溢流閥與順序閥典型工程應(yīng)用的對比分析

裴 杰，馮 懷

(1.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.四川藍(lán)海智能裝備制造有限公司，四川 成都 610000)

作為控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力、載荷的元件，溢流閥和順序閥在液壓傳動中有著特殊重要的作用.針對其原理、結(jié)構(gòu)方面在很多學(xué)術(shù)論文中都有相關(guān)的分析和闡述[1-7]，而在工作特性對比分析方面不夠詳實(shí)，對實(shí)際應(yīng)用中兩種閥的工作狀況缺乏指導(dǎo).本文從溢流閥和順序閥的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及典型應(yīng)用著手，分析兩種壓力閥的基本區(qū)別，為實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 工作原理對比分析

1.1 直動式溢流閥與順序閥工作原理對比

如圖1所示，直動式溢流閥工作原理是：當(dāng)進(jìn)油口P接入壓力油路，壓力油經(jīng)阻尼孔R1作用于閥芯3，與同時(shí)作用于閥芯3的調(diào)壓彈簧2相平衡.當(dāng)進(jìn)口壓力p小于調(diào)壓彈簧2的調(diào)節(jié)壓力時(shí)，閥芯3在調(diào)壓彈簧2的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，P口與T口不通，此時(shí)，溢流閥不起調(diào)壓作用，起到限壓與安全保護(hù)作用.當(dāng)進(jìn)口壓力p大于調(diào)壓彈簧2的調(diào)節(jié)壓力時(shí)，閥芯4在進(jìn)口壓力p的作用下，閥芯3開啟，P口與T口相通，溢流閥處于溢流狀態(tài).其中，阻尼孔R1起到阻尼衰減作用，使閥芯能快速穩(wěn)定.

如圖2所示，直動式順序閥工作原理與直動式溢流閥工作原理相同，均是P口壓力p與調(diào)壓彈簧2的調(diào)節(jié)壓力平衡，從而控制閥芯3的啟閉，實(shí)現(xiàn)油口P與油口A通斷.因順序閥與溢流閥的使用場合不同，調(diào)壓彈簧2的彈簧腔泄油方式存在不同，其區(qū)別在后面的典型應(yīng)用中會詳細(xì)闡述.圖2為內(nèi)控外泄式直動式順序閥的工作原理圖及圖形符號.

圖1 直動式溢流閥工作原理圖及圖形符號

圖2 直動式順序閥工作原理圖及圖形符號

1.2 先導(dǎo)式溢流閥與順序閥工作原理對比

如圖3所示，先導(dǎo)式溢流閥工作原理是：壓力油從A口進(jìn)入后，一路進(jìn)入主閥閥芯5下端，另一路經(jīng)阻尼孔R3作用在先導(dǎo)閥的錐閥閥芯3上，該油路同時(shí)經(jīng)阻尼孔R4作用在主閥閥芯5的上端.當(dāng)壓力油的壓力p小于先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧2時(shí)，錐閥閥芯3關(guān)閉.此時(shí)阻尼孔R3前后壓力相等，即主閥閥芯5上、下端壓力相等，則主閥閥芯5在主閥彈簧4的作用下處于關(guān)閉狀態(tài).當(dāng)壓力油的壓力p大于先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧2時(shí)，錐閥閥芯3打開.此時(shí)壓力油經(jīng)阻尼孔R3、錐閥閥芯3、回油口B回油箱，則阻尼孔R3產(chǎn)生壓降，使主閥閥芯5上端的壓力小于下端壓力，當(dāng)此壓差產(chǎn)生的作用力大于主閥彈簧4的作用力時(shí)，主閥閥芯5上移，打開主閥芯溢流，使油口A與油口

圖3 先導(dǎo)式溢流閥工作原理圖及圖形符號

B相通，油液流回油箱，溢流閥實(shí)現(xiàn)溢流.其中，阻尼孔R4起到阻尼衰減作用，提高溢流閥的工作穩(wěn)定性.

如圖4所示，先導(dǎo)式順序閥的工作原理與先導(dǎo)式溢流閥工作原理相同，均是通過進(jìn)口壓力p與先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧2相平衡，控制先導(dǎo)閥錐閥閥芯3的啟閉，從而阻尼孔R5產(chǎn)生壓差，控制主閥閥芯1的啟閉，實(shí)現(xiàn)油口A與油口B的通斷，達(dá)到閥的工作目的.因順序閥與溢流閥的使用場合不同，調(diào)壓彈簧2的彈簧腔泄油方式存在不同，其區(qū)別在后面的典型應(yīng)用中5會詳細(xì)闡述.

圖4 先導(dǎo)式順序閥工作原理圖及圖形符號

1.3 工作原理對比分析結(jié)論

從原理分析可知，溢流閥、順序閥的工作原理分析均是定性的分析兩種壓力控制閥的控制原理，不管是直動式還是先導(dǎo)式，其工作原理完全相同，均是通過進(jìn)口壓力控制主閥閥芯開啟，實(shí)現(xiàn)進(jìn)油口與出油口的通斷，達(dá)到閥正常工作的目的.但因兩種壓力閥的應(yīng)用場合不同，調(diào)壓彈簧腔的卸荷方式存在不同.

2 基于溢流閥、順序閥應(yīng)用的結(jié)構(gòu)對比分析

根據(jù)溢流閥、順序閥不同應(yīng)用場合，從結(jié)構(gòu)上分析兩種壓力閥的區(qū)別.

2.1 溢流閥、順序閥基本應(yīng)用的結(jié)構(gòu)區(qū)別

溢流閥的基本應(yīng)用是穩(wěn)定系統(tǒng)壓力、防止系統(tǒng)過載等作用，溢流閥一般并聯(lián)安裝在液壓系統(tǒng)中，也可串聯(lián)在回油油路中作背壓閥用(如圖5所示)，故溢流閥一般都是內(nèi)控內(nèi)泄式.而順序閥安裝位置比較靈活，即可串聯(lián)安裝在油路中作順序動作用或平衡閥用，也可并聯(lián)安裝在油路中作卸荷閥使用，對應(yīng)的控制及泄油形式也有多種，有內(nèi)控內(nèi)泄式、內(nèi)控外泄式、外控內(nèi)泄式、外控外泄式四種(如圖6所示)，順序閥應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的控制方式及泄油方式.即，溢流閥、順序閥的不同種控制方式及泄油方式是由實(shí)際工況需求決定的，并不是順序閥本身的結(jié)構(gòu)特性.

圖5 溢流閥、順序閥典型應(yīng)用回路

圖6 順序閥的圖形符號

如圖5所示，溢流閥3為直動式溢流閥，調(diào)節(jié)彈簧2剛度較大，壓力穩(wěn)定性較差，一般作為安全閥使用；溢流閥4為先導(dǎo)式溢流閥，調(diào)壓彈簧2剛度較低，壓力穩(wěn)定性較高；故可知溢流閥3為防止系統(tǒng)過載的安全閥，溢流閥4起到動態(tài)穩(wěn)壓作用，溢流閥5起背壓作用.而順序閥7串聯(lián)在油路中使用，起順序動作作用，但要求其工作效率高，即工作時(shí)順序閥前后壓差較??；故在順序閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮先導(dǎo)閥的錐閥閥芯一旦打開，則主閥閥芯處于全開狀態(tài)，保證順序閥前后壓差最小，且不受出口壓力的影響，即順序閥具有開關(guān)閥的特點(diǎn)；這是順序閥與溢流閥最基本的區(qū)別.

2.2 遠(yuǎn)程控制溢流閥與外控順序閥結(jié)構(gòu)區(qū)別

先導(dǎo)式溢流閥還有一些常見的應(yīng)用擴(kuò)展，即與其它液壓閥連接可得到不同功能的液壓閥.如圖7所示，與電磁換向閥組合成電磁溢流閥；如圖8所示，與直動式溢流閥組合成多級壓力調(diào)節(jié)回路.

圖7 電磁溢流閥工作原理圖及圖形符號

圖8 多級壓力調(diào)節(jié)回路

從圖7、圖8可知，并聯(lián)接入的元件均是通過控制阻尼孔R3前后的壓差來控制主閥閥芯5啟閉，從而控制溢流閥的進(jìn)口壓力的大小.在結(jié)構(gòu)上來看，并聯(lián)接入的元件進(jìn)口油路均直接或間接與主閥進(jìn)口油路相通，沒有第二控制油源.

如圖9所示，外控式順序閥的外控油路與主油路分開，且外控方式需引入第二控制油源.

圖9 外控順序閥工作原理圖及圖形符號

2.3 特殊應(yīng)用的溢流閥、順序閥特殊結(jié)構(gòu)

在液壓系統(tǒng)中，為滿足實(shí)際工況需求，溢流閥、順序閥一般有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8-10].

2.3.1 不同平衡需求工況下順序閥特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖10所示，在固定負(fù)載的平衡回路中，單向順序閥4用于平衡重物下行運(yùn)動過程中的固定重量的貨物，防止油缸5爬行；同時(shí)，重物停止在油缸的任意位置時(shí)，需要防止重物因泄露緩慢下降，故要求單向順序閥4的主閥閥芯結(jié)構(gòu)為錐形閥芯，密封效果好.故在圖10的平衡回路中，單向順序閥4既起到背壓作用，平衡固定負(fù)載，防止下行過程中的爬行，又起到保壓作用，防止重物在停止時(shí)因泄露下落；這就要求主閥閥芯結(jié)構(gòu)為錐形，保證具有良好的密封性能.

圖10 固定負(fù)載的平衡回路

圖11 變負(fù)載的平衡回路

如圖11所示，混凝土泵車臂架液壓系統(tǒng)中，單向順序閥4平衡變負(fù)載時(shí)，一般采用外控型順序閥，在整個(gè)平衡過程中，降低順序閥的壓降，提高平衡回路的工作效率.同時(shí)，為提高臂架展開或收臂時(shí)的穩(wěn)定性，哈威設(shè)計(jì)了LHDV型專用平衡閥(圖12所示)，增加了一組阻尼裝置，提高主閥閥芯啟閉時(shí)的穩(wěn)定性，可以有效降低因主閥閥芯啟閉引起的整機(jī)振動.

2.3.2 保壓回路中溢流閥的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖12所示，在臂架展開或收臂時(shí)，臂架因啟動或停止的慣性量較大，易使液壓系統(tǒng)瞬間壓力超過系統(tǒng)安全壓力，從而導(dǎo)致掉臂等安全事故，故在LHDV型閥4中增加了溢流閥6、溢流閥7，起到安全閥的作用[11,12].但臂架展開后施工時(shí)要求臂架油缸5保壓，故要求溢流閥6、溢流閥7在保壓過程中不允許泄露，則要求該閥設(shè)計(jì)時(shí)主閥

閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu)形式，保證泵車施工時(shí)臂架的穩(wěn)定性.

圖12 基于LHDV型平衡閥的平衡回路

2.3.3 兩種雙泵供油回路的差異性分析

如圖13(a)、(b)所示，泵1為高壓小流量，泵2為低壓大流量，當(dāng)油缸7的負(fù)載壓力低于外控順序閥4或溢流閥5-2的設(shè)定壓力時(shí)，油缸7在泵1和泵2的共同作用下處于快速運(yùn)動狀態(tài)；當(dāng)油缸7的負(fù)載壓力大于外控順序閥4或溢流閥5-2的設(shè)定壓力時(shí)，泵2經(jīng)外控順序閥4卸荷或經(jīng)溢流閥5-2溢流，油缸7在泵1的作用下處于慢速運(yùn)動狀態(tài)；系統(tǒng)工作壓力由溢流閥5或溢流閥5-1調(diào)定.但在回路(a)中，外控順序閥4使泵2卸荷，泵2不產(chǎn)生過多的熱量；而在回路(b)中，溢流閥5-2使泵2溢流，泵2產(chǎn)生溢流熱量；一般工程應(yīng)用中，采用外控順序閥作為雙泵回路的卸荷閥，詳見圖13(a).

圖13 雙泵合流液壓系統(tǒng)

2.4 順序閥、溢流閥的結(jié)構(gòu)對比結(jié)論

從上述應(yīng)用案例分析來看，不同的工況需求選擇不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)元件，具體如下：

(1) 兩種閥基本應(yīng)用的結(jié)構(gòu)區(qū)別.溢流閥、順序閥的不同種控制方式及泄油方式是由實(shí)際工況需求決定的，并不是順序閥本身的結(jié)構(gòu)特性.另外，溢流閥具有一定的伺服特性，起到動態(tài)穩(wěn)定進(jìn)口壓力的作用，而順序閥在順序動作回路中具有開關(guān)閥的特點(diǎn)，即定壓開啟作用.

(2) 從結(jié)構(gòu)上來看，遠(yuǎn)程控制溢流閥通過遠(yuǎn)程控制口并入其他元件進(jìn)行組合，且并聯(lián)接入的元件進(jìn)口油路均直接或間接與主閥進(jìn)口油路相通，沒有第二控制油源；而外控順序閥的外控油路與主油路分開，且外控方式需引入第二控制油源.

(3) 為適應(yīng)不同工作環(huán)境，溢流閥、順序閥均會在結(jié)構(gòu)中作出特別的改進(jìn)；如平衡重物時(shí)需保壓，則主閥閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu).

(4) 在雙泵供油回路中，外控順序閥具有卸荷功能；若直接用溢流閥代替，則系統(tǒng)沒有卸荷功能，導(dǎo)致系統(tǒng)油溫異常上升.

3 串聯(lián)油路中溢流閥、順序閥結(jié)構(gòu)特性分析

在一些工程設(shè)備中，為了簡化液壓系統(tǒng)，采用串聯(lián)方式連接多個(gè)負(fù)載，每個(gè)負(fù)載均選用疊加式溢流閥作為安全閥，如圖14(a)所示混凝土泵送液壓系統(tǒng)冷卻清洗輔助回路.

圖14 混凝土泵送液壓系統(tǒng)冷卻清洗輔助回路

為分析方便，將圖14(a)中的溢流閥2-1轉(zhuǎn)化成溢流閥工作原理圖形式，如圖14(b)所示.設(shè)定溢流閥調(diào)節(jié)壓力pY1、pY2均為6 MPa，p1、p2分別為風(fēng)扇馬達(dá)4-1、清洗馬達(dá)4-2的負(fù)載壓力.從圖中可知，溢流閥的調(diào)節(jié)彈簧腔壓力為清洗馬達(dá)4-2的負(fù)載壓力P2，此時(shí)，溢流閥2-1的開啟壓力p是溢流閥2-1的調(diào)節(jié)壓力pY1和負(fù)載壓力p2之和；即，當(dāng)p2≥pY2時(shí)，溢流閥2-2打開，清洗馬達(dá)4-2的進(jìn)口壓力維持pY2壓力不變；當(dāng)p1≥pY1+p2時(shí)，溢流閥2-1打開，系統(tǒng)保持pY2+p2壓力不變.如圖14所示，若溢流閥2-1用內(nèi)控外泄式順序閥代替，且該順序閥調(diào)節(jié)壓力設(shè)定為pS2，則p1≥pS2時(shí)，該順序閥打開卸荷.

溢流閥串聯(lián)在油路中，其開啟壓力是該溢流閥的調(diào)節(jié)壓力pY1與調(diào)壓彈簧腔壓力p2之和；而調(diào)壓彈簧腔壓力p2受工況影響，故溢流閥的開啟壓力受工況影響而失去穩(wěn)定進(jìn)口壓力的能力，在工作過程中易出現(xiàn)過載等安全事故.所以，從嚴(yán)格意義上來說，溢流閥不允許串聯(lián)在油路中.

4 結(jié) 論

通過分析，溢流閥與順序閥的比較結(jié)論見表1.

表1 溢流閥與順序閥比較結(jié)論

綜上所述，溢流閥、順序閥在原理上雖然極其相似，但在應(yīng)用中應(yīng)著重從結(jié)構(gòu)上分析是否適合具體工況，如能更好的把握兩者的工作特性，可為工程技術(shù)人員對溢流閥、順序閥合理應(yīng)用及選型提供重要參考.

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