阀⼝增⼤引起弹簧⼒增加，但由于与弹簧⼒⽅向相反的射流⼒同时增加，结果抵消了弹簧⼒的增量，即。

第二章思考题1、为什么把液压控制阀称为液压放大元件？答：因为液压控制阀将输入的机械信号（位移）转换为液压信号（压力、流量）输出，并进行功率放大，移动阀芯所需要的信号功率很小，而系统的输出功率却可以很大。

2、什么是理想滑阀？什么是实际滑阀？答： 理想滑阀是指径向间隙为零，工作边锐利的滑阀。

实际滑阀是指有径向间隙，同时阀口工作边也不可避免地存在小圆角的滑阀。

4、什么叫阀的工作点？零位工作点的条件是什么？答：阀的工作点是指压力-流量曲线上的点，即稳态情况下，负载压力为p L ，阀位移x V 时，阀的负载流量为q L 的位置。

零位工作点的条件是 q =p =x =0L L V 。

5、在计算系统稳定性、响应特性和稳态误差时，应如何选定阀的系数？为什么？ 答：流量增益q q =x LVK ∂∂，为放大倍数，直接影响系统的开环增益。

流量-压力系数c q =-p LLK ∂∂，直接影响阀控执行元件的阻尼比和速度刚度。

压力增益p p =x LVK ∂∂，表示阀控执行元件组合启动大惯量或大摩擦力负载的能力 当各系数增大时对系统的影响如下表所示。

7、径向间隙对零开口滑阀的静态特性有什么影响？为什么要研究实际零开口滑阀的泄漏特性？答：理想零开口滑阀c0=0K ，p0=K ∞，而实际零开口滑阀由于径向间隙的影响，存在泄漏流量2cc0r =32WK πμ，p0c K ，两者相差很大。

理想零开口滑阀实际零开口滑阀因有径向间隙和工作边的小圆角，存在泄漏，泄漏特性决定了阀的性能，用泄漏流量曲线可以度量阀芯在中位时的液压功率损失大小，用中位泄漏流量曲线来判断阀的加工配合质量。

9、什么是稳态液动力？什么是瞬态液动力？答：稳态液动力是指，在阀口开度一定的稳定流动情况下，液流对阀芯的反作用力。

瞬态液动力是指，在阀芯运动过程中，阀开口量变化使通过阀口的流量发生变化，引起阀腔内液流速度随时间变化，其动量变化对阀芯产生的反作用力。

习题1、有一零开口全周通油的四边滑阀，其直径-3d=810m ⨯，径向间隙-6c r =510m ⨯，供油压力5s p =7010a P ⨯，采用10号航空液压油在40C 。

摘要:在液压传动系统中，液流的压力是最基本的参数之一，执行元件的输出力或输出扭矩的大小，主要由供给的液压力所决定。

为了对油液压力进行控制，并实现和提高系统的稳压、保压、减压、调压等性能或利用压力变化实现执行机构的顺序动作等，根据油液压力和控制机构弹簧力相平衡的工作原理，人们设计制造了各种压力控制阀。

在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。

关键词:电液比例溢流阀工作原理结构设计1绪论液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。

液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%-20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。

液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向、压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。

2比例溢流阀的结构设计溢流阀的基本功用是：当系统的压力达到或超过溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一些，以维持系统压力近于恒定，防止系统压力过载，保障泵、阀和系统的安全，此时的溢流阀常称为安全阀或限压阀。

①工作原理:设弹簧预紧力为Ft，活塞底部面积为A则：当PA<Ft 时，阀口关闭。

当PA=Ft时，阀口即将打开。

当PA>Ft时，阀口打开，P→T，稳压溢流或安全保护。

②调压原理：调节比例电磁铁的输出力，便可调节溢流阀调整压力。

③特点：可知这种阀的进口压力P不受流量变化的影响，被力P变化很小，定压精度高。

但由于Ft直接与PA平衡，若P较高，Q较大时，电磁力就相应地较大，且Ft略有变化，p变化较大，所以一般用于低压小流量场合。

3溢流阀主要参数设计溢流阀工作时，随着溢流量的变化，系统压力会产生一些波动，不同的溢流阀其波动程度不同。

因此一般用溢流阀稳定工作时的压力-流量特性来描述溢流阀的动、静态特性。

第一章知识点1、液压传动的主要特点是靠密闭工作强的容积变化来进行工作的,它通过液体介质的压力能来进行能量的转换和传递;2、液压传动系统的共有特征：力的传递、运动的传递、液体压力能;3、液压传动的基本特征：（1）以液体为工作介质,依靠处于密封工作容积内的液体压力来传递能量；（2）液体压力的高低取决于负载；（3）负载运动速度的大小取决于流量；（4）压力和流量是液压传动中最基本、最重要的两个参数;4、液压传动系统由动力元件液压泵、执行元件液压缸、液压马达、控制元件压力阀、流量阀、方向阀和辅助元件油箱、指示仪表四部分构成;第二章1、液体的可压缩性：液体的体积岁压力的增大而减小的特性,通常用体积压缩系数β来表示;2、液体压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量K；由于空气的可压缩性很大,因此当液压油中混入气泡时K值将减小,β将增大3、液体在静止状态下不呈现粘性,只是在液体具有相对运动时才体现出来;4、常用的粘度有动力粘度,运动粘度和相对粘度三种;5、运动粘度是划分液压油牌号的依据,液压油的牌号是该液压油在40℃时运动粘度的平均值;6、液压油的温度升高,其粘度降低；液压油压力升高,其粘度升高;7、静压力：静止液体内所受法向压应力;8、各种压力之间关系：1真空度=大气压力-绝对压力2绝对压力=大气压力+表压力相对压力9、理想液体：既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体;10、恒定流动：液体流动时,如果液体中任一点处的压力、速度和密度等物理量都不随时间而变化,则液体的这种流动称为恒定流动;11、流线：流线是指某一瞬时在流场中假设的一条曲线,该曲线上每一点的切线方向都与该点上的流体质点方向重合;12、在流场中,如果流线间的夹角很小及流线曲率半径很大,那么这种流动称为缓变流动;13、在流场中任取一非流线的封闭曲线,从曲线上的每一点作流线而组成的管状曲面称为流管;14、流管中的流体称为流束;当流管截面无限缩小趋近于零时,则称为微小流束,微小流束截面上各点处的流速可以认为是相等的;15、连续性方程质量守恒原理、伯努利方程能量守恒原理、动量方程动量守恒原理;16、动能修正系数α在紊流时取1,在层流时取2；动量修正系数β在层流时取4/3,在紊流时取1;17、实际液体的伯努利方程应用时应该注意1截面1、2上的流动应为缓变流,但两截面间的流动不必一定为缓变流;2z和p应为通流截面的同一点上的两个参数,为方便起见,一般将这两个参数定在通流截面的轴心处;18、降低液压泵吸油口的真空度方法：增大吸油管直径、缩短吸油管长度、减少局部阻力、降低吸油高度;19、层流：流体呈平行流动或分层流动,没有流体质点的横向运动的流动称为层流;20、紊流：液体质点的流动为互相错杂交换的紊乱状态,这种流动称为紊流;21、雷诺数是用来判别实际液体的流动状态的；如果液体的实际雷诺数小于临界雷诺数则为层流,反之为紊流;22、液压冲击现象：在液压系统中,因某些原因会使液体的压力在一瞬间突然升高,产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击;危害：损坏密封装置、管道和液压元件,引起震动和噪声,有时会使某些液压元件产生错误动作,造成事故;23、气穴现象:在液压系统中,当液体压力低于该温度下的空气分离压时,溶解在液体中的空气将会突然地从液体中分离出来,产生大量气泡,这种现象称为气穴现象;24、减少气穴和气蚀的危害的措施：1减小阀口径或缝隙前后的压差,使其压力比P1/P2<3..5;2降低液压泵的吸油高度、适当增大吸油管内径、限制吸油管内液体的流速、尽量减少吸油管路中的压力损失；对自习能力较差的泵采用辅助泵供油;3对容易产生气蚀的元件,采用抗气蚀能力强的金属材料,增加元件的机械强度;4各元件的连接处要有良好的密封,防止空气进入;第三章1、液压泵正常工作需具备的基本条件是：1结构上能实现具有密封性的工作腔；2工作腔能周而复始的增大和减小,当它增大时与吸油口相连,减小时与排油口相连；3吸油口与排油口不能直通；4吸油过程中油箱必须和大气相通;2、液压传动系统中常用的液压泵有：外啮合齿轮泵、双作用叶片泵、变量叶片泵、轴向柱塞泵、螺杆泵;3、齿轮泵的径向力不平衡是怎么产生的会带来什么后果消除径向力不平衡的措施有哪些产生原因：1液体压力产生的径向力;这是由于齿轮泵工作时,压油腔的压力高于吸油腔的压力,并且齿顶圆与泵体内表面存在径向间隙,油液会通过间隙泄漏,因此从压油腔起沿齿轮外缘至吸油腔的每一个齿间内的油压是不同的,压力逐渐递减;2齿轮传递力矩时产生的径向力;这一点可以从被动轴承早期磨损得到证明,径向力的方向通过齿轮的啮合线,使主动齿轮所受合力减小,使被动齿轮所受合力增加;3困油现象产生的径向力,致使齿轮泵径向力不平衡现象加剧;造成后果：齿轮泵由于径向力不平衡,把齿轮压向一侧,使齿轮轴受到弯曲作用,影响轴承寿命,同时还会使吸油腔的齿轮径向间隙变小,从而使齿轮与泵体内产生摩擦或卡死,影响泵的正常工作;解决措施：1有些齿轮采用开压力平衡槽2有些齿轮采用缩小油腔以减小液压力对齿顶部分的作用面积来减小径向不平衡力,所以泵的排油口直径比吸油口直径要小;4、分析限压式叶片泵的压力-流量曲线,并说明改变AB段的上下位置,BC段的斜率和拐点B的位置的方法答：改变定子和转子的偏心距,可以改变泵的最大输出流量,即使曲线AB段上下平移；改变弹簧刚度可以改变BC段斜率,弹簧刚度增大斜率减小,刚度减小斜率增大；改变弹簧预紧力的大小可以改变Pc的大小,从而使曲线拐点左右平移;第四章1、液压元件是将液体的压力能转换成机械能输出的装置;其中液压缸主要输出直线运动和力；液压马达主要输出连续旋转运动和转矩;2、液压缸的分类：按照其作用方式分为单作用和双作用两种；按照其结构特点可以分为活塞式、柱塞式、摆动式;3、双活塞杆式液压缸：按固定方式可分为缸筒固定式和活塞杆固定式；按缸杆的数目可分为双杆和单杆；当两活塞杆直径相同,供油压力和流量不变时,其在两个方向上的运动速度和推力都相等,可认为两边的运动参数对称;该液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合;4、单活塞杆式液压缸：由于活塞在两缸的作用面积不同,当压力和流量都不变时两个方向上的运动速度和推力都不相等;活塞杆直径越小,速度比越接近1,液压缸在两个方向上的速度差就越小;5、摆动式液压缸可分为单叶片和双叶片两种,其中单叶片的输出转矩是双叶片的二分之一,转速是双叶片的二倍;6、常用的密封件有O形、V形和Y形密封圈三种;7、缓冲装置：当液压缸所驱动负载质量较大、速度较高时为避免在行程终端发生过大的机械碰撞,导致液压缸损坏而设立的装置;工作原理：当活塞或缸筒接近行程终端时,在排油腔内增大回油阻力,从而降低缸的运动速度,避免活塞与缸盖相撞;8、液压缸的主要尺寸有三个：缸筒内径D,活塞杆外径d,缸筒长度L;9、液压马达：额定转速高于500r/min的属于告诉液压马达,其转速快,转矩小；额定转速低于500r/min的属于低速液压马达,其转速慢转矩大;高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式；低速液压马达的基本形式是径向柱塞式,低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低;液压马达按其结构类型可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式等;10、液压马达的实际流量总是大于它的理论流量;第五章1、稳态液动力：指在阀口开度一定的稳定流动下,液流流过阀口时,因流体动量变化而作用在阀芯上的附加作用力;2、例题1.液压传动是以液体为传动介质,利用液体的压力能来实现运动和动力传递的一种传动方式;2.液压传动必须在密闭的容器内进行,依靠液体的压力来传递动力,依靠流量来传递运动;3.液压传动系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质五部分组成;4.在液压传动中,液压泵是动力元件, 它将输入的机械能转换成压力能,向系统提供动力;5.在液压传动中,液压缸是执行元件, 它将输入的压力能转换成机械能;6.各种控制阀用以控制液压系统所需要的油液压力、油液流量和油液流动方向,以保证执行元件实现各种不同的工作要求;7.液压元件的图形符号只表示元件的功能,不表示元件结构和参数,以及连接口的实际位置和元件的空间安装位置和传动过程;8.液压元件的图形符号在系统中均以元件的常态位表示;1.液压传动不易获得很大的力和转矩; ×2.液压传动装置工作平稳,能方便地实现无级调速,但不能快速起动、制动和频繁换向; ×3.液压传动与机械、电气传动相配合时, 易实现较复杂的自动工作循环; √4.液压传动系统适宜在传动比要求严格的场合采用; ×。

单选1.三凸肩和四凸肩的的四通阀(导向性好 )，是常用的结构形式。

2. 对于滑阀来说，由于射流角θ总是小于90°，所以稳态液动力的方向总是指向（使阀口关闭的方向）。

3. 实际零位开口阀的零位压力增益主要取决于阀的（径向间隙值），而与阀的面积梯度无关。

4. 当采用定量泵加溢流阀作液压能源时，定量泵的供油流量应等于或大于阀的最大负载流量qLmax (即阀的最大空载流量q0m )。

阀在最大输出功率时的系统最高效率为（38.5%）。

5. 如果采用变量泵供油时，由于变量泵可自动消节其供油流量qs来满足负载流量qL的要求，因此qs=qL。

阀在最大输出功率时的最高效率为（66.7%）6. 正开口四边滑阀的空载稳态液动力是零开口四边滑阀的（两倍）。

7. 在电液伺服阀中，由于受力矩马达输出力矩的限制，稳态液动力限制了单级伺服阀的输出功率，实用的解决方法是（使用两级伺服阀），利用第一级阀提供一个足够大的力去驱动第二级滑阀。

8. 用实验方法确定实际零开口滑阀的中位特性时。

如果使阀芯处于阀套的中间位置不动，改变供油压力ps,，测量出相应的泄漏流量qc，可得（中位泄露量曲线）。

9. 用实验方法确定实际零开口滑阀的中位特性时，在供油压力ps一定时，改变阀芯位移xv，测出泄漏流量ql,可得（泄露流量曲线）10. 用实验方法确定实际零开口滑阀的中位特性时，需要将负载通道关闭，在负载通道和供油口分别接上（压力表），在回油口接流量计或量杯。

11. 只有当负载压力pL =常数时，稳态液动力才与阀的开口量xv成比例关系。

当负载压力pL变化时，稳态液动力将呈现出（非线性）。

12. 在电液伺服阀中，由于受力矩马达输出力矩的限制，（稳态液动力）限制了单级伺服阀的输出功率，实用的解决方法是使用两级伺服阀，利用第一级阀提供一个足够大的力去驱动第二级滑阀。

13. 中位泄漏流量曲线除可用来判断阀得加工配合质量外，还可用来确定阀的（零位流量-压力系数）。