培训教材(液压启闭机)解读

第二章机械基础
第四节液压启闭机
液压启闭机是根据液体静压原理，利用液压，传递动力，启闭闸门的液压传动机械。

它具有很多优点，是一种比较理想的闸门启闭设备。

一、液压启闭机的分类
液压启闭机的种类很多，按照液压启闭机油缸的作用可分为单向作用和双向作用。

单向作用液压启闭机只提供单向开启闸门的启门力。

关闭闸门要依靠闸门的自重。

这类启闭机多用于快速闸门。

双向作用液压启闭机的油缸既提供启门力又提供闭门力。

所以它最适用于那些靠闸门自重不足以关闭的工作闸门或事故检修闸门。

按照启闭一扇闸门的油缸数量可分为单吊点液压启闭机和双吊点液压启闭机。

按照油缸的固定形式可分浮动式、摆动式和固定式。

浮动式液压启闭机油缸的上部凸缘具有球型底面，当油缸垂直置放于球面或锥面底座上时，油缸可在底座上任意方向自由摆动。

它的作用是在启闭深孔平面闸门时，油缸的轴线可作微小摆动，以补偿安装误差和门糟偏差。

这种形式一般为单作用式，多用于启闭快速事故闸门。

摆动式又分为垂直摆动式和水平摆动式两种，一般都是双向作用液压启闭机。

垂直摆动式用于启闭弧形闸门。

水平摆动式用来启闭人字闸门。

固定式是在油缸的中部设有法兰，固定安装在基础机架上，它只适合起吊平面闸门。

二、液压启闭机的特点
液压启闭机由于采用了液压传动启闭闸门，所以与其他机械传动启闭机相比有以下特点：
1、液压启闭机机械部件少，结构简单、紧凑、重量轻、所占空间小，易于布置。

2、由于采用静压原理，利用较小的动力可得到很大作用力，所以它的启闭容量大。

3、由于传动介质是液体，所以液压启闭机工作平稳，缓冲性能好。

4、油液充满油路系统，元件润滑良好，磨损、腐蚀都极小，寿命长。

5、液压启闭机维修保养简单，主要是保持油液的清洁，所以运行安全可靠。

6、由于采用标准液压元件，所以易于实现标准化、系列化，而且与电器配合，易于实现自动化。

7、油缸需要专用机床锻造加工，机加工精度高，相应造价也较高，启闭速度小，油液容易泄漏，工作效率低，矿物油液易于着火，对防火要求高等。

8、多机共用一套供油系统时，单机动作时，将影响其他机组的动作。

三、液压启闭机的基本组成
液压启闭机具有液压传动的基本构成：即动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成。

1、动力元件
把机械能转化成液体压力能的装置，常见的是液压泵。

2、执行元件
把液体压力能转化成机械能的装置，一般常见的形式是液压缸和液压马达。

3、控制元件
对液体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。

这类元件主要包括各类控制阀或者由各种阀构成的组合装置。

这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液压系统。

4、辅助元件
指以上三种组成部分以外的其它装置，如各种管接件、油管、油箱、过滤器、蓄能器、压力表等，起连接、输油、贮油、过滤、贮存压力能和测量等作用。

5、传动介质（液压油）
传递能量的液体介质，即各种液压工作介质。

四、液压元件
（一）、液压动力元件
1、液压泵的工作原理及特点
液压泵是一种能量转换装置，它将机械能转换为液压能，是液压传动系统中的动力元件，为系统提供压力油液。

2、齿轮泵
齿轮泵按结构不同，分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。

齿轮泵主要由泵体、泵盖、两个相互啮合转动的齿轮组成。

在泵的壳体内装有一对齿数和模数完全相同的外啮合齿轮。

齿轮两侧有端盖盖住。

由于齿轮的齿顶和壳体内表面及齿轮侧面与端盖之间间隙很小，故两个齿轮轮齿的接触线就将左右两个腔隔开，形成两个密封容积。

当齿轮转动时，右侧密封容积因相互啮合的轮齿逐渐脱开而逐渐增大，形成部分真空，油箱中的液压油被吸进右侧密封容积中，并将齿间充满油液。

随着齿轮的转动，齿间的油液被带到左侧密封容积。

左侧容积因轮齿逐渐进入啮合而不断减少，油液被挤压出去
进入系统，随着齿轮连续转动，齿轮泵则连续不断的吸油和排油。

3、叶片泵
（1）、叶片泵的特点
其特点是：结构紧凑，叶片泵的结构决定了它油压高，流量大，运转平稳，流量脉动小，噪声小，寿命较长。

缺点：吸油特性不太好，对油液的污染也比较敏感，结构复杂，制造工艺要求比较高。

（2）、叶片泵的分类
叶片泵根据作用次数的不同，可分为单作用和双作用两种。

单作用叶片泵：转子每转一周完成吸、排油各一次。

双作用叶片泵：转子每转一周完成吸、排油各二次。

双作用叶片泵与单作用叶片泵相比，其流量均匀性好，转子体所受径向液压力基本平衡。

双作用叶片泵一般为定量泵；单作用叶片泵一般为变量泵。

（3）、叶片泵的工作原理
单作用叶片泵，它是由定子、转子、叶片、配流盘、传动轴和端盖等主要零件组成。

插图1
定子为空心圆柱体，两侧加工有进、出油孔。

转子为圆柱体，在周围上均匀分布有转子槽，在槽内装有叶片，叶片可在槽中滑动，带有叶片的转子装在定子圆柱孔内。

转子和定子的两侧装有配流盘。

配流盘上分别加工有吸、排油窗口。

转子和定子的中心不重合，即存在偏心距。

转子转动时，在离心力以及通入叶片根部压力油的作用下，叶片顶部紧贴在定子内表面上，于是定子内表面、转子外表面、叶片及配流盘之间就形成了密封容积。

当转子转动时，在离心力的作用下，右半部的叶片逐渐向外伸出并紧贴定子内表面滑动，于是右侧的密封容积逐渐增大，产生真空，这样油液通过吸油孔和配油盘上窗口进入右侧的密封容积。

这就是单作用叶片泵的吸油过程。

在左半部的叶片被表面作用逐渐缩进转子槽内，使左侧的密封容积逐渐缩小，密封区中的高压液体通过配流盘另一窗口和排油口被压出而进入系统。

这就是单作用叶片泵的排油过程。

双作用叶片泵的工作原理与单作用叶片泵相似，所不同的，双作用叶片泵的转子和定子中心重合。

定子表面为近似椭圆。

配流盘上有四个配油窗口而形成四个密封容积。

这样转子每转一圈，密封容积由小变大和由大变小各两次，即完成两次吸油、排油。

4、柱塞泵
（1）、柱塞泵的原理
柱塞泵是依靠柱塞在缸体内作往复运动时产生的容积变化进行吸油和压油的。

由于柱塞和缸体都是圆柱表面，容易做到高精度的配合，密封性能好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。

轴向柱塞泵依靠柱塞在缸体内作往复运动，使得密封油腔容积变化而实现吸
油和压油。

油缸内均布着几个柱塞孔，柱塞在柱塞孔里滑动。

当传动轴带着缸体和柱塞一起旋转时，柱塞在缸体内作往复运动，在自下而上的回转的半周内，柱塞逐渐向外伸出，使缸体内密封油腔容积增加，形成局部真空，于是油液就通过配油盘的吸油窗口a进入缸体中。

在自上而下的回转的半周内，柱塞被斜盘推着逐渐向里缩回，使缸体内密封油腔容积减少，将液体从配油盘的吸油窗口b排出去。

这样缸体每旋转一周，完成一次吸油和一次压油。

柱塞泵的压力通常在16MPa以上
（2）、柱塞泵分类
柱塞泵的形式很多。

柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。

轴向柱塞泵的结构与径向柱塞泵的结构的主要区别在于柱塞的安装方向。

径向柱塞泵的柱塞中心线垂直于转轴轴线。

柱塞泵按配流方式的不同，可分为斜盘式（直轴式）和斜轴式。

（3）、柱塞泵的结构
斜盘式轴向柱塞泵为是由主体部分和变量机构两部分组成。

典型主体结构主要由斜盘、柱塞、缸体、配油盘和传动轴等组成。

变量机构是由转动手轮，使丝杠转动，带动变量活塞作用轴向移动，通过轴销使斜盘倾角改变，达到变量的目的。

这种变量机构结构简单，但操纵不轻便，且不能在工作过程中变量。

径向柱塞泵主要由转子、定子、柱塞、配油轴组成。

（4）、柱塞泵的优点
1）参数高：额定压力高，转速高，泵的驱动功率大
2）效率高，容积效率为95％左右，总效率为90％左右
3）寿命长
4）变量方便，形式多
5）单位功率的重量轻
6）柱塞泵主要零件均受压应力，材料强度性能可得以充分利用
（5）、柱塞泵的缺点
1）结构较复杂，零件数较多，
2）自吸性差,
3）制造工艺要求较高，成本较贵，
4）油液对的污染较敏感，要求较高的过滤精度，对使用和维护要求较高。

柱塞泵被广泛用于高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，得到广泛的应用。

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2、液压执行元件
（二）、液压执行元件
1、分类
液压执行元件－将液体的液压能转换为机械能的转换装置。

液压执行元件可分为液压马达和液压缸两大类。

2、液压马达
液压马达是做旋转运动的执行元件。

在液压系统中，液压马达把液体的压力能转变成马达轴上的转矩输出，把输入液压马达的液流流量转变成马达轴的转速运动。

而且它输出的角位移是无限的。

需要指出的是，液压马达是用来驱动外负载做功的，只有当外负载转距存在时，液压泵进入液压马达的压力油在能建立起压力，液压马达才能产生相当的转距去克服它，所以液压马达的转距是随着负载转距变化而变化的。

插图3
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3、液压缸
液压缸－液压缸是液压系统中的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。

液压缸的输入量是流体的流量和压力，输出的是直线运动速度和力。

液压缸的活塞能完成直线往复运动，输出的直线位移是有限的。

摆动液压缸：实现往复摆动，输出角速度。

液压缸按结构的不同，可分为活塞式、柱塞式和伸缩式等形式。

（1）、单作用柱塞式液压缸
结构：它是由缸筒、柱塞、导向套、密封圈、缸盖等组成。

其特点是柱塞较粗，受力条件好，而且柱塞在缸筒内与缸壁不接触，两者无配合要求，因而只需对柱塞表面进行精加工即可，缸筒内孔不必进行精加工，而且表面粗糙度要求也不高。

可见柱塞式液压缸的制造工艺性较好，故行程特别长的单作用液压缸多采用柱塞式结构。

另外为减轻重量，柱塞往往做成空心的。

工作原理：当压力油从液压缸进口进入柱塞缸底腔后，液体压力均匀作用在柱塞底面上，柱塞产生推力，并以一定速度向外伸出。

若柱塞底腔卸压，则柱塞在自重或弹簧力的外力作用下缩回。

由于液压力只能推动柱塞朝一个方向运动，因此这种液压缸属于单作用液压缸。

（2）、单杆活塞式液压缸
结构：它由缸底、缸筒、缸盖、活塞和活塞杆等组成。

其进、出液口的布置视安装方式而定。

工作时可以缸筒固定，活塞杆驱动负载；也可以活塞杆固定，缸筒驱动负载。

工作原理：在缸筒固定的情况下，当A口进液，B口回液时，活塞杆伸出；当B口进液，A口回液时，活塞杆缩回。

由于液压力能推动活塞杆做正反两个方面的运动，因此这种液压缸属于双作用液压缸。

A B
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（三）、液压控制元件
1、方向控制阀
方向控制阀用来控制液压系统的油液流动方向，接通或断开油路，从而控制执行机构的启动、停止或改变运动方向。

分单向阀和换向阀两大类。

（1）、单向阀
普通单向阀
作用：普通单向阀又称截回阀，用于控制油液只能沿着一个方向流动，不能反向流动。

结构：分直通式和直角式。

阀体，阀芯（分钢球式和锥阀式）、弹簧。

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液控单向阀
作用：它比普通单向阀增加了一个控制油口K。

当控制油口K无压力油通入时，起到普通单向阀作用；当控制油口K通入压力油时，进出油口接通，油液可以反向流动，不起单向阀作用。

结构：分不带卸荷阀芯的简式液控单向阀和带卸荷阀芯的卸荷液控单向阀。

液控单向阀由阀体，阀芯、弹簧、控制活塞等组成。

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2、换向阀
换向阀是利用改变阀芯与阀体的相对位置不同来变换各主油口的通断关系，切断或变换油流方向，从而实现对执行元件方向的控制。

（1）、分类
换向阀按阀芯可变位置可分二位和三位，通常用一个方框代表一个位置。

按主油口进、出油口可分为二通、三通、四通、五通等。

表达方式是在相应的位置方框内
表示油口的数目和通道的方向。

按改变阀芯位置的操纵方式，可以分为手动、机动、电磁控制、液动、电液动、比例和气动。

滚轮手动电磁比例电磁液动电液控制
按结构形式，可分为滑阀式、球阀式、锥阀式。

按换向阀阀芯在阀体中的定位方式，可以分钢球定位、弹簧定位、弹簧对中。

（2）、结构
由阀体，阀芯、操纵和定位机构组成。

三位换向阀的阀芯在阀体中有左、中、右三个位置，左、右位置是使执行元件产生不同的运动方向，而阀芯在中间位置时，利用不同形状及尺寸的阀芯结构，可以得到多种油口连接方式。

除了执行元件停止运动外，还可以具有其他一些不的功能。

因此三位阀在中位时的油口连接关系又称为滑阀机能。

常用滑阀机能见表1
表1
插图9
2、压力控制阀
压力控制阀可分为溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器。

（1）、溢流阀
作用：溢流阀是通过阀口的溢流，调定系统工作压力或限定其最大工作压力，防止系统过载。

在系统正常工作时，溢流阀处于关闭状态，而当系统压力大于或等于其调定压力时，溢流阀才开启溢流。

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结构：调节杆、调节螺母、调压弹簧、锁紧螺母、上盖、阀体、阀芯、螺塞。

（2）、减压阀
作用：减压阀是一种将利用缝隙产生压力差，使其出口液体压力调节到低于它的进口压力的压力控制阀。

结构：阀套、主阀芯、阻尼孔、主阀弹簧、先导阀、锥阀、先导阀弹簧腔，调压弹簧、调节手柄、阀体。

（3）、压力继电器
压力继电器是利用工作液体的压力来启、闭电气触点的液电信号转换元件，
用于当系统达到压力继电器调定压力时，发出点信号，控制电气元件的动作，实现泵的卸荷或加载控制，执行元件的顺序动作，以及系统的安全保护和连锁等。

压力继电器按压力—位移转换部件的结构形式分有柱塞式、弹簧管式、膜片式及波纹管式4种。

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3、流量控制阀
流量控制阀靠改变通流截面开口大小来调节通过阀门的流量，以改变工作机构的运动速度。

而实现对执行元件运动速度的调节和改变分支流量的大小。

油液流经小孔或狭缝时，将是开口越小，流量越小。

流量阀分节流阀、调速阀和分流集流阀等。

（1）、节流阀
节流阀借助于控制机构使阀芯相对于阀体孔运动，通过改变阀口的通流面积，来调节其通过的流量，因而可以对执行元件进行调速。

结构：顶盖、推杆、导套、阀体，阀芯、弹簧、底盖。

节流阀
插图12
（2）、单向节流阀
结构：由一个单向阀和一个节流阀组合而成。

单向阀由阀体，阀芯（分钢球式和锥阀式）、弹簧组成。

节流阀由阀体，阀芯、弹簧、推杆、调节手柄组成。

作用：当压力油液从锥阀背面流经时，作为节流阀使用，借助节流阀的控制机构使阀芯相对于阀体孔运动，通过改变阀口的通流面积，来调节其通过的流量，因而可以对执行元件进行调速。

油液反向流动时，油流通过阀芯压缩复位弹簧，使阀口过流面积至最大，作为单向阀使用，油流能自由通过，以减少压力损失。

4、电液比例阀
电液比例阀简称比例阀。

它是一种按给定的输入电气信号连续的、按比例的对液流的压力、流量和方向进行远距离控制的液压控制阀。

比例阀是在普通液压控制阀的基础上，以电-机械比例转换器（如电磁铁、
动圈式力马达、力矩马达、侍服电机、步进电机等）代替普通传动机构而发展起来的。

由于比例阀实现了能连续的、按比例的对压力、流量和方向进行控制，避免了压力和流量有级切换时引起的冲击。

同时可采用电信号可进行远距离控制。

一个比例阀可兼几个普通阀的功能，可简化回路，减少阀的数量，提高可靠性。

电液比例阀的工作原理：
指令信号→比例放大器→比例电磁铁→液压控制阀→液压执行元件
（1）、电液比例流量阀
电液比例流量阀就是在普通流量阀
的基础上，利用电—机械比例转换器对
节流阀口进行控制。

与普通调速阀相比，其主要区别是用直流比例电磁铁取代了手柄对节流阀的控制。

比例电磁铁的输出力作用在节流阀阀芯上，与弹簧力、液动力、摩擦力相平衡，对一定的控制电流，对应一定的节流开度。

通过改变输入电流大下，既可改变通过调速阀的流量。

若输入的电流是连续的或按一定程序变化，则比例调速阀所控制的流量也按比例或按一定程序变化。

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（2）、电液比例换向阀
电液比例换向阀也称比例方向流量阀，它不仅可以改变液流的方向，而且同时可以控制流量的大小。

它是以比例电磁铁取代普通电磁换向阀中的电磁铁。

当输入控制电流后，比例电磁铁的输出力与弹簧力平衡，滑阀开口量的大小与输入的电信号成比例。

当控制电流输入另一端的比例电磁铁时，既可实现液流换向。

显然它既可以改变液流方向也也控制流量大小，兼有节流与换向两种功能。

它具有如下特点：能把电的快速、灵活与液压传动功率大等特点结合起来；能实现自动控制、远程控制和程序控制；能连续地、按比例地控制执行元件的力、速度和方向，并能防止压力或速度变化及换向时的冲击现象；简化了系统，减少了元件的数量；抗污染性能好；具有优良的静态性能和适宜的动态性能。

主要用于开环系统，也可组成闭环系统。

（四）、液压辅助元件
液压系统的辅助元件包括：油箱、温控装置、过滤器、蓄能器、密封件、管件等，它们是保证液压元件和系统安全、可靠运行以及延长使用寿命的重要辅助装置。

1、油箱
油箱的作用是盛放油液、散发热量、逸出空气、沉淀杂质、分离水份、安装元件。

油箱的主要部件有箱体、安装板、端盖或检修孔、注油器、回油管、泄油管、吸油管、隔板、空气滤清器、液位仪、温度计等，有的油箱还装有冷却器或电加热装置。

2、过滤器
过滤器的作用是滤清外部混入或系统工作时内部产生在液压油中的固体杂质，保持液压油的清洁，延长液压元件的使用寿命，保证液压系统的工作可靠性。

过滤器的结构按滤芯分，有网式、线隙式、纸芯式、烧结式、磁式；按连接方式，有管式、板式、法兰式、进油口用。

过滤精度是首先考虑的一项重要参数，它直接关系到液压系统中油液的清洁程度。

过滤精度是指过滤器对各种不同尺寸的固体颗粒的滤除能力，通常以被过滤的杂质颗粒的尺寸（μm）直接度量。

一般分100μm以上、10μm～100μm、5μm～10μm和5μm以下。

3、蓄能器
蓄能器是一种储存压力液体的液压元件，当液压系统需要时，蓄能器所储存的压力液体在其加载装置作用下被释放出来，输送到液压传动系统上去工作。

而当液压传动系统中液体过剩或需要时，这些液体又会克服加载装置的作用力，进入蓄能器储存起来。

因此蓄能器既是液压系统的液压源，又是液压系统多余能量的吸收和储存装置。

蓄能器按加载方式不同，可分为弹簧式、充气式和重锤式三类。

而应用最广泛的是充气式蓄能器，它一般充入氮气，利用密封气体的压缩、膨胀来储存和释放油液的压力能。

4、管件
液压管接头有钢制、铜制、橡胶软管、卡式接头等。

油管在可能的条件下，应尽量“短”而“直”。

五、液压回路
（一）、压力控制回路
压力控制回路在液压系统中在液压系统中不可缺少，它是利用压力控制阀来控制和调节整个液压系统或液压系统局部油路上的工作压力，以满足液压系统不同执行元件对工作压力的不同要求。

压力控制回路主要有调压回路、减压回路、增压回路、卸荷回路、保压回路、平衡回路等。

（1）、调压回路
调压回路用来调定或限制液压系统的最高压力，或者使执行元件在工作过程的不同阶段能够实在多种不同的压力变换。

这一功能一般用溢流阀来实现。

当液压系统工作时，如果溢流阀始终处于溢流状态，就能保持溢流阀进口的压力基本不变；如果将溢流阀并接在液压泵的出油口，就能达到调定液压泵出口压力基本保持不变之目的。

（2）、减压回路
液压系统的压力是根据系统主要执行元件的工作压力来设计的，当系统有较多的执行元件，且它们的工作压力又不完全相同时，在系统中就需要设计减压回路或增压回路来满足系统各部分不同的压力要求。

减压回路的功能在于使系统某一支路上具有低于系统压力的稳定工作压力。

最常见的减压回路是在所需低压的分支路上串接一个定值输出减压阀。

（3）、卸荷回路
许多机电设备在使用时，执行装置并不是始终在连续工作的，在执行装置间歇的过程中，一般设备的动力源却是始终在工作的，以避免动力源频率开停。

当
执行装置处在工作的间歇状态时，要设法让液压系统输出的功率接近于零，使动力源在空载状态下工作，以减少动力源和液压系统的功率损失，节省能源，降低液压系统发热，这样压力控制回路称为卸荷回路。

卸荷回路作用是在液压泵不停转动时，使其输出的流量在压力很低的情况下流回油箱，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电机的寿命。

液压系统卸荷有两种方法：
压力卸荷：是将液压泵出口的流量通过液压阀的控制直接接回油箱，使液压泵在接近零压的状况下输出流量。

流量卸荷：是使液压泵在输出流量在接近零的状态下工作，此时尽管液压泵工作压力很高，但其输出的流量接近零，液压功率也接近零。

（4）、保压回路
保压回路的功能在于使系统在液压缸加载不动或因工件变形而产生微小位移的工况下能保持稳定不变的压力，并且使液压泵处于卸荷状态。

保压性能的两个主要指标为保压时间和压力的稳定性。

1）采用液控单向阀的保压回路，但阀座的磨损和油液的污染会使保压性能降低，它适用于保压时间短，对保压稳定性要求不高的场合。

2）自动补油保压回路
（二）、方向控制回路
方向控制回路的用途是利用方向阀控制油路中液流的接通、切断或改变流向，使执行元件启动、停止或改变运动方向。

1、换向回路
换向回路用于控制液压系统中油流的方向，从而改变执行元件的运动方向。

为此要求换向回路应具有较高的换向精度、换向灵敏度、换向平稳性，运动部件多采用电磁换向阀来实现。

2、锁紧回路
锁紧回路的功能是使液压执行机构能在任意位置停留，且不会因外力作用而移动位置。

（三）、速度控制回路
常用调速回路有节流调速、容积调速、容积节流调速三种。

节流调速回路又分为进油节流调速回路、回油节流调速回路。

1、回油节流调速回路
回油节流调速回路在油缸两腔的油路都装有并联的单向阀与节流阀。

进油时油液走单向阀，而回油时经节流阀节流，以控制启闭闸门的速度。

2、旁路节流回路
在油泵的出口接一个节流阀通油箱。

在油泵排量一定的情况下，油压越高，经节流阀回油箱的油量越多，进入油缸的油量就越少，而油压又决定于油缸的荷栽。

这样启闭闸门的速度与启闭荷载成反比。

在旁路节流回路中，在油泵排量一定的情况下，将会出现油压越高，启闭闸。