第五章液阻

1、第4章 三級(jí)插裝閥組5.1 液阻基本理論5.1.1 概述從廣義上來(lái)說(shuō)，凡是能局部改變液流的流通面積使液流產(chǎn)生壓力損失或在壓力差一定的情況下，分配調(diào)節(jié)流量的液壓閥口以及類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，如薄壁小孔、短孔、細(xì)長(zhǎng)孔、縫隙等，都稱(chēng)之為液阻。從這個(gè)廣義的概念，我們可以看到液阻的本質(zhì)性功能就是兩個(gè)方面：隔壓是其阻力特性（液阻前后的壓力可以差別很大），限流是其控制特性（改變液阻的大小可以改變通過(guò)的流量）。對(duì)于液阻來(lái)說(shuō)，通過(guò)液阻的流量與液阻兩端的壓差往往為非線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)液阻的流量與壓差的關(guān)系一般情況下可以用式(5.1-1)表示 (5.1-1)式中 k系數(shù)，與液阻的過(guò)流通道形狀和液體性質(zhì)有關(guān)；A液阻過(guò)流截面積；m指

2、數(shù)，與液阻結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。圖1-1顯示指數(shù)m=0.5時(shí)液阻的流量壓力特性。借鑒電子學(xué)對(duì)非線(xiàn)性電阻的定義,可以引出靜態(tài)液阻R和動(dòng)態(tài)液阻的概念，其定義如下 (5.1-1)(5.1-1)靜態(tài)液阻是液阻兩端壓差對(duì)流量的比值，它是液阻對(duì)穩(wěn)態(tài)流體阻礙作用的一種度量；動(dòng)態(tài)液阻是液阻兩端壓差微小增量與流量微小增量的比值，它是液阻對(duì)動(dòng)態(tài)流體阻礙作用的一種度量。其計(jì)算公式見(jiàn)式(5.1-2)(5.1-3) 公式 (5.1-2) 公式 (5.1-3)圖5·1-1 液阻特性5.1.2 液阻的分類(lèi)及計(jì)算1液阻的分類(lèi)在液壓元器件中，液阻的結(jié)構(gòu)形式主要有三種，即薄刃型、細(xì)長(zhǎng)孔型以及介于薄刃型和細(xì)長(zhǎng)孔型之間的混合型結(jié)構(gòu)

3、。這三種液阻的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.1-2a、b、c。圖5.1-2 三種液阻的結(jié)構(gòu)形式薄刃型液阻()的壓力損失要是局部阻力損失，其流量與壓差的關(guān)系為非線(xiàn)性，薄刃型液阻的阻值與流量或壓差有關(guān)。細(xì)長(zhǎng)孔型液阻()的壓力損失主要是沿程阻力損失，這種阻力損失主要由油液粘性摩擦所引起，細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)通常為層流，流量與壓差成線(xiàn)性關(guān)系，其液阻值與壓差無(wú)關(guān)，為常值?；旌闲鸵鹤璧牧髁颗c壓差的關(guān)系難以從流體力學(xué)的基本原理導(dǎo)出。在國(guó)內(nèi)教材中，對(duì)于這種液阻，其壓力流量特性大多數(shù)推薦使用Shin公式。Shin公式 式中 d為液阻直徑，為流體密度，L為液阻通流孔長(zhǎng)度，為流體運(yùn)動(dòng)粘度，顯然混合型液阻值R與壓差有關(guān)。液阻按其性質(zhì)分類(lèi)

4、，分為三種：固定液阻，可調(diào)液阻和可控液阻。固定液阻是指液阻的開(kāi)度或孔徑不變；可調(diào)液阻是指液阻可以直接用手動(dòng)或機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)其開(kāi)度；可控液阻是指液阻可以用控制信號(hào)通過(guò)電磁鐵等對(duì)其實(shí)行控制，其開(kāi)度不是由輸入確定，而是由閥芯受力平衡決定。2液阻的相關(guān)參數(shù)及計(jì)算對(duì)于液阻來(lái)說(shuō)，通過(guò)液阻的流量與液阻兩端的壓差往往為非線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)液阻的流量與壓差的關(guān)系一般情況下可用下式表示 (5.1-4)靜態(tài)液阻和動(dòng)態(tài)液阻一般都是壓差或流量的函數(shù)。由式(5.1-4)可得，靜態(tài)液阻的阻值為 （5.1-5）動(dòng)態(tài)液阻的阻值為 (5.1-6)對(duì)于薄刃型非線(xiàn)性液阻來(lái)說(shuō)，其流量壓力特性為 (5.1-7)它的靜態(tài)液阻為 (5.1-8)它的動(dòng)

5、態(tài)液阻為 (5.1-9)對(duì)于這三種典型液阻形式，它們的流量壓力特性與液阻公式見(jiàn)表(5.1-1)。表5.1-1 三種典型液阻的流量壓力特性與液阻公式5.2 液壓阻力回路5.2.1液阻網(wǎng)絡(luò)概述1半橋液阻網(wǎng)絡(luò)概述用錐閥和固定液阻控制的單作用液壓缸的原理圖見(jiàn)圖5.2-1a、b。液壓缸的一端作用著液壓力，另一端為彈簧力和負(fù)載F，通過(guò)調(diào)節(jié)錐閥閥芯的行程可以控制活塞的運(yùn)動(dòng)速度，在該液阻網(wǎng)絡(luò)中，是固定液阻，錐閥口是可變液阻，液阻網(wǎng)絡(luò)的輸入壓力為，輸出壓力為，將該液阻網(wǎng)絡(luò)用液阻符號(hào)表示，其原理如圖5.2-1b所示。與橋類(lèi)相似，稱(chēng)該液阻網(wǎng)絡(luò)為半橋液阻網(wǎng)絡(luò)。圖5.2-1 半橋液阻網(wǎng)絡(luò)2 全橋液阻網(wǎng)絡(luò)概述用4邊滑閥控

6、制雙活塞桿液壓缸的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5.2-2a、b。在圖5.2-2a中，閥芯和閥體之間形成4個(gè)閥口，每個(gè)閥口就是一個(gè)液阻，因此，共形成了4個(gè)阻值可控的液阻、和；為滑閥的輸入，、為滑閥的輸出，4邊滑閥形成的液阻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用可變液阻符號(hào)表示如圖5.2-2b所示。稱(chēng)該液阻網(wǎng)絡(luò)為全橋液阻網(wǎng)絡(luò)。液阻值的大小由移動(dòng)閥芯來(lái)控制，移動(dòng)閥芯的力可以是液壓力、氣壓力、電磁力或機(jī)械力。圖5.2-2 全橋液阻網(wǎng)絡(luò)3 橋液阻網(wǎng)絡(luò)橋液阻網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)液阻構(gòu)成，由于其原理圖形似希臘字母，故得其名。橋液阻網(wǎng)絡(luò)由、組成，它有1個(gè)輸入控制口、，兩個(gè)輸出控制口、和、，類(lèi)似半橋的分類(lèi)方法，根據(jù)、為固定或可變液阻，可將橋分為7種類(lèi)型，分別用A

7、、B、C、D、E、F、G表示，各類(lèi)橋液阻如圖5.2-3ag所示，其中A型橋的3個(gè)液阻都是可變液阻，B、C、D型橋均有兩個(gè)可變液阻，1個(gè)固定液阻。E、F、G型橋有1個(gè)可變液阻，2個(gè)固定液阻，因此，E、F、G型橋的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。圖5.2-3 橋液阻回路5.2.2半橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性及應(yīng)用1.結(jié)構(gòu)分析半橋液阻網(wǎng)絡(luò)按照液阻為可變或固定及排列方式不同可將其分為4種類(lèi)型，其中型半橋2個(gè)液阻都是可變液阻，B型半橋的是固定液阻，是可變液阻，C型半橋的是可變液阻，是固定液阻；D型半橋的兩個(gè)液阻和都是固定液阻，只能作為分壓網(wǎng)絡(luò)使用。A、B、C、D四種半橋液阻網(wǎng)絡(luò)原理如圖5.2-4a、b、c、d所示。缺少d2.流量壓力特

8、性A型半橋液阻的流量壓力曲線(xiàn)如圖5.2-4所示以為參變量，的流量壓力特性曲線(xiàn)如圖5.2-4所示，圖中橫坐標(biāo)為，縱坐標(biāo)為，參變量的值從-1至1，該曲線(xiàn)族表示y為常數(shù)時(shí)，半橋液阻網(wǎng)絡(luò)輸出口壓力與輸出流量的關(guān)系。顯然，輸出口壓力增加時(shí)，輸出流量必然減小，流量壓力特性曲線(xiàn)越平坦，說(shuō)明輸出流量受外載荷的影響較小。圖5.2-4 半橋液阻的流量壓力曲線(xiàn)3.壓力增益半橋液阻的壓力增益曲線(xiàn)如圖5.2-5所示圖5.2-5 半橋液阻的壓力增益曲線(xiàn)4.流量增益A型半橋液阻的流量增益曲線(xiàn)如圖5.2-6所示5.2-6 半橋液阻的流量增益曲線(xiàn)5.半橋液阻在元件中的應(yīng)用半橋液阻網(wǎng)絡(luò)目前廣泛用在液壓控制閥和泵的先導(dǎo)控制回路中，

9、或在液阻網(wǎng)絡(luò)中作為分壓之用。（1） B型半橋先導(dǎo)回路溢流閥圖5.2-為廣泛使用的B型半橋先導(dǎo)回路溢流閥的結(jié)構(gòu)圖，圖5.2-為該閥結(jié)構(gòu)原理圖。該閥由主閥和先導(dǎo)閥組成，在主閥口到先導(dǎo)閥口之間安裝了一個(gè)液阻，圖5.2-7中當(dāng)主閥進(jìn)口壓力低于溢流閥調(diào)定壓力時(shí)，主閥和先導(dǎo)閥在各自彈簧力的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)液阻沒(méi)有油液流過(guò)，主閥進(jìn)口壓力和先導(dǎo)閥口壓力相等，主閥芯上下端壓力也相等。當(dāng)增加，使作用在先導(dǎo)閥芯右端的液壓力大于先導(dǎo)閥芯左端的彈簧力，先導(dǎo)閥打開(kāi)，油液通過(guò)和先導(dǎo)閥口流回油箱，此時(shí)前段的壓力大于后端的壓力，且壓力差隨著先導(dǎo)流量的增加而加大，當(dāng)此壓力差達(dá)到一定值時(shí)，主閥在該壓力差的作用下克服主閥彈簧

10、力向上移動(dòng)，主閥打開(kāi)，大量的油液通過(guò)主閥口流回油箱，使主閥進(jìn)口壓力不再增大，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的安全保護(hù)。圖5.2-7 半橋液阻回路穩(wěn)態(tài)特性對(duì)于圖5.2-7a所示的溢流閥結(jié)構(gòu)，在先導(dǎo)回路中，第一個(gè)液阻是固定液阻，第二個(gè)液阻為先導(dǎo)閥口是可變液阻。對(duì)先導(dǎo)回路而言，主閥芯是先導(dǎo)回路控制的執(zhí)行元件，主閥芯上腔的壓力由先導(dǎo)回路控制輸出口壓力決定。顯然，這是一個(gè)典型的B型半橋先導(dǎo)回路。該閥的穩(wěn)態(tài)壓力流量特性曲線(xiàn)如圖5.2-8所示。圖中為先導(dǎo)閥開(kāi)啟壓力，為溢流閥通過(guò)額定溢流量時(shí)的壓力，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)壓力超調(diào)量，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)壓力超調(diào)率。由于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和彈簧力的影響，這種閥存在較大的穩(wěn)態(tài)壓力超調(diào)量，一般溢流閥的穩(wěn)態(tài)壓力超調(diào)率為

11、10%17%。溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性曲線(xiàn)忽略作用在先導(dǎo)閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，可寫(xiě)出閥芯的力平衡方程、液阻的壓力流量方程以及流量連續(xù)性方程。先導(dǎo)回路液阻及先導(dǎo)閥口的壓力流量方程 （2-7） （2-8）先導(dǎo)閥芯力平衡方程 （2-9）主閥芯力平衡方程 (2-10)主閥口壓力流量方程（2-11）（2-12）式中 液阻的液導(dǎo)（）；先導(dǎo)閥閥口系數(shù)（）；主閥閥口系數(shù)（）；先導(dǎo)閥口軸向開(kāi)口量（m），by為該閥口的液導(dǎo)；主閥下端和上端有效作用面積()；先導(dǎo)閥座有效面積； 先導(dǎo)閥彈簧剛度（/）；先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量（m）；x主閥口軸向開(kāi)口量；主閥彈簧剛度（/）；主閥彈簧預(yù)壓縮量（）；主閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)（）；根據(jù)上述6個(gè)方程

12、，可以解出與的函數(shù)關(guān)系，但該方程組為非線(xiàn)性方程，難以直接計(jì)算，通過(guò)將上述方程線(xiàn)性化，然后確定與之間的關(guān)系，任取、作為穩(wěn)定工作點(diǎn)進(jìn)行討論。將式（2-7）式（2-12）進(jìn)行線(xiàn)性化，并考慮到穩(wěn)態(tài)時(shí)，得到 （2-13） （2-14） （2-15） (2-16)（2-17）（2-18）聯(lián)立以上線(xiàn)性化后的6個(gè)方程，即可得到與的函數(shù)關(guān)系。5.2.3全橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性及應(yīng)用1.結(jié)構(gòu)分析全橋液阻網(wǎng)絡(luò)可以看作是兩個(gè)半橋液阻網(wǎng)絡(luò)的組合，全橋液阻網(wǎng)絡(luò)共有9種結(jié)構(gòu)形式，各種全橋液阻網(wǎng)絡(luò)如圖5.2-8ai所示。圖中，空心箭頭代表該液阻的阻力隨y值的增加而減小，而實(shí)心箭頭代表該液阻的阻力隨y值的增加而增大。型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)由兩

13、個(gè)A型半橋并聯(lián)而成，型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)左邊是A型半橋液阻網(wǎng)絡(luò)，右邊是B型半橋液阻網(wǎng)絡(luò)，其他全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的名稱(chēng)也是一樣，分別表示由兩個(gè)半橋液阻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)而成。圖5.2-8 全橋液阻回路2. 流量壓力特性 全橋液阻網(wǎng)絡(luò)有2個(gè)輸出控制口，用于分別控制液壓缸的兩瑞，研究液阻網(wǎng)絡(luò)的特性是為了更好地對(duì)液壓缸進(jìn)行控制，因此首先要了解控制液壓缸運(yùn)動(dòng)的一些基本要求。 (1)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度與閥芯的位移成線(xiàn)性關(guān)系，以便提高液壓缸的控制精度，簡(jiǎn)化控制方法。 (2)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度受負(fù)載的干擾小，即當(dāng)液壓缸的負(fù)載變化時(shí)，液比缸的運(yùn)動(dòng)速度盡可能保持不變。 (3)液壓缸速度曲線(xiàn)零位死區(qū)小。 (4)閥芯在零位時(shí)，泄漏小。 分析全

14、橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特性時(shí)，主要分析負(fù)載流量(與液壓缸速度成正比)、負(fù)載壓力與閥芯位移的關(guān)系。下面以A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)為例，分析其流量壓力特性，A+A型全嬌液阻網(wǎng)絡(luò)如圖312所示。設(shè)液阻為棱邊型液阻，可寫(xiě)出流量壓力方程（3-14）式中進(jìn)入和流出液壓缸的流量，稱(chēng)為負(fù)載流量。 式(314)是對(duì)稱(chēng)且匹配的四通滑閥的一般表達(dá)式，仍然以閥口預(yù)開(kāi)口量為閥口開(kāi)度的參考量，以恒壓進(jìn)油壓力為控制壓力的參考量，控制流量的參考量按最大流量計(jì)算，即閥口全關(guān)，負(fù)載壓力，而控制閥和的壓力為，此時(shí)（3-15）將式(314)兩邊分別除以和，令，,，則有 （3-17）式(317)是A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的量綱一的流量壓力公式。表31列

15、出了各種全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的流量壓力特性公式。全橋液阻的流量壓力曲線(xiàn)如圖5.2-9所示圖5.2-9 全橋液阻的流量壓力曲線(xiàn)3.靜態(tài)特性參數(shù)對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)特性線(xiàn)族如圖5.2-10所示圖5.2-10 對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)特性線(xiàn)族特性參數(shù)1A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)流量增益 當(dāng)供油壓力恒定，負(fù)載壓力為常數(shù)時(shí)，全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載流量與閥芯位移的關(guān)系稱(chēng)為負(fù)載流量一位移特性，即A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載流量位移特性如圖316所示。顯然，負(fù)載流量位移特性是直線(xiàn)族，但負(fù)載壓力不同時(shí)，各直線(xiàn)的斜率是不同的。當(dāng)時(shí)，負(fù)載流量與閥芯位移的關(guān)系稱(chēng)為空載流量特性，表示為?？蛰d流量特性曲線(xiàn)的斜率 反映了流量隨y變化的靈敏度。對(duì)于全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)和y=0

16、時(shí)，定義流量特性曲線(xiàn)的斜率為流量增益，它是全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)。 （3-14）對(duì)于A(yíng)+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，由方程（3-14）兩邊分別對(duì)和y求偏導(dǎo)數(shù)，有經(jīng)整理得 （3-35） 2A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)壓力增益特性 當(dāng)供油壓力恒定，負(fù)載流量為常數(shù)時(shí)，負(fù)載壓力與閥芯位移的關(guān)系稱(chēng)為負(fù)載壓力一閥芯位移特性，表示為,如圖313和圖315所示。當(dāng)負(fù)載流量為零時(shí)，負(fù)載壓力與閥芯位移的關(guān)系稱(chēng)為壓力增益特性，表示為。壓力增益特性曲線(xiàn)的斜率反映壓力隨y變化的靈敏度，在曲線(xiàn)的不同點(diǎn)，其斜率是變化的。對(duì)全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，定義和y=0時(shí)，壓力增益特性曲線(xiàn)的斜率為壓力增益，壓力增益也是全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)。（3-36） 對(duì)于A(yíng)

17、+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，由方程(314)兩邊分別對(duì)和y求偏導(dǎo)數(shù)，整理得（3-38） 3A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的流量壓力特性 供油壓力恒定，負(fù)載流量與負(fù)載壓力、閥芯位移的關(guān)系稱(chēng)為流量壓力特性。表示為，如圖317所示。閥芯位移定時(shí)，流量壓力特性曲線(xiàn)的斜率反映流量隨壓力變化的靈敏度，在曲線(xiàn)的不同點(diǎn)，其斜率是變化的對(duì)全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，定義、和y=0的斜率為流量壓力系數(shù)，它也是全橋液阻網(wǎng)絡(luò)一個(gè)重要的特征參數(shù)對(duì)式（3-14）兩邊求偏導(dǎo)數(shù)，并將代入得上面從式(314)直接推導(dǎo)出了A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)，即壓力增益、流量增益和流量壓力系數(shù)，其他類(lèi)型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)也可以依此方法得到。但還有一種更簡(jiǎn)便的方法計(jì)

18、算全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)，如前所述，全橋是由半橋組合而成的，全橋的壓力增益和流量增益可將半橋特型參數(shù)按疊加法則計(jì)算。(1)全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的壓力增益等于2個(gè)半橋液阻網(wǎng)絡(luò)的壓力增益之代數(shù)和。(2)全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的流量增益等于2個(gè)半橋液阻網(wǎng)絡(luò)流量增益的平均值。注意到C型半橋，隨著閥芯位移y的增加其可變液阻的阻值是減小的。而且本章的c型半橋，隨著閥芯位移y的增加，其可變液阻的阻值是增加的，因而本章C型半橋的壓力增益和流量增益為正值。另外D型半橋無(wú)可變液阻，其壓力增益和流量增益力零。按疊加法則求得的9類(lèi)全橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性值如表32所示。公式 式5.2-1 非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)特性線(xiàn)族如圖5.2-11所示圖5.2-11

19、非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)特性線(xiàn)族特性參數(shù)公式 式5.2-2 作為控制型液阻網(wǎng)絡(luò)，除了要求有大的流量增益和壓力增益外，為了使被控液壓件按照給定的速度曲線(xiàn)運(yùn)行，還希望全橋液阻網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，使兩個(gè)方向的控制信號(hào)能產(chǎn)生數(shù)值相同、符號(hào)相反的負(fù)載壓力和負(fù)載流量，以便簡(jiǎn)化控制算法。從卜述兩點(diǎn)出發(fā)，A+A型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)就成為液壓伺服閥主閥普遍選用的液阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。其次是B+B型液阻網(wǎng)絡(luò)在伺服閥的先導(dǎo)級(jí)中有效廣泛的應(yīng)用。C+C型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)雖然與B+B型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)相同，但當(dāng)C+C型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)的可變液阻關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)控制口通過(guò)固定液阻與油箱相通，存在不可控性，因而公程上跋不用C+C型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)作為控制網(wǎng)絡(luò)。

20、至于其他的全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，如A+D、B+D、C+D型全橋液阻網(wǎng)絡(luò)，由于結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性為非線(xiàn)性特性，使得精確的運(yùn)動(dòng)控制算法變得復(fù)雜，所以在伺服控制中般不予采用。但隨著控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步?？梢酝ㄟ^(guò)控制算法來(lái)彌補(bǔ)這些全橋液阻網(wǎng)絡(luò)由于其非對(duì)稱(chēng)性和非線(xiàn)性特性引起控制精度不高的缺陷，而且這些全橋液阻網(wǎng)絡(luò)由于可變液阻少，機(jī)械加工簡(jiǎn)單，可以降低伺服閥的費(fèi)用，相信它們?cè)趯?lái)會(huì)有一定的發(fā)展。4.全橋液阻在元件中的應(yīng)用層流阻力回路，采用和銳邊控制縫隙類(lèi)似的辦法，到處下列表達(dá)式作為全橋的系統(tǒng)特性值：公式 式5.2-3（1）直接位置反饋型電液伺服閥直接位置反饋型電液伺服閥的主閥芯與先導(dǎo)閥芯構(gòu)成直接位置比較和反

21、饋，其工作原理如圖7.25所示。圖中，先導(dǎo)閥直徑較小，直接由動(dòng)圈式力馬達(dá)的線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)，力馬達(dá)的輸入電流約為0±300mA。當(dāng)輸入電流I=0時(shí)，力馬達(dá)線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)力Fi=0，先導(dǎo)閥芯位于主閥零位沒(méi)有運(yùn)動(dòng)；當(dāng)輸入電流逐步加大到I=300mA時(shí)，力馬達(dá)線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)力也逐步加大到約為40N，壓縮力馬達(dá)彈簧后，使先導(dǎo)閥芯產(chǎn)生位移約為4mm；當(dāng)輸入電流改變方向，I=-300mA時(shí)，力馬達(dá)線(xiàn)圈的驅(qū)動(dòng)力也變成約-40N，帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯產(chǎn)生反向位移約-4mm。上述過(guò)程說(shuō)明先導(dǎo)閥芯的位移x芯與輸入電流I成比例，運(yùn)動(dòng)方向與電流方向保持一致。先導(dǎo)閥芯直徑小，無(wú)法控制系統(tǒng)中的大流量；主閥芯的阻力很大，力馬達(dá)的推力又不

22、足以驅(qū)動(dòng)主閥芯。解決的辦法是，先用力馬達(dá)比例地驅(qū)動(dòng)直徑小的導(dǎo)閥芯，再用位置隨動(dòng)（直接位置反饋）的辦法讓主閥芯等量跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，最后達(dá)到用小信號(hào)比例地控制系統(tǒng)中的大流量之目的。設(shè)計(jì)時(shí)，將主閥芯兩端容腔看成為驅(qū)動(dòng)主閥芯的對(duì)稱(chēng)雙作用液壓缸，該缸由先導(dǎo)閥供油，以控制主閥芯上下運(yùn)動(dòng)。由于先導(dǎo)閥芯直徑小，加工困難，為了降低加工難度，可將先導(dǎo)閥上用于控制主閥芯上下兩腔的進(jìn)油閥口由兩個(gè)固定節(jié)流孔代替，這樣先導(dǎo)閥可看成是由兩個(gè)帶固定節(jié)流孔的半橋組成的全橋。為了實(shí)現(xiàn)直接位置反饋，將主閥芯、驅(qū)動(dòng)油缸、先導(dǎo)閥閥套三者做成一體，因此主閥芯位移xP（被控位移）反饋到先導(dǎo)閥上，與先導(dǎo)閥套位移x套相等。當(dāng)導(dǎo)閥芯在力馬達(dá)的驅(qū)

23、動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移x芯時(shí)，導(dǎo)閥芯與閥套之間產(chǎn)生開(kāi)口量x芯-x套，主閥芯上腔的回油口打開(kāi)，壓差驅(qū)動(dòng)主閥芯自下而上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)先導(dǎo)閥口在反饋的作用下逐步關(guān)小。當(dāng)導(dǎo)閥口關(guān)閉時(shí)，主閥停止運(yùn)動(dòng)且主閥位移xP=x套=x芯。反向運(yùn)動(dòng)亦然。在這種反饋中，主閥芯等量跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，故稱(chēng)為直接位置反饋。圖7.26(a)是DY系列直接位置反饋型電液伺服閥的結(jié)構(gòu)圖。上部為動(dòng)圈式力馬達(dá)，下部是兩級(jí)滑閥裝置。壓力油由P口進(jìn)入，A、B口接執(zhí)行元件，T口回油。由動(dòng)圈7帶動(dòng)的小滑閥6與空心主滑閥4的內(nèi)孔配合，動(dòng)圈與先導(dǎo)滑閥固連，并用兩個(gè)彈簧8、9定位對(duì)中。小滑閥上的兩條控制邊與主滑閥上兩個(gè)橫向孔形成兩個(gè)可變節(jié)流口11、12。P

24、口來(lái)的壓力油除經(jīng)主控油路外，還經(jīng)過(guò)固定節(jié)流口3、5和可變節(jié)流口11、12，先導(dǎo)閥的環(huán)形槽和主滑閥中部的橫向孔到了回油口，形成如圖7.26(b)所示的前置液壓放大器油路(橋路)。顯然，前置級(jí)液壓放大器是由具有兩個(gè)可變節(jié)流口11、12的先導(dǎo)滑閥和兩個(gè)固定節(jié)流口3、5組合而成的。橋路中固定節(jié)流口與可變節(jié)流口連接的節(jié)點(diǎn)a、b分別與主滑閥上、下兩個(gè)臺(tái)肩端面連通，主滑閥可在節(jié)點(diǎn)壓力作用下運(yùn)動(dòng)。平衡位置時(shí)，節(jié)點(diǎn)a、b的壓力相同，主滑閥保持不動(dòng)。如果先導(dǎo)滑閥在動(dòng)圈作用下向上運(yùn)動(dòng)，節(jié)流口11加大，12減小，a點(diǎn)壓力降低，b點(diǎn)壓力上升，主滑閥隨之向上運(yùn)動(dòng)。由于主滑閥又兼作先導(dǎo)滑閥的閥套(位置反饋)，故當(dāng)主滑閥向上

25、移動(dòng)的距離與先導(dǎo)滑閥一致時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)。同樣，在先導(dǎo)滑閥向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，主滑閥也隨之向下移動(dòng)相同的距離。故為直接位置反饋系統(tǒng)。這種情況下，動(dòng)圈只需帶動(dòng)小滑閥，力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)尺寸就不至于太大。以滑閥作前置級(jí)的優(yōu)點(diǎn)是：功率放大系數(shù)大，適合于大流量控制。其缺點(diǎn)是：滑閥閥芯受力較多、較大，因此要求驅(qū)動(dòng)力大；由于摩擦力大，使分辨率和滯環(huán)增大；因運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；公差要求嚴(yán)，制造成本高。（2）噴嘴擋板式力反饋電液伺服閥噴嘴擋板式電液伺服由電磁和液壓兩部分組成，電磁部分是一個(gè)動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)，液壓部分為兩級(jí)。第一級(jí)是雙噴嘴擋板閥，稱(chēng)前置級(jí)（先導(dǎo)級(jí)）；第二級(jí)是四邊滑閥，稱(chēng)功率放大級(jí)（主閥）。由雙噴嘴擋板閥構(gòu)成

26、的前置級(jí)如圖7.27所示，它由兩個(gè)固定節(jié)流孔、兩個(gè)噴嘴和1個(gè)擋板組成。兩個(gè)對(duì)稱(chēng)配置的噴嘴共用一個(gè)擋板，擋板和噴嘴之間形成可變節(jié)流口，擋板一般由扭軸或彈簧支承，且可繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，擋板的由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)擋板上沒(méi)有作用輸入信號(hào)時(shí)，擋板處于中間位置零位，與兩噴嘴之距均為x0，此時(shí)兩噴嘴控制腔的壓力P1與P2相等。當(dāng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)控制腔的壓力一邊升高，另一邊降低，就有負(fù)載壓力PL(PL=P1-P2)輸出。雙噴嘴擋板閥有四個(gè)通道(一個(gè)供油口，一個(gè)回油口和兩個(gè)負(fù)載口)，有四個(gè)節(jié)流口(兩個(gè)固定節(jié)流孔和兩個(gè)可變節(jié)流孔)，是一種全橋結(jié)構(gòu)。力反饋型噴嘴擋板式電液伺服的工作原理如圖7.28所示。主閥芯兩端容腔可看成

27、是驅(qū)動(dòng)主滑閥的對(duì)稱(chēng)油缸，由先導(dǎo)級(jí)的雙噴嘴擋板閥控制。擋板5的下部延伸一個(gè)反饋彈簧桿11，并通過(guò)一鋼球與主閥芯9相連。主閥位移通過(guò)反饋彈簧桿轉(zhuǎn)化為彈性變形力作用在擋板上與電磁力矩相平衡（即力矩比較）。當(dāng)線(xiàn)圈13中沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，力矩馬達(dá)無(wú)力矩輸出，擋板5處于兩噴嘴中間位置。當(dāng)線(xiàn)圈通入電流后，銜鐵3因受到電磁力矩的作用偏轉(zhuǎn)角度，由于銜鐵固定在彈簧管12上，這時(shí)，彈簧管上的擋板也偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角，使擋板與兩噴嘴的間隙改變，如果右面間隙增加，左噴嘴腔內(nèi)壓力升高，右腔壓力降低，主閥芯9（滑閥芯）在此壓差作用下右移。由于擋板的下端是反饋彈簧桿11，反饋彈簧桿下端是球頭，球頭嵌放在滑閥9的凹槽內(nèi)，在閥芯移動(dòng)的同

28、時(shí)，球頭通過(guò)反饋彈簧桿帶動(dòng)上部的擋板一起向右移動(dòng)，使右噴嘴與擋板的間隙逐漸減小。當(dāng)作用在銜鐵-擋板組件上電磁力矩與作用在擋板下端因球頭移動(dòng)而產(chǎn)生的反饋彈簧桿變形力矩（反饋力）達(dá)到平衡時(shí)，滑閥便不再移動(dòng)，并使其閥口一直保持在這一開(kāi)度上。該閥通過(guò)反饋彈簧桿的變形將主閥芯位移反饋到銜鐵-擋板組件上與電磁力矩進(jìn)行比較而構(gòu)成反饋，故稱(chēng)力反饋式電液伺服閥。通過(guò)線(xiàn)圈的控制電流越大，使銜鐵偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩、擋板撓曲變形、滑閥兩端的壓差以及滑閥的位移量越大，伺服閥輸出的流量也就越大。5.2.4橋液阻網(wǎng)絡(luò)特性及應(yīng)用1.結(jié)構(gòu)分析圖5.2-12為F型橋液阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，該液阻網(wǎng)絡(luò)的和是固定液阻，是錐閥口，為可變液阻。在系統(tǒng)

29、液壓力產(chǎn)生的推力小于彈簧力時(shí)，錐閥口關(guān)閉，的阻值為無(wú)窮大，回路沒(méi)有流體通過(guò)。當(dāng)系統(tǒng)液壓力產(chǎn)生的推力大于彈簧力時(shí)，錐閥口打開(kāi)，的阻值變小，流體通過(guò)、流回油箱。就整個(gè)回路而言，錐閥口開(kāi)度越大，總的液阻就越小，在進(jìn)口壓力基本不變的情況下，通過(guò)錐閥的流量就越多。在圖5.2-12a中，作用在錐閥上，作用在與錐閥相聯(lián)的活塞左端面，與的作用都是推閥芯右移。閥芯右邊是彈簧力，當(dāng)與產(chǎn)生的作用力與彈簧力平衡時(shí)，閥芯處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)流過(guò)液阻、的流量相等。當(dāng)通過(guò)該回路的流量因某種擾動(dòng)而增加時(shí)，的值將減小，的值將增加，在與的共同作用下，閥芯是向左移，還是向右移，主要取決于、的阻值以及、作用的面積和。若將圖5.2-12

30、a中的錐閥口抽象為圖5.2-12b中的可變液阻和面積等于錐閥座面積的小活塞，并且的阻值受閥芯運(yùn)動(dòng)的控制，顯然圖5.2-12b為F型橋液阻網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)控制口分別為與，這種回路的流量壓力特性，根據(jù)、的配置不同，F(xiàn)型橋液阻網(wǎng)絡(luò)可獲得2種不同的特性，即當(dāng)增加時(shí)，可以增加或保持不變。圖5.2-12 F型橋的結(jié)構(gòu)與半橋液阻網(wǎng)絡(luò)相比，橋液阻網(wǎng)絡(luò)具有更優(yōu)越的控制特性。半橋液阻網(wǎng)絡(luò)具有的特性，橋液阻網(wǎng)絡(luò)都具有。除此以外，橋液阻網(wǎng)絡(luò)還具有一些獨(dú)特的特性，這些特性是半橋液阻網(wǎng)絡(luò)不可能具有的。以溢流閥來(lái)說(shuō)，以半橋?yàn)橄葘?dǎo)控制網(wǎng)絡(luò)的溢流閥存在一個(gè)正的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差，而以橋?yàn)橄葘?dǎo)控制網(wǎng)絡(luò)的溢流閥可根據(jù)先導(dǎo)回路結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，使

31、其穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差為正或?yàn)榱恪?.控制對(duì)稱(chēng)液壓缸的流量壓力特性橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是： (1)用橋液阻網(wǎng)絡(luò)控制對(duì)稱(chēng)液壓缸時(shí)，只能控制液壓缸的單向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與彈簧等外力配合時(shí)，則能控制液壓缸的雙向運(yùn)動(dòng)。 (2)橋液阻網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)輸出控制口。 (3)在輸入?yún)?shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)可變液阻的阻值，可同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)輸出控制口參數(shù)、和、。 (4)橋液阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)液阻參數(shù)的不同設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多種不同的控制目的。3.控制不對(duì)稱(chēng)液壓缸的流量壓力特性橋液阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：當(dāng)用橋液阻網(wǎng)絡(luò)控制不對(duì)稱(chēng)液壓缸時(shí)，能控制液壓缸的雙向運(yùn)動(dòng)。4. 橋液阻在元件中的應(yīng)用（1）橋液阻在G型橋溢流閥中的應(yīng)用G型橋溢流閥的工作原理如圖5.2-13所示。與

32、一般的溢流閥相似，G型橋溢流閥由主閥和先導(dǎo)閥組成，主閥為插裝閥結(jié)構(gòu)，所不同的是先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)。圖中1為主閥芯，2為主閥彈簧，3為先導(dǎo)閥芯，4為先導(dǎo)閥彈簧。液阻、為固定液阻，先導(dǎo)閥閥口是可變液阻，改液阻用表示，G型橋溢流閥的先導(dǎo)液阻網(wǎng)絡(luò)如圖5.2-所示。液阻的作用是改善溢流閥的動(dòng)態(tài)特性，穩(wěn)態(tài)時(shí)，因而穩(wěn)態(tài)分析時(shí)可不考慮的作用，而認(rèn)為。溢流閥的開(kāi)啟壓力由先導(dǎo)閥彈簧4的彈簧力決定，作用在先導(dǎo)閥組件軸向的外力主要有3個(gè)，即彈簧力、先導(dǎo)閥芯組件左端面的液壓力和閥芯中部液壓力，當(dāng)先導(dǎo)閥未打開(kāi)時(shí)，液阻中沒(méi)有油液流過(guò)，故，此時(shí) （5.2-）式中 先導(dǎo)閥組件左端受壓面積；;D活塞直徑； 先導(dǎo)閥組件中部受壓面積；D先導(dǎo)

33、閥閥口直徑；先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量；k先導(dǎo)閥彈簧剛度。因，故有 （5.2-）即 當(dāng)閥的進(jìn)油壓力增加，使時(shí)，先導(dǎo)閥處于開(kāi)啟的臨界狀態(tài)，若進(jìn)口壓力進(jìn)一步增加，則先導(dǎo)閥打開(kāi)，此時(shí)先導(dǎo)回路有油液流過(guò)，。作用在主閥下腔的壓力為，主閥上腔的壓力為，當(dāng)式中 主閥下端受壓面積；主閥上端受壓面積；主閥彈簧預(yù)壓縮量；主閥彈簧剛度。主閥為開(kāi)啟的臨界狀態(tài)，若繼續(xù)增加，則主閥開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)主閥溢流。穩(wěn)態(tài)特性對(duì)于圖5-1所示G型橋溢流閥，忽略先導(dǎo)閥口的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，可寫(xiě)出先導(dǎo)回路液阻和先導(dǎo)閥口的流量壓力方程 （2） （3） （4）先導(dǎo)閥芯力平衡方程 （5）主閥口流量壓力方程（6）（7）主閥芯力平衡方程 (8)式中 液阻的液導(dǎo)（）；

34、先導(dǎo)閥閥口系數(shù)（）；主閥閥口系數(shù)（）；先導(dǎo)閥口軸向開(kāi)口量（m），by為該閥口的液導(dǎo)；主閥下端和上端有效作用面積()；作用在先導(dǎo)閥芯左端的有效面積；作用在先導(dǎo)閥芯中部的有效面積； 先導(dǎo)閥彈簧剛度（/）；先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量（m）；x主閥口軸向開(kāi)口量，為主閥口的液導(dǎo)；主閥彈簧剛度（/）；主閥彈簧預(yù)壓縮量（）；主閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)（）；根據(jù)上述7個(gè)方程，可以解出與的函數(shù)關(guān)系，但計(jì)算公式復(fù)雜，難以得到直觀(guān)的函數(shù)表達(dá)式，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析。因?yàn)镚型橋溢流閥的主閥由先導(dǎo)閥控制，若先導(dǎo)閥流量已知，則根據(jù)先導(dǎo)回路液阻的流量壓力方程和先導(dǎo)閥芯力平衡方程，可求得先導(dǎo)回路各點(diǎn)壓力。根據(jù)的值，由主閥芯力平衡方程

35、式（5-8）可求得主閥閥口開(kāi)口量x，然后由式（5-6）求得主閥口溢流量，再由式（5-7）求得總溢流量，最后得到的特性曲線(xiàn)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過(guò)先導(dǎo)回路3個(gè)液阻的流量相等，故有。（5-12）（5-14）將式（5-12）和式（5-14）代人式（5-7）可求得與的函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)曲線(xiàn)可由計(jì)算機(jī)仿真得到如圖5-3所示。圖5-3的有關(guān)參數(shù)如表5-1所示。改變液阻的小孔直徑，也即改變參數(shù)的值，得到的一組流量壓力特性曲線(xiàn)如圖5-3所示。圖中橫坐標(biāo)為流量，縱坐標(biāo)為壓力。從圖5-3可以看出，溢流閥的壓力流量特性是隨著先導(dǎo)回路參數(shù)的改變而改變的，根據(jù)參數(shù)配置的不同，其流量壓力特性可以呈現(xiàn)3種形式：（1）隨著溢流量的增加，溢

36、流閥的控制壓力增加（曲線(xiàn)4和5）。（2）溢流閥控制壓力保持橫值，不隨溢流量的增減而變化（曲線(xiàn)3）。（3）隨著溢流量的增加，溢流閥的控制壓力反而減?。ㄇ€(xiàn)1和2）。動(dòng)態(tài)特性分析G型橋溢流閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5-1，根據(jù)閥內(nèi)各腔流量連續(xù)性方程和閥芯的受力和閥芯的受力平衡方程，可得溢流閥動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下 （5-57）（58）（59）（60）（61）（62）泵的輸出流量（）；x，y主閥和先導(dǎo)閥閥芯位移（m）；先導(dǎo)閥和主閥彈簧與壓縮力（N）；主閥下端和上端有效作用面積（）；先導(dǎo)閥左端和中部的有效作用面積（）；圖5-1中各容腔的體積（）；先導(dǎo)閥芯和主閥芯的質(zhì)量（kg）；綜合體積模量（）；先導(dǎo)閥芯和主閥芯的粘性

37、阻尼系數(shù)（）先導(dǎo)閥和主閥閥口穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力等效當(dāng)量彈簧剛度（）；先導(dǎo)閥和主閥彈簧剛度（）動(dòng)態(tài)特性仿真根據(jù)上節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型，若令，就可得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程，設(shè)輸出變量為。系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表5-2。G型橋溢流閥的動(dòng)態(tài)特性與先導(dǎo)回路的液阻參數(shù)密切相關(guān)，在G型橋溢流閥的其他參數(shù)不變時(shí)，改變先導(dǎo)液阻的小孔直徑，能得到不同的G型橋溢流閥動(dòng)態(tài)特性，圖5-4圖5-6為G型橋溢流閥在不同直徑時(shí)的動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果。圖5-4中的，此時(shí)G型橋溢流閥具有正的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差，圖5-5中的， 圖5-6中的，此時(shí)G型橋溢流閥的動(dòng)態(tài)特性變差，如再減少的值，則閥的動(dòng)態(tài)特性不穩(wěn)定。仿真研究表明，在穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差為正或?yàn)榱銜r(shí)，G型橋溢流閥具有較

38、好的動(dòng)態(tài)特性，在穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差從零往負(fù)的方向變化時(shí)，G型橋溢流閥動(dòng)態(tài)特性出現(xiàn)不穩(wěn)定。（2）橋液阻在F型橋溢流閥中的應(yīng)用F型橋溢流閥的工作原理如圖5.2-13所示，它也是由先導(dǎo)閥和主閥構(gòu)成，主閥結(jié)構(gòu)與G型橋溢流閥相同，不同的是先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)，在先導(dǎo)回路中，第一個(gè)液阻是固定液阻，第二個(gè)液阻是先導(dǎo)閥口，為可變液阻，第三個(gè)液阻是固定液阻，先導(dǎo)回路液阻網(wǎng)絡(luò)是F型橋，故稱(chēng)此溢流閥為F型橋溢流閥。該溢流閥的工作原理為：溢流閥進(jìn)口壓力作用在主閥芯下端，壓力作用在主閥芯的彈簧端，壓力同時(shí)作用在先導(dǎo)閥芯的錐面。當(dāng)壓力產(chǎn)生的推力小于先導(dǎo)閥彈簧力時(shí)，先導(dǎo)閥口關(guān)閉，先導(dǎo)回路無(wú)油液流過(guò)，壓力，主閥芯在主閥彈簧力的作用下，處于關(guān)

39、閉位置，此時(shí)先導(dǎo)閥口后端的容腔壓力等于0。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高，隨之升高。當(dāng)壓力產(chǎn)生的推力大于先導(dǎo)閥彈簧力時(shí)，先導(dǎo)閥芯右移開(kāi)啟，先導(dǎo)回路的油液通過(guò)、先導(dǎo)閥口和液阻流回油箱。由于在液阻和液阻上都存在壓力降，顯然有。先導(dǎo)回路流量越大，上的壓降就越大，當(dāng)上的壓降達(dá)到一定值時(shí)，主閥在壓力差的作用下克服彈簧力上移，使主閥口打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)主閥溢流。與G型橋溢流閥類(lèi)似，當(dāng)改變液阻、的阻值或者改變和作用在先導(dǎo)閥芯上的有效面積，就可以得到不同的溢流閥穩(wěn)態(tài)特性。即根據(jù)先導(dǎo)回路液阻參數(shù)的不同配置，F(xiàn)型橋溢流閥的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差可以為正、為零。圖5.2-13 F型溢流閥工作原理圖穩(wěn)態(tài)特性對(duì)于圖6-1所示F型橋溢流閥，忽略先導(dǎo)閥口的

40、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，可寫(xiě)出先導(dǎo)回路液阻和先導(dǎo)閥口的流量壓力方程 （1） （2） （3）先導(dǎo)閥芯力平衡方程 （4）主閥芯力平衡方程 (5)主閥口流量壓力方程（6）（7）式中 液阻的液導(dǎo)（）；先導(dǎo)閥閥口系數(shù)（）；主閥閥口系數(shù)（）；先導(dǎo)閥口軸向開(kāi)口量（m），by為該閥口的液導(dǎo)；主閥下端和上端有效作用面積()；作用在先導(dǎo)閥芯左端的有效面積；作用在先導(dǎo)閥芯中部的有效面積； 先導(dǎo)閥彈簧剛度（/）；先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量（m）；x主閥口軸向開(kāi)口量，為主閥口的液導(dǎo)；主閥彈簧剛度（/）；主閥彈簧預(yù)壓縮量（）；主閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)（）；根據(jù)上述7個(gè)方程，可以解出與的函數(shù)關(guān)系，但計(jì)算公式復(fù)雜，難以得到直觀(guān)的函數(shù)表達(dá)式，通過(guò)計(jì)算機(jī)

41、對(duì)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析。因?yàn)镕型橋溢流閥的主閥由先導(dǎo)閥控制，若先導(dǎo)閥流量已知，則根據(jù)先導(dǎo)回路液阻的流量壓力方程和先導(dǎo)閥芯力平衡方程，可求得先導(dǎo)回路各點(diǎn)壓力。根據(jù)的值，由主閥芯力平衡方程式（5）可求得主閥閥口開(kāi)口量x，然后由式（6）求得主閥口溢流量，再由式（7）求得總溢流量，最后得到的特性曲線(xiàn)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過(guò)先導(dǎo)回路3個(gè)液阻的流量相等，故有。（9）（6-14）將式（9）和式（6-14）代人式（6-7）可求得與的函數(shù)關(guān)系，相應(yīng)曲線(xiàn)可由計(jì)算機(jī)仿真得到如圖6-2所示。改變液阻的小孔直徑，也即改變參數(shù)的值，得到的一組流量壓力特性曲線(xiàn)如圖6-2所示。圖中橫坐標(biāo)為流量，縱坐標(biāo)為壓力。從圖6-2可以看出，溢流閥的壓

42、力流量特性是隨著先導(dǎo)回路參數(shù)的改變而改變的，根據(jù)參數(shù)配置的不同，其流量壓力特性可以呈現(xiàn)3種形式：（1）隨著溢流量的增加，溢流閥的控制壓力增加（曲線(xiàn)4和5）。（2）溢流閥控制壓力保持橫值，不隨溢流量的增減而變化（曲線(xiàn)3）。（3）隨著溢流量的增加，溢流閥的控制壓力反而減?。ㄇ€(xiàn)1和2）。5.3 液阻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用5.3.1 液阻理論在液阻軟啟動(dòng)中的應(yīng)用 液壓系統(tǒng)的軟啟動(dòng)是通過(guò)增加系統(tǒng)壓力的建立時(shí)間 ,來(lái)減少對(duì)液壓元件的沖擊 ,延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命 ,降低液壓系統(tǒng)噪聲 ,提高液壓系統(tǒng)的工作可靠性。 液壓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)壓力建立過(guò)快將對(duì)系統(tǒng)中的液壓元件產(chǎn)生沖擊 ,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲增高 ,元件壽命縮短 ,

43、甚至失效。利用在先導(dǎo)式溢流閥控制口增加蓄能器組與電磁換向閥使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生軟啟動(dòng)的解決方案，液壓系統(tǒng)軟啟動(dòng)原理示意圖如圖1所示。圖1 液壓系統(tǒng)軟啟動(dòng)原理示意圖當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),電磁換向閥7通電，建立系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)壓力先從零經(jīng)過(guò)時(shí)間到達(dá)蓄能器5的充氣壓力，再經(jīng)過(guò)時(shí)間到達(dá)溢流閥的設(shè)定壓力 (即系統(tǒng)工作壓力)，系統(tǒng)壓力的建立需經(jīng)過(guò)時(shí)間()。當(dāng)截止閥2打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)帶軟啟動(dòng)功能。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，液壓油通過(guò)溢流閥的進(jìn)油口P到達(dá)溢流閥的下腔，通過(guò)節(jié)流口1后分兩路：一路通過(guò)節(jié)流口3到達(dá)先導(dǎo)型溢流閥主閥的上腔和先導(dǎo)閥的前端；一路通過(guò)溢流閥的遙控口K與截止閥2通往蓄能器5、活塞彈簧式蓄能器6和電磁換向閥7。電磁換向閥7通電

44、時(shí)，液壓油通過(guò)溢流閥的遙控口K向活塞彈簧式蓄能器6充油，經(jīng)過(guò)時(shí)間，活塞彈簧式蓄能器6下腔壓力與彈簧力平衡時(shí)，即系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器5充氣壓力，蓄能器5處于充液狀態(tài)。經(jīng)過(guò)時(shí)間，系統(tǒng)壓力達(dá)到溢流閥的設(shè)定壓力，系統(tǒng)進(jìn)行正常工作，當(dāng)系統(tǒng)壓力高于溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，節(jié)流口4有油液通過(guò) ，主閥打開(kāi)，系統(tǒng)溢流。當(dāng)泵機(jī)組停止工作時(shí)，電磁換向閥7斷電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卸載，調(diào)節(jié)電磁換向閥7上的節(jié)流孔可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)卸載時(shí)間，使系統(tǒng)壓力緩慢的降低。在系統(tǒng)突然停電時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力緩慢的降級(jí)，減少對(duì)液壓元件的沖擊。5.3.2液阻理論在液壓懸置中的應(yīng)用1 液壓懸置概述1979年原西德大眾公司在A(yíng)udi五缸Otto發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用液壓

45、懸置，標(biāo)志著汽車(chē)動(dòng)力總成液壓懸置應(yīng)用從此開(kāi)始了。1987年美國(guó)Avon公司開(kāi)發(fā)了控制氣體彈簧氣壓來(lái)調(diào)整動(dòng)特性的液壓懸置。這標(biāo)志著液壓懸置開(kāi)始由被動(dòng)式向半主動(dòng)式控制、主動(dòng)式控制方向發(fā)展。20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和有限元分析的應(yīng)用，提高了模擬精度，進(jìn)一步完善了液壓懸置的動(dòng)態(tài)特性。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)懸置彈性連接在車(chē)架上。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的理想動(dòng)特性是：懸置系統(tǒng)具有較高的靜剛度，以支承動(dòng)力總成重量和輸出扭矩。低頻時(shí)應(yīng)具有大阻尼高剛度的特性，以衰減汽車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)、換檔以及急加速、減速等過(guò)程中，因發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)引起的大振幅振動(dòng)。應(yīng)在712Hz范圍內(nèi)具有較大阻尼，以迅速衰減因路面、輪胎激勵(lì)引起的動(dòng)力總成低

46、頻振動(dòng)。在25Hz附近應(yīng)具有較低動(dòng)剛度，以衰減怠速振動(dòng)。在高頻50Hz 以上懸置應(yīng)具有小剛度、小阻尼特性，以降低振動(dòng)傳遞率，提高降噪效果。因此，懸置的動(dòng)剛度和阻尼必須同時(shí)具有頻變特性和幅變特性?，F(xiàn)以某客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用慣性通道-活動(dòng)解耦盤(pán)式液壓懸置為研究對(duì)象，建立動(dòng)特性仿真分析的線(xiàn)性集總參數(shù)模型，并把仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，證明了模型的正確性。重點(diǎn)探討了各設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)液阻懸置動(dòng)態(tài)性能的影響，進(jìn)而可以通過(guò)改變參數(shù)的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)液阻懸置性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2 液壓懸置的結(jié)構(gòu)和工作原理液壓懸置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。目前，液壓懸置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但其基本結(jié)構(gòu)和功能是一致的。分析圖1可知，液壓懸置的結(jié)構(gòu)

47、具備以下特點(diǎn)：（1）具有橡膠主簧，以承受靜動(dòng)載荷。（2）液壓懸置內(nèi)部有液體工作介質(zhì)。（3）至少有2個(gè)獨(dú)立的液室，液體可在其間流動(dòng)。（4）液室之間有能夠產(chǎn)生阻尼作用的孔、慣性通道或解耦盤(pán)（膜）。（5）液室有可靠的密封性，與外部隔絕。圖2 液壓懸置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火狀態(tài)，液壓懸置只承載動(dòng)力總成部分的靜態(tài)載荷即動(dòng)力總成的重量。 其中，主要由橡膠主簧承受載荷，液壓懸置內(nèi)部上下兩腔液體保持相對(duì)靜止，無(wú)液體交換。由于橡膠主簧具有一定的體積剛度，在壓力增大時(shí)，會(huì)膨脹變形，占用一部分液體體積；同時(shí)，有小部分液體經(jīng)解耦通道補(bǔ)償孔流入下腔，這兩股旁流對(duì)低頻大振幅振動(dòng)時(shí)的慣性能量損失具有一定的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)高速

48、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液壓懸置受到高頻小振幅激勵(lì)慣性通道內(nèi)的液柱慣性很大，此時(shí)液柱幾乎來(lái)不及流動(dòng)，懸置出現(xiàn)動(dòng)態(tài)硬化。由于解耦盤(pán)在小變形時(shí)剛度特別小，解耦通道內(nèi)的液柱與解耦盤(pán)高速振動(dòng)，上下腔的壓力克服解耦通道內(nèi)液柱的慣性力而使得液柱具有的動(dòng)能在解耦通道的入口和出口處被損失掉了。因此，解耦盤(pán)的存在，降低了液壓懸置的高頻動(dòng)剛度，同時(shí)消除了動(dòng)態(tài)硬化。3 液壓懸置動(dòng)特性仿真分析的線(xiàn)性集總參數(shù)模型根據(jù)液壓懸置的工作原理，可簡(jiǎn)化為集總參數(shù)模型，如圖3所示。圖3 液壓懸置的集總參數(shù)模型橡膠主簧的作用有二個(gè)，一是承受動(dòng)力總成的靜、動(dòng)態(tài)載荷，因此具有動(dòng)剛度和阻尼，二是起到類(lèi)似活塞的作用，使液體在上、下液室之間來(lái)回流動(dòng)，用等效活

49、塞面積來(lái)表示其特性。另外，橡膠主簧在泵吸入液體的過(guò)程中，有一定的膨脹變形，橡膠主簧的這種膨脹特性用上液室的體積柔度來(lái)表示。橡膠底膜主要起密封作用，在液阻懸置工作時(shí)，有較大的膨脹變形，其膨脹特性用體積柔度表示（與此對(duì)應(yīng)的體積剛度為），由于橡膠底膜的厚度很薄，通常為2mm 左右，因此，可以認(rèn)為至少比大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。慣性通道中液體的特性用集總參數(shù)和表征，分別表示慣性通道中液體的質(zhì)量慣性系數(shù)（）和慣性通道對(duì)液體流動(dòng)的流量阻尼系數(shù)（）。解耦盤(pán)的力學(xué)模型用集總參數(shù)和表示，為解耦盤(pán)及其附連液體的質(zhì)量慣性系數(shù)（），為液體對(duì)解耦盤(pán)的流量阻尼系數(shù)（）。集總參數(shù)模型中的系統(tǒng)變量有：施加于橡膠主簧上端的位移激勵(lì)和傳遞到

50、懸置固定端的動(dòng)反力；上、下液室的平均壓力用和表示，液體流徑慣性通道的流量和隨解耦盤(pán)運(yùn)動(dòng)的流量分別用和表示。液體的連續(xù)性方程為液體的動(dòng)量方程為傳遞到固定端的力為以上方程為液阻懸置線(xiàn)型模型的一般表達(dá)式，它們僅適用于低頻、大振幅激勵(lì)和高頻、小振幅激勵(lì)兩種情況?，F(xiàn)僅研究低頻、大振幅激勵(lì)下的情況，在低頻、大振幅激勵(lì)工況下，解耦盤(pán)大部分時(shí)間都處于耦合（關(guān)閉）狀態(tài)，可近似認(rèn)為在上、下液室之間流動(dòng)的液體都經(jīng)過(guò)慣性通道，此時(shí)慣性通道-解耦盤(pán)式液阻懸置的性能與慣性通道式液壓懸置的性能類(lèi)似。在以上方程中令，即得到慣性通道式液壓懸置的系統(tǒng)方程。連續(xù)性方程為動(dòng)量方程為可得慣性通道式液阻懸置的復(fù)剛度為利用以上建立的液壓懸

51、置線(xiàn)性模型進(jìn)行仿真分析，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了此模型是正確的。利用液壓懸置線(xiàn)性集總參數(shù)模型對(duì)其動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，以液阻懸置復(fù)剛度計(jì)算公式為基礎(chǔ)，主要分析流量阻尼系數(shù)的變化對(duì)液壓懸置性能的影響。圖4 流量阻尼系數(shù)的變化對(duì)液壓懸置性能的影響流量阻尼系數(shù)增加時(shí)對(duì)動(dòng)剛度和滯后角的影響如圖4所示。由圖可見(jiàn)，滯后角達(dá)到峰值的頻率減小，動(dòng)剛度和滯后角在峰值附近的值下降。這是因?yàn)楫?dāng)增加時(shí)，共振時(shí)液柱的運(yùn)動(dòng)受到限制，因此上液室壓力的峰值減小。利用液壓懸置的線(xiàn)性集總參數(shù)模型，可以得到慣性通道-解耦盤(pán)式液阻懸置低頻復(fù)剛度的解析公式，通過(guò)Matlab對(duì)慣性通道-解耦盤(pán)式液壓懸置的低頻動(dòng)特性進(jìn)行仿

52、真分析。利用液壓懸置的線(xiàn)性集總參數(shù)模型，確定了液壓懸置動(dòng)剛度和滯后角出現(xiàn)峰值的頻率范圍，主要分析了集總參數(shù)模型中流量阻尼系數(shù)的變化對(duì)液壓懸置動(dòng)特性的影響，這些分析結(jié)論與方法，對(duì)于液壓懸置的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。5.3.3液阻理論在車(chē)用液壓減震器中的應(yīng)用1 概述液壓減震器的原理是迫使液流通過(guò)小孔產(chǎn)生阻尼作用，液壓減震器內(nèi)設(shè)有多個(gè)阻尼孔及閥門(mén)機(jī)構(gòu)，液壓油在孔道中來(lái)回流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦阻尼作用，吸收振動(dòng)的能量，從而達(dá)到衰減振動(dòng)的目的。2 結(jié)構(gòu)與工作原理減震器在拉伸行程中, 活塞相對(duì)工作缸向上運(yùn)動(dòng),活塞桿處于受拉狀態(tài), 活塞上腔油壓逐漸升高, 下腔油壓降低, 流通閥和壓縮閥關(guān)閉, 上腔的油液一部分經(jīng)復(fù)

53、原閥流向下腔, 另一部分經(jīng)可調(diào)節(jié)流口流進(jìn)減震器儲(chǔ)油腔, 儲(chǔ)油腔里的一部分油液經(jīng)補(bǔ)償閥補(bǔ)償活塞下部腔。隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的加大, 活塞上部腔與下部腔的壓力迅速加大, 當(dāng)達(dá)到一定壓差時(shí), 復(fù)原閥開(kāi)啟, 通過(guò)復(fù)原閥的流量增加。通過(guò)復(fù)原閥、可調(diào)節(jié)流閥的節(jié)流及補(bǔ)償閥的補(bǔ)流構(gòu)成了減震器拉伸行程的主要阻尼力。3 減震器復(fù)原阻力和壓縮阻力計(jì)算減震器在拉伸行程中, 活塞相對(duì)工作缸向上運(yùn)動(dòng), 活塞桿處于受拉狀態(tài), 如圖5所示, 活塞上腔油壓逐漸升高, 活塞下腔油壓降低, 流通閥和壓縮閥關(guān)閉, 活塞上腔的油液一部分經(jīng)復(fù)原閥上的常通孔流向活塞下腔, 另一部分油液經(jīng)節(jié)流孔流進(jìn)減震器儲(chǔ)油腔, 儲(chǔ)油腔里的一部分油液經(jīng)補(bǔ)償閥補(bǔ)償活塞下部腔。隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的加大, 活塞上部腔與下部腔的壓力迅速加大, 由于油壓的升高便克服復(fù)原閥的彈簧預(yù)壓力,打開(kāi)復(fù)原閥,使阻力限制在一定的范圍內(nèi),保護(hù)減振器及車(chē)輛不會(huì)因超載而損壞。因此, 分析拉伸行程的工作情況要分開(kāi)閥前和開(kāi)閥后兩種工作狀態(tài)進(jìn)行考慮。通過(guò)復(fù)原閥及補(bǔ)償閥的補(bǔ)流構(gòu)成了減震器拉伸行程的主要阻尼力。圖5 減震器拉伸(復(fù)原)行程示意圖如上圖所示減震器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 可知拉伸行程時(shí)的減震器的工作原理: 減震器