摘 要：调速阀是用来调节液压系统流量的元件，从而控制系统执行元件的速度，使其运动速度均匀平稳。虽然调速阀中的定差减压阀自动补偿负载变化对流量的影响，始终保持节流阀前后的压力差恒定不变，消除了负载变化对流量的影响，但是调速阀的流量稳定范围是有限的，即对进、出口压力的变化有一个限制。本文介绍了调速阀的结构原理以及流量稳定性分析。
关键词：液压系统；调速阀；流量特性；流量稳定性
0 引言
调速阀是由定差减压阀和节流阀串联而成的组合式流量阀。节流阀用以调节通过调速阀的流量，定差减压阀则自动补偿负载变化对流量的影响，始终保持节流阀前后的压力差恒定不变，消除了负载FL变化对流量的影响，使执行元件的运动速度均匀平稳。但是调速阀的流量稳定范围是有限的，即对进、出口压力的变化有一个限制，否则将不能正常工作。
1 调速阀的结构原理
图1所示为调速阀的结构原理及图形符号。图中1为定差减压阀，2为节流阀，二者串联而组成调速阀。调速阀的进油口压力为p1，由泵出口处的溢流阀4调定，基本保持恒定。压力油进入调速阀，经减压阀1减压后压力降为p2，通过节流阀2压力降为p3流入液压缸3。p3的大小由液压缸负载FL和背压决定。压力为p2的油液经孔d和孔f分别流入减压阀芯大端环形腔c和小端底部油腔e；节流后的压力为p3的油液经孔a流入减压阀芯大端弹簧腔b中。稳态工作时，若忽略阀芯自重、摩擦力和液动力，减压阀芯的力平衡方程为:
p2A=p3A+Ft
或△p=p2-p3/Ft/A
其中：A—减压阀芯大端的面积；Ft—减压阀弹簧力。由于定差减压阀的弹簧刚度很小，工作时阀芯的移动量也很小，故弹簧力Ft的变化也很小，因此节流阀前后的压力差△p基本保持不变。这就使得调速阀的流量只随节流口开度的大小而改变，而与负载变化无关。
当调速阀进、出油口压力 p1和 p3受负载影响而变化时，将引起减压阀芯上下移动，从而改变减压口的开度，使减压阀出口压力p2相应地发生相同变化，并保持节流阀前后的压力差△p恒定不变。定差减压阀起自动压力补偿作用。
2 调速阀流量特性方程
调速阀的静特性要求包括流量稳定范围和在此范围内进出口压力差与流量之间的关系。根据调速阀的工作原理，通过定差减压阀阀口的流量Q1：
式中：C1—定差减压阀阀口流量系数；A1—定差减压阀阀口通流面积；p1—定差减压阀进口压力；p2—定差减压阀出口压力。通过节流阀的流量Q2：
式中：C2—节流阀阀口的流量系数；A2—节流阀阀口的通流面积；p3—节流阀出口压力。根据流量连续性原理，并不计泄漏，则有:
定差减压阀阀芯受力平衡方程式为：
式中：A—定差减压阀阀芯油压有效作用面积；K—定差减压阀弹簧刚度；X0—定差减压阀弹簧预压缩量；δ定差减压阀的预开口长度；X—定差减压阀的工作开口长度；FS—液流流经定差减压阀阀口的液动力。
而
式中：α—流体流入减压阀口时的方向角。将
代入上式得：
将式（5）代入式（4）并整理得：
则流经调速阀的流量Q的表达式为：
3 调速阀流量稳定性分析
由式（7）分析可以看出，调速阀流量稳定性的提高主要取决于下面三个因素。
（1）节流阀阀口的流量系数C。关于流量系数，它的大小与雷诺数Re有关，当雷诺数Re达到或超过某一数值之后，流量系数即为常数。
（2）节流阀阀口的通流面积（节流开口面积）。当节流阀调定后，理论上开口面积A2是不变的，但是在开口长度很小时，由于污物和极化分子的堆积会造成开口面积的变化。为了防止和减少上述现象发生，节流口应光滑、材料应退磁处理、结构形式宜采用薄刃，并尽可能地增大水力半径、减小湿周长度，一般应以圆形、方形孔为宜，避免采用缝隙式和三角槽式。
（3） 节流阀前后的压力差（△p=p2-p3）。 由式（6）可以看出，定差减压阀部分的结构形式，几何尺寸、弹簧参数确定后，在节流阀开口一定的条件下，节流阀前后压力差△p的稳定和定差减压阀的工作开口长度X的稳定与否有关。X的变化量一方面通过改变定差减压阀的弹簧力Ft=K（X0+δ-X）的大小来影响△p值，另一方面通过改变定差减压阀阀口的液动力FS的大小来影响△p值（后者的影响可以部分的补偿前者的影响）。根据调速阀的工作原理已知，定差减压阀的工作开口长度X是变化的。因此不可能完全消除定差减压阀工作开口长度X的变化对节流阀前后压力差△p影响，只能采取适当的措施尽量减少它的影响。
当
时，可以减小X对弹簧力Ft的影响。具体的办法有三个：
第一，减弱定差减压阀的弹簧刚度K，使弹簧预压缩量适当增加X0。
第二，增大定差减压阀的预开口长度δ，但此值不宜过大，否则造成阀投入工作的起动时间加长，引起流量的 “跳跃”。
第三，适当减小定差减压阀的工作开口长度X。由于减小，X意味着在相同流量变化范围内工作时，阀口通流面积A2对X的斜率增大，因此在小流量时开口太小，容易出现堵塞，阀芯不易稳定。为此应慎重考虑。
在结构上采取措施，减小液动力FS的变化。具体的办法也有三个：
第一，适当增大定差减压阀阀芯的油压有效作用面积A，这样在液动力FS变化范围相同的情况下，对节流阀前后压力差 （p2-p3）的影响减小。
第二，取A1＞＞A2，这样可以减小液动力所占的比重，但由于工作过程中A1是经常改变的，因此不等式不易保证。
第三，将阀芯中部做成锥形结构，是减少液动力FS对（p2-p3）影响行之有效的办法。
实际上阀芯与阀体之间的摩擦力对节流阀前后压力差 （p2-p3）也有一定的影响。这种影响是存在的，因此应提高零件的加工精度，且在阀芯上开均压槽以减小液压径向力。
4 调速阀流量稳定范围讨论
调速阀的流量稳定范围是有限的。原因分析如下：
（1）调速阀安装在进油路 （见图2）。在定差减压阀弹簧力Ft调定后，节流阀前后的压力差△p就确定了，即
如果负载增加引起p3增大，则由于定差减压阀的压力补偿作用，可以保证△p不变，维持调速阀流量稳定。但是，在p3增大至
以后，定差减压阀不能再起作用，于是节流阀前后的压力差下降，不再保持常数，通过节流阀的流量减小。到p3=p1时，通过节流阀的流量等于零。由此可知，调速阀放在进油路时，出口压力p3必须满足不等式
流量才能稳定。为了增大调速阀的流量稳定范围需要减小，但
必须足以克服摩擦力，否则阀芯会卡死。
（2）调速阀安装在回油路（见图3）。当负载增大引起调速阀进口压力p1减小时，由于定差减压阀的补偿作用，可以保持
常数 （在弹簧力Ft调定时），从而保证调速阀流量稳定。但是，当p1减小到
以后，由于定差减压阀阀口全开，节流阀前后压力差下降，不能继续保持为常数，通过节流阀的流量减小。当p1=0时，通过节流阀的流量等于零。由此可知，调速阀装在回油路时，进口压力p1必须满足不等式，流量才能稳定。显然，减小
对增大调速阀的流量稳定范围有利。
5 结束语
通过上述讨论可以得出以下结论：①调速阀的压力补偿机构，即定差减压阀在反向流动时不起作用；②调速阀的定差减压阀所控制的不是自身的前后压力差，而是与其串联的节流阀的前后压力差；③调速阀的定差减压阀为常开结构；④调速阀的流量稳定范围是有限的，即对进、出口压力的变化有一个限制，否则将不能正常工作。
