液压放大元件

第2章液压放大元件教学目的与要求:1)了解液压控制阀的结构形式及分类方法2)掌握理想零开口、正开口四边滑阀的静特性分析方法3)了解掌握机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例阀分类及应用场合。4)掌握滑阀阀系数的推导与计算与计算方法5)掌握滑阀的受力分析和计算方法6)掌握喷嘴挡板阀和射流管阀的静态特性的推导方法。7)掌握力反馈二级电液伺服阀基本方程的推导方法8)掌握直接反馈两极滑阀式电液伺服阀传递函数的推导方法9)了解其他类型的电液伺服阀的原理和结构10)了解滑阀位置反馈，负载流量反馈，负载压力反馈的基本概念。第2章液压放大元件主要内容：1)液压控制阀分类（按机液伺服阀、电液伺服阀、电液比例阀分类并说明功能及应用场合）2)控制阀（滑阀，喷嘴挡板阀和射流管阀）的结构形式、静态特性3)电液伺服阀的组成和类型、主要性能参数、动力学模型、选择方法4)电液比例控制阀组成和分类、静动态特性、选择方法重点：1)理想零开口、正开口四边滑阀的静特性的分析2)力反馈二级电液伺服阀基本方程的推导本章难点：1)双喷嘴挡板阀阀系数的求取2)力反馈二级电液伺服阀基本方程的建立过程第2章液压放大元件概述液压放大元件—液压放大器，以机械运动来控制流体动力传输的元件。将输入的机械信号(位移或转角)转换为液压信号(流量、压力)输出，并进行功率放大。小功率信号控制大功率信号具有结构简单、单位体积输出功率大、工作可靠和动态性能好等优点，在液压伺服系统中广泛应用。包括：滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀等。研究重点：结构形式、工作原理、静态特性及设计准则一、按进、出阀的通道数划分四通阀(图2-1a、b、c、d)三通阀(图2-1e)二通阀(图2-1f)二、按滑阀的工作边数划分四边滑阀(图2-1a、b、c)双边滑阀(图2-1d、e)单边滑阀(图2-1f)三、按阀套窗口的形状划分矩形、圆形、三角形等多种四、按阀芯的凸肩数目划分二凸肩、三凸肩、四凸肩五、按滑阀的预开口型式划分正开口(负重叠)、零开口(零重叠)、负开口(正重叠)2.1圆柱滑阀的结构型式及分类2.1圆柱滑阀的结构型式及分类五、按滑阀的预开口型式划分正开口(负重叠)零开口(零重叠)负开口(正重叠)2.1圆柱滑阀的结构型式及分类图2.4滑阀阀口形状(a)通油槽为整周开槽(b)通油槽为方孔（c）通油槽为圆孔。dvxvxvxv(a)(b)（c）vxAW滑阀的面积梯度及部分开口，可全周开口、开方孔、开园孔是变化的W开园孔nLW展开图开方孔vdW全周开口2.1圆柱滑阀的结构型式及分类2.1圆柱滑阀的结构型式及分类阀芯阀体（阀套）凸肩沉割槽棱边阀芯孔阀芯与阀体land棱边沉割槽通油槽滑阀典型结构原理图2.1圆柱滑阀的结构型式及分类滑阀典型结构原理图零开口正开口负开口ZEROLIPUNDERLIPOVERLIP零重叠负重叠正重叠ABpST（a）两凸肩四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图(a)为两凸肩四通滑阀，它有一个进油口P，两个通向液压执行元件的控制口A及B，另外还有两个回油口。因为两个回油口合并成一个O口流出滑阀，故整个滑阀共有P、T、A、B四个通油口，称四通阀。这种结构中回油压力作用于凸肩，因油压力不会为零，当阀芯不在零位时，总有一个使阀芯继续打开的力作用于阀芯。2.1圆柱滑阀的结构型式及分类pSTABXv（D）三凸肩负开口四通滑阀pSTABUUUU（E）三凸肩正开口四通滑阀不论凸肩数有多少，也不管是三通或四通的阀，都可以做成正开口、负开口或零开口的。（C）四凸肩零开口四通滑阀BPTAps（C）四凸肩零开口四通滑阀XvBPTAps（C）四凸肩零开口四通滑阀Xv图2.2滑阀典型结构原理图BPTAps图中三个通油槽处有四个工作棱边。由于凸肩的宽度和不同凸肩间的距离，与相对应的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以当阀芯处于中位时，凸肩的棱边与油糟的棱边，一一对齐，从而把油槽完全封住。这种完全理想化的滑阀，称理想滑阀。pSTAB（D）三凸肩零开口四通滑阀pSTAB（D）三凸肩零开口四通滑阀pSTABXv（D）三凸肩负开口四通滑阀pSTABUUUU（E）三凸肩正开口四通滑阀(e)三凸肩正开口四通阀阀芯处于中位时，四个节流工作棱边处都有相同的预开口量U，即在零位时有预开口量，这种阀称正开口阀或负重叠阀。pSTABUUUUXv（E）三凸肩正开口四通滑阀图2.2滑阀典型结构原理图pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩负开口四通滑阀(f)三凸肩负开口四通滑阀零位时每个凸肩都遮盖了相应的油槽而有重叠量，只有阀芯位移超过了棱边处的重叠量后阀口才打开。这种阀称正重叠阀或负开口阀。零开口四通滑阀3142pSQLQ1Q3Tp2p1(b)液压桥pSTABXv124p13p2QLQL(a)结构原理图pSTABXv124p13p2QLQLA2.1圆柱滑阀的结构型式及分类2.2滑阀静态特性的一般分析滑阀的静态特性即：压力—流量特性是指稳态情况下，阀的负载流量qL与负载压力pL、滑阀位移Xv三者之间的关系。它表示滑阀的工作能力和性能，对液压伺服系统的静、动态特性计算具有重要意义。阀的静态特性可用方程、曲线或特性参数(阀的系数)表示。静态特性曲线和阀的系数的获得：1）可从实际的阀测出2）对许多结构的阀也可以用解析法推导出压力-流量方程。2.2滑阀静态特性的一般分析pSTABXv=0p1p2QLQLL1L2UUUU4312四边滑阀及等效桥路2.2.1滑阀压力-流量方程的一般表达式2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.1滑阀压力-流量方程的一般表达式在推导压力—流量方程时，作以下假设：1)液压能源是理想的恒压源，供油压力为常数。另外，假设回油压力为零。2)忽略管道和阀腔内的压力损失。3)假定液体是不可压缩的。因为考虑的是稳态情况，液体密度变化量很小。4)假定阀各节流口流量系数相等。2.2滑阀静态特性的一般分析桥路的压力平衡方程：桥路的流量平衡方程：各桥臂的流量方程：式中节流口液导：2.2.1：压力-流量方程的一般表达式2.2滑阀静态特性的一般分析：2.2.1：压力-流量方程的一般表达式pSTABXv=0p1p2QLQLL1L2UUUU43122.2滑阀静态特性的一般分析2.2.1：压力-流量方程的一般表达式2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.2：滑阀的静态特性（流量、压力、阀芯位移）1)流量特性曲线负载压降等于常数时，负载流量与阀芯位移之间的关系。负载压降pL＝0时的流量特性称为空载流量特性。2)压力特性曲线负载流量等于常数时，负载压降与阀芯位移之间的关系。通常所指的压力特性是指负载流量qL＝0时的压力特性2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.2：滑阀的静态特性（流量、压力、阀芯位移）3)压力-流量特性曲线所需压力流量能被阀的最大位移时的压力流量曲线包围，即能满足系统设计要求。阀芯位移一定时，负载流量与负载压降之间的关系。压力—流量特性曲线族可全面描述阀的稳态特性。2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.3：阀的线性化分析和阀的系数1)阀的线性化分析阀的压力-流量特性是非线性的。利用线件化理论对系统进行动态分析时，须将这个方程线性化。利用负载压力流量方程将其在某一特定工作点附近展成台劳级数可得：2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.3：阀的线性化分析和阀的系数2)滑阀的特性系数----阀的三个系数流量增益：指负载压降一定时，阀单位输入位移所引起的负载流量变化的大小。流量-压力系数：指阀开度一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化大小。压力增益：指qL＝0时，阀单位输入位移所引起的负载压力变化的大小。2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.3：阀的线性化分析和阀的系数2)滑阀的特性系数----阀的三个系数根据：阀的三个系数之间有如下关系：负载压力流量线性化方程：2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.3：阀的线性化分析和阀的系数2)滑阀的特性系数----阀的三个系数阀的三个系数是表示阀静态特性的三个性能参数。在确定系统的稳定性、响应特性和稳态误差时非常重要。压力增益：表示阀控执行元件组合起动大惯量或大摩擦力负载的能力。流量—压力系数：直接影响阀控执行元件(液压动力元件)的阻尼比和速度刚度。流量增益：直接影响系统的开环增益，因而对系统的稳定性、响应特性、稳态误差有直接影响。2.2滑阀静态特性的一般分析2.2.3：阀的线性化分析和阀的系数2)滑阀的特性系数----阀的三个系数阀的系数值随阀的工作点而变。压力—流量特性的原点对系统稳定性来说是最关键的一点。一个系统在这—点能稳定工作，则在其它的工作点也能稳定工作。故通常在进行系统分析时是以原点处的静态放大系数作为阀的性能参数。最重要的工作点是压力—流量曲线的原点，因为反馈控制系统经常在原点附近工作。而此处阀的流量增益最大(矩形阀口)。系统的开环增益也最高；但阀的流量—压力系数最小，所以系统的阻尼比也最低。2.3零开口四边滑阀的静态特性一、理想零开口四边滑阀的静态特性1、理想零开口四边滑阀的压力—流量方程2.3零开口四边滑阀的静态特性一、理想零开口四边滑阀的静态特性1、理想零开口四边滑阀的压力—流量方程x0时2.3零开口四边滑阀的静态特性一、理想零开口四边滑阀的静态特性1、理想零开口四边滑阀的压力—流量方程2.3零开口四边滑阀的静态特性一、理想零开口四边滑阀的静态特性1、理想零开口四边滑阀系数一、零开口四边阀的压力-流量特性方程2.3零开口四边滑阀的静态特性（总结）/)(2/)(0LSvdLLSvPPWxCQPPPx阀口压差时x0时x0时/)(/)(2/)(0LSvdLLSvdLLSvPPWxCQPPWxCQPPPx阀口压差时2.3零开口四边滑阀的静态特性/)(LSdvLqPPWCxQK流量增益零开口四边阀的阀系数0000/PCSdqKKPWCK系数理想零开口阀的零位阀零开口四边阀的特性曲线)(2/)(LSLSvdLLCPPPPWxCPQK压力流量系数vLSvLPxPPxPK)(2压力增益LQ流量LP压力时当SLPP它是流量曲线在某一点的斜率。表示负载压降一定时，阀单位输入位移引起负载流量变化大小。它是压力曲线在某一点的斜率。表示负载流量为零时，阀单位输入位移引起负载压力变化大小。实际零开口四边阀的零位阀系数LCvqLCPKxKQPWK002032CK泄漏系数零位时存在径向泄漏零位时压力不是无穷大KqvxLQKcLPKqvxLQKcLP放Q泄Q等价动态物理模型动态数学模型图2.6正开口四通滑阀3142pSQLQ1Q3Tp2p1pSTABXv=0p1p2QLQLL1L2UUUU12432.4正开口四通滑阀的静特性2.4.1正开口四边阀的压力-流量特性方程2.4正开口四通滑阀的静特性vvxUxU开口减小为、阀口开口增大为、阀口42312341QQQQQL或为为负载流量4231QQQQ且实际上42312341QQQQQQQQQL流量关系1Q流量4Q流量可分解成2个流量的叠加2.4.1正开口四边阀的压力-流量特性方程2.4正开口四通滑阀的静特性/)()(/2)(/)()(/2)(442131LSvdvdLSvdvdPPxUWCPxUWCQQPPxUWCPxUWCQQ又2/)(414221LSLPPPPPPPPP右图压力关系2/)(123121LSLPPPPPPPPP左图压力关系/)()(/)()(41LSvdLSvdLLPPxUWCPPxUWCQQQQ特性方程将流量方程在某一工作点(QL1、xv1、pL1)附近全微分，可得在此工作点处的流量方程:LLLvvLLppQxxQQLcvqpKxKQKq——流量增益，或流量放大系数，表示负载压力pL不变时，当阀芯位移xv，有微小增量时所引起的流量增量；Kc——压力流量系数，表示阀芯位移不变时负载压力增量与负载流量增量之间的关系，也称阀