6L直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型6升）比例控制壓力閥的設(shè)計(jì)

PAGE11引言隨著社會(huì)的發(fā)展,每個(gè)國(guó)家都越來(lái)越重視液壓這個(gè)行業(yè)的發(fā)展,然而閥是液壓系統(tǒng)組成的最基本的元件,在我國(guó),閥的研究與開發(fā)已經(jīng)受到各個(gè)部門的重視,各個(gè)企業(yè)也爭(zhēng)先也高校合作,開發(fā)新型的閥以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。20世紀(jì)60年代后期，各類民用工程對(duì)電液控制技術(shù)的需求顯得迫切和廣泛，因此，人們希望開發(fā)一種可靠、價(jià)廉、控制精度和響應(yīng)特性均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際需要的電液控制系統(tǒng)，由此電液比例閥得到了最廣泛的發(fā)展。電液比例控制閥是目前市場(chǎng)需求最大,功能最強(qiáng)的產(chǎn)品,它是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥。與電液伺服閥的功能類同,電液比例閥是電液轉(zhuǎn)換元件,又是功率放大元件.其功用是接受電氣信號(hào)的指令,連續(xù)成比例的控制系統(tǒng)的壓力,流量等參數(shù),使之與輸入信號(hào)成比例的變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行器位移(或轉(zhuǎn)速),速度(或角速度),加速度(或角加速度)和力(或轉(zhuǎn)矩)的控制。因此，電液比例壓力閥在中小型企業(yè)，甚至大企業(yè)中都得到廣泛的應(yīng)用。電液比例控制技術(shù)從形成至今，大致上可劃分為四個(gè)階段：1967年瑞士Beringer公司生產(chǎn)KL比例復(fù)合閥，到70年代初日本油研公司申請(qǐng)壓力和流量?jī)身?xiàng)比例閥專利，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時(shí)期。此間，比例技術(shù)開始在液壓控制領(lǐng)域中作為獨(dú)立的分支，并以開環(huán)控制應(yīng)用為主。這一階段的比例閥僅僅是將新型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)方法幾乎沒(méi)有變化，閥內(nèi)不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在1-5Hz之間，滯環(huán)在4%-7%之間。從1975年到1980年，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第二階段。這是比例技術(shù)發(fā)展最快的時(shí)期。此間，采用各種內(nèi)部反饋原理的比例元件相繼問(wèn)世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上已經(jīng)成熟。比例元件的工作頻寬已達(dá)5-15Hz，滯環(huán)減少到3%左右，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)70年代后期比例變量泵和比例執(zhí)行器相繼出現(xiàn)，為大功率系統(tǒng)的節(jié)能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到閉環(huán)控制。到了20世紀(jì)80年代，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第三階段。這一階段，比例元件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，采用了壓力、流量、位移反饋和動(dòng)壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步的提高。除了制造成本的原因，比例閥在中位仍保留死區(qū)外，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥相當(dāng)。這一階段的另一項(xiàng)重大進(jìn)展是比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，開發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比例插裝技術(shù)。此外，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了帶集成放大器的電液一體化比例元件。從1990年至今，是比例技術(shù)進(jìn)一步完善的階段。這一階段有兩項(xiàng)重要的新產(chǎn)品問(wèn)世。其一是推出了伺服比例閥（又稱高性能電液比例方向閥、比例伺服閥、閉環(huán)比例閥、高頻響比例閥）。這種閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用比例電磁鐵，功率級(jí)閥芯采用伺服閥的結(jié)構(gòu)和加工工藝（零遮蓋閥口，閥芯與閥套之間的配合精度與伺服閥相當(dāng)），解決了閉環(huán)控制要求死區(qū)小的問(wèn)題。它的性能與價(jià)格介于伺服閥與普通比例方向閥之間，但它對(duì)油液的清潔度要求低于電液伺服閥，特別適用于各種工業(yè)閉環(huán)控制。其二是計(jì)算機(jī)技術(shù)與比例元件相結(jié)合，開發(fā)出了數(shù)字式比例元件和數(shù)字式比例系統(tǒng)，并形成了不同總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字比例元件接口。早期出現(xiàn)的數(shù)字比例控制產(chǎn)品采用脈沖控制方式，其輸入信號(hào)按載頻原理工作，控制信號(hào)的頻寬較模擬器件低。數(shù)字式電液控制器件的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和按脈寬調(diào)制方式工作的動(dòng)鐵或動(dòng)圈式力馬達(dá)。數(shù)字閥的額定流量很小，只能用于小流量控制的場(chǎng)合，如作為電液控制閥的先導(dǎo)控制級(jí)。隨著微電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，先是在比例放大器中采用數(shù)字芯片，部分信號(hào)的處理、調(diào)整和運(yùn)算采用編程手段實(shí)現(xiàn)。最近，電液數(shù)字控制塊、大型數(shù)字式控制系統(tǒng)相繼開發(fā)應(yīng)用，數(shù)字比例控制的產(chǎn)品已經(jīng)由芯片級(jí)發(fā)展到了系統(tǒng)級(jí)，即指令、比較、反饋、PID調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字式電液系統(tǒng)實(shí)際上是電液數(shù)-模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)已趨成熟，并形成了系列化的產(chǎn)品。電液比例控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普通，在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)和舊設(shè)備改造中正成為用戶的重要選擇方案，對(duì)提高企業(yè)的技術(shù)裝備水平和設(shè)備的自動(dòng)化程度，發(fā)揮了極為重要的作用。目前，電液比例控制技術(shù)正在與新的控制策略緊密結(jié)合，表現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型）比例控制壓力閥的總體設(shè)計(jì) 2．1系統(tǒng)方塊圖及組成：輸入電信號(hào)電控制輸入電信號(hào)電控制器液壓缸或馬達(dá)負(fù)載電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置壓力閥電液比例壓力閥電流力、位移壓力流量速度、力μｉf.Qｖ.F圖2.1系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)是用輸入電信號(hào)來(lái)控制壓力閥的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到控制液體的流量。系統(tǒng)主要由電控制器（放大器），電—機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，壓力閥，液壓缸等組成，其各部分的結(jié)構(gòu)和原理，我們將在下面的章節(jié)中一一介紹。2．2系統(tǒng)原理系統(tǒng)的輸入量為控制電量（電壓或電流），經(jīng)過(guò)電控制器放大轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)輸入給電—機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置（比例電磁鐵），后者輸出與輸入電流近似成比例的力、力矩或位移，使溢流閥的可動(dòng)部分移動(dòng)或擺動(dòng)，并按比例輸出具有一定壓力P、流量Q的液壓油以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，執(zhí)行元件也將按比例輸出力F、速度V或轉(zhuǎn)矩r、角速度w以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反饋回路，系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的輸入控制作用沒(méi)有影響，沒(méi)有自動(dòng)糾正偏差的能力，其控制精度主要取決于關(guān)鍵元器件（電控制器和比例電磁鐵）的特性及系統(tǒng)的調(diào)整精度，但是尤其重要的一點(diǎn)是這種開環(huán)控制系統(tǒng)不存在著穩(wěn)定性的問(wèn)題。電控制器（比例放大器，俗稱放大板）在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)和控制電液比例控制元件的電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中除了上述作用外，還要承擔(dān)反饋檢測(cè)放大和校正系統(tǒng)的控制性能，在本系統(tǒng)中我們采用的是開環(huán)系統(tǒng)。因此，電控制器的功能直接影響系統(tǒng)的控制性能。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例控制元件的重要組成部分，其輸入是比例放大器的輸出電流信號(hào)（或電壓信號(hào)），輸出為機(jī)械力、力矩或位移信號(hào)，并以此去操縱液壓閥的閥芯運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電液比例控制功能。因此，電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)電液比例控制元件及系統(tǒng)的穩(wěn)定控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾能力、工作可靠性等產(chǎn)生重要影響。2．3控制系統(tǒng)的選擇本系統(tǒng)采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)。在電液比例控制系統(tǒng)中有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種，閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理為反饋控制原理或偏差調(diào)節(jié)原理，這種控制系統(tǒng)通過(guò)負(fù)反饋控制，因而既有自動(dòng)糾正偏差的能力，可以獲得相當(dāng)高的精度，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在著問(wèn)題，尤其對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械特性提出了較高的要求，而且高精度和穩(wěn)定性的要求是矛盾的，由于本系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求，以及在精度上的考慮，故選用的開環(huán)的控制系統(tǒng)。2．4比例壓力閥的選定電液比例壓力控制閥是電液比例閥的一種分類,按照控制功能不同,電液比例壓力控制閥分為電液比例溢流閥和電液比例減壓閥;按照控制功率大小不同,分為直接控制式(直動(dòng)式)和先導(dǎo)控制式(先導(dǎo)式),直動(dòng)式的控制功率較小;按照閥芯結(jié)構(gòu)形式不同,可分為滑閥式,錐閥式，插裝式等。我所設(shè)計(jì)的課題就是直動(dòng)式單級(jí)比例控制壓力閥。壓力控制閥是用來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)中液流的壓力進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)的閥。此類閥是利用作用在閥芯上的液體壓力和彈簧力相平衡的原理來(lái)工作的。常見的壓力控制閥有溢流閥、減壓閥、順序法、壓力繼電器等。直動(dòng)式溢流閥是由比例電磁鐵控制的直動(dòng)式溢流閥，可直接用于小流量液壓系統(tǒng)或作為先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)級(jí)，最高壓力調(diào)節(jié)或作為安全閥，而且可作為還程調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)二段或多段壓力控制，它可以根據(jù)輸入電流的大小比例控制系統(tǒng)壓力。比例溢流閥的特性：1、簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)管路，突破傳統(tǒng)式一段壓力一個(gè)遙控閥的復(fù)雜管路。2、比例式線圈可依輸入電流的大小產(chǎn)生線性壓力，更發(fā)揮液電合一的最佳功能。3、應(yīng)答性佳，壓力變化瞬間激壓極小，可減小管路共振。由于本系統(tǒng)對(duì)于流量的控制是6L，屬于小流量的控制，以及基于溢流閥的這些特點(diǎn)，故本系統(tǒng)選用的是直動(dòng)式溢流閥。但同時(shí)我們也將在后面的內(nèi)容中涉及到直動(dòng)式比例減壓閥的內(nèi)容，我們將在各個(gè)方面來(lái)與溢流閥進(jìn)行比較。2．5基于MATLAB的計(jì)算機(jī)仿真本系統(tǒng)選用了MATLAB軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，將各個(gè)部分的傳遞函數(shù)當(dāng)著參數(shù)輸入，最終可以從軟件中仿真出系統(tǒng)的流量壓力曲線，從而可以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的性能，以及實(shí)用性。3電控制器的設(shè)計(jì)電控制器（比例放大器，俗稱放大板）在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用于驅(qū)動(dòng)和控制電液比例控制元件的電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中除了上述作用外，還要承擔(dān)反饋檢測(cè)放大和校正系統(tǒng)的控制性能，在本系統(tǒng)中我們采用的是開環(huán)系統(tǒng)。因此，電控制器的功能直接影響系統(tǒng)的控制性能，它的組成應(yīng)與電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器相匹配，一般都具有控制信號(hào)的生成、信號(hào)的處理、前置放大、功率放大、測(cè)量放大、反饋校正、顫振信號(hào)發(fā)生及電源變換等基本組成單元。它包括電位器、斜坡發(fā)生器、階躍函數(shù)發(fā)生器、PID調(diào)節(jié)器、反向器、功率放大器、顫振信號(hào)發(fā)生器，或者用可編程控制器等等。3．1PA2050比例放大器電控制器的使用已經(jīng)是一個(gè)比較成熟的技術(shù)，而且涉及到的電控制器也想當(dāng)?shù)亩?，而且很多生產(chǎn)比例溢流閥的廠家都根據(jù)要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的放大器，而比較通用的比例放大器如圖3.1所示：圖3.1PA2050比例放大器（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1.PA2050系列比例放大器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，調(diào)節(jié)方便，具有良好的散熱性，可方便地固定在多種工業(yè)設(shè)備上，是電液比例控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。

2.放大器集成度高，輸出電流大，功率級(jí)采用公共地端電流負(fù)反饋形式，輸出電流不受引線電阻和負(fù)載變化的影響，并具有可靠保護(hù)性。

3.是適用于同時(shí)或分別驅(qū)動(dòng)負(fù)載阻抗3～20Ω的單比例電磁鐵和雙比例電磁鐵的比例方向閥或比例壓力及比例復(fù)合閥等。

（2）工作原理圖3.2功率級(jí)采用公共地端電流負(fù)反饋形式1.外部指令輸入信號(hào)0～5VDC加到10端，信號(hào)輸入負(fù)接11端，經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，斜坡時(shí)間調(diào)整，增益調(diào)節(jié)到電壓電流轉(zhuǎn)換器，通過(guò)脈寬調(diào)制器，經(jīng)電流深度負(fù)反饋功率放大后，17、18端輸出脈寬調(diào)制電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例閥電磁鐵。

2.工作電源DC24V，正負(fù)分別從1、5端加入，經(jīng)內(nèi)部濾波、穩(wěn)壓再濾波到信號(hào)放大轉(zhuǎn)換回路。

3.15端輸出18VDC，20mA電壓信號(hào)，可供輸入信號(hào)源。用戶也可外供指令信號(hào)。

4.放大器配有顫振信號(hào)發(fā)生器，以減小磁滯，提高比例閥的靈敏度及分辨率。（3）調(diào)節(jié)方法

1.基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，即起始電流設(shè)定，可以根據(jù)不同閥的液壓零位（起始位置）與電氣零位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)W4或W2電位器，順時(shí)針調(diào)節(jié)零點(diǎn)提高，逆時(shí)針零點(diǎn)降低。

2.增益調(diào)整，可用于控制閥的靈敏度，就是指比例閥的最大工作電流（最大壓力或流量值）對(duì)應(yīng)指令輸入信號(hào)的最大值。具體微調(diào)P3電位器，順時(shí)針增益提高，逆時(shí)針增益降低。

3.斜坡時(shí)間調(diào)整，內(nèi)部斜坡發(fā)生器將輸入的階躍信號(hào)轉(zhuǎn)換成緩慢增加的輸出信號(hào)（電磁鐵電流），電流的上升和下降時(shí)間由電位器P2整定，輸出信號(hào)從0增大到100%變化的最長(zhǎng)時(shí)間5S。（4）技術(shù)參數(shù)1.工作電源：DC24V、40W

2.輸入阻抗：100KΩ

3.顫振電流：200mA

4.輸入信號(hào)：0～5V

5.最大輸出電流：2.7A（電磁鐵阻值3.2Ω）

6.斜坡時(shí)間：＜10S

7.工作溫度：0～50℃（5）接線方法控制單電磁鐵比例閥,信號(hào)輸入輸出接Ⅱ通道,接線及調(diào)試如圖4：圖3.3接線及調(diào)試圖雖然該放大器具有很強(qiáng)的通用性，但是對(duì)于我們要精確控制以及使用的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最好還是我們自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的放大器，根據(jù)上面放大的原理，我們自行實(shí)際了電控制器。3．2比例放大器的設(shè)計(jì)1．比例放大器

（1）反相比例放大器

圖3.4為反相比例放大器的電路圖。

由圖3.4根據(jù)理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)重要結(jié)論“虛斷”和“虛短”得：等式圖3.4反相比例放大器電路由以上各式聯(lián)立解得：即反相比例放大倍數(shù)為：

式中的負(fù)號(hào)表示輸出電壓和輸入電壓反相。

當(dāng)時(shí)，或，表明輸出電壓與輸入電壓大小相等，極性相反，所以，此時(shí)的電路就稱為“反相器”。

（2）同相比例放大器

圖3.5為同相比例放大器的電路圖。

在理想運(yùn)算放大器條件下，有：圖3.5同相比例放大器由以上各式得：

閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

電路的輸入電阻和輸出電阻分別為：，。

當(dāng)（斷開）并且（不斷開）時(shí)，有

稱之為電壓跟隨器，常用作同相阻抗變換器。（3）．差動(dòng)放大器

如圖3.6所示。

首先令同相端輸入信號(hào)為零。此時(shí)集成運(yùn)算放大器的反相輸入端為“虛地”。在這種情況下，有：

圖3.6差動(dòng)放大器電路再令反相端輸入信號(hào)為零。此時(shí)電路相當(dāng)于同相比例放大電路，有：

由疊加原理得：

當(dāng)和時(shí)：

如再有，可得：

由于輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓的差值成正比，故而實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)運(yùn)算。根據(jù)要求，我們選擇了差動(dòng)放大器。2.方波、三角波發(fā)生器方波、三角波發(fā)生器由電壓比C2較器和基本積分器組成，如圖3.7所示。uo1C運(yùn)算放大器A1與R1、R2、R3A1及Rw1、Dz1、Dz2組成電壓比較器；R4RWA2uo2運(yùn)算放大器A2與R4、Rw2、R5、C1R1R3RW及C2組成反相積分器，比較器與R5積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，R2DZ1構(gòu)成能自動(dòng)產(chǎn)生方波、三角波的發(fā)DZ2生器（請(qǐng)參考基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)中的方波、三角波發(fā)生電路）。圖3.7方波、三角波發(fā)生器電路圖電路參數(shù)：1．方波的幅度：Uo1m=Uz（1）2．三角波的幅度：（2）3．方波、三角波的頻率：（3）其中C可選擇C1或C2。從式（2）和（3）可以看出，調(diào)節(jié)電位器Rw1可改變?nèi)遣ǖ姆?，但?huì)影響方波、三角波的頻率；調(diào)節(jié)電位器Rw2可改變方波、三角波的頻率，但不會(huì)影響方波、三角波的幅度。3．3放大器電路圖根據(jù)要求我們自行設(shè)計(jì)的放大器各個(gè)部分的電路圖，圖3.8為電源原理圖，圖11為PWM調(diào)制波電路圖，圖12為放大器的電路圖。圖3.8電源原理圖該電路采用的穩(wěn)壓電路，對(duì)放大器各個(gè)元件所需要的電源電壓進(jìn)行變壓穩(wěn)壓，給系統(tǒng)以提供穩(wěn)定的電源。圖3.9PWM調(diào)制波電路圖本系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)了PWM調(diào)制波，給放大器提供需要的波形，同時(shí)也是對(duì)電信號(hào)的控制精度有了很大的提高。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度都有著重要的作用。圖3.10放大器電路圖在放大器的設(shè)計(jì)中，還加入了顫振信號(hào)，如圖3.10中所示。整個(gè)放大器的設(shè)計(jì)都是根據(jù)系統(tǒng)的需要的設(shè)計(jì)的，滿足系統(tǒng)各個(gè)方面的要求，同是在設(shè)計(jì)中也考慮到了在滿足系統(tǒng)要求的情況下盡量的節(jié)約成本，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，使整個(gè)系統(tǒng)完全正常的運(yùn)作起來(lái)。4比例電磁鐵的設(shè)計(jì)4．1比例電磁鐵的選定電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例控制元件的重要組成部分，其輸入是比例放大器的輸出電流信號(hào)（或電壓信號(hào)），輸出為機(jī)械力、力矩或位移信號(hào)，并以此去操縱液壓閥的閥芯運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電液比例控制功能。因此，電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)電液比例控制元件及系統(tǒng)的穩(wěn)定控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、抗干擾能力、工作可靠性等產(chǎn)生重要影響。常用的電——機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要用以下幾種：動(dòng)線圈式力馬達(dá)，是由硬磁材料和軟磁材料組成的磁路，有1-2個(gè)控制線圈，當(dāng)有控制電流輸入時(shí)，由于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的作用，使懸掛在彈性元件上的可移動(dòng)控制線圈相對(duì)軛鐵移動(dòng)，并輸出機(jī)械力，它最主要的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但選用的是較貴重的材料，工藝性能好，其輸出的機(jī)械力較小，控制電流力中等，綜合考慮，不適用于本系統(tǒng)中。動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)，是由硬磁材料和軟磁材料組成的磁路，有2個(gè)控制線圈，當(dāng)有控制電流輸入時(shí)，由于控制磁場(chǎng)與永磁鐵的磁場(chǎng)的相互作用，使支撐在彈性元件或轉(zhuǎn)軸上的銜鐵相對(duì)軛鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，并輸出機(jī)械力矩，該轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用的是貴重材料，而且工藝性能差，輸出的機(jī)械力矩小，控制的電流小，綜合考慮，不適用于本系統(tǒng)中。伺服電機(jī)，各種類型的直流伺服電機(jī)，根據(jù)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)在中受電磁力的作用原理設(shè)計(jì)，其輸出轉(zhuǎn)速正比于輸入的電壓，可實(shí)現(xiàn)正反向速度控制，利用轉(zhuǎn)角檢測(cè)反饋實(shí)現(xiàn)角位移閉環(huán)控制，其輸入電壓輸出轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)可視為一階滯后環(huán)節(jié)，該轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩大，要求控制液壓閥配用高速比精密減速機(jī)構(gòu)，減速齒隙會(huì)產(chǎn)生不利影響，使用中可能會(huì)產(chǎn)生火花，穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能都一般，由于本系統(tǒng)采用的是開環(huán)系統(tǒng)，而且也不需要配用高速比精密的減速機(jī)構(gòu)，綜合考慮，不適用于本系統(tǒng)中。在電液比例控制元件中應(yīng)用最廣泛的電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是濕式耐高壓直流比例電磁鐵，它的工作原理是在由軟磁鐵組成的磁路中，有一激勵(lì)線圈（或有一對(duì)機(jī)理線圈和一對(duì)控制線圈），當(dāng)有控制電流輸入時(shí)，由于磁路中磁通力因縮短其長(zhǎng)度或磁場(chǎng)使磁路中磁阻減小的特性，使銜鐵與軛鐵之間產(chǎn)生吸力而移動(dòng)，通過(guò)推桿輸出機(jī)械力。該比例電磁鐵的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用一般材料，工業(yè)性好，輸出機(jī)械力較大，控制電流較大，使用維護(hù)方便。根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)電磁鐵的要求以及該電磁鐵的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用了此種比例電磁鐵。4．2比例電磁鐵的工作原理及特性比例電磁鐵的輸入端為控制線圈，輸出端為推桿。當(dāng)控制線圈輸入激勵(lì)控制電流后，形成的磁路經(jīng)由軛鐵、導(dǎo)磁殼體、導(dǎo)套、非工作的徑向間隙、銜鐵，然后分成兩路，一路的磁通Φ1由銜鐵經(jīng)過(guò)工作氣隙到軛鐵底面，另一路磁通Φ2由銜鐵經(jīng)過(guò)氣隙、導(dǎo)套錐端到軛鐵。磁場(chǎng)的特性是要使磁阻減小，Φ1的作用是形成底面力ＦM1，Φ2的作用形成了錐面力ＦM2，ＦM1與ＦM2的合力ＦM即為比例電磁鐵錐桿上的輸出力。輸出力ＦM與輸入控制電流I在比例電磁鐵的工作行程是近似成比例的，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)其輸入的控制電流，就可以實(shí)現(xiàn)輸出力的無(wú)級(jí)調(diào)整，這就是比例電磁鐵的電磁作用工作原理，分三個(gè)區(qū)段：用小隔磁環(huán)來(lái)消除第一區(qū)段；第二區(qū)段為水平吸力區(qū)；第三區(qū)為輔助工作區(qū)。如下圖所示：圖4.1：耐高壓直流比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)和特性I——吸合區(qū)；II——工作行程區(qū)；III——空行程區(qū)；1——導(dǎo)套；2——限位片；3——推桿；4——工作氣隙；5——非工作氣隙；6——銜鐵；7——軸承環(huán)；8——隔磁環(huán)5直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型）比例控制壓力閥的設(shè)計(jì)5．1直動(dòng)式壓力閥的基本結(jié)構(gòu)和原理1直動(dòng)式壓力閥的基本結(jié)構(gòu)直動(dòng)式溢流閥是作用在閥芯上的主油路液壓力與調(diào)壓彈簧力直接相平衡的溢流閥。如圖5.1所示，直動(dòng)型溢流閥因閥口和測(cè)壓面結(jié)構(gòu)型式不同，形成了三種基本結(jié)構(gòu)：圖5.1(a)所示閥采用滑閥式溢流口，端面測(cè)壓方式；圖5.1(b)所示閥采用錐閥式溢流口，同樣采用端面測(cè)壓方式；圖5.1(c)所示閥采用錐閥式溢流口，錐面測(cè)壓方式，測(cè)壓面和閥口的節(jié)流邊均用錐面充當(dāng)。但無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，直動(dòng)型溢流閥均是由調(diào)壓彈簧和調(diào)壓手柄、溢流閥口、測(cè)壓面等三個(gè)部分構(gòu)成。錐閥式直動(dòng)型溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖5.2所示。閥芯在彈簧的作用下壓在閥座上，閥體上開有進(jìn)出油口P和T，油液壓力從進(jìn)油口P作用在閥芯上。當(dāng)液壓作用力低于調(diào)壓彈簧力時(shí)，閥口關(guān)閉，閥芯在彈簧力的作用下壓緊在閥座上，溢流口無(wú)液體溢出；當(dāng)液壓作用力超過(guò)彈簧力時(shí)，閥芯開啟，液體從溢流口T流回油箱，彈簧力隨著開口量的增大而增大，直至與液壓作用力相平衡。調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓力，便可調(diào)整溢流壓力。圖5.1直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)原理圖(a)滑閥節(jié)流口，端面測(cè)壓；(b)錐閥節(jié)流口，端面測(cè)壓；(c)錐閥節(jié)流口，錐面測(cè)壓圖5.2錐閥式直動(dòng)型溢流閥2直動(dòng)式壓力閥的基本原理當(dāng)閥芯重力、摩擦力和液動(dòng)力忽略不計(jì)，令指令力（彈簧調(diào)定力）F調(diào)S=KSxS0時(shí)，直動(dòng)式溢流閥在穩(wěn)態(tài)下的力平衡方程為ΔF=F指-PA=Kx(1)即P=K(x0+x)/A≈Kx0/A（常數(shù)）(2)式中p（或PL）——進(jìn)口壓力即系統(tǒng)壓力（Pa）；F指——指令信號(hào)，即彈簧預(yù)壓力（N）；ΔF指——控制誤差，即閥芯上的合力（N）；A——閥芯的有效承壓面積（m2）；K——彈簧剛度（N／m）；X0——彈簧預(yù)壓縮量（m）；X——閥開口量（m）。由式(1)可以看出，只要在設(shè)計(jì)時(shí)保證X<<X0，即可使P=K(x0+x)/A≈Kx0/A=常數(shù)。這就表明，當(dāng)溢流量變化時(shí)，直動(dòng)式溢流閥的進(jìn)口壓力是近于恒定的。直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但因壓力直接與調(diào)壓彈簧力平衡，不適于在高壓、大流量下工作。在高壓、大流量條件下，直動(dòng)型溢流閥的閥芯摩擦力和液動(dòng)力很大，不能忽略，故定壓精度低，恒壓特性不好。5．2直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型）比例控制壓力閥的設(shè)計(jì)1．EDG-01型電磁比例直動(dòng)式溢流閥其外形圖如圖5.3所示：圖5.3EDG–01型電磁比例直動(dòng)式溢流閥用小型直流比例電磁鐵和直動(dòng)式溢流閥組成,具有反應(yīng)靈敏、精度高等特性。適用于壓力變化級(jí)制較多的自動(dòng)化系統(tǒng)及注塑機(jī)等高性能機(jī)器中。型號(hào)規(guī)格:型號(hào)

流量

(?/min)壓力調(diào)整范圍

(kgf/cm2)額定電流

(m/A)線圈電阻

(Ω)滯環(huán)重復(fù)精度重量

(kg)EDG-013-12B:5-7080010小于3%1%2C:10-160900H:12-250950

1.基準(zhǔn)調(diào)節(jié)，即起始電流設(shè)定，可以根據(jù)不同閥的液壓零位（起始位置）與電氣零位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，微調(diào)MIN電位器，順時(shí)針零點(diǎn)提高，逆時(shí)針零點(diǎn)降低。

2.增益調(diào)整，可用于控制閥的靈敏度，就是指比例閥的最大工作電流（最大壓力或流量值）對(duì)應(yīng)指令輸入信號(hào)的最大值。具體微調(diào)MAX電位器，順時(shí)針增益提高，逆時(shí)針增益降低。

3.斜坡時(shí)間調(diào)整，內(nèi)部斜坡發(fā)生器將輸入的階躍信號(hào)轉(zhuǎn)換成緩慢增加的輸出信號(hào)（電磁鐵電流），電流的上升和下降時(shí)間由電位T↓和T↑整定，輸出信號(hào)從0增大到100%變化的最長(zhǎng)時(shí)間5S。2．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖5.4直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型）比例控制壓力閥直動(dòng)式單級(jí)（常規(guī)型）比例控制壓力閥的基本結(jié)構(gòu)如上圖所示，由軟磁材料的銜鐵、導(dǎo)向套、軛鐵、外殼以及激磁線圈和輸出推桿等組成。導(dǎo)向套的前后兩段之間用非導(dǎo)磁材料焊成整體，形成筒狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向套具有足夠的強(qiáng)度，可承受充滿其中的油液靜壓力打35MPa，導(dǎo)套內(nèi)孔徑精加工，與銜鐵上用非導(dǎo)磁材料制成的低摩擦支撐環(huán)，形成軸向移動(dòng)的低摩擦副，導(dǎo)套前段端部經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成錐形，導(dǎo)套與殼體之間為同心螺線管式控制線圈，導(dǎo)套中的銜鐵處于靜壓平衡狀態(tài)，銜鐵前端裝有輸出推桿，銜鐵后端由彈簧和調(diào)節(jié)螺釘組成調(diào)零機(jī)構(gòu)，銜鐵前端與軛鐵之間形成工作氣隙，銜鐵與導(dǎo)套之間的徑向間隙為非工作氣隙。動(dòng)鐵前后通油孔用于改善動(dòng)態(tài)特性。3工作原理直動(dòng)式電液比例壓力閥（溢流閥）可分為不帶電反饋的直動(dòng)式電液比例壓力閥和位移電反饋型直動(dòng)式電液比例壓力閥。(1)不帶電反饋的直動(dòng)式電液比例壓力閥不帶電反饋的直動(dòng)式電液比例壓力閥由比例電磁鐵和直動(dòng)式壓力閥兩部分主成。直動(dòng)式壓力閥結(jié)構(gòu)與普通壓力閥的先導(dǎo)閥相似，所不同的是閥的調(diào)節(jié)彈簧為傳力彈簧3，手動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘部分換裝為比例電磁鐵，錐閥芯4與閥座6間的彈簧5主要用于閥芯的振動(dòng)撞擊。閥體7為方向閥式閥體。其工作原理為，當(dāng)比例電磁鐵輸入控制電流時(shí)，銜鐵推桿2輸出的推力通過(guò)傳力彈簧3作用在錐閥上，與作用在錐芯上的液壓力相平衡，決定了錐閥芯4與閥座6之間的開口量。由于開口量變化微小，故傳力彈簧3變形量的變化也很小，若忽略液動(dòng)力的影響，則可認(rèn)為在平衡的條件下，這種直動(dòng)式比例壓力閥所控制的壓力與比例電磁鐵的輸出電磁力成正比，從而與輸入比例電磁鐵的控制電流近似成正比。這種直動(dòng)式壓力閥除了在小流量場(chǎng)合作為調(diào)壓元件單獨(dú)使用外，更多的作為先導(dǎo)閥與普通溢流閥，減壓閥的主閥組合，構(gòu)成不帶電反饋的先導(dǎo)式電液比例溢流閥,先導(dǎo)式電液比例減壓閥，改變輸入電流的大小，即可改變電磁力從而改變導(dǎo)閥前腔（也就是主閥上腔壓力），實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥的進(jìn)口或者出口壓力的控制。（2）位移電反饋型直動(dòng)式電液比例壓力閥移電反饋型直動(dòng)式電液比例壓力閥與不帶電反饋的直動(dòng)式電液比例壓力閥的壓力閥的結(jié)構(gòu)相似，只是此處的比例電磁鐵帶有位移傳感器1。在工作時(shí)，給定設(shè)定值電壓，比例放大器輸出相應(yīng)控制電流，比例電磁鐵推桿輸出的與設(shè)定值成比例的電磁力，通過(guò)傳力彈簧7作用在錐閥芯9上；同時(shí)，電感式位移傳感器1檢測(cè)電磁鐵銜鐵推桿的實(shí)際位置（也就是彈簧座6的位置）并反饋至比例放大器，利用反饋電壓與設(shè)定電壓比較的誤差信號(hào)去控制銜鐵的位移，也就是在閥內(nèi)形成銜鐵位置閉環(huán)控制。利用位移閉環(huán)控制可以消除摩擦力等干擾的影響，保證彈簧座6能有一個(gè)與輸入信號(hào)成正比的確定位置，得到一個(gè)精確的彈簧與壓縮量，從而得到精確的壓力閥控制壓力，電磁力的大小在最大吸力內(nèi)由負(fù)載決定。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)重復(fù)精度，滯環(huán)等由較高要求時(shí)，可采用這種代電反饋的比例壓力閥。由于電反饋是這種控制系統(tǒng)是通過(guò)負(fù)反饋控制，因而既有自動(dòng)糾正偏差的能力，可以獲得相當(dāng)高的精度，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在著問(wèn)題，尤其對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械特性提出了較高的要求，而且高精度和穩(wěn)定性的要求是矛盾的，故本系統(tǒng)選用的是不帶電反饋的直動(dòng)式電液比例壓力閥。5．3系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算（1）動(dòng)力參數(shù)分析所謂動(dòng)力參數(shù)分析，就是通過(guò)計(jì)算確定各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的載荷大小和方向，并且分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)過(guò)程中的振動(dòng)、沖擊及過(guò)載能力等情況。液壓缸的載荷計(jì)算：F=±Fw±Fm±Ff±Fg+Fsf+FbKN（5--1）式中Fw作用在液壓缸上的工作載荷Fm活塞及運(yùn)動(dòng)部件的慣性載荷Fm=Ma*10^(-3)=W*ΔV/(g*Δt)*10^(-3)KNW活塞及運(yùn)動(dòng)部件的重量Ng重力加速度m/s2Δv—速度變化量m/sΔt--啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間SFf除液壓缸外，運(yùn)動(dòng)部件導(dǎo)軌的摩擦載荷NFg運(yùn)動(dòng)部件自重KNFsf液壓缸的摩擦載荷NFb回油背壓阻力N根據(jù)查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以得到，選擇摩擦系數(shù)為0.1—0.12，背壓阻力，根據(jù)系統(tǒng)屬于中低壓系統(tǒng)，背壓阻力為0.2—0.5MPa,按載荷選擇工作壓力，如下表所示：表5--1載荷（KN）〈55--1010--2020--3030--50〉50工作壓力（MPa）〈0．8--11．5--22．5--33--44--5〉=5--7根據(jù)設(shè)備的類型選擇工作壓力，小流量的液壓閥一般用于機(jī)床磨床內(nèi)，故工作的壓力一般是在1—6.3MPa的范圍，本系統(tǒng)根據(jù)6L的流量，選擇2.4MPa.（2）閥芯的立平衡方程式：F=П*d2*Pc/4-CПdxsin2ψPcx±Ff（5--2）式中：F比例電磁鐵輸出力；Ff—閥芯、銜鐵等運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)摩擦力（3）比例電磁鐵的吸力方程式：F=FL+FB=CFI2（5--3）式中FL比例電磁鐵的錐面力；FB比例電磁鐵的底面力；CF比例電磁鐵的吸力系數(shù)（4）閥口的流量方程式：q=CПdxsinψ(2*Pc/ρ)^?（5--4）式中：q流過(guò)壓力閥的流量；C閥的流量系數(shù)；d直徑；x閥芯的位移量；ψ錐閥閥芯的出流角ρ油液密度；Pc閥腔內(nèi)所控制的液壓力根據(jù)系統(tǒng)的6L流量，閥的流量系數(shù)根據(jù)手冊(cè)選擇1.2,錐閥閥芯的出流角選擇15°，油液的密度選擇一般的液壓油ρ=0.78Kg/mЗ，帶入到上面方程中，6L=1.2*3.14*d*5*10^(-3)m*sin15°(2*2.5MPa/0.78Kg/mЗd=6/[1.2*3.14*5*10^(-3)m*sin15°*(2*2.5MPa/0.78Kg/mЗ)^d=0.00根據(jù)實(shí)際情況，以及液壓控制閥流量壓力表如下：表52型號(hào)類別通徑（mm）壓力（MPa）流量（L/min）直動(dòng)式溢流閥壓力控制閥6--3031．560--300先導(dǎo)式溢流閥10--3231．5200—600直動(dòng)式減壓閥6--1031．530--50先導(dǎo)式減壓閥10--3231．580--300選取閥口的通徑為d=6mm,工作壓力在31．5MPa根據(jù)其通徑以及初步定的工作壓力可以選擇起閥的外形尺寸。閥的安裝螺釘，選擇如下表所示：表5--3閥安裝螺釘轉(zhuǎn)矩通徑6M6*50GB70--85約10N*M通徑（8）+10M8*70約2.5N*M通徑15（20）M8*90通徑（25）+30M10*110約50N*M選擇長(zhǎng)度L=80mm，缸體直徑D=25mm，螺釘M6*50，轉(zhuǎn)矩約10NM，缸體的各個(gè)尺寸可以根據(jù)<<機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)>>中液壓及氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算中查找。技術(shù)規(guī)格如下表所示：表5--4介質(zhì)礦物質(zhì)液壓油介質(zhì)溫度范圍（°C）-20+70粘度范圍（m2）（2．8380）*10^（-6）工作壓力（MPa）31.5背壓阻力（MPa）31.5最小調(diào)節(jié)壓力（MPa）與流量Q相關(guān)最大調(diào)節(jié)壓力（MPa）31.5通徑（mm）6--30最大流量（L/min）60--300（5）管道計(jì)算管道內(nèi)徑計(jì)算：d=[4*Q/(П*v)]^?*103mm（5--7）式中：Q通過(guò)管道的流量m3/sv管道內(nèi)液體允許的流速m/s參照下表選?。罕?--5管道吸油管道壓油管道回油管道控制油管道泄油管道允許流速（m/s）0.5—1.53--61.5—2.52--31帶入上面的公式中計(jì)算得出內(nèi)徑d=15.96mm根據(jù)查機(jī)械手冊(cè)圓整后選取16mm管道壁厚計(jì)算：δ=p*d/(2*[σ])mm（5--8）式中：p管道內(nèi)液體的最高工作壓力MPa[σ]管道材料的許用應(yīng)力MPa[σ]=σb/nMPaσb管道材料的抗拉強(qiáng)度MPan安全系數(shù)當(dāng)p〈7MPa時(shí)，n=8;當(dāng)7〈p〈17.5MPa時(shí)，n=6;當(dāng)p>17.5MPa時(shí)，n=4.油箱容量的確定：初設(shè)計(jì)時(shí)按照經(jīng)驗(yàn)公式確定油箱的容量，即：V=аQvm3（5--9）式中：а經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)于低壓系統(tǒng)，а=24；對(duì)于中壓系統(tǒng)，а=57，對(duì)于高壓系統(tǒng)，а=612；對(duì)于行走機(jī)械，а=1—2Qv每分鐘排出的液體體積m3（6）電液比例控制閥的基本流量公式：qv=CA(2*Δp/ρ)^?（5--10）式中qv通過(guò)控制閥口體積流量；C閥口流量修正系數(shù)；A閥口的通流面積；Δp閥口的前后壓力差可以看出，通過(guò)閥的流量主要受閥口的通流面積A和閥口前后的壓力差Δp兩個(gè)因素影響。由于本設(shè)計(jì)要求的流量是6L，屬于是小流量，閥口的通流面積A=П（d/2）^2,通過(guò)閥口的體積流量為6L/min,可以計(jì)算出閥口前后的壓力差Δp=(q/CA)^2*ρ/2.（5--11）（7）液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算液壓系統(tǒng)總的壓力損失：ΣΔp=ΣΔp1+Σ(Δp2*A2/A1)MPa（5--12）式中：ΣΔp1液壓系統(tǒng)進(jìn)油路的總壓力損失MPaA1液壓缸進(jìn)油腔作用面積mm2A2液壓缸回油腔作用面積mm2系統(tǒng)的調(diào)整壓力pT為pT〉=p1+ΣΔpMPa（5--13）式中：p1液壓缸工作腔壓力MPa液壓系統(tǒng)壓力對(duì)于過(guò)濾精度要求：表5—6（μm）系統(tǒng)壓力（MPa）一般系統(tǒng)伺服系統(tǒng)〈1414--35〉3521過(guò)濾精度20--5010--25〈10〈5安裝部位對(duì)過(guò)濾精度的要求：表5—7（μm）安裝部位入口壓力管路回油管路低壓中低壓中高壓高壓過(guò)濾精度80--12030--5020--4015--2510--1550--1006比例控制壓力閥的動(dòng)靜態(tài)特性分析6．1溢流閥靜態(tài)特性溢流閥的性能特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指閥在穩(wěn)態(tài)工況時(shí)的特性，動(dòng)態(tài)特性是指閥在瞬態(tài)工況時(shí)的特性。電液比例閥的靜態(tài)特性是指穩(wěn)定工作條件下，比例閥的各靜態(tài)參數(shù)（流量，壓力，輸入電流或者電壓）之間的相互關(guān)系。這些關(guān)系可用相關(guān)特性方程或在穩(wěn)定工況下輸入電流信號(hào)由0增加導(dǎo)額定值In，又從額定值減小到0的整個(gè)過(guò)程中，被控參數(shù)（壓力p或者q）的變化曲線描述。電液比例閥的理想靜態(tài)特性曲線應(yīng)為通過(guò)坐標(biāo)圓點(diǎn)的一條曲線，以保證被控參數(shù)與輸入信號(hào)完全成同一比例。但實(shí)際上，因?yàn)殚y內(nèi)存在的摩擦，磁滯及機(jī)械死區(qū)等因素，故閥的實(shí)際靜態(tài)特性曲線是一條封閉的曲線。此曲線與通過(guò)兩端平均直線之間的差別反映了穩(wěn)態(tài)工況下比例閥的控制精度和功能，這些差別主要由非線性度，滯環(huán)，分辨率，重復(fù)精度等靜態(tài)特性指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行描述。1.非線性度比例閥實(shí)際特性曲線上各點(diǎn)與平均斜線間的最大電流偏差I(lǐng)lmax與輸入額定電流In的百分比，稱為電液比例閥的非線性度。非線性度越小，比例閥的靜態(tài)特性越好。電液比例閥的非線性度通常小于10％。2.滯環(huán)電液比例閥的輸入電流在作一次往復(fù)循環(huán)中，同一輸入壓力或者流量對(duì)應(yīng)的輸入電流的最大差值IGmax與額定輸入電流In,的百分比，稱為電液比例閥的滯環(huán)誤差，簡(jiǎn)稱滯環(huán)。滯環(huán)越小，比例閥的靜態(tài)性能越好。電液比例閥的滯環(huán)通常小于7％，性能良好的比例閥，滯環(huán)小于3％。3.分辨率使比例閥的流量或者壓力產(chǎn)生變化（增加或者減?。┧枰斎腚娏鞯淖钚≡隽恐蹬c額定輸入電流的百分比，稱為電液比例閥的分辨率。分辨率小的靜態(tài)性能好，但分辨率過(guò)小將會(huì)使閥工作不穩(wěn)定。4.重復(fù)精度在某一輸出參數(shù)（壓力或者流量）下，從一個(gè)方向多次重復(fù)輸入電流，多次輸入電流的最大差值IRmax與額定輸入電流In的百分比，稱為電液比例閥的重復(fù)精度，在一般情況下名重復(fù)精度越小越好。需要說(shuō)明的是，由于電液比例閥一般不在零位附近工作，而且對(duì)它的工作性能要求也不象電液伺服閥那樣高，因此比例閥的死區(qū)以及由于油溫和進(jìn)出油口壓力變化引起的特性零位漂移等，對(duì)閥的工作影響不太顯著，一般不作為電液比例閥的主要性能指標(biāo)。溢流閥工作時(shí)，隨著溢流量q的變化，系統(tǒng)壓力P會(huì)產(chǎn)一些波動(dòng)，不同的溢流閥其波動(dòng)程度不同。因此一般用溢流閥穩(wěn)定工作時(shí)的壓力一流量特性來(lái)描述溢流閥的靜態(tài)特性。這種穩(wěn)態(tài)壓力一流量特性又稱“啟閉特性”。啟閉特性是指溢流閥從開啟到閉合過(guò)程中，被控壓力P與通過(guò)溢流閥的溢流量q之間的關(guān)系。它是衡量溢流閥定壓精度的一個(gè)重要指標(biāo)。圖6.1所示為溢流閥的啟閉特性曲線。圖中Pn（P指）為溢流閥調(diào)定壓力，Pc和Pc′分別為直動(dòng)型溢流閥和先導(dǎo)型溢流閥的開啟壓力。溢流閥理想的特性曲線最好是一條在Pn處平行于流量坐標(biāo)的直線。其含義是：只有在系統(tǒng)壓力P達(dá)到Pn時(shí)才溢流，且不管溢流量q為多少，壓力P始終保持為Pn值不變，沒(méi)有穩(wěn)態(tài)控制誤差（或稱沒(méi)有調(diào)壓偏差）。實(shí)際溢流閥的特性不可能是這樣的，而只能要求它的特性曲線盡可能接近這條理想曲線，調(diào)壓偏差盡（Pn-P）可能小。由圖6.1所示溢流閥的啟閉特性曲線可以看出：①對(duì)同一個(gè)溢流閥.其開啟特性總是優(yōu)于閉合特性。這主要是由于在開啟和閉合兩種運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，摩擦力的作用方向相反所致。②先導(dǎo)式溢流閥的啟閉特性優(yōu)于直動(dòng)式溢流閥。也就是說(shuō)，先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)壓偏差（Pn-PC′）比直動(dòng)式溢流閥的調(diào)壓偏差（Pn-PC）小，調(diào)壓精度更高。所謂調(diào)壓偏差，即調(diào)定壓力與開啟壓力之差。壓力越高，調(diào)壓彈簧剛度越大，由溢流量變化而引起的壓力變化越大，調(diào)壓偏差也越大。由以上分析可知，直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但壓力受溢流量變化的影響較大，調(diào)壓偏差大，不適于在高壓、大流量下工作，常作安全閥或用于調(diào)壓精度要求不高的場(chǎng)合。先導(dǎo)型溢流閥中主閥彈簧主要用于克服閥芯的摩擦力，彈簧剛度小。當(dāng)溢流量變化引起主閥彈簧壓縮量變化時(shí)，彈簧力變化較小。因此閥進(jìn)口壓力變化也較小。先導(dǎo)型溢流閥調(diào)壓精度高，被廣泛用于高壓、大流量系統(tǒng)。溢流閥的閥芯在移動(dòng)過(guò)程中要受到摩擦力的作用，閥口開大和關(guān)小時(shí)的摩擦力方向剛好相反，使溢流閥開啟時(shí)的特性和閉合時(shí)的特性產(chǎn)生差異。除啟閉特性外，溢流閥的靜態(tài)性能指標(biāo)還有：①壓力調(diào)節(jié)范圍：是指調(diào)壓彈簧在規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)地(壓力無(wú)突跳及遲滯現(xiàn)象)上升或下降的最大和最小調(diào)定壓力。②卸荷壓力：當(dāng)溢流閥作卸荷閥用時(shí)，額定流量下進(jìn)、出油口的壓力差稱為卸荷壓力。④最大允許流量和最小穩(wěn)定流量：溢流閥在最大允許流量(即額定流量)下工作時(shí)應(yīng)無(wú)噪聲。溢流閥的最小穩(wěn)定流量取決于對(duì)壓力平穩(wěn)性的要求，一般規(guī)定為額定流量的15％。圖6.1溢流閥的靜態(tài)性曲線6．2溢流閥的動(dòng)態(tài)特性電液比例閥的動(dòng)態(tài)特性用頻率響應(yīng)（頻域特性）和瞬態(tài)響應(yīng)（時(shí)域相應(yīng)）表示。電液比例閥的頻率相應(yīng)特性用波德圖表示，并以比例閥德幅值比為－3dB（即輸出流量為基準(zhǔn)頻率時(shí)輸出德流量德70.7%）時(shí)德頻率定義為幅頻寬，以相位滯后達(dá)到－90度時(shí)德頻率定義位相頻寬。應(yīng)去幅頻寬中較小者作為閥德頻寬值。頻寬是比例閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度德度量，頻寬過(guò)低會(huì)影響系統(tǒng)德響應(yīng)速度，過(guò)高會(huì)使高頻傳到負(fù)載上去。一般比例閥德頻寬在1到10HZ之間，而高性能德電液比例伺服閥德頻寬可達(dá)到120Hz,有可能更加高。電液比例閥德瞬態(tài)響應(yīng)特性也是指通過(guò)對(duì)閥施加一個(gè)典型輸入信號(hào)（通常位階躍信號(hào)），閥的輸出流量對(duì)階躍輸入電流德跟蹤過(guò)程中所表現(xiàn)出德振蕩衰減特性。反映電液比例閥瞬態(tài)響應(yīng)快速性時(shí)的時(shí)域性能的主要指標(biāo)有超調(diào)量，峰值時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。這些指標(biāo)的定義與電液伺服閥相同。圖6.2流量階躍變化時(shí)溢流閥的進(jìn)口壓力響應(yīng)特性溢流閥的動(dòng)態(tài)特性是指流量階躍時(shí)的壓力響應(yīng)特性，如圖6.2。其衡量指標(biāo)主要有響應(yīng)時(shí)間和壓力超調(diào)量等：①壓力超調(diào)量：定義為最高瞬時(shí)壓力峰值與額定壓力調(diào)定值Pn之間的差值為壓力超調(diào)量ΔP，并將(ΔP/Pn)5100%稱為壓力超調(diào)率。壓力超調(diào)量是衡量溢流閥動(dòng)態(tài)定壓誤差及穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，一般壓力超調(diào)率要求小于10％-30%，否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)中元件損壞，管道破裂或其它故障。②響應(yīng)時(shí)間t1：是指從起始穩(wěn)態(tài)壓力P0與最終穩(wěn)態(tài)壓力Pn之差的10％上升到90﹪的時(shí)間，即圖6.2中A、B兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔。t1越小，溢流閥的響應(yīng)越快。③過(guò)渡過(guò)程時(shí)間t2：是指從0.9(Pn-P0)的B點(diǎn)到瞬時(shí)過(guò)渡過(guò)程的最終時(shí)刻C點(diǎn)之間的時(shí)間。t2越小，溢流閥的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程越短。④升壓時(shí)間Δt1：是指流量階躍變化時(shí)，0.1(Pn-P0)至0.9(Pn-P0)的時(shí)間，即圖6.15中A和B兩點(diǎn)間的時(shí)間，與上述響應(yīng)時(shí)間一致。⑤卸荷時(shí)間Δt2：是指卸荷信號(hào)發(fā)出后，0.9(Pn-P0)至0.1(Pn-P0)的時(shí)間，即C和D兩點(diǎn)間的時(shí)間。Δt1和Δt2越小，溢流閥的動(dòng)態(tài)性能越好。圖6.3溢流閥的升壓與卸荷特性6．3直動(dòng)式溢流閥與先導(dǎo)式溢流閥的流量一壓力特性曲線的比較分析溢流閥的特性曲線溢流閥的開啟壓力o當(dāng)閥入口壓力小于PK1時(shí),閥處于關(guān)閉狀態(tài),其過(guò)流量為零；當(dāng)閥入口壓力大于k1時(shí),閥開啟、溢流,直動(dòng)式溢流閥便處于工作狀態(tài)(溢流的同時(shí)定壓)。圖6.4流量—壓力特性曲線圖6.4中pb是先導(dǎo)式溢流閥的導(dǎo)閥開啟壓力,曲線上的拐點(diǎn)m所對(duì)應(yīng)的壓力pm是其主閥的開啟壓力。當(dāng)壓力小于零時(shí),先導(dǎo)閥關(guān)閉,閥的流量為零；當(dāng)壓力大于pb(小于此2)時(shí),導(dǎo)閥開啟,此時(shí)通過(guò)閥的流量只是先導(dǎo)閥的泄漏量,故很小,曲線上pbm段即為導(dǎo)閥的工作段；當(dāng)閥入口壓力大于此2時(shí),主閥打開,開始溢流,先導(dǎo)式溢流閥便進(jìn)入工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)下,元論是直動(dòng)式還是先導(dǎo)式溢流閥,其溢流量都是隨入口壓力增加而增加,當(dāng)壓力增加到丸z時(shí),閥芯上升到最高位置,閥口最大,通過(guò)溢流閥的流量也最大一為其額定流量氈,這時(shí)入口的壓力pn叫做溢流閥的調(diào)定壓力或全流壓力。從上述曲線可看出溢流閥的定壓并非絕對(duì)不變,而是隨過(guò)流量Q的變化而變化(波動(dòng))的。這是因?yàn)?流量增加,閥口開大,主閥芯上移,主閥彈簧壓縮量增加、彈簧力加大,穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力加大(其方向與彈簧力相同),故使閥入口壓力增加的結(jié)果。曲線工作段的斜率越大,定壓精度越高(發(fā)生單位或相同流量變化時(shí)引起壓力的變化量越小)。定壓精度常用調(diào)壓偏差和開啟比來(lái)度量。調(diào)定壓力pn與開啟壓力PK之差,稱為調(diào)壓偏差,其值越小,說(shuō)明曲線越陡,斜率越大,定壓精度越高。但是調(diào)壓偏差又不能真正說(shuō)明定壓精度，例如,對(duì)于同一調(diào)壓偏差2×105pa而言,當(dāng)額定壓力為100×105pa時(shí),其壓力的最大波動(dòng)率為2%；當(dāng)額定壓力為10×105pa時(shí),壓力的最大波動(dòng)率為20%,可見二者調(diào)壓偏差雖相同,但定壓精度卻一高一低(顯然前者較高)。所以調(diào)壓偏差(又稱為絕對(duì)定壓精度)不足以說(shuō)明問(wèn)題。因此需進(jìn)一步用相對(duì)定壓精度開啟比一一開啟壓力PK與調(diào)定壓力丸之比此/ρn來(lái)衡量定壓精度,而且其值越大越好。例如,仍以上述為例:同是調(diào)壓偏為2×105pa,對(duì)于額定壓力為100×105pa而言,其開啟壓力為98×105pa；對(duì)額定壓力為10×105pa,其開啟壓力為8×105pao則二者的開啟比,即相對(duì)定壓精度分別為:98×105/1OO×105=98%；8×105/10×105=80%。98%>80%,顯然前者定壓精度高。這樣就解決了對(duì)于不同的壓力級(jí)別(額定壓力)在采用調(diào)壓偏差(絕對(duì)定壓精度)判斷定壓精度時(shí)所造成的誤解。7壓力控制回路分析壓力控制回路是用壓力閥來(lái)控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)主油路或某一支路的壓力，以滿足執(zhí)行元件速度換接回路所需的力或力矩的要求。利用壓力控制回路可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)壓(穩(wěn)壓)、減壓、增壓、卸荷、保壓與平衡等各種控制。7．1調(diào)壓及限壓回路當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓泵應(yīng)向系統(tǒng)提供所需壓力的液壓油，同時(shí)，又能節(jié)省能源，減少油液發(fā)熱，提高執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。所以，應(yīng)設(shè)置調(diào)壓或限壓回路。當(dāng)液壓泵一直工作在系統(tǒng)的調(diào)定壓力時(shí)，就要通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)并穩(wěn)定液壓泵的工作壓力。在變量泵系統(tǒng)中或旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中用溢流閥(當(dāng)安全閥用)限制系統(tǒng)的最高安全壓力。當(dāng)系統(tǒng)在不同的工作時(shí)間內(nèi)需要有不同的工作壓力，可采用二級(jí)或多級(jí)調(diào)