电液比例方向控制阀

3.比例方向阀的特性分析和选用方法 比例方向阀的特性分析和选用方法
3.1 比例方向的节流特性分析
比例方向阀的控制阀口属于薄壁节流孔口，因此，其控制特性本质上是式 所描述的节流孔口特性，但由于在比例方向阀中，与输入的信号成比 例的是阀芯位移，故又有如下形式： (3)
q v = (KA= iWX v p= Wλi A i) ( ) ∆
图3 比例方向阀等效节流回路
3.2 比例方向阀的控制特性 比例方向阀的控制特性是指其输出流量与输入信号之间的关系。 由于通过比例方向阀的流量还受阀压降的影响，为了获得确定的输出流量 与输入信号之间的关系，规定比例方向阀的控制特性必须在阀压降保持恒定的 条件下进行测试。给定一组不同的，以输入信号的百分比为横坐标（对应阀芯 轴向移动的距离），以阀的输出流量为纵坐标，可测得比例方向阀的控制特性 曲线簇如图4所示。
式中
v
A1 ( i ) ∆ p1 qV 1 A = = K qV 2 AR A2 ( i ) ∆ p 2
(8)
上式表明，通过比例方向阀两个节流阀口的流量关系既与阀口本身的面积和压差 有关，还与执行元件进、回油腔的面积有关。
图2 比例方向阀基本控制回路
对于双出杆液压缸 AK = AR ，如果按 A1(i) = A2 (i) 的关系选用阀口面积 梯度对称的比例方向阀，就可实现比例方向阀的进、出口的流量相等， 每个阀口的压差也相等。对于单出杆液压缸，K ≠ AR ,如果仍选用A1 (i) = A2 (i ) A 的比例方向阀，则不仅 qV 1 ≠ qV 2 ，而且∆p1 ≠ ∆p2 。当所设计的比例方向阀 控制回路实现 ∆p1 ≠ ∆p2的情形，则液压缸进、退过程的速度刚性不同，而 且在比例方向阀的换向瞬间会产生较大的换向冲击。
比例方向阀的特点：比例控制元件的参数包括单方向的压力、单方向流 量、方向+流量、压力+流量。对应不同的控制参数，比控制元件包括比 例压力阀、比例流量阀、比例方向阀、复合比例控制阀。比例控制元件 采用驱动装置为比例电磁铁，其特点感性负载大，电阻小，电流大，驱 动力大，但响应快。普通比例阀的死区大，滞环大，动态响应低。它对 零位特性没有特殊要求，主要工作于开环系统，以及闭环速度控制系统。
∆xV = −
∆Fs K fs
(2)
K 式中 ∆Fs —稳态液动力变化量；X V —阀芯位移偏差； fs —稳态液动力弹簧刚度。 ∆ 式（2）表明，当稳态液动力增大，阀口会关小，这是液动力超过比例电磁铁驱 动力的结果。 这种单级阀只能在流量不大、压力较小且流量控制精度要求不高的场合使用， 阀芯的位移和阀的功率域分别受到比例电磁铁的有效行程及电磁力的限制。
图6 比例方向阀时域阶跃特性
3.5 比例方向阀的选用方法 1）按控制精度和动态响应特性选用比例方向阀的类型 不带内部反馈闭环比例方向阀，其滞环大，流量分辨率低，阀口死 区大，适用于控制精度较低的系统；带内部反馈闭环的比例方向阀，其 稳态和动态性能均优于前者，适用于精度要求较高的系统。选择具体的 比例方向阀时，应按照电液比例控制系统的控制精度和动态响应要求， 根据生产厂家提供的比例方向阀产品数据，选定比例方向阀的类型。 2）比例方向阀的规格的确定 比例方向阀的规格主要指额定压力和额定流量。 确定比例方向阀额定压力时，要注意比例方向阀每个油口的压力区别， 设计时要保证，每个油口的额定压力比每个油口所在系统中的实际压力 高。 额定流量的确定要同时考虑比例方向阀的输入信号范围和阀压降的 大小两个因素。实际选用时，通常确定阀压降的合理范围，再按控制特 性曲线选定额定流量合适的比例方向阀。 （1）比例方向阀的合理压降 阀压降过大，在比例方向阀阀口上所引起 的能量损失就会过大；阀压降过低，通过阀口的流量容易受到压力波动 的影响，表现为执行机构的运动速度容易受到干扰。因此，在电液控制 比例控制系统中，要确定好比例方向阀上的合理压降。
（2）比例方向阀合理的额定流量 在阀压差确定后，比例方向阀合理的 额定流量可根据阀的控制特性曲线，按下述原则确定：①实际通过比例 方向阀合理最大流量对应的输入信号应接近额定输入信号的90%，以充 分发挥比例方向阀的通流能力；②实际通过比例方向阀的最小流量对应 的输入信号应超过比例方向阀的死区。这样做既可提高流量分辨率，又 可避免执行元件出现爬行现象。
电液比例方向控制阀
1.电液比例方向控制阀概述
2.举例介绍单级电液比例方向阀
3.比例方向阀的特性分析和选用方法
1.电液比例方向控制阀概述 电液比例方向控制阀概述
在电液比例方向控制阀中，与输入电信号成比例的输出量是阀芯的位移 或输出流量，并且该输出量随着输入信号的正负变化而改变运动方向。因 此，电液比例方向控制阀本质上是一个方向流量控制阀。 比例方向阀有以下几种方法： 1）根据阀内是否包含有内部反馈闭环，比例方向阀可以分为带内部反馈闭 环和不带内部反馈闭环两种类型。其中带内部反馈闭环的比例方向阀又有 位移—点反馈、位移—力反馈和直接位置反馈等形式，且以位移—电反馈 型居多。 2）根据对流量的控制方式，可分为节流控制型与流量控制型比例方向阀。 节流控制型比例方向阀与比例节流阀都是控制功率级阀芯的轴向位移 （对应阀口开度），输出流量受负载压力和供油压力变化的影响；流量控 制型比例方向阀与比例流量阀一样，可由节流控制型比例方向阀与定差减 压阀或定差异流量阀组成压差补偿型或压力适应型比例方向流量阀，或由 流量检测反馈装置构成带内部反馈闭环的流量控制型比例方向阀，其受控 流量由输入信号决定，与供油压力或负载压力的变化无关。 3）根据阀芯的结构的形式，比例方向阀可分为滑阀式（滑阀结构）和插装 式（锥阀结构）。 4）按照阀内液压功率放大的级数，比例方向阀可以分为单级阀、二级阀、 三级阀。
2.举例介绍单级电液比例方向阀 举例介绍单级电液比例方向阀
图1是最普通的单级比例方向阀的典型结构。该阀采用四边滑阀结构， 按节流原理控制流量，比例电磁铁线圈可单独拆卸更换，可通过外部放 大器或内置放大器控制，工作过程中只有一个比例电磁铁得电。 工作原理：电磁铁5和6不带电时，弹簧3和4将控制阀芯2保持在中 位。比例电磁铁得电后，直接推动控制阀芯2，例如，电磁铁“b”（6） 得电，控制阀芯2被推向左侧，压在弹簧3上，位移与输入电信号成比例。 这时，P口至A口及B口至T口通过阀芯与阀体形成的节流口接通。电磁铁 6失电，2被3重新推回中位。弹簧3、4有两个任务：①电磁铁5和6不带 电时，将控制阀芯2推回中位。②电磁铁5和6得电时，其中一个作为力— 位移转换器，与输入电磁铁力相平衡，从而确定阀芯的轴向位置。
图4 比例方向阀的控制特性曲线
曲线簇内部5条曲线之间的差别，是由于阀口的压差∆p 不同引起的。由图 4可知，∆p = ∆p1 + ∆p2 =进油压力 pP -负载压力 pL -回油压力 pT 。还是选用 比例方向阀的重要依据。 设计比例方向阀内部流道的过流面积时，要保证非控制阀口处的任何 流断面积远大于阀口处得最大节流面积，以免由于限流作用影响到控制 阀口对液流精确的比例控制。 3.3 比例方向阀的内泄露特性 比例方向阀的内泄露特性与伺服阀内泄露特性的含义和测量方法相 同，但阀的使用效果影响不同。内泄露特性曲线如图5所示。内泄露反映 了阀芯与阀套配合的严密性。
i
由图3和式（3）可得
qV 1 = KA1 (i ) ∆ p1
(5) (6)
qV
2
q = v = q V i ) = ∆Vp2 2 KA 2 ( 1 AK AR
(7)
---液压缸活塞杆的运动速度(m/s); AK ---无杆腔有效面积 m 2 )； （ AR ---有杆腔有效面积 m 2 )。 （ 式(7)为液压缸两腔面积比与流量比关系。由式(5)、式(6)、式(7)得
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(1)
式中
K i 0 —比例方向阀克服死区的起始电流；e —电磁铁的电流—力增益； x xV 0 —阀口遮盖量；S 0 —弹簧3、4的预压缩量； S—弹簧3、4的刚度。 K
正常工作时，这种阀的比例电磁铁输出的电磁力除了必须克服弹簧力、摩擦 力外，还比须阀口上的液动力，才能控制阀芯移动并保证阀芯可靠地定位。 稳态液动力直接影响单级比例方向阀的阀芯位移。当输入电信号恒定，而阀口稳 态液动力变化时，阀芯位移出现的偏差为
图5 比例方向阀内泄露特性曲线
对伺服阀而言，内泄露的大小对阀口的压力增益有明显影响，从而 会影响到整个闭环系统的控制性能；对比例方向阀而言，内泄露在整个 阀的控制流量中只占有极小的比例，它对开环系统执行元件速度的影响 完全可以忽略，为了检验阀芯与阀体的配合质量，才检验这一项目。 3.4 比例方向阀的动态特性 比例方向阀的动态特性采用时域阶跃特性反映，如图6所示。
3
(4)
式（3）中 qv --比例方向阀单个阀口流量 (m/s)；k --与节流孔口形状、油液密度和 温度相关的系数，在一定的温度下，对确定的比例方向阀和工作介质，可视为 ∆ --比例方向阀单个阀口的压降（MPa）； (i) -常数； p -- 3 MPa A --比例方向阀单个阀口的 通流面积(m ) ； 式（4）中 W --阀口的面积的梯度，由方向阀芯行程 X V 和方向阀额定流量决定， 与比例方向阀输入信号的幅值和最大阀芯位移有关。 --比例方向阀阀芯的位移 λ -电流增益（m/A）； --比例方向阀电磁铁通过的电流（A）。 上式表明，比例方向阀的输出流量 与控制电流 和阀口压差 ∆p相关。 当比例比例方向阀阀口面积 A(i)不变（对应阀的输入电信号一定），如果要求通过 阀口的流量增加一倍，则对应阀口上的压差就是原来的4倍。所有方向阀采用双阀 口的工作方式，它在电液比例控制系统中的应用如图2所示。而图2等效为图3所示 的节流回路。显然，采用比例方向阀的控制回路本质上是一个串联式进、出油 同时节流的调速回路。这种调速回路的刚性（速度虽负载变化而变化的程度） 要比单独采用进油或回油节流调速回路的速度刚性大。
图1带行程控制型比例电磁铁的单级比例方向阀的典型结构 1—带安装底面的阀体 2—控制阀芯 3、4—弹簧 5、6—带中心螺纹的电磁铁 7—三位阀转换二位阀的丝堵
如果忽略阀芯与衔铁的摩擦和比例电磁铁的死区电流，则从阀芯处于中位到阀口 打开，比例电磁铁要提供的起始电流为
K (x + x ) i0 = ± S V 0 S 0 Ke