汽車液壓控制系統(tǒng) 課件 第二章 液壓控制閥

液壓控制閥是液壓伺服系統(tǒng)中的一種主要控制元件。在節(jié)流式伺服系統(tǒng)中,它直接控制執(zhí)行元件動(dòng)作,在容積式伺服系統(tǒng)中,它直接控制泵的變量機(jī)構(gòu),改變泵的輸出流量,間接對(duì)執(zhí)行元件的動(dòng)作進(jìn)行控制。液壓控制閥的作用是利用液流的節(jié)流原理,用輸入位移(或轉(zhuǎn)角)信號(hào)對(duì)通往執(zhí)行元件的液體流量或壓力進(jìn)行控制。它是一個(gè)機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)換裝置,如圖2-1所示。液壓控制閥的輸出功率大,而輸入功率很小,故液壓控制閥也是一種功率放大裝置。在電液伺服系統(tǒng)中這個(gè)放大系數(shù)十分大,用單級(jí)閥很難實(shí)現(xiàn),故此時(shí)常將閥做成兩級(jí),甚至三級(jí)。某兩級(jí)閥的工作原理圖如圖2-2所示。典型的控制閥是圓柱滑閥(圖2-3)、噴嘴擋板閥(圖2-4)和射流管閥(圖2-5)。有時(shí)還采用它們的組合,如最常見的噴嘴擋板閥和圓柱滑閥組成的兩級(jí)閥(圖2-6)。一、圓柱滑閥隨著使用場(chǎng)合的不同,工程上應(yīng)用的圓柱滑閥具有以下各種結(jié)構(gòu)形式:(1)按進(jìn)出閥的通道數(shù),圓柱滑閥分為二通閥、三通閥和四通閥等。常用的是四通閥,而二通閥和三通閥只有一個(gè)負(fù)載通道,故只能控制差動(dòng)液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng),如圖2-3e)、d)所示。(2)根據(jù)工作節(jié)流棱邊數(shù)目,圓柱滑閥分為單邊、雙邊和四邊滑閥,如圖2-3e)、d)、c)所示。(3)根據(jù)閥芯臺(tái)肩與閥套槽寬的不同組合,滑閥可以分為正開口(負(fù)重疊)閥,零開口(零重疊)閥和負(fù)開口(正重疊)閥,如圖2-7所示它們具有不同的流量增益特性,如圖2-8所示。一、按進(jìn)、出閥的通道數(shù)分類按進(jìn)、出閥的通道數(shù)分為四通閥(圖2-9a、b、c、d)、三通閥(圖2-9e)和二通閥(圖2-9f)。二、按滑閥的工作邊數(shù)分類按滑閥的工作邊數(shù)分為四邊滑閥(圖2-9a、b、c)、雙邊滑閥(圖2-9d、e)和單邊滑閥(圖2-9f)。三、按滑閥的預(yù)開口形式分類按滑閥的預(yù)開口形式分為正開口(負(fù)重疊)、零開口(零重疊)和負(fù)開口(正重疊)。四、按閥套窗口的形狀分類按閥套窗口的形狀分為矩形、圓形、三角形等多種。五、按閥芯的凸肩數(shù)目分類按閥芯的凸肩數(shù)目分為二凸肩、三凸肩和四凸肩滑閥,如圖2-9所示。一、滑閥壓力-流量方程的一般表達(dá)式四邊滑閥及其等效的液壓橋路如圖2-10所示在推導(dǎo)壓力-流量方程時(shí),作以下假設(shè):(1)液壓能源是理想的恒壓源,供油壓力ps

為常數(shù)。另外,假設(shè)回油壓力p0為零,如果不為零,可把ps

看成是供油壓力與回油壓力之差。(2)忽略管路和閥腔內(nèi)的壓力損失。因?yàn)楣苈泛烷y腔內(nèi)的壓力損失與閥口處的節(jié)流損失相比很小,所以可以忽略不計(jì)。(3)假定液體是不可壓縮的。因?yàn)榭紤]的是穩(wěn)態(tài)情況,液體密度變化量很小,可以忽略不計(jì)。(4)假定閥各節(jié)流口流量系數(shù)相等,即

稱為節(jié)流口的液導(dǎo)。在流量系數(shù)Cd

和液體密度ρ

一定時(shí),它隨節(jié)流口開口面積Ai

變化,即是閥芯位移的函數(shù),其變化規(guī)律取決于節(jié)流口的幾何形狀。對(duì)于一個(gè)具體的四邊滑閥和已確定的使用條件,參數(shù)gi

和ps(或qs)是已知的。對(duì)恒壓源的情況下推導(dǎo)壓力-流量方程時(shí),可略去式(2-5)和式(2-6),消去中間變量pi

和qi,可得負(fù)載流量qL、負(fù)載壓力pL

和閥芯位移

之間的關(guān)系,即由于各橋臂的流量方程是非線性的,在大多數(shù)情況下,閥的節(jié)流口都是匹配和對(duì)稱的,即式(2-15)和式(2-16)表示閥是匹配的,式(2-17)和式(2-18)表示閥是對(duì)稱的。對(duì)于匹配且對(duì)稱的閥,通過橋路斜對(duì)角線上的兩個(gè)橋臂的流量是相等的,即這個(gè)結(jié)論可證明如下:如果q4≠q3,假設(shè)q4>q2,則q3<q1,由式(2-15)、式(2-16)、式(2-9)~式(2-12)和式(2-3)、式(2-4)可得p4>p2及p4<p2,顯然這兩個(gè)結(jié)論是矛盾的,所以q4不能大于q2。同樣q4

也不能小于q2,只能是q4=q2,同理可以證明q1=q3將式(2-9)和式(2-11)代入式(2-19),考慮到式(2-15)的關(guān)系,可得p1=p3。同樣p2=p4。因此匹配且對(duì)稱的閥,通過橋路斜對(duì)角線上的兩個(gè)橋臂的壓降也是相等的,將p1=p3

代入式(2-2)得將上式與式(2-3)聯(lián)立解得在恒壓源的情況下,由式(2-7)、式(2-20)、式(2-9)、式(2-10)、式(2-22)、式(2-23)可得負(fù)載流量為或或?qū)κ?2-5)或式(2-6)作類似的處理,可得供油流量為二、滑閥的靜態(tài)特性曲線1.流量特性曲線閥的流量特性是指負(fù)載壓降等于常數(shù)時(shí),負(fù)載流量與閥芯位移之間的關(guān)系,即qLp,其圖形即為流量特性曲線。負(fù)載壓降pL=0時(shí)的流量特性稱為空載流量特性,相應(yīng)的曲線為空載流量特性曲線,如圖2-11所示。2.壓力特性曲線閥的壓力特性是指負(fù)載流量等于常數(shù)時(shí),負(fù)載壓降與閥芯位移之間的關(guān)系,即pLqL=常。其圖形即為壓力特性曲線。通常所指的壓力特性是指負(fù)載流量qL=0時(shí)的壓力特性,其曲線如圖2-12所示。3.壓力-流量特性曲線閥的壓力-流量特性曲線是指閥芯位移

一定時(shí),負(fù)載流量qL

與負(fù)載壓降pL

之間關(guān)系的圖形描述。壓力-流量特性曲線族(圖2-14和圖2-18)則全面描述了閥的穩(wěn)態(tài)特性。三、閥的線性化分析和閥的系數(shù)閥的壓力-流量特性曲線是非線性的。利用線性化理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí),必須將方程線性化。式(2-14)是負(fù)載流量的一般表達(dá)式,可以把它在某一特定工作點(diǎn)

附近展成臺(tái)勞級(jí)數(shù),即如果把工作范圍限制在工作點(diǎn)A附近,則高階無窮小可以忽略,上式可寫成式(2-28)為壓力-流量方程以增量形式表示的線性化表達(dá)式。下面定義閥的三個(gè)系數(shù):(1)流量增益定義為(2)流量-壓力系數(shù)定義為(3)壓力增益(壓力靈敏度)定義為定義了閥的系數(shù)以后,壓力-流量特性方程的線性化表達(dá)式可寫為一、理想零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性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及其等效的液壓橋路如圖2-13所示。圖2-13中的液壓橋路與圖2-10中的液壓橋路是一樣的,假設(shè)理想零開口四邊滑閥是匹配且對(duì)稱的,因此可以直接利用第二節(jié)的分析結(jié)果得出理想零開口四邊滑閥的壓力-流量方程。由于是理想零開口閥,所以當(dāng)閥芯處于閥套的中間位置時(shí),四個(gè)控制節(jié)流口全部關(guān)閉。當(dāng)閥芯左移

時(shí),此時(shí)A1=A3=0,g1=g3=0,由式(2-24)和式(2-25)得式中負(fù)號(hào)表示負(fù)載流量反向。因?yàn)殚y是匹配對(duì)稱的,則A2()=A1(-),可將式(2-34)和式(2-35)合并為若節(jié)流口為矩形,其面積梯度為W,則代入式(2-36)得為了使方程具有通用性,將它化成無因次形式,即無因次壓力-流量曲線如圖2-14所示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閥系數(shù)可由式(2-38)求得流量增益為壓力增益為理想零開口四邊滑閥的零位閥系數(shù)為二、實(shí)際零開口四邊滑閥的靜態(tài)特性1.壓力特性曲線在供油壓力ps

一定時(shí),改變閥的位移

,測(cè)出相應(yīng)的負(fù)載壓力pL,根據(jù)測(cè)得的結(jié)果可作出壓力特性曲線,如圖2-15所示2.泄漏流量曲線在供油壓力ps

一定時(shí),改變閥芯位移,測(cè)出泄漏流量q1,可得泄漏流量曲線,如圖2-16所示3.中位泄漏流量曲線如果使閥芯處于閥套的中間位置不動(dòng),改變供油壓力ps,測(cè)量出相應(yīng)的泄漏流量qc,可得中位泄漏流量曲線,如圖2-17所示中位泄漏流量曲線除可用來判斷閥的加工配合質(zhì)量外,還可用來確定閥的零位流量-壓力系數(shù)。由式(2-25)和式(2-27)可得利用式(2-46)關(guān)系給出實(shí)際零開口四邊滑閥Kc0和Kp0的近似計(jì)算公式由圖2-17看出,新閥的中位(零位)泄漏流量小,且流動(dòng)為層流型的,已磨損的舊閥(閥口節(jié)流邊被液流沖蝕)的中位泄漏流量增大,且流動(dòng)為紊流型的層流狀態(tài)下液體通銳邊小縫隙的流量公式為閥的零位泄漏流量為兩個(gè)節(jié)流口(圖2-13中的3、4兩個(gè)節(jié)流口)泄漏流量之和在層流狀態(tài)下,零位泄漏流量為由式(2-46)和式(2-47)可求得實(shí)際零開口四邊滑閥的零位流量-壓力系數(shù)為實(shí)際零開口四邊滑閥的零位壓力增益可由式(2-43)和(2-48)求得,即式(2-49)表明,實(shí)際零開口閥的零位壓力增益主要取決于閥的徑向間隙值,而與閥的面積梯度無關(guān)。為了對(duì)零位壓力增益有一個(gè)數(shù)量概念,下面作一個(gè)典型計(jì)算,取μ=1.4×10-2Pa·s,ρ=870kg/m3,Cd=0.62,rc=5×10-6m,由式(2-49)可得參看圖2-10,當(dāng)閥芯在閥套的中間位置時(shí),四個(gè)節(jié)流口有相同的正開口

,并規(guī)定閥是在正開口的范圍內(nèi)工作,即

。假設(shè)閥是匹配和對(duì)稱的,當(dāng)閥芯按圖示方向位移

時(shí),則有將上兩式代入式(2-25),可得正開口四邊滑閥的壓力-流量特性方程,即無因次壓力-流量方程為無因次壓力-流量特性曲線如圖2-18所示正開口四邊滑閥的零位系數(shù)可通過對(duì)式(2-50)微分,并在qL=pL==0處導(dǎo)數(shù)值得到,即正開口四邊滑閥的零位(中位)泄漏流量應(yīng)是節(jié)流口3、4(圖2-10)泄漏流量之和,即正開口四邊滑閥的Kq0和Kc0也可以用零位泄漏流量來表示,即一、零開口雙邊滑閥的靜態(tài)特性在圖2-19中,令U=0,即得零開口雙邊滑閥,當(dāng)閥芯離開中間位置時(shí),只有一個(gè)節(jié)流口通流,另一個(gè)節(jié)流口關(guān)閉,則壓力-流量方程可直接寫出:為了使閥在這一點(diǎn)工作,必須使液壓缸兩腔活塞有效面積滿足下式:在沒有外負(fù)載力作用時(shí),只要使活塞頭一側(cè)的面積Ah等于有活塞桿一側(cè)的面積Ar

的2倍,即如果有單向恒定外負(fù)載力時(shí),則活塞面積就應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成滿足式(2-63),即式中:FL—單向恒定外負(fù)載力,FL

的方向與psAr

方向相同時(shí)取負(fù)號(hào),反之取正號(hào)在零位工作點(diǎn)(=qL=0和pc0=

)對(duì)式(2-59)或式(2-60)求偏導(dǎo)數(shù)值,可得零開口雙邊滑閥的零位系數(shù)為二、正開口雙邊滑閥的靜態(tài)特性參看圖2-19,流過節(jié)流口分別為壓力-流量方程為寫成無因次形式為零位泄漏流量為一、單噴嘴擋板閥的靜態(tài)特性1.壓力特性根據(jù)液流的連續(xù)性方程可得負(fù)載流量為將固定節(jié)流孔、各可變節(jié)流口的流量方程代入上式,得式中:Cd0———固定節(jié)流孔流量系A(chǔ)0———固定節(jié)流孔的通流面積Cdf———可變節(jié)流口的流量系數(shù)Af———可變節(jié)流口的通流面積二、雙噴嘴擋板閥的靜態(tài)特性1.壓力-流量特性雙噴嘴擋板閥是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單噴嘴擋板閥組合在一起按差動(dòng)原理工作的,如圖2-23所示根據(jù)流量連續(xù)性有利用式(2-82),以上方程可簡(jiǎn)化為用下述方法作出壓力-流量曲線,選定一個(gè),給出一系列qL

值,然后利用式(2-91)和式(2-92)分別求出對(duì)應(yīng)的p1

和p2

的值,再利用式(2-93)的關(guān)系,就可以畫出壓力-流量曲線,如圖2-24所示。與圖2-22所示的單噴嘴擋板閥的壓力-流量曲線相比,其壓力-流量曲線的線性度好,線性范圍較大,特性曲線對(duì)稱性好。2.壓力特性雙噴嘴擋板閥在擋板偏離零位時(shí),一個(gè)噴嘴腔的壓力升高,另一個(gè)噴嘴腔的壓力降低。在切斷負(fù)載(qL=0)時(shí),每個(gè)噴嘴腔的控制壓力p1

或p2

可由式(2-81)求得。當(dāng)滿足式(2-82)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí),可求得p1

和p2分別為將兩式相減,可得壓力特性方程為這就是雙噴嘴擋