刍议机械原理基础逻辑架构重建之五——液压阀是什么

 我们提到，实体运动副是一个至关重要的概念。实运动副也是一个外延非常宽泛的概念。而且是一个开放的概念——易于扩展的概念。经典机构的广义化，体现在多个方面。包括构件的广义化和机构的广义化。 例如，构件的广义化，刚性构件拓展为弹性构件柔性构件挠性构件，流体构件，场型构件。例如，流体，绳索，弹簧等都可以作为构件。宏观构件推广大到微型、纳米构件。构件更具有可变性和可扩展性。新逻辑架构下，实体运动副概念的出现，又引出了实体运动副的广义化。实体运动副的广义化为建立广义机构学坚实的逻辑基础铺平了道路。

 目前，学术界关于构件层次的广义化，缺乏底层逻辑的支持。而实体运动副是一个新概念，其广义化必须从头做起。本文就这两个层面的广义化做一个推进。在机构学与液压气动学科之间建立一个基本的逻辑联系，为在底层逻辑层面统一机构科学和液压气动科学打下基础。

 本文首先介绍几个特殊构件、液压缸和泵，然后把实体运动副推广应用到压力继电器和液压阀等。

一、几个特殊的构件

（一）、 关于流体构件

机构广义化就是把原来的不属于同一学科中的概念知识，统一到一个大的学科。统一有形式的统一，理论层面的统一和逻辑层面的统一等多个层面。形式上的统一，比较简单。理论层面上的统一，在各个学科的发展中，存在互相借鉴，互相参透的现象，有工程应用的推动，有统一的动力和需求，应用相同的数学和工程学理论。已经有重要的成果。例如键合图理论。逻辑层面的统一，特别是底层逻辑层面的统一，学界关注较少，发展较慢。甚至很少看到有学者提出相关的问题。

本文从基本逻辑层面，推进统一，实现各个层次基础逻辑层面的广义化。

1、建立完善的流体构件概念的一般意义  在传统的逻辑架构下，构件的定义是，机器的最小运动单元。显然，这是一个独立的整体。是一个有边界的个体。但是，现在的教科书，对流体构件的具体结构形式，没有给出确切的解释。没有对流体的独立性做出有力说明。只是说，流体可以作为构件，或构件包括流体。没有从基础逻辑层面去统一流体构件和固体构件。

2、关于流体构件的一般结构  新逻辑架构下，构件是由基体和连接子组成的整体。这个定义下的构件是有独立的边界的个体，同时具有与外界连接的能力。

把流体作为一个流体构件，必须解决两个问题。一个是流体构件的独立性，另一个是流体构件的连接性。

对于液体或气体，在一个任意的一个空间里头，它没有一个表面，不是独立的。流体内部，存在着热运动。如何变为独立？那么我们可以创造一个表面：一个硬质的物质的表面或一个想象的表面，形成一个密闭或基本固定的空间。那么他们就产生了一个独立的隔离的物质集合。这个表面可以称为液体机体的表面，因为它具有了与外界与这个硬质物体的连接的能力。所以，它符合连接表面的定义。密闭空间的流体集合具有独立性，是一个基体。流体基体分为两种情况。固体物质封闭的空间的流体，一个想象表面包围的空间。这个基体有时是流动的。（想象表面包围的空间形成的流体构件，以后分析）

基体可以是一种物质，或者是几种物质，例如空气，由多种气体分子构成。空气可以构成一个基体。当流体被隔离或选定，作为一个研究对象时，液体或气体便形成一种基体。基体可以存在于容器之中，或附着在流体之上（之中）。与某种容器的表面或隔离表面构成一个连接子，形成一个独特的流体细胞，。

实际上，一个刚体研究对象，有其支撑的表面，也有空气包围它的表面。通常包围它的表面被忽略，至少在研究机械原理时，没有人去理会周围空气的存在。在研究汽车运动时，特别是高速运动的汽车，必须考虑空气和空气动力。

液体类基体类似生物学的病毒。有了细胞，病毒就活了。没有细胞，病毒就失去活性。没有别的机械细胞或流体支撑，流体自己也没有表面。流体构件不能独立存在，不能独立发挥作用。借助于其他的机构细胞或物质，就构成了一个独立的基体，就构成了自己的连接方式。液体气体便成为基本的元件，构件。所以，流体构件是寄生的。

类似的电场磁场也是这样，也必须有接触的表面，没有一个承载的表面，连接的表面它也不能称之为构件。有了自然表面或人为分割的表面，流体和电磁场都构成了一个基体，构成了一个构件。

3、关于流体构件的流动性说明

与固体构件比较，流体作为构件，有一个问题必须说清楚。流体总是流动，变化，既存在宏观运动也存在微观运动。与刚体构件的稳定性完全不同。此时的流体构件与彼时的流体构件，已经不是一个物体了。研究对象已经变了，新换的物体还能作为研究对象吗？这一点，与固体构件完全不同。固体构件作为一个研究对象，是不会变化的。但是，为什么这个不断变化的流体可以作为一个部件呢？

回答这个问题，可以从以下几个方面思考，并给出结论。

（1）变化是绝对的，永恒的，不变是相对的，有条件的。

哲学家说，一个人不可能两次趟过同一条河流。因为河水变了。但是我们仍然认为还是这条河。

有一个古希腊的典故叫忒修斯船，这个船出海。一天换一块船板，回来时，所有船板都换了一遍。问，还是那个船吗？人们普遍认为，船还是那条船。

生物学家告诉我们，我们聊天一个小时，我们体内的细胞至少更新了上百万个。我们已经不是刚来时的我们了。七年，我们人的细胞更换一遍。七年过去了，我们还是自己吗？我们的亲戚朋友认为我们还是我们，我们自己还是认为仍然是自己，公安局也不会为我们更换新名字，更换新身份证。

这是为什么？我们认定，A还是A，因为A的本质特性没有变化。变化的部分，是非本质的。

（2）、物体的某种不变性，是我们关注的重点。

河还是那条河，因为，河的基本外形没有变化，水流的流态基本没有变。

船还是那条船，因为船的基本功能没有变，船的基本结构、基本功能没有变。

我们还是我们，不会变为另一个人。因为有一个东西没有变，就是中枢神经系统的拓扑结构，中枢神经系统的拓扑结构没变，我们的遗传基因没有变化。因为有神经元的连接，在海马体和其他恼区的拓扑结构没变。记忆没有变。就是说你能记住亲戚朋友。我们还是我们。

流体作为构件表现的流动性，与人的细胞更换类似。流体不停的流动，但是，相关的部件的基本特性却不变。所以特性不变。我们要的就是这个不变性。   （3）、只有某些具有不变特性的物质，才适合作为我们的研究对象。

自然界当中的变化是绝对的永恒的，不变是相对的，是有条件的。我们理论研究和工程研究，不可能直接研究一个真实的物体。做研究大多要做假设。假设的目的，就是锁定一些不变的特性，研究物体一些不变的体系下的特性。

我们都知道，重力加速度是一个常数。这给我们的研究带来很大方便。这是因为我们假设地球是一个均质的球体。地形的高低变化，地球两极与赤道的直径的差异，我们都忽略了。

我们研究物体运动，有刚体假设，得到一个刚体。刚体上，任何两个点之间的距离不变。这是刚体的不变性。至于刚体的热运动，内部原子之间的运动与碰撞，我们不去管它。

我们研究飞行，飞行在大气层中进行。大气层复杂多变，气象万千。我们有一个假设，叫标准大气。标准大气获得了一些特性不变性。刮风，下雨，各种上升气流，我们忽略它。

欧几里得几何研究的对象，在变化中两点之间的距离不变，角度也不变。仿射变换，共线三点的单比具有不变性。拓扑学也有其不变性。

所以，我们通过假设，获得研究对象的一些不变性。有了不变性（确定性），才有了下一步的研究基础。

对流体，也如此。我们关心的是它的抗力。它的力学特性不变，我们就认为它是不变的，我们不关心流体的更换，我们关心的是力学特性。  4、几个流体构件的例子。  例1、滑动轴承的润滑，需要流体。加油的方式，有定期加油的润滑方式和流动加油的方式等。润滑油是耦合元素。耦合元素是一层薄膜。这层薄膜的形状由固体构件之间的间隙决定。流体处于流动或更换中。虽然油液在流动，但是，总有一层油膜存在与界面之上。虽然流体中的各个分子之间时刻处于变动或流动之中，但是其基本功能不变，抗压能力不变，润滑功能不变。所以，忽略其流动性，认为流体油膜是不变的。且具有与外界形成稳定的连接，构成一个流体构件。

   例2液压缸活塞中的流体  液压缸中活塞两侧的流体，由缸筒限制了形状，形成了自身的独立性。流体是一种关联元素，也是一种工作介质，一种基体。缸筒与管道构成联通的形式，与缸筒的接触面是其连接子。在刚体构件的协同支承下完成独立的功能，连接的功能。 于是，液体，依附于缸筒形成一个构件。这是一种类似生物病毒的构件。或者称为一个寄生构件。

（二）、两个刚性构件

  流体阀中经常应用的两种构件，三阀体和阀芯。下面讨论这两种构件。

滑阀型液压阀主要由阀芯，阀体和阀芯驱动装置组成。阀芯与阀体配合有两个主要功能。一个是运动副功能，一个是控制功能，运动副功能是控制功能的基础。滑阀型液压阀的运动副是一个圆柱副或移动副。阀芯驱动有人工驱动，电驱动，液压驱动，离心力驱动等。滑阀型液压阀是靠节流原理工作的，其通过阀芯和阀体间的相对运动改变节流口面积的大小，对流体流量或压力进行控制。

1，阀芯结构  阀芯结构一般为柱体，其上有凹槽或有凸肩（凸台），凸台宽度为t。阀芯是一个运动部件。称为运动子。一个阀芯圆柱有一个或多个凸肩。按凸肩数目划分，有二凸肩四通阀，三凸肩和四凸肩的四通阀等。  凸台的两侧有一个圆端面，圆端面的外圆称为阀芯的边。按照边数的多少，滑阀分为四边滑阀、双边滑阀、单边滑阀。边数多，则控制精度高，但加工较困难。  有时阀芯上还有孔。垂直于柱体轴线或平行于柱体轴线的孔。例如阀芯有一个与其轴线重合的通孔。 

图1   阀芯结构图 

  1 凸肩，2凹槽，3 ，4径向孔，

不同数量凸肩的阀芯型式有不同的功能和不同的特点。   2、阀体结构   阀体（阀套）是一个圆管或其它形状的物体，其上有主孔，主孔与阀芯柱体动配合形成一个运动副，内部还有流体通道孔或槽。有一些孔或槽与阀芯的凸台配合，形成控制通道。阀体是一个固定部件，称为定子。阀体的通道内部与阀芯的凸肩配合，形成节流孔。孔的外部与管道连接。管道是输入输出构件。按照通道数目不同，圆柱滑阀可划分为二通阀、三通阀、四通阀。  阀体也可以有一个或多个孔。例如垂直于轴线的孔，平行于轴线的孔，通孔或盲孔等。

图2  一个有孔有槽的阀体

1主孔，2径向孔，3凹槽，4,5 进出油管

   阀套在主孔上的开口形状（窗口）形状有矩形、圆形、三角形等。这是与阀芯的凸肩配合的开口。 矩形开口，其开口面积与阀芯位移成比例，可获得线性的流量增益（零开口阀），使用较多。圆形窗口的工艺性好，但其流量增益是非线性的，通常用于要求不高的场合。  矩形窗口中又可分为全周开口（环形槽）和非全周开口（孔）两种。非全周开口阀体性能较好应用较多 

3、阀体与阀芯的配合

二者的配合可以构成一个实体运动副，作为一个实体运动副，只有运动副运动子的运动方可展示其功能。运动形成的各种量的改变 ，以及依据选取那类量作为输入输出，决定了液压阀的功能和类型。

 阀芯与阀体配合构成滑阀式液压阀。一般认为，阀芯的两端的柱面与阀体两端的主孔配合，构成一个运动副耦合子，而阀芯中间的部分是用于控制流体的控制型耦合子。而外部连接的管道和驱动装置，认为是一个阀的输入输出装置。在外力的作用下滑阀左右移动，改变通道的大小、开度，  其动态特性主要是由阀芯的凸肩与阀体上的窗口之间的配合，形成了一个通道（节流口），这个通道决定了流量的大小。

滑阀阀体的窗口的宽度和凸肩的宽度比较大小，可分为正开口、零开口、负开口三种。其中负开口滑阀的阀芯凸肩宽度t大于阀体上的窗口宽度h,即t>h,零开口滑阀满足t=h,正开口滑阀则是t<h 。如图3所示。其特性可参考有关文献。

          图3   滑阀的预开口类型

4、阀体与阀芯的变异

在基本运动副当中。圆柱副是一个典型的运动副。它可以转换为转动副，可以转换为移动副。圆柱副还可以变异。会形成很多应用。圆柱的变异，包括圆柱上开有槽，不同宽度的槽，圆柱开有孔，通孔。还有垂直于轴线的孔。还有一个阀体的变异。阀体主孔内壁有一个或多个槽。这都是一个阀体的变异。  一个圆筒和一个圆柱，带槽或带孔或有朝又有孔，两个构件相互配合，可以构成两种关联。一个是自由度关联，形成圆柱副或转动副或移动副。功能关联就是形成一些通道，关于位移的，关于面积的，容积的功能关联。

圆柱的其它变异，包括变为椎体，变为棱柱体，变为球体，变为平板等等。 

二、液压缸，液压泵，水龙头

（一）液压缸和气泵的结构和工作原理

                   图 4  液压缸                  

        1构件A,2耦合子，3构件B，4，5进出油管，6，油缸左腔，7油缸右腔                       

如图 4 ，一个由缸筒和活塞杆组成的圆柱副，活塞把缸筒分为左右两个腔室。当两个空间不封闭时，可以忽略空气的存在。实体运动副的关联是活塞与缸筒内壁的接触和缸头与活塞杆的接触。如果进一步忽略活塞杆与缸筒接触的摩擦力，则活塞杆可以在缸筒内左右自由移动。但是，运动范围受到限制。配合不同的外部设备，有不同的用途。分为两大类。一类是不改变输出方式，运动副仍然输出刚性构件的运动，例如液压缸。一类是改变输出方式，以流体的流量，压力等形式作为输出，例如水龙头，打气筒（气泵）等。

1、图4圆柱副做油缸用。

构件A是缸筒底部的连接座。构件B是活塞杆（准确的说，是缸筒外面的部分）。耦合子包括两部分。耦合子1是缸筒内壁与活塞的外周和活塞杆外圆与缸头的控内圆，这是传统运动副的限制自由度的耦合子。耦合子2是液体与缸筒内壁和活塞杆外壁的连接，液体是新增加的关联元素，即是物理关联又是能量关联。液压油的引入，通过液压油实现能量的关联和转移。活塞杆是输出。输出量提取的是位移。

  左右两个油管接液压油，配合液压阀的控制，可以实现活塞杆的左右移动，对外输出拉力或推力。油液构成耦合子的一个力关联元素。输入为流体输入，进入液压缸的流体，转换为活塞杆的直线位移。其输出仍然是刚性物体的位移输出。圆柱副的转动自由度是不受控制的。

  作为一个移动副，活塞与缸筒之间，活塞杆与缸头之间是不需要密封的。需要的是直线度。但是作为一个液压缸，这两个部位都需要密封。这是与刚性移动副的另一个不同之处。

   如果两个空间都接通高压流体，则又多了两个关联元素，实体运动副变为一个主动副。（通常设流体是无弹性的）。

液压缸中，流体作为一个构件，流体即是关联元素，又是工作介质。

2、图4圆柱副作气弹簧用

 如果图4左侧空间内充满高压气体，并封闭左侧油管，做好活塞处的密封，则可以作为气弹簧应用，高压气体构成耦合子的一个力关联元素。当左侧空间封闭时，空气变为一个弹性体，实体运动副的关联除活塞与缸筒内壁的接触，缸头与活塞杆的接触外，又多了一个弹性关联元素。相当于一个并联一个压缩弹簧。

3、图4圆柱副作为气泵应用

为通俗起见，气泵以打气筒为例。

打气筒是一个日常应用的气泵。工作过程与液压缸相反。左侧通气管接一个单向阀，工作气体可以出，不可以进。活塞处架一个单向阀，工作气体可以进，不可以出。

打气筒左侧空间中的气体，是一个工作介质。这个气体，体积是变化的，然后，空气在运动子和固定子之间形成一种关联，把运动子的力，能量传递给气体，通过输出端，输出高压气体。气缸中的气体既是一个工作介质，也是一个关联元素，作为关联元素，承接运动子施加的力，作为工作介质，把高压气体输送到外界。  在气泵中，关联有两种，一个是自由度关联，一种是力关联。没有力关联就没有运动，所以，力关联也是一个重要的关联方式。特别是主动副，必有力关联。所有运动，都有两个方向。移动副有两个运动方向，转动副也有两个运动方向。那么这个关联那就有两种关联方式，移动副一个是左关联一个右关连，转动副一个顺时针关联，一个逆时针关联。

  （二）、水龙头的结构和工作

                 图5   水龙头

           1.1构件A之进油管。1.2构件A 之操作把手

     2，耦合子，3构件B之出油管

   图5是一种转动副构成的转阀。阀体上有主孔，转阀与主孔动配合。阀体有流体通孔通过管道与外界连接，转阀上也有流体通孔。阀体的流体通孔与转阀上的流体通孔联通时，流体可以从阀体的依次流向另一侧。不联通时，则流体不能流动。

 水龙头的工作过程，两个输入，一个是转动阀的转动角度，一个是开关的开度，提取的输出量是出口面积。出口面积是中间输出， 最终输出，就是流体的流量。流过水龙头的流体不是关联元素，只是工作介质。

三、柱塞式压力继电器原理

（一）组成和结构   柱塞式压力继电器由两部分组成。实体转动副开关和液压驱动实体移动副。

实体转动副开关如图6所示。右侧所示，是柔顺转动副，其左边的臂为柔性臂。左侧是实体移动副。由液压驱动，输出为活塞杆的位移。

活塞杆输出端与柔顺转动副的转子端部啮合连接。两个运动副固定连接在一个壳体上。导电电极通过绝缘体与壳体连接。

   图6  液压驱动继电器

1.1实体移动副定子，1.2实体移动副耦合子，1.3 实体移动副运动子，1.4弾簧关联元素，1.5弹簧调整螺栓．1.6进油孔接头， 1.7．泄油孔接头

2.1实体转动副定子，2.2 耦合子，2.3实体转动副柔顺臂（转子），2.4，2.5绝缘体，2.7,2.9定子，2.8触点，2.11接头．

（二）压力继电器（单触点）工作过程

初始状态，实体移动副，在弹簧力的作用下，活塞杆位于左侧，柔顺转动副，定子与转子互相平行，触点断开。

当左侧油腔加入高压油后，左侧空腔的液压力（两侧压差）.二者的差值大于右侧弾簧力，并可克服摩擦力和柔性臂的阻力后，运动子右移．活塞杆触动柔性开关臂，臂弯曲，促使触点接触，接通电路。断开高压油时，活塞杆左移，电路断开。

四、几种简单液压阀  

液压气动系统中应用的各种阀，从运动副的角度分类主要有转动副和移动副（圆柱副）两种。功能不同，结构会有差异。但是其原理是相同的。下面主要以滑阀为例，说明液压阀的结构和工作原理。

（一）液压阀类运动副（实体运动副在液压系统中的应用 

1、液压阀结构及分类

液压阀组成，按照传统的定义，液压阀的结构与工作如以下所述。液压阀，一般由阀体、阀芯以及控制操作部分组成，大多数还带有弹簧。其功能是在液压系统中，用来限制压力、流量和改变液体的流动方向。  阀体既是其它液压元件的承装载体，又是油路连通的通道体。阀体至少有两个液流的通口，形成至少一条液流通道。  阀芯是一个移动的机械部件，工作时受到液压力、弹簧力、机械或手推动力等的多种力的作用，在且只在这些力的作用下移动或静止。

  阀芯和阀体组合，共同形成液流通道，包括通流面积或/和形状。通过改变通流面积或/和形状。影响系统液流的压力、流量和方向，从而影响或改变系统执行器的运动规律。所以，液压阀是一个构件的组合体，是一个通流面积或/和形状可以调节改变的装置。   2、液压阀分类  （1）.按功能分类，有控制流量的流量阀，包括节流阀、调速阀、分流集流阀等；有限制系统的压力的压力阀，包括溢流阀、减压阀、顺序阀、卸荷阀等；有可以改变液流的方向的换向阀，包括电磁换向阀、手动换向阀、单向阀、液控单向阀等。  （2）.按操纵方式分类，有人力操作阀，机动阀，液控阀，气动阀，电动阀。液压阀的驱动：有手动驱动，电磁铁驱动，液压驱动，弹簧驱动，复合驱动等。  （3）.按阀芯的形状分类，有：（1）滑阀，滑阀的阀芯为圆柱形，通过轴向运动改变开口处的通流面积。（2）座阀，其阀芯有多种形式，如球形、锥形、球面型、圆柱锥形、平板形等。 （3）转阀，其阀芯一般为圆柱形或球形，通过旋转改变开口的通流面积，如家用的水阀、燃气阀等。可以看出，液压阀的传统定义，与运动副没有直接的关联。   

  3、滑阀的工作  滑阀两端的压力差或其它驱动力的驱动下，滑阀会左右移动，同时接通滑阀上槽与管上的孔的通道，引入流体流控制控制对象任务，调节压力，当压力合适的时候，滑阀就静止了，滑阀，就是运动副的运动子（移动子）。   

（二）、液压阀的结构和工作

下面，按照新的逻辑思路，建立各种液压阀与运动副的关系。

  按照基本实体运动副 的类型，液压阀分为移动类液压阀和转动类液压阀。按照阀芯的形状，分为滑阀，球阀，锥阀，板阀等。

  为简化说明，以滑阀为例。液压阀种类繁多，仅取流量阀，压力阀和换向阀中的几个典型例子，说明其结构和工作原理。

1、液压阀的结构

在以下的论述中，滑阀阀芯包括实运动副运动子（构件A）和耦合子的运动部分，阀体指实体运动副定子（构件B）和耦合子的固定部分。滑阀、运动子、构件A三个概念有时可互相替代；壳体、运动副定子、构件A有时也可互相替代。

  从液压阀的定义看出，液压阀是由刚性实体运动副为主体构成的。是实体运动副的功能扩展。刚体构件的输出退化为中间输出，对外以流体输入输出作为主要特征。多数情况下是在耦合子部分实现其输入输出转换。

液压阀主要以流体形式输入输出。原来的刚性构构件的运动的输出表现为一种开度，角度或者是一种面积或容积，流量，或者是几种组合。

从本质上说，液压阀是通流面积或/和形状可以调节改变的实体运动副。

2、工作与驱动

液压阀工作时，运动子受到液压力、弹簧力、机械或手推动力等的多种力的作用，遵从力平衡的原则：运动子在且只在这些力的作用下移动。如果受到的所有力相互平衡，运动子则停止。

(三)、滑阀式液压阀的几个实例及液压阀的机构学解读

液压阀主要有方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀等。下面选择三种阀中的机构典型液压阀，从机构学的视角，进行新的解读。

方向控制阀用于控制流体的流通方向。它是液压传动系统中应用较多的一种阀，是任何液压系统必不可少的控制元件。  方向控制阀在液压系统中起阻止和引导油液按规定的流向进出通道，即在油路中起控制油液流动方向的作用。  方向控制阀按工作职能可分为单向阀（也称为截止阀）和换向阀等。

1、单向阀结构和工作原理  单向阀的功能类似二极管。它的作用是只允许液流沿管道一个方向通过。  常用的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。按阀芯形状不同，普通单向阀有球阀式和锥阀式两种。  普通单向阀是一种功能扩展的实体运动副。它由构件A构件B和耦合子构成，耦合子包括连接子和关联元素（耦合子）。实现约束功能。耦合子具有约束自由度的能力，具有沟通流体通道的能力。耦合子由阀体和阀芯组成。

  （1） 锥形密封单向阀

阀体上有主孔，主孔的最左侧有螺纹，用于连接进油管，主孔的最右侧有螺纹，用于连接出油管。孔的中部用于同阀芯动配合，阀芯可以作移动和转动。阀芯中部有槽。槽的两端与主孔的截面，是圆。左侧圆直径较小。左侧圆用于同阀芯的锥面配合，当相互接触时，形成密封。  阀芯是带锥的圆柱。圆柱直径与阀体主孔的直径相同，二者构成动配合。阀芯中心开有盲孔。偏左侧有径向孔，联通阀芯的外表面与中心。径向孔与阀体的槽相对。阀芯的盲孔内安装压缩弾簧。弾簧右侧由螺母压紧。与弾簧连接后，阀芯又失去一个转动自由度，只能沿主孔轴线移动（移动副）。弾簧既是移动子的一部分，又是耦合子的关联元素。在压力较小时，阀芯位于左侧，锥面与槽的左侧圆实现密封配合。把主孔分为左右两个空间。  在压力差较大时，阀芯右移，锥面的左侧与右侧联通。主孔左侧的高压流体可以流向右侧空间。右两个空间。         

 图 7 锥阀芯密封式单向阀的结构      图8钢球密封式单向阀的结构

1 阀体，2阀芯，3 弹簧

 图7所示为锥阀芯密封式单向阀的结构。压力油从pi口进入左侧空间时，当左右两侧的压力差足以推动压缩弹簧和名称力是，阀芯右移，打开阀口，油液进入槽内，经阀芯上的径向孔a、轴向孔b从p2口流出。

当压力油从p2口流入时，阀芯在液压力和弹簧力的共同作用下，关闭阀口，油液无法流向p1口。锥阀阀芯虽然加工要求较钢球式严格，但其导向性好、密封可靠，应用最广。

（2）钢球密封式直通单向阀

单向阀的阀芯也可用钢球密封式直通的结构，如图   所示，其制造方便。但对中性和密封性较差，仅用于小流量及要求不高的场合。      

球阀的运动子是球和压缩弾簧的组合。初始状态弾簧处于被压缩状态。通常，弾簧的外径与主孔直径相同，二者构成动配合。在这种安装条件下，球与弾簧始终是一个整体。有相同的运动规律，球与弾簧的摩擦接触，球只有一个移动自由度。与锥阀不同的是槽左侧孔的密封由球的球面完成。其余与锥阀相同。   2 换向阀的结构和工作

（1）换向阀的功能和分类   换向阀是利用实体运动副的运动子（阀芯）与阀体（定子）的相对运动，来改变阀芯的凹槽和阀体上凸槽之间的相对位置，流体的通路接通、关闭或变换流动方向的装置。  按阀芯形状分类，换向阀有滑阀式、转阀式和球阀式三种。滑阀式换向阀应用较多。

（2）滑阀结构；以二位四通换向阀为例。

阀体上有主孔，主孔的最左最右侧的圆柱面用于与阀芯形成动配合，实现自由度的限制。中部开有槽。每个槽都与外界有一个联通通道，外部连接油管。从左往右，各个槽依次标号为1，2，3，4，5。各个槽对应的油管是：3号槽接压力油，标注为P，2，4槽接工作油口，标注为A，B。1，5是回油口，标注为O或T（是一个通道）。油管的数目称为通，由几个油管就称为几通。所以，上述液压阀是四通。与阀体间的相对位置称为位。上述阀芯与阀体可以处于两种位置，所以称为二位。图   是二位四通阀。阀体外面有螺纹连接管或焊接连接管，用于连接油管。主孔的中部用于同阀芯动配合和密封，阀芯可以作移动和转动。阀芯中部有槽。     阀芯是圆柱形。圆柱直径与阀体主孔的直径相同，阀芯的最左最右侧的圆柱面用于与阀体形成动配合，实现自由度的限制。二者构成动配合。阀芯柱体开有两个凹槽，凹槽较宽。凹槽可以沟通阀体上的两个相邻的凸槽。 阀芯的运动控制。有手动，电动或液压驱动。  两个凹槽之间的圆柱，与阀体柱面配合，完成密封，防止阀芯的两个凹槽之间的流体相互流动。  换向阀的功能主要有阀芯和阀体的相对位置以及槽的数目有关。 （3）换向阀的工作

当阀芯处于左位时，阀芯左侧凹槽沟通阀体的1号2号凸槽，于是A口与O口相通p，回油经A口、O口流回油箱；

当阀芯处于右位时，阀芯左侧凹槽沟通阀体的阀体的2号3号凸槽，于是p口与A口相通，压力油自P口经阀腔至A口流出，阀芯右侧凹槽沟通阀体的4号5号凸槽，于是B口与O口相通，回油经B口、O口流回油箱。

若A、B 油口分别接通液压缸的两腔，则可实现被驱动部件如作动器的往复运动。

常用换向阀有二位二通、三通、四通、五通，三位四通、五通等。

三位换向阀的阀芯在中间位置时，各油口间的连通方式称为换向阀的中位机能。换向阀的中位机能可满足不同的使用要求。阀体尺寸保持不变，仅改变阀芯的形状和尺寸即可得到不同的中位机能。

二位二通阀的机能只有两个油口，它们的连通方式只有通或断两种。如常用的弹簧复位的二位二通机能有常闭式和常开式两种。   二位三通阀的机能对应阀芯与弹簧的不同安装方向与位置，有两种机能。

           图9  二位四通换向阀的结构和工作原理示意图

 液压阀多种多样。其基本原理都是相似的。一些简单液压阀，有一个或两个实体运动副。一个实体运动副用于阀芯的驱动，一个用于油路的控制。复杂的液压阀，有两个或多个实体运动副用于控制液体油路。如双向液压锁。多路换向阀等。

五、写在后面的话

 本文对液压阀的解读，不改变现有液压阀的结构和功能。只是以一个新的视角 ，重新审视液压阀。通过审视和解读，建立刚性机构的实体运动副与流体液压阀的逻辑关系、亲缘关系。为统一传统机构学与液压气动系统，建立基本的逻辑联系。    所谓不同的视角，就是用不同的方法去解释去理解。这在不少的学科，有典型的应用。中国有句古诗，“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”。说的这就是在不同的视角观察同一个事物。

 在数学上，两种积分黎曼积分和勒贝格积分，就是从不同的方向进行的积分。而且，勒贝格积分获得新的用途。

 在力学当中，有牛顿力学和分析力学，对应的是牛顿力学方法与拉格朗日原理。两种方法研究的对象也都是同一事物，但是他们的方法不一样，后者处理复杂系统更高效。

 在我们传统的逻辑框架下，机械原理可以分成两个大层次，构件层次和机构层次。液压气动系统天然的存在三个层次，构件，液压阀，液压气动回路三个层次。液压气动学科的三个层次与机构学的两个层次比较，在数量上不具有相似性。仅在构件层次上，有相通之处，其他地方看不到逻辑的联系。因而，不易统一。

 在机械原理引入实体运动副之后，就形成了机构学的三个层次。三层次说与液压气动学科的三层次，在数量上是相似的，在组成上也具有相似性。但是二者之间的联系，深层次联系，就是说除了构建层次的联系之外，其它层次的联系看不出来，例如，实体运动副与液压阀的联系不明确。

 本文建立了把液压阀和实体运动副两个部件之间的联系。指出，二者本质上是一个东西，是一个实体运动副在不同领域里的应用，一个实体运动副的不同的输入输出形式。如此一来，刚性机构和液压气动系统，就建立了密切的逻辑联系，这种联系具有基础性。

 而且，更高层次的联系可以很容易建立，因为所有的液压回路都是不同液压阀的不同方式的组合，所有的机构（液压回路与机构处于同一个层次）都是不同的实体运动副不同方式的组合，而且他们的组合的模式（以后我们要讲组合模式），也都是相同的或相近的。这样，刚体机构与液压气动系统的逻辑联系，整体的逻辑联系就形成了。

 如果再进一步形成五层次说，六层次，七层次说，就可以建立更紧密的逻辑联系。为液压气动系统建立更多的层次也是比较的容易的。这样，机构学学科与液压气动学科就有了统一的基础。