电液伺服控制阀和比例阀

电液伺服控制阀电液伺服阀将电信号传递处理的灵活性和大功率液压控制相结合，可对大功率、快速响应的液压系统实现远距离控制、计算机控制和自动控制，在航空、航天、冶金、试验设备、雷达、船舰、兵器等领域具有重要而广泛的用途。按输出和反馈的液压参数不同，电液伺服阀分为流量伺服阀和压力伺服阀两大类，前者应用远比后者广泛，本课程只讨论流量伺服阀。一、电液伺服阀的结构原理电液伺服阀用伺服放大器进行控制。伺服放大器的输入电压信号来自电位器、信号发生器、同步机组和计算机的D/A数模转换器输出的电压信号等。其输出参数即电-机械转换器的电流与输入电压信号成正比。伺服放大器是具有深度电流负反馈的电子放大器，一般主要包括比较元件（即加法器或误差检测器）、电压放大和功率放大等三部分。电液伺服阀在系统中一般不用作开环控制，系统的输出参数必须进行反馈，形成闭环控制，因而其比较元件至少要有控制和反馈两个输入端。有的电液伺服阀还有内部状态参数的反馈。电液伺服阀多为两级阀，有压力型伺服阀和流量型伺服阀之分，绝大部分伺服阀为流量型伺服阀。在流量型伺服阀中，要求主阀芯的位移XP与的输入电流信号I成比例，为了保证主阀芯的定位控制，主阀和先导阀之间设有位置负反馈，位置反馈的形式主要有直接位置反馈和位置-力反馈两种。一、直接位置反馈电液伺服阀力马达电液伺服阀的电-机械转换器的直接作用是将伺服放大器输入的电流转换为力矩或力（前者称为力矩马达、后者称为力马达），进而转化为在弹簧支承下阀的运动部件的角位移或直线位移以控制阀口的通流面积大小。iFKi动圈式直接位置反馈伺服阀原理图先导级放大元件反馈杆动圈式伺服阀反馈杆动圈式伺服阀图示为一典型的电液伺服阀，由电-机械转换器、液压控制阀和反馈机构三部分组成。图电液伺服阀a）电液伺服阀结构b）电-机械转换器结构1—喷嘴2—挡板3—弹簧管4—线圈5—永久磁铁6、8—导磁体7—衔铁9—阀体10—滑阀11—节流孔12—过滤器电液伺服阀的电-机械转换器的直接作用是将伺服放大器输入的电流转换为力矩或力（前者称为力矩马达、后者称为力马达），进而转化为在弹簧支承下阀的运动部件的角位移或直线位移以控制阀口的通流面积大小。二、喷嘴挡板式力反馈电液伺服阀力矩马达衔铁磁钢导磁体iTSNNNSSNSNS吸吸斥斥KtiT指i图a的上部及图b表示电-机械转换器的结构。衔铁7和挡板2连为一体，由固定在阀体9上的弹簧管3支承。挡板下端的球头插入滑阀10的凹槽，前后两块永久磁铁5与导磁体6、8形成一固定磁场。当线圈4内无控制电流时，导磁体6、8和衔铁间四个间隙中的磁通相等均为φg，且方向相同，衔铁受力平衡处于中位。当线圈中有控制电流时，一组对角方向气隙中的磁通增加，另一组对角方向气隙中的磁通减小，于是街铁在磁力作用下克服弹簧管的弹力，偏转一角度。挡板随衔铁偏转而改变其与两个喷嘴1间的间隙，一个间隙减小，另一个间隙相应增加。该电液伺服阀的液压阀部分为双喷嘴挡板先导阀控制的功率级滑阀式主阀。压力油经P口直接为主阀供油，但进喷嘴挡板的油则需经过滤器12进一步过滤。当挡板偏转使其与两个喷嘴间隙不等时，间隙小的一侧的喷嘴腔压力升高，反之间隙大的一侧喷嘴腔压力降低。这两腔压差作用在滑阀的两端面上，使滑阀产生位移，阀口开启。这时压力油经P口和滑阀的一个阀口并经通口A或B流向液压缸，液压缸的排油则经通口B或A和另一阀口并经通口T与回油相通。双喷嘴挡板阀滑阀移动时带动挡板下端球头一起移动，从而在衔铁挡板组件上产生力矩，形成力反馈，因此这种阀又称力反馈伺服阀。稳态时衔铁挡板组件在驱动电磁力矩、弹簧管的弹性反力矩、喷嘴液动力产生的力矩、阀心位移产生的反馈力矩作用下保持平衡。输入电流越大，电磁力矩也越大，阀心位移即阀口通流面积也越大，在一定阀口压差（例如7MPa）下，通过阀的流量也越大，即在一定阀口压差下，阀的流量近似与输入电流成正比。当输入电流极性反向时，输出流量也反向。电液伺服阀的反馈方式除上述力反馈外还有阀心位置直接反馈、阀心位移电反馈、流量反馈、压力反馈（压力伺服阀）等多种形式。电液伺服阀内的某些反馈主要是改善其动态特性，如动压反馈等。上述电液伺服阀液压部分为二级阀，伺服阀也有单级的和三级的，三级伺服阀主要用于大流量场合。由喷嘴、挡板阀和滑阀组成的力反馈型电液伺服阀是最典型的、最普遍的结构形式。电液伺服阀的电-机械转换器有动铁式、动圈式和压电陶瓷等形式。二、电液伺服阀常用的结构形式液压伺服阀中常用的液压控制元件的结构有滑阀、射流管和喷嘴-挡板三种。1.滑阀根据滑阀上控制边数（起控制作用的阀口数）的不同，有单边、双边和四边滑阀控制式三种类型。四边滑阀根据在平衡位置时阀口初始开口量的不同，可以分为三种类型：即负预开口（正遮盖）、零开口和正预开口。伺服阀阀心除了作直线移动的滑阀之外，还有一种阀心作旋转运动的转阀，它的作用原理和上述滑阀相类似。图单边、双边和四边滑阀a）单边b）双边c）四边图4-80a为单边滑阀控制式，它有一个控制边。控制边的开口量xs控制了液压缸中的油液压力和流量，从而改变了液压缸运动的速度和方向。图c为四边滑阀控制式，它有四个控制边。xs1和xs2是控制压力油进入液压缸左、右油腔的，xs3和xs4是控制左、右油腔通向油箱的。当滑阀移动时，xs1和xs4增大，xs2和xs3减小，或相反，这样就控制了进入液压缸左、右腔的油液压力和流量，从而控制了液压缸的运动速度和方向。由上可见，单边、双边和四边滑阀的控制作用是相同的。单边式，双边式只用以控制单杆的液压缸；四边式用来控制双杆的液压缸。控制边数多时控制质量好，但结构工艺性差。一般说来，四边式控制用于精度和稳定性要求较高的系统；单边式、双边式控制则用于一般精度的系统。滑阀式伺服阀装配精度要求较高，价格也较贵，对油液的污染也较敏感。图b为双边滑阀控制式，它有两个控制边。压力油一路进入液压缸左腔，另一路经滑阀控制边xsl的开口和液压缸右腔相通，并经控制边xs2的开口流回油箱。当滑阀移动时，xs1增大,xs2减小，或相反，这样就控制了液压缸右腔的压力，因而改变了液压缸的运动速度和方向。2.射流管图射流管1—液压缸2—接受板3—射流管图示为射流管装置的工作原理。它由射流管3、接受板2和液压缸1组成。射流管3可绕垂直于图面的轴线左右摆动一个不大的角度。接受板2上有两个并列着的接受孔道a和b，它们把射流管3端部锥形喷嘴中射出的压力油分别通向液压缸1左右两腔。当射流管3处于两个接受孔道的中间位置时，两个接受孔道内油液的压力相等，液压缸1不动；如有输入信号使射流管3向左偏转一个很小的角度时，两个接受孔道内的压力不相等，液压缸1左腔的压力大于右腔的，液压缸1便向左移动，直到跟着液压缸1移动的接受板2使射流孔又处于两接受孔道的中间位置时为止；反之亦然。可见，在这种伺服元件中，液压缸运动的方向取决于输入信号的方向，运动的速度取决于输入信号的大小。射流管装置的优点是：结构简单，元件加工精度要求低；射流管出口处面积大，抗污染能力强；射流管上没有不平衡的径向力，不会产生“卡住”现象。射流管装置的缺点是：射流管运动部分惯量较大，工作性能较差；射流能量损失大，零位无功损耗亦大，效率较低；供油压力高时容易引起振动，且沿射流管轴向有较大的轴向力。※射流管主要用于多级伺服阀的第一级的场合。3.喷嘴-挡板图喷嘴-挡板的工作原理1—液压缸2—挡板3—喷嘴4—中间油室图示为喷嘴-挡板装置的工作原理。它由喷嘴3、挡板2和液压缸1组成。液压泵来的压力油pp一部分直接进入液压缸1有杆腔，另一部分经过固定节流孔a进入中间油室4再通入液压缸1的无杆腔，并有一部分经喷嘴-挡板间的间隙δ流回油箱。当输入信号使挡板2的位置（亦即是δ）改变时，喷嘴挡板间的节流阻力发生变化，中间油室4及液压缸1无杆腔的压力p1亦发生变化，液压缸1就产生相应的运动。喷嘴-挡板式控制的优点是：结构简单，运动部分惯性小；位移小，反应快，精度和灵敏度高；加工要求不高，没有径向不平衡力，不会发生“卡住”现象，因而工作较可靠。喷嘴-挡板式控制的缺点是：无功损耗大喷嘴-挡板间距离很小时抗污染能力差※喷嘴-挡板宜在多级放大式伺服元件中用作第一级（前置级）控制装置。如果射流管或喷嘴-挡板装置作为伺服阀的第一级使用时，则受其控制的不是液压缸，而是伺服阀的第二放大级。一般第二放大级是滑阀。三、伺服阀的特性分析1.静态特性伺服阀的流量-压力特性伺服阀的流量-压力特性是指它在负载下阀心作某一位移时通过阀口的流量qL与负载压力pL之间的关系。以图示的理想零开口阀为例，假定阀口棱边锋利，油源压力稳定，油液是理想液体，阀心和阀套间的径向间隙忽略不计，执行元件是双杆液压缸。当阀心向右移动时，阀口1、3打开，2、4关闭，伺服阀在进油、回油路上各有一个节流开口，进油开口处压力从pp降到p1，回油开口处从p2降到零。图零开口伺服阀计算简图油流的方程为qp=q1=qL=q3式中qp、qL——在负载下通过伺服阀和通向液压缸的流量；q1、q3——通过阀口1、3的流量。)(pd1112ppACq2332pACqd式中A1、A3——阀口1、3处的通流面积，其他符号意义同前。伺服阀的各个控制口大多是配作而且对称的，因此A1=A3，且q1=q3。由于pP=p1+p2（可由q1=q3推得），且负截压力pL=p1-p2，故有p1=（pP+pL）/2，p2=（pP-pL）/2在这种情况下LpsdLpdLppwxCppACq221221smaxspsmaxdpLxxpwxCqppL将上式右边乘xsmax，平方后化成无量纲式，得这是一组抛物线方程，其图形如图所示。图零开口伺服阀的“流量-压力”特性曲线图中上半部是伺服阀右移时的情况，下半部是伺服阀左移时的情况。由图可见，伺服阀的“流量-压力”曲线对零点是对称的，亦即是阀的控制性能在两个方向是一样的。其他开口形式伺服阀的“流量-压力”特性可以仿照上述方法进行分析。阀的流量-压力系数)(2LpsdconstLLCsppρwxCpqKx流量特性图伺服阀的流量特性a）零开口阀b）负预开口阀c）正预开口阀伺服阀的流量特性如图所示，其中图a所示为零开口阀的理论流量曲线和实际流量曲线，图b和图c所示分别为负预开口阀和正预开口阀的流量曲线。阀的流量增益（流量放大系数）constsLqLpxqK对理想零开口阀而言，得LpdqppwCK压力特性图伺服阀的压力特性由图可得阀的压力增益（压力放大系数），其定义为：CqpKKKsLpp)(xppK2对理想零开口阀来说：系数Kq、KC和Kp称为液压伺服阀的特性系数。图示为伺服阀的压力特性曲线。constsLpLqxpK))((sLLLsLxppqxq由此可推得：液压伺服阀的特性系数不仅表示了液压伺服系统的静特性，而且在分析伺服系统的动特性时也非常重要。流量增益对系统的稳定性有影响。流量-压力系数对系统的阻尼比和系统刚度有影响。阀的压力增益则表明阀心在很小位移时，系统能否有启动较大负载的能力，故对灵敏度有影响。阀在原点附近的特性系数称为零位特性系数。几种常用伺服阀的零位特性系数，如表所示。表中单边滑阀和双边滑阀的零位特性系数表达式是指由它们驱动的液压缸是小腔有效工作面积和大腔有效工作面积之比为0.5的液压缸而言。而单边滑阀的xs0，指在零负载和液压缸不动(qL=0)这一平衡状态下的开口量。对正开口四边滑阀，xs0是它的预开口量。pdpCwpdpCwpd2pCwpd2pCwp0sd2pwxCp0sd2pwxCp0sdpwxCps02pxps0pxps02px表几种液压伺服阀的零位特性系数伺服阀种类零位特性系数单边滑阀双边滑阀零开口四边滑阀正开口四边滑阀Kq0KC00Kp0∞内泄漏特性阀的内泄漏特性和图4-7中所示的相仿。若为零开口滑阀，滑阀处于中间位置时，通过径向逢隙产生的泄漏为：3rpπ32wCqp式中w——阀的面积梯度；Cr