二通插装阀基础理论-液阻理论

1、中国机械工程学会流体传动与控制分会液压集成控制技术高级研讨会2006.3 广州液压控制的基本要素“液阻” 液压控制的基本对象“受控腔” 液压控制的基本组合“单受控腔阻力回路” 液压桥路 二通插装阀是“单个控制液阻” 二通插装阀基本控制回路的液阻结构 二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则” “液阻理论液阻理论”概要概要“液压阻力回路系统学液压阻力回路系统学”的提出的提出(1)长期以来，液压控制元件和系统的多样性使它们缺乏一种统一的长期以来，液压控制元件和系统的多样性使它们缺乏一种统一的理论和方法来评价和导出各种控制和调节回路，更难对由这些控制和调理论和方法来评价和导出各种控制和调节回路

2、，更难对由这些控制和调节元件组成的各种组合进行指导和分析综合。节元件组成的各种组合进行指导和分析综合。上世纪六十年代，上世纪六十年代，美国Blackburn等在“Fluid Power Control”中也已经察觉到这种情况。因此，在该著作中已经开始提出“电一液类比”，并明确提出：“任何一个控制阀所作的工作，就是把控制阀装在一个管路里，它们改变在管路中的所引过去时的节流液阻”，“我们涉及的一些类型的控制阀，是包括一些固定节流孔和可变节流孔的排列组合”。“这些节流孔这样联在一起，使控制阀的运动部件因某种外来作用而确定位置时，这些节流孔能根据要求的方式来改变液流从能源到负载间它们所起的节流液阻作用

3、”。 “液压阻力回路系统学液压阻力回路系统学”的提出的提出(2)巴克教授于巴克教授于1973年出版了他所著的年出版了他所著的“Systematik Der hydraulischen Wiederstandschaltung in Ventilen und Regelkreise”一一书，该书采用了创新的观点和方法并可用来解析的液压控制元件的控制和书，该书采用了创新的观点和方法并可用来解析的液压控制元件的控制和调节的本质以及它们的组合原则，而且首次从理论上给出了复杂控制和调调节的本质以及它们的组合原则，而且首次从理论上给出了复杂控制和调节回路和系统的基本模型和组合原则，做到了与元件和系统的多样

4、性无关，节回路和系统的基本模型和组合原则，做到了与元件和系统的多样性无关，在液压控制技术上开了先河。在液压控制技术上开了先河。Backe则和则和Blackburn不同，非常明确定义了不同，非常明确定义了“液阻液阻”，控制回，控制回路的路的“液压桥路液压桥路”本质，液压检测和调节，流量及速度调节，压力及负载本质，液压检测和调节，流量及速度调节，压力及负载调节等等回路乃至复杂回路的调节等等回路乃至复杂回路的“液阻液阻”组合这些崭新的内容和提法，尤其组合这些崭新的内容和提法，尤其是首次对具有较多数量动作要求的工业液压传动系统进行阐述时，把是首次对具有较多数量动作要求的工业液压传动系统进行阐述时，把“

5、单单个控制阻力回路个控制阻力回路”的基本模型展现在工业界的面前，而这一模型对今后二的基本模型展现在工业界的面前，而这一模型对今后二通插装阀控制技术的形成和发展的意义是十分重要的。通插装阀控制技术的形成和发展的意义是十分重要的。 液压控制的基本要素液压控制的基本要素“液阻液阻”Backe认为，液压传动可以按它对流量控制方式的不同分为二类。认为，液压传动可以按它对流量控制方式的不同分为二类。一类是采用变量泵调节排量控制称为功率液压传动；一类是通过一类是采用变量泵调节排量控制称为功率液压传动；一类是通过调整液流阻力来实现对流量的控制称为控制液压传动。把液流阻调整液流阻力来实现对流量的控制称为控制液压

6、传动。把液流阻力控制的基本单元称为力控制的基本单元称为“液阻液阻”。“液阻液阻”可认为是收缩截面的可认为是收缩截面的阻力，是压差变化相对流量变化的比值：阻力，是压差变化相对流量变化的比值：R=dp/dQ牛顿牛顿米米/秒秒3典型的阻力有棱边阻力、毛细管阻力和间隙阻力。参见图典型的阻力有棱边阻力、毛细管阻力和间隙阻力。参见图2.2。技术上可控的阻力的控制通常通过零件相互间的机械运动来改变技术上可控的阻力的控制通常通过零件相互间的机械运动来改变通流截面和调整阻力长度。图通流截面和调整阻力长度。图2.3表示棱边阻力、毛细管型阻力表示棱边阻力、毛细管型阻力和间隙型阻力与压差的关系曲线。和间隙型阻力与压差

7、的关系曲线。 液压控制的基本对象液压控制的基本对象“受控腔受控腔”Backe认为，液流阻力控制的基本对象是一个认为，液流阻力控制的基本对象是一个“受控腔受控腔”（或称（或称“控制腔控制腔”）。在功率级（传动）中）。在功率级（传动）中“受控制受控制”即油缸或油马达即油缸或油马达的工作腔。在先导级（控制）中，的工作腔。在先导级（控制）中，“受控腔受控腔”表示为元件内部的表示为元件内部的控制腔，例如插装阀主阀的控制腔等。图控制腔，例如插装阀主阀的控制腔等。图2.6中给出了中给出了“受控腔受控腔”的基本结构。由图可见，的基本结构。由图可见，“受控腔受控腔”的受控参数一般是压力的受控参数一般是压力（P）

8、、流量（）、流量（Q）和液容（）和液容（V）。）。“受控腔受控腔”的输出参数一般为的输出参数一般为位移（位移（X）、速度（）、速度（X）和力（）和力（F）等。这些液压和机械参量通过）等。这些液压和机械参量通过阻力回路中的控制和调节结构互相联系、影响。阻力回路中的控制和调节结构互相联系、影响。液压控制的基本组合液压控制的基本组合“单受控腔组力回路单受控腔组力回路”Backe对该阻力控制回路作了以下定义：对该阻力控制回路作了以下定义：1）“液阻回路液阻回路”的基本控制对象是一个的基本控制对象是一个“受控腔受控腔”，每个，每个“受控腔受控腔”的控制至少需的控制至少需要二个液阻。一个为输入液阻，它同高

9、压级相连，控制进油阻力；一个为输出液阻，要二个液阻。一个为输入液阻，它同高压级相连，控制进油阻力；一个为输出液阻，它同低压级相连，控制排油阻力。它同低压级相连，控制排油阻力。2）每个输入或输出液阻均可由两个或两个以上的阻力并联或串联而成。）每个输入或输出液阻均可由两个或两个以上的阻力并联或串联而成。3）输入或输出液阻或其分阻力，均可通过任意的控制信号加以改变或者通过系统中）输入或输出液阻或其分阻力，均可通过任意的控制信号加以改变或者通过系统中另一些液压和机械参量（如位置、速度、压力、负载等）加以影响。另一些液压和机械参量（如位置、速度、压力、负载等）加以影响。4）输入和输出阻力及其分阻力能连续

10、调节和非连续操纵。一般情况下。阻力值均是）输入和输出阻力及其分阻力能连续调节和非连续操纵。一般情况下。阻力值均是从一个确定值从一个确定值P0起升高或降低。控制范围是：起升高或降低。控制范围是：0 RO 5）如果不考虑容积传动的换向要求，则传动只需设置一个）如果不考虑容积传动的换向要求，则传动只需设置一个“受控腔受控腔”，当采用可逆，当采用可逆的容积传动（双作用油缸或油马达）则要求有二个的容积传动（双作用油缸或油马达）则要求有二个“受控腔受控腔”，两腔生产相反的力和，两腔生产相反的力和力矩。力矩。Backe对对“阻力阻力”、“受控腔受控腔”和和“阻力回路阻力回路”的定义和解释具有特别重要的意义，

11、的定义和解释具有特别重要的意义，这是一种新的概念和发展。这是一种新的概念和发展。 液压桥路液压桥路“液压桥路液压桥路”的概念在二通插装阀控制中常用于分析：的概念在二通插装阀控制中常用于分析：1）先导控制级的液阻特征，此时主级阀芯的控制腔为）先导控制级的液阻特征，此时主级阀芯的控制腔为“受控腔受控腔”，先导液阻网络和控制元件（阻力）构成阻力回路。图先导液阻网络和控制元件（阻力）构成阻力回路。图2.9展示展示3几种几种比例控制器件中的先导级比例控制器件中的先导级“液压半桥液压半桥”（B）。）。2）压力和流量控制元件的液阻组合，此时控制腔是执行机构（油）压力和流量控制元件的液阻组合，此时控制腔是执行

12、机构（油缸、油马达）中的某一工作腔（参见后图）。缸、油马达）中的某一工作腔（参见后图）。3）换向控制元件及其与压力、流量控制的综合。此时明显地表现）换向控制元件及其与压力、流量控制的综合。此时明显地表现出出“受控腔受控腔”中分阻力或其功能的叠加（参见后图）。中分阻力或其功能的叠加（参见后图）。 二通插装阀是二通插装阀是”单个控制液阻单个控制液阻”二通插装阀与传统的二通插装阀与传统的“单个元件单个元件”具有本质上的不同，具有本质上的不同，作为回路组合中最基本的最小可分构件，它不再是一作为回路组合中最基本的最小可分构件，它不再是一种完全独立的元件，而是一种可插装于控制块中的一种完全独立的元件，而是

13、一种可插装于控制块中的一个独立可控的液阻单元，个独立可控的液阻单元，“液阻理论液阻理论”把二通插装阀把二通插装阀称为称为“单个控制液阻单个控制液阻”，它的控制结构简图见图，它的控制结构简图见图2.11“单个元件单个元件”和和“单个控制液阻单个控制液阻”的概念提出，明的概念提出，明显地区分了传统控制和二通插装阀控制是二种根本不显地区分了传统控制和二通插装阀控制是二种根本不同的控制方案。同的控制方案。二通插装阀基本控制回路的液阻结构二通插装阀基本控制回路的液阻结构 “受控腔受控腔“的阻力回路是液压控制中最基本的组合。根据二的阻力回路是液压控制中最基本的组合。根据二通插装阀的实际情况作为输入和输出的

14、二个阻力结构已具体通插装阀的实际情况作为输入和输出的二个阻力结构已具体化为插装阀控制的基本单元，是工程化的二通插装阀的基本化为插装阀控制的基本单元，是工程化的二通插装阀的基本控制组合，是控制组合，是 “三通回路三通回路”。几乎所有的二通插装阀控制。几乎所有的二通插装阀控制系统都可以由这一基本回路进行扩展、变形并组合。系统都可以由这一基本回路进行扩展、变形并组合。 因此，只需稍加改变，就可以全部引用因此，只需稍加改变，就可以全部引用“阻力回路阻力回路”的一般的一般定义，并以此作为二通插装阀控制回路和系统组合的理论基定义，并以此作为二通插装阀控制回路和系统组合的理论基础。础。 二通插装阀控制回路和

15、系统的组合及二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则最少液阻原则” (1)单个元件回路的特征单个元件回路的特征1)地地“单个元件回路单个元件回路”中中“单个元件单个元件”的数量是由负载控制功能的数目决定的，回路的数量是由负载控制功能的数目决定的，回路越复杂，单个元件数目越多。越复杂，单个元件数目越多。 2) “单个元件单个元件”的尺寸规格取决于回路中最大的工作流量。的尺寸规格取决于回路中最大的工作流量。 3)当油缸的二个当油缸的二个“受控腔受控腔”在进油和排油方向上的控制要求不同时必须单独设置单向在进油和排油方向上的控制要求不同时必须单独设置单向阀元件，各元件的部份功能在某一方向上产生重

16、复并增加阻力。阀元件，各元件的部份功能在某一方向上产生重复并增加阻力。 4)保留了保留了“单个元件单个元件”的固有缺点（特别是换向滑阀），它们是：滑阀不可避免具有的固有缺点（特别是换向滑阀），它们是：滑阀不可避免具有内泄漏，不适用于高水基介质。滑阀轴向封油和多台肩致使尺寸结构偏大，对污染、内泄漏，不适用于高水基介质。滑阀轴向封油和多台肩致使尺寸结构偏大，对污染、轴向卡紧力每感，开关特性差，阀口阻力大不适宜于高压大流量，无法实现多功能多轴向卡紧力每感，开关特性差，阀口阻力大不适宜于高压大流量，无法实现多功能多种形式的大规模集成控制或模块化控制。而且，单个元件及其回路一旦确定难以通过种形式的大规模

17、集成控制或模块化控制。而且，单个元件及其回路一旦确定难以通过内部调整来改变控制功能。元件品种规格过多，对设计、制造和使用管理带来不便等内部调整来改变控制功能。元件品种规格过多，对设计、制造和使用管理带来不便等等。等。 二通插装阀控制回路和系统的组合及二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则最少液阻原则” (2)从从“液阻理论液阻理论”出发不难看出，形成单个元件回组合方法这些特出发不难看出，形成单个元件回组合方法这些特点的主要因素是二个：点的主要因素是二个：A、“单个元件单个元件”回路组合中，四通换向阀是主要的控制元件。回路组合中，四通换向阀是主要的控制元件。由于它的由于它的“四边滑阀四边

18、滑阀”实质上是一种刚性牵连强制同步的实质上是一种刚性牵连强制同步的“四臂四臂液阻液阻”，因此丧失了各个控制边（阻力）的单个可控性。这是形，因此丧失了各个控制边（阻力）的单个可控性。这是形成成的主要原因。的主要原因。B、单个元件组合中最基本的控制组合是四边滑阀、单个元件组合中最基本的控制组合是四边滑阀+双向可控执行双向可控执行器的器的“液压全桥液压全桥”组合，并且实际上被固定为四边对称的结构组合，并且实际上被固定为四边对称的结构（“四边滑阀四边滑阀”的结构决定了这一特点），这对于工程中大量的的结构决定了这一特点），这对于工程中大量的“单向可控执行器单向可控执行器”以及非对称控制要求的以及非对称控

19、制要求的“双向可控执行器双向可控执行器”（如图（如图2.13中油缸）的控制来说是带本质性的缺陷的。中油缸）的控制来说是带本质性的缺陷的。 二通插装阀控制回路和系统的组合及二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则最少液阻原则” (3)单个控制液阻回路的特征单个控制液阻回路的特征同同“单个元件组合回路单个元件组合回路”相比，相比，“单个控制液阻回路单个控制液阻回路”对传统液压控制中的基本要素和组对传统液压控制中的基本要素和组合进行根本性的变革，并且确定了一些新的原则。合进行根本性的变革，并且确定了一些新的原则。 A，用，用“液阻液阻”及其组合来统一对液压控制元件的控制结构进行描述。及其组合来

20、统一对液压控制元件的控制结构进行描述。 B，对液压控制回路的基本组合和要素进行了根本性的变革。，对液压控制回路的基本组合和要素进行了根本性的变革。 传统控制中传统控制中“液压全桥液压全桥”是最基本的控制组合，但是大量的工程实践表明，每个是最基本的控制组合，但是大量的工程实践表明，每个“受控腔受控腔”才是最基础的控制对象，而由一个才是最基础的控制对象，而由一个“受控腔受控腔”同由二个单个控制液阻组成的同由二个单个控制液阻组成的“液压半桥液压半桥”的组合才是最基本的控制组合。也就是说传统的由的组合才是最基本的控制组合。也就是说传统的由“四边滑阀四边滑阀”同双向可控执行器的同双向可控执行器的“液液压

21、全桥压全桥”组合，都应当可以进行进一步的分割。组合，都应当可以进行进一步的分割。对传统方式控制组合的分割及控制阻力的分离，从而使一种新概念和新方法得到了确立。对传统方式控制组合的分割及控制阻力的分离，从而使一种新概念和新方法得到了确立。这对中、大功率液压控制无疑具有重要的意义，同时也丰富和发展了传统液压控制技术。这对中、大功率液压控制无疑具有重要的意义，同时也丰富和发展了传统液压控制技术。 单个控制液阻回路的特点单个控制液阻回路的特点A液压回路中对负载控制功能的满足可以通过对单个控制阻力的选择来实现。液压回路中对负载控制功能的满足可以通过对单个控制阻力的选择来实现。 B、单个控制阻力都做成独立

22、的分结构，并按对进油和回油的控制分为输入阻力、单个控制阻力都做成独立的分结构，并按对进油和回油的控制分为输入阻力和输出阻力，各司其职。和输出阻力，各司其职。C、在各油路输入和输出工作流量不同时，主级规格可按实际流量选择。、在各油路输入和输出工作流量不同时，主级规格可按实际流量选择。D、各个单个控制液阻可以通过先导控制实现比较柔软的液阻切换，各动作也可、各个单个控制液阻可以通过先导控制实现比较柔软的液阻切换，各动作也可加以控制加以控制 。E、控制回路附加的优点是具有对受控腔压力的自动保护功能。、控制回路附加的优点是具有对受控腔压力的自动保护功能。F、由于单个控制阻力采用了单个座阀的结构，因此具有

23、座阀控制的一系更优点：、由于单个控制阻力采用了单个座阀的结构，因此具有座阀控制的一系更优点：无泄漏无泄漏; 实用于低粘度介质实用于低粘度介质; 控制功率不受限制控制功率不受限制; 静静,动态特性好动态特性好, 耐污染。容易实耐污染。容易实现比例控制现比例控制,数字控制等数字控制等”软软”的控制及工艺性好。的控制及工艺性好。二通插装阀控制回路和系统的组合及二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则最少液阻原则” (4)液压控制回路组合的液压控制回路组合的“最少液阻原则最少液阻原则” “单个控制液阻回路单个控制液阻回路”的组合，实际上遵循了一个基本的组合原的组合，实际上遵循了一个基本的组合原则

24、，作者把它定名为则，作者把它定名为“最少液阻原则最少液阻原则”。 “最少液阻原则最少液阻原则”可以概述为：可以概述为：在采用通过调整液流阻力进行流量控制的在采用通过调整液流阻力进行流量控制的“控制液压传动控制液压传动”中，中，全部可控执行器的全部可控执行器的“受控腔受控腔”控制回路都可以通过最少或较少的控制回路都可以通过最少或较少的液阻来加以组成。液阻来加以组成。这应当成为评价液压控制回路和系统设计合理性的基本原则之一。这应当成为评价液压控制回路和系统设计合理性的基本原则之一。并作为并作为“液阻理论液阻理论”的重要内容之一。的重要内容之一。 二通插装阀控制回路和系统的组合及二通插装阀控制回路和系统的组合及“最少液阻原则最少液阻原则” (5)“液压阻力回路系统学