自動控制技術(shù)-液壓控制系統(tǒng)-2課件

第二章液壓放大元件液壓放大元件也稱液壓放大器，是一種以機(jī)械運動去控制流體動力的元件。在液壓系統(tǒng)中，它把輸入的機(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，因此也是一種功率放大器。液壓放大元件可以是液壓控制閥或伺服變量泵。本章只討論伺服閥，包括滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥?！?-1滑閥靜態(tài)特性的一般分析

滑閥的靜態(tài)特性，即其壓力-流量特性，是指穩(wěn)態(tài)下，閥的負(fù)載流量qL、負(fù)載壓將pL和滑閥位移xv三者之間的關(guān)系，即qL=f（pL，xv）。一、滑閥壓力-流量方程的一般形式四邊滑閥及其等效的液壓橋路見圖2-4?；y的靜態(tài)特性，即其壓力-流量特性，是指穩(wěn)態(tài)下，閥的負(fù)載流量qL

、負(fù)載壓將pL和滑閥位移xv三者之間的關(guān)系，即qL

=f（pL，xv）。幾點假設(shè)：液壓能源是理想的，pS

=常數(shù)或qS=常數(shù)，p0

=0。忽略管道和閥腔內(nèi)的壓力損失。假設(shè)液體是不可壓縮的。各節(jié)流口的流量系數(shù)相等，即Cd1=Cd2=Cd3=Cd4=Cd。圖2-4根據(jù)橋路的流量平衡，有各橋臂的流量方程為gi稱為節(jié)流口的液導(dǎo)。在Cd和ρ一定時，它隨Ai變化，既是xv的函數(shù)。根據(jù)橋路的壓力平衡，有圖2-4在推導(dǎo)壓力-流量方程時，根據(jù)實際情況，假設(shè)四個節(jié)流口是匹配、對稱的。所謂匹配是指：A1(xv)

=A3(xv)

（2-12）A2(xv)

=A4(xv)

（2-13）所謂對稱是指：A1(xv)

=A2(-xv)

（2-14）A3(xv)

=A4(-xv)

（2-15）在匹配、對稱的條件下可得（可以用反證法證明）：q1=q3

（2-16）q2=q4

（2-17）根據(jù)流量公式（2-10）以及（2-16）和（2-17）可得p1=p3，

p2=p4。在根據(jù)（2-2）可得pS=p1+p2

（2-18）將上式與式（2-3）聯(lián)立解，可得p1=(ps+pL)/2

（2-19）p2=(ps-pL)/2

（2-20）在恒壓源的情況下，可求得負(fù)載流量為：供油流量為：滑閥的靜態(tài)特性曲線用式qL=f(xv,pL)的曲線表示。通常由實驗求得，對某些

理想滑閥也可由解析法求得。流量特性曲線：是指pL為常數(shù)時，qL與xv的關(guān)系，即qL=f(xv)│pL=常數(shù)。其圖形表示即為流量特性曲線，見圖2-5。pL=0時的流量特性曲線稱為空載流量特性，相應(yīng)的曲線稱為空載流量特性曲線。二、滑閥的靜態(tài)特性曲線圖2-5壓力特性曲線：是指qL為常數(shù)時，pL與xv的關(guān)系，即pL=f(xv)│qL=常數(shù)。其圖形表示即為壓力特性曲線，見圖2-6。一般，所感興趣的是qL=0（即關(guān)閉閥控制口）時的壓力特性。壓力-流量特性曲線：是指xv一定時，qL與pL的關(guān)系，即qL=f(pL)│xv=常數(shù)，見圖2-7。閥在最大開度下的壓力-流量特性曲線，可以表示閥的工作能力和規(guī)格。當(dāng)負(fù)載所需的壓力和流量能夠被閥在最大開度下的壓力-流量特性曲線所包圍時，閥就能夠滿足負(fù)載的要求。圖2-6、2-7三、閥的線形化分析和閥的系數(shù)閥的壓力-流量特性是非線性的。在采用線性化理論對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析時，必須把這個方程線性化。將qL=f(xv,pL)在某一特定工作點qLA=f(xvA,pLA)附近展成泰勒級數(shù)：忽略高階無窮小量，可得上式即為壓力-流量方程以增量形式表示的線性表達(dá)式。（1）流量增益：定義為

它是流量曲線在某一點切線的斜率，表示pL一定值時閥單位輸入位移所引起的負(fù)載流量的大小，Kq越大，閥對流量的控制就越靈敏。閥系數(shù)定義以下定義閥的三個系數(shù)：

（2）流量-壓力系數(shù)：定義為它是壓力-流量曲線的切線斜率冠以負(fù)號。對任何結(jié)構(gòu)形式的均為負(fù)值，所以Kc總為正值。Kc表示閥開度一定時，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化大小。Kc小，閥抵抗負(fù)載變化的能力大，即閥的剛性大。從動態(tài)的觀點看，Kc是系統(tǒng)的一種阻尼，因為在系統(tǒng)振動加劇時，負(fù)載壓力的增大使閥輸給系統(tǒng)的流量（能量）減小，這有助于系統(tǒng)振動的衰減。（3）壓力增益（壓力靈敏度）：定義為 它是壓力特性曲線的切線斜率。通常，壓力增益是指qL

=0時，閥單位輸入位移所引起的負(fù)載壓力變化的大小。Kp大，閥對抗負(fù)載壓力控制靈敏度就高。壓力-流量特性的線性化方程可寫為：注意以下幾點閥的三個系數(shù)Kq、Kc和Kp是表征閥靜態(tài)特性的三個性能參數(shù)，這些系數(shù)在確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性時是非常重要的。Kq直接影響系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，因而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響；Kc直接影響閥-液壓缸（或馬達(dá)）組合的阻尼系數(shù)和速度剛性；Kp標(biāo)志著閥-液壓缸（或馬達(dá)）組合起動大慣量或大摩擦負(fù)載的能力，Kp可達(dá)到很大值，這正是伺服系統(tǒng)所期望的特性。

Kq、Kc和Kp和隨工作點的不同而變化。最重要的工作點是壓力-流量特性曲線的原點（即在qL=PL=xv=0處），因為系統(tǒng)（位置控制系統(tǒng)）經(jīng)常在此原點附近工作，而此處閥（矩形窗口）的Kq最大，因而系統(tǒng)的增益最高；但Kc在此處最小，所以系統(tǒng)阻尼最小。因此，從穩(wěn)定性的觀點來看，這一點是最關(guān)鍵的。如果系統(tǒng)在這一點是穩(wěn)定的，則在其它點也是穩(wěn)定的。在原點附近的閥系數(shù)稱為零位系數(shù)，分別以Kq0、Kc0和Kp0表示。此外，若工作點為原點，則增量和變量相等，在壓力-流量特性的線性化方程中可以去掉增量符號“△”。線性化方程的精度和適用范圍與變量的變化范圍和閥特性的線性有關(guān)。線性度高，變量的變化范圍小，線性化的精度就越高；線性度高，所允許的變量的變化范圍就大?！?-2零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)特性理想滑閥是指徑向間隙為零、工作邊銳利的滑閥。1、理想零開口四邊滑閥的壓力-流量方程理想零開口四邊滑閥當(dāng)閥芯離開中間位置時，只有兩個節(jié)流口節(jié)流，其余兩個節(jié)流口完全關(guān)閉。見圖2-8，對理想的零開口四邊滑閥有：當(dāng)xv＞0時，A1=A3=0，即q1=q3=0，由式（2-21）可得當(dāng)xv＜0時，A2=A4=0，即q2=q4=0，由式（2-21）可得上式中負(fù)號表示負(fù)載流量方向與假設(shè)方向相反。假設(shè)閥是匹配、對稱的，則A2(xv)

=A1(

-xv)

，以上兩式合并可得上式即為具有匹配和對稱節(jié)流口的理想零開口四邊滑閥的壓力-流量特性方程。若節(jié)流口為矩形，其面積梯度為w，則A2=wxv，從而為了使方程具有通用性，把上式化為無因次形式。將qL、pL、xv均響應(yīng)的參考量，參考量對不同閥而不同，可依據(jù)具體情況選擇。上式的無因次形式為式中，具有匹配和對稱節(jié)流口的理想零開口四邊滑閥的無量綱壓力-流量曲線如圖2-9所示。由圖可以看出：匹配且對稱的理想零開口四邊滑閥的無量綱壓力-流量曲線對稱于原點；Ⅰ、Ⅲ象限為馬達(dá)工況區(qū)；Ⅱ、Ⅳ象限為泵工況區(qū)，只有只有瞬態(tài)過程才可能出現(xiàn)。2、理想零開口四邊滑閥的閥系數(shù)理想零開口四邊滑閥的零位在qL=PL=xv=0處的零位工作點的閥系數(shù)為：實驗結(jié)果表明：理想零開口四邊滑閥的Kq0的理論值與實驗值是相符的，但Kc0和Kp0與實驗值有較大大差異，因此需要尋求合適的計算公式。二、實際零開口四邊滑閥的零區(qū)特性實際與理想零開口四邊滑閥之間的差別在于零位泄漏特性。對于理想閥有KC0=0，Kp0=∞。實際閥具有徑向間隙，往往還有小于0.025mm的正的或負(fù)的微小重疊量，故這種閥在零位存在泄漏量。這種泄漏特性決定了閥在零區(qū)（如｜xv｜

＜0.025mm）的壓力-流量特性。在零區(qū)以外，由于徑向間隙等影響可以忽略，實際閥的特性與理想閥的特性是一致的。實際閥的零區(qū)特性可以通過試驗來確定，結(jié)果如圖2-10、圖2-11和圖2-12所示。閥在零位時，通過徑向間隙所形成的銳邊節(jié)流口的泄漏流動如果是層流流動（對新閥就是如此），則零位泄漏流量可以按下式計算（每個節(jié)流口的壓降和流量分別為ps/2和qs/2）上式中，

rc-閥的徑向間隙；

w-閥的面積梯度；μ-液體的動力黏度；ps–供油壓力。實際零開口四邊滑閥的KC0和Kp0的計算方法由上式可求得實際閥的零區(qū)流量-壓力系數(shù)為上式說明，實際閥的Kc0

值與閥的w

和rc有關(guān)，且隨w

和rc

的增大而增大，通?？蓃c=0.005作為徑向間隙的典型值來估算Kc0的值。實際閥的零區(qū)壓力增益可根據(jù)下式來計算§2-3正開口四邊滑閥的靜態(tài)特性1、正開口四邊滑閥的壓力-流量方程設(shè)正開口四邊滑閥在幾何零位（即中間位置）時，四個節(jié)流口有相等的正開口量U，并規(guī)定閥是在正開口范圍內(nèi)工作的，即|xv|≤U。此外，閥是匹配且對稱的，則有圖2-13為正開口四邊滑閥的無因次壓力-流量特性曲線。由圖可以看出：這些曲線的線性度比零開口閥的要好得多，在|pL|≤0.6的負(fù)載范圍內(nèi)，曲線qL=f（pL）近乎于直線，切斷負(fù)載時的壓力特性為它具有飽和型非線性特征；在|pL|=0.3～0.5的負(fù)載范圍內(nèi)，qL=f（pL）近似于線性。正開口閥是比較理想的線性元件，這種線性特性是四個橋臂高度對稱的結(jié)果。正開口四邊滑閥的零位系數(shù)為2、正開口四邊滑閥的閥系數(shù)此泄漏流量是比較大的，所以不適合于大功率控制的場合。此外，Kq0和Kc0也可以表示為：這種閥的零位泄漏流量為§2-4雙邊滑閥的靜態(tài)特性一、零開口雙邊滑閥的靜態(tài)特性1、零開口雙邊滑閥的壓力-流量方程在圖2-14中，令U=0，即得零開口雙邊滑閥。當(dāng)閥芯離開中間位置時，只有一個節(jié)流口通流，另一個節(jié)流口關(guān)閉。零開口雙邊滑閥的壓力-流量方程為：零開口雙邊滑閥的無因次壓力-流量方程為：零開口雙邊滑閥的無因次壓力-流量曲線與零開口四邊滑閥一樣，只是把坐標(biāo)軸加以改變，將pL/ps=-1改為pL/ps=0，而pL/ps=1改為pc/ps=1。雙邊滑閥零位工作點由qL=0，xv=0，和pc=pc0=

ps/2來確定。壓力-流量曲線對稱于這點，在該點工作時，閥-液壓缸減速能力以及相同的運動速度。為了使閥在這一點工作，必須使組合在兩個方向的控制性能一樣，可以得到相同的加速和缸的兩腔有效面積滿足：pc0=

ps/2。在沒有外力作用時，只要使Ah=2Ar

，就可使pc0=

ps/2得到滿足。通常都是用這個準(zhǔn)則來確定活塞的尺寸。如果活塞受有單向恒值負(fù)載力，則活塞面積就應(yīng)當(dāng)設(shè)計成滿足式pc0

=

ps/2。從而有式中，F(xiàn)L為單向恒值外負(fù)載，F(xiàn)L的方向與psAr方向相同時取負(fù)號，反之取正號。2、零開口雙邊滑閥的閥系數(shù)零開口雙邊滑閥在零位工作點（qL

=0，xv=0，和pc=ps/2）的閥系數(shù)為由零位閥系數(shù)可以看出：Kq與零開口四邊滑閥是一樣的；Kp則為零開口四邊滑閥的一半。因此，對雙邊滑閥來說，恒值負(fù)載力和摩擦負(fù)載力在系統(tǒng)中引起的誤差也是四邊滑閥的兩倍左右。雙邊閥控液壓缸的液壓固有頻率低、響應(yīng)慢，這些缺點在很大程度上抵消了其制造簡單的優(yōu)點，因此雙邊滑閥一般只適用于機(jī)液伺服系統(tǒng)。因為這種系統(tǒng)只有很小的負(fù)載或根本沒有負(fù)載，或者能夠允許很大的偏差。二、正開口雙邊滑閥的靜態(tài)特性1、正開口雙邊滑閥的壓力-流量方程設(shè)正開口量為U，則正開口雙邊滑閥的壓力-流量方程為：正開口雙邊滑閥的無因次壓力-流量方程為：正開口雙邊滑閥的無因次壓力-流量曲線與正開口四邊滑閥一樣，只是把坐標(biāo)軸加以改變，將pL/ps=-1改為pc/ps=0

，pL/ps=0改為pc/ps=1/2

，而pL/ps=1改為pc/ps=1。2、正開口雙邊滑閥的閥系數(shù)正開口雙邊滑閥在零位工作點（qL

=0，xv=0，和pc=ps/2）的閥系數(shù)為由零位閥系數(shù)可以看出：雙邊正開口閥與四邊正開口閥的Kq0是一樣的；雙邊正開口閥的Kp0為四邊正開口閥的一半。零位泄漏為：關(guān)于滑閥的靜態(tài)特性應(yīng)注意以下幾點影響閥靜態(tài)特性的因素有閥的結(jié)構(gòu)形式、制造精度和使用條件。雙邊和四邊滑閥由于結(jié)構(gòu)對稱其壓力-流量曲線對稱于零位工作點,即閥兩個方向上的控制性能相同,這也是伺服系統(tǒng)所期望的。就流量特性、壓力特性和等開度下的壓力-流量特性曲線的線性度而言,正開口閥最好,這是四個節(jié)流口高度對稱的結(jié)果；零開口閥的線性度差,其本質(zhì)上是非線性的。就流量特性而言,零開口閥和正開口閥都是線性的；而具有部分正開口和負(fù)開口的閥都是非線性的,負(fù)開口閥具有死區(qū),在高性能伺服系統(tǒng)中是不能使用的?；y的流量增益隨窗口面積梯度和供油壓力增大而增大,這對所有的滑閥都是如此。正開口閥的Kq0是零開口閥的兩倍,

Kq特別是Kq0是閥最重要的性能參數(shù),因而Kq0線性度也是最重要的。零開口閥的零位壓力增益要比正開口閥高；四邊滑閥的壓力增益為雙邊滑閥的兩倍,因而零開口四邊滑閥的壓力增益最高。正開口閥零位泄漏流量大，因而功率損失大。§2-5噴嘴擋板閥噴嘴擋板閥的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，公差要求比較寬，故制造容易，價格低；壓力-流量特性曲線的線性度比較好，特性容易預(yù)測，對油液污染不太敏感，工作可靠；運動部分（擋板）的慣性小，位移量小，故動態(tài)響應(yīng)速度高，靈敏度高。噴嘴擋板閥的缺點：存在泄漏損失，流量增益小。一、單噴嘴擋板閥的靜態(tài)特性1.單噴嘴擋板閥的工作原理由固定節(jié)流孔、噴嘴和擋板組成；噴嘴與擋板間的環(huán)形面積構(gòu)成了可變節(jié)流口，用來控制固定節(jié)流孔和可變節(jié)流口之間的壓力，該壓力與負(fù)載相連。單噴嘴擋板閥是三通閥，只能用來控制差動液壓缸。工作原理：當(dāng)擋板與噴嘴端面間的間隙xf減小時,可變液阻↑→流量q2↓→ps-pc↓→pc↑→推動負(fù)載運動。（1）負(fù)載流量方程式中，Cd0——固定節(jié)流孔的流量系數(shù)；

A0——固定節(jié)流孔的通流面積，A0=πD02/4；

Cdf——可變節(jié)流口的流量系數(shù)；

Af——可變節(jié)流口的通流面積，Af=πDN(xf0-xf)，其中xf0是擋板在零位時的間隙，xf是擋板偏離零位的位移。2.單噴嘴擋板閥的靜態(tài)特性(2)壓力特性壓力特性是切斷負(fù)載（活塞固定不動，qL=0）時，控制壓力pc隨xf負(fù)載的變化特性。令qL=0，由式（2-56）可得在pc=ps/2處，不但壓力靈敏度高，而且控制壓力能充分地調(diào)節(jié)，在|xfm|≤xf0時，0.2ps≤pc≤ps，因此，通常取pc=ps/2作為零位的平衡壓力。（3）壓力-流量特性在零位（xf=qL=

0，pc=ps/2）時的三個閥系數(shù)為閥在零位時的泄漏流量為由以上閥系數(shù)的公式可以看出：DN↑→Kq0↑，qc↑；Xf↓→Kp0↑，qc↓，但對油液污染敏感，易產(chǎn)生堵塞。單噴嘴擋板閥的壓力-流量特性曲線如圖2-24所示。圖2-24單噴嘴擋板閥的壓力-流量曲線二、雙噴嘴擋板閥的靜態(tài)特性1、雙噴嘴擋板閥的工作原理雙噴嘴擋板閥是由兩個結(jié)構(gòu)相同的單噴嘴擋板閥組合起來按壓力差動原理工作的，如圖2-25所示。雙噴嘴擋板閥是四通閥，因此可以用來控制雙作用液壓缸。2、雙噴嘴擋板閥的壓力-流量特性3、雙噴嘴擋板閥的閥系數(shù)雙噴嘴擋板閥在零位工作點(xf=

qL

=

pL=

0和p1=p2=ps/2)的的閥系數(shù)可通過下面方法求的根據(jù)式（2-62），得雙噴嘴擋板閥在零位工作點（xf=

qL

=

pL=

0和p1=p2=ps/2）的閥系數(shù)為零位泄漏為：與單噴嘴擋板閥相比，兩者的Kq0相同；而Kp0增加了一倍，qc增加了一倍。此外，與單噴嘴擋板閥相比，雙噴嘴擋板閥由于結(jié)構(gòu)對稱還具有以下優(yōu)點：因溫度和供油壓力變化而產(chǎn)生的零漂小，即零位工作點的變化??；擋板所受的液動力小，而在零位時擋板所受的液動力是平衡的；壓力-流量曲線的對稱性和線性度好?！?-6射流管閥一、作用原理基本組成：射流管閥由射流管1和接受器2組成，射流管1由樞軸3支承，并且可以繞樞軸擺動。壓力油通過樞軸引入射流管，從噴嘴射出的射流沖到接受器2的兩個接受孔上，這兩個接受孔分別與液壓缸的兩腔相連。作用原理：液壓能通過射流管的噴嘴轉(zhuǎn)化為液流的動能，液流被接受孔接受后，又將其轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。?dāng)噴嘴處于兩接受孔中間位置（即零位）時，兩接受孔接受的射流動能相同，因而恢復(fù)壓力也相同，此時活塞不動。當(dāng)射流管偏離中間位置時，兩接受孔接受的射流動能不再相等，因而恢復(fù)壓力也不等，由此產(chǎn)生的壓差將推動液壓缸的活塞運動，其運動速度與噴嘴偏離中間位置的位移成正比。射流管閥有干式和濕式兩種。濕式射流管閥性能較好，應(yīng)用較多；干式射流管閥不如濕式好，因而應(yīng)用較少。用理論分析射流管閥的特性還不夠成熟，所以普遍采用實驗法研制。二、靜態(tài)特性1、壓力特性切斷負(fù)載時，接受孔的恢復(fù)壓力與射流管位移之間關(guān)系的實驗曲線如圖2-33所示。負(fù)載壓差與射流管位移的關(guān)系曲線如圖2-34所示，該曲線的切線斜率即為壓力增益Kp

：圖2-33、2-342、流量特性接受孔的恢復(fù)流量即負(fù)載流量，空載時的實驗流量特性曲線如圖2-35所示。該曲線的切線斜率即為流量增益Kq

：3、壓力-流量特性實驗的壓力-流量特性曲線如圖2-36所示。該曲線的切線斜率即為流量-壓力系數(shù)Kc

：圖2-36圖2-35壓力-流量方程的線性化表示為：△qL=Kqxj-KcpL三、射流管閥的特點1、優(yōu)點(1)抗污染能力強(qiáng)，對油液潔凈度要求不高，從而提高了系統(tǒng)的工作可靠性；(2)所需的操縱力小；(3)它的單級功率可比噴嘴擋板閥做得高，壓力效率和流量效率也高于噴嘴擋板閥。2、缺點(1)其特性不容易預(yù)測，主要靠實驗確定；(