1、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
2、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
3、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
4、 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。,(a),(b),（c）,滑阀的面积梯度及部分开口，可全周开口、 开方孔 、开园孔,开园孔,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,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,ZERO LIP,UNDER LIP,OVER LIP,零重叠,负重叠,正重叠
5、,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,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。,B,P,T,A,ps,B,P,T,A,ps,图2.2 滑阀典型结构原理图,B,P,T,A,ps,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
6、，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。,(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。,图2.2 滑阀典型结构原理图,(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,2.1 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
7、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,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
8、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,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,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pL0时的流量特
9、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qL0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。
10、 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qL0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 ：
11、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
12、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
13、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）,x0时,x0时,2.3 零开口四边滑阀的静态特性,零开口四边阀的阀系数,零开口四边阀的特性曲线,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,零位时存在径向泄漏,零位时压力不是无穷大,等价动态物理模型,动态数学模型,图2.6 正开口四通滑阀,2.4 正开口四通滑阀的静特性,2
14、.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,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,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:,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，也称阀刚度。,2.4 正开口四通滑阀的静特性,2.4 正开口四通滑阀的静特性,2.4 正开口四通滑阀的静特性,滑阀的三个阀系数以及其静特性曲线都可用实验法测
15、得。,测Kq0,2.4 正开口四通滑阀的静特性,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，也称阀刚度。,零、正开口四通滑阀的静特性比较,2.5 三通阀的静特性,1,2,2.5.1三通阀的负载压力,三通阀一般驱动差动缸,PL是用来平衡负载F的压力,2.5 三通阀的静特性,2.5.2零开口三通阀的压力-流量特性,QL,零位时Kc很小！,2.5 三通阀的静特性,零开口三通阀的阀系数,零开口三通阀的零位阀系数也象四通阀一样，应根据其零位漏损量推算。,2.5.3正开口三通
16、阀的压力-流量特性,1,2,图2.10为正开口三通阀，两个节流口同时工作以控制一个控制口，其控制压力为pc，负载流量为QL，设阀芯按图示方向移动，由图可知,图2.10 正开口三通滑阀,2.5.3正开口三通阀的压力-流量特性,和零开口三通阀一样引入负载压力pL，直接引用式(2-34)，得,(2-40),2.5.3正开口三通阀的压力-流量特性,(2-27),(2-40),式(2-40)与式(2-27)相比，正开口四通阀流量方程中的pL改换成2pL，就变成正开口三通阀的流量方程了。因此，当把图2.7中正开口四通阀压力流量曲线的pL/ps坐标1改为1/2后，就是正开口三通阀的压力流量曲线了。,正开口四
17、通滑阀压力-流量曲线,正开口三通阀的三个零位阀系数为,(2-41),(2-42),(2-43),三通阀的流量增益与四通阀的流量增益相同，而三通阀的压力增益Kp较四通阀的小一半，这是因为三通间只控制一个控制腔压力pc，而另一腔的压力不可控所致。,四、三通阀、四边阀静特性比较,1、液压放大元件的流量增益Kq与半桥的节流边有关： 零开口阀是正开口阀的一半； 带固定节流孔时，Kq是正开口阀的一半。,2、液压放大元件的压力流量系数Kc与半桥、全桥有关： 半桥正开口三通阀是全桥正开口四通阀的2倍； 半桥零开口三通阀是全桥零开口四通阀2倍； 带2个固定节流孔的全桥与正开口四通阀全桥相等； 带1个固定节流孔的
18、半桥与正开口三通阀半桥相等；,3、零开口的压力流量系数远小于正开口阀， 零开口的压力增益远在于正开口阀。 零开口的因“内泄漏”引起的误差将远小于正开口阀。,四、三通阀、四边阀静特性比较,1、流量增益Kq，正开口是零开口的2倍，正开口是带固 定节流孔阀的2倍，半桥与全桥相等（因左右半桥流量相等）,等价动态物理模型,动态数学模型,四、三通阀、四边阀静特性比较,2、零位压力流量系数Kc0，正开口远大于零开口，半桥 是全桥的2倍,等价动态物理模型,动态数学模型,压力放大器的等效,压力放大器的物理模型,压力放大器的数学模型,四、三通阀、四边阀静特性比较,3、压力增益Kp，正开口远小于零开口，半桥是全桥一
19、半,2.6 滑阀的力特性,（1）作用在圆柱滑阀上的稳态液动力,2.6 滑阀的力特性,液流经过阀口时，由于流动方向和流速的改变，阀芯上会受到稳态液动力。因沿阀芯径向的分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。,图2.11 作用在带平衡活塞的滑阀上的稳态液动力,稳态液动力指向阀口关闭的方向,稳态液动力指向阀口关闭的方向,对于理想滑阀，射流角为69，速度系统和流量系统分别 为0.98和0.61，则，上述系统为0.43,2.6 滑阀的力特性,2.6 滑阀的力特性,2.6 滑阀的力特性,2.6 滑阀的力特性,2.6 滑阀的力特性,2.6 滑阀的力特性,(2)、作用在滑阀上的液压卡紧力,(a)倒锥
20、；(b)顺锥；(c)倾斜,(5.13),开一条均压槽时，K0.4；开三条等距槽时，K0.063；开七条槽时，K0.027。,侧向力指向阀芯卡紧方向,侧向力指向阀芯对中方向,滑阀的结构设计,滑阀的结构设计,1、为防止流量饱和，W67 xvmax; 2、 xvmax约为0.10.5; 3、保持凸肩为锐边，间隙为0.3微米。,滑阀的结构设计,2.7 喷嘴-挡板阀分析,喷嘴-挡板阀阀有单喷嘴-挡板阀和双喷嘴-挡板阀两种。,单喷嘴-挡板阀相当于带1个 固定节流孔的正开口三通阀,双喷嘴-挡板阀相当于带2个 固定节流孔的正开口四通阀,2.7 喷嘴-挡板阀分析,二、双喷嘴挡板阀的静态特性,双喷嘴-挡板阀,一、双喷嘴-挡板阀的压力-流量特性,Q1,Q2,Q3,Q4,二、双喷嘴-挡板阀的压力特性,三、双喷嘴-挡板阀零位的阀系数,双喷嘴-挡板阀的液流力,双喷嘴-挡板阀的设计,1、为防止流量饱和， x0=dn /16; 2、 x0约为0.1, d00.5。,2.8 射流管式液压放大元件,射流管阀一般用先导级 作为压力放大器用 阀系数由实验确定,1、射流管阀只有一个喷 孔堵塞后“事故归零”； 2、射流管喷孔较大。,2.9 放大元件的效率,2.9 放大元件的效率,2.9 放大元件的效率,2.9 放大元件的效率,2.9 放大元件的效率,
