机械液压型调速器

c.当飞摆转速下降时，折算 离心力小于弹簧力向内收缩， 下支持块向下处于较低位置；
可见稳态时，下支持块的 上下位置就反映了转速的高低。
（4）离心摆特性
1. 运动方程——由二阶简化为比例方程
2 d d T12 2 T2 f x dt dt
f x
2. 离心摆的不均衡度 —— 表征离心摆的测速范围
a．第一级液压放大（引导阀→辅助接力器）
引导阀结构
引导阀由三层结构组成，外层为引导阀固 定套，里层为引导阀针塞，中间层为引导阀转 动套。
转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆 一同旋转； 引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈 杠杆相连； 固定套与阀体相连，阀体上接通三个油管 路。
辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。
f
[k (
dA 2 ) 0 0 ]zmax n nmin dz max 2 E0 nr
3. 离心摆的放大系数 K ：转速偏差1%时,下支持 块的位移偏差。
zmax K f 100
放大系数 K 的倒数称为单位不均衡度δu
4. 静特性 直线性：实践表明菱形钢带式离心摆 的静特性在一定范围内线性度很好。
配压阀向上位移S12
则在S11到S12之间移动时，主接力器保持不动。
称为配压阀死区
2.2.4放大元件动态特性
一旦配压阀偏离了工作中间位置，设在此基础上主配压阀 偏离一个量△S，接力器就开始运动。接力器活塞的运动方程为
式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器 活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂 和导叶等）；D为液体阻尼系数；Y为接力器位移量。 当调节系统波动较小时，△S亦较小，接力器移动速度较 慢，运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多， 运动方程可近似认为 或 与静止式相同，但内涵不同
可见，工作中间位置与阻力R大小成正比，由于水力阻力 的大小和方向随导叶开度位置变化。因此主配压阀工作中间位 置的大小和方向也在变化。
d.配压阀死区
由于作用在接力器活塞杆上的力除水推力RW之外，还 有干摩擦力T。
若要向开启方向移动，油压为主动力，阻力R=RW+T，配 压阀向下位移S11
若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T，
2.1测量元件
（1）作用： 把机组的转速信号转换为机械位移信号。 （2）结构： 菱形钢带结构， 上与飞摆电动 机转轴相连 （输入）， 下与引导阀转 动套相连（输 出）。 离心飞摆结构 ①上支持块 输入 ②钢带 ③限位架 ④重块 ⑤调节螺母 ⑥弹簧 ⑦下支持块
（3）动作：
a.初始为某一平衡位置，折 算离心力与弹簧力相等； b.当飞摆转速升高时，折算 离心力大于弹簧力向外张开， 下支持块向上处于较高位置； 离心摆受力及动作
引导阀 针塞
102
17 支点 （暂态反馈及 永态反馈） 141 53 辅助 接力器
注：图中尺寸单位为mm
主配压阀
ຫໍສະໝຸດ Baidu 2.4反馈元件（缓冲器）
主要内容：
1.缓冲器作用 2.缓冲器组成 3.缓冲器运动方程 4.缓冲器的特性 5.暂态反馈机构 6.调节系统特性及动作过程分析
2.4.1反馈元件作用
设置反馈元件的目的是对放 大元件进行校正，改变调速器的 控制规律，以保证水轮机调节系 统动态的稳定性。专有名词称暂 态转差机构。
硬反馈作用时调节系统动态过程
无反馈作用时
硬反馈作用时
表示动态过程中杠杆 位置变化的关系。 初始平衡状态， Y0、Z0、S0杠杆 处于水平位置。 Y0点反馈量的大小， Z0点转速的高低， S0点主配压阀开口 的大小。 无反馈 时杠杆 的动作 位置 有反馈 时杠杆 的动作 位置
有反馈时可以使主配压阀提前回中，不必等到转速变化后。
③软反馈（Td=有限值） 当采用软反馈时， 在调节系统动态过 程中，反馈量是存 在的，可保证动态 过程能够稳定，其 动态过程曲线见图。 软反馈相当于速度 反馈，动态有、静 态无；硬反馈为位 置反馈，动态有、 静态也有。
软反馈作用时调节系统动态过程
无反馈作用时
软反馈作用时
作业题2、 YT-600型调速器的软反馈机构信号传递系统尺 寸如下图所示，试求可调支点在b=15mm时的暂态转差系 数bt。已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。
上式说明，为液压放大元件提供压力油的油压，一部分 用于克服接力器上静止阻力所需油压R/F，另一部分用于克 服接力器运动所引起的油流动在过油部件产生的油压损失， 这一损失油压称为储备油压△p。 在小波动条件下，接力器速度较慢，管道中的油流速较慢， 所有沿程损失可忽略不计，油压损失△p主要集中在配压阀口。
其中
上式称为接力器运动方程，Ty称为接力器反应时间常数， 单位为秒（s）。 液压放大装置的传递函数为
可见，液压放大装置是一个积分环节。
在单位阶跃输入信号作用下，
其时域相应输出为
可见，当配压阀有一开口时， 接力器以一直线运动。或者说， 要想让接力器停止运动，配压阀 开口必须为“0”，这说明液压放 大装置无自平衡能力。
2.4.2缓冲器的组成
a.缓冲杯（主动活塞）； b.缓冲活塞（从动活塞）；
c.缓冲弹簧；
d.节流阀。
缓冲器
1. 主动活塞； 2. 从动活塞； 3.节流阀。 4.缓冲弹簧；
2.4.3缓冲器的运动方程
作用在缓冲活塞上的力有：油压力和弹簧力，其他力较小 忽略不计。
通过节流阀孔口的流 量由于油流速较小，可按 层流公式计算。 也可表示为活塞下腔油 的体积变化。 整理后得
b.三通阀——单作用油 缸只有一个控制油路 引导阀―→辅助接力器
2.2.3放大元件静态特性
液压放大装置原理图
a.接力器静止平衡方程
接力器在静止时，有
或
b.配压阀漏油量
压力损失在遮程上。由于间隙很小 （0.01mm~0.02mm）， 流速较低为层流，压力损失与流量的一次方成正比例，设压力 油罐油压为p0，回油箱油压为“0”，则有
接力器单位阶跃响应曲线
接力器反应时间常数Ty Ty是表征接力器运动的一个重要参数，不同的配压阀结 构，油路布置不同，则Ty不同， 但其输入/输出关系为非线性， 一般常根据实验数据求得，画出 接力器的速度特性曲线。
水轮机调速器技术条件规定， Ty是指接力器带一定负载，其相 对运动速度与配压阀相对位移关 系曲线斜率的倒数。
接力器速度特性曲线
2.2.5放大元件方框图
液压放大装置是一个积分环节，无自平衡能力。为了保证其 输入、输出在稳态情况下保持确定的关系，将接力器的位移输出 以负反馈形式反馈到配压阀的输入端，从而构成液压随动系统。
①第一级液压放大装置的传递函数：
式中：
为辅助接力器行程；
为引导阀开口相对位移
，为辅助接力器反应时间常数。
b．第二级液压放大（主配压阀→主接力器） 主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀 芯组成。阀芯两个阀盘，上大下小。阀套与阀体 相连，阀体上有4个油管路。 主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接 通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连。
第一级液压放大
第二级液压放大
（3）动作
平衡位置受力分析 辅助接力器向上力： 辅助接力器向下力：
①无反馈（Td=0）
初始处于稳态， 当t=t0时，
n=n0，S=0，Y=Y0 Mt=Mt0=Mg0=Mg=M0
当t＞t0时，
Mg=Mg1=M1＜M0=Mt0 进入到动态。
无反馈作用时调节系统动态过程
②.硬反馈（Td=∞） 曲线Sn代表机组转速 对主配压阀影响，假设Z 点不动；
曲线Sy代表主接力器 反馈对主配压阀影响，假 设X点不动； 红线代表二者对主配 压阀影响之和，即主配压 阀的实际位置变化曲线。 是一个衰减振荡过程， 分析见后。
设配压阀窗口形 状为矩形，根据不可 压缩流体的连续性方 程，流过该窗口的油 流量等于通过接力器 的油流量。
式中：v通过配压阀窗口油的流速，b为配压阀窗口宽 度，△S为配压阀的偏移量。
通常以接力器活塞最大位移Ymax（YM）及配压阀阀芯 最大位移Smax为基准，写成相对值形式（注：以下运动方 程、传递函数中的物理量均以偏差相对值表示），有
转速死区：
n n ixp 100% nr
静特性曲线
离心摆运动方程：
传递函数：
方框图：
2.2放大元件（液压放大装置）
主要内容：
1.放大元件动作原理 2.放大元件结构
3.放大元件静态特性
4.放大元件动态特性
5.放大元件方块图
2.2.1 放大元件动作原理
（1）作用： 将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构。 （2）结构
代入缓冲器运动方程
用相对值可化为：
式中：
暂态转差机构运动方程
传递函数：
暂态转差系数（缓冲强度）bt可理解为，相当于缓冲器截 流孔全关（认为Td=∞）情况下，接力器走完全行程YM所引起 的反馈量，相当于转速变化的百分数。
2.4.6调节系统特性及动作过程分析
分三种情况来讨论调节系统的静态与动态特性。 （一）、无反馈作用时 （二）、硬反馈作用时 Td=0 Td= ∞
（三）、软反馈作用时
Td=有限值
（1）调节系统静态特性
①无反馈（Td=0）要使调节系统稳定的3个必要条件： a.主动力矩等于阻力矩（Mt=Mg）；
b.配压阀开口为零（△S=0，△SB=0）； c.反馈量不在变化（△K=常数）。 以机组出力P为横坐标， 机组转速n为纵坐标，可画 出调节系统静特性曲线
②局部反馈： 传递函数：
取相对值：
式中：
为局部反馈引起的引导阀针塞相对位移量；
为局部反馈系数。
③综合比较元件——引导阀
引导阀开口：
设计时取：
离心飞摆方框图
第一级液压放大随动系统传函为 传函简化为
液压随动系统方框图
④辅助接力器→主配压阀
取相对值 设计时：
传递函数：
⑤放大元件总体方块图
作业题1： YT型调速器主配压阀单边遮程为0.2mm，正常工作 油压下限22kg/cm2，接力器活塞直径170mm，活塞杆直径50mm， 导水机构的干摩擦力为1000kg，辅助接力器至引导阀的局部反 馈杠杆尺寸如图所示，试求主配压阀所造成的转速死区为多少 （以转速变化的相对值表示。）？已知飞摆的放大系数 K=0.3mm/%，即ZM*=30mm 。
kT—与阀盘和阀套之间间隙 相关的液体摩阻系数。
漏油量q与工作油压p0成正比，与遮程l、kt成反比。
c.几何中间位置
即衬套孔口两侧遮程相等情况下，主配压阀两个控 制油口油压相等，油压合力此时为零。即 d.工作（实际）中间位置 阻力不为零，故活塞两侧的油压力不相等。能够保持接 力器静止不动的主配压阀阀芯位置，称之为工作（实际）中 间位置，以几何中间位置为基准，设主配压阀阀芯向下位移 S1，则有：
机械液压型调速器主要内容
1、测量元件（离心摆） 2、比较元件（引导阀） 3、放大元件（液压放大装置） 4、反馈元件（缓冲器） 5、操作控制机构 6、 油压装置
第二章 机械液压调速器
引导阀
离心摆
缓冲器
辅助接力器、 主配压阀
主接力器
2.1测量元件（离心摆）
主要内容：
1.离心摆结构及工作原理 2.离心摆运动方程和动态特性 3.离心摆工作参数
设：
2.4.4缓冲器的回中特性
设△N为一阶跃输入，观察 △K的变化规律。 在t=0时，△K0=△N0 当t＞0时， 求解微分方程 缓冲器回中特性曲线
当t=Td时
缓冲常数Td被定义为：缓冲活塞从阶跃输入撤出到恢复至 36.8%初始偏移量为止所经历的时间。
2.4.5暂态反馈机构
设主接力器到缓冲杯的杠杆传递系数为α1，缓冲活塞到引 导阀针塞的杠杆传递系数为α2，引导阀针塞位移△Zd，主接力 器位移变化量△Y，则有：
静止时满足：
转速升高时：
转速降低时：
2.2.2放大元件结构
1.配压阀型式 结构形式分类：
（按遮程/搭叠量分）
hs——衬套孔口高 度 hv——阀盘高度 a.通流式： b.断流式：
正开口阀 负开口阀
零开口阀
通流式配压阀
断流式配压阀
2.液压放大的型式
a.四通阀——双作用油 缸有两个控制油路 主配压阀―→主接力器
无差静态特性，调节结束 输出没有误差
无反馈调节系统静态特性
②.硬反馈（Td=∞）
硬反馈调节系统 静态特性
③.软反馈（Td=有限值） 软反馈调节系统 静态特性
（2）调节系统动态特性
a.第一级液压放大为比例环节； b.第二级液压放大为积分环节; （主接力器速度与主配压阀开口 成正比例，忽略非线性） c.主动力矩与主接力器开度成正 比例。（忽略转速、水击压力等 对主动力矩的影响） d.机组运动方程，忽略转速对阻 力矩Mg影响