溢流阀与顺序阀典型工程应用的对比分析

裴 杰，冯 怀

(1.北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021；2.四川蓝海智能装备制造有限公司，四川 成都 610000)

作为控制调节系统压力、载荷的元件，溢流阀和顺序阀在液压传动中有着特殊重要的作用.针对其原理、结构方面在很多学术论文中都有相关的分析和阐述[1-7]，而在工作特性对比分析方面不够详实，对实际应用中两种阀的工作状况缺乏指导.本文从溢流阀和顺序阀的工作原理、结构特点及典型应用着手，分析两种压力阀的基本区别，为实际应用提供参考.

1 工作原理对比分析

1.1 直动式溢流阀与顺序阀工作原理对比

如图1所示，直动式溢流阀工作原理是：当进油口P接入压力油路，压力油经阻尼孔R1作用于阀芯3，与同时作用于阀芯3的调压弹簧2相平衡.当进口压力p小于调压弹簧2的调节压力时，阀芯3在调压弹簧2的作用下处于关闭状态，P口与T口不通，此时，溢流阀不起调压作用，起到限压与安全保护作用.当进口压力p大于调压弹簧2的调节压力时，阀芯4在进口压力p的作用下，阀芯3开启，P口与T口相通，溢流阀处于溢流状态.其中，阻尼孔R1起到阻尼衰减作用，使阀芯能快速稳定.

如图2所示，直动式顺序阀工作原理与直动式溢流阀工作原理相同，均是P口压力p与调压弹簧2的调节压力平衡，从而控制阀芯3的启闭，实现油口P与油口A通断.因顺序阀与溢流阀的使用场合不同，调压弹簧2的弹簧腔泄油方式存在不同，其区别在后面的典型应用中会详细阐述.图2为内控外泄式直动式顺序阀的工作原理图及图形符号.

图1 直动式溢流阀工作原理图及图形符号

图2 直动式顺序阀工作原理图及图形符号

1.2 先导式溢流阀与顺序阀工作原理对比

如图3所示，先导式溢流阀工作原理是：压力油从A口进入后，一路进入主阀阀芯5下端，另一路经阻尼孔R3作用在先导阀的锥阀阀芯3上，该油路同时经阻尼孔R4作用在主阀阀芯5的上端.当压力油的压力p小于先导阀调压弹簧2时，锥阀阀芯3关闭.此时阻尼孔R3前后压力相等，即主阀阀芯5上、下端压力相等，则主阀阀芯5在主阀弹簧4的作用下处于关闭状态.当压力油的压力p大于先导阀调压弹簧2时，锥阀阀芯3打开.此时压力油经阻尼孔R3、锥阀阀芯3、回油口B回油箱，则阻尼孔R3产生压降，使主阀阀芯5上端的压力小于下端压力，当此压差产生的作用力大于主阀弹簧4的作用力时，主阀阀芯5上移，打开主阀芯溢流，使油口A与油口

图3 先导式溢流阀工作原理图及图形符号

B相通，油液流回油箱，溢流阀实现溢流.其中，阻尼孔R4起到阻尼衰减作用，提高溢流阀的工作稳定性.

如图4所示，先导式顺序阀的工作原理与先导式溢流阀工作原理相同，均是通过进口压力p与先导阀调压弹簧2相平衡，控制先导阀锥阀阀芯3的启闭，从而阻尼孔R5产生压差，控制主阀阀芯1的启闭，实现油口A与油口B的通断，达到阀的工作目的.因顺序阀与溢流阀的使用场合不同，调压弹簧2的弹簧腔泄油方式存在不同，其区别在后面的典型应用中5会详细阐述.

图4 先导式顺序阀工作原理图及图形符号

1.3 工作原理对比分析结论

从原理分析可知，溢流阀、顺序阀的工作原理分析均是定性的分析两种压力控制阀的控制原理，不管是直动式还是先导式，其工作原理完全相同，均是通过进口压力控制主阀阀芯开启，实现进油口与出油口的通断，达到阀正常工作的目的.但因两种压力阀的应用场合不同，调压弹簧腔的卸荷方式存在不同.

2 基于溢流阀、顺序阀应用的结构对比分析

根据溢流阀、顺序阀不同应用场合，从结构上分析两种压力阀的区别.

2.1 溢流阀、顺序阀基本应用的结构区别

溢流阀的基本应用是稳定系统压力、防止系统过载等作用，溢流阀一般并联安装在液压系统中，也可串联在回油油路中作背压阀用(如图5所示)，故溢流阀一般都是内控内泄式.而顺序阀安装位置比较灵活，即可串联安装在油路中作顺序动作用或平衡阀用，也可并联安装在油路中作卸荷阀使用，对应的控制及泄油形式也有多种，有内控内泄式、内控外泄式、外控内泄式、外控外泄式四种(如图6所示)，顺序阀应用时可根据不同的应用环境选择不同的控制方式及泄油方式.即，溢流阀、顺序阀的不同种控制方式及泄油方式是由实际工况需求决定的，并不是顺序阀本身的结构特性.

图5 溢流阀、顺序阀典型应用回路

图6 顺序阀的图形符号

如图5所示，溢流阀3为直动式溢流阀，调节弹簧2刚度较大，压力稳定性较差，一般作为安全阀使用；溢流阀4为先导式溢流阀，调压弹簧2刚度较低，压力稳定性较高；故可知溢流阀3为防止系统过载的安全阀，溢流阀4起到动态稳压作用，溢流阀5起背压作用.而顺序阀7串联在油路中使用，起顺序动作作用，但要求其工作效率高，即工作时顺序阀前后压差较小；故在顺序阀结构设计时应考虑先导阀的锥阀阀芯一旦打开，则主阀阀芯处于全开状态，保证顺序阀前后压差最小，且不受出口压力的影响，即顺序阀具有开关阀的特点；这是顺序阀与溢流阀最基本的区别.

2.2 远程控制溢流阀与外控顺序阀结构区别

先导式溢流阀还有一些常见的应用扩展，即与其它液压阀连接可得到不同功能的液压阀.如图7所示，与电磁换向阀组合成电磁溢流阀；如图8所示，与直动式溢流阀组合成多级压力调节回路.

图7 电磁溢流阀工作原理图及图形符号

图8 多级压力调节回路

从图7、图8可知，并联接入的元件均是通过控制阻尼孔R3前后的压差来控制主阀阀芯5启闭，从而控制溢流阀的进口压力的大小.在结构上来看，并联接入的元件进口油路均直接或间接与主阀进口油路相通，没有第二控制油源.

如图9所示，外控式顺序阀的外控油路与主油路分开，且外控方式需引入第二控制油源.

图9 外控顺序阀工作原理图及图形符号

2.3 特殊应用的溢流阀、顺序阀特殊结构

在液压系统中，为满足实际工况需求，溢流阀、顺序阀一般有其独特的结构设计，下面介绍几种典型的结构设计[8-10].

2.3.1 不同平衡需求工况下顺序阀特殊结构设计

如图10所示，在固定负载的平衡回路中，单向顺序阀4用于平衡重物下行运动过程中的固定重量的货物，防止油缸5爬行；同时，重物停止在油缸的任意位置时，需要防止重物因泄露缓慢下降，故要求单向顺序阀4的主阀阀芯结构为锥形阀芯，密封效果好.故在图10的平衡回路中，单向顺序阀4既起到背压作用，平衡固定负载，防止下行过程中的爬行，又起到保压作用，防止重物在停止时因泄露下落；这就要求主阀阀芯结构为锥形，保证具有良好的密封性能.

图10 固定负载的平衡回路

图11 变负载的平衡回路

如图11所示，混凝土泵车臂架液压系统中，单向顺序阀4平衡变负载时，一般采用外控型顺序阀，在整个平衡过程中，降低顺序阀的压降，提高平衡回路的工作效率.同时，为提高臂架展开或收臂时的稳定性，哈威设计了LHDV型专用平衡阀(图12所示)，增加了一组阻尼装置，提高主阀阀芯启闭时的稳定性，可以有效降低因主阀阀芯启闭引起的整机振动.

2.3.2 保压回路中溢流阀的特殊结构设计

如图12所示，在臂架展开或收臂时，臂架因启动或停止的惯性量较大，易使液压系统瞬间压力超过系统安全压力，从而导致掉臂等安全事故，故在LHDV型阀4中增加了溢流阀6、溢流阀7，起到安全阀的作用[11,12].但臂架展开后施工时要求臂架油缸5保压，故要求溢流阀6、溢流阀7在保压过程中不允许泄露，则要求该阀设计时主阀

阀芯采用锥阀结构形式，保证泵车施工时臂架的稳定性.

图12 基于LHDV型平衡阀的平衡回路

2.3.3 两种双泵供油回路的差异性分析

如图13(a)、(b)所示，泵1为高压小流量，泵2为低压大流量，当油缸7的负载压力低于外控顺序阀4或溢流阀5-2的设定压力时，油缸7在泵1和泵2的共同作用下处于快速运动状态；当油缸7的负载压力大于外控顺序阀4或溢流阀5-2的设定压力时，泵2经外控顺序阀4卸荷或经溢流阀5-2溢流，油缸7在泵1的作用下处于慢速运动状态；系统工作压力由溢流阀5或溢流阀5-1调定.但在回路(a)中，外控顺序阀4使泵2卸荷，泵2不产生过多的热量；而在回路(b)中，溢流阀5-2使泵2溢流，泵2产生溢流热量；一般工程应用中，采用外控顺序阀作为双泵回路的卸荷阀，详见图13(a).

图13 双泵合流液压系统

2.4 顺序阀、溢流阀的结构对比结论

从上述应用案例分析来看，不同的工况需求选择不同的结构特点元件，具体如下：

(1) 两种阀基本应用的结构区别.溢流阀、顺序阀的不同种控制方式及泄油方式是由实际工况需求决定的，并不是顺序阀本身的结构特性.另外，溢流阀具有一定的伺服特性，起到动态稳定进口压力的作用，而顺序阀在顺序动作回路中具有开关阀的特点，即定压开启作用.

(2) 从结构上来看，远程控制溢流阀通过远程控制口并入其他元件进行组合，且并联接入的元件进口油路均直接或间接与主阀进口油路相通，没有第二控制油源；而外控顺序阀的外控油路与主油路分开，且外控方式需引入第二控制油源.

(3) 为适应不同工作环境，溢流阀、顺序阀均会在结构中作出特别的改进；如平衡重物时需保压，则主阀阀芯采用锥阀结构.

(4) 在双泵供油回路中，外控顺序阀具有卸荷功能；若直接用溢流阀代替，则系统没有卸荷功能，导致系统油温异常上升.

3 串联油路中溢流阀、顺序阀结构特性分析

在一些工程设备中，为了简化液压系统，采用串联方式连接多个负载，每个负载均选用叠加式溢流阀作为安全阀，如图14(a)所示混凝土泵送液压系统冷却清洗辅助回路.

图14 混凝土泵送液压系统冷却清洗辅助回路

为分析方便，将图14(a)中的溢流阀2-1转化成溢流阀工作原理图形式，如图14(b)所示.设定溢流阀调节压力pY1、pY2均为6 MPa，p1、p2分别为风扇马达4-1、清洗马达4-2的负载压力.从图中可知，溢流阀的调节弹簧腔压力为清洗马达4-2的负载压力P2，此时，溢流阀2-1的开启压力p是溢流阀2-1的调节压力pY1和负载压力p2之和；即，当p2≥pY2时，溢流阀2-2打开，清洗马达4-2的进口压力维持pY2压力不变；当p1≥pY1+p2时，溢流阀2-1打开，系统保持pY2+p2压力不变.如图14所示，若溢流阀2-1用内控外泄式顺序阀代替，且该顺序阀调节压力设定为pS2，则p1≥pS2时，该顺序阀打开卸荷.

溢流阀串联在油路中，其开启压力是该溢流阀的调节压力pY1与调压弹簧腔压力p2之和；而调压弹簧腔压力p2受工况影响，故溢流阀的开启压力受工况影响而失去稳定进口压力的能力，在工作过程中易出现过载等安全事故.所以，从严格意义上来说，溢流阀不允许串联在油路中.

4 结 论

通过分析，溢流阀与顺序阀的比较结论见表1.

表1 溢流阀与顺序阀比较结论

综上所述，溢流阀、顺序阀在原理上虽然极其相似，但在应用中应着重从结构上分析是否适合具体工况，如能更好的把握两者的工作特性，可为工程技术人员对溢流阀、顺序阀合理应用及选型提供重要参考.

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