液壓伺服第二章

燕山大學(xué)《液壓伺服與比例控制系統(tǒng)》課程組歡迎使用

《液壓伺服與比例控制系統(tǒng)》

多媒體授課系統(tǒng)第2章液壓放大元件本章摘要

圓柱滑閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性噴嘴擋板閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性射流管閥結(jié)構(gòu)型式、工作原理、靜態(tài)特性液壓放大元件也稱(chēng)液壓放大器，是一種以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)控制流體動(dòng)力的元件。在液壓伺服系統(tǒng)中，它將輸入的機(jī)械信號(hào)(位移或轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)(流量、壓力)輸出，并進(jìn)行功率放大。因此，它既是一種能量轉(zhuǎn)換元件，又是一種功率放大元件。液壓放大元件是液壓伺服系統(tǒng)中的一種主要控制元件，它的靜、動(dòng)態(tài)特性對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的性能有很大的影響。液壓放大元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積輸出功率大、工作可譚相動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以在液壓伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓放大元件包括滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥等。2.1圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類(lèi)閥芯閥體（閥套）凸肩沉割槽棱邊閥芯孔閥芯與閥體land棱邊沉割槽通油槽零開(kāi)口正開(kāi)口負(fù)開(kāi)口零重疊負(fù)重疊正重疊一、滑閥預(yù)開(kāi)口形式dvxvxvxv開(kāi)園孔展開(kāi)圖開(kāi)方孔全周開(kāi)口二、閥套窗口形式ABpST（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖(a)為兩凸肩四通滑閥，它有一個(gè)進(jìn)油口P，兩個(gè)通向液壓執(zhí)行元件的控制口A及B，另外還有兩個(gè)回油口。因?yàn)閮蓚€(gè)回油口合并成一個(gè)O口流出滑閥，故整個(gè)滑閥共有P、T、A、B四個(gè)通油口，稱(chēng)四通閥。這種結(jié)構(gòu)中回油壓力作用于凸肩，因油壓力不會(huì)為零，當(dāng)閥芯不在零位時(shí)，總有一個(gè)使閥芯繼續(xù)打開(kāi)的力作用于閥芯。三、滑閥凸肩、通道數(shù)、工作邊數(shù)pSTABXv（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABXv（a）兩凸肩四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖(b)兩凸肩三通滑閥兩個(gè)凸肩里側(cè)的兩個(gè)棱邊是工作棱邊，只有一個(gè)通向液壓執(zhí)行元件的控制口c，所以稱(chēng)三通閥。如果閥芯向右微動(dòng)，P口的油液經(jīng)過(guò)右凸肩棱邊的節(jié)流作用后通向C口，如果閥芯向左移動(dòng)，則C口的油液經(jīng)左凸肩棱邊節(jié)流后由T口流出滑閥。由于只有一個(gè)控制口C，通向液壓缸的無(wú)桿腔，液壓缸的有桿腔是不可控的。為使液壓缸能雙向運(yùn)動(dòng)，必須采取其它辦法讓液壓缸活塞回程，圖示結(jié)構(gòu)pc（b）兩凸肩三通滑閥

cPTpspspc（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖cPTpspspcXv（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖cPTpspspcXv（b）兩凸肩三通滑閥

圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖cPTpsps（C）四凸肩零開(kāi)口四通滑閥BPTAps

(c)四凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖中兩個(gè)通油槽處有四個(gè)工作棱邊。由于凸肩的寬度和不同凸肩間的距離，與相對(duì)應(yīng)的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以當(dāng)閥芯處于中位時(shí)，凸肩的棱邊與油糟的棱邊，一一對(duì)齊，從而把油槽完全封住。這種完全理想化的滑閥，稱(chēng)理想滑閥。（C）四凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖BPTAps（C）四凸肩零開(kāi)口四通滑閥Xv圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖BPTAps（C）四凸肩零開(kāi)口四通滑閥Xv圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖BPTAps

(d)三凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖中三個(gè)通油槽處有四個(gè)工作棱邊。由于凸肩的寬度和不同凸肩間的距離，與相對(duì)應(yīng)的油槽尺寸是配制得完全一致的，所以當(dāng)閥芯處于中位時(shí)，凸肩的棱邊與油糟的棱邊，一一對(duì)齊，從而把油槽完全封住。這種完全理想化的滑閥，稱(chēng)理想滑閥。pSTAB（D）三凸肩零開(kāi)口四通滑閥pSTAB（D）三凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABXv（D）三凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABXv（D）三凸肩零開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABUUUU（E）三凸肩正開(kāi)口四通滑閥(e)三凸肩正開(kāi)口四通閥閥芯處于中位時(shí)，四個(gè)節(jié)流工作棱邊處都有相同的預(yù)開(kāi)口量U，即在零位時(shí)有預(yù)開(kāi)口量，這種閥稱(chēng)正開(kāi)口閥或負(fù)重疊閥。pSTABUUUU（E）三凸肩正開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABUUUUXv（E）三凸肩正開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABUUUUXv（E）三凸肩正開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩負(fù)開(kāi)口四通滑閥(f)三凸肩負(fù)開(kāi)口四通滑閥零位時(shí)每個(gè)凸肩都遮蓋了相應(yīng)的油槽而有重疊量，只有閥芯位移超過(guò)了棱邊處的重疊量后閥口才打開(kāi)。這種閥稱(chēng)正重疊閥或負(fù)開(kāi)口閥。pSTABOLOLOLOL（F）三凸肩負(fù)開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩負(fù)開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖pSTABOLOLOLOLXv（F）三凸肩負(fù)開(kāi)口四通滑閥圖2.2滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖

滑閥的靜態(tài)待性即壓力—流量特性，是指穩(wěn)態(tài)情況下，閥的負(fù)載流量、負(fù)載壓力和滑閥位移三者之間的關(guān)系。它表示滑閥的工作能力和性能，對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性計(jì)算具有重要意義。閥的靜態(tài)特性可用方程、曲線或特性參數(shù)(閥的系數(shù))表示。靜態(tài)特性曲線和閥的系數(shù)可從實(shí)際的閥測(cè)出，對(duì)許多結(jié)構(gòu)的閥也可以用解析法推導(dǎo)出壓力—流量方程。2.2滑閥靜態(tài)持性的一般分析

一、滑閥壓力—流量方程的一般表達(dá)式2.2滑閥靜態(tài)持性的一般分析

在推倒壓力—流量方程時(shí)，作以下假設(shè)：

1)液壓能源是理想的恒壓源，供油壓力為常數(shù)。另外，假設(shè)回油壓力為零。

2)忽略管道和閥腔內(nèi)的壓力損失。

3)假定液體是不可壓縮的。因?yàn)榭紤]的是穩(wěn)態(tài)情況，液體密度變化量很小。

4)假定閥各節(jié)流口流量系數(shù)相等。

根據(jù)橋路的壓力平衡可得：

p1+p4=ps

p2+p3=ps

p1-p2=pL

p3-p4=pL

根據(jù)橋路的流量平衡可得：

q1+q2=qs

q3+q4=qs

q4-q1=qL

q2-q3=qL

各橋臂的流量方程：

式中節(jié)流口液導(dǎo)：

閥口匹配條件：

g1(xv)=g3(xv)

g2(xv)=g4(xv)

g2(xv)=g1(-xv)

g4(xv)=g3(-xv)

則有：

q1=q3

q2=q4

p1=p3

p2=p4

聯(lián)立解得：由以上公式推得負(fù)載流量為：供油流量為：二、滑閥的靜態(tài)特性曲線(I)閥的流量特性：負(fù)載壓降等于常數(shù)時(shí)，負(fù)載流量與閥芯位移之間的關(guān)系。負(fù)載壓降pL＝0時(shí)的流量特性稱(chēng)為空載流量特性。(II)閥的壓力特性：指負(fù)載流量等于常數(shù)時(shí)，負(fù)載壓降與閥芯位移之間的關(guān)系。通常所指的壓力特性是指負(fù)載流量qL＝0時(shí)的壓力特性。(III)閥的壓力-流量特性：指閥芯位移一定時(shí)，負(fù)載流量與負(fù)載壓降之間的關(guān)系。壓力—流量特性曲線族(見(jiàn)圖2—8)則全面描述了閥的穩(wěn)態(tài)特性。三、閥的線性化分析和閥的系數(shù)（1）閥的線性化分析閥的壓力-流量特性是非線性的。利用線件化理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，必須將這個(gè)方程線性化。利用負(fù)載壓力流量方程將其在某一特定工作點(diǎn)附近展成臺(tái)勞級(jí)數(shù)可得：（2）滑閥的特性系數(shù)流量增益：指負(fù)載壓降一定時(shí)，閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量變化的大小。流量-壓力系數(shù)：指閥開(kāi)度一定時(shí)，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化大小。壓力增益：指qL＝0時(shí)閥單位輸入位移所引起的負(fù)載壓力變化的大小。根據(jù)：所以有：負(fù)載壓力流量線性化方程：

閥的三個(gè)系數(shù)是表示閥靜態(tài)特性的三個(gè)性能參數(shù)。這些系數(shù)在確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)是非常重要的。流量增益直接影響系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，因而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定件、響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響。流量—壓力系數(shù)直接影響閥控執(zhí)行元件(液壓動(dòng)力元件)的阻尼比和速度剛度。壓力增益表示閥控執(zhí)行元件組合起動(dòng)大慣量或大摩擦力負(fù)載的能力。

閥的系數(shù)值隨閥的工作點(diǎn)而變。最重要的工作點(diǎn)是壓力—流量曲線的原點(diǎn)，因?yàn)榉答伩刂葡到y(tǒng)經(jīng)常在原點(diǎn)附近工作。而此處閥的流量增益最大(矩形閥口)。系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益也最高；但閥的流量—壓力系數(shù)最小，所以系統(tǒng)的阻尼比也最低。因此壓力—流量特性的原點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是最關(guān)鍵的一點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)在這—點(diǎn)能穩(wěn)定工作，則在其它的工作點(diǎn)也能穩(wěn)定工作。故通常在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)是以原點(diǎn)處的靜態(tài)放大系數(shù)作為閥的性能參數(shù)。圖2.3零開(kāi)口四通滑閥3142pSQLQ1Q3Tp2p1(b)液壓橋pSTABXv124p13p2QLQL(a)結(jié)構(gòu)原理圖pSTABXv124p13p2QLQLA2.3零開(kāi)口四邊滑閥的靜態(tài)特性一、理想零開(kāi)口四邊滑閥的靜態(tài)特性

1、理想零開(kāi)口四邊滑閥的壓力—流量方程

理想滑閥是指徑向間隙為零、工作邊銳利的滑閥。閥芯左移：

閥芯右移：

合并得：

x>0時(shí)

x<0時(shí)歸一化處理得：

其中：

二、零開(kāi)口四邊閥的閥系數(shù)三、零開(kāi)口四邊閥的特性曲線三、實(shí)際零開(kāi)口四邊閥的零位閥系數(shù)零位時(shí)存在徑向泄漏零位時(shí)壓力不是無(wú)窮大一、正開(kāi)口四邊閥的壓力-流量特性方程2.4正開(kāi)口四通滑閥的靜特性

一、正開(kāi)口四邊閥的壓力-流量特性方程2.4正開(kāi)口四通滑閥的靜特性

可分解成2個(gè)流量的疊加二、正開(kāi)口四邊閥的閥系數(shù)三、正開(kāi)口四邊閥的特性曲線2.5三通滑閥的靜特性

一、零開(kāi)口三通閥的壓力-流量特性QL二、正開(kāi)口三通閥的壓力-流量特性QL12正開(kāi)口三通閥的三個(gè)零位閥系數(shù)為(2-41)(2-42)(2-43)三通閥的流量增益與四通閥的流量增益相同，而三通閥的壓力增益Kp較四通閥的小一半，這是因?yàn)槿ㄩg只控制一個(gè)控制腔壓力pc，而另一腔的壓力不可控所致。三、三通閥、四邊閥靜特性比較2倍遠(yuǎn)大于（1）作用在圓柱滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力

2.6滑閥的力特性

液流經(jīng)過(guò)閥口時(shí)，由于流動(dòng)方向和流速的改變，閥芯上會(huì)受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。因沿閥芯徑向的分力互相抵消了，只剩下沿閥芯軸線方向的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。

圖2.11作用在帶平衡活塞的滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力

穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力指向閥口關(guān)閉的方向（2）、瞬態(tài)液動(dòng)力

2.7放大元件的效率2.9噴嘴擋板閥主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小，對(duì)污染不太敏感。

一、單