第二章液压放大元件(2013年)

第二章
本 章 介 绍
液压放大元件
2.1 液压放大元件 2.2 滑阀（零开口四通阀） 2.3 其它几种放大元件
1


力士乐伺服阀
伊顿伺服阀
2


力矩马达
喷嘴挡板阀
四通滑阀
两级伺服阀结构
3


2.1
一定压力的液体流量。

液压放大元件
液压放大元件能将输入位移(机械量)转换并放大为具有 流量与压力的乘积即功率，因此也可以说液压放大元件 所输出的就是具有一定功率的液压信号。

液压放大元件也是控制液体流量的大小及方向的控制 元件，通常称为(液压)阀，如：滑阀、挡板阀等。

机械功率FV 小 液压功率pQ 大
4


液压放大元件 vs 晶体放大电路
小功率控制大功率
油源泵站 电源
机械量
液压放大元件
压力 流量
小电流
晶体放大电路
电压 电流
压力 流量
电压 电流
5


放大控制元件可分为两大类： 截止阀和比例控制阀。

截止阀—— 指这种阀只有两种 工作状态，要么阀口完 全打开，让液流通过阀 口时的阻力尽可能小， 或者阀口完全闭死，液 流完全不能通过阀口。

Q Q
Q=0
6


恒压力油源
比例控制阀 它的输出量比例于输入量。

图 2.1 所 示 液 压 系 统中的滑阀，就是比例 控制的液压放大元件， 输出流量 q 比例于输入 位移量xi。

xi
输入 q
ps
p0
阀芯
q
A 输出 xp 负载
p1
p2
图2.1 液压(比例)伺服系统
比例控制阀这一类型节流元件： 可以控制具有一定功率的流体外，变量泵本身也是可以控制具有一定功 率的流体的。

变量泵的输入量是变量机构的机械位移，输出量是具有一定 压力的流量，所以变量泵本身也可以说是一种液压放大元件，但一般不把 变量泵称作液压放大元件。

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2.2 滑 阀
在液压系统中，滑阀是应用最广的元件之一。

滑阀有两种： 1.使液流改变流向的换向阀，实际上就是液压开关， 每个阀口只有两种工作状态，要么完全打开，要么完全闭 死。

2.按比例控制的液压放大元件，它与换向阀的结构形 状非常相似，但由于工作目的不同，在设计要求上就有 很大差异。

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滑阀的工作原理
回油
压力油
回油
控制力
3 4
负载力
阀芯右移
阀芯零位
阀芯左移
滑阀是借助阀芯与阀套之间的相对运动改变节流孔的面积以达到对液流的控制。

滑阀有两种：一种是改变液流方向的换向阀，另一种是比例控制的液压放大元件。

本门课讲述的是后者。

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阀体（阀套） 沉 割 槽 阀 芯 孔 棱边
阀芯 凸肩
阀芯与阀体
棱边 land
沉割槽 通油槽
图2.2 滑阀典型结构原理图
10


重叠
负重叠
正重叠
12
13
滑阀结构形式
为了分析简便，对滑阀作如下假设［1］。

1.阀是理想的。

即阀是绝对的零开口、阀的几何尺寸绝对正确、对称，它没有任何径向间隙，也没有泄漏。

2.液体是理想的。

液体无粘性、不可压缩。

液体在管道中流动会有压力损失，但这种损失比起节流口处的节流损失要小得多，可忽略；液体的压缩性极小，静态时密度的变化很小，也可忽略。

3.液压能源是理想的。

即油源压力恒定不变。

39
3
2
1
T
pS
Xv
A
pS Q1 2 p2 QL 3 4 1 p1
3
2
1
4 T
Q3
p2 A QL
p1 B QL
(a)结构原理图
(b)液压桥
xv——阀芯位移，对零开口阀来说，xv=阀口的开口量。

A——阀口的节流面积 A = πd v χ v = Wχ v
dv xv
41
πd v = W


节流口1、3处的流量
pS Q1 2 p2 Q3 T 3 QL 4 1 p1
Q1 = CdWχ v
Q3 = CdWxv
2
ρ
2
( ps − p1 )
( p2 − p0 )
(2-2) (2-3)
ρ
F = ( p1 − p2 ) Ap = pL Ap
pL一负载压力
p L = p1 − p2
(2-4)
由三条假设知，在理想状态下，流过节流口1及3的流量 必然相等。

取QL为流入及流出负载的负载流量，则 QL=Q1= Q3。

由式(2-2)及(2-3)可见 ps − p1 = p2 − p0 = p2 ps = p1 + p2 (2-5)
42


由式(2-4)及(2-5)可得 p1 = 1 ( ps + p L ) 2 p2 = 1 ( p s − p L ) 2
QL = CdWxv
1
ρ
( ps − p L )
(2-6)
这就是零开口四通滑阀的流量特性。

也是综合特性方 程，它表示了 QL = f ( xv ;
pS Q1 2 p2 Q3 T 3 QL 4
43
p L ) 的函数关系。

1 p1


为讨论及对比方便，将此式变换成无量纲方程。

设xv 达到最大值xvmax、pL =0时的流量为最大空载流量QLmax，即
QL max = CdWxv
式（2-9）除以式（2-8），得
1
ρ
ps
(2-7)
QL x p = v 1− L QL max xv max ps
(2-8)
44


QL = QL max xv xv max pL 1− ps
QL/QLmax 1.2 1.0=xv/xvmax 0.8 0.8 0.6 0.4 0.4 0.2
PL 负载压力 QL 负载流量 F
0
Ⅱ 0Ⅰ Ⅲ Ⅳ
-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
-0.4
4 1
p1
-0.8
QL
ps
Qs
PL = p1 − p2 1.2
2 3
p2 QL
-0.8 图2.5
-0.4
0
0.4
0.8 pL/ps
45
p0
Qs
d
xv
零开口四通滑阀压力-流量曲线


将流量方程(2-8)式在某一工作点(QL1、xv1、pL1)附近全 微分，可得在此工作点处的流量方程:
ΔQ L = ∂Q ∂QL Δx v + L Δp L ∂xv ∂p L
ΔQ = K q Δxv − K c ΔpL
(2-9)
Kq——流量增益，或流量放大系数，表示负载压力pL不变时， 当阀芯位移xv，有微小增量时所引起的流量增量； Kc——压力流量系数，表示阀芯位移不变时负载压力增量与 负载流量增量之间的关系，反映了阀刚度。

46


流量增益
Kq =
∂QL 1 = Cd W ( ps − p L ) ∂xv ρ
(2-10)
压力增益
∂p L 2( ps − p L ) K q = Kp = = ∂xv xv Kc
(2-11)
∂QL = 压力流量系数 K c = − ∂p L
CdWxv
1
ρ
( ps − pL )
2( p s − p L )
(2-12)
47


以下为零位阀系数:
流量增益
K q 0 = Cd W
1
ρ
ps
(2-13)
压力增益
K p0 = ∞
(2-14)
压力流量系数
Kc0 = 0
(2-15)
48


滑阀的三个阀系数以及其静特性曲线都可用实验法测得。

测Kq0
T pS
Xv
3
2 QL
p2 A
1 4 p1 B
将图中四通滑阀的两个控制口直接连通而不接执行元件 (或者接负载可以略去的空载液压缸)，也就是说这时的 p1=p2，即pL=0。

再在回油口处测流量并记录下流量QL与xv间 的相互关系，并得到QL=f(xv)曲线。

此曲线在xv=0处的斜率即 零位流量增益Kq0。

实测的Kq0与理论推导的(2-13)式非常吻合。

49


测Kp0
T pS
Xv
3
2 QL
p2 A
1 4 p1 B
将两个控制口堵死并各接一压力表，可分别测出压力p1及 p2。

由于控制口堵死，理论上的QL应当为零。

然后再实测出xv 与p1、p2的值，确定其相互关系，由此即可得到pL=f(xv)曲线。

在曲线原点求曲线斜率，即零位压力增益Kp0。

实测的Kp0与由 (2-14)式推算所得的值有很大差异。

50

。