3液压伺服系统的基本元件.ppt

1,液压伺服系统,第二章液压放大元件,2,三.液压伺服系统的基本元件,即各类液压控制阀，亦称液压放大器。此处的“阀”意义为伺服阀。以阀芯的机械运动来控制液压能（大小与方向）。阀的输入力（矩）仅用于驱动阀芯（阀板、喷嘴）的运动，（例如，d=8mm,L=35mm,xvmax=0.5mm,f=200Hz,则F=0.274N）故所需能量（机械能）很小，（0）、零开口（x=0）和正开口（x0）。具有零开口的滑阀，其工作精度最高；负开口有较大的不灵敏区，较少采用；具有正开口的滑阀，工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也差。,8,三.液压伺服系统的基本元件,正开口（负重叠）opencenter,9,三.液压伺服系统的基本元件,零开口（零重叠）criticalcenter,10,三.液压伺服系统的基本元件,负开口（正重叠）closedcenter,11,三.液压伺服系统的基本元件,5.按节流窗口形状分类：,矩形窗口,圆形窗口,其它形状窗口,12,三.液压伺服系统的基本元件,2滑阀静态特性的一般分析一、滑阀静特性的线性化阀系数节流口流量方程q=KApm=KWxVpmq=f(xV,p)负载流量qL：通向负载的流量负载压力pL：负载两端的压差；pL=p1-p2,13,三.液压伺服系统的基本元件,qL=f(xV,pL)在工作点qL=qL1处作一阶级数展开，忽略高次项1.阀系数流量增益Kq=单位阀位移所产生的负载流量增量,qL=qL-qL1=,xV+,pL,14,三.液压伺服系统的基本元件,流量压力系数K=单位负载压力变化所引起的负载流量增量压力增益（压力灵敏度）Kp=单位阀位移导致的负载压力增量三个阀系数之间的关系Kq=KcKp,15,三.液压伺服系统的基本元件,2.负载流量线性化方程3.各阀系数对系统性能的影响,q=KqxV-KcpL,流量增益Kq,单位输入阀位移所产生的输出速度增量，积分后为输出位移（幅值），由频率特性概念，稳态输入输出幅值比，幅频特性，增益（开环增益）。稳定性、准确性、快速性。,压力增益Kp,单位输入阀位移所产生的负载压力增量，pLAp（力），a（加速度），起动能力。,流量压力系数Kc,单位负载压力升高所引起的负载流量的减小值，使系统输出速度降低，该系数越大对输出幅值的降低越大，从而形成输出对输入的大幅度衰减，输出不能立即复现输入，即形成阻尼。影响阻尼比，速度刚度。,16,三.液压伺服系统的基本元件,零位阀系数：Kq0，Kp0，Kc0,伺服阀的工作点一般位于零位附近，此时，Kc0小，系统阻尼低，而Kq0大，系统增益大，故系统的稳定性最差，如果此工作点处，系统可以稳定地工作，则在其它工作点处均可稳定工作。因此，零位阀系数对于液压伺服系统的设计与分析具有非常重要的意义。,17,三.液压伺服系统的基本元件,3零开口四边阀的静态特性,、理想零开口四边滑阀的静态特性,1.理想零开口四边滑阀：几何形状理想：棱边直角（与轴线垂直）；无间隙2.压力流量关系方程假设条件：无泄漏，控制窗口匹配、对称,qL=q1=,qL=q3=,阀匹配，故有：,A1=A3,则,=,18,三.液压伺服系统的基本元件,即ps-p1=p2ps=p1+p2考虑到pL=p1-p2有p1=(ps+pL)/2p2=(ps-pL)/2A1=A3=WxVW面积梯度areagradient,对于全周开口阀，W=dqL=,19,三.液压伺服系统的基本元件,当xV0时，（阀芯反向移动时）qL=q2=qL=q4=统一表达式：qL=,20,三.液压伺服系统的基本元件,无因次化方程取qLmax=其压力流量特性曲线如图：,21,三.液压伺服系统的基本元件,22,三.液压伺服系统的基本元件,对于第一象限内，pL=ps时，qL=0.此时，油源压力ps=p1，p2=0.溢流阀溢流，伺服阀输出功率为零。当pL=0时（空载），伺服阀通过全部流量。对于第二象限内，pL0（负载荷），油缸被外载荷拖动，运动速度更快，而xV不变，此时，p10，阀口从油源抽吸油液，p20，回油节流口流过全部流量（油缸提速造成流量加大），此时属于特殊工作情况。第三、四象限的情况与上述相同。,23,三.液压伺服系统的基本元件,3.理想零开口四边阀的阀系数：Kq=Kc=Kp=,24,三.液压伺服系统的基本元件,零位阀系数：零位条件：xV=0，qL=0，pL=0Kq0=Kc0=0Kp0=,25,三.液压伺服系统的基本元件,二、实际零开口四边滑阀的静态特性主要影响因素：径向间隙、棱边的圆角，使Kc00，Kp01.零位阀系数由流体力学知，无限平面，高为b，宽为d(W)，且Wb的矩形锐边节流口，流动为层流状态，该缝隙流量，对于零开口四边阀，当阀芯位置处于零位时，节流口压差，各节流口流量，总泄漏流量,26,三.液压伺服系统的基本元件,由压力流量关系式可得从而,27,三.液压伺服系统的基本元件,2.压力特性曲线改变，测,28,三.液压伺服系统的基本元件,3.泄漏流量曲线可衡量阀的零位能耗,29,三.液压伺服系统的基本元件,中位泄漏流量曲线=0时，测量与的关系，可用来判断阀的加工装配质量，以及判断阀芯与阀套的磨损程度（新旧程度）。,30,三.液压伺服系统的基本元件,滑阀受力分析滑阀受力：轴向：惯性力、黏性摩擦力、液流力、其它（弹性力、负载）径向：卡紧力（可通过合理的设计减小或消除其影响）一、稳态液流力稳态时，=const，由于液流在阀腔内流动时流动方向发生改变，即液流动量发生变化而形成的作用在阀芯上的轴向作用力称为稳态液流力。其值与流速及流速的变化情况有关（成正比），故与阀芯与阀套间的开口量成正比。,31,三.液压伺服系统的基本元件,图示阀腔分析其轴向分量（径向力作用于阀套内表面）1.大小=,32,三.液压伺服系统的基本元件,=式中断面收缩系数流速系数=0.950.98=0.61，=69在不变时类似弹簧作用力。将上述系数代入计算可得,33,三.液压伺服系统的基本元件,当阀芯与阀套间存在径向间隙时2.方向入口液流在轴向的分速度为零，出口有向右的速度分量，即动量增量方向向右，说明液流受阀芯台肩端面向右的冲量（作用力向右），从而，根据牛顿第三定律，液流对阀芯的作用力向左。若流向相反，情况如何？（讨论）结论：稳态液流力的方向总是指向阀口关闭的方向。意义：类似对中弹簧的作用（负反馈），对阀的稳定工作有益。,34,三.液压伺服系统的基本元件,3.作用点环形腔内与液体接触的台肩端面，合力作用于轴线上。4.零开口四边滑阀稳态液流力两节流窗口匹配，故二力数值相同，方向亦相同。,35,三.液压伺服系统的基本元件,各节流窗口压差,36,三.液压伺服系统的基本元件,二、瞬态液流力阀芯在动态过程中，由于流经阀腔的流量在随时变化，而阀套与阀芯轴径所构成的环形通流面积不变，从而导致该环形腔中流速发生改变，即液流存在加速度（阀芯受来自阀腔的作用力），该力的反作用力作用于阀芯，此即瞬态液流力。瞬态液流力的大小与阀芯运动速度成正比。,37,三.液压伺服系统的基本元件,1.大小式中：环形腔有效通流面积液流被加速段长度,38,三.液压伺服系统的基本元件,（,不变时）为阻尼力,：瞬态液流力阻尼系数,2.方向,与液流加速度方向相反,39,三.液压伺服系统的基本元件,意义：对阀芯的运动产生一种类似阻尼的作用。若与阀芯运动方向相反，为正阻尼，相应的称为正阻尼长度；若与阀芯运动方向相同，则为负阻尼，相应的称为负阻尼长度。可见，该瞬态液流力对系统的稳定性有影响。3.作用点阀芯轴线,40,三.液压伺服系统的基本元件,三、滑阀总轴向力,41,三.液压伺服系统的基本元件,滑阀的输出功率与效率一、滑阀输出功率最大时的负载压力（零开口四边阀）,由介值定理，在,输出功率有极大值,42,三.液压伺服系统的基本元件,二、不同型式油源条件下滑阀的效率以下均以零开口四边滑阀为例1.变量泵2.定量泵,43,喷嘴挡板阀,44,三.液压伺服系统的基本元件,一、单喷嘴挡板阀滑阀式放大元件有一些固有的缺点，如：阀芯质量较大惯量大，阀芯的固有频率就低；阀芯与阀套间不可避免地有摩擦力；加工困难，希望能有惯性小、无(或小)摩擦、易加工的液压放大元件，本节所要探讨的喷嘴-挡板阀，就能满足这一要求。,45,三.液压伺服系统的基本元件,1.工作原理如图所示，由于，所以.而的高低取决于的流量值的大小。当阀板处于零位时，.挡板上移，因为喷嘴处的过流面积减小，所以升高，从而驱动活塞向上运动；反之，活塞向下运动。,46,三.液压伺服系统的基本元件,2.切断负载时的特性如果喷嘴-挡板阀没有流量输出，即，挡板位移的变化只引起压力的变化，则压力和位移的函数关系就是切断负载时的特性，亦称压力特性。此时，因此,47,三.液压伺服系统的基本元件,从而所以上式称为切断负载时的特性方程，其曲线如图,48,三.液压伺服系统的基本元件,令式中压力灵敏度（为喷嘴与挡板之间的间隙）注：,49,三.液压伺服系统的基本元件,求极值得,喷嘴被堵死,即,时喷嘴挡板阀的压力增益最大,50,三.液压伺服系统的基本元件,3.压力流量关系方程无因次化方程,51,三.液压伺服系统的基本元件,52,三.液压伺服系统的基本元件,3.零位阀系数,53,三.液压伺服系统的基本元件,5.零位泄漏流量6.液流力假设：喷嘴端部为锐边挡板偏转角度很小（）,54,三.液压伺服系统的基本元件,挡板受作用力由静压力与动量变化作用力构成。求解：取，两缓变流断面，列柏努利方程：,可忽略左端第二项,55,三.液压伺服系统的基本元件,有,56,三.液压伺服系统的基本元件,所以液流力弹簧刚度,57,三.液压伺服系统的基本元件,零位刚度：为负刚度，可能引起阀的失稳。,58,三.液压伺服系统的基本元件,双喷嘴挡板阀1.工作原理,59,三.液压伺服系统的基本元件,2.压力流量关系方程,60,三.液压伺服系统的基本元件,无因次化方程,61,三.液压伺服系统的基本元件,特性曲线如图由图形可见，线性是相当好的，与正开口四通阀的特性类似。,62,三.液压伺服系统的基本元件,3.零位阀系数,63,三.液压伺服系统的基本元件,比较双喷嘴-挡板阀与单