液壓放大元件

1、第2章 液壓放大元件,教學(xué)目的與要求: 1)了解液壓控制閥的結(jié)構(gòu)形式及分類方法 2)掌握理想零開口、正開口四邊滑閥的靜特性分析方法 3)了解掌握機(jī)液伺服閥、電液伺服閥、電液比例閥分類及應(yīng)用場合。 4)掌握滑閥閥系數(shù)的推導(dǎo)與計(jì)算與計(jì)算方法 5)掌握滑閥的受力分析和計(jì)算方法 6)掌握噴嘴擋板閥和射流管閥的靜態(tài)特性的推導(dǎo)方法。 7)掌握力反饋二級電液伺服閥基本方程的推導(dǎo)方法 8)掌握直接反饋兩極滑閥式電液伺服閥傳遞函數(shù)的推導(dǎo)方法 9)了解其他類型的電液伺服閥的原理和結(jié)構(gòu) 10)了解滑閥位置反饋，負(fù)載流量反饋，負(fù)載壓力反饋的基本概念。,第2章 液壓放大元件,主要內(nèi)容： 1) 液壓控制閥分類（按機(jī)液伺服

2、閥、電液伺服閥、電液比例閥分類并說明功能及應(yīng)用場合） 2) 控制閥（滑閥，噴嘴擋板閥和射流管閥）的結(jié)構(gòu)形式、靜態(tài)特性 3 )電液伺服閥的組成和類型、主要性能參數(shù)、動力學(xué)模型、選擇方法 4) 電液比例控制閥組成和分類、靜動態(tài)特性、選擇方法 重點(diǎn)： 1)理想零開口、正開口四邊滑閥的靜特性的分析 2)力反饋二級電液伺服閥基本方程的推導(dǎo) 本章難點(diǎn)： 1)雙噴嘴擋板閥閥系數(shù)的求取 2)力反饋二級電液伺服閥基本方程的建立過程,第2章 液壓放大元件,概述 液壓放大元件液壓放大器，以機(jī)械運(yùn)動來控制流體動力傳輸?shù)脑?將輸入的機(jī)械信號(位移或轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換為液壓信號(流量、壓力)輸出，并進(jìn)行功率放大。 小功率信號

3、控制大功率信號 具有結(jié)構(gòu)簡單、單位體積輸出功率大、工作可靠和動態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在液壓伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 包括：滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥等。 研究重點(diǎn)：結(jié)構(gòu)形式、工作原理、靜態(tài)特性及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,一、按進(jìn)、出閥的通道數(shù)劃分 四通閥(圖2-1a、b、c、d) 三通閥(圖2-1e) 二通閥(圖2-1f) 二、按滑閥的工作邊數(shù)劃分 四邊滑閥(圖2-1a、b、c) 雙邊滑閥(圖2-1d、e) 單邊滑閥(圖2-1f) 三、按閥套窗口的形狀劃分 矩形、圓形、三角形等多種 四、按閥芯的凸肩數(shù)目劃分 二凸肩、三凸肩、四凸肩 五、按滑閥的預(yù)開口型式劃分 正開口(負(fù)重疊)、零開口(零重疊)、負(fù)開口(正重疊),2.1

4、 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,五、按滑閥的預(yù)開口型式劃分 正開口(負(fù)重疊) 零開口(零重疊) 負(fù)開口(正重疊),2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,圖2.4 滑閥閥口形狀 (a) 通油槽為整周開槽 (b)通油槽為方孔 （c）通油槽為圓孔。,(a),(b),（c）,滑閥的面積梯度及部分開口，可全周開口、 開方孔 、開園孔,開園孔,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖,零開口,正開口,負(fù)開口,ZERO LIP,UNDER LIP,OVER LIP,零重疊,負(fù)重疊,正

5、重疊,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)打開的力作用于閥芯。,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,不論凸肩數(shù)有多少，也不管是三通或四通的閥，都可以做成正開口、負(fù)開口或零開口的。,B,P,T,A,ps,B,P,T,A,ps,圖2.2 滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖,B,P,T,A,ps,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

6、距離，與相對應(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，一一對齊，從而把油槽完全封住。這種完全理想化的滑閥，稱理想滑閥。,(e)三凸肩正開口四通閥 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)開口量U，即在零位時(shí)有預(yù)開口量，這種閥稱正開口閥或負(fù)重疊閥。,圖2.2 滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖,(f)三凸肩負(fù)開口四通滑閥 零位時(shí)每個(gè)凸肩都遮蓋了相應(yīng)的油槽而有重疊量，只有閥芯位移超過了棱邊處的重疊量后閥口才打開。這種閥稱正重疊閥或負(fù)開口閥。,零開口四通滑閥,2.1 圓柱滑閥的結(jié)構(gòu)型式及分類,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,滑閥的靜態(tài)特性即：壓力流量特性 是指穩(wěn)態(tài)情況下，閥

7、的負(fù)載流量qL與負(fù)載壓力pL、滑閥位移Xv 三者之間的關(guān)系。,它表示滑閥的工作能力和性能，對液壓伺服系統(tǒng)的靜、動態(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)的獲得： 1）可從實(shí)際的閥測出 2）對許多結(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)特性的一般分析,四邊滑閥及等效橋路,2.2.1 滑閥壓力-流量方程的一般表達(dá)式,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.1 滑閥壓力-流量方程的一般表達(dá)式,在推導(dǎo)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

8、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。,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,橋路的壓力平衡方程：,橋路的流量平衡方程：,各橋臂的流量方程：,式中節(jié)流口液導(dǎo)：,2.2.1 ：壓力-流量方程的一般表達(dá)式,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析：,2.2.1 ：壓力-流量方程的一般表達(dá)式,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.1 ：壓力-流量方程的一般表達(dá)式,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.2 ：滑閥的靜態(tài)特性（流量、壓力、閥芯位移）,1)流量特性曲線 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

9、0時(shí)的流量特性稱為空載流量特性。,2)壓力特性曲線 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qL0時(shí)的壓力特性,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.2 ：滑閥的靜態(tài)特性（流量、壓力、閥芯位移）,3)壓力-流量特性曲線,所需壓力流量能被閥的最大位移時(shí)的壓力流量 曲線包圍，即能滿足系統(tǒng) 設(shè)計(jì)要求。,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可全面描述閥的穩(wěn)態(tài)特性。,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.3 ：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。利用線件化理論對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析時(shí)，須將這個(gè)

10、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)附近展成臺勞級數(shù)可得：,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.3 ：閥的線性化分析和閥的系數(shù),2)滑閥的特性系數(shù)-閥的三個(gè)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qL0時(shí)，閥單位輸入位移所引起 的負(fù)載壓力變化的大小。,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.3 ：閥的線性化分析和閥的系數(shù),2)滑閥的特性系數(shù)-閥的三個(gè)系數(shù),根據(jù)：,閥的三個(gè)系數(shù)之間有如下關(guān)系：,負(fù)載壓力流量線性化方程：,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般

11、分析,2.2.3 ：閥的線性化分析和閥的系數(shù),2)滑閥的特性系數(shù)-閥的三個(gè)系數(shù),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)。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)非常重要。,壓力增益：表示閥控執(zhí)行元件組合起動大慣量或大摩擦力負(fù)載的能力。,流量壓力系數(shù)：直接影響閥控執(zhí)行元件(液壓動力元件)的阻尼比和速度剛度。,流量增益：直接影響系統(tǒng)的開環(huán)增益，因而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響。,2.2 滑閥靜態(tài)特性的一般分析,2.2.3 ：閥的線性化分析和閥的系數(shù),2)滑閥的特性系數(shù)-閥的三個(gè)系數(shù),閥的系數(shù)值隨閥的工作點(diǎn)而變。,壓力流量特性的原點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性來說是最關(guān)鍵的一點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)在這點(diǎn)能

12、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)。,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。,2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,1、理想零開口四邊滑閥的壓力流量方程,2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,1、理想零開口四邊滑閥的壓力流量方程,x0時(shí),2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,1、理想零開口四邊滑閥的壓

13、力流量方程,2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,1、理想零開口四邊滑閥系數(shù),一、零開口四邊閥的壓力-流量特性方程,2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性（總結(jié)）,x0時(shí),x0時(shí),2.3 零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性,零開口四邊閥的閥系數(shù),零開口四邊閥的特性曲線,它是流量曲線在某一點(diǎn)的斜率。表示負(fù)載壓降一定時(shí)，閥單位輸入位移引起負(fù)載流量變化大小。,它是壓力曲線在某一點(diǎn)的斜率。表示負(fù)載流量為零時(shí)，閥單位輸入位移引起負(fù)載壓力變化大小。,實(shí)際零開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)壓力不是無窮大,等價(jià)動態(tài)物理模型,動態(tài)數(shù)學(xué)模型,圖2.6 正開口四通滑閥,2.4 正開口

14、四通滑閥的靜特性,2.4.1正開口四邊閥的壓力-流量特性方程,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,可分解 成2個(gè)流 量的疊加,2.4.1正開口四邊閥的壓力-流量特性方程,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,將流量方程在某一工作點(diǎn)(QL1、xv1、pL1)附近全微分，可得在此工作點(diǎn)處的流量方程:,Kq流量增益，或流量放大系數(shù)，表示負(fù)載壓力pL不變時(shí)， 當(dāng)閥芯位移xv，有微小增量時(shí)所引起的流量增量；,Kc壓力流量系數(shù)，表示閥芯位移不變時(shí)負(fù)載壓力增量與 負(fù)載流量增量之間的關(guān)系，也稱閥剛度。,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,滑閥的三個(gè)閥系數(shù)以及其

15、靜特性曲線都可用實(shí)驗(yàn)法測得。,測Kq0,2.4 正開口四通滑閥的靜特性,Kq流量增益，或流量放大系數(shù)，表示負(fù)載壓力pL不變時(shí)，當(dāng)閥芯位移xv，有微小增量時(shí)所引起的流量增量；,Kc壓力流量系數(shù)，表示閥芯位移不變時(shí)負(fù)載壓力增量與負(fù)載流量增量之間的關(guān)系，也稱閥剛度。,零、正開口四通滑閥的靜特性比較,2.5 三通閥的靜特性,1,2,2.5.1三通閥的負(fù)載壓力,三通閥一般驅(qū)動差動缸,PL是用來平衡負(fù)載F的壓力,2.5 三通閥的靜特性,2.5.2零開口三通閥的壓力-流量特性,QL,零位時(shí)Kc很??！,2.5 三通閥的靜特性,零開口三通閥的閥系數(shù),零開口三通閥的零位閥系數(shù)也象四通閥一樣，應(yīng)根據(jù)其零位漏損量推算

16、。,2.5.3正開口三通閥的壓力-流量特性,1,2,圖2.10為正開口三通閥，兩個(gè)節(jié)流口同時(shí)工作以控制一個(gè)控制口，其控制壓力為pc，負(fù)載流量為QL，設(shè)閥芯按圖示方向移動，由圖可知,圖2.10 正開口三通滑閥,2.5.3正開口三通閥的壓力-流量特性,和零開口三通閥一樣引入負(fù)載壓力pL，直接引用式(2-34)，得,(2-40),2.5.3正開口三通閥的壓力-流量特性,(2-27),(2-40),式(2-40)與式(2-27)相比，正開口四通閥流量方程中的pL改換成2pL，就變成正開口三通閥的流量方程了。因此，當(dāng)把圖2.7中正開口四通閥壓力流量曲線的pL/ps坐標(biāo)1改為1/2后，就是正開口三通閥的壓

17、力流量曲線了。,正開口四通滑閥壓力-流量曲線,正開口三通閥的三個(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。,四、三通閥、四邊閥靜特性比較,1、液壓放大元件的流量增益Kq與半橋的節(jié)流邊有關(guān)： 零開口閥是正開口閥的一半； 帶固定節(jié)流孔時(shí)，Kq是正開口閥的一半。,2、液壓放大元件的壓力流量系數(shù)Kc與半橋、全橋有關(guān)： 半橋正開口三通閥是全橋正開口四通閥的2倍； 半橋零開口三通閥是全橋零開口四通閥2倍； 帶2個(gè)固定節(jié)流孔的全橋與正開口四通閥全橋相

18、等； 帶1個(gè)固定節(jié)流孔的半橋與正開口三通閥半橋相等；,3、零開口的壓力流量系數(shù)遠(yuǎn)小于正開口閥， 零開口的壓力增益遠(yuǎn)在于正開口閥。 零開口的因“內(nèi)泄漏”引起的誤差將遠(yuǎn)小于正開口閥。,四、三通閥、四邊閥靜特性比較,1、流量增益Kq，正開口是零開口的2倍，正開口是帶固 定節(jié)流孔閥的2倍，半橋與全橋相等（因左右半橋流量相等）,等價(jià)動態(tài)物理模型,動態(tài)數(shù)學(xué)模型,四、三通閥、四邊閥靜特性比較,2、零位壓力流量系數(shù)Kc0，正開口遠(yuǎn)大于零開口，半橋 是全橋的2倍,等價(jià)動態(tài)物理模型,動態(tài)數(shù)學(xué)模型,壓力放大器的等效,壓力放大器的物理模型,壓力放大器的數(shù)學(xué)模型,四、三通閥、四邊閥靜特性比較,3、壓力增益Kp，正開口遠(yuǎn)小于零開口，半橋是全橋一半,2.6 滑閥的力特性,（1）作用在圓柱滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動力,2.6 滑閥的力特性,液流經(jīng)過閥口時(shí)，由于流動方向和流速的改變，閥芯上會受到穩(wěn)態(tài)液動力。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)液動力。,圖2.11 作用在帶平衡活塞的滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動力,穩(wěn)態(tài)液動力指向閥口關(guān)閉的方向,穩(wěn)態(tài)液動力指向閥口關(guān)閉的方向,對于理想滑閥，射流角為69，速度系統(tǒng)和流量系統(tǒng)分別為0.98和0.61，則，上述系統(tǒng)為0.43,2.6 滑閥的力特性,2.6 滑閥的力特性,2