6L直动式单级（常规型6升）比例控制压力阀的设计

PAGE11引言随着社会的发展,每个国家都越来越重视液压这个行业的发展,然而阀是液压系统组成的最基本的元件,在我国,阀的研究与开发已经受到各个部门的重视,各个企业也争先也高校合作,开发新型的阀以适应市场的需求。20世纪60年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求显得迫切和广泛，因此，人们希望开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制系统，由此电液比例阀得到了最广泛的发展。电液比例控制阀是目前市场需求最大,功能最强的产品,它是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。与电液伺服阀的功能类同,电液比例阀是电液转换元件,又是功率放大元件.其功用是接受电气信号的指令,连续成比例的控制系统的压力,流量等参数,使之与输入信号成比例的变化,从而实现对液压系统执行器位移(或转速),速度(或角速度),加速度(或角加速度)和力(或转矩)的控制。因此，电液比例压力阀在中小型企业，甚至大企业中都得到广泛的应用。电液比例控制技术从形成至今，大致上可划分为四个阶段：1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀，到70年代初日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。此间，比例技术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以开环控制应用为主。这一阶段的比例阀仅仅是将新型电-机械转换器（比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在1-5Hz之间，滞环在4%-7%之间。从1975年到1980年，比例技术的发展进入第二阶段。这是比例技术发展最快的时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经成熟。比例元件的工作频宽已达5-15Hz，滞环减少到3%左右，其应用领域不断扩大。20世纪70年代后期比例变量泵和比例执行器相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。应用领域扩大到闭环控制。到了20世纪80年代，比例技术的发展进入第三阶段。这一阶段，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了制造成本的原因，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀相当。这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了电液比例插装技术。此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电液一体化比例元件。从1990年至今，是比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产品问世。其一是推出了伺服比例阀（又称高性能电液比例方向阀、比例伺服阀、闭环比例阀、高频响比例阀）。这种阀的电-机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺（零遮盖阀口，阀芯与阀套之间的配合精度与伺服阀相当），解决了闭环控制要求死区小的问题。它的性能与价格介于伺服阀与普通比例方向阀之间，但它对油液的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。其二是计算机技术与比例元件相结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例元件接口。早期出现的数字比例控制产品采用脉冲控制方式，其输入信号按载频原理工作，控制信号的频宽较模拟器件低。数字式电液控制器件的电-机械转换器主要是步进电动机和按脉宽调制方式工作的动铁或动圈式力马达。数字阀的额定流量很小，只能用于小流量控制的场合，如作为电液控制阀的先导控制级。随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，先是在比例放大器中采用数字芯片，部分信号的处理、调整和运算采用编程手段实现。最近，电液数字控制块、大型数字式控制系统相继开发应用，数字比例控制的产品已经由芯片级发展到了系统级，即指令、比较、反馈、PID调节均由计算机系统实现。数字式电液系统实际上是电液数-模转换系统，这项技术已趋成熟，并形成了系列化的产品。电液比例控制技术的应用已经相当普通，在新系统设计和旧设备改造中正成为用户的重要选择方案，对提高企业的技术装备水平和设备的自动化程度，发挥了极为重要的作用。目前，电液比例控制技术正在与新的控制策略紧密结合，表现出强大的技术优势。2直动式单级（常规型）比例控制压力阀的总体设计 2．1系统方块图及组成：输入电信号电控制输入电信号电控制器液压缸或马达负载电-机械转换装置压力阀电液比例压力阀电流力、位移压力流量速度、力µｉf.Qｖ.F图2.1系统方块图系统是用输入电信号来控制压力阀的运动，从而达到控制液体的流量。系统主要由电控制器（放大器），电—机械转换装置，压力阀，液压缸等组成，其各部分的结构和原理，我们将在下面的章节中一一介绍。2．2系统原理系统的输入量为控制电量（电压或电流），经过电控制器放大转换成相应的电流信号输入给电—机械转换装置（比例电磁铁），后者输出与输入电流近似成比例的力、力矩或位移，使溢流阀的可动部分移动或摆动，并按比例输出具有一定压力P、流量Q的液压油以驱动执行元件，执行元件也将按比例输出力F、速度V或转矩r、角速度w以驱动负载。这种控制系统的结构组成简单，系统的输出端和输入端不存在反馈回路，系统的输出量对系统的输入控制作用没有影响，没有自动纠正偏差的能力，其控制精度主要取决于关键元器件（电控制器和比例电磁铁）的特性及系统的调整精度，但是尤其重要的一点是这种开环控制系统不存在着稳定性的问题。电控制器（比例放大器，俗称放大板）在开环控制系统中，用于驱动和控制电液比例控制元件的电——机械转换器，在闭环控制系统中除了上述作用外，还要承担反馈检测放大和校正系统的控制性能，在本系统中我们采用的是开环系统。因此，电控制器的功能直接影响系统的控制性能。电-机械转换器是电液比例控制元件的重要组成部分，其输入是比例放大器的输出电流信号（或电压信号），输出为机械力、力矩或位移信号，并以此去操纵液压阀的阀芯运动，进而实现电液比例控制功能。因此，电—机械转换器的性能对电液比例控制元件及系统的稳定控制精度、动态响应特性、抗干扰能力、工作可靠性等产生重要影响。2．3控制系统的选择本系统采用的是开环控制系统。在电液比例控制系统中有开环控制系统和闭环控制系统两种，闭环控制系统的工作原理为反馈控制原理或偏差调节原理，这种控制系统通过负反馈控制，因而既有自动纠正偏差的能力，可以获得相当高的精度，但是系统的稳定性存在着问题，尤其对系统的机械特性提出了较高的要求，而且高精度和稳定性的要求是矛盾的，由于本系统对稳定性的要求，以及在精度上的考虑，故选用的开环的控制系统。2．4比例压力阀的选定电液比例压力控制阀是电液比例阀的一种分类,按照控制功能不同,电液比例压力控制阀分为电液比例溢流阀和电液比例减压阀;按照控制功率大小不同,分为直接控制式(直动式)和先导控制式(先导式),直动式的控制功率较小;按照阀芯结构形式不同,可分为滑阀式,锥阀式，插装式等。我所设计的课题就是直动式单级比例控制压力阀。压力控制阀是用来对液压系统中液流的压力进行控制与调节的阀。此类阀是利用作用在阀芯上的液体压力和弹簧力相平衡的原理来工作的。常见的压力控制阀有溢流阀、减压阀、顺序法、压力继电器等。直动式溢流阀是由比例电磁铁控制的直动式溢流阀，可直接用于小流量液压系统或作为先导式溢流阀的先导级，最高压力调节或作为安全阀，而且可作为还程调压阀实现二段或多段压力控制，它可以根据输入电流的大小比例控制系统压力。比例溢流阀的特性：1、简化液压系统管路，突破传统式一段压力一个遥控阀的复杂管路。2、比例式线圈可依输入电流的大小产生线性压力，更发挥液电合一的最佳功能。3、应答性佳，压力变化瞬间激压极小，可减小管路共振。由于本系统对于流量的控制是6L，属于小流量的控制，以及基于溢流阀的这些特点，故本系统选用的是直动式溢流阀。但同时我们也将在后面的内容中涉及到直动式比例减压阀的内容，我们将在各个方面来与溢流阀进行比较。2．5基于MATLAB的计算机仿真本系统选用了MATLAB软件对整个系统进行了仿真研究，将各个部分的传递函数当着参数输入，最终可以从软件中仿真出系统的流量压力曲线，从而可以验证整个系统的性能，以及实用性。3电控制器的设计电控制器（比例放大器，俗称放大板）在开环控制系统中，用于驱动和控制电液比例控制元件的电——机械转换器，在闭环控制系统中除了上述作用外，还要承担反馈检测放大和校正系统的控制性能，在本系统中我们采用的是开环系统。因此，电控制器的功能直接影响系统的控制性能，它的组成应与电——机械转换器相匹配，一般都具有控制信号的生成、信号的处理、前置放大、功率放大、测量放大、反馈校正、颤振信号发生及电源变换等基本组成单元。它包括电位器、斜坡发生器、阶跃函数发生器、PID调节器、反向器、功率放大器、颤振信号发生器，或者用可编程控制器等等。3．1PA2050比例放大器电控制器的使用已经是一个比较成熟的技术，而且涉及到的电控制器也想当的多，而且很多生产比例溢流阀的厂家都根据要求设计了相应的放大器，而比较通用的比例放大器如图3.1所示：图3.1PA2050比例放大器（1）结构特点：

1.PA2050系列比例放大器结构简洁，调节方便，具有良好的散热性，可方便地固定在多种工业设备上，是电液比例控制系统中不可缺少的环节。

2.放大器集成度高，输出电流大，功率级采用公共地端电流负反馈形式，输出电流不受引线电阻和负载变化的影响，并具有可靠保护性。

3.是适用于同时或分别驱动负载阻抗3～20Ω的单比例电磁铁和双比例电磁铁的比例方向阀或比例压力及比例复合阀等。

（2）工作原理图3.2功率级采用公共地端电流负反馈形式1.外部指令输入信号0～5VDC加到10端，信号输入负接11端，经过基准调节，斜坡时间调整，增益调节到电压电流转换器，通过脉宽调制器，经电流深度负反馈功率放大后，17、18端输出脉宽调制电流信号驱动比例阀电磁铁。

2.工作电源DC24V，正负分别从1、5端加入，经内部滤波、稳压再滤波到信号放大转换回路。

3.15端输出18VDC，20mA电压信号，可供输入信号源。用户也可外供指令信号。

4.放大器配有颤振信号发生器，以减小磁滞，提高比例阀的灵敏度及分辨率。（3）调节方法

1.基准调节，即起始电流设定，可以根据不同阀的液压零位（起始位置）与电气零位之间的对应关系进行设定，调节W4或W2电位器，顺时针调节零点提高，逆时针零点降低。

2.增益调整，可用于控制阀的灵敏度，就是指比例阀的最大工作电流（最大压力或流量值）对应指令输入信号的最大值。具体微调P3电位器，顺时针增益提高，逆时针增益降低。

3.斜坡时间调整，内部斜坡发生器将输入的阶跃信号转换成缓慢增加的输出信号（电磁铁电流），电流的上升和下降时间由电位器P2整定，输出信号从0增大到100%变化的最长时间5S。（4）技术参数1.工作电源：DC24V、40W

2.输入阻抗：100KΩ

3.颤振电流：200mA

4.输入信号：0～5V

5.最大输出电流：2.7A（电磁铁阻值3.2Ω）

6.斜坡时间：＜10S

7.工作温度：0～50℃（5）接线方法控制单电磁铁比例阀,信号输入输出接Ⅱ通道,接线及调试如图4：图3.3接线及调试图虽然该放大器具有很强的通用性，但是对于我们要精确控制以及使用的系统来说，最好还是我们自己设计系统需要的放大器，根据上面放大的原理，我们自行实际了电控制器。3．2比例放大器的设计1．比例放大器

（1）反相比例放大器

图3.4为反相比例放大器的电路图。

由图3.4根据理想运算放大器的两个重要结论“虚断”和“虚短”得：等式图3.4反相比例放大器电路由以上各式联立解得：即反相比例放大倍数为：

式中的负号表示输出电压和输入电压反相。

当时，或，表明输出电压与输入电压大小相等，极性相反，所以，此时的电路就称为“反相器”。

（2）同相比例放大器

图3.5为同相比例放大器的电路图。

在理想运算放大器条件下，有：图3.5同相比例放大器由以上各式得：

闭环电压放大倍数为：

电路的输入电阻和输出电阻分别为：，。

当（断开）并且（不断开）时，有

称之为电压跟随器，常用作同相阻抗变换器。（3）．差动放大器

如图3.6所示。

首先令同相端输入信号为零。此时集成运算放大器的反相输入端为“虚地”。在这种情况下，有：

图3.6差动放大器电路再令反相端输入信号为零。此时电路相当于同相比例放大电路，有：

由叠加原理得：

当和时：

如再有，可得：

由于输出电压与两个输入电压的差值成正比，故而实现了差动运算。根据要求，我们选择了差动放大器。2.方波、三角波发生器方波、三角波发生器由电压比C2较器和基本积分器组成，如图3.7所示。uo1C运算放大器A1与R1、R2、R3A1及Rw1、Dz1、Dz2组成电压比较器；R4RWA2uo2运算放大器A2与R4、Rw2、R5、C1R1R3RW及C2组成反相积分器，比较器与R5积分器首尾相连，形成闭环电路，R2DZ1构成能自动产生方波、三角波的发DZ2生器（请参考基础型实验中的方波、三角波发生电路）。图3.7方波、三角波发生器电路图电路参数：1．方波的幅度：Uo1m=Uz（1）2．三角波的幅度：（2）3．方波、三角波的频率：（3）其中C可选择C1或C2。从式（2）和（3）可以看出，调节电位器Rw1可改变三角波的幅度，但会影响方波、三角波的频率；调节电位器Rw2可改变方波、三角波的频率，但不会影响方波、三角波的幅度。3．3放大器电路图根据要求我们自行设计的放大器各个部分的电路图，图3.8为电源原理图，图11为PWM调制波电路图，图12为放大器的电路图。图3.8电源原理图该电路采用的稳压电路，对放大器各个元件所需要的电源电压进行变压稳压，给系统以提供稳定的电源。图3.9PWM调制波电路图本系统根据需要设计了PWM调制波，给放大器提供需要的波形，同时也是对电信号的控制精度有了很大的提高。对整个系统的精度都有着重要的作用。图3.10放大器电路图在放大器的设计中，还加入了颤振信号，如图3.10中所示。整个放大器的设计都是根据系统的需要的设计的，满足系统各个方面的要求，同是在设计中也考虑到了在满足系统要求的情况下尽量的节约成本，以及系统设计的合理性，使整个系统完全正常的运作起来。4比例电磁铁的设计4．1比例电磁铁的选定电-机械转换器是电液比例控制元件的重要组成部分，其输入是比例放大器的输出电流信号（或电压信号），输出为机械力、力矩或位移信号，并以此去操纵液压阀的阀芯运动，进而实现电液比例控制功能。因此，电—机械转换器的性能对电液比例控制元件及系统的稳定控制精度、动态响应特性、抗干扰能力、工作可靠性等产生重要影响。常用的电——机械转换器主要用以下几种：动线圈式力马达，是由硬磁材料和软磁材料组成的磁路，有1-2个控制线圈，当有控制电流输入时，由于载流导体在磁场中受力的作用，使悬挂在弹性元件上的可移动控制线圈相对轭铁移动，并输出机械力，它最主要的特点是结构较简单，但选用的是较贵重的材料，工艺性能好，其输出的机械力较小，控制电流力中等，综合考虑，不适用于本系统中。动铁式力矩马达，是由硬磁材料和软磁材料组成的磁路，有2个控制线圈，当有控制电流输入时，由于控制磁场与永磁铁的磁场的相互作用，使支撑在弹性元件或转轴上的衔铁相对轭铁转动，并输出机械力矩，该转换器的主要特点是结构复杂，采用的是贵重材料，而且工艺性能差，输出的机械力矩小，控制的电流小，综合考虑，不适用于本系统中。伺服电机，各种类型的直流伺服电机，根据载流导体在磁场在中受电磁力的作用原理设计，其输出转速正比于输入的电压，可实现正反向速度控制，利用转角检测反馈实现角位移闭环控制，其输入电压输出转速的传递函数可视为一阶滞后环节，该转换器的结构复杂，启动的转矩大，要求控制液压阀配用高速比精密减速机构，减速齿隙会产生不利影响，使用中可能会产生火花，稳定和动态性能都一般，由于本系统采用的是开环系统，而且也不需要配用高速比精密的减速机构，综合考虑，不适用于本系统中。在电液比例控制元件中应用最广泛的电—机械转换器是湿式耐高压直流比例电磁铁，它的工作原理是在由软磁铁组成的磁路中，有一激励线圈（或有一对机理线圈和一对控制线圈），当有控制电流输入时，由于磁路中磁通力因缩短其长度或磁场使磁路中磁阻减小的特性，使衔铁与轭铁之间产生吸力而移动，通过推杆输出机械力。该比例电磁铁的特点是结构简单，使用一般材料，工业性好，输出机械力较大，控制电流较大，使用维护方便。根据本系统对电磁铁的要求以及该电磁铁的特点，本系统选用了此种比例电磁铁。4．2比例电磁铁的工作原理及特性比例电磁铁的输入端为控制线圈，输出端为推杆。当控制线圈输入激励控制电流后，形成的磁路经由轭铁、导磁壳体、导套、非工作的径向间隙、衔铁，然后分成两路，一路的磁通Φ1由衔铁经过工作气隙到轭铁底面，另一路磁通Φ2由衔铁经过气隙、导套锥端到轭铁。磁场的特性是要使磁阻减小，Φ1的作用是形成底面力ＦM1，Φ2的作用形成了锥面力ＦM2，ＦM1与ＦM2的合力ＦM即为比例电磁铁锥杆上的输出力。输出力ＦM与输入控制电流I在比例电磁铁的工作行程是近似成比例的，无级调节其输入的控制电流，就可以实现输出力的无级调整，这就是比例电磁铁的电磁作用工作原理，分三个区段：用小隔磁环来消除第一区段；第二区段为水平吸力区；第三区为辅助工作区。如下图所示：图4.1：耐高压直流比例电磁铁的结构和特性I——吸合区；II——工作行程区；III——空行程区；1——导套；2——限位片；3——推杆；4——工作气隙；5——非工作气隙；6——衔铁；7——轴承环；8——隔磁环5直动式单级（常规型）比例控制压力阀的设计5．1直动式压力阀的基本结构和原理1直动式压力阀的基本结构直动式溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。如图5.1所示，直动型溢流阀因阀口和测压面结构型式不同，形成了三种基本结构：图5.1(a)所示阀采用滑阀式溢流口，端面测压方式；图5.1(b)所示阀采用锥阀式溢流口，同样采用端面测压方式；图5.1(c)所示阀采用锥阀式溢流口，锥面测压方式，测压面和阀口的节流边均用锥面充当。但无论何种结构，直动型溢流阀均是由调压弹簧和调压手柄、溢流阀口、测压面等三个部分构成。锥阀式直动型溢流阀的结构如图5.2所示。阀芯在弹簧的作用下压在阀座上，阀体上开有进出油口P和T，油液压力从进油口P作用在阀芯上。当液压作用力低于调压弹簧力时，阀口关闭，阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上，溢流口无液体溢出；当液压作用力超过弹簧力时，阀芯开启，液体从溢流口T流回油箱，弹簧力随着开口量的增大而增大，直至与液压作用力相平衡。调节弹簧的预压力，便可调整溢流压力。图5.1直动型溢流阀结构原理图(a)滑阀节流口，端面测压；(b)锥阀节流口，端面测压；(c)锥阀节流口，锥面测压图5.2锥阀式直动型溢流阀2直动式压力阀的基本原理当阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计，令指令力（弹簧调定力）F调S=KSxS0时，直动式溢流阀在稳态下的力平衡方程为ΔF=F指-PA=Kx(1)即P=K(x0+x)/A≈Kx0/A（常数）(2)式中p（或PL）——进口压力即系统压力（Pa）；F指——指令信号，即弹簧预压力（N）；ΔF指——控制误差，即阀芯上的合力（N）；A——阀芯的有效承压面积（m2）；K——弹簧刚度（N／m）；X0——弹簧预压缩量（m）；X——阀开口量（m）。由式(1)可以看出，只要在设计时保证X<<X0，即可使P=K(x0+x)/A≈Kx0/A=常数。这就表明，当溢流量变化时，直动式溢流阀的进口压力是近于恒定的。直动型溢流阀结构简单，灵敏度高，但因压力直接与调压弹簧力平衡，不适于在高压、大流量下工作。在高压、大流量条件下，直动型溢流阀的阀芯摩擦力和液动力很大，不能忽略，故定压精度低，恒压特性不好。5．2直动式单级（常规型）比例控制压力阀的设计1．EDG-01型电磁比例直动式溢流阀其外形图如图5.3所示：图5.3EDG–01型电磁比例直动式溢流阀用小型直流比例电磁铁和直动式溢流阀组成,具有反应灵敏、精度高等特性。适用于压力变化级制较多的自动化系统及注塑机等高性能机器中。型号规格:型号

流量

(ℓ/min)压力调整范围

(kgf/cm2)额定电流

(m/A)线圈电阻

(Ω)滞环重复精度重量

(kg)EDG-013-12B:5-7080010小于3%1%2C:10-160900H:12-250950

1.基准调节，即起始电流设定，可以根据不同阀的液压零位（起始位置）与电气零位之间的对应关系进行设定，微调MIN电位器，顺时针零点提高，逆时针零点降低。

2.增益调整，可用于控制阀的灵敏度，就是指比例阀的最大工作电流（最大压力或流量值）对应指令输入信号的最大值。具体微调MAX电位器，顺时针增益提高，逆时针增益降低。

3.斜坡时间调整，内部斜坡发生器将输入的阶跃信号转换成缓慢增加的输出信号（电磁铁电流），电流的上升和下降时间由电位T↓和T↑整定，输出信号从0增大到100%变化的最长时间5S。2．结构设计图5.4直动式单级（常规型）比例控制压力阀直动式单级（常规型）比例控制压力阀的基本结构如上图所示，由软磁材料的衔铁、导向套、轭铁、外壳以及激磁线圈和输出推杆等组成。导向套的前后两段之间用非导磁材料焊成整体，形成筒状结构的导向套具有足够的强度，可承受充满其中的油液静压力打35MPa，导套内孔径精加工，与衔铁上用非导磁材料制成的低摩擦支撑环，形成轴向移动的低摩擦副，导套前段端部经优化设计成锥形，导套与壳体之间为同心螺线管式控制线圈，导套中的衔铁处于静压平衡状态，衔铁前端装有输出推杆，衔铁后端由弹簧和调节螺钉组成调零机构，衔铁前端与轭铁之间形成工作气隙，衔铁与导套之间的径向间隙为非工作气隙。动铁前后通油孔用于改善动态特性。3工作原理直动式电液比例压力阀（溢流阀）可分为不带电反馈的直动式电液比例压力阀和位移电反馈型直动式电液比例压力阀。(1)不带电反馈的直动式电液比例压力阀不带电反馈的直动式电液比例压力阀由比例电磁铁和直动式压力阀两部分主成。直动式压力阀结构与普通压力阀的先导阀相似，所不同的是阀的调节弹簧为传力弹簧3，手动调节螺钉部分换装为比例电磁铁，锥阀芯4与阀座6间的弹簧5主要用于阀芯的振动撞击。阀体7为方向阀式阀体。其工作原理为，当比例电磁铁输入控制电流时，衔铁推杆2输出的推力通过传力弹簧3作用在锥阀上，与作用在锥芯上的液压力相平衡，决定了锥阀芯4与阀座6之间的开口量。由于开口量变化微小，故传力弹簧3变形量的变化也很小，若忽略液动力的影响，则可认为在平衡的条件下，这种直动式比例压力阀所控制的压力与比例电磁铁的输出电磁力成正比，从而与输入比例电磁铁的控制电流近似成正比。这种直动式压力阀除了在小流量场合作为调压元件单独使用外，更多的作为先导阀与普通溢流阀，减压阀的主阀组合，构成不带电反馈的先导式电液比例溢流阀,先导式电液比例减压阀，改变输入电流的大小，即可改变电磁力从而改变导阀前腔（也就是主阀上腔压力），实现对主阀的进口或者出口压力的控制。（2）位移电反馈型直动式电液比例压力阀移电反馈型直动式电液比例压力阀与不带电反馈的直动式电液比例压力阀的压力阀的结构相似，只是此处的比例电磁铁带有位移传感器1。在工作时，给定设定值电压，比例放大器输出相应控制电流，比例电磁铁推杆输出的与设定值成比例的电磁力，通过传力弹簧7作用在锥阀芯9上；同时，电感式位移传感器1检测电磁铁衔铁推杆的实际位置（也就是弹簧座6的位置）并反馈至比例放大器，利用反馈电压与设定电压比较的误差信号去控制衔铁的位移，也就是在阀内形成衔铁位置闭环控制。利用位移闭环控制可以消除摩擦力等干扰的影响，保证弹簧座6能有一个与输入信号成正比的确定位置，得到一个精确的弹簧与压缩量，从而得到精确的压力阀控制压力，电磁力的大小在最大吸力内由负载决定。当系统对重复精度，滞环等由较高要求时，可采用这种代电反馈的比例压力阀。由于电反馈是这种控制系统是通过负反馈控制，因而既有自动纠正偏差的能力，可以获得相当高的精度，但是系统的稳定性存在着问题，尤其对系统的机械特性提出了较高的要求，而且高精度和稳定性的要求是矛盾的，故本系统选用的是不带电反馈的直动式电液比例压力阀。5．3系统设计计算（1）动力参数分析所谓动力参数分析，就是通过计算确定各液压执行机构的载荷大小和方向，并且分析执行机构过程中的振动、冲击及过载能力等情况。液压缸的载荷计算：F=±Fw±Fm±Ff±Fg+Fsf+FbKN（5--1）式中Fw作用在液压缸上的工作载荷Fm活塞及运动部件的惯性载荷Fm=Ma*10^(-3)=W*ΔV/(g*Δt)*10^(-3)KNW活塞及运动部件的重量Ng重力加速度m/s²Δv—速度变化量m/sΔt--启动或制动时间SFf除液压缸外，运动部件导轨的摩擦载荷NFg运动部件自重KNFsf液压缸的摩擦载荷NFb回油背压阻力N根据查找机械设计手册可以得到，选择摩擦系数为0.1—0.12，背压阻力，根据系统属于中低压系统，背压阻力为0.2—0.5MPa,按载荷选择工作压力，如下表所示：表5--1载荷（KN）〈55--1010--2020--3030--50〉50工作压力（MPa）〈0．8--11．5--22．5--33--44--5〉=5--7根据设备的类型选择工作压力，小流量的液压阀一般用于机床磨床内，故工作的压力一般是在1—6.3MPa的范围，本系统根据6L的流量，选择2.4MPa.（2）阀芯的立平衡方程式：F=П*d²*Pc/4-CПdxsin2ψPcx±Ff（5--2）式中：F比例电磁铁输出力；Ff—阀芯、衔铁等运动部分的运动摩擦力（3）比例电磁铁的吸力方程式：F=FL+FB=CFI²（5--3）式中FL比例电磁铁的锥面力；FB比例电磁铁的底面力；CF比例电磁铁的吸力系数（4）阀口的流量方程式：q=CПdxsinψ(2*Pc/ρ)^½（5--4）式中：q流过压力阀的流量；C阀的流量系数；d直径；x阀芯的位移量；ψ锥阀阀芯的出流角ρ油液密度；Pc阀腔内所控制的液压力根据系统的6L流量，阀的流量系数根据手册选择1.2,锥阀阀芯的出流角选择15°，油液的密度选择一般的液压油ρ=0.78Kg/mЗ，带入到上面方程中，6L=1.2*3.14*d*5*10^(-3)m*sin15°(2*2.5MPa/0.78Kg/mЗd=6/[1.2*3.14*5*10^(-3)m*sin15°*(2*2.5MPa/0.78Kg/mЗ)^d=0.00根据实际情况，以及液压控制阀流量压力表如下：表52型号类别通径（mm）压力（MPa）流量（L/min）直动式溢流阀压力控制阀6--3031．560--300先导式溢流阀10--3231．5200—600直动式减压阀6--1031．530--50先导式减压阀10--3231．580--300选取阀口的通径为d=6mm,工作压力在31．5MPa根据其通径以及初步定的工作压力可以选择起阀的外形尺寸。阀的安装螺钉，选择如下表所示：表5--3阀安装螺钉转矩通径6M6*50GB70--85约10N*M通径（8）+10M8*70约2.5N*M通径15（20）M8*90通径（25）+30M10*110约50N*M选择长度L=80mm，缸体直径D=25mm，螺钉M6*50，转矩约10NM，缸体的各个尺寸可以根据<<机械设计手册>>中液压及气压系统设计计算中查找。技术规格如下表所示：表5--4介质矿物质液压油介质温度范围（°C）-20+70粘度范围（m²）（2．8380）*10^（-6）工作压力（MPa）31.5背压阻力（MPa）31.5最小调节压力（MPa）与流量Q相关最大调节压力（MPa）31.5通径（mm）6--30最大流量（L/min）60--300（5）管道计算管道内径计算：d=[4*Q/(П*v)]^½*10³mm（5--7）式中：Q通过管道的流量m³/sv管道内液体允许的流速m/s参照下表选取：表5--5管道吸油管道压油管道回油管道控制油管道泄油管道允许流速（m/s）0.5—1.53--61.5—2.52--31带入上面的公式中计算得出内径d=15.96mm根据查机械手册圆整后选取16mm管道壁厚计算：δ=p*d/(2*[σ])mm（5--8）式中：p管道内液体的最高工作压力MPa[σ]管道材料的许用应力MPa[σ]=σb/nMPaσb管道材料的抗拉强度MPan安全系数当p〈7MPa时，n=8;当7〈p〈17.5MPa时，n=6;当p>17.5MPa时，n=4.油箱容量的确定：初设计时按照经验公式确定油箱的容量，即：V=аQvm³（5--9）式中：а经验系数对于低压系统，а=24；对于中压系统，а=57，对于高压系统，а=612；对于行走机械，а=1—2Qv每分钟排出的液体体积m³（6）电液比例控制阀的基本流量公式：qv=CA(2*Δp/ρ)^½（5--10）式中qv通过控制阀口体积流量；C阀口流量修正系数；A阀口的通流面积；Δp阀口的前后压力差可以看出，通过阀的流量主要受阀口的通流面积A和阀口前后的压力差Δp两个因素影响。由于本设计要求的流量是6L，属于是小流量，阀口的通流面积A=П（d/2）^2,通过阀口的体积流量为6L/min,可以计算出阀口前后的压力差Δp=(q/CA)^2*ρ/2.（5--11）（7）液压系统性能验算液压系统总的压力损失：ΣΔp=ΣΔp1+Σ(Δp2*A2/A1)MPa（5--12）式中：ΣΔp1液压系统进油路的总压力损失MPaA1液压缸进油腔作用面积mm²A2液压缸回油腔作用面积mm²系统的调整压力pT为pT〉=p1+ΣΔpMPa（5--13）式中：p1液压缸工作腔压力MPa液压系统压力对于过滤精度要求：表5—6（μm）系统压力（MPa）一般系统伺服系统〈1414--35〉3521过滤精度20--5010--25〈10〈5安装部位对过滤精度的要求：表5—7（μm）安装部位入口压力管路回油管路低压中低压中高压高压过滤精度80--12030--5020--4015--2510--1550--1006比例控制压力阀的动静态特性分析6．1溢流阀静态特性溢流阀的性能特性包括静态特性和动态特性。静态特性是指阀在稳态工况时的特性，动态特性是指阀在瞬态工况时的特性。电液比例阀的静态特性是指稳定工作条件下，比例阀的各静态参数（流量，压力，输入电流或者电压）之间的相互关系。这些关系可用相关特性方程或在稳定工况下输入电流信号由0增加导额定值In，又从额定值减小到0的整个过程中，被控参数（压力p或者q）的变化曲线描述。电液比例阀的理想静态特性曲线应为通过坐标圆点的一条曲线，以保证被控参数与输入信号完全成同一比例。但实际上，因为阀内存在的摩擦，磁滞及机械死区等因素，故阀的实际静态特性曲线是一条封闭的曲线。此曲线与通过两端平均直线之间的差别反映了稳态工况下比例阀的控制精度和功能，这些差别主要由非线性度，滞环，分辨率，重复精度等静态特性指标参数进行描述。1.非线性度比例阀实际特性曲线上各点与平均斜线间的最大电流偏差Ilmax与输入额定电流In的百分比，称为电液比例阀的非线性度。非线性度越小，比例阀的静态特性越好。电液比例阀的非线性度通常小于10％。2.滞环电液比例阀的输入电流在作一次往复循环中，同一输入压力或者流量对应的输入电流的最大差值IGmax与额定输入电流In,的百分比，称为电液比例阀的滞环误差，简称滞环。滞环越小，比例阀的静态性能越好。电液比例阀的滞环通常小于7％，性能良好的比例阀，滞环小于3％。3.分辨率使比例阀的流量或者压力产生变化（增加或者减小）所需要输入电流的最小增量值与额定输入电流的百分比，称为电液比例阀的分辨率。分辨率小的静态性能好，但分辨率过小将会使阀工作不稳定。4.重复精度在某一输出参数（压力或者流量）下，从一个方向多次重复输入电流，多次输入电流的最大差值IRmax与额定输入电流In的百分比，称为电液比例阀的重复精度，在一般情况下名重复精度越小越好。需要说明的是，由于电液比例阀一般不在零位附近工作，而且对它的工作性能要求也不象电液伺服阀那样高，因此比例阀的死区以及由于油温和进出油口压力变化引起的特性零位漂移等，对阀的工作影响不太显著，一般不作为电液比例阀的主要性能指标。溢流阀工作时，随着溢流量q的变化，系统压力P会产一些波动，不同的溢流阀其波动程度不同。因此一般用溢流阀稳定工作时的压力一流量特性来描述溢流阀的静态特性。这种稳态压力一流量特性又称“启闭特性”。启闭特性是指溢流阀从开启到闭合过程中，被控压力P与通过溢流阀的溢流量q之间的关系。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标。图6.1所示为溢流阀的启闭特性曲线。图中Pn（P指）为溢流阀调定压力，Pc和Pc′分别为直动型溢流阀和先导型溢流阀的开启压力。溢流阀理想的特性曲线最好是一条在Pn处平行于流量坐标的直线。其含义是：只有在系统压力P达到Pn时才溢流，且不管溢流量q为多少，压力P始终保持为Pn值不变，没有稳态控制误差（或称没有调压偏差）。实际溢流阀的特性不可能是这样的，而只能要求它的特性曲线尽可能接近这条理想曲线，调压偏差尽（Pn-P）可能小。由图6.1所示溢流阀的启闭特性曲线可以看出：①对同一个溢流阀.其开启特性总是优于闭合特性。这主要是由于在开启和闭合两种运动过程中，摩擦力的作用方向相反所致。②先导式溢流阀的启闭特性优于直动式溢流阀。也就是说，先导式溢流阀的调压偏差（Pn-PC′）比直动式溢流阀的调压偏差（Pn-PC）小，调压精度更高。所谓调压偏差，即调定压力与开启压力之差。压力越高，调压弹簧刚度越大，由溢流量变化而引起的压力变化越大，调压偏差也越大。由以上分析可知，直动型溢流阀结构简单，灵敏度高，但压力受溢流量变化的影响较大，调压偏差大，不适于在高压、大流量下工作，常作安全阀或用于调压精度要求不高的场合。先导型溢流阀中主阀弹簧主要用于克服阀芯的摩擦力，弹簧刚度小。当溢流量变化引起主阀弹簧压缩量变化时，弹簧力变化较小。因此阀进口压力变化也较小。先导型溢流阀调压精度高，被广泛用于高压、大流量系统。溢流阀的阀芯在移动过程中要受到摩擦力的作用，阀口开大和关小时的摩擦力方向刚好相反，使溢流阀开启时的特性和闭合时的特性产生差异。除启闭特性外，溢流阀的静态性能指标还有：①压力调节范围：是指调压弹簧在规定的范围内调节时，系统压力平稳地(压力无突跳及迟滞现象)上升或下降的最大和最小调定压力。②卸荷压力：当溢流阀作卸荷阀用时，额定流量下进、出油口的压力差称为卸荷压力。④最大允许流量和最小稳定流量：溢流阀在最大允许流量(即额定流量)下工作时应无噪声。溢流阀的最小稳定流量取决于对压力平稳性的要求，一般规定为额定流量的15％。图6.1溢流阀的静态性曲线6．2溢流阀的动态特性电液比例阀的动态特性用频率响应（频域特性）和瞬态响应（时域相应）表示。电液比例阀的频率相应特性用波德图表示，并以比例阀德幅值比为－3dB（即输出流量为基准频率时输出德流量德70.7%）时德频率定义为幅频宽，以相位滞后达到－90度时德频率定义位相频宽。应去幅频宽中较小者作为阀德频宽值。频宽是比例阀动态响应速度德度量，频宽过低会影响系统德响应速度，过高会使高频传到负载上去。一般比例阀德频宽在1到10HZ之间，而高性能德电液比例伺服阀德频宽可达到120Hz,有可能更加高。电液比例阀德瞬态响应特性也是指通过对阀施加一个典型输入信号（通常位阶跃信号），阀的输出流量对阶跃输入电流德跟踪过程中所表现出德振荡衰减特性。反映电液比例阀瞬态响应快速性时的时域性能的主要指标有超调量，峰值时间，响应时间和过渡过程时间。这些指标的定义与电液伺服阀相同。图6.2流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性溢流阀的动态特性是指流量阶跃时的压力响应特性，如图6.2。其衡量指标主要有响应时间和压力超调量等：①压力超调量：定义为最高瞬时压力峰值与额定压力调定值Pn之间的差值为压力超调量ΔP，并将(ΔP/Pn)5100%称为压力超调率。压力超调量是衡量溢流阀动态定压误差及稳定性的重要指标，一般压力超调率要求小于10％-30%，否则可能导致系统中元件损坏，管道破裂或其它故障。②响应时间t1：是指从起始稳态压力P0与最终稳态压力Pn之差的10％上升到90﹪的时间，即图6.2中A、B两点间的时间间隔。t1越小，溢流阀的响应越快。③过渡过程时间t2：是指从0.9(Pn-P0)的B点到瞬时过渡过程的最终时刻C点之间的时间。t2越小，溢流阀的动态过渡过程越短。④升压时间Δt1：是指流量阶跃变化时，0.1(Pn-P0)至0.9(Pn-P0)的时间，即图6.15中A和B两点间的时间，与上述响应时间一致。⑤卸荷时间Δt2：是指卸荷信号发出后，0.9(Pn-P0)至0.1(Pn-P0)的时间，即C和D两点间的时间。Δt1和Δt2越小，溢流阀的动态性能越好。图6.3溢流阀的升压与卸荷特性6．3直动式溢流阀与先导式溢流阀的流量一压力特性曲线的比较分析溢流阀的特性曲线溢流阀的开启压力o当阀入口压力小于PK1时,阀处于关闭状态,其过流量为零；当阀入口压力大于k1时,阀开启、溢流,直动式溢流阀便处于工作状态(溢流的同时定压)。图6.4流量—压力特性曲线图6.4中pb是先导式溢流阀的导阀开启压力,曲线上的拐点m所对应的压力pm是其主阀的开启压力。当压力小于零时,先导阀关闭,阀的流量为零；当压力大于pb(小于此2)时,导阀开启,此时通过阀的流量只是先导阀的泄漏量,故很小,曲线上pbm段即为导阀的工作段；当阀入口压力大于此2时,主阀打开,开始溢流,先导式溢流阀便进入工作状态。在工作状态下,元论是直动式还是先导式溢流阀,其溢流量都是随入口压力增加而增加,当压力增加到丸z时,阀芯上升到最高位置,阀口最大,通过溢流阀的流量也最大一为其额定流量毡,这时入口的压力pn叫做溢流阀的调定压力或全流压力。从上述曲线可看出溢流阀的定压并非绝对不变,而是随过流量Q的变化而变化(波动)的。这是因为:流量增加,阀口开大,主阀芯上移,主阀弹簧压缩量增加、弹簧力加大,稳态液动力加大(其方向与弹簧力相同),故使阀入口压力增加的结果。曲线工作段的斜率越大,定压精度越高(发生单位或相同流量变化时引起压力的变化量越小)。定压精度常用调压偏差和开启比来度量。调定压力pn与开启压力PK之差,称为调压偏差,其值越小,说明曲线越陡,斜率越大,定压精度越高。但是调压偏差又不能真正说明定压精度，例如,对于同一调压偏差2×105pa而言,当额定压力为100×105pa时,其压力的最大波动率为2%；当额定压力为10×105pa时,压力的最大波动率为20%,可见二者调压偏差虽相同,但定压精度却一高一低(显然前者较高)。所以调压偏差(又称为绝对定压精度)不足以说明问题。因此需进一步用相对定压精度开启比一一开启压力PK与调定压力丸之比此/ρn来衡量定压精度,而且其值越大越好。例如,仍以上述为例:同是调压偏为2×105pa,对于额定压力为100×105pa而言,其开启压力为98×105pa；对额定压力为10×105pa,其开启压力为8×105pao则二者的开启比,即相对定压精度分别为:98×105/1OO×105=98%；8×105/10×105=80%。98%>80%,显然前者定压精度高。这样就解决了对于不同的压力级别(额定压力)在采用调压偏差(绝对定压精度)判断定压精度时所造成的误解。7压力控制回路分析压力控制回路是用压力阀来控制和调节液压系统主油路或某一支路的压力，以满足执行元件速度换接回路所需的力或力矩的要求。利用压力控制回路可实现对系统进行调压(稳压)、减压、增压、卸荷、保压与平衡等各种控制。7．1调压及限压回路当液压系统工作时，液压泵应向系统提供所需压力的液压油，同时，又能节省能源，减少油液发热，提高执行元件运动的平稳性。所以，应设置调压或限压回路。当液压泵一直工作在系统的调定压力时，就要通过溢流阀调节并稳定液压泵的工作压力。在变量泵系统中或旁路节流调速系统中用溢流阀(当安全阀用)限制系统的最高安全压力。当系统在不同的工作时间内需要有不同的工作压力，可采用二级或多级调