第五章液阻

燕山大学工学硕士学位论文505.1液阻基本理论5.1.1概述从广义上来说，凡是能局部改变液流的流通面积使液流产生压力损失或在压力差一定的情况下，分配调节流量的液压阀口以及类似的结构，如薄壁小孔、短孔、细长孔、缝隙等，都称之为液阻。从这个广义的概念，我们可以看到液阻的本质性功能就是两个方面：隔压是其阻力特性（液阻前后的压力可以差别很大），限流是其控制特性（改变液阻的大小可以改变通过的流量）。对于液阻来说，通过液阻的流量vq与液阻两端的压差p往往为非线性关系，通过液阻的流量vq与压差p的关系一般情况下可以用式(5.1-1)表示mVpkAq(5.1-1)式中k——系数，与液阻的过流通道形状和液体性质有关；A——液阻过流截面积；m——指数，与液阻结构形式有关。图1-1显示指数m=0.5时液阻的流量压力特性。借鉴电子学对非线性电阻的定义,可以引出静态液阻R和动态液阻dR的概念，其定义如下VqPR(5.1-1)VddqpdR(5.1-1)第4章三级插装阀组51静态液阻R是液阻两端压差对流量的比值，它是液阻对稳态流体阻碍作用的一种度量；动态液阻dR是液阻两端压差微小增量与流量微小增量的比值，它是液阻对动态流体阻碍作用的一种度量。其计算公式见式(5.1-2)～(5.1-3)公式kApqpRmV1(5.1-2)公式kAmpdqpdRmVd1(5.1-3)图5·1-1液阻特性5.1.2液阻的分类及计算1．液阻的分类在液压元器件中，液阻的结构形式主要有三种，即薄刃型、细长孔型以及介于燕山大学工学硕士学位论文52薄刃型和细长孔型之间的混合型结构。这三种液阻的结构见图5.1-2a、b、c。图5.1-2三种液阻的结构形式薄刃型液阻(/1Ld)的压力损失要是局部阻力损失，其流量与压差的关系为非线性，薄刃型液阻的阻值与流量或压差有关。细长孔型液阻(/4Ld)的压力损失主要是沿程阻力损失，这种阻力损失主要由油液粘性摩擦所引起，细长孔内的流动状态通常为层流，流量与压差成线性关系，其液阻值与压差无关，为常值。混合型液阻的流量与压差的关系难以从流体力学的基本原理导出。在国内教材中，对于这种液阻，其压力流量特性大多数推荐使用Shin公式。Shin公式cpR3式中3/2424224Ldcd为液阻直径，为流体密度，L为液阻通流孔长度，为流体运动粘度，显然混合型液阻值R与压差p有关。液阻按其性质分类，分为三种：固定液阻，可调液阻和可控液阻。固定液阻是指液阻的开度或孔径不变；可调液阻是指液阻可以直接用手动或机构调节其开度；可控液阻是指液阻可以用控制信号通过电磁铁等对其实行控制，其开度不是由输入确定，而是由阀芯受力平衡决定。第4章三级插装阀组532．液阻的相关参数及计算对于液阻来说，通过液阻的流量vq与液阻两端的压差p往往为非线性关系，通过液阻的流量vq与压差p的关系一般情况下可用下式表示mVpkAq(5.1-4)静态液阻和动态液阻一般都是压差p或流量vq的函数。由式(5.1-4)可得，静态液阻的阻值R为VqPR（5.1-5）动态液阻的阻值dR为VddqpdR(5.1-6)对于薄刃型非线性液阻来说，其流量压力特性为pAcqdV2(5.1-7)它的静态液阻为pAcpqpRdV/2(5.1-8)它的动态液阻为pAcpdqpdRdd/22(5.1-9)对于这三种典型液阻形式，它们的流量压力特性与液阻公式见表(5.1-1)。燕山大学工学硕士学位论文54表5.1-1三种典型液阻的流量压力特性与液阻公式5.2液压阻力回路5.2.1液阻网络概述1．半桥液阻网络概述用锥阀和固定液阻控制的单作用液压缸的原理图见图5.2-1a、b。液压缸的一端作用着液压力1p，另一端为弹簧力和负载F，通过调节锥阀阀芯的行程可以控制活塞的运动速度，在该液阻网络中，1R是固定液阻，锥阀口是可变液阻2R，液阻网络的输入压力为0p，输出压力为1p，将该液阻网络用液阻符号表示，其原理如图5.2-1b所示。与桥类相似，称该液阻网络为半桥液阻网络。第4章三级插装阀组55图5.2-1半桥液阻网络2全桥液阻网络概述用4边滑阀控制双活塞杆液压缸的结构示意图见图5.2-2a、b。在图5.2-2a中，阀芯和阀体之间形成4个阀口，每个阀口就是一个液阻，因此，共形成了4个阻值可控的液阻1R、2R、3R和4R；0p为滑阀的输入，1p、2p为滑阀的输出，4边滑阀形成的液阻网络系统用可变液阻符号表示如图5.2-2b所示。称该液阻网络为全桥液阻网络。液阻值的大小由移动阀芯来控制，移动阀芯的力可以是液压力、气压力、电磁力或机械力。燕山大学工学硕士学位论文56图5.2-2全桥液阻网络3桥液阻网络桥液阻网络由3个液阻构成，由于其原理图形似希腊字母，故得其名。桥液阻网络由1R、2R、3R组成，它有1个输入控制口1vq、1p，两个输出控制口Vaq、第4章三级插装阀组572p和Vbq、3p，类似半桥的分类方法，根据1R、2R、3R为固定或可变液阻，可将桥分为7种类型，分别用A、B、C、D、E、F、G表示，各类桥液阻如图5.2-3a~g所示，其中A型桥的3个液阻都是可变液阻，B、C、D型桥均有两个可变液阻，1个固定液阻。E、F、G型桥有1个可变液阻，2个固定液阻，因此，E、F、G型桥的结构最简单。图5.2-3桥液阻回路5.2.2半桥液阻网络特性及应用1.结构分析半桥液阻网络按照液阻为可变或固定及排列方式不同可将其分为4种类型，其中A型半桥2个液阻都是可变液阻，B型半桥的1R是固定液阻，2R是可变液阻，C燕山大学工学硕士学位论文58型半桥的1R是可变液阻，2R是固定液阻；D型半桥的两个液阻1R和2R都是固定液阻，只能作为分压网络使用。A、B、C、D四种半桥液阻网络原理如图5.2-4a、b、c、d所示。缺少d2.流量压力特性A型半桥液阻的流量压力曲线如图5.2-4所示第4章三级插装阀组59以y为参变量，pfqV的流量压力特性曲线如图5.2-4所示，图中横坐标为p，纵坐标为Vq，参变量y的值从-1至1，该曲线族表示y为常数时，半桥液阻网络输出口压力与输出流量的关系。显然，输出口压力增加时，输出流量必然减小，流量压力特性曲线越平坦，说明输出流量受外载荷的影响较小。图5.2-4半桥液阻的流量压力曲线3.压力增益半桥液阻的压力增益曲线如图5.2-5所示图5.2-5半桥液阻的压力增益曲线燕山大学工学硕士学位论文604.流量增益A型半桥液阻的流量增益曲线如图5.2-6所示5.2-6半桥液阻的流量增益曲线5.半桥液阻在元件中的应用半桥液阻网络目前广泛用在液压控制阀和泵的先导控制回路中，或在液阻网络中作为分压之用。（1）B型半桥先导回路溢流阀图5.2-为广泛使用的B型半桥先导回路溢流阀的结构图，图5.2-为该阀结构原理图。该阀由主阀和先导阀组成，在主阀口到先导阀口之间安装了一个液阻1R，图第4章三级插装阀组615.2-7中当主阀进口压力低于溢流阀调定压力时，主阀和先导阀在各自弹簧力的作用下处于关闭状态，此时液阻1R没有油液流过，主阀进口压力1p和先导阀口压力相等，主阀芯上下端压力也相等。当1p增加，使作用在先导阀芯右端的液压力大于先导阀芯左端的弹簧力，先导阀打开，油液通过1R和先导阀口流回油箱，此时1R前段的压力1p大于1R后端的压力2p，且压力差21ppp随着先导流量的增加而加大，当此压力差达到一定值时，主阀在该压力差的作用下克服主阀弹簧力向上移动，主阀打开，大量的油液通过主阀口流回油箱，使主阀进口压力不再增大，实现液压系统的安全保护。图5.2-7半桥液阻回路稳态特性对于图5.2-7a所示的溢流阀结构，在先导回路中，第一个液阻是固定液阻1R，第二个液阻为先导阀口是可变液阻2R。对先导回路而言，主阀芯是先导回路控制的执行元件，主阀芯上腔的压力由先导回路控制输出口压力2p决定。显然，这是一个典型的B型半桥先导回路。该阀的稳态压力流量特性曲线如图5.2-8所示。图中cp为先导阀开启压力，Tp为溢流阀通过额定溢流量时的压力，称cTppp为稳态压力超调量，Tppp/称为稳态压力超调率。由于稳态液动力和弹簧力的影响，这种阀存在较大的稳态压力超调量，一般溢流阀的稳态压力超调率为10%～17%。燕山大学工学硕士学位论文62溢流阀的稳态特性曲线忽略作用在先导阀芯上的稳态液动力，可写出阀芯的力平衡方程、液阻的压力流量方程以及流量连续性方程。先导回路液阻及先导阀口的压力流量方程2111ppcqV（2-7）22pbyqV（2-8）先导阀芯力平衡方程)(132yykAp（2-9）主阀芯力平衡方程12112211)(xpkxxkApAp(2-10)主阀口压力流量方程11pxbqVz（2-11）VzVVqqq1（2-12）式中1c——液阻1R的液导（5.014Nsm）；ｂ——先导阀阀口系数（5.013Nsm）；1b——主阀阀口系数（5.013Nsm）；ｙ——先导阀口轴向开口量（m），by为该阀口的液导；21AA、——主阀下端和上端有效作用面积(2m)；3A——先导阀座有效面积；ｋ——先导阀弹簧刚度（Ｎ/ｍ）；第4章三级插装阀组631y——先导阀弹簧预压缩量（m）；x——主阀口轴向开口量；1k——主阀弹簧刚度（Ｎ/ｍ）；1x——主阀弹簧预压缩量（ｍ）；2k——主阀稳态液动力系数（ｍ）；根据上述6个方程，可以解出1p与Vq的函数关系，但该方程组为非线性方程，难以直接计算，通过将上述方程线性化，然后确定Vq与1p之间的关系，任取0VVqq、101pp作为稳定工作点进行讨论。将式（2-7）～式（2-12）进行线性化，并考虑到稳态时21VVqq，得到)(2111ppdqV（2-13）2321pdydqV（2-14）ykAp32（2-15）xdpdp5142(2-16)xdpdqVz716（2-17）VzVVqqq1（2-18）联立以上线性化后的6个方程，即可得到Vq与1p的函数关系。5.2.3全桥液阻网络特性及应用1.结构分析全桥液阻网络可以看作是两个半桥液阻网络的组合，全桥液阻网络共有9种结构形式，各种全桥液阻网络如图5.2-8a~i所示。图中，空心箭头代表该液阻的阻力随y值的增加而减小，而实心箭头代表该液阻的阻力随y值的增加而增大。AA型全桥液阻网络由两个A型半桥并联而成，BA型全桥液阻网络左边是A型半桥液阻网络，右边是B型半桥液阻网络，其他全桥液阻网络的名称也是一样，分别表示由两个半桥液阻网络并联而成。燕山大学工学硕士学位论文64第4章三级插装阀组65燕山大学工学硕士学位论文66第4章三级插装阀组67图5.2-8全桥液阻回路2.流量压力特性全桥液阻网络有2个输出控制口，用于分别控制液压缸的两瑞，研究液阻网络的特性是为了更好地对液压缸进行控制，因此首先要了解控制液压缸运动的一些基本要求。(1)液压缸的运动速度与阀芯的位移成线性关系，以便提高液压缸的控制精度，简化控制方法。(2)液压缸的运动速度受负载的干扰小，即当液压缸的负载变化时，液比缸的运动速度尽可能保持不变。(3)液压缸速度曲线零位死区小。(4)阀芯在零位时，泄漏小。分析全桥液阻网络的特性时，主要分析负载流量(与液压缸速度成正比)、负载压力与阀芯位移的关系。下面以A+A型全桥液阻网络为例，分析其流量压力特性，A+A型全娇液阻网络如图3—12所示。设液阻为棱边型液阻，可写出流量压力方程2)(2)(0000LLVLppyybppyybq（3-14）式中VLq——进入和流出液压缸的流量，称为负载流量。式(3—14)是对称且匹配的四通滑阀的一般表达式，仍然以阀口预开口量0y为阀口开度的参考量，以恒压进油压力0p为控制压力的参燕山大学工学硕士学位论文68考量，控制流量的参考量按最大流量计算，即2R阀口全关，0yy，负载压力0Lp，而控制阀1p和2p的压力为2