比例阀选择 (含注释)

阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
出口节流阀芯
AB PT
AB
TPT 28S
出口节流阀芯只在A口至T口和B口至T口的流 道上具有节流作用，而在P口至A口和P口至B 口的流道上无节流作用（就像在普通换向阀中 一样）。 出口节流阀芯可用于液压缸和液压马达，常用 于控制拉力负载。
通过使用功率放大器上的斜坡发生器来改变输出电流的变化速度，可以实 现执行元件的加速度和减速度控制。
3) 对于开环系统，为了控制执行元件位置，可使用感测开关，以断开至功 率放大器的输入信号电压（因而将执行元件速度选择为零）。
不过，执行元件的定位精度将取决于许多因素（如负载惯性、比例阀响应 快速性和执行元件运动速度等），任何超调都将被校正。
阀芯中位机能
AB
AB
AB
PT
PT
PT
2C
33C
对于大多数比例方向阀而言，也可以使用不同的中位机能。 中位机能的正确选择主要取决于负载特性和系统中其它控制 阀，例如，若比例阀用于防止执行元件运动，则中位机能应 选择为O型（ 2C ），但若使用电磁阀或先导式单向阀，则选 用Y型（ 33C ）中位机能更合适。
截止频率
线性度
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
线性度
QMAX
输出流量
在开环控制系统中，阀输入信号与
E
输出流量之间具有的线性关系是很
重要的，阀的线性度定量说明了这
种关系。
线性度 (%) = E x 100 QMAX
输入信号
重复性
8 bar
2:1
A B 2:1 SPOOL
P = 8 bar
PT
非对称阀芯
不过，若2:1 的阀芯控制2:1 的液压缸，则A口至T口的压 降也为8 bar。
2:1
8 bar
A B 2:1 SPOOL
P = 8 bar
PT
非对称阀芯
无杆腔的背压力为8 bar ，有 杆腔的压力为16 bar， P口的 最小压力为24 bar 。
进口节流阀芯
AB PT
AB
TPT 22A
进口节流阀芯仅在KDG4V 3S 型比例阀上使 用，其在P口至A口和P口至B口的流道上具有 节流作用。
非对称阀芯
AB PT
AB
TPT 20N10
为了最优控制非对称液压执行元件，大多数比 例方向阀都采用非对称阀芯结构，在这种情况 下，P口至A口或P口至B口流道上的节流作用 比P口至B口或B口至T口的要小，例如， 若2:1 的阀芯用于2:1的液压缸，则进口节流控制和出 口节流控制的作用就相同。
允许比例阀可以通过 较大的流量。
功率容量，比例阀，带反馈
P Q
不过，液动力最终会变得 很大，以克服电磁力，然 后，阀芯向关闭阀口方向 移动。
功率容量，比例阀，带反馈
P Q
因此，对于带反馈的比例 阀，其功率容量曲线要比 同种规格的无反馈的比例 阀大，即带反馈的比例阀 可控流量范围更大。
开环和闭环控制
3) 然而，随着液体流过 比例阀，液动力也作用
在阀芯上，以抵消电磁 力。
P Q
2) 在最大开度处，阀口流量 将与阀口压降的平方根成正 比。
功率容量，比例阀，无反馈
1) 液动力的影响将部分 关闭阀口...
P Q
2) ... 这会导致实测曲线 与理论曲线不一致，且
限制了比例阀的最大通 流能力。
功率容量，比例阀，无反馈
功率容量，比例阀，无反馈
2) 对于无反馈的比例阀，当 比例电磁铁通电时，就会产 生电磁力，其将压缩弹簧推 动阀芯。
P
Q
1) 当选择比例阀的最佳流量 时，也应考虑其功率容量，即 为了防止液动力将阀口关闭， 比例阀应具有将阀芯保持在期 望位置的能力。
功率容量，比例阀，无反馈
1) 然后，阀口开启，直至电 磁力与弹簧力相平衡。
频率响应
1) 在不同频率下测量出幅值比和相角，绘 制出对数坐标图，即伯德图。
幅值比 (dB) 相角 (º)
-3
带宽
1 10
100
频率 (Hz)
135 90 45
1 10
100
频率 (Hz)
2) 输出下降-3 dB （50%）的频率称之为带宽，截止频 率是相角为90º的频率， 带宽或截止频率常用来定义阀 响应。
压力计算
A1
A2
P1
Q. A2
Q
A1
P Q2
PS
F
P2
P1.A1 = P2.A2 + F
PT
P2 PS
– –
PT P1
=
A2 2 A1
... 和阀口流量与压降之间的关系来完 成。
比例阀大小选择软件
不过，最方便的办法就 是使用计算机软件来完 成计算过程。
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
开环控制
斜坡 电流
压力
力变化速度 力
电压
采用比例溢流阀或比例减压阀可以实现压力的开环控制，在这种情况下， 输入至功率放大器的电压可对比例阀产生相应的输出电流，因此可无级调 节执行元件压力。
使用功率放大器上的斜坡发生器可以控制压力上升或下降的速度。
闭环控制 – 速度
斜坡
PI D 电流
流量
加速度 速度
在执行元件从一个位置运动到另一个位置期间，也可以使用功率放大器上的斜坡发生器来控制执 行元件速度。
闭环控制 – 力
斜坡
PID 电流
压力
输出力变化速度 输出力
+_
电压
输出力 电压
电压
闭环力控制系统可以使用压力或力传感器，以提供反馈信号。如果采用比例方向阀来 实现闭环力控制，那么，功率放大器将产生一个包含比例和积分项的输出。
+_
电压
电压 速度
电压
闭环速度控制系统需要一个传感器，以给出与执行元件速度成比例的反馈信号。当 误差信号为零（反馈信号等于输入信号）时，为了产生输出电流（和执行元件流量 ），功率放大器应为积分形式。闭环系统的速度控制精度（负载变化等）比开环系 统要高许多。
与开环控制一样，使用功率放大器上的斜坡发生器可以实现加速度和减速度控制。
QR 3 l/min
3) 目前，比例阀的额定流量范围为3 ~ 550 l/min。
550 l/min
流量计算
A1
Q1 QR = ?
V1
正确确定比例阀大小是非常重要的， 若比例阀太小，则将不能保证执行元 件的运动速度，若比例阀太大，则需 要产生很小的阀口开度，这样就很难 控制。
压力计算
A1
P1
PS
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
开环控制
斜坡
1) 在开环控制系统中，输入至功率放大器的电压可对比例阀产生 相应的输出电流，从而调节流入或流出液压执行元件的流量，即 控制液压执行元件的速度。
电流
流量
位置 加速度 速度
电压
2) 然而，执行元件负载或系统压力的变化可引起执行元件速度变化。
闭环控制 – 位置
斜坡
1)闭环位置控制系统需要一个传感器，以给出与执行元件位 置成比例的反馈信号。
PID 电流
流量
速度 位置
+_
电压
电压
电压 位置
2) 在大多数应用场合，功率放大器都将简单产生与位 置误差（输入信号与反馈信号之差）成比例的输出电 流，因此，闭环系统的定位精度比开环系统高许多。
3) 然而，在有些情况下，也可以使用功率放大器的积分和微分功能，以提高系统的控制性能。不 过，这时需要较高水平的专业技术。
5C
额定流量
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
额定流量
QR l / min
2) 通过改变阀芯节流槽的大小、形状或数量，可获得 不同的额定流量。
5 bar P
AB PT
1) 额定流量可以定义为阀口压降为5 bar（最大开口度）时，比例 阀所通过的流量。
比例阀选择
Steve Skinner, Eaton Hydraulics, Havant, UK
Copyright Eaton Hydraulics 2000
比例阀选择
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
进口节流和出口节流（对称）阀芯
时间
阶跃响应
100% 90%
流量
输入
输出
源自文库
在另一些情况下，输出也许有振荡， 即很难确定输出与输入相等的点，为 避免这种不确定性，响应时间通常定 义为输出达到稳态值的90% 所需要的 时间。
时间 T
流量（P口至B口） 流量（P口至A口）
频率响应
100% 75% 50% 25%
输入
输出
时间
有时，采用正弦波作为输入信号来考核比例阀响应性能。在约阀口最 大开度的一半处，让阀芯作振荡运动，振幅为其阀口最大开度的 ±25%。在低频段，比例阀输出将能精确地跟随输入信号。
A2
F
P2 然而，因比例阀可以控制进
入和流出液压执行元件的流 量，所以，正确选择比例阀 大小并不像选择普通换向阀 那样简单。
PT
压力计算
A1
A2
P1.A1
P2.A2
F
P1
P2
P1.A1 = P2.A2 + F
PS
PT
为了确定比例阀的阀口压降，有必要
估算压力P1和P2，这可以通过液压缸 活塞的力平衡方程 ...
对称阀芯
在图示简单举例中，可说明对 称阀芯的优点。在该图示中， 空载液压缸由比例阀和压力调 节器来控制。
8 bar
2:1
AB PT
对称阀芯
当液压缸活塞杆回缩时，压力调 节器将使比例阀P口至B口之间 的流道压降保持为8 bar 。
2:1
8 bar
AB PT
P = 8 bar
对称阀芯
因A口至T口的流量为P口至B 口流量的两倍（对于2:1 的液 压缸），所以A口至T口之间 的压降将是P口至B口压降的 4倍（如为32 bar ）。
如前述，也可以使用功率放大器上的斜坡发生器来控制执行元件输出力的变化速度。
阀响应
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
阶跃响应
流量
输入
输出
在高性能系统中，比例阀响应时间 是很重要的因素，其可通过比例阀 跟踪阶跃信号的响应来确定（在有 些情况下，如图所示），即确定输 出与输入相等所需的时间。
AB PT
AB
T PT 20N
这是最常见的比例阀阀芯，这里，在给定开度 情况下，所有阀口的过流面积都是相等的。对 于对称液压执行元件（如液压马达），这种阀 同时可实现进口节流和出口节流控制，对于非 对称液压执行元件（如液压缸），根据运动方 向，进口节流或出口节流控制中的一个将占主 导地位。
阀芯结构
功率容量，比例阀，带反馈
带反馈的比例阀也有功率 容量限制，但其通常比同 种规格的无反馈比例阀的 功率容量要高许多。
P
Q
功率容量，比例阀，带反馈
1) 若液动力试图将阀口关 闭，则反馈传感器的信号 将指示阀芯要偏离期望位 置，这样比例电磁铁电流 就会自动增大。
P
Q
2) 这使得阀芯将克服 较大的液动力，从而
使用非对称阀芯将会使P口最小 压降从72 bar 降至为24 bar。
8 bar
2:1
16 bar
8 bar
24 bar
A B 2:1 SPOOL
P = 8 bar
PT
阀芯选择
AB
AB
TPT
TPT
20N
因此，选择阀芯节流特性是 由执行元件类型和负载性质 所决定的。
28S
AB
AB
TPT 22A
TPT 20N10
频率响应
流量（P口至B口） 流量（P口至A口）
100% 75% 50% 25%
输入
输出
A2 A1
360º
L
时间 1) 但是，当输入信号频率增加时，输出信号的幅值将降低，且输出信号也
将滞后输入信号。
( ) 幅值比 (dB) = 20 log A2 A1
相角 (º) = L
2) 幅值比和相角可以定量说明上述两个影响。
阀芯结构 额定流量 功率容量 开环 / 闭环 阀响应 线性度 重复性 再现性 滞环 压力增益 遮盖形式
重复性
QMAX
E
信号
输出流量
重复性 (%) = E x 100 QMAX
P Q
一旦达到了流量饱和，则 曲线或者变为垂直，或者 变为向后弯曲，这表明增 加压降将会减小阀口流量 大小。
不过，垂直曲线表明阀口 压降变化不会产生流量变 化，即压力补偿影响。
功率容量，比例阀，无反馈
P Q
因此，功率容量曲线决定 了比例阀在最大输入信号 下的工作范围，即比例阀 不可能工作在阴影处。
8 bar
2:1
AB PT
P = 32 bar
对称阀芯
1) 无杆腔背压为32 bar ，有 杆腔的压力就应为64 bar 。
32 bar
2) 因此，为使空载液压缸 移动， P口最小压力应为 72 bar 。
8 bar
72 bar
2:1
AB PT
64 bar P = 32 bar
非对称阀芯
若将比例阀阀芯变为非对称 式（比例为2:1 ），P口至B 口的压降则为8 bar，其由压 力调节器设定 。