执行元件的选择及设计4

1、4.8 比例阀和伺服阀伺服阀和比例阀，都是通过调节输入的电信号模拟量，从而无极调节阀的输出量，例如压力，流量，方向。（伺服阀也有脉宽调制的输入方式）。伺服阀比例阀伺服阀依靠调节电信号，控制力矩马达的动作，使衔铁产生偏转，带动前置阀动作，前置阀的控制油进入主阀，推动阀芯动作。比例阀是调节电信号，使衔铁产生位移，带动先导阀芯动作，产生的控制油再去推动主阀芯。比例伺服阀调节阀将比例阀中的比例电磁铁和伺服阀中的阀芯和阀套加工技术有机结合获得比例阀比例阀伺服阀伺服阀驱动装置比例电磁铁力马达或力矩马达； 性能参数中位死区有没有频响（响应频率）一般最高几十Hz高达200Hz左右液压油液的要求要求较低需要精过

2、滤阀芯结构阀芯+阀体结构(阀体兼作阀套)阀芯+阀套的结构中位机能种类比例换向阀具有与普通换向阀相似的中位机能伺服阀中位机能只有O型（Rexroth产品的E型）加工工艺相对简单工艺复杂成本低高控制精度较低高应用场合开环控系统及闭环速度控制系统闭环控制系统典型电典型电- -气比例阀、伺服阀的工作原理气比例阀、伺服阀的工作原理直流比例电磁铁阀芯阀套阀体位移传感器控制放大器气气源源口口输输出出口口输输出出口口排排气气口口排排气气口口4.8.1 滑阀式电-气方向比例阀1、换向阀的工作原理2 2、比例电磁铁、比例电磁铁具有水平吸力特性，即在工作区内，其输出力的大小只与电流有关，与衔铁位移无关，若电磁铁的吸

3、力不显水平特性，弹簧曲线与电磁力曲线族只有有限的几个交点，这意味着不能进行有效的位移控制。3、控制放大器的作用：3 3）为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号为了改善比例阀的性能，控制放大器还含有对反馈信号 UfUf和电压差和电压差 U U的处理环节。比如状态反馈控制和的处理环节。比如状态反馈控制和PIDPID调节等调节等2）将 U放大输出转换为电流信号I输出驱动比例电磁铁工作1）比较指令信号Ue和位移反馈信号Uf，得到两者的差值U滑阀式二级方向伺服阀动 圈 式 马 达、固 定 节 流 套 ；、容 腔 ；档 板 ；、右 、 左 弹 簧喷嘴挡板阀的工作原理喷嘴挡板阀的工作原理压力一定的

4、液体一部分流入液压缸的有杆腔，另一部分经过固定节流口后，其中一部分流人液压缸的无杆腔，其余经过喷嘴喷出，流回油箱。当信号电流改变挡板的偏 转位置时，改变了可变节流口的大小，也就改变了流经节流口的流动阻力，从而改变了液压缸两腔的压力平衡状态，使液压缸活塞产生运动左右两动圈式力马达均无电流输入，也无力输出。在喷嘴气流作用下，两挡板使可变节流器处于全开状态，容腔3、7内压力几乎与大气压相同。滑阀阀芯被装在两侧的反馈弹簧5、6推在中位，两输出口A、B与气源口P和排气口O均被隔开。当某个动圈式马达有电流输入是（例如右侧力马达），输出与电流I成正比的推力Fm将挡板推向喷嘴，使可变节流器的流通面积减小，容腔

5、6内的气压P6升高，升高后的P6又通过喷嘴对档板产生反推力Ff。当Ff与Fm平衡时，P6趋于稳定，其稳定值乘以喷嘴面积Ay等于电磁力。另一方面，P6升高使阀芯两侧产生压力差，该压力差作用于阀芯断面使阀芯克服反馈弹簧力左移，并使左边反馈弹簧的压缩量增加，产生附加的弹簧力Fs，方向向右，大小与阀芯位移X成正比。当阀芯移动到一定位置时，弹簧附加作用力与7、3容腔的压差对阀芯的作用力达到平衡，阀芯不在移动。此时同时存在阀芯和挡板的受力平衡方程式： Fs=KsX=(P6-P5)Ax Ff=P6Ay=KiI式中 KS-反馈弹簧刚度 Ax-阀芯断面积 Kf-动圈式力马达的电流增益。在上述的调节过程中，左侧的

6、喷嘴挡板始终处于全开状态，可以认为P5=0，代入后整理上述两式可得 X=(AxKi/AyKs)*I阀芯位移与输入电流成正比。当另一侧动圈式马达有输入时，通过上述类似的调节过程，阀芯将向相反方向移动一定距离。当阀芯左移时，气源口P与输出口A连通，B口通大气；阀芯右移时，P与B通，A口通大气。阀芯位移量越大，阀口开口量也越大。这样就实现了对气流的流动方向和流量的控制。这类阀采用动圈式马达，动态性能好，缺点是结构比较复杂。在初始状态这类阀采用动圈式马达，动态性能好，缺点是结构比较复杂。图示是一种压力伺服阀，其功能是将电信号成比例地转换为气体压力输出。主要组成部分有：动圈式力马达1、喷嘴2、挡板3、固

7、定节流口4、阀芯5、阀体6、复位弹簧7、阻尼孔8等。初始状态时，力马达无电流输入，喷嘴与挡板处在全开位置，控制腔内的压力与大气压几乎相等。滑阀阀芯在复位弹簧推力的作用下处在右位，这时输出口A与排气口通，与气源口P断开。当力马达有电流I输入时，力马达产生推力Fm(=KiI)，将挡板推向喷嘴，控制腔内的气压P9升高。P9的升高使挡板产生反推力，直至与电磁力Fm相平衡时P9才稳定，这时脉宽调制伺服阀 脉 宽 调制器 数 字 放大器 气 动 执行元件 气 动 电磁阀 检测及 变换元件负载脉宽调制伺服系统方块图一 个 周 期 的 脉 冲 波 ；调 制 量 与 平 均 输 出 关 系 。滑阀式脉宽调制伺服

8、阀结构原理图电磁铁；衔铁；阀芯；阀体；反馈弹簧；气缸。4.9电液比例伺服阀4.9.1 4.9.1 电- -液伺服阀电液伺服阀通常由电液伺服阀通常由电电- -机械转换器机械转换器和和液压放大器液压放大器两部分组成两部分组成电液伺服阀内部示意图电液伺服阀内部示意图1、电液伺服阀的工作原理、电液伺服阀的工作原理力矩马达力矩马达（力马达）（力马达）液压放大器液压放大器反馈机构反馈机构（平衡机构）（平衡机构）2、电液伺服阀的组成、电液伺服阀的组成SSNNpSpS123456789101112pL, QL1信号线信号线; 2永磁体永磁体; 3线圈线圈; 4衔铁衔铁; 5弹簧管弹簧管; 6喷嘴喷嘴; 7挡板

9、挡板; 8反馈弹簧杆反馈弹簧杆; 9阀芯阀芯; 10固定阻尼孔固定阻尼孔; 11过滤器过滤器; 12阀体阀体 力反馈两级电液伺服阀结构原理图力反馈两级电液伺服阀结构原理图反馈机构（或平衡机构）：反馈机构（或平衡机构）：使伺服阀的输出压力或流量与输使伺服阀的输出压力或流量与输入入 电气控制信号成比例，使伺服阀本身成为闭环系统电气控制信号成比例，使伺服阀本身成为闭环系统平衡机构：平衡机构：用于单级伺服阀和两级弹簧对中式伺服阀，通常为用于单级伺服阀和两级弹簧对中式伺服阀，通常为各种弹性元件，为一力各种弹性元件，为一力-位移转换元件位移转换元件力矩马达（或力马达）：力矩马达（或力马达）：将电气信号转换

10、为力矩或力将电气信号转换为力矩或力液压放大器：液压放大器：控制流向液压执行机构的流量或压力控制流向液压执行机构的流量或压力阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包括液阀流量较大时，采用两级或三级电液伺服阀的形式。包括液压前置级和功率级压前置级和功率级液压前置级：液压前置级：单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀、射流单（双）喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀、射流元件元件功率级：功率级：滑阀滑阀力反馈力反馈反馈弹簧杆动作示意图反馈弹簧杆动作示意图3、力矩马达、力矩马达 电气电气-机械转换器机械转换器 利用电磁原理工作利用电磁原理工作力矩马达的分类及要求力矩马达的分类及要求（1） 分类分类1）可动件

11、运动形式：）可动件运动形式：直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达）直线位移式（力马达）、角位移式（力矩马达）2）可动件结构形式：）可动件结构形式：动铁式（衔铁）、动圈式（控制线圈）动铁式（衔铁）、动圈式（控制线圈）3）极化磁场产生的方式：）极化磁场产生的方式：非激磁式（控制线圈差动连接）、固定电流激磁非激磁式（控制线圈差动连接）、固定电流激磁（激磁线圈，大的极化磁通，结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁铁，（激磁线圈，大的极化磁通，结构复杂，体积大）、永磁式（永久磁铁，结构简单、重量轻、获得的极化磁通小）结构简单、重量轻、获得的极化磁通小）（2）对力矩马达的要求）对力矩马达的要求1）产生足够

12、的力或行程，）产生足够的力或行程，体积小、重量轻体积小、重量轻2）动态性能好、）动态性能好、响应速度快响应速度快3）直线性好、死区小、灵敏度高、磁滞小直线性好、死区小、灵敏度高、磁滞小4）特殊情况下特殊情况下，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力影响，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力影响3）力矩马达工作原理）力矩马达工作原理永磁动铁式力矩马达永磁动铁式力矩马达 用弹簧管支承衔铁的力矩马达用弹簧管支承衔铁的力矩马达1 1弹簧管，弹簧管，2 2液压放大元件液压放大元件 用弹簧管支承衔铁的力矩马达1弹簧管，2液压放大元件 在在零位零位时，衔铁时，衔铁正好处于四个气隙的正好处于四个气隙的中间位置，

13、弹簧管也中间位置，弹簧管也正好在正中零位。当正好在正中零位。当输入输入 i而产生电磁力而产生电磁力矩后，电磁力矩使衔矩后，电磁力矩使衔铁偏转，弹簧管也受铁偏转，弹簧管也受力歪斜变形，作用在力歪斜变形，作用在衔铁上的衔铁上的电磁力矩电磁力矩与与弹簧管变形时的弹簧管变形时的弹性弹性力矩力矩平衡，也就是电平衡，也就是电磁力矩磁力矩Td通过弹簧管通过弹簧管弯曲变形而转化为衔弯曲变形而转化为衔铁的角位移。铁的角位移。 双喷嘴挡板阀双喷嘴挡板阀 vxT 被控对象被控对象 被控对象被控对象 力矩比较元件反馈杆反馈杆弹簧管弹簧管xx3）电）电-液伺服系统工作流程液伺服系统工作流程4.9.2 电-液比例阀通过改

14、变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。通过改变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。4.9.2 电-液比例阀通过改变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。4.9.2 电-液比例阀通过改变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。4.9.2 电-液比例阀通过改变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。4.9.2 电-液比例阀通过改变线圈电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了比例阀出口流量的控制。4.9.2 电-液比例阀比例电磁铁的结构比例电磁铁由下列部分组成：- 线圈 (

15、A)- 磁轭 (B)- 衔铁 (C)- 磁极片(D)- 推杆 (E)衔铁密闭在导磁套（ F ）中，比例电磁铁通常采用塑料树脂材料(G)封装。ABCDFGE当在线圈上施加电压时，将有电流流过线圈。比例电磁铁的结构1) 同样，电流产生磁场，该磁场集中在金属导磁套、磁极片和衔铁中。2) 然而，在磁极片与衔铁之间的磁回路中存在间隙，所以，就会产生电磁力，该电磁力将闭合这个间隙，从而使磁路导通。比例电磁铁的结构1) 推杆将比例电磁铁与比例阀阀芯连接起来，其通常推动阀芯向挤压弹簧方向移动。2) 电磁力大小由磁场强度决定，而磁场强度与线圈电流成正比。比例电磁铁的结构增加线圈电流将使电磁力增大，因此，阀芯移动

16、距离也增大。比例电磁铁的结构增加线圈电流将使电磁力增大，因此，阀芯移动距离也增大。比例电磁铁的结构增加线圈电流将使电磁力增大，因此，阀芯移动距离也增大。比例电磁铁的结构FIFI在设计比例电磁铁时，应使电磁力(F)与线圈电流(I)之间成线性关系，即电磁力仅取决于线圈电流。比例电磁铁的结构电磁换向阀进一步讲，电磁换向阀与比例阀之间的不同就在于阀芯结构上。SSQQ电磁换向阀1) 对于电磁换向阀，当通电时，阀芯结构应使其压降最小。2) 这意味着为了控制小流量，所需阀开口度将会是很小。小开口度是很难控制的。SSQ比例阀1) 然而，比例阀阀芯在刃口上开有V型槽，这样可使比例阀开口具有较宽的变化区间。44轴

17、向轴向V形槽形槽 沿阀芯的轴向开若干个三角槽。阀芯做轴向运动，即可改变开口量h，从而改变过流断面面积。lDh45bhalDhSSQ比例阀1) 然而，比例阀阀芯在刃口上开有V型槽，这样可使比例阀开口具有较宽的变化区间。2) 所以，与电磁换向阀相比，尽管比例阀的最大流量较低，但是，其更容易实现小流量控制，即比例阀开口是逐渐变化的。SSQ比例阀根据将控制的最大流量，可配装不同的阀芯，即这些阀芯具有不同的形状、大小或V型槽数。直动式比例溢流阀1) 比例阀也可用于控制压力，在这种情况下，比例电磁铁用来推动阀芯动作，即通过弹簧将锥阀芯压在阀座上。电磁力越大，所需将溢流口打开的压力就越大。直动式比例溢流阀2

18、) 这里描述了直动式溢流阀功能，直动式溢流阀只允许通过较小的流量。1) 比例阀也可用于控制压力，在这种情况下，比例电磁铁用来推动阀芯动作，即通过弹簧将锥阀芯压在阀座上。电磁力越大，所需将溢流口打开的压力就越大。先导式比例溢流阀为了控制较高的流量，直动式比例溢流阀可以作为先导式溢流阀的先导级（或减压阀）。先导式比例溢流阀为 了 控 制 较高 的 流 量 ，直 动 式 比 例溢 流 阀 可 以作 为 先 导 式溢 流 阀 的 先导 级 （ 或 减压阀）。远程控制 开关系统在开关系统中，为了调节液压缸活塞运动速度，应将流量控制阀安装在合适位置处，这表明工作油管与操作台相连接。比例系统的优点远程控制

19、- 比例系统不过，在比例系统中，比例阀通过电信号控制，即仅采用小功率电缆就可将操作台与比例阀连接起来。比例系统的优点PLC 远程控制 比例系统当今机器控制通常采用电子控制器来实现，而比例阀在液压系统与电子控制器之间可提供一个简单接口。比例系统的优点电磁换向阀的响应时间比例阀的最大优势就在于其电控能力，即通过电信号可无级控制其阀芯运动速度。0.015S电磁换向阀的响应时间根据电磁换向阀的通径大小和电源电压，其通电响应时间约为15ms。0.040S电磁换向阀的响应时间由于复位弹簧力比电磁力低，所以，电磁换向阀的断电响应时间稍微长一些（一般约为25ms）。S比例阀的响应时间不过，比例阀阀芯的运动速度

20、可由输入给比例电磁铁的电信号确定。通过渐增或渐降（称之为斜坡）电信号，可以获得几秒钟的通电和断电响应时间。1.000S比例阀的响应时间不过，比例阀阀芯的运动速度可由输入给比例电磁铁的电信号确定。通过渐增或渐降（称之为斜坡）电信号，可以获得几秒钟的通电和断电响应时间。2.000 S比例阀的响应时间不过，比例阀阀芯的运动速度可由输入给比例电磁铁的电信号确定。通过渐增或渐降（称之为斜坡）电信号，可以获得几秒钟的通电和断电响应时间。3.000S比例阀的响应时间不过，比例阀阀芯的运动速度可由输入给比例电磁铁的电信号确定。通过渐增或渐降（称之为斜坡）电信号，可以获得几秒钟的通电和断电响应时间。无反馈式比例

21、阀为了满足不同应用场合的要求，可使用不同类型的比例阀，这些比例阀具有不同的性能。在最简单的比例方向阀类型中，电磁力与弹簧力相平衡，以对阀芯进行定位。无反馈式比例阀功率放大器的输入信号可产生相应的输出电流，以输出给比例电磁铁。这个电流信号在阀芯上产生一个电磁力，从而使阀芯移动，直至电磁力与弹簧力相平衡。 小输入信号对应于较小的阀开口度。无反馈式比例阀逐渐增加输入信号会使阀开口度也变大，且允许较大流量流过.无反馈式比例阀. 直至达到阀的最大开口度，即通过最大流量。无反馈式比例阀1) 因此，对于任何输入信号，阀芯定位都是通过电磁力与弹簧力相平衡来实现的。不过，其它形式的力实际上也作用在阀芯上。当流体

22、流过比例阀时，通常产生液动力，这些液动力与弹簧力一起克服电磁力，从而使阀口开度变小。无反馈式比例阀1) 因此，对于任何输入信号，阀芯定位都是通过电磁力与弹簧力相平衡来实现的。不过，其它形式的力实际上也作用在阀芯上。当流体流过比例阀时，通常产生液动力，这些液动力与弹簧力一起克服电磁力，从而使阀口开度变小。2) 所以，这种类型的比例阀具有一定的局限性，如允许通过的最大流量较小和其性能较低等。反馈式比例阀比例阀性能可通过嵌入阀芯位移传感器来提高，这种传感器将阀芯位移信号反馈给功率放大器，从而实现对阀芯更加精确地定位。反馈式比例阀增加输入信号，以使阀口逐渐开启。反馈式比例阀增加输入信号，以使阀口逐渐开

23、启。反馈式比例阀与无反馈式比例阀一样，反馈式比例阀中也将产生克服电磁力的液动力，该液动力试图将阀口开度变小。不过，阀口开度变化现可通过阀芯位移传感器感测，并从功率放大器输出已增大的电流，即采用已增大的电磁力来补偿液动力。反馈式比例阀1) 随着阀口压降和流量的不断增大，液动力最终将克服电磁力，并使阀口开度减小，不过，这种情况发生时阀口流量要比无反馈式比例阀大得多。因此，对于给定规格的比例阀，反馈式的通流能力要比无反馈式强，且阀芯定位精度更高（流量控制更精确）。2) 但反馈式比例阀的制造成本要比无反馈式比例阀高许多，且其需要专用功率放大器来控制。高性能比例阀这里需要高性能比例阀（例如用于闭环位置或压力控制），即可采用另一种反馈式比例阀。在这种比例阀中，阀芯与阀套研配，阀芯由单比例电磁铁驱动，阀芯工作边为半边，当单比例电磁铁通电时，即