前　言

液壓技術(shù),說(shuō)到底,就是加油與放油的技術(shù)。所有液壓閥,都是圍繞這個(gè)任務(wù)工作的。液壓閥是液壓設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵元件,自從200多年前有了液壓機(jī)械,就有了液壓閥。要理解液壓閥,就必須了解其歷史。知道了它從何而來(lái),為何服務(wù),才能擺正我們學(xué)習(xí)研發(fā)液壓閥的位置,知道該向何處發(fā)力。
液壓閥隨著液壓技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,至今其品種已有成千上萬(wàn),五花八門(mén),數(shù)不勝數(shù)!逐一學(xué)習(xí)嗎?一個(gè)人,十輩子都不夠!但如果能抓住本質(zhì),理解其規(guī)律,就能使復(fù)雜變簡(jiǎn)單,問(wèn)題就能提到點(diǎn)子上,學(xué)習(xí)就容易,就能提綱挈領(lǐng),舉一反三,一通百通。
液壓閥是被動(dòng)元件,不能無(wú)中生有,把少變多,因此,只有限制功能。
溢流閥限制其進(jìn)口的壓力:壓力超了就開(kāi)門(mén),放油。
減壓閥限制其出口的壓力:壓力超了就關(guān)門(mén),不準(zhǔn)再進(jìn)油。
流量調(diào)節(jié)閥通過(guò)其所帶的定壓差元件來(lái)限制節(jié)流口的壓差,從而限制通過(guò)的流量,少受負(fù)載壓力變化的影響。
所有液壓閥,沒(méi)有例外,都是通過(guò)閥芯在閥體內(nèi)的移動(dòng)(含轉(zhuǎn)動(dòng))來(lái)改變流道的形狀和開(kāi)口面積,實(shí)現(xiàn)其功能的。因此,認(rèn)識(shí)閥芯與閥體是如何構(gòu)成流道的,流道開(kāi)口又是如何變化的,是理解液壓閥的基礎(chǔ)。
閥芯是機(jī)械部件,是個(gè)只認(rèn)力的家伙,在也只在力的作用下移動(dòng)。作用于閥芯的力,有來(lái)自于閥外部的,即操控力:手動(dòng)、機(jī)動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)、電控,有來(lái)自于閥內(nèi)部的靜壓力、液動(dòng)力、摩擦力和彈簧力。
閥芯被哪些力所左右,怎么移動(dòng),導(dǎo)致開(kāi)口怎么變化,這些決定了液壓閥實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)的性能優(yōu)劣,所以,這是本書(shū)剖析的重點(diǎn)。
液壓,不是什么用來(lái)玩弄公式和時(shí)髦辭藻的把戲,而是門(mén)技術(shù),技術(shù)是為了滿足人類的需求而發(fā)展起來(lái)的,所以,無(wú)論國(guó)產(chǎn)進(jìn)口,能滿足需求的才是好閥!
測(cè)試是液壓的靈魂,指的就是,液壓從創(chuàng)新、設(shè)計(jì)、仿真開(kāi)始,到試制樣品、改進(jìn),到批量生產(chǎn),所有環(huán)節(jié)的優(yōu)劣,是否滿足需求,都必須通過(guò)測(cè)試結(jié)果來(lái)驗(yàn)證評(píng)判。魔鬼躲在細(xì)節(jié)里,很多看上去絕妙的主意,常會(huì)在實(shí)施過(guò)程中遇到最初沒(méi)想到,乃至難以逾越的障礙。
所有關(guān)于液壓閥的理論公式,都是理想化了的,雖然有指導(dǎo)作用,但也因?yàn)楹雎粤撕芏鄬?shí)際因素,因此與實(shí)際總是有差距的。測(cè)試是唯一可以抓出液壓閥真實(shí)狀況的手段。好閥不是算出來(lái)的,是試出來(lái)的!
電和液壓的關(guān)系,不是簡(jiǎn)單的取代關(guān)系,應(yīng)區(qū)分為電控、電動(dòng)和電驅(qū)!
電控,是我們昨天就應(yīng)該開(kāi)始的;移動(dòng)設(shè)備的液驅(qū)電動(dòng),是我們今天要面對(duì)的;而電驅(qū),則關(guān)系到我們搞液壓的人,明天靠什么來(lái)生存?!
世間很多事物的特性及其變化,受多個(gè)因素的影響。其中有些顯而易見(jiàn),但也常有一些躲在幕后深層,雖不明顯,但卻起著主要的,甚至決定性的作用,即所謂深層邏輯。液壓閥也是如此。有些企業(yè)很努力,收獲卻不大,原因之一,就是因?yàn)闆](méi)有認(rèn)清那些深層邏輯。
深刻理解液壓閥,是成為中級(jí)液壓技術(shù)人員的基本要求。迅速了解掌握新閥,是您的同事和領(lǐng)導(dǎo),在激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中,最需要最看重賞識(shí)的能力。
本書(shū)的任務(wù)就是與您一起,從技術(shù)角度分門(mén)別類梳理那些深層因素,剖析現(xiàn)象后面的因果關(guān)系,將液壓閥里里外外搞個(gè)明白,以便您在接觸到相關(guān)課題時(shí)能迅速深入。
如果您是從事液壓閥設(shè)計(jì)制造的,就可以根據(jù)應(yīng)用的需求、市場(chǎng)和本企業(yè)的條件,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的圖樣,確定材料和制造工藝,結(jié)合實(shí)測(cè),制造出滿足需求的液壓閥,并根據(jù)顧客的反饋進(jìn)行改進(jìn)。
本書(shū)不教您做閥,而是幫您懂閥。因?yàn)?懂,是做好、用好、改進(jìn)、創(chuàng)新的基礎(chǔ)。而要做出好閥,還要懂材料、加工設(shè)備和工藝、熱處理設(shè)備和工藝等,這些都超出了本書(shū)的范疇。
液壓閥已經(jīng)有200余年的歷史,技術(shù)已非常成熟,再要發(fā)明什么新結(jié)構(gòu)閥,能成為好商品,能被市場(chǎng)接受,獲得利潤(rùn),是很不容易的。
如果您懂了閥,對(duì)閥的本質(zhì)了如指掌,就能夠根據(jù)主機(jī)的工作環(huán)境和應(yīng)用的實(shí)際需求,選用恰當(dāng)?shù)幕芈?恰當(dāng)?shù)拈y,恰當(dāng)?shù)男阅?從而組建出滿足需求的液壓系統(tǒng),在某一行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破,還是相對(duì)比較容易的。我在德國(guó)企業(yè)工作期間,根據(jù)差動(dòng)回路的原理,采用了電比例閥,利用估算表格,預(yù)估了新回路的性能,幾乎是一次成功:成本增加不多,但顯著提高了主機(jī)的工作效率,滿足了歐洲富裕國(guó)家的需求,獲得了歐洲發(fā)明專利,20多年來(lái)被越來(lái)越多地采用,已服務(wù)于幾億居民,也給企業(yè)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦麧?rùn)。
通過(guò)多年來(lái)觀察思考國(guó)內(nèi)外液壓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,我深深體會(huì)到:液壓內(nèi)行和外行,高手和菜鳥(niǎo)的差別,不在于多念幾年書(shū),多拿幾張文憑,多知道一些公式,甚至能寫(xiě)幾本書(shū),而在于是否認(rèn)識(shí)到那些幕后因素,認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)、細(xì)節(jié)的重要性,愿意在基礎(chǔ)、細(xì)節(jié)上下大功夫。
高大上者,凡人皆好之,只是,吹高大上容易,打基礎(chǔ)難。打基礎(chǔ)要付出很多辛勞,且不容易看到成果。常聽(tīng)人贊美摩天大樓頂端的高聳入云,霓虹燈的繽紛多彩,鮮有人贊賞地基的堅(jiān)實(shí)。然而沒(méi)有打好基礎(chǔ),以后要付出的代價(jià)卻是百倍千倍:基礎(chǔ)不牢,地動(dòng)山搖!
從基礎(chǔ)、本質(zhì)下手,才能一通百通。
那么,對(duì)于液壓閥而言,什么是基礎(chǔ)呢?
閥的結(jié)構(gòu)是決定閥的功能的基礎(chǔ)。
閥體、閥芯的形狀位置配合是決定調(diào)控性能的基礎(chǔ)!
材料、處理、加工、表面硬度、表面粗糙度和油液污染度是決定使用壽命的基礎(chǔ)!
人們常說(shuō),液壓閥是通用件,即可用在不同行業(yè)不同應(yīng)用不同設(shè)備上。其實(shí),這指的是它的功能,而非性能!液壓閥可以單獨(dú)存在和買(mǎi)賣,卻不能單獨(dú)使用,必須結(jié)合到液壓系統(tǒng)中,才能為主機(jī)的需求服務(wù),從而為社會(huì)需求服務(wù)。不同行業(yè)不同應(yīng)用對(duì)性能的需求常常是很不同的。液壓閥供應(yīng)商如果不注意去滿足實(shí)際應(yīng)用的特殊需求,產(chǎn)品很難有大市場(chǎng)!要了解得比顧客多,比顧客深,知道什么性能是顧客應(yīng)用最需要的,才能使顧客信服。
賽跑中最悲催的是,方向錯(cuò)了!對(duì)液壓閥研發(fā)而言,理念決定方向,所以,本書(shū)也介紹一些理念,幫助您把握研發(fā)方向。
本書(shū)假定您對(duì)液壓技術(shù)的基礎(chǔ)概念已有初步的了解,比如說(shuō),已讀過(guò)我編的《白話液壓》。希望本書(shū)能幫助您對(duì)液壓閥的工作原理和本質(zhì)有更深刻的了解,從初級(jí)水平進(jìn)入中級(jí)水平。至于高級(jí)水平,那不是靠讀書(shū)讀出來(lái)的,而是通過(guò)大量實(shí)踐、挫折乃至失敗,磨煉出來(lái)的。
我自1972年第一次接觸液壓閥至今,已有50多年了。期間也曾有過(guò)多次面對(duì)問(wèn)題,一時(shí)束手無(wú)策,也曾選錯(cuò)閥遭遇失敗,但也從中學(xué)到了很多有益的經(jīng)驗(yàn)。上海老人常說(shuō)勿跌勿大,意思是,孩子是通過(guò)跌跤長(zhǎng)大的。我們所能爭(zhēng)取的只是,汲取教訓(xùn),不在同一個(gè)地方跌第二跤。
幾點(diǎn)說(shuō)明:
我自2007年從德國(guó)企業(yè)退休后,有較多的自由支配時(shí)間往來(lái)中德,當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn),國(guó)外的螺紋插裝閥隨著主機(jī)大量進(jìn)入中國(guó),中國(guó)對(duì)螺紋插裝閥缺乏全面深入介紹的書(shū)籍。而我恰恰已使用螺紋插裝閥多年,有不少資料,因此,就搜集整理資料,在2012年交出了我的第一本著作《液壓螺紋插裝閥》。此書(shū)頗受歡迎,多次重印仍售罄。出版社和很多讀者都催促我再出一增訂版。螺紋插裝閥固然是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)增長(zhǎng)最快、應(yīng)用最廣泛的閥種,但是螺紋插裝,只是一種安裝連接形式而已。由于液壓技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛,各種應(yīng)用都有其特殊需求和習(xí)慣,其他連接形式也不會(huì)被完全取代,所以,只寫(xiě)螺紋插裝閥,畢竟太局限了。
自那時(shí)以來(lái),我有較好的條件觀摩國(guó)際上各種展會(huì),到國(guó)內(nèi)外大學(xué)及企業(yè)講課學(xué)習(xí)交流,全面關(guān)注國(guó)內(nèi)外液壓技術(shù)的發(fā)展,可以從基礎(chǔ)上思考液壓技術(shù),不斷有一些新的感悟,因此就陸續(xù)編著了《液壓速度控制技術(shù)》《實(shí)用液壓測(cè)試技術(shù)》《液壓平衡閥應(yīng)用技術(shù)》及《白話液壓》等書(shū)。寫(xiě)書(shū)的過(guò)程,也是我搜集資料、分析、梳理、思考、推敲、領(lǐng)悟逐步深入的過(guò)程。本書(shū)中有些內(nèi)容也曾在那些書(shū)中出現(xiàn)過(guò),但這次全都重新審視過(guò),糾正了錯(cuò)誤,改善了邏輯性,敘述更流暢些,配圖也更易懂些。本書(shū)也可算是《液壓螺紋插裝閥》的升級(jí)版,是對(duì)厚愛(ài)我的讀者的一個(gè)交代。
編寫(xiě)本書(shū)的目的在于幫助讀者盡可能輕松地掌握當(dāng)前液壓閥的本質(zhì)。而世間諸事往往都有例外,液壓閥亦然。若要面面俱到,則必定煩瑣不已。為了簡(jiǎn)明通俗,凸顯本質(zhì),本書(shū)簡(jiǎn)化了某些敘述,略去了一些細(xì)節(jié)及不常見(jiàn)的工況,因此,必定是不全面,不十分精準(zhǔn)的,但可以肯定地說(shuō),是八九不離十的。
本書(shū)7.1至7.12節(jié)分門(mén)別類敘述各類閥,相互關(guān)聯(lián)較少,而第1至6章內(nèi)容,逐步深入,相互關(guān)聯(lián),因此不建議跳讀。但初讀時(shí)可以大致快速瀏覽,看看哪些符合您的需要。一時(shí)不理解的難點(diǎn)可以跳過(guò),留待二讀三讀時(shí)再仔細(xì)思索。真正重要的東西,肉眼是無(wú)法看見(jiàn)的,只有用心才能看清事物的本質(zhì)。
關(guān)于壓力單位問(wèn)題。根據(jù)法定計(jì)量單位的標(biāo)準(zhǔn)GB 3102,應(yīng)該使用MPa。但我查閱過(guò)的所有歐美世界知名液壓公司的產(chǎn)品樣本,全都使用bar,沒(méi)有一家的產(chǎn)品樣本中出現(xiàn)MPa。在國(guó)際液壓標(biāo)準(zhǔn)中也很少出現(xiàn)MPa,甚至GB/T 174912011(附錄),GB/T 20421.32006(附錄B)都推薦使用bar。因此,希望您還是能非常熟悉bar:1bar=0.1MPa,這樣,在閱讀國(guó)外產(chǎn)品樣本時(shí)才不會(huì)有困難。本書(shū)中有些圖表是引自歐美文獻(xiàn),有些曲線是我使用德制的液壓萬(wàn)用表實(shí)測(cè)的,為了表示其真實(shí)性,保留了其原始顯示格式,包括壓力單位bar,不再一一說(shuō)明。
根據(jù)GB 3102.31993《力學(xué)的量和單位》,質(zhì)量流量的代號(hào)為qm,體積流量的代號(hào)為qv。鑒于在液壓技術(shù)中,幾乎只使用體積流量,歐美普遍使用Q,中國(guó)液壓行業(yè)內(nèi)也普遍接受代號(hào)q。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn),本書(shū)中用q表示體積流量。
為壓縮篇幅,本書(shū)使用了下列簡(jiǎn)稱:
IFASInstitut fr fluidtechnische Antriebe und System,RWTH Aachen德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)與系統(tǒng)研究所。
丹佛斯丹麥Danfoss公司,包括它在2021年8月以33億US$收購(gòu)的美國(guó)Eaton公司的液壓部門(mén)。
派克美國(guó)Parker Hannifin公司。
布赫德國(guó)Bucher Hydraulik公司。
賀德克德國(guó)HYDAC INTERNATIONAL公司。
哈威德國(guó)HAWE Hydraulik SE公司。
升旭美國(guó)Sun Hydraulics公司。
博世力士樂(lè)德國(guó)Bosch Rexroth公司。
托馬斯德國(guó)Thomas Magnete GmbH公司。
海德福斯美國(guó)Hydraforce公司,已在2023年2月3日獲得了反壟斷部門(mén)的批準(zhǔn),正式并入了博世力士樂(lè)。但鑒于其在螺紋插裝閥領(lǐng)域曾獨(dú)樹(shù)一幟,產(chǎn)品甚多,所以本書(shū)中仍單獨(dú)稱呼。
泰豐智能山東泰豐智能控制股份有限公司。
本書(shū)附贈(zèng)的估算軟件液壓閥估算2023放在百度網(wǎng)盤(pán)中。讀者只要掃描本書(shū)后的二維碼,即可從網(wǎng)上下載。
本書(shū)中很多內(nèi)容系我自己的思考心得,不是抄來(lái)的,盡管反復(fù)檢查,但難免還有錯(cuò)誤之處。我衷心希望讀者提出意見(jiàn)和建議,電郵地址:hpzhang856@sina.cn。
感謝本書(shū)所引用的參考文獻(xiàn)的所有作者。由于本書(shū)寫(xiě)作時(shí)間較長(zhǎng),有些引用文獻(xiàn)可能遺漏標(biāo)注,懇請(qǐng)有關(guān)作者諒解。
本書(shū)寫(xiě)作期間得到了以下公司的支持,謹(jǐn)此致以衷心感謝:泰豐智能、寧波克泰液壓有限公司、無(wú)錫新力電器有限公司。
賀德克公司趙彬章博士耐心細(xì)致地審閱了初稿,提出了很多寶貴的改進(jìn)意見(jiàn),謹(jǐn)此致以衷心感謝!
也在此感謝我的夫人,承擔(dān)了幾乎所有家務(wù),使我得以專心編著本書(shū)。
張海平　　
目　錄
CONTENTS
前言
第1章　液壓技術(shù)已經(jīng)200多歲了1
1.1　液壓的本質(zhì)1
1.2　近代液壓水壓,現(xiàn)代液壓油壓3
1.3　中國(guó)起步晚,奮起直追,成果喜人6
1.4　液壓產(chǎn)業(yè)屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的秤砣8
1.5　寶刀不老,液壓技術(shù)還在發(fā)展9
1.6　不管東閥西閥,滿足應(yīng)用需求的就是好閥16
第2章　液壓和電的又愛(ài)又爭(zhēng)21
2.1　電控是液驅(qū)當(dāng)之無(wú)愧的指揮23
2.2　電動(dòng)是液驅(qū)的好后臺(tái)31
2.3　電驅(qū)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)軍液驅(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)的市場(chǎng)39
第3章　液壓閥的本質(zhì)46
3.1　固定液阻固定開(kāi)口49
3.2　液壓閥的本質(zhì)可變液阻,靠改變開(kāi)口謀生53
3.3　液壓閥的壓差-流量特性70
第4章　移動(dòng)閥芯操控力克服阻力72
4.1　靜壓力可阻可助74
4.2　液動(dòng)力總愛(ài)關(guān)門(mén)的小搗亂79
4.3　摩擦力難以計(jì)算,可以掌控88
4.4　彈簧力不是白幫忙的96
4.5　開(kāi)關(guān)電磁鐵給電就出力101
4.6　比例電磁鐵給多少電流,出多少力114
4.7　閉眼是開(kāi)環(huán),開(kāi)眼是閉環(huán)伺服123
4.8　其他電操控方式126
4.9　瞬態(tài)127
4.10　對(duì)瞬態(tài)性能的研究方法頻域與時(shí)域137
第5章　測(cè)試是液壓的靈魂144
5.1　好閥不是算出來(lái)的144
5.2　只有測(cè)試才能抓出液壓閥的真實(shí)性能148
5.3　研發(fā)性測(cè)試151
5.4　生產(chǎn)性測(cè)試156
5.5　領(lǐng)悟測(cè)試曲線是液壓修行不可或缺的環(huán)節(jié)159
5.6　工程液壓不該是公式液壓164
第6章　各有千秋的安裝連接形式167
6.1　管式五臟俱全167
6.2　片式一片控一組缸168
6.3　板式要另配鞋子172
6.4　插裝式要另配褲子175
6.5　關(guān)于螺紋插裝式的發(fā)展應(yīng)用、軟肋和對(duì)策180
6.6　安裝連接形式的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)188
第7章　五花八門(mén)的液壓閥190
7.1　單向閥不準(zhǔn)反向190
7.2　液控單向閥不通時(shí)還可通融195
7.3　梭閥只有一個(gè)能出頭204
7.4　換向閥流道切換閥208
7.5　溢流閥壓力超了就開(kāi)閘放油217
7.6　減壓閥壓力超了就關(guān)門(mén)238
7.7　順序閥壓力超了就變流道249
7.8　節(jié)流閥可調(diào)的固定液阻253
7.9　定壓差元件努力維持控制壓力之差為定值255
7.10　二通流量閥靠定壓差元件消耗壓力來(lái)限制流量259
7.11　三通流量閥有旁路才有恒流265
7.12　分流集流閥只求同進(jìn)退,不求同死生272
7.13　容積調(diào)速耗能可降,液壓閥還不可缺283
7.14　認(rèn)識(shí)和選用液壓閥的途徑290
參考文獻(xiàn)296
關(guān)于附贈(zèng)的估算軟件液壓閥估算2023的說(shuō)明298