Chapter 9 液壓控制閥課件

Chapter9．

HydraulicControlValves液壓控制閥§9.0Introduction引言§9.1TypesandStructureSpecialtiesofControlValves控制閥的類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)§9.2Steady-StateAnalysisofSpoolValves滑閥穩(wěn)態(tài)分析§9.3PowerandEfficiencyAnalysisofSpoolValve滑閥的功率和效率分析§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥§9.5TheFlowForceonValve作用在閥上的液流力§9.0Introduction引言自然界中，力和運(yùn)動是物體的基本屬性對力和運(yùn)動的控制是人類駕馭被控對象的關(guān)鍵液壓系統(tǒng)中通過控制流體的壓力實(shí)現(xiàn)對力的控制通過控制流量有效控制執(zhí)行器的速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制流量控制引起的速度誤差使運(yùn)動控制較為復(fù)雜流量控制的兩種方式：泵控和閥控改變液壓泵排量的調(diào)速（容積調(diào)速）—泵控改變閥口流量的調(diào)速（節(jié)流調(diào)速）—閥控泵控的實(shí)質(zhì)是閥控，控制閥是關(guān)鍵1.Types類型1）SpoolValves滑閥構(gòu)造圓柱體閥芯有環(huán)槽圓柱孔閥套有沉割槽閥體孔口與閥套槽一一對應(yīng)閥芯與閥套之間依靠配合間隙密封原理：閥芯相對閥體滑移改變通流面積，改變流阻，改變閥流量特點(diǎn)：流量與通流面積成比例，通流面積與閥芯位移成比例壓力增益大，流量大，性能易預(yù)測和控制，抗污染力強(qiáng)制造精度高，工藝難度大，閥芯受力復(fù)雜，運(yùn)動件質(zhì)量大多用于功率放大級§9.1TypesandStructurespecialtiesofControlValves控制閥的類型及構(gòu)造2）NozzleFlapperValve噴嘴擋板閥構(gòu)造噴嘴，擋板，阻尼孔原理擋板相對噴嘴移動，改變液阻，改變流量特點(diǎn)流量與通流面積成比例，通流面積與擋板位移成比例簡單，無嚴(yán)格的配合公差要求，無死區(qū)，摩擦小特性預(yù)測性好，運(yùn)動件（擋板）慣量小，驅(qū)動力小，響應(yīng)速度快易堵塞，零位泄漏大、功耗大多用于前置放大級§9.1TypesandStructurespecialtiesofControlValves控制閥的類型及構(gòu)造3）JetPipevalve射流噴管閥構(gòu)造射流噴管受流器（接收器）原理噴管相對受流器偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)流量控制特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，流量大，不易堵塞，無死區(qū)，可靠性高噴管運(yùn)動慣量大，響應(yīng)速度低，零位功耗大用于可靠性高、精度低的系統(tǒng)§9.1TypesandStructurespecialtiesofControlValves控制閥的類型及構(gòu)造1）按滑閥節(jié)流工作邊數(shù)分單邊，雙邊和四邊（One-Way,Two-wayandFour-Way）單邊：僅一條節(jié)流控制邊無軸向配合公差，僅徑向配合公差，工藝性好必須有一固定阻尼孔僅適用于單桿液壓缸靈敏度差2.StructureandFeaturesofSpoolValve滑閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)雙邊：有兩條節(jié)流控制邊有一個(gè)軸向配合公差，工藝性較差，靈敏度較高僅適用于單桿液壓缸四邊：有四條節(jié)流控制邊有三個(gè)軸向配合公差，工藝性差，靈敏度高適用各種液壓缸和液壓馬達(dá)2.StructureandFeaturesofSpoolValve滑閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.StructureandFeaturesofSpoolValve滑閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)零開口：h=t，線性度好，但是工藝性差正開口：h＞t，流量增益大、能耗大，性能預(yù)測性好負(fù)開口：h<t，零位附近存在非線性死區(qū)。主要用于軋鋼下壓控制：與零開口閥并聯(lián)，通常僅零開口閥工作，出現(xiàn)大誤差信號時(shí)，負(fù)開口閥參與，增大壓下速度速度控制中可在小輸入信號下使執(zhí)行器停止運(yùn)動2）按閥芯凸臺與閥套沉割槽之間的關(guān)系分零開口，正開口和負(fù)開口(ZeroLapped,UnderLappedandOverLapped)

2.StructureandFeaturesofSpoolValve滑閥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)三種閥口負(fù)載流量特性零開口(ZeroLapped)1:線性度好正開口(UnderLapped)2:零位附近靈敏度高負(fù)開口(OverLapped)3:零位附近有死區(qū)§9.2Steady-StateAnalysisofSpoolValves滑閥靜態(tài)分析1.GeneralAnalysisof4-WaySpoolValve四邊滑閥的一般性分析2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析AnalysisofIdealZero-Lapped4-WayValve理想零開口四邊閥分析AnalysisofActual4-WayZero-LappedSpoolValve實(shí)際零開口四邊滑閥分析3.AnalysisofUnder-Lapped4-WayValves正開口四邊閥分析xv1.GeneralAnalysisofFour-WaySpoolValve四邊滑閥的一般性分析假定ps=C,p0=0且不計(jì)泄漏和體積彈性模量影響1)ContinuityEquation連續(xù)性方程：右邊：左邊：2)OrificeFlowEquation閥口流量方程3)ValveOrificeArea閥口通流面積1.GeneralAnalysisofFour-WaySpoolValve四邊滑閥的一般性分析4）LoadPressure負(fù)載壓力定義為負(fù)載壓力,因閥是對稱，配做的

對稱（Symmetric）：配做（Matching）：

于是就有：

所以：

又因?yàn)椋?/p>

于是就得到：

5）LoadFlow負(fù)載流量xv—供給流量—負(fù)載流量1.GeneralAnalysisofFour-WaySpoolValve四邊滑閥的一般性分析上兩式對壓力求偏導(dǎo)（閥在零位時(shí)）：—零位泄漏系數(shù)—負(fù)的零位壓力流量系數(shù)壓力流量系數(shù)反映負(fù)載壓力變化對負(fù)載流量的影響程度零位泄漏系數(shù)反映控制閥的密封性能控制閥零位壓力流量系數(shù)與零位泄漏系數(shù)數(shù)值相同，符號相反QLQLpL1234P0PsXvd1）IdealZero-Lapped4-WayValve理想零開口四邊閥2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析理想零開口閥負(fù)載流量方程理想：節(jié)流邊非常鋒利，徑向間隙為零，零位時(shí)無泄漏當(dāng)時(shí)于是：矩形閥口(RectangleOrifice)為閥口面積梯度，所以2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析B.控制閥的最大空載流量

——最大空載流量最大空載流量是閥口開度最大、負(fù)載壓力為零時(shí)閥口通過的流量最大空載流量是控制閥的額定參數(shù)上式整理后得：—無因次負(fù)載流量2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析C.理想零開口閥無因次（Dimensionless）壓力流量特性上式是一個(gè)與參數(shù)量綱無關(guān)而能反映控制閥壓力流量變化規(guī)律的方程——無因次壓力流量特性方程p無因次負(fù)載壓力sLLpp=LLQQQ=0無因次負(fù)載流量vvvxxx=max無因次閥口開度無因次方程可方便地繪制出控制閥的壓力流量特性曲線ⅢⅠⅡⅣ2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析Ⅰ、Ⅲ象限是缸、馬達(dá)工況，Ⅱ、Ⅳ象限是負(fù)載帶動執(zhí)行器運(yùn)動的泵工況理想零開口四邊滑閥的壓力流量特性是非線性的負(fù)載流量QL=f（PL、xv）表示滑閥的工作能力和性能反映閥工作能力和性能的重要指標(biāo)叫閥系數(shù)閥系數(shù)直接影響控制系統(tǒng)動、靜特性控制閥實(shí)際工作在零位附近，零位性能參數(shù)（閥系數(shù)）十分重要2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析D.CoefficientofIdealZero-Lapped4-WaySpoolValve理想零開口四邊閥的閥系數(shù)將非線性方程按泰勒級數(shù)在xv=xv0,pL=pL0展開后去掉高階無窮小項(xiàng)（線性化）得：式中：—FlowGain流量增益—FlowPressureFactor壓力流量系數(shù)—PressureGain壓力增益—線性化負(fù)載流量方程2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析E.理想的零開口閥零位系數(shù)閥處于零位時(shí)液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度容易計(jì)算和控制（流量增益直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，流量增益可計(jì)算、可控制）液壓控制閥的功率放大級多采用零開口四邊滑閥（零位Kp0=∞表明零開口閥具有極強(qiáng)的驅(qū)動力）零位處阻尼比最低，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差，最關(guān)鍵（Kc0=0）低阻尼是液壓控制系統(tǒng)的一大弱點(diǎn)（一般）—零位壓力增益Pressuregain—零位流量增益flowgain—零位壓力流量系數(shù)FlowPressureFactor因此2.AnalysisofZero-Lapped4-WayValves零開口四邊閥分析2）AnalysisofActual4-WayZero-LappedSpoolValve實(shí)際零開口四邊滑閥分析實(shí)際閥有徑向間隙，節(jié)流邊有圓角，在零位附近小范圍(︱xv︱＜0.025mm)有泄漏因此Kc0≠0，Kp0≠∞實(shí)際零開口閥零位壓力增益和壓力流量系數(shù)可通過試驗(yàn)求得Kp0：ps=C，變xv測出pL(xv)曲線零位斜率Kc0：xv=0時(shí)測泄漏量Qc(ps)得零位泄漏系數(shù)供油壓力不變，變xv測得泄漏量QL(xv)2.2Actual4-WayZero-LappedSpoolValveAnalysis實(shí)際零開口四邊滑閥分析——零位泄漏系數(shù)

——負(fù)的零位壓力流量系數(shù)

四邊閥零位壓力流量系數(shù)與泄漏系數(shù)值相同，符號相反求零位泄漏系數(shù)即可得到零位壓力流量系數(shù)閥的壓力流量系數(shù)是負(fù)載流量對負(fù)載壓力偏導(dǎo)的負(fù)值由四邊閥的一般性分析知道:2.2Actual4-WayZero-LappedSpoolValveAnalysis實(shí)際零開口四邊滑閥分析零位泄漏系數(shù)等于泄漏量對供油壓力求導(dǎo)數(shù)，即層流時(shí)，閥的泄漏量（參見梅里特《液壓控制系統(tǒng)》p51式3-41）式中：—閥芯與閥孔間的半徑間隙，mm

—液體的動力粘度系數(shù)，—閥口壓力差，這里為于是，—實(shí)際零開口閥零位壓力流量系數(shù)2.2Actual4-WayZero-LappedSpoolValveAnalysis實(shí)際零開口四邊滑閥分析理想零開口閥零位系數(shù)實(shí)際零開口閥零位系數(shù)液壓控制系統(tǒng)參數(shù)變化大，設(shè)計(jì)難度高（閥系數(shù)隨工作點(diǎn)而變）影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度的關(guān)鍵因素——流量增益可預(yù)測性極強(qiáng)。因此，液壓控制系統(tǒng)的性能是可預(yù)測和可控制的3.AnalysisofUnder-Lapped4-WayValves正開口四邊滑閥分析前提：對稱配做，矩形閥口，正開口量均為U，閥芯位移

于是，當(dāng)時(shí)，就有：壓力流量特性整理后得：3.AnalysisofUnder-Lapped4-WayValves正開口四邊滑閥分析于是：——無因次壓力-流量特性方程式中正開口四邊滑閥壓力流量特性曲線在零位附近線性度很好3.AnalysisofUnder-Lapped4-WayValves正開口四邊滑閥分析正開口零開口線性化處理后得：正開口閥零位的控制靈敏度是零開口閥的兩倍正開口閥三個(gè)系數(shù)都是確定值，性能可預(yù)測性極強(qiáng)正開口閥宜作為控制閥的前置放大級§9.3PowerandEfficiencyAnalysisofSpoolValve滑閥的功率和效率分析1.滑閥的功率特性PowerOutPut輸出功率:∵——矩形口的零開口閥∴于是——滑閥無因次功率輸出特性

—無因次負(fù)載壓力式中：—無因次輸出功率§9.3PowerandEfficiencyAnalysisofSpoolValve滑閥的功率和效率分析MaximumPowerOutPut最大輸出功率由無因次輸出功率特性可知，存在最大輸出功率，求解

得到即時(shí)有最大輸出功率：最大功率對應(yīng)的最大負(fù)載流量

即的負(fù)載流量，時(shí)對應(yīng)§9.3PowerandEfficiencyAnalysisofSpoolValve滑閥的功率和效率分析—最大負(fù)載流量（MaximumLoadFlow）即：——最大空載流量式中表明：閥有足夠的流量增益而不會飽和，有足夠的控制力一般推薦時(shí)最大負(fù)載流量約為最大空載流量的一半當(dāng)時(shí)輸出功率最大當(dāng)§9.3PowerandEfficiencyAnalysisofSpoolValve滑閥的功率和效率分析2.EfficiencyofSpoolValve滑閥的效率滑閥的輸入功率滑閥的輸出功率滑閥的效率采用定量泵時(shí)采用恒壓式變量泵時(shí)——效率低（負(fù)載變化大時(shí)）——恒壓式變量能源可大幅度的提高效率，大功率液壓控制系統(tǒng)盡可能采用變量泵供油xv§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥1.Structures構(gòu)造：噴嘴，擋板，阻尼孔和輸出接口2.數(shù)學(xué)模型的建立1）當(dāng)擋板中位時(shí)∵∴—阻尼孔流量∵∴—噴嘴流量xv§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥式中：分別是阻尼孔和噴嘴的流量系數(shù)阻尼孔的通流面積，噴孔直徑，m

零位時(shí)擋板與噴嘴間的距離，m

2）當(dāng)時(shí)，上升，下降

∵∴為保證閥的可控性、不飽和，節(jié)流面積不大于噴孔面積的1/4即§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥即又∵(——面積梯度)∴整理后得無因次壓力流量特性方程:§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥式中：無因次負(fù)載流量—無因次負(fù)載壓力—無因次閥芯位移壓力流量特性曲線是非線性的，但是在零位附近線性度很好§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥3.閥系數(shù)對負(fù)載流量方程二項(xiàng)式展開（BinomialExpandApproximation）去掉高階項(xiàng)將—雙噴嘴擋板閥線性化流量方程帶入流量方程有§9.4DoubleNozzleFlapperValves雙噴嘴擋板閥正開口滑閥