開題報告-直動式單級（常規(guī)型6L）比例控制壓力閥的設(shè)計

1、2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱 直動式單級（常規(guī)型6升）比例控制壓力閥 的設(shè)計專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)方向機電一體化班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教研室 機械與自動化工程學(xué)院2007年3月3日直動式單級（常規(guī)型6升）比例控制壓力閥的設(shè)計1課題的意義：隨著社會的發(fā)展,每個國家都越來越重視液壓這個行業(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，閥的研究與開發(fā)已經(jīng)受到各個部門的重視,各個企業(yè) 也爭先也高校合作,開發(fā)新型的閥以適應(yīng)市場的需求。電液比例控制閥是目前市場需 求最大,功能最強的產(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

2、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)，使之與輸入信號成比例 的變化,從而實現(xiàn)對液壓系統(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。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（直動式）和先導(dǎo)控制式（先導(dǎo)式），直動式的控制功率較 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)計的課題就是 直動式單級比例控制壓力閥。2設(shè)計的技術(shù)要求與數(shù)據(jù)：（或論文的主

3、要內(nèi)容）.直動式單級（常規(guī)型）比例控制壓力閥的控制流量和壓力的動靜態(tài)分析.比例控制壓力閥結(jié)構(gòu)設(shè)計.比例電磁鐵、比例控制放大器的設(shè)計或選用.計算機仿真進行驗證注：論文中應(yīng)含方案的分析比較，構(gòu)件的運動和力學(xué)分析3結(jié)構(gòu)與工作原理直動式電液比例壓力閥（溢流閥）可分為不帶電反饋的直動式電液比例壓力閥和位移 電反饋型直動式電液比例壓力閥。（1）不帶電反饋的直動式電液比例壓力閥不帶電反饋的直動式電液比例壓力閥由比例電磁鐵和直動式壓力閥兩部分主成。直 動式壓力閥結(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撞擊

4、。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，銜鐵推桿2輸出的推力通過傳力彈 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，若忽略液動力的影響, 則可認(rèn)為在平衡的條件下，這種直動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。這種直動式壓力閥除 了在小流量場合作為調(diào)壓元件單獨使用外，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

5、變導(dǎo)閥前腔（也就是主閥上腔壓力），實現(xiàn) 對主閥的進口或者出口壓力的控制。圖5-4圖5-4直動式溢流閥的工作原理圖1-阻尼孔2-咻3-同心4-彈簧座5-節(jié)翱6-同蓋7-彈簧（2）位移電反饋型直動式電液比例壓力閥移電反饋型直動式電液比例壓力閥與不帶電反饋的直動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，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，通過傳力彈簧7作用在錐閥芯9上；同時，電感式位移傳感器1檢測電磁鐵銜 鐵推桿的實際位置（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

6、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能有一個與輸入信號 成正比的確定位置，得到一個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)對重復(fù)精度，滯環(huán)等由較高要 求時，可采用這種代電反饋的比例壓力閥。四.主要性能（1）靜態(tài)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由0增加導(dǎo)額定值In,又從額定值減小到0的整個過 程中，被控參數(shù)（壓力p或者q）的變化曲線描述。

7、電液比例閥的理想靜態(tài)特性曲線 應(yīng)為通過坐標(biāo)圓點的一條曲線，以保證被控參數(shù)與輸入信號完全成同一比例。但實 際上，因為閥內(nèi)存在的摩擦，磁滯及機械死區(qū)等因素，故閥的實際靜態(tài)特性曲線是 一條封閉的曲線。此曲線與通過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)進行描述。.非線性度比例閥實際特性曲線上各點與平均斜線間的最大電流偏差Umax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 % o.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

8、輸入壓力或者流量對 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%。.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，但分辨率過小將會使閥工作不穩(wěn)定。.重復(fù)精度 在某一輸出參數(shù)（壓力或者流量）下，從一個方向多次重復(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

9、要說明的是，由于電液比例閥一般不在零位附近工作，而且對它的工作性能要求 也不象電液伺服閥那樣高，因此比例閥的死區(qū)以及由于油溫和進出油口壓力變化引起 的特性零位漂移等，對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)。（2）動態(tài)特性 電液比例閥的動態(tài)特性用頻率響應(yīng)（頻域特性）和瞬態(tài)響應(yīng)（時域 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一3dB （即輸出流量為 基準(zhǔn)頻率時輸出德流量德70. 7%）時德頻率定義為幅頻寬，以相位滯后達到一90度時德頻 率定義位相頻寬。應(yīng)去幅頻寬中較小者作為閥德頻寬值。頻寬是比例閥動態(tài)響應(yīng)速度德 度量，頻寬過低會影響系統(tǒng)德響應(yīng)速度

10、，過高會使高頻傳到負(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)特性也是指通過對閥施加一個典型輸入信號（通常位階躍信 號），閥的輸出流量對階躍輸入電流德跟蹤過程中所表現(xiàn)出德振蕩衰減特性。反映電 液比例閥瞬態(tài)響應(yīng)快速性時的時域性能的主要指標(biāo)有超調(diào)量，峰值時間，響應(yīng)時間和 過渡過程時間。這些指標(biāo)的定義與電液伺服閥相同。五.壓力控制閥的實瞼內(nèi)容（1）溢流閥.穩(wěn)態(tài)壓力一流量特性試驗將被試閥調(diào)定在所需流量和壓力值（包括閥的最高和 最低壓力值）上，然后在每一試驗壓力值上使電流從0增加到最打值，再從最大值減小 到0,測試此過

11、程中被試閥的進口壓力。被試閥的出口壓力可為大氣壓或者某一用戶所需的壓力。.被控部件調(diào)節(jié)“力”試驗（泛指力，力拒，壓力或者輸入電量）將被試閥通過所需的 工作流量，調(diào)節(jié)進口壓力，由最低值增加到最大值，再從最大值減小到0,測定此過程 中為改變進口壓力調(diào)節(jié)控制不見所需的“力”。為避免淤塞而影響測試值，再測試前應(yīng)該將被試閥的控制部件再其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)至少連續(xù)來回操作10次以上。每組數(shù)據(jù)的測試應(yīng)再60s內(nèi)完成。.卸壓、建壓特性試驗a.當(dāng)溢流閥時先導(dǎo)控制形式時，可以用一個卸荷控制閥切換先導(dǎo)級油路，使被試閥卸 荷，逐點測出各流量時被試閥的最低工作壓力。b.卸壓時間和建壓時間試驗將被試閥調(diào)定在所需的實驗流量與實驗壓

12、力之下，迅 速切換控制閥，測試被測閥從所控制的壓力卸到最低壓力值所需的時間和重新建立壓 力所需的時間?？刂崎y的切換時間不得大于被試閥響應(yīng)時間的10%,最大不超過10MS。（1）溢流閥.穩(wěn)態(tài)壓力一流量特性試驗將被試閥調(diào)定在所需流量和壓力值（包括閥的最高和 最低壓力值）上，然后在每一試驗壓力值上使電流從0增加到最打值，再從最大值減小 到0,測試此過程中被試閥的進口壓力。被試閥的出口壓力可為大氣壓或者某一用戶所需的壓力。.被控部件調(diào)節(jié)“力”試驗（泛指力，力拒，壓力或者輸入電量）將被試閥通過所 需的工作流量，調(diào)節(jié)進口壓力，由最低值增加到最大值，再從最大值減小到0,測定此 過程中為改變進口壓力調(diào)節(jié)控制不

13、見所需的“力為避免淤塞而影響測試值，再測試前應(yīng)該將被試閥的控制部件再其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)至少連 續(xù)來回操作10次以上。每組數(shù)據(jù)的測試應(yīng)再60s內(nèi)完成。3.卸壓、建壓特性試驗a.當(dāng)溢流閥時先導(dǎo)控制形式時，可以用一個卸荷控制閥切換先導(dǎo)級油路，使被試閥 卸荷，逐點測出各流量時被試閥的最低工作壓力。b.卸壓時間和建壓時間試驗將被試閥調(diào)定在所需的實驗流量與實驗壓力之下，迅 速切換控制閥，測試被測閥從所控制的壓力卸到最低壓力值所需的時間和重新建立壓 力所需的時間。控制閥的切換時間不得大于被試閥響應(yīng)時間的10%,最大不超過10MS。六.電液比例控制系統(tǒng)的形成和發(fā)展電液比例控制技術(shù)從形成至今，大致上可劃分為四個階段：

14、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壓力和 流量兩項比例閥專利，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時期。此間，比例技術(shù)開始在液壓控制 領(lǐng)域中作為獨立的分支，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)計方法幾乎沒有變化，閥內(nèi)不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在 l-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)展進入第二階段。這是比例技術(shù)發(fā)展最快的時 期。此間，采用各種內(nèi)部反饋原理的比例元件相繼問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放 大器在技術(shù)上已

15、經(jīng)成熟。比例元件的工作頻寬已達5-15Hz,滯環(huán)減少到3%左右，其應(yīng) 用領(lǐng)域不斷擴大。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)展進入第三階段。這一階段，比例元件的設(shè)計 原理進一步完善，采用了壓力、流量、位移反饋和動壓反饋及電校正等手段，使閥的 穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進一步的提高。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)和動態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥相當(dāng)。這一階段的另一項 重大進展是比例技術(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

16、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)進一步完善的階段。這一階段有兩項重要的新產(chǎn)品問世。 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-機械轉(zhuǎn)換器采用比例電磁鐵，功率級閥芯采用伺服閥的 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)小的問題。它的性能與價格介于伺服閥與普通比例方向閥之間，但它 對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。其二是計算機 技術(shù)與比例元件相結(jié)合，開發(fā)出了數(shù)字式比例

17、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，其輸入信號按載頻原理工作， 控制信號的頻寬較模擬器件低。數(shù)字式電液控制器件的電-機械轉(zhuǎn)換器主要是步進電動 機和按脈寬調(diào)制方式工作的動鐵或動圈式力馬達。數(shù)字閥的額定流量很小，只能用于 小流量控制的場合，如作為電液控制閥的先導(dǎo)控制級。隨著微電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，先是在比例放大 器中采用數(shù)字芯片，部分信號的處理、調(diào)整和運算采用編程手段實現(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)由芯片級發(fā) 展到了系統(tǒng)級，即指令、比較、反饋、PID調(diào)節(jié)均由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。數(shù)字式電液系統(tǒng) 實際上是電液數(shù)-模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這項技術(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)計和舊設(shè)備改造中正成為用 戶的重要選擇方案，對提高企業(yè)的技術(shù)裝備水平和設(shè)備的自動化程度，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)出強大的