電液伺服閥與比例閥

電液伺服閥與比例閥
電液伺服與比例閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(hào)(流量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號(hào)的不問，電液伺服閥與比例閥可分為電液流量控制伺服閥與比例閥和電液壓力控制伺服閥與比例閥兩大類。

在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥與比例閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來，實(shí)現(xiàn)電、液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大以及對(duì)液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥與比例閥是電液伺服系統(tǒng)和比例系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．它的性能及正確使用，直接關(guān)系列整個(gè)系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，也直接影響到系統(tǒng)丁作的可靠性和壽命。

電液伺服閥與比例閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

5 1電液伺服閥的組成和分類

5.1.1 電液伺服閥的組成

電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)(或力馬達(dá))、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)(或平衡機(jī)構(gòu))三部分組成。

5.1.2 電液伺服閥的分類

5.1.2.1按液壓放大級(jí)數(shù)分

單級(jí)伺服閥  此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力小、定

位剛度低，使閥的輸出流量有限，對(duì)負(fù)裁動(dòng)態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決1：負(fù)

載動(dòng)態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負(fù)載動(dòng)態(tài)變化不大的場(chǎng)合。

兩級(jí)伺服閥  此類閥克服了單級(jí)伺服閥缺點(diǎn)，
三級(jí)伺服閥  此類閥通常是由一個(gè)兩級(jí)伺服閥作前置級(jí)控制第三級(jí)功率滑閥．功率級(jí)滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)功率級(jí)滑閥閥芯的定位。三級(jí)伺服閥通常只用在大流量的場(chǎng)合。

5.1.2.2按閥的結(jié)構(gòu)形式分類

可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥  射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。

分別介紹各自的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1.2.3按反饋形式分類

可分為滑閥位置反嫂、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種

5.1.2.4按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分類

濕式的可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達(dá)持性變壞，干式的則可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。

5 2力矩馬達(dá)

在電液伺服閥中力矩馬達(dá)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因而是一個(gè)電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器。電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的。它由磁鐵或激隘線圈產(chǎn)生極化磁場(chǎng)。電氣控制信號(hào)通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)之間相互作用產(chǎn)生與控制信號(hào)成比例并能反應(yīng)控制信號(hào)極性的力或力矩，從而使其運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)直線位移或角位移的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

5.2.1 力矩馬達(dá)的分類及要求

5.2.1.1力矩馬達(dá)的分類

1)根據(jù)可動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達(dá)，后者稱力矩馬達(dá)。

2)按可動(dòng)件結(jié)構(gòu)形式可分為：動(dòng)鐵式和動(dòng)圈式兩種。前者可動(dòng)件是銜鐵，后者可動(dòng)件是控制線圈。

3)按極化磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三鐘。

5.2.1.2對(duì)力矩馬達(dá)的要求

作為閥的驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)它提出以下要求；

1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，問時(shí)體積小、重量輕。

2)動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。

3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。

4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。

5.2.2 永磁力矩馬達(dá)

5.2.2.1力矩馬達(dá)的工作原理

用掛圖表示為一種常用的永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)工作原理圖，它由磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動(dòng)中心作微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體(磁極)形成四個(gè)工作氣隙①、②、⑤、①。兩個(gè)控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。

5.2.2.2力矩馬達(dá)的電磁力矩

通過力矩馬達(dá)的磁路分析可以求出電磁力矩的計(jì)算公式。從磁路分析知電磁力矩是非線性的，因此為保證輸出曲線的線性，往往設(shè)計(jì)成可動(dòng)位移和氣隙長度只比小于三分之一，控制磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極化磁通。

5.2.3 永磁動(dòng)圈式力馬達(dá)

用掛圖說明常見的永磁動(dòng)式力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理。力馬達(dá)的可動(dòng)線圈懸置于作氣隙中，磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時(shí)，線圈就會(huì)受到電磁力的作用而運(yùn)動(dòng)。線圈的運(yùn)動(dòng)方向可根據(jù)磁通方向和電流方向按左手定則判斷。線圈上的電磁力克服彈簧力和負(fù)載力，使線圈產(chǎn)生一個(gè)與控制電流成比例的位移。

5.2.4 動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)與動(dòng)圈式力矩馬達(dá)的比較

動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)與動(dòng)圈式力馬達(dá)相比較有：

1)動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動(dòng)圈式力馬達(dá)大。

2)動(dòng)圈式力馬達(dá)的線性范圍比動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)寬。因此．動(dòng)圈式力馬達(dá)的工作行程大，而動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的工作行程小。

3)在同樣的慣性下，動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的輸出力矩大，而動(dòng)圈式力馬達(dá)的輸出力小。動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達(dá)的彈簧剛度小，動(dòng)圈組件的固有頻率低。

4)減小工作氣隙的長度可提高動(dòng)圈式力馬達(dá)和動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的靈敏度。但動(dòng)圈式力馬達(dá)受動(dòng)圈尺寸的限制，而動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)受靜不穩(wěn)定的限制。

5)在相同功率情況下，動(dòng)圈式力馬達(dá)比動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)體積大，但動(dòng)圈式力馬達(dá)的造價(jià)低。

5 3力反饋兩級(jí)電液伺服閥（50分鐘）（第十三次課）

用掛圖說明力反饋兩級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理，這是目前廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。其第—級(jí)液壓放大器為雙噴嘴擋板閥，由永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)控制，第二級(jí)液壓放大器為四通滑閥，閥芯位移通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構(gòu)成滑閥位移力反饋回路。

5.3.1 工作原理

無控制電流時(shí)，銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個(gè)噴嘴的中間位置，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當(dāng)有差動(dòng)控制電流輸入時(shí)．在銜鐵上產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)中心逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。這時(shí)，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動(dòng)滑閥閥芯左移。同時(shí)帶動(dòng)反饋桿端部小球左移，使反饋桿進(jìn)一步變形。當(dāng)反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時(shí)，銜鐵擋板組件便處于一個(gè)平衡位旨。在反饋桿端部左移進(jìn)一步變形時(shí)，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對(duì)閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閻的液動(dòng)力相平衡時(shí)，閥芯停止運(yùn)動(dòng)，其位移與控制電流成比例。在負(fù)載壓差—定時(shí)，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。

5.3.2 基本方程與方框圖

5.3.2.1力矩馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方程

包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程，擋板位移于轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)，以及作用在擋板上的壓力反饋方程，根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。

5.3.3 力反饋伺服閥的穩(wěn)定性分析

5.3.3.1力反饋回路的穩(wěn)定性分析

給出穩(wěn)定性條件

5.3.3.2壓力反饋回路的穩(wěn)定性分析

給出穩(wěn)定性條件

5.3.4 力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)

給出的傳遞函數(shù)是一個(gè)慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點(diǎn)介紹近似的傳遞函數(shù)：在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往高于動(dòng)力元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了簡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)持性分析與設(shè)計(jì)，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于動(dòng)力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。

5.3.5 力反饋伺服閥的頻寬

給出計(jì)算力反饋伺服閥的頻寬的表達(dá)式

5.3.6 力反饋伺服閥的靜態(tài)特性

穩(wěn)態(tài)時(shí)，伺服閥的閥芯位移正比于輸入電流，伺服閥的流量可用滑閥的流量公式表示，只不過用電流代替了閥芯位移值。

5.3.7 力反饋伺服閥的設(shè)計(jì)計(jì)算

給出一個(gè)實(shí)例設(shè)計(jì)力反饋兩級(jí)電液伺服閥。

5 4直接反饋兩級(jí)滑閥式電液伺服閥

5.4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

用掛圖說明其工作原理。

5.4.2 動(dòng)圈式兩級(jí)電液伺服閥的方框圖

根據(jù)控制線圈的電壓平衡方程和線圈組件的力的平衡方程，前置級(jí)滑閥的開口量和閥控缸的方程，可以得到直接位置反饋滑閥式伺服閥的方框圖。

5.4.3 動(dòng)圈式兩級(jí)電液伺服閥的傳遞函數(shù)

通過對(duì)方框圖的簡化可得到其傳遞函數(shù)。該閥由動(dòng)圈式力馬達(dá)和兩級(jí)滑閥式液壓放大器組成。前置級(jí)是帶兩個(gè)固定節(jié)流孔的四通閥(雙邊滑閻)，功率級(jí)是零開口四邊滑閥。功率級(jí)閥芯也是前置級(jí)的閥套，構(gòu)成直接位得反饋。

5.5 其它型式的電液伺服閥簡介（50分鐘）（第十四次課）

5.5.1 彈簧對(duì)中式兩級(jí)電液伺服閥

彈簧對(duì)中式伺服閥是早期伺服閥的結(jié)構(gòu)型式，它的第—級(jí)是雙噴噴擋板閥，第二級(jí)是滑閥，閥芯兩端各有一根對(duì)中彈簧。當(dāng)控制電流輸入時(shí)，閥芯在對(duì)中彈簧作用下處于中位。當(dāng)有控制電流輸入時(shí)，對(duì)中彈簧力與噴嘴擋板閥輸出的液壓力相平衡，使閥芯取得一個(gè)相應(yīng)的位移，輸出相應(yīng)的流量。

這種伺服閥屬于開環(huán)控制、其性能受溫度、壓力及閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響較大；銜鐵及擋板的位移都較大．對(duì)力矩馬達(dá)的線件要求較高；對(duì)中彈簧要求體積小、剛度大、抗疲勞好，因此制造困難；兩端對(duì)中彈簧由于制造和安裝的誤差．易對(duì)閥芯產(chǎn)生側(cè)向卡緊力．增加閥芯摩擦力．使閥的滯環(huán)增大，分辨率降低。但由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，可適用于—般的、性能要求不高的電液伺服系統(tǒng)。

5.5.2 射流管式兩級(jí)電液伺服閥

用掛圖說明射流管式伺服的原理。射流管由力矩馬達(dá)帶動(dòng)偏轉(zhuǎn)。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈支承。液壓油通過柔性的供壓管進(jìn)入射流管．從射流管噴射出的液壓油進(jìn)入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個(gè)接收孔中，推動(dòng)閥芯移動(dòng)。射流管的側(cè)面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲．共末端插入閥從中的小槽內(nèi)，閥芯移動(dòng)推動(dòng)反饋彈簧絲．構(gòu)成對(duì)力矩馬達(dá)的力反饋。力矩馬達(dá)借助于薄壁彈實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓部分的密封隔離。

5.5.3 偏轉(zhuǎn)板射流式兩級(jí)電液伺服閥

用掛圖說明其組成和工作原理。

5.5.4 壓力流量伺服閥

用掛圖說明壓力—流量伺服閥的原理，滑閥輸出的壓力經(jīng)反饋通道引入滑閥兩端的彈簧腔、形成負(fù)載壓力負(fù)反饋。關(guān)鍵介紹其壓力流量特性曲線。

5.5.5 動(dòng)壓反饋伺服閥

壓力—流量伺服閥雖然增加了系統(tǒng)的阻尼，但降低了系統(tǒng)的靜剛度，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)．出現(xiàn)了功壓反饋伺服閥，與壓力—流量伺服閥相比。它增加樂由出彈簧活寒和液阻(固定節(jié)流孔)所組成的壓力微分網(wǎng)絡(luò)，負(fù)載壓力通過壓力微分網(wǎng)絡(luò)反饋到滑閥，此閥在動(dòng)態(tài)時(shí)，具有壓力—流量伺服閥的持性，在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有流量伺服閥的持性。

5.5.6 電液壓力伺服閥

在彈簧對(duì)中伺服閥的基礎(chǔ)上，把滑閥兩端的對(duì)中彈簧去掉，就可以得到閥芯力平衡式壓力控制伺服閥。

5.6 比例電磁鐵和比例閥

5.6.1 比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)

介紹比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)，特性曲線。

5.6.2 比例方向閥

介紹其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。其結(jié)構(gòu)類似于普通的換向閥，但電磁鐵和閥芯閥套的結(jié)構(gòu)加工精度更高，但還有別于伺服閥。主要在閥套窗口和閥芯凸肩的尺寸上。

5.6.3 比例壓力閥和比例流量閥

通過掛圖講解其基本結(jié)構(gòu)和和工作原理。

5.7電液伺服閥和電液比例閥的主要性能參數(shù)

5.7.1 靜態(tài)特性

電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測(cè)試所得到負(fù)載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評(píng)定。包括

5.7.1.1負(fù)載流量特性

5.7.1.2空載流量特性

流量曲線非常有用，它不僅給出閥的極性、額定空載流量、名義流量增益，而且從中還可以得到閥的線性度、對(duì)稱度、滯環(huán)、分辨率，并揭示閥的零區(qū)特性。

5.7.1.3壓力特性

壓力特性曲線是輸出流量為零(兩個(gè)負(fù)載油門關(guān)閉)時(shí)，負(fù)載壓降與輸入電流呈回環(huán)狀的函數(shù)曲線。

5.7.1.4內(nèi)泄漏特性

衡量閥的性能的一個(gè)指標(biāo)

5.7.1.5零漂

工作條件或環(huán)境變化所導(dǎo)致的零偏變化，以其對(duì)額定電流的百分比表示。通常規(guī)定有供油壓力零漂、回油壓力零漂、溫度零漂、零值電流零漂等。

5.7.2 動(dòng)態(tài)特性

主要是用頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)表示。

5.7.3 輸入特性

主要講授線圈接法

5.7.3.1線圈接法

5.7.3.2顫振

為了提高伺服閥的分辨能力，可以在伺服閥的輸入信號(hào)上疊加一個(gè)高頻低幅值的電信號(hào)，顫振使伺服閥處在一個(gè)高頻低幅值的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，這可以減小或消除伺服閥中由于干摩擦所產(chǎn)生的游隙。同時(shí)還可以防止閥的堵塞。但顫振不能減小力矩馬達(dá)磁路所產(chǎn)生的磁滯影響，