选择合适的液压流量控制阀以优化系统性能和效率指南

为了控制液压执行器（缸体或马达）的速度，必须改变其排量或执行器流速。对于标准液压缸来说，改变其排量（给定液体体积的缸体活塞移动量）的方法不可取，因为这是由缸体的制造尺寸决定的。不过，某些类型的液压马达可实现无限可变排量（在最小值和最大值之间）或双离散排量（高-低）。在这两种方案之中，最常见的是双排量马达，因为具有无限可变排量能力的马达是相对复杂（因此也更贵）的组件。即便是双排量马达，成本也明显高于同等大小的固定排量装置。

对于马达端口之间的给定压力差，更改其排量必然也会更改其扭矩输出（扭矩与压力差和排量的乘积成正比）。

因此在绝大多数应用中，执行器的速度控制都是通过改变执行器的流速来实现的。此时也存在两种替代方案，即改变泵流量或者通过流量控制阀来控制流量。改变泵流量需要使用变量泵（也是一种成本远远高于固定排量泵的组件）或者变速驱动器。在移动式设备上，柴油机泵驱动器肯定可以提供变速能力，但通常只是在相对较窄的速度范围内。工业系统中的变速电动马达现在的使用范围变得越来越广，在某些应用中，其工作效率和噪音方面表现出物 超所值的优势。

不过，当两个或更多执行器需要同时运行时，为每个执行器提供一套可变流量泵解决方案可能不太划算，因此需要使用某些分隔和控制每个执行器流量的方法，这正是流量控制阀可以执行的任务。系统设计人员之后不仅需要决定使用哪种类型的流量控制阀，还要决定其在系统中的最佳位置，即控制执行器在两个运动方向上的进口或出口流量。只是添加流量控制阀来改变执行器的速度，而不考虑其对系统其他部分的影响，有可能会导致系统效率低下，这意味着会产生热量。有人曾经说过，流量控制阀的别称是“加热器”。因此正确选择流量控制阀及其在系统中的位置对于确定应用性能和节能程度都很重要。对于长时间运行的设备，可谓差之毫厘谬以千里，所以要慎重。

在详细了解阀门选择之前，有必要回顾一个长期存在的问题，即控制执行器的进口流量还是 出口流量，亦称进口节流或出口节流流量控制。

顾名思义，进口节流流量控制通过限制进入进口的液体流量来确定执行器的速度（图1）。

图1

如果执行器的排出流量仍几乎不受限制，则执行器进口 (P1) 的压力只需根据执行器的尺寸和载荷大小就能确定，（如果是缸体，则为力除以活塞面积）。流量控制阀进口的压力一般都是整个系统的压力。如果是固定泵和溢流阀系统，执行器未使用的任何流量都必须以溢流阀全压通过溢流阀。如果要求的执行器流量明显小于泵的全流量，这很明显会带来低效和发热的问题。在这种情况下，压力补偿式变量泵可以提高系统效率，因为泵会自动将输出减少至流量控制阀设置确定的执行器所需的水平。不过，这类泵的成本远远高于简单的固定排量泵，为了减少泵流量，泵出口处的压力仍需达到补偿器全压，即使执行器此刻只有轻负载亦然。

因此，在执行器速度需要变化（一般是在手动控制的移动应用中）时，压力补偿式变量泵比固定排量泵效率更高，但如果负载也发生变化，则效率仍会相对较低（因为泵输出节流时，泵将始终在完整的补偿器设置下运行）。通过使用负载敏感变量泵还可以进一步提高效率，在这种情况下，补偿器设置由执行器负载确定。这是通过感应执行器的负载压力并通常由小直径管道将此信息传输回泵实现的。泵补偿器随后会自行调整至任意负载压力加上固定余量（通常为15-25巴（220-350 磅/平方英尺））。该固定余量可以在执行器的流量控制阀（加上系统管道等）中提供压力差以及稳定的泵控制。

当多个执行器同时运行时，最高负载压力可通过简单的换向阀或止回阀来选择，但这当然并不意味着泵出口压力将由需要最高压力的执行器来确定，这会降低轻负载执行器的工作效率。进口节流流量控制本身并不适合有负值（逃逸）负载的执行器，因为如果负载与移动的作用方向相同，限制进入执行器的流体不会影响执行器的速度。当负载通常为正值（有阻力）时，可能也需要考虑这一点，但需要将负载减速至更慢的速度或完全停止。在这种情况下，需要考虑负载质量以及作用在负载上的摩擦力来确定负载惯性的影响，从而确定在这种情况 下，进口节流控制的效果如何。

如图2所示，出口节流流量控制限制了执行器的排出流量，以控制其速度。

图2

在效率方面，并没有比进口节流控制好（但也不差）。排出流量被限制后，无论移动的负载 如何，执行器进口的压力都为系统全压（溢流阀或补偿器设置）。与之前一样，变量泵将比固定排量泵更加高效，但产生的流量压力仍明显高于负载在特定运行期间实际需要的压力。此外，无法通过出口节流控制获得与负载成比例的信号压力，从而与负载敏感泵结合使用，因此，相比进口节流控制系统，进一步提高效率的可能性变小。

与进口节流控制不同，出口节流控制可用于控制负值负载执行器的速度，因为缸体活塞只能以允许流体从缸体中逃逸的速率移动。它还能更好地控制正值负载执行器减速。

出口节流流量控制与缸体结合使用的主要问题可能是增压的可能性。最坏的情况列述于图3，出口节流流量控制用于负值负载缸体的环形侧，以控制延伸速度。

图3

在这种情况下，缸体出口处的压力等于：

（系统压力 x 活塞面积比）+ 负载压力

其中：

面积比 = 全口径面积 ÷ 环形面积

负载压力 = 重量或负载力 ÷ 环形面积

例如，比率为2:1的缸体在200巴（3000磅/ 平方英尺）的系统压力和175巴（2500 磅/平方英尺）的负载压力下运行，缸体出口处产生的压力降低后为575巴（8500 磅/平方英尺）。这意味着缸体、流量控制阀加上两者之间的软管、管道和接头的额定值至少为此压力值。有时，更换机器的软管后，这一点会被忽视或不被重视！

然而，还有第三种控制执行器速度的方法，仍是控制进口流量，但这种方法是排出泵流量中 驱动执行器所不需要的流量（图 4）。

图4

与进口节流流量控制一样，这并不适合负值负载执行器，与变量泵结合使用也不是一种明智 的方法（因为变量泵可以提供启动所需的流量）。乍看之下，这也是一种既浪费又低效的方法，但如果使用固定排量泵，过剩流量（泵流量减去执行器流量）必定会流向其他地方。对于进口节流和出口节流，过剩流量一般都会以恒定的溢流阀全压经过溢流阀。对于旁路节 流，过剩流量会以负载压力而不是溢流阀压力通过流量控制阀，这意味着当执行器轻负载运行时，产生的热量显著降低。但控制准确度可能会有损失，因为基本上是控制多余或不需要的流量。如果泵流量本身可变（由于驱动器速度波动或泵内部泄漏），则执行器流量也会变 化，从而导致速度变化。

通过标准旁路节流流量控制，过剩流量会流回水箱，因此一次只能操作一个执行器。因此，典型的应用可能是利用可变负载控制液压马达，此时，长期运行效率提高。不过，如下文所述，在过剩流量可用于操作其他机器功能， 而不只是流回储液槽时，可以使用流量控制阀。

在执行器运行速度和负载变化迥异的应用中（ 一般是在众多移动机械系统中），不仅需要考 虑最大速度和负载，还需要考虑对应的最低液位。为了最大程度地提高系统效率，通常会用到负载敏感变量泵，或在无法保证这些组件费用的情况下，使用流量控制阀，可随时通过接近负载压力要求的泵出口压力来控制流量。

确定流量控制阀在系统中的最佳位置之后，下一步就是决定需要简单的节流阀还是压力补偿 式流量控制阀。简单的节流阀就是某种可变节流器，如图5所示的针形阀。

图5

调整针的位置改变了流量穿过的区域，从而也改变了阀门的节流效果。通常包括一个提供反向流量的旁路止回阀提动头，这样阀门就能限制一个流量方向，也能让反向流量畅通无阻。在节流方向能够通过阀门的流量不仅取决于对阀门的调节，还取决于阀门中的压力差。在很小的程度上还取决于液体粘度和密度。考虑到在进口节流设置中使用的阀门，阀门中的压力差将取决于一侧的系统压力和另一侧的负载压力。假设系统压力保持不变，这意味着通过阀门的流量将随着负载压力的变化而变化。在轻负载的情况下，当负载压力较低时，阀门压降将增加，导致更高的流速和更快的速度。相反，在重负载的情况下，负载压力将增加，导致阀门压降更低，速度更慢。如果两个或更多执行器的速度需要同步（例如，在图6所示的升降平台上），简单的节流阀将无法维持恒定的执行器速度，除非负载压力相等。这意味着缸体负载和摩擦力都相等，因此平台的偏心负载有可能会导致运行不水平。

图6

但是，在很多应用中，负载和系统压力在机器运行期间不会大幅改变，前提是，速度保持并不重要，在这种情况下，简单的节流阀便能提供充分且划算的解决方案。

如果无论执行器负载如何，保持恒定的执行器速度都很重要的话，则需要使用更加精密的阀门，通常被称为压力补偿阀。这类阀门包含一个额外的提动头或阀芯（被称为“水压调节器” ），与调速节流器串联，可以感应阀门中的压力差（图 7）。

图7

水压调节器阀芯在相对较轻的弹簧（一般为8 巴/120 磅/平方英尺左右）的作用下，被弹簧偏置处于打开位置，这样一来，只要节流器中的压力差超过该值（这往往会增加通过阀门的流量），水压调节器阀芯便会开始闭合，产生额外的节流口，从而防止流量增加。因此，无论整个阀门中的压力差是多少（高于最小值），水压调节器都会自动打开和关闭，以在可变节流器中维持恒定的8巴/120 磅/平方英尺压力差。忽略液体属性本身的任何变化，这意味着无论负载或系统压力如何变化，通过阀门的流量还是会保持恒定。因此，在负载不均衡的升降平台上使用这类阀门可确保平台保持一定的水平，具体程度取决于所用阀门的准确度（图8）。

图8

很明显，对于阀门操作具有何种准确度才能保持恒定流量有实际限制，并且在非常低的压降（低于水压调节器弹簧的值）下，阀门不会补偿压力。但除非在可变条件下的速度保持绝对必不可少（需要某种形式的闭环控制），否则压力补偿流量控制一般都能充分发挥作用。

图7所示的阀门类型可用于进口节流、出口节流，在少数情况下也可用于旁路节流，以保持执行器的速度恒定（在阀门准确度的限制范围之内），即使负载或供水压力变化亦然。由于阀门仅控制一个方向的流量，通常还需要另一个阀门来控制相反方向的流量，但可以在流量控制阀中使用自由流动反向止回阀来简化回路。

如果在设备开发的原型阶段就能确定流速，则可以使用不可调节的压力补偿式流量控制阀， 这不仅能降低成本，还能确保机器的设置不会被篡改。这类阀门的流量设置可在之后的订购阶段指定。

当两个或更多执行器同时运行时，需要一种规定比例的可用流量共享途径。在某些应用中，每个执行器单独使用一个泵，例如，某些施工车辆所用的履带驱动。但一般来说，所有执行器共用一个泵，并根据需要通过旋转或阀芯式分流器分隔流量，在空间和费用上都会更加经济。旋转分流器一般包括两个或更多液压马达（通常是齿轮型），其轴以机械方式相连，因 此能够以相同的速度旋转（图9）。

图9

假设每个马达的排量都相同，这两个马达将需要等量的流体，因此进水流量将在两个马达输 出口之间按50:50的比例均分。使用不同排量的马达必然会按照与排量相同的比例来分流（如果需要的话）。分流的准确度将取决于每个马达的内部泄漏或滑移，而这又会因每个马达端口的出口压力和制造间隙、磨损情况等差异而有所不同。旋转分流器确实有优势，但如果一个输出的负载比另一个输出的轻，则这个部分产生的扭矩输出只能部分驱动另一部分，从而导致进口压力要求降低，效率稍有损失。

阀芯式分流器提供了一种备选方法，这种分流器往往更加小巧且成本更低，图10列述压力补偿阀芯式分流器的典型示例。

图10

从进口通过阀门流向每个出口的流量首先会经过 阀芯孔洞产生的固定节流口，然后再经过阀芯台肩和出口开口之间的间隙产生的可变节流口。如果两个出口的压力相同（图10A），阀芯将一直处于中间位置，两个可变节流口相同，导致每个出口的流量相等。如果一个出口的压力降低（图10B），该出口的流量就会增加，导致左端阀腔的压力降低。不平衡的阀芯随后会向左移动，部分封闭低压出口处的可变节流口，从而避免流量增加的趋势。因此，无论两个出口处的压力等级如何，阀门都将调整阀芯位置以保持两个出口的流量相等。如果需要不相等的分流（如按60:40分隔），可采用不同尺寸的固定节流孔提供此功能。

与旋转分流器不同，如果出口压力不同，进口压力必须等于最高的出口处压力加上产生内部节流口的额外压力值。流到低压出口的流量压降明显更高，这会产生热量。因此，为了保持高效运行，最好是在两个出口的压力差相对较小或者只会短暂出现大压力差的情况下使用阀芯式分流器。再次以负载不均衡的升降平台为例，无论负载位置如何，分流器都有助于保持 水平运动（图11）。

图11

此外，如果需要改变平台的运行速度，现在只需改变分流器的单个输入流量，而不是调节和同步两个压力补偿式流量控制阀的设置，如图8所示。

在同步两个缸体的运动时，必须考虑一个缸体略早于另一个缸体结束冲程（因为所有分流器 都存在一定程度的不准确性）的情况。在这种情况下，当阀芯移动到行程最左或最右侧时，两个出口的流量往往都会停止。在进口加一个顺序阀，或者在出口加一个溢流阀会很管用，可以让缸体位置在冲程结束时保持平衡。旋转型分流器也会出现相同的情况，当一个出口在低压下工作时，通常使用出口处的溢流阀来限制分流器的增压效应。

分流器也可用于车辆驱动器，以提供“差速锁”功 能。考虑到图12 所示的两轮驱动车辆，正常运行时，车轮驱动马达可以并接，这样每个马达的压降相同，从而产生相同的驱动扭矩。

图12

由于马达并没有以机械或液压方式联锁，因此也能以不同的速度转动，在车辆转弯且每个车 轮的转弯半径都不同时需要这种功能。但是，如果一个车轮失去牵引力，所有流量都会流向 驱动这个只是自由旋转的车轮的马达，并且会失去对侧车轮的驱动力。因此，在这种情况下，分流器可以切换到回路中（电磁阀通电），以确保每个车轮都能获得可用流量的一半，从而向仍有牵引力的车轮提供驱动力。

图10 所示的这类阀门仅在一个方向上分流，因此需要旁路止回阀来提供自由反向流量。如果还需要在相反方向上均匀地调节流量，可以将阀门改装成图13所示的分流器-合流器。

图13

在这种情况下，阀门包括两个扣在一起的阀芯。用作分流器时，端口1的流量推开两个阀芯，而这两个阀芯向出口端口2和3提供压力补偿流量，如上文所述。在合流器模式下， 反向流量进入端口2和3，将阀芯推到一起，在流量通过阀门并且合并流出端口1（图14） 后，反向流量再次提供压力补偿功能。

图14

优先分流器还将单股流量分成两个部分，但在这种情况下，主压力补偿输出优先于可用流量，剩余部分流到次级（旁路）出口（图15）。

图15

如果入口流量小于阀门的设置，则所有流量将流到常开优先端口。然而，当进口流量增加并且可调节流阀达到预定压降时，阀芯将朝弹簧移动，以限制优先流量进一步增加，并将过剩流量转向次级旁路端口。因此，阀门提供来自优先端口的压力补偿流量，同时将剩余流量转向旁路端口。

如果旁路端口接回水箱（如图16 所示），阀门将提供进口节流流量控制的准确度，但有可能实现更高的运行效率。

图16

如上文所述，在固定排量泵上使用流量控制阀意味着过剩流量（即，泵流量减去计量流量）必须在溢流阀全压下通过系统溢流阀。如果执行器负载较轻，这将导致系统非常低效，因为即使执行器要求适用于较低的压力，也会在溢流阀全压下产生泵的全流量。然而，使用优先分流器后，来自旁路端口的过剩流量仅在略高于负载压力的压力下就能流回水箱。在这方面，结果与使用旁路节流流量控制类似，但是与旁路节流不同的是，直接控制的是执行器流量而不是旁路节流流量，所以对变量泵流量的控制准确度也更高。因此，如果执行器上的负载会变化，分流器控制阀将在轻负载运行期间提供明显的效率优势，同时仍能保持良好的速度保持准确度。

在其他情况下，优先分流器的旁路出口可用于操作其他功能，而不是图 17 所示的接回水箱。

图17

进口流量随后被分成优先端口的恒定（压力补 偿）流量，以驱动马达，其余（未补偿）流量被引导至旁路端口，以操作缸体等组件。如果进口流量变化（例如，因泵的发动机驱动速度变化所致），则优先端口流量不会改变（前提是进口流量仍大于优先流量设置），但是旁路流量将相应地增加或减少。在某些情况下，这种阀门的动态性能也可能非常重要，即它们如何对运行条件的突然变化做出反应。在图18所示的示例中，当负载落在输送机上时，所需的马达驱动压力将突然改变。

图18

在这种情况下，分流器可能需要快速反应，才足以将优先流量维持在其设定值，即使由于泵 滑移增加或原动机驱动速度下降导致阀门进口流量骤降亦然。图19列述典型的威泰科优先分流器性能，显示了当优先端口压力从25巴突然变化到200巴左右时，优先流量如何保持几乎恒定不变。流向旁路端口的流量减少是因进口流量减少所致。如果旁路端口压力突然改变，将做出类似的响应，即对优先流量产生最小的影响。

图19

然而，如图19所示，快动阀可能容易振荡，因为阀门感应到出口压力的阶跃变化，导致执行器操作出现“颤抖”效应。因此，必须优化阀门优先流量通常适用于机器上最重要的功能或在变化条件下精确速度保持至关重要的功能。例如，优先流量输出经常用于向车辆的转向功能 提供用于次要辅助功能的旁路流量。

面对控制执行器速度的任务，液压系统设计人员有多种选择。这些选择不可避免地会涉及在设备成本、运行成本和性能之间找到最佳折衷点。每天以高性能水平运行两个生产班次的机床的要求，必然会不同于每年可能只使用两周，且精确的速度保持无关紧要的作物收割机。然而，为了做出适合任何应用的最佳选择，系统设计人员需要全面了解所有选择的操作和应用，从普通的针形阀到伺服控制的变量泵，以及两者之间的所有选择。