非对称缸电液伺服系统分析和设计

p2 超压条件 p2气蚀条件
p1' 气蚀条件
p1' 超压条件
（ p1 限制条件） （ p2 限制条件）
'
'
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针对阀控非对称缸可能出现的四种情况加以讨论： （1）. 当m=1（即对称阀控制非对称缸）时，有效负载范围为：
3 n Ps A1 FL Ps A1 3 nPs A1 FL (1 n n ) Ps A1

P1
C d wxv A1
2 (nPs PL1 ) 3 (1 n )
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v＝Q1/A1 V0max+
1 PSA1 FL0= （1-n） 2
气蚀区 FL=0 -nPSA1 -n3PSA1 0
-0.25 -0.5 -0.75 -1.0
可见压力突跳比对称阀控制非对称缸时好得多，但不如完全匹 配的非对称阀控制非对称缸好，液压缸能够承受的负载范围比对称 阀有所增大。
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2.5阀控非对称缸系统适应的负载变化范围
要求液压缸两腔不出现气蚀和超压现象 ，这时阀控非对称缸所承受的 负载的变化应限制在一定范围内。 （活塞杆伸出）时， 经推导，当 xv 0 负载 FL 的变化范围限制在
2 P n FL / A1 ' s P2 3 1 n
n Ps FL / A1 P 1 n3
3 ' 1
液压缸换向时压力突变值为：
无杆腔：
2 nP (1 n ) ' s P 1 P 1 P 1 1 n3
有杆腔：
2 P (1 n ) ' s P2 P2 P2 1 n3
PS
防气蚀装置原理图
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2.4非对称阀控制非对称缸的压力特性 为了从根本上改善液压系统压力特性，建议采用非对称阀控制非对称缸 2.4.1阀与缸完全匹配的情况 阀的节流窗口面积梯度比与缸的面积比相等(m=n)，这时两腔压力为
nps FL / A1 p1 p 1 n
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2.6阀控非对称缸的输出特性（压力－流量特性或负载速度－力特性） 2.6.1对称阀控制对称缸的输出特性 液压缸为对称缸时，流量方程可写成：
V＝QL/A （QL/Q0）
V0 + (Q0(Qmax+))
QL Cd wxv
xv ( Ps PL ) xv 1
-1
FL0=0 (-PSA) 0
mL
1. 对负荷变化的范围加以限制 2. 将液压缸的面积设计得很大
防气蚀阀组
3. 国外曾采用在液压缸的两腔 设置防气蚀单向阀组和安全 阀，以及在阀与有杆腔之间 的管路上设置单向节流阀等 加以补救。图中为其原理。 然而，负载变化范围 仍然不够理想，压力 突跳不能消除。
高压蓄能器
安全阀组 A B
伺服阀
P0 低压蓄能器
当活塞杆缩回(Xv <0)，
Q1 C d w1 xv v A1 A1
C d w1 xv P1 A1 2
2m 2 (nPs PL ) 3 2 (n m )
令Q0、v0为FL=0和xv=xvmax(xv﹥0)时，阀的空载最大流量和活 塞杆的空载最大速度（伸出速度）为：
Q0 C d w1 xv max 2m 2 Ps 3 2 (n m )
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P1 （MPa）
来自百度文库
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10 5 0
P2 （MPa）
P1' P10 P1 P1
10 5 P2 0 P2
P2'
P20
-2
-1
0
1 FL（N）
2
3 104
-2
-1
0 1 FL（N）
2
3 104
无杆腔压力变化（PS＝10 MPa）
有杆腔压力变化（PS＝10 MPa ）
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非对称缸电液伺服系统 分析和设计
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《机床与液压》第三届技术研讨会 专题报告
非对称缸电液伺服系统 分析和设计
李洪人 教授 2008年11月 哈尔滨工业大学 电液伺服仿真与试验系统研究所 哈工大电液所 IEST Lihr@hit.edu.cn
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报告要点：
1 非对称缸电液伺服系统研究意义
2 阀控非对称缸系统静态特性分析（压力特性，输出特性，可适应 负载变化范围、最佳负载匹配设计）
由图可见，当负载大范围变化时，液压缸两腔将会出现超压或气蚀现象。 对称阀控制非对称缸系统的负载变化范围受到了限制， 特别是承受拉向负载的能力较差。 为防止气蚀和超压现象，必须采取一定技术措施。
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2.3传统防气蚀和超压的技术措施 几种传统防气蚀和超压措施：

非对称缸电液伺服系统远比对称缸系统复杂，控制起来存在许多问题。 ①换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象； ②两个方向上系统动特性不对称。

分析与设计方法与对称缸电液伺服系统不同
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二、 阀控非对称缸系统的静态特性
2.1对称阀控制非对缸系统的结构原理
xv 0 xv 0
（2）. 当m=n（即完全匹配的非对称阀控非对称缸）时，有效负载范围为：
nP sA 1 FL P sA 1
n 1且m﹥n（是一种不完全匹配的非对称阀控制非对称缸）时， （3）. 当m 1 ，
有效负载范围为：
n3 2 Ps A1 FL Ps A1 m 3 n nP A F (1 n ) Ps A1 s 1 L 2 m
v FL(=mLg) mL
w1 =w2 =w3 =w4 w
A2 / A1 n 1
A Q1 (Q1')
A2
P2 (P2') w=4h
A —A h 或 Xv w=2h h
A1 P1 (P1')
Q2 (Q2')
4 A
1
2
3
PS
P0
6
阀控非对称缸原理图
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' 1
p s FL / A1 p2 p 1 n
' 2
P ＝0 1
P2＝0
压力突跳不存在了
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15
15
P2 （MPa ）
P1 （MPa ）
10 5 0 -2 -1 0 1 FL （N ） 2 3 104 P1 ,P 1 ' ,P10
15 10
15
P1 '
P2(MPa)
10
P2 '
P1(MPa)
5
5 P2 0
P1
0
-5 -2
1
0
1
2
FL(N)
3 4 x 10
-5 -2
-1
0
1 FL(N)
2
3 4 X 10
液压缸无杆腔的压力变化(n=0.51)
液压缸有杆腔的压力变化(n=0.51)
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p1气蚀条件 p1超压条件
n3 （ p1限制条件） 2 Ps A1 FL Ps A1 m m2 (1 n 2 ) Ps A1 FL Ps A1 （p2限制条件） n p 超压条件 p 气蚀条件
2 2
（活塞杆伸出）时， 当 xv 0 负载 FL 的变化范围限制在
n3 nPs A1 FL (1 n 2 ) Ps A1 m m2 nPs A1 FL 2 Ps A1 n ' '
1.0 0.75 0.5 0.25
(1-n+n3)PSA1 PSA1 超压区
FL
nV0max+
对称阀控非对称缸系统输出特性曲线
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2.6.3非对称阀控制非对称缸的输出特性 当活塞杆伸出(Xv >0)，
C wx Q v 1 d 1 v A1 A1 C wx ( Ps P1 ) d 1 v A1 2 2m 2 ( Ps PL ) 3 2 (n m )
2m 2 Ps 3 2 (n m )
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Q C wx v0 0 d 1 v max A1 A1
xv 0 xv 0
可见，完全匹配的非对称阀―非对称缸系统的承载能力最大，
不完全匹配的非对称阀―非对称缸系统次之，对称阀―非对称缸系
统的承载能力最差。这一承载能力，可从阀控非对称缸的压力－负 载曲线上看出来。
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以对称阀控制非对称缸为例，其压力特性如图所示
稳态时力平衡方程
此时 m=1，即 w1 =w2 =w3 =w4 w
P 1A 1P 2 A2 FL
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经过推导可得Xv>0时两腔压力
n Ps FL / A1 P 1 1 n3
3
同理，可得Xv<0时两腔压力
n2 ( Ps FL / A1 ) P2 3 1 n
2.2对称阀控制非对称缸时的压力突跳
ps p0
4
1
2
3
xv

当Xv>0，阀进出油口的节 流方程为：
q1 p1 A1
q2 p2 A2 V2
V1 y0
M
FL
Q1 Cd wxv
Q2 Cd wxv
2

2
( Ps P 1)
P2
L y0
y
阀控非对称缸系统

图中：A2/A1=n，w2/w1=m； w1=w4，w2=w3；
3
A2 A1
一、非对称缸电液伺服系统 研究意义
1.1 非对称缸及其特点

非对称缸就是普通常用的单出杆液压缸 结构尺寸紧凑，安装使用方便，价格低廉 图中为几种液压缸结构原理
a) 单出杆非对称缸
b) 双出杆对称缸
c) 单出杆对称缸
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1.2非对称缸电液伺服系统的特点
3 阀控非对称缸系统传递函数建模简介及应用传递函数分析和设计 实际系统应注意的四个问题
4 对称阀控非对称缸系统静态、动态特性存在的若干问题 5 非对称阀控制非对称缸系统的非线性状态方程建模 6 应用非线性状态方程分析阀口误差对系统压力特性的影响 7 小结
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无杆腔：
有杆腔：
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15
15
10 p 1'
10
p1
P1(MPa)
5
P2(MPa)
P2' 5 P2 0
0
-5 -2
-1
0
1 FL(N)
2
3 4 x 10
-5 -2
-1
0
1 FL(N)
2
液压缸无杆腔的压力变化(m≠n)
3 4 x 10
液压缸有杆腔的压力变化(m≠n)
-0.25
1.0 0.75 0.5 0.25 1 (PSA)
FL=APL (PL/PS)
Q0 Cd wxv max
1

Ps
-0.5 -0.75 -1.0
xv xv PL QL 1 Q0 xv max xv Ps
V0 (Q0(Qmax-))
对称阀控持对称缸输出特性
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2.4.2阀与缸不完全匹配的情况
实际应用时，可能采用与缸的不对称度不完全匹配的非对称阀(m≠n) 当活塞杆运动方向改变时，两腔压力变化为：
2 2 n ( m n ) Ps ' P 1 P 1 P 1 n3 m 2
2 2 ( m n ) Ps ' P2 P2 P2 n3 m 2
2.6.2对称阀控制非对称缸的输出特性
当活塞杆伸出(Xv >0)，
v Q1 C d wxv A1 A1 2 ( Ps P1 ) C d wxv A1 2 ( Ps PL1 ) 3 (1 n )

当活塞杆缩回(Xv <0)，
v
Q1 C d wxv A1 A1
2
10
P2 ， P2'， P20
5 0 -2

-1
0 1 FL （N ）
2

3 10 4
无杆腔压力变化（m=n）
有杆腔压力变化（m=n）
可见，液压缸两腔压力不再受运动方向影响，换向时的压力突变消 失，系统能够承受的负载变化范围变大。完全匹配的非对称阀控制非 对称缸从根本上消除了非对称缸对系统压力特性带来的不利影响。
xv 0 xv 0
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（4）. 当m﹤n（是一种不完全匹配的非对称阀控非对称缸）时， 有效负载范围为：
m2 (1 n 2 ) Ps A1 FL Ps A1 n 2 m nP A F Ps A1 s 1 L 2 n