液壓伺服系統(tǒng)第7章電液伺服閥

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電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號的不同，電液伺服閥可分為電液流量控制伺服閥和電液壓力控制伺服閥兩大類。電液伺服閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。7.1電液伺服閥組成與分類一、電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由力矩馬達(或力馬達)、液壓放大器、反饋機構(gòu)(或平衡機構(gòu))三部分組成。二、電液伺服閥的分類按液壓放大級數(shù)分為：單級伺服閥此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但由于力矩馬達或力馬達輸出力矩或力小、定位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決于負載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負載動態(tài)變化不大的場合。兩級伺服閥此類閥克服了單級伺服閥缺點，是最常用的型式。三級伺服閥此類閥通常是由一個兩級伺服閥作前置級控制第三級功率滑閥．功率級滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位。三級伺服閥通常只用在大流量的場合。按第一級閥的結(jié)構(gòu)形式分類：可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。按反饋形式分類：可分為滑閥位置反嫂、負載流量反饋和負載壓力反饋三種。按力矩馬達是否浸泡在油中分類：濕式的可使力矩馬達受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達持性變壞，干式的則可使力矩馬達不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。雙噴嘴擋板力反饋電液伺服閥1—閥體2—固定節(jié)流孔3—第二級滑閥閥芯4—閥套5—噴嘴與擋板6—永磁體7—銜鐵8—電磁線圈9—力矩馬達外殼10—彈簧管11—反饋彈簧12—固定節(jié)流孔13—濾清器Rexroth7.2力矩馬達7.2力矩馬達在電液伺服閥中力矩馬達的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為機械運動，因而是一個電氣—機械轉(zhuǎn)換器。電氣—機械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的。它由永久磁鐵或激磁線圈產(chǎn)生極化磁場。電氣控制信號通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場之間相互作用產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力或力矩，從而使其運動部分產(chǎn)直線位移或角位移的機械運動。一、力矩馬達的分類及要求1、力矩馬達的分類

1)根據(jù)可動件的運動形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達，后者稱力矩馬達。

2)按可動件結(jié)構(gòu)形式可分為：動鐵式和動圈式兩種。前者可動件是銜鐵，后者可動件是控制線圈。3)按極化磁場產(chǎn)生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三種。

2、對力矩馬達的要求

作為閥的驅(qū)動裝置，對它提出以下要求；

1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，問時體積小、重量輕。

2)動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。

3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。

4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。

二、永磁力矩馬達

1、力矩馬達的工作原理

圖2所示為一種常用的永磁動鐵式力矩馬達工作原理圖，它由永久磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體(磁極)形成四個工作氣隙①、②、⑤、①。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為永久磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。永磁動鐵式力矩馬達的工作原理

力矩馬達磁路原理圖

三、

永磁動圈式力馬達圖示為永磁動式力馬達的結(jié)構(gòu)原理。力馬達的可動線圈懸置于作氣隙中，永久磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運動。四、動鐵式力矩馬達與動圈式力矩馬達的比較1)動鐵式力矩馬達因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動圈式力馬達大。2)動圈式力馬達的線性范圍比動鐵式力矩馬達寬。因此．動圈式力馬達的工作行程大，而動鐵式力矩馬達的工作行程小。3)在同樣的慣性下，動鐵式力矩馬達的輸出力矩大，而動圈式力馬達的輸出力小。動鐵式力矩馬達因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達的彈簧剛度小，動圈組件的固有頻率低。4)減小工作氣隙的長度可提高動圈式力馬達和動鐵式力矩馬達的靈敏度。但動圈式力馬達受動圈尺寸的限制，而動鐵式力矩馬達受靜不穩(wěn)定的限制。5)在相同功率情況下，動圈式力馬達比動鐵式力矩馬達體積大，但動圈式力馬達的造價低。7.3力反饋兩級伺服閥一、工作原理無控制電流時，銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個噴嘴的中間位置，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當(dāng)有差動控制電流輸入時．在銜鐵上產(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動中心逆時針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。這時，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動滑閥閥芯左移。同時帶動反饋桿端部小球左移，使反饋桿進一步變形。當(dāng)反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵擋板組件便處于一個平衡位旨。在反饋桿端部左移進一步變形時，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閻的液動力相平衡時，閥芯停止運動，其位移與控制電流成比例。在負載壓差—定時，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。1―噴嘴2―噴嘴3―固定節(jié)流孔4―固定節(jié)流孔5―第二級滑閥閥芯6―永磁體7―銜鐵8―電磁線圈9―彈簧管10―反饋彈簧二、基本方程與方框圖力矩馬達的運動方程包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組件的運動方程，擋板位移于轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)，以及作用在擋板上的壓力反饋方程，根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。伺服閥系統(tǒng)方塊圖三、力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)給出的傳遞函數(shù)是一個慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點介紹近似的傳遞函數(shù)：在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動態(tài)響應(yīng)往往高于動力元件的動態(tài)響應(yīng)。為了簡化系統(tǒng)的動態(tài)持性分析與設(shè)計，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠大于動力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。數(shù)學(xué)模型若伺服閥相位滯后-90o頻率高于液壓控制系統(tǒng)動態(tài)特性頻率3倍至5倍

若伺服閥相位滯后-90o頻率與液壓控制系統(tǒng)動態(tài)特性頻率接近

若伺服閥相位滯后-90o頻率高于液壓控制系統(tǒng)動態(tài)特性頻率5倍以上，可以忽略電液伺服閥動態(tài)特性，即7.4直接反饋兩級滑閥式伺服閥1―閥體2―固定節(jié)流孔3―第二級滑閥閥芯4―固定節(jié)流孔5―第一級滑閥閥芯

6，7―定位彈簧7.5其它型式伺服閥一、射流管力反饋流量電液伺服閥1—供油管2—永磁體3—銜鐵

4—射流管5—電磁線圈6—彈簧管7—接收器8—反饋彈簧9—滑閥射流管力反饋電液伺服閥是一種高抗工作液污染，安全性好，低壓性能優(yōu)良的電液伺服閥。二、射流管式兩級電液伺服閥

照圖說明射流管式伺服閥的原理。射流管由力矩馬達帶動偏轉(zhuǎn)。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈簧片支承。液壓油通過柔性的供壓管進入射流管．從射流管噴射出的液壓油進入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個接收孔中，推動閥芯移動。射流管的側(cè)面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲．共末端插入閥從中的小槽內(nèi)，閥芯移動推動反饋彈簧絲．構(gòu)成對力矩馬達的力反饋。力矩馬達借助于薄壁彈簧片實現(xiàn)對液壓部分的密封隔離。二、三級流量電液伺服閥三級電液流量伺服閥是為了滿足大功率和特大功率負載驅(qū)動與控制需要。采用二級電液流量伺服閥作為前置級控制元件，控制大功率圓柱滑閥（大直徑閥芯滑閥）閥芯位移。從而能夠控制大流量（如500-1000L/min），甚至控制特大流量。1—位移傳感器2—控制電路板3—電纜4—二級電液伺服閥5—第三級滑閥閥體線性力馬達位移傳感器內(nèi)嵌控制電路板三、直驅(qū)閥直驅(qū)閥（directdrivevalve,DDV）也稱直驅(qū)伺服―比例伺服閥(directdriveservo-proportionalvalve)，它是一類新型的控制閥，主要用于建構(gòu)電液反饋控制系統(tǒng)。性能明顯優(yōu)于比例電磁換向閥（既明顯優(yōu)于內(nèi)部無反饋比例電磁換向閥，也明顯優(yōu)于內(nèi)部有反饋的比例電磁換向閥）。7.6特性及主要性能指標(biāo)一、靜態(tài)特性電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測試所得到負載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評定。包括1、負載流量特性2、壓力特性3、內(nèi)泄漏特性4、負載流量特性伺服閥的規(guī)格也可由額定流量、額定電流、額定壓力來確定。額定流量（ratedflow）：額定電流和額定壓力下，伺服閥流量輸出。額定電流（ratedcurrent）：為產(chǎn)生額定流量，對線圈任意極性輸入控制電流，通常指單線圈連接。工作壓力（Operatingpressure）:一般給出最大工作壓力（Maxoperatingpressure）和回油壓力(Returnflowpressure)滯環(huán)（Hysteresis）(%)：為產(chǎn)生額定流量，對線圈任意極性輸入控制電流，通常指單線圈連接。分辨率（Resolution）（Responsesensitivity）零偏（Nullbias）零漂（Nullshift）：供油壓力零漂（Nullshift

withsupplypressure）；回油壓力零漂（Nullshift