第五章液阻

1、第4章 三级插装阀组5.1 液阻基本理论5.1.1 概述从广义上来说，凡是能局部改变液流的流通面积使液流产生压力损失或在压力差一定的情况下，分配调节流量的液压阀口以及类似的结构，如薄壁小孔、短孔、细长孔、缝隙等，都称之为液阻。从这个广义的概念，我们可以看到液阻的本质性功能就是两个方面：隔压是其阻力特性（液阻前后的压力可以差别很大），限流是其控制特性（改变液阻的大小可以改变通过的流量）。对于液阻来说，通过液阻的流量与液阻两端的压差往往为非线性关系，通过液阻的流量与压差的关系一般情况下可以用式(5.1-1)表示 (5.1-1)式中 k系数，与液阻的过流通道形状和液体性质有关；A液阻过流截面积；m指

2、数，与液阻结构形式有关。图1-1显示指数m=0.5时液阻的流量压力特性。借鉴电子学对非线性电阻的定义,可以引出静态液阻R和动态液阻的概念，其定义如下 (5.1-1)(5.1-1)静态液阻是液阻两端压差对流量的比值，它是液阻对稳态流体阻碍作用的一种度量；动态液阻是液阻两端压差微小增量与流量微小增量的比值，它是液阻对动态流体阻碍作用的一种度量。其计算公式见式(5.1-2)(5.1-3) 公式 (5.1-2) 公式 (5.1-3)图5·1-1 液阻特性5.1.2 液阻的分类及计算1液阻的分类在液压元器件中，液阻的结构形式主要有三种，即薄刃型、细长孔型以及介于薄刃型和细长孔型之间的混合型结构

3、。这三种液阻的结构见图5.1-2a、b、c。图5.1-2 三种液阻的结构形式薄刃型液阻()的压力损失要是局部阻力损失，其流量与压差的关系为非线性，薄刃型液阻的阻值与流量或压差有关。细长孔型液阻()的压力损失主要是沿程阻力损失，这种阻力损失主要由油液粘性摩擦所引起，细长孔内的流动状态通常为层流，流量与压差成线性关系，其液阻值与压差无关，为常值。混合型液阻的流量与压差的关系难以从流体力学的基本原理导出。在国内教材中，对于这种液阻，其压力流量特性大多数推荐使用Shin公式。Shin公式 式中 d为液阻直径，为流体密度，L为液阻通流孔长度，为流体运动粘度，显然混合型液阻值R与压差有关。液阻按其性质分类

4、，分为三种：固定液阻，可调液阻和可控液阻。固定液阻是指液阻的开度或孔径不变；可调液阻是指液阻可以直接用手动或机构调节其开度；可控液阻是指液阻可以用控制信号通过电磁铁等对其实行控制，其开度不是由输入确定，而是由阀芯受力平衡决定。2液阻的相关参数及计算对于液阻来说，通过液阻的流量与液阻两端的压差往往为非线性关系，通过液阻的流量与压差的关系一般情况下可用下式表示 (5.1-4)静态液阻和动态液阻一般都是压差或流量的函数。由式(5.1-4)可得，静态液阻的阻值为 （5.1-5）动态液阻的阻值为 (5.1-6)对于薄刃型非线性液阻来说，其流量压力特性为 (5.1-7)它的静态液阻为 (5.1-8)它的动

5、态液阻为 (5.1-9)对于这三种典型液阻形式，它们的流量压力特性与液阻公式见表(5.1-1)。表5.1-1 三种典型液阻的流量压力特性与液阻公式5.2 液压阻力回路5.2.1液阻网络概述1半桥液阻网络概述用锥阀和固定液阻控制的单作用液压缸的原理图见图5.2-1a、b。液压缸的一端作用着液压力，另一端为弹簧力和负载F，通过调节锥阀阀芯的行程可以控制活塞的运动速度，在该液阻网络中，是固定液阻，锥阀口是可变液阻，液阻网络的输入压力为，输出压力为，将该液阻网络用液阻符号表示，其原理如图5.2-1b所示。与桥类相似，称该液阻网络为半桥液阻网络。图5.2-1 半桥液阻网络2 全桥液阻网络概述用4边滑阀控

6、制双活塞杆液压缸的结构示意图见图5.2-2a、b。在图5.2-2a中，阀芯和阀体之间形成4个阀口，每个阀口就是一个液阻，因此，共形成了4个阻值可控的液阻、和；为滑阀的输入，、为滑阀的输出，4边滑阀形成的液阻网络系统用可变液阻符号表示如图5.2-2b所示。称该液阻网络为全桥液阻网络。液阻值的大小由移动阀芯来控制，移动阀芯的力可以是液压力、气压力、电磁力或机械力。图5.2-2 全桥液阻网络3 桥液阻网络桥液阻网络由3个液阻构成，由于其原理图形似希腊字母，故得其名。桥液阻网络由、组成，它有1个输入控制口、，两个输出控制口、和、，类似半桥的分类方法，根据、为固定或可变液阻，可将桥分为7种类型，分别用A

7、、B、C、D、E、F、G表示，各类桥液阻如图5.2-3ag所示，其中A型桥的3个液阻都是可变液阻，B、C、D型桥均有两个可变液阻，1个固定液阻。E、F、G型桥有1个可变液阻，2个固定液阻，因此，E、F、G型桥的结构最简单。图5.2-3 桥液阻回路5.2.2半桥液阻网络特性及应用1.结构分析半桥液阻网络按照液阻为可变或固定及排列方式不同可将其分为4种类型，其中型半桥2个液阻都是可变液阻，B型半桥的是固定液阻，是可变液阻，C型半桥的是可变液阻，是固定液阻；D型半桥的两个液阻和都是固定液阻，只能作为分压网络使用。A、B、C、D四种半桥液阻网络原理如图5.2-4a、b、c、d所示。缺少d2.流量压力特

8、性A型半桥液阻的流量压力曲线如图5.2-4所示以为参变量，的流量压力特性曲线如图5.2-4所示，图中横坐标为，纵坐标为，参变量的值从-1至1，该曲线族表示y为常数时，半桥液阻网络输出口压力与输出流量的关系。显然，输出口压力增加时，输出流量必然减小，流量压力特性曲线越平坦，说明输出流量受外载荷的影响较小。图5.2-4 半桥液阻的流量压力曲线3.压力增益半桥液阻的压力增益曲线如图5.2-5所示图5.2-5 半桥液阻的压力增益曲线4.流量增益A型半桥液阻的流量增益曲线如图5.2-6所示5.2-6 半桥液阻的流量增益曲线5.半桥液阻在元件中的应用半桥液阻网络目前广泛用在液压控制阀和泵的先导控制回路中，

9、或在液阻网络中作为分压之用。（1） B型半桥先导回路溢流阀图5.2-为广泛使用的B型半桥先导回路溢流阀的结构图，图5.2-为该阀结构原理图。该阀由主阀和先导阀组成，在主阀口到先导阀口之间安装了一个液阻，图5.2-7中当主阀进口压力低于溢流阀调定压力时，主阀和先导阀在各自弹簧力的作用下处于关闭状态，此时液阻没有油液流过，主阀进口压力和先导阀口压力相等，主阀芯上下端压力也相等。当增加，使作用在先导阀芯右端的液压力大于先导阀芯左端的弹簧力，先导阀打开，油液通过和先导阀口流回油箱，此时前段的压力大于后端的压力，且压力差随着先导流量的增加而加大，当此压力差达到一定值时，主阀在该压力差的作用下克服主阀弹簧

10、力向上移动，主阀打开，大量的油液通过主阀口流回油箱，使主阀进口压力不再增大，实现液压系统的安全保护。图5.2-7 半桥液阻回路稳态特性对于图5.2-7a所示的溢流阀结构，在先导回路中，第一个液阻是固定液阻，第二个液阻为先导阀口是可变液阻。对先导回路而言，主阀芯是先导回路控制的执行元件，主阀芯上腔的压力由先导回路控制输出口压力决定。显然，这是一个典型的B型半桥先导回路。该阀的稳态压力流量特性曲线如图5.2-8所示。图中为先导阀开启压力，为溢流阀通过额定溢流量时的压力，称为稳态压力超调量，称为稳态压力超调率。由于稳态液动力和弹簧力的影响，这种阀存在较大的稳态压力超调量，一般溢流阀的稳态压力超调率为

11、10%17%。溢流阀的稳态特性曲线忽略作用在先导阀芯上的稳态液动力，可写出阀芯的力平衡方程、液阻的压力流量方程以及流量连续性方程。先导回路液阻及先导阀口的压力流量方程 （2-7） （2-8）先导阀芯力平衡方程 （2-9）主阀芯力平衡方程 (2-10)主阀口压力流量方程（2-11）（2-12）式中 液阻的液导（）；先导阀阀口系数（）；主阀阀口系数（）；先导阀口轴向开口量（m），by为该阀口的液导；主阀下端和上端有效作用面积()；先导阀座有效面积； 先导阀弹簧刚度（/）；先导阀弹簧预压缩量（m）；x主阀口轴向开口量；主阀弹簧刚度（/）；主阀弹簧预压缩量（）；主阀稳态液动力系数（）；根据上述6个方程

12、，可以解出与的函数关系，但该方程组为非线性方程，难以直接计算，通过将上述方程线性化，然后确定与之间的关系，任取、作为稳定工作点进行讨论。将式（2-7）式（2-12）进行线性化，并考虑到稳态时，得到 （2-13） （2-14） （2-15） (2-16)（2-17）（2-18）联立以上线性化后的6个方程，即可得到与的函数关系。5.2.3全桥液阻网络特性及应用1.结构分析全桥液阻网络可以看作是两个半桥液阻网络的组合，全桥液阻网络共有9种结构形式，各种全桥液阻网络如图5.2-8ai所示。图中，空心箭头代表该液阻的阻力随y值的增加而减小，而实心箭头代表该液阻的阻力随y值的增加而增大。型全桥液阻网络由两

13、个A型半桥并联而成，型全桥液阻网络左边是A型半桥液阻网络，右边是B型半桥液阻网络，其他全桥液阻网络的名称也是一样，分别表示由两个半桥液阻网络并联而成。图5.2-8 全桥液阻回路2. 流量压力特性 全桥液阻网络有2个输出控制口，用于分别控制液压缸的两瑞，研究液阻网络的特性是为了更好地对液压缸进行控制，因此首先要了解控制液压缸运动的一些基本要求。 (1)液压缸的运动速度与阀芯的位移成线性关系，以便提高液压缸的控制精度，简化控制方法。 (2)液压缸的运动速度受负载的干扰小，即当液压缸的负载变化时，液比缸的运动速度尽可能保持不变。 (3)液压缸速度曲线零位死区小。 (4)阀芯在零位时，泄漏小。 分析全

14、桥液阻网络的特性时，主要分析负载流量(与液压缸速度成正比)、负载压力与阀芯位移的关系。下面以A+A型全桥液阻网络为例，分析其流量压力特性，A+A型全娇液阻网络如图312所示。设液阻为棱边型液阻，可写出流量压力方程（3-14）式中进入和流出液压缸的流量，称为负载流量。 式(314)是对称且匹配的四通滑阀的一般表达式，仍然以阀口预开口量为阀口开度的参考量，以恒压进油压力为控制压力的参考量，控制流量的参考量按最大流量计算，即阀口全关，负载压力，而控制阀和的压力为，此时（3-15）将式(314)两边分别除以和，令，,，则有 （3-17）式(317)是A+A型全桥液阻网络的量纲一的流量压力公式。表31列

15、出了各种全桥液阻网络的流量压力特性公式。全桥液阻的流量压力曲线如图5.2-9所示图5.2-9 全桥液阻的流量压力曲线3.静态特性参数对称系统特性线族如图5.2-10所示图5.2-10 对称系统特性线族特性参数1A+A型全桥液阻网络流量增益 当供油压力恒定，负载压力为常数时，全桥液阻网络的负载流量与阀芯位移的关系称为负载流量一位移特性，即A+A型全桥液阻网络的负载流量位移特性如图316所示。显然，负载流量位移特性是直线族，但负载压力不同时，各直线的斜率是不同的。当时，负载流量与阀芯位移的关系称为空载流量特性，表示为。空载流量特性曲线的斜率 反映了流量随y变化的灵敏度。对于全桥液阻网络，当和y=0

16、时，定义流量特性曲线的斜率为流量增益，它是全桥液阻网络的特征参数。 （3-14）对于A+A型全桥液阻网络，由方程（3-14）两边分别对和y求偏导数，有经整理得 （3-35） 2A+A型全桥液阻网络压力增益特性 当供油压力恒定，负载流量为常数时，负载压力与阀芯位移的关系称为负载压力一阀芯位移特性，表示为,如图313和图315所示。当负载流量为零时，负载压力与阀芯位移的关系称为压力增益特性，表示为。压力增益特性曲线的斜率反映压力随y变化的灵敏度，在曲线的不同点，其斜率是变化的。对全桥液阻网络，定义和y=0时，压力增益特性曲线的斜率为压力增益，压力增益也是全桥液阻网络的特征参数。（3-36） 对于A

17、+A型全桥液阻网络，由方程(314)两边分别对和y求偏导数，整理得（3-38） 3A+A型全桥液阻网络的流量压力特性 供油压力恒定，负载流量与负载压力、阀芯位移的关系称为流量压力特性。表示为，如图317所示。阀芯位移定时，流量压力特性曲线的斜率反映流量随压力变化的灵敏度，在曲线的不同点，其斜率是变化的对全桥液阻网络，定义、和y=0的斜率为流量压力系数，它也是全桥液阻网络一个重要的特征参数对式（3-14）两边求偏导数，并将代入得上面从式(314)直接推导出了A+A型全桥液阻网络特性参数，即压力增益、流量增益和流量压力系数，其他类型全桥液阻网络的特性参数也可以依此方法得到。但还有一种更简便的方法计

18、算全桥液阻网络的特性参数，如前所述，全桥是由半桥组合而成的，全桥的压力增益和流量增益可将半桥特型参数按叠加法则计算。(1)全桥液阻网络的压力增益等于2个半桥液阻网络的压力增益之代数和。(2)全桥液阻网络的流量增益等于2个半桥液阻网络流量增益的平均值。注意到C型半桥，随着阀芯位移y的增加其可变液阻的阻值是减小的。而且本章的c型半桥，随着阀芯位移y的增加，其可变液阻的阻值是增加的，因而本章C型半桥的压力增益和流量增益为正值。另外D型半桥无可变液阻，其压力增益和流量增益力零。按叠加法则求得的9类全桥液阻网络特性值如表32所示。公式 式5.2-1 非对称系统特性线族如图5.2-11所示图5.2-11

19、非对称系统特性线族特性参数公式 式5.2-2 作为控制型液阻网络，除了要求有大的流量增益和压力增益外，为了使被控液压件按照给定的速度曲线运行，还希望全桥液阻网络具有对称结构，使两个方向的控制信号能产生数值相同、符号相反的负载压力和负载流量，以便简化控制算法。从卜述两点出发，A+A型全桥液阻网络就成为液压伺服阀主阀普遍选用的液阻网络结构形式。其次是B+B型液阻网络在伺服阀的先导级中有效广泛的应用。C+C型全桥液阻网络特性参数虽然与B+B型全桥液阻网络相同，但当C+C型全桥液阻网络的可变液阻关闭时，两个控制口通过固定液阻与油箱相通，存在不可控性，因而公程上跋不用C+C型全桥液阻网络作为控制网络。

20、至于其他的全桥液阻网络，如A+D、B+D、C+D型全桥液阻网络，由于结构的非对称性为非线性特性，使得精确的运动控制算法变得复杂，所以在伺服控制中般不予采用。但随着控制理论与计算机技术的不断进步。可以通过控制算法来弥补这些全桥液阻网络由于其非对称性和非线性特性引起控制精度不高的缺陷，而且这些全桥液阻网络由于可变液阻少，机械加工简单，可以降低伺服阀的费用，相信它们在将来会有一定的发展。4.全桥液阻在元件中的应用层流阻力回路，采用和锐边控制缝隙类似的办法，到处下列表达式作为全桥的系统特性值：公式 式5.2-3（1）直接位置反馈型电液伺服阀直接位置反馈型电液伺服阀的主阀芯与先导阀芯构成直接位置比较和反

21、馈，其工作原理如图7.25所示。图中，先导阀直径较小，直接由动圈式力马达的线圈驱动，力马达的输入电流约为0±300mA。当输入电流I=0时，力马达线圈的驱动力Fi=0，先导阀芯位于主阀零位没有运动；当输入电流逐步加大到I=300mA时，力马达线圈的驱动力也逐步加大到约为40N，压缩力马达弹簧后，使先导阀芯产生位移约为4mm；当输入电流改变方向，I=-300mA时，力马达线圈的驱动力也变成约-40N，带动先导阀芯产生反向位移约-4mm。上述过程说明先导阀芯的位移x芯与输入电流I成比例，运动方向与电流方向保持一致。先导阀芯直径小，无法控制系统中的大流量；主阀芯的阻力很大，力马达的推力又不

22、足以驱动主阀芯。解决的办法是，先用力马达比例地驱动直径小的导阀芯，再用位置随动（直接位置反馈）的办法让主阀芯等量跟随先导阀运动，最后达到用小信号比例地控制系统中的大流量之目的。设计时，将主阀芯两端容腔看成为驱动主阀芯的对称双作用液压缸，该缸由先导阀供油，以控制主阀芯上下运动。由于先导阀芯直径小，加工困难，为了降低加工难度，可将先导阀上用于控制主阀芯上下两腔的进油阀口由两个固定节流孔代替，这样先导阀可看成是由两个带固定节流孔的半桥组成的全桥。为了实现直接位置反馈，将主阀芯、驱动油缸、先导阀阀套三者做成一体，因此主阀芯位移xP（被控位移）反馈到先导阀上，与先导阀套位移x套相等。当导阀芯在力马达的驱

23、动下向上运动产生位移x芯时，导阀芯与阀套之间产生开口量x芯-x套，主阀芯上腔的回油口打开，压差驱动主阀芯自下而上运动，同时先导阀口在反馈的作用下逐步关小。当导阀口关闭时，主阀停止运动且主阀位移xP=x套=x芯。反向运动亦然。在这种反馈中，主阀芯等量跟随先导阀运动，故称为直接位置反馈。图7.26(a)是DY系列直接位置反馈型电液伺服阀的结构图。上部为动圈式力马达，下部是两级滑阀装置。压力油由P口进入，A、B口接执行元件，T口回油。由动圈7带动的小滑阀6与空心主滑阀4的内孔配合，动圈与先导滑阀固连，并用两个弹簧8、9定位对中。小滑阀上的两条控制边与主滑阀上两个横向孔形成两个可变节流口11、12。P

24、口来的压力油除经主控油路外，还经过固定节流口3、5和可变节流口11、12，先导阀的环形槽和主滑阀中部的横向孔到了回油口，形成如图7.26(b)所示的前置液压放大器油路(桥路)。显然，前置级液压放大器是由具有两个可变节流口11、12的先导滑阀和两个固定节流口3、5组合而成的。桥路中固定节流口与可变节流口连接的节点a、b分别与主滑阀上、下两个台肩端面连通，主滑阀可在节点压力作用下运动。平衡位置时，节点a、b的压力相同，主滑阀保持不动。如果先导滑阀在动圈作用下向上运动，节流口11加大，12减小，a点压力降低，b点压力上升，主滑阀随之向上运动。由于主滑阀又兼作先导滑阀的阀套(位置反馈)，故当主滑阀向上

25、移动的距离与先导滑阀一致时，停止运动。同样，在先导滑阀向下运动时，主滑阀也随之向下移动相同的距离。故为直接位置反馈系统。这种情况下，动圈只需带动小滑阀，力马达的结构尺寸就不至于太大。以滑阀作前置级的优点是：功率放大系数大，适合于大流量控制。其缺点是：滑阀阀芯受力较多、较大，因此要求驱动力大；由于摩擦力大，使分辨率和滞环增大；因运动部分质量大，动态响应慢；公差要求严，制造成本高。（2）喷嘴挡板式力反馈电液伺服阀喷嘴挡板式电液伺服由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分为两级。第一级是双喷嘴挡板阀，称前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称功率放大级（主阀）。由双喷嘴挡板阀构成

26、的前置级如图7.27所示，它由两个固定节流孔、两个喷嘴和1个挡板组成。两个对称配置的喷嘴共用一个挡板，挡板和喷嘴之间形成可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧支承，且可绕支点偏转，挡板的由力矩马达驱动。当挡板上没有作用输入信号时，挡板处于中间位置零位，与两喷嘴之距均为x0，此时两喷嘴控制腔的压力P1与P2相等。当挡板转动时，两个控制腔的压力一边升高，另一边降低，就有负载压力PL(PL=P1-P2)输出。双喷嘴挡板阀有四个通道(一个供油口，一个回油口和两个负载口)，有四个节流口(两个固定节流孔和两个可变节流孔)，是一种全桥结构。力反馈型喷嘴挡板式电液伺服的工作原理如图7.28所示。主阀芯两端容腔可看成

27、是驱动主滑阀的对称油缸，由先导级的双喷嘴挡板阀控制。挡板5的下部延伸一个反馈弹簧杆11，并通过一钢球与主阀芯9相连。主阀位移通过反馈弹簧杆转化为弹性变形力作用在挡板上与电磁力矩相平衡（即力矩比较）。当线圈13中没有电流通过时，力矩马达无力矩输出，挡板5处于两喷嘴中间位置。当线圈通入电流后，衔铁3因受到电磁力矩的作用偏转角度，由于衔铁固定在弹簧管12上，这时，弹簧管上的挡板也偏转相应的角，使挡板与两喷嘴的间隙改变，如果右面间隙增加，左喷嘴腔内压力升高，右腔压力降低，主阀芯9（滑阀芯）在此压差作用下右移。由于挡板的下端是反馈弹簧杆11，反馈弹簧杆下端是球头，球头嵌放在滑阀9的凹槽内，在阀芯移动的同

28、时，球头通过反馈弹簧杆带动上部的挡板一起向右移动，使右喷嘴与挡板的间隙逐渐减小。当作用在衔铁-挡板组件上电磁力矩与作用在挡板下端因球头移动而产生的反馈弹簧杆变形力矩（反馈力）达到平衡时，滑阀便不再移动，并使其阀口一直保持在这一开度上。该阀通过反馈弹簧杆的变形将主阀芯位移反馈到衔铁-挡板组件上与电磁力矩进行比较而构成反馈，故称力反馈式电液伺服阀。通过线圈的控制电流越大，使衔铁偏转的转矩、挡板挠曲变形、滑阀两端的压差以及滑阀的位移量越大，伺服阀输出的流量也就越大。5.2.4桥液阻网络特性及应用1.结构分析图5.2-12为F型桥液阻网络的结构图，该液阻网络的和是固定液阻，是锥阀口，为可变液阻。在系统

29、液压力产生的推力小于弹簧力时，锥阀口关闭，的阻值为无穷大，回路没有流体通过。当系统液压力产生的推力大于弹簧力时，锥阀口打开，的阻值变小，流体通过、流回油箱。就整个回路而言，锥阀口开度越大，总的液阻就越小，在进口压力基本不变的情况下，通过锥阀的流量就越多。在图5.2-12a中，作用在锥阀上，作用在与锥阀相联的活塞左端面，与的作用都是推阀芯右移。阀芯右边是弹簧力，当与产生的作用力与弹簧力平衡时，阀芯处于稳定状态，此时流过液阻、的流量相等。当通过该回路的流量因某种扰动而增加时，的值将减小，的值将增加，在与的共同作用下，阀芯是向左移，还是向右移，主要取决于、的阻值以及、作用的面积和。若将图5.2-12

30、a中的锥阀口抽象为图5.2-12b中的可变液阻和面积等于锥阀座面积的小活塞，并且的阻值受阀芯运动的控制，显然图5.2-12b为F型桥液阻网络，两个控制口分别为与，这种回路的流量压力特性，根据、的配置不同，F型桥液阻网络可获得2种不同的特性，即当增加时，可以增加或保持不变。图5.2-12 F型桥的结构与半桥液阻网络相比，桥液阻网络具有更优越的控制特性。半桥液阻网络具有的特性，桥液阻网络都具有。除此以外，桥液阻网络还具有一些独特的特性，这些特性是半桥液阻网络不可能具有的。以溢流阀来说，以半桥为先导控制网络的溢流阀存在一个正的稳态调压偏差，而以桥为先导控制网络的溢流阀可根据先导回路结构参数的不同，使

31、其稳态调压偏差为正或为零。2.控制对称液压缸的流量压力特性桥液阻网络的特点是： (1)用桥液阻网络控制对称液压缸时，只能控制液压缸的单向运动，当与弹簧等外力配合时，则能控制液压缸的双向运动。 (2)桥液阻网络有两个输出控制口。 (3)在输入参数不变的情况下，调节可变液阻的阻值，可同时调节两个输出控制口参数、和、。 (4)桥液阻网络根据液阻参数的不同设计，可实现多种不同的控制目的。3.控制不对称液压缸的流量压力特性桥液阻网络的特点是：当用桥液阻网络控制不对称液压缸时，能控制液压缸的双向运动。4. 桥液阻在元件中的应用（1）桥液阻在G型桥溢流阀中的应用G型桥溢流阀的工作原理如图5.2-13所示。与

32、一般的溢流阀相似，G型桥溢流阀由主阀和先导阀组成，主阀为插装阀结构，所不同的是先导阀结构。图中1为主阀芯，2为主阀弹簧，3为先导阀芯，4为先导阀弹簧。液阻、为固定液阻，先导阀阀口是可变液阻，改液阻用表示，G型桥溢流阀的先导液阻网络如图5.2-所示。液阻的作用是改善溢流阀的动态特性，稳态时，因而稳态分析时可不考虑的作用，而认为。溢流阀的开启压力由先导阀弹簧4的弹簧力决定，作用在先导阀组件轴向的外力主要有3个，即弹簧力、先导阀芯组件左端面的液压力和阀芯中部液压力，当先导阀未打开时，液阻中没有油液流过，故，此时 （5.2-）式中 先导阀组件左端受压面积；;D活塞直径； 先导阀组件中部受压面积；D先导

33、阀阀口直径；先导阀弹簧预压缩量；k先导阀弹簧刚度。因，故有 （5.2-）即 当阀的进油压力增加，使时，先导阀处于开启的临界状态，若进口压力进一步增加，则先导阀打开，此时先导回路有油液流过，。作用在主阀下腔的压力为，主阀上腔的压力为，当式中 主阀下端受压面积；主阀上端受压面积；主阀弹簧预压缩量；主阀弹簧刚度。主阀为开启的临界状态，若继续增加，则主阀开启，实现主阀溢流。稳态特性对于图5-1所示G型桥溢流阀，忽略先导阀口的稳态液动力，可写出先导回路液阻和先导阀口的流量压力方程 （2） （3） （4）先导阀芯力平衡方程 （5）主阀口流量压力方程（6）（7）主阀芯力平衡方程 (8)式中 液阻的液导（）；

34、先导阀阀口系数（）；主阀阀口系数（）；先导阀口轴向开口量（m），by为该阀口的液导；主阀下端和上端有效作用面积()；作用在先导阀芯左端的有效面积；作用在先导阀芯中部的有效面积； 先导阀弹簧刚度（/）；先导阀弹簧预压缩量（m）；x主阀口轴向开口量，为主阀口的液导；主阀弹簧刚度（/）；主阀弹簧预压缩量（）；主阀稳态液动力系数（）；根据上述7个方程，可以解出与的函数关系，但计算公式复杂，难以得到直观的函数表达式，通过计算机对稳态特性进行分析。因为G型桥溢流阀的主阀由先导阀控制，若先导阀流量已知，则根据先导回路液阻的流量压力方程和先导阀芯力平衡方程，可求得先导回路各点压力。根据的值，由主阀芯力平衡方程

35、式（5-8）可求得主阀阀口开口量x，然后由式（5-6）求得主阀口溢流量，再由式（5-7）求得总溢流量，最后得到的特性曲线。稳态时，通过先导回路3个液阻的流量相等，故有。（5-12）（5-14）将式（5-12）和式（5-14）代人式（5-7）可求得与的函数关系，相应曲线可由计算机仿真得到如图5-3所示。图5-3的有关参数如表5-1所示。改变液阻的小孔直径，也即改变参数的值，得到的一组流量压力特性曲线如图5-3所示。图中横坐标为流量，纵坐标为压力。从图5-3可以看出，溢流阀的压力流量特性是随着先导回路参数的改变而改变的，根据参数配置的不同，其流量压力特性可以呈现3种形式：（1）随着溢流量的增加，溢

36、流阀的控制压力增加（曲线4和5）。（2）溢流阀控制压力保持横值，不随溢流量的增减而变化（曲线3）。（3）随着溢流量的增加，溢流阀的控制压力反而减小（曲线1和2）。动态特性分析G型桥溢流阀的结构简图见图5-1，根据阀内各腔流量连续性方程和阀芯的受力和阀芯的受力平衡方程，可得溢流阀动态数学模型如下 （5-57）（58）（59）（60）（61）（62）泵的输出流量（）；x，y主阀和先导阀阀芯位移（m）；先导阀和主阀弹簧与压缩力（N）；主阀下端和上端有效作用面积（）；先导阀左端和中部的有效作用面积（）；图5-1中各容腔的体积（）；先导阀芯和主阀芯的质量（kg）；综合体积模量（）；先导阀芯和主阀芯的粘性

37、阻尼系数（）先导阀和主阀阀口稳态液动力等效当量弹簧刚度（）；先导阀和主阀弹簧刚度（）动态特性仿真根据上节建立的数学模型，若令，就可得到系统的状态方程，设输出变量为。系统的参数见表5-2。G型桥溢流阀的动态特性与先导回路的液阻参数密切相关，在G型桥溢流阀的其他参数不变时，改变先导液阻的小孔直径，能得到不同的G型桥溢流阀动态特性，图5-4图5-6为G型桥溢流阀在不同直径时的动态特性仿真结果。图5-4中的，此时G型桥溢流阀具有正的稳态调压偏差，图5-5中的， 图5-6中的，此时G型桥溢流阀的动态特性变差，如再减少的值，则阀的动态特性不稳定。仿真研究表明，在稳态调压偏差为正或为零时，G型桥溢流阀具有较

38、好的动态特性，在稳态调压偏差从零往负的方向变化时，G型桥溢流阀动态特性出现不稳定。（2）桥液阻在F型桥溢流阀中的应用F型桥溢流阀的工作原理如图5.2-13所示，它也是由先导阀和主阀构成，主阀结构与G型桥溢流阀相同，不同的是先导阀结构，在先导回路中，第一个液阻是固定液阻，第二个液阻是先导阀口，为可变液阻，第三个液阻是固定液阻，先导回路液阻网络是F型桥，故称此溢流阀为F型桥溢流阀。该溢流阀的工作原理为：溢流阀进口压力作用在主阀芯下端，压力作用在主阀芯的弹簧端，压力同时作用在先导阀芯的锥面。当压力产生的推力小于先导阀弹簧力时，先导阀口关闭，先导回路无油液流过，压力，主阀芯在主阀弹簧力的作用下，处于关

39、闭位置，此时先导阀口后端的容腔压力等于0。当系统压力升高，随之升高。当压力产生的推力大于先导阀弹簧力时，先导阀芯右移开启，先导回路的油液通过、先导阀口和液阻流回油箱。由于在液阻和液阻上都存在压力降，显然有。先导回路流量越大，上的压降就越大，当上的压降达到一定值时，主阀在压力差的作用下克服弹簧力上移，使主阀口打开，实现主阀溢流。与G型桥溢流阀类似，当改变液阻、的阻值或者改变和作用在先导阀芯上的有效面积，就可以得到不同的溢流阀稳态特性。即根据先导回路液阻参数的不同配置，F型桥溢流阀的稳态调压偏差可以为正、为零。图5.2-13 F型溢流阀工作原理图稳态特性对于图6-1所示F型桥溢流阀，忽略先导阀口的

40、稳态液动力，可写出先导回路液阻和先导阀口的流量压力方程 （1） （2） （3）先导阀芯力平衡方程 （4）主阀芯力平衡方程 (5)主阀口流量压力方程（6）（7）式中 液阻的液导（）；先导阀阀口系数（）；主阀阀口系数（）；先导阀口轴向开口量（m），by为该阀口的液导；主阀下端和上端有效作用面积()；作用在先导阀芯左端的有效面积；作用在先导阀芯中部的有效面积； 先导阀弹簧刚度（/）；先导阀弹簧预压缩量（m）；x主阀口轴向开口量，为主阀口的液导；主阀弹簧刚度（/）；主阀弹簧预压缩量（）；主阀稳态液动力系数（）；根据上述7个方程，可以解出与的函数关系，但计算公式复杂，难以得到直观的函数表达式，通过计算机

41、对稳态特性进行分析。因为F型桥溢流阀的主阀由先导阀控制，若先导阀流量已知，则根据先导回路液阻的流量压力方程和先导阀芯力平衡方程，可求得先导回路各点压力。根据的值，由主阀芯力平衡方程式（5）可求得主阀阀口开口量x，然后由式（6）求得主阀口溢流量，再由式（7）求得总溢流量，最后得到的特性曲线。稳态时，通过先导回路3个液阻的流量相等，故有。（9）（6-14）将式（9）和式（6-14）代人式（6-7）可求得与的函数关系，相应曲线可由计算机仿真得到如图6-2所示。改变液阻的小孔直径，也即改变参数的值，得到的一组流量压力特性曲线如图6-2所示。图中横坐标为流量，纵坐标为压力。从图6-2可以看出，溢流阀的压

42、力流量特性是随着先导回路参数的改变而改变的，根据参数配置的不同，其流量压力特性可以呈现3种形式：（1）随着溢流量的增加，溢流阀的控制压力增加（曲线4和5）。（2）溢流阀控制压力保持横值，不随溢流量的增减而变化（曲线3）。（3）随着溢流量的增加，溢流阀的控制压力反而减小（曲线1和2）。5.3 液阻技术的实际应用5.3.1 液阻理论在液阻软启动中的应用 液压系统的软启动是通过增加系统压力的建立时间 ,来减少对液压元件的冲击 ,延长液压元件的使用寿命 ,降低液压系统噪声 ,提高液压系统的工作可靠性。 液压系统启动时系统压力建立过快将对系统中的液压元件产生冲击 ,会导致系统噪声增高 ,元件寿命缩短 ,

43、甚至失效。利用在先导式溢流阀控制口增加蓄能器组与电磁换向阀使液压系统产生软启动的解决方案，液压系统软启动原理示意图如图1所示。图1 液压系统软启动原理示意图当系统启动时,电磁换向阀7通电，建立系统压力。系统压力先从零经过时间到达蓄能器5的充气压力，再经过时间到达溢流阀的设定压力 (即系统工作压力)，系统压力的建立需经过时间()。当截止阀2打开时，系统带软启动功能。系统启动时，液压油通过溢流阀的进油口P到达溢流阀的下腔，通过节流口1后分两路：一路通过节流口3到达先导型溢流阀主阀的上腔和先导阀的前端；一路通过溢流阀的遥控口K与截止阀2通往蓄能器5、活塞弹簧式蓄能器6和电磁换向阀7。电磁换向阀7通电

44、时，液压油通过溢流阀的遥控口K向活塞弹簧式蓄能器6充油，经过时间，活塞弹簧式蓄能器6下腔压力与弹簧力平衡时，即系统压力达到蓄能器5充气压力，蓄能器5处于充液状态。经过时间，系统压力达到溢流阀的设定压力，系统进行正常工作，当系统压力高于溢流阀的设定压力时，节流口4有油液通过 ，主阀打开，系统溢流。当泵机组停止工作时，电磁换向阀7断电，实现系统卸载，调节电磁换向阀7上的节流孔可以调节系统卸载时间，使系统压力缓慢的降低。在系统突然停电时，也可实现系统压力缓慢的降级，减少对液压元件的冲击。5.3.2液阻理论在液压悬置中的应用1 液压悬置概述1979年原西德大众公司在Audi五缸Otto发动机上应用液压

45、悬置，标志着汽车动力总成液压悬置应用从此开始了。1987年美国Avon公司开发了控制气体弹簧气压来调整动特性的液压悬置。这标志着液压悬置开始由被动式向半主动式控制、主动式控制方向发展。20世纪90年代，计算机仿真技术和有限元分析的应用，提高了模拟精度，进一步完善了液压悬置的动态特性。发动机通过悬置弹性连接在车架上。发动机悬置系统的理想动特性是：悬置系统具有较高的静刚度，以支承动力总成重量和输出扭矩。低频时应具有大阻尼高刚度的特性，以衰减汽车启动、制动、换档以及急加速、减速等过程中，因发动机输出扭矩波动引起的大振幅振动。应在712Hz范围内具有较大阻尼，以迅速衰减因路面、轮胎激励引起的动力总成低

46、频振动。在25Hz附近应具有较低动刚度，以衰减怠速振动。在高频50Hz 以上悬置应具有小刚度、小阻尼特性，以降低振动传递率，提高降噪效果。因此，悬置的动刚度和阻尼必须同时具有频变特性和幅变特性。现以某客车发动机用惯性通道-活动解耦盘式液压悬置为研究对象，建立动特性仿真分析的线性集总参数模型，并把仿真结果和实验值进行对比分析，证明了模型的正确性。重点探讨了各设计参数的变化对液阻悬置动态性能的影响，进而可以通过改变参数的数值来实现液阻悬置性能的优化设计。2 液压悬置的结构和工作原理液压悬置结构简图如图2所示。目前，液压悬置的结构形式多种多样，但其基本结构和功能是一致的。分析图1可知，液压悬置的结构

47、具备以下特点：（1）具有橡胶主簧，以承受静动载荷。（2）液压悬置内部有液体工作介质。（3）至少有2个独立的液室，液体可在其间流动。（4）液室之间有能够产生阻尼作用的孔、惯性通道或解耦盘（膜）。（5）液室有可靠的密封性，与外部隔绝。图2 液压悬置结构简图当发动机处于熄火状态，液压悬置只承载动力总成部分的静态载荷即动力总成的重量。 其中，主要由橡胶主簧承受载荷，液压悬置内部上下两腔液体保持相对静止，无液体交换。由于橡胶主簧具有一定的体积刚度，在压力增大时，会膨胀变形，占用一部分液体体积；同时，有小部分液体经解耦通道补偿孔流入下腔，这两股旁流对低频大振幅振动时的惯性能量损失具有一定的影响。发动机高速

48、运转时，液压悬置受到高频小振幅激励惯性通道内的液柱惯性很大，此时液柱几乎来不及流动，悬置出现动态硬化。由于解耦盘在小变形时刚度特别小，解耦通道内的液柱与解耦盘高速振动，上下腔的压力克服解耦通道内液柱的惯性力而使得液柱具有的动能在解耦通道的入口和出口处被损失掉了。因此，解耦盘的存在，降低了液压悬置的高频动刚度，同时消除了动态硬化。3 液压悬置动特性仿真分析的线性集总参数模型根据液压悬置的工作原理，可简化为集总参数模型，如图3所示。图3 液压悬置的集总参数模型橡胶主簧的作用有二个，一是承受动力总成的静、动态载荷，因此具有动刚度和阻尼，二是起到类似活塞的作用，使液体在上、下液室之间来回流动，用等效活

49、塞面积来表示其特性。另外，橡胶主簧在泵吸入液体的过程中，有一定的膨胀变形，橡胶主簧的这种膨胀特性用上液室的体积柔度来表示。橡胶底膜主要起密封作用，在液阻悬置工作时，有较大的膨胀变形，其膨胀特性用体积柔度表示（与此对应的体积刚度为），由于橡胶底膜的厚度很薄，通常为2mm 左右，因此，可以认为至少比大两个数量级。惯性通道中液体的特性用集总参数和表征，分别表示惯性通道中液体的质量惯性系数（）和惯性通道对液体流动的流量阻尼系数（）。解耦盘的力学模型用集总参数和表示，为解耦盘及其附连液体的质量惯性系数（），为液体对解耦盘的流量阻尼系数（）。集总参数模型中的系统变量有：施加于橡胶主簧上端的位移激励和传递到

50、悬置固定端的动反力；上、下液室的平均压力用和表示，液体流径惯性通道的流量和随解耦盘运动的流量分别用和表示。液体的连续性方程为液体的动量方程为传递到固定端的力为以上方程为液阻悬置线型模型的一般表达式，它们仅适用于低频、大振幅激励和高频、小振幅激励两种情况。现仅研究低频、大振幅激励下的情况，在低频、大振幅激励工况下，解耦盘大部分时间都处于耦合（关闭）状态，可近似认为在上、下液室之间流动的液体都经过惯性通道，此时惯性通道-解耦盘式液阻悬置的性能与惯性通道式液压悬置的性能类似。在以上方程中令，即得到惯性通道式液压悬置的系统方程。连续性方程为动量方程为可得惯性通道式液阻悬置的复刚度为利用以上建立的液压悬

51、置线性模型进行仿真分析，并将计算结果与实测结果进行对比分析，验证了此模型是正确的。利用液压悬置线性集总参数模型对其动特性进行仿真分析，以液阻悬置复刚度计算公式为基础，主要分析流量阻尼系数的变化对液压悬置性能的影响。图4 流量阻尼系数的变化对液压悬置性能的影响流量阻尼系数增加时对动刚度和滞后角的影响如图4所示。由图可见，滞后角达到峰值的频率减小，动刚度和滞后角在峰值附近的值下降。这是因为当增加时，共振时液柱的运动受到限制，因此上液室压力的峰值减小。利用液压悬置的线性集总参数模型，可以得到惯性通道-解耦盘式液阻悬置低频复刚度的解析公式，通过Matlab对惯性通道-解耦盘式液压悬置的低频动特性进行仿

52、真分析。利用液压悬置的线性集总参数模型，确定了液压悬置动刚度和滞后角出现峰值的频率范围，主要分析了集总参数模型中流量阻尼系数的变化对液压悬置动特性的影响，这些分析结论与方法，对于液压悬置的产品开发具有重要指导意义。5.3.3液阻理论在车用液压减震器中的应用1 概述液压减震器的原理是迫使液流通过小孔产生阻尼作用，液压减震器内设有多个阻尼孔及阀门机构，液压油在孔道中来回流动时产生摩擦阻尼作用，吸收振动的能量，从而达到衰减振动的目的。2 结构与工作原理减震器在拉伸行程中, 活塞相对工作缸向上运动,活塞杆处于受拉状态, 活塞上腔油压逐渐升高, 下腔油压降低, 流通阀和压缩阀关闭, 上腔的油液一部分经复

53、原阀流向下腔, 另一部分经可调节流口流进减震器储油腔, 储油腔里的一部分油液经补偿阀补偿活塞下部腔。随着活塞运动速度的加大, 活塞上部腔与下部腔的压力迅速加大, 当达到一定压差时, 复原阀开启, 通过复原阀的流量增加。通过复原阀、可调节流阀的节流及补偿阀的补流构成了减震器拉伸行程的主要阻尼力。3 减震器复原阻力和压缩阻力计算减震器在拉伸行程中, 活塞相对工作缸向上运动, 活塞杆处于受拉状态, 如图5所示, 活塞上腔油压逐渐升高, 活塞下腔油压降低, 流通阀和压缩阀关闭, 活塞上腔的油液一部分经复原阀上的常通孔流向活塞下腔, 另一部分油液经节流孔流进减震器储油腔, 储油腔里的一部分油液经补偿阀补偿活塞下部腔。随着活塞运动速度的加大, 活塞上部腔与下部腔的压力迅速加大, 由于油压的升高便克服复原阀的弹簧预压力,打开复原阀,使阻力限制在一定的范围内,保护减振器及车辆不会因超载而损坏。因此, 分析拉伸行程的工作情况要分开阀前和开阀后两种工作状态进行考虑。通过复原阀及补偿阀的补流构成了减震器拉伸行程的主要阻尼力。图5 减震器拉伸(复原)行程示意图如上图所示减震器的结构特点, 可知拉伸行程时的减震器的工作原理: 减震器