常用电液比例阀

工程机械液压元件及系统(HydraulicComponent&SystemofEngineeringMachine)第二节常用电液比例阀第三章工程机械用阀电液比例压力阀电液比例方向阀电液比例流量阀普通液压阀属开关式定值控制阀。由它们组成的系统属传统的开关阀液压系统，大多采用机械式手动可调节手柄和普通的通断电磁铁、压力继电器、行程开关来实现对液体压力、流量和方向的控制。运动部件的加速或减速过程一般是通过机械凸轮曲线来实现。电液比例阀能按输入的电信号连续地、按比例地控制液压系统的压力、流量和方向。比例阀控制系统实质上是一种模拟式开关控制系统，使用各种比例阀和相配套的电子放大器，根据给定的模拟电信号，按比例地对液体的压力、流量和方向进行有效的连续的控制。根据一个输入电压值的大小，通过电子放大器，将输入电压信号（一般0～±10V之间）转换成相应的电流信号，如1mV=1mA。这个电流信号作为输入量被送入电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。该力或位移又作为输入量加给比例阀，使比例阀产生一个与输入量成正比例的流量或压力。电控放大器比例阀电流I油源液压缸液压马达压力p、流量q负载速度v、力F、转速n、转矩T开环控制原理框图电控放大器比例阀电流I油源液压缸液压马达压力p、流量q负载速度v、力F、转速n、转矩T检测元件●－反馈信号闭环控制原理框图性能对照表项目／类别电液伺服阀电液比例阀早期电液阀开关阀介质过滤精度μ3~10252525阀内压降MPa7~210.5~20.25~0.50.25~5滞环％1~31~34~7无重复精度％0.50.5±10.1%频宽-3dbHz20~2001~301~55线圈功率W0.05~510~2410~30中位死区无有有有价格因子3110.51.电液比例压力阀比例压力阀用来实现压力控制，压力的升降随时可以通过电信号加以改变。工作系统的压力可根据生产过程的需要，通过电信号的设定值来加以变化，这种控制方式常称为负载适应控制。根据在液压系统中的作用不同，可分为比例溢流阀，比例减压阀和比例顺序阀。根据控制的功率大小不同，可分为直动式和先导式两种，根据是否带位置检测反馈，可分为：带位置检测和不带位置检测比例压力阀两种。1.1直动式比例溢流阀直动式比例压力阀与传统的开关型压力阀相比，只是用比例电磁铁取代了手动调压手柄，由输入电信号调控阀的输出压力，而且输出压力与输入电信号成正比。直动式比例溢流阀使用方便，重复精度高，滞环小，响应速度快。但由于受到电磁推力的限制，其输出流量不能太大。因此，直动式比例溢流阀主要作先导控制级使用。与开关型压力控制阀的先导阀不同的是，弹簧在整个工作过程中，不是用来调压而是用来传递推力的，故称为传力弹簧。传力弹簧由于没有预压缩量，因此无弹簧力作用在锥阀上。比例电磁铁1接收电信号以后，产生推力经推杆2和弹簧3作用在锥阀4上。它是依靠阀芯上的液压作用力与弹簧力相平衡的原理而工作的，当阀芯上的液压作用力大于弹簧作用力时，锥阀开启而溢流。若按比例连续地改变输入电流大小，就可按比例连续地调控阀的开启压力，获得所需的压力调定值。TT432pFp1（a）（b）直动式比例溢流阀（a）原理图（b）职能符号1—比例电磁铁；2—推杆；3—弹簧；4—阀芯d（1）阀体（2）比例电磁铁（3）阀座（4）锥阀传力弹簧由于没有预压缩量，因此无弹簧力作用在锥阀上，故作用在先导阀芯上的力平衡方程式为：2sin24FFDfpdCCdxdv式中FD——比例电磁铁产生的电磁力；FD=KIK——比例系数；I——输入激磁线圈电流；Ff——运动摩擦力；当电磁力FD由小到大时，Ff取（－）号，FD由大到小时，取（＋）号。一般情况下Ff＝0.15G（G为铁芯重量）d——锥阀座直径；p——先导阀开启压力；Cd——锥阀流量系数；一般取Cd＝0.77Cv——锥阀速度系数；x——锥阀开启高度；θ——锥阀半锥角。2sin24fKIFpdCCdxdv从上式可以看出，当忽略运动摩擦力和稳态液动力时，锥阀的开启压力p与输入电流I成正比，因此连续地按比例控制输入电流I的大小，便可连续地按比例调控先导阀的开启压力p。由于比例电磁铁有磁滞和摩擦力Ff的存在，因此当电流增加和减小时，电流I与压力p的关系曲线不能重合，为了减少滞环，除在设计时应尽量减小磁滞和摩擦力外，在使用时，常在电控器中叠加一个频率为100HZ的颤振信号到直流电源。1.2先导式比例溢流阀结构上主要由比例电磁铁，先导阀，主阀和限压阀组成。与开关型溢流阀不同的是：先导阀没有调压弹簧，比例电磁铁的推杆2直接作用在先导阀锥阀阀芯3上，对阀芯施加电磁力。系统压力P作用在主阀芯4的下端，流经阻尼孔R1后作用在锥阀芯3上。当系统工作压力达到比例电磁铁的调整压力时，先导锥阀芯开启形成先导溢流。主阀芯4上端的油压力降低，主阀芯开启而溢流。限压阀5是一个开关型直动式微量溢流阀，主要起安全阀作用，保护系统不受峰值压力的损坏。●●●●●●●●●●R4p32151R2p1先导式比例溢流阀（DBE型）1-比例电磁铁2-推杆3-先导阀芯4-主阀芯5-限压阀10118912113623457ABX先导式比例益流阀机构图（DBEM型）1－先导阀体；2－比例电磁铁；3－限压阀；4－主阀体；5－主阀芯；6－先导阀芯；8、9－阻尼；10－控制油通道；11－主阀弹簧；12－先导阀；13－泄油孔1.3先导式比例减压阀321645R2R3p2R1p3p1BAATp1p2（a）（b）先导式比例减压阀工作原理及职能符号（DRE型）1－比例电磁铁；2－推杆；3－先导锥阀芯；4－主阀芯；5－单向阀由比例电磁铁输出的电磁力直接作用在先导阀的锥阀芯上，输出压力由输入的电信号大小调定。构成主阀减压口的是主阀芯上对称布置的若干小孔。一次压力油p1从A口进入，经减压小孔减压后，降为二次压力油p2，并从油口B流出。减压后的出口压力p2经阻尼小孔R1、R2下降为p3作用在锥阀芯上。同时经阻尼孔R3作用在主阀芯上。当出口压力p2低于输入电信号的调定压力时，锥阀3关闭，阻尼孔R1、R2、R3中没有油液流动，主阀芯上下两端的油压力相等，此时，主阀芯在弹簧力作用下处于最下端位置，减压小孔完全打开，阀处于非工作状态，也就是阀不起减压作用。当出口压力p2上升到调定压力时，先导锥阀3被打开，主阀上腔的油经阻尼孔R3，通过锥阀由泄油口流往油箱，产生压力降，p2p3，主阀芯上移，减压小孔进入控制位置，小孔的通流面积减小，液阻增大。油液从A通过小孔流向B时，产生压力将使出口处压力保持在调定值上xBAxY106861729345先导式比例减压阀结构（DRE型）1－先导阀体；2－比例电磁铁；3－主阀芯组件；4－主阀体；5－单向阀；6－通道；7－先导阀芯；8－流量稳定器；9－限压安全阀；10－压力检测孔螺堵DRE型先导式比例减压阀的先导阀部分与溢流阀部分完全相同。A为一次压力油入口，B为二次压力油出口。y为外泄油口，必须单独接往油箱。1.4静态特性曲线阀的静态特性是指在稳定工作状态下，比例阀各静态参数之间的相互关系。如输入电流与输出压力之间的关系曲线，称为I－P特性曲线，输入压力与输出流量之间的关系，称为p－q特性曲线等。020040060080001002003004005.010.015.020.025.030.031.5输出压力/MPa输入压力/MPa5.010.015.020.025.030.035.0电流/mA流量/Lmin●-1死区额定压力31.5MPa从图（a）可以看出，输出压力随输入电流成比例变化的情况。从理论上分析，特性曲线应该是完全线性的。但由于摩擦力、磁滞及机械死区的影响，曲线存在一定的非线性度，非线性度越小，比例阀的静态特性越好。比例阀的非线性度一般小于10％。I－P曲线有25％的死区，这是由于非线性因素引起的。（a）I－P特性曲线020040060080001002003004005.010.015.020.025.030.031.5输出压力/MPa输入压力/MPa5.010.015.020.025.030.035.0电流/mA流量/Lmin●-1死区额定压力31.5MPa从图（b）可以看出，p－q特性曲线在额定压力工作范围内，接近于一条水平线，这是因为先导式比例溢流阀通过主阀口泄油，主阀开口大小能自动调整以适应溢流流量的要求。但随着溢流流量的继续增大，使主阀口开度变化不能与之相适应时，压力就会随流量明显升高。因此，p－q曲线在q值太大部分有明显上翘，出现较大的调压偏差。（b）p－q特性曲线2.电液比例方向阀电液比例换向阀是在传统的电磁换向阀的基础上发展起来的，用比例电磁铁取代了电磁换向阀的普通开关电磁铁。因此比例换向阀的开口不只是有开和关两种状态，其开口大小与比例电磁铁的输入信号成正比，也就同时对系统液流的方向和流量进行控制。所以比例换向阀实质上是一种兼有流量控制和方向控制功能的复合阀。比例方向阀功能：比例方向控制阀按输入信号的极性和幅值大小，同时对液压系统液流方向和流量进行控制，从而实现对执行器运动方向和速度的控制。在压差恒定条件下，通过电液比例方向阀的流量与输入电信号的幅值成正比例，而流动方向取决于比例电磁铁是否受激励。具有方向控制功能和流量控制功能的两参数控制复合阀。外观：其外观与传统方向控制阀相同。基本原理：为了对进、出口同时执行准确节流，比例方向阀滑阀阀芯台肩圆柱面上开有轴向的节流(控制)槽。节流槽几何形状为三角形、矩形、圆形或其组合状。节流槽在台肩圆周上均匀分布、左右对称分布或成某一比例分布。节流槽轴向长度大于阀芯行程，使控制口总有节流功能。节流槽与阀套通过不同的配合可以得到O型、P型、Y型等不同的阀机能。比例方向阀有直动型和先导控制型。2.1比例换向阀的特点1.它和普通电磁换向阀一样，具有许多种中位滑阀机能，可以适应各种液压回路的要求，同时阀芯内部充分采用了流量阻尼及引入各种内部反馈控制，以及输入电信号大小可控等特点，因此换向平稳、完全避免了换向时的液压冲击。2.比例换向阀从结构上看，阀芯与阀体窗口之间有较大的搭合量，为正重叠阀，存在较大的零位死区，（一般为控制电流的10～20％），伺服阀虽然已有正重叠、零重叠和负重叠三种，即使是正重叠阀，其搭合量也很小，而且大多数为零重叠阀。比例阀的阀口压降比伺服阀低，节流损失能耗较小。3.高性能比例换向阀，又称为比例伺服阀，采用了零重叠结构，所以在滞环，线性度，重复精度等方面的性能已经接近伺服阀的水平，但在动态响应性能方面与高性能的伺服之间还存在差距。现代电液比例换向阀不仅能用于开环控制系统，也能用于闭环控制系统。4.比例换向阀的阀芯与阀体之间的配合间隙约3～5μm，而伺服阀的配合间隙约为0.5μm。因此，比例换向阀抗污染能力强，制造成本相对较低，维护也比较容易，这是比例换向阀的突出优点。2.2比例换向阀的类型比例换向阀的类型，根据对输出流量的功能不同，可分为比例方向节流阀和比例方向流量阀两种。前者类似于比例节流阀，比例电磁铁输入的电信号直接控制阀口的开度，因此输出流量与阀口前后压差有关，输出流量随负载而变。后者类似于比例调速阀，它由比例换向阀和具有压力补偿功能的定差减压阀组成，输出流量不受负载变化的影响。根据控制功率大小不同，可分为直动式比例换向阀和先导式比例换向阀两种。前者由比例电磁铁推杆直接推动换向阀阀芯，因此控制的流量较小。后者由先导级（小直径三通比例减压阀或其他压力阀）来控制功率放大级。可构成二级甚至三级阀。先导级与功率级之间的耦合方式有多种形式，例如流量－压力反馈，流量－位移反馈和流量－电反馈等。（1）直动式比例换向阀—不带位置反馈6ABPT12345APBT（a）（b）直动式比例换向阀（a）结构原理图（b）职能符号1、6－比例电磁铁；2、5－对中弹簧；3－阀体；4－阀芯主要由比例电磁铁，阀体，阀芯和复位弹簧等组成。结构与普通电磁换向阀完全相似，只是用比例电磁铁取代了普通电磁铁。当比例电磁铁1接受到输入电信号时，比例电磁铁推杆直接推动阀芯右移