液压伺服系统课程课件一五

第三章液压动力元件

3.1四通阀控制液压缸 3.2四通阀控制液压马达 3.3三通阀控制液压缸 3.4泵控液压马达 3.5液压动力元件与负载的匹配

本章介绍1概述

液压动力元件=液压放大元件+液压执行元件液压放大元件（液压控制元件）：液压控制阀、伺服变量泵液压执行元件：液压缸、液压马达

机-液耦合（换能）元件四种基本型式的液压动力元件：

阀控（节流控制）系统：阀控缸，阀控马达；

泵控（容积控制）系统：泵控缸、泵控马达。

液压动力元件是一个关键性的部件，它的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能。23.1四通阀控制液压缸零开口四边滑阀+对称液压缸四通阀控制液压缸Xvp1p2V1V2xpFLQ1Q2一、基本方程1）液压控制阀的流量方程2）液压缸流量连续性方程3）液压缸与负载的力平衡方程（一）滑阀的流量方程假设：1）零开口四边滑阀2）四个节流窗口是匹配对称的3）供油压力恒定，回油压力为零3（二）液压缸流量连续性方程假设：1）阀与液压缸的连接管道对称且短而粗，管道中的压力损失和管道动态可以忽略2）液压缸每个工作腔内各处压力相等，油温和体积弹性模量为常数3）液压缸内外泄漏均为层流流动总流量=推动活塞运动所需流量+经过活塞密封的内泄漏流量+经过活塞杆密封处的外泄漏流量+油液压缩和腔体变形所需的流量4流入液压缸进油腔的流量：从液压缸回油腔流出的流量：液体是可压缩的。液体等效容积弹性模数βe表示容器中油液的容积变化率与压力增长量之间的关系M5

动态分析时，需要考虑泄漏和油液压缩性的影响，则流入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等，为了简化分析，定义负载流量为：6要使压缩流量相等，应使液压缸两腔的初始容积相等，即活塞在中间位置时，1）液体压缩性影响最大，固有频率最低2）阻尼比最小因此，系统稳定性最差。所以，分析时，应取活塞的中间位置作为初始位置。流量方程可整理成：推动液压缸运动所需流量+总泄漏流量+总压缩流量7（三）液压缸和负载的力平衡方程

负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。液压缸的输出力与负载力的平衡方程为：

此外，还存在库仑摩擦等非线性负载，但采用线性化的方法分析系统的动态特性时，必须将这些非线性负载忽略。8二、方块图与传递函数阀控液压缸的三个基本方程完全描述了阀控液压缸的动态特性，将其拉式变换，则：Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+k+Kc适合于负载惯量小、动态过程较快的场合。9Kq-+xvxpPLFL-适合于负载惯量和泄漏系数都较大，而动态过程比较缓慢的场合。10合并三个基本方程，消去中间交量QL及pL，可得到阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移：式中，，包括泄漏在内的总的压力流量系数。液压缸活塞的空载速度外负载力作用引起的速度降低惯性力、粘性力、弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度惯性力、粘性力、弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度活塞运动速度11（一）没有弹性负载（K=0）的情况

1）很多情况，以惯性负载为主。2）液压马达伺服系统中，弹性负载很少见。3）粘性阻尼系数Bp一般很小，所以由粘性摩擦力引起的泄漏流量所产生的活塞速度比活塞的运动速度小得多，可忽略不计。三、传递函数简化对特征方程的简化。因式分解，化为标准形式。或式中ωh——液压固有频率ζh——阻尼比12如果粘性摩擦系数Bp可以略去，则

对于指令输入xv的传递函数为：对于干扰输入FL的传递函数为：13（二）有弹性负载（K≠0）的情况阀控液压缸中，弹性负载比较常见：1）带对中弹簧的功率级滑阀2）材料试验机的负载是硬弹簧或粘性阻尼系数Bp一般很小所以：kh——液压弹簧刚度：液压缸完全封闭的两腔由于液体的压缩性而形成的14ω0——综合固有频率ζ0——综合阻尼比将对应项系数相等，可得：满足时，有：15Kps——总压力增益ωr——惯性环节的转折频率稳态时阀输入位移所引起的液压缸活塞的输出位移外负载力作用所引起的活塞输出位移的减小量1）弹性负载使积分环节变成惯性环节2）随着负载弹簧刚度减小，转折频率将变低，惯性环节接近积分环节16（三）其它的简化情况K=0时出现积分环节17是负载质量与液压缸工作腔中的油也压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。假设：液压缸无摩擦、无泄漏由于液体的压缩性，当活塞受到外力作用产生位移时，一腔压力升高，另一腔压力降低2）液压固有频率

被压缩液体产生的复位力与活塞位移成比例，其作用相当于一个线性液压弹簧，总液压弹簧刚度为：总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联。18Mtkhx

弹簧-质量系统当活塞处在中间位置时，液压弹簧刚度最小，当在两端时，V1或V2为零，液压弹簧刚度最大。液压弹簧与负载质量相互作用所构成系统的固有频率，中间位置时，其值为：液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的，实际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响，液压缸不可能完全封闭，因此在稳态下不存在弹簧刚度。动态时，在一定频率范围内来不及泄漏，相等于一种密封状态，因此液压弹簧是一个动态弹簧。19在液压伺服系统中，液压固有频率限制了系统的响应速度。提高液压固有频率的方法：（1）增大液压缸活塞面积Ap（有时，Ap主要由负载决定）h与Ap不成比例关系压缩容积Vt随之增大同样的负载速度，所需负载流量增大，阀、连接管道、液压能源装置的尺寸重量也随之增大（2）减小总压缩容积Vt

（主要是减少无效容积和连接管道容积）使阀靠近液压缸，最好装在一起选择合适的执行元件：长行程输出力小时用液压马达，反之用液压缸（3）减小折算到活塞上的总质量Mt（活塞质量+负载折算到活塞上的质量+液压缸两腔的油液质量+阀与液压缸连接管道中的油液折算质量）（4）提高油液的有效体积模量βe（700~1400MPa，或实测）

影响因素：受油液压缩性、管道及刚体机械柔性、油液中所含空气（最严重）要尽量减少混入空气，避免使用软管203）液三压阻三尼比决定三因素三：总三流量-压力三系数Kce、负三载粘三性阻三尼Bp因为三：Bp<<Kce，Ctp<<Kc，所三以h主要三由Kc决定三。零位时系三统的稳定三性最三差由于三库仑三摩擦三等因三素的三影响三，实三际的三零位三阻尼三比要三比计三算值三（按Kc0计算三）大三，至少三为0.三1~三0.三2，或三更高三一些。Kc随工三作点三不同三会有三很大三的变三化。三在阀三芯位三移xv和负三载压三力pL较大三时，三由于Kc值增三大使三液压三阻尼三比急三剧增三大，三可使三h>1，其变化三范围三达20三~3三0倍。因三此，三是一三个难三以预三测的三软量三。零位三阻尼三比小三，阻三尼比三变化三范围三大是液三压伺三服系三统的三一个三特点21液压三阻尼三比表三示系三统的三相对三稳定三性。三液压三伺服三系统三一般三低阻三尼，提高三的办三法有三：（1）设三置旁三路泄三漏通三道（增三加泄三漏系三数Ctp）但：增大三了功三率损三失降低三了系三统的三总压三力增三益和三系统三的刚三度，三增加三了外三负载三力引三起的三误差系统三性能三受温三度变三化的三影响三大（2）采三用正三开口三阀但：降低三了系三统刚三度泄漏三引起三的损三失更三大非线三性流三量增三益稳态三液动三力变三化（3）增三加负三载的三粘性三阻尼（需三要另三设阻三尼器三，增三加了三结构三复杂三性）221）动三态位三置刚三度特三性动态三位置三柔度三，其三倒数三即为三动态三位置三刚度惯性三环节+比例三环节+理想三微分三环节+二阶三微分三环节因为h很小三，所三以2hh<三h负号三表示负载三力增三加使三输出三减小动态三位置三刚度与负载三干扰三力FL的变三化频三率有关2.对干三扰输三入FL的频三率响三应分三析23（1）在<2hh的低三频段三上，惯三性环三节和三二阶三微分三环节三不起三作用三，则=0时，三得静三态位三置刚三度在恒三定的三外负三载力三作用三下，三由于三泄漏三的影三响，三活塞三将连三续不三断地三移动三，没三有确三定的三位置三。随三着频三率的三增加三，泄三漏的三影响三越来三越小三，动态三位置三刚度三随频三率成三比例三增大。/秒(s－1)20lg|G|dB1阀控缸动态刚度幅频特性20lgAp2Kce20lgkh24（2）在2hh<三<三h的中三频段上，三比例三环节三、惯三性环三节和三理想三微分三环节三同时三起作三用，三动态三位置三刚度三为一三常数三：在中三频段三上，三由于三负载三干扰三力的三变化三频率三较高三，液三压缸三工作三腔的三油液三来不三及泄三漏，三可以三看成三是完全三封闭的，三其动三态位三置刚三度就等于三液压三刚度。（3）在>三h的高三频段上，三二阶三微分三环节三起主三要作三用，三动态三位置三刚度三由负载三惯性所决三定。三动态三位置三刚度随频三率的三二次三方增三加，但三一般三很少三在此三频率三范围三工作三。252）动三态速三度刚三度特三性<2hh的低三频段三上的三动态三速度三刚度三为：此时三，液三压缸三相当三于一三个阻尼三系数三为Ap2/Kce的粘三性阻三尼器。从物理三意义上说三，在三低频三时因三负载三压差三产生三的泄三漏流三量被三很小三的泄三漏通三道所三阻碍三，产三生粘三性阻三尼作三用。=0时，三得静三态速三度刚三度26（二三）有三弹性三负载三（K≠0）时三的频三率响三应分三析有弹三性负三载时三，活三塞位三移对三阀芯三位移三的传三递函三数为三：其主三要性三能参三数有三：为位置三放大三系数，其三中总三压力三增益Kps包含阀的三压力增三益Kp，其三随工三作点三在很大三范围三内变三化，零位三时最三大。另外三，位三置放三大系三数还和负三载刚三度有三关，这三与无三弹性三负载三时不三同。27穿越三频率20lg|G|dB0/秒(s－1)1负载三刚度三使穿三越频三率降三低了上式三再一三次说三明，三负载三刚度三比较三小时三，它三对动三态特三性的三影响三可忽三略。K≠0时，总流三量-压力三系数Kce影响1）位三置放三大系三数2）惯三性环三节的三转折三频率3）0，从三而影三响高三频段三谐振三峰值三和相三频特三性形三状，三影响三系统三的幅三值裕三量但不三影响三：穿三越频三率，因三此不三影响三快速三性28第三三章三液三压动三力元三件3.三1四通三阀控三制液三压缸3.三2四通三阀控三液压三马达3.三3三通三阀控三制液三压缸3.三4泵控三液压三马达3.三5液压三动力三元件三与负三载的三匹配本章三介绍293.三2四通三阀控三制液三压马三达常用三的液三压动三力元三件，三分析三方法三与阀三控液三压缸三的相三同。四边阀控制液压马达p1p2V1V2TLpSTXvQ1Q2θmBA3031阀控三液压三马达三，弹三簧负三载很三少见三，即G=三0，另外三由于：所以三：通常三负载三粘性三阻尼三系数Bm很小三，所三以：32三通三阀控三制液三压缸三常用三作机液三伺服三系统的动三力元三件，三如仿三形机三床和三力操三纵系三统中3.三3三通三阀控三制液三压缸pcXv三通阀控缸的结构原理图A

QLpspsFLxp3334Bp比阻三尼系三数Ah2/Kce小得三多，三即：35当负三载刚三度k=三0时，三则：三通三阀控三缸和三四通三阀控三缸传三递函三数的三形式三一样三，但三前者三液压三固有三频率h和阻三尼比h（Bp=0）均三是后三者的原因三是：三只有一个三控制三腔，只三形成一个三液压三弹簧因此三，四三通阀三控缸三的动三态响三应要三好得三多。36第三三章三液三压动三力元三件3.三1四通三阀控三制液三压缸3.三2四通三阀控三液压三马达3.三3三通三阀控三制液三压缸3.三4泵控三液压三马达3.三5液压三动力三元件三与负三载的三匹配本章三介绍373.三4泵控三液压三马达pm38一、三基本三方程变量三泵的流量三方程三为：V0——一个三腔室三的总三容积变量三泵的三排量三为：其增量三方程三的拉三氏变三换为：液压三马达三高压三腔的流三量连三续性三方程三为：其增量三方程三的拉三氏变三换为：液压马达三和负三载的力三矩平三衡方三程为三：其增量三方程的拉三氏变三换为三：39401）液压三固有三频率三较低只有三一个三控制三管道三，1/√2液压三泵的三工作三腔容三积大2）阻尼三比较三小，三但较三恒定。Ct<Kce，总三是欠三阻尼三，但三基本三恒定。设置三旁路三泄漏三通道三或内三部压三力反三馈以三获得三满意三的阻三尼比3）增益Kqp/Dm和静三态速三度刚三度Dm2/Ct比较三恒定。4）动态三刚度三不好三，但三静态三刚度三很好三（Ct较小三）三、三泵控三液压三马达三与阀三控液三压马三达的三比较41第三三章三液三压动三力元三件3.三1四通三阀控三制液三压缸3.三2四通三阀控三液压三马达3.三3三通三阀控三制液三压缸3.三4泵控三液压三马达3.三5液压三动力三元件三与负三载的三匹配本章三介绍42负载三匹配是指三液压三动力三元件三的输三出特三性与三负载三特性三之间三的配三合3.三5液压三动力三元件三与负三载的三匹配一、三负载三特性负载：液三压执三行元三件运三动时三所遇三到的三各种三阻力三（或三阻力三矩）惯性三负载三、弹三性负三载、三粘性三阻尼三负载三、摩三擦负三载、三重力三负载三等负载三特性三：负载三力与三负载三速度三之间三的关三系负载三特性三与负三载类三型和三负载三的运三动规三律有三关负载三轨迹：以三负载三力为三横坐三标，三负载三速度三为纵三坐标三所画三出的三曲线43（一三）、三惯性三负载三特性惯性三负载三力可三表示三为：设惯三性负三载的三位移三为正三弦运三动，三即：则负三载轨三迹方三程为三：将其三联立三可得三：最大三负载三速度三与成三正比三：最大三负载三力与2成正三比：因此三，增三加时三正椭三圆的三横轴三比纵三轴增三加快因惯三性力三随速三度增三大而三减小三，因三此负三载轨三迹点沿逆三时针三旋转44（四三）、三摩擦三负载三特性静摩三擦力+动摩三擦力=干摩三擦力若三静摩三擦力三≈三动三摩擦三力，三则此三时的三干摩三擦力三称为库仑三摩擦三力。静摩三擦负三载轨三迹三动摩三擦负三载轨三迹45（五三）、三合成三负载三特性惯性三、粘三性、三弹性负载三合成轨迹三方程三为：负载三轨迹三随频三率增三加而三加大三，设三计时三应考虑三最大三工作三频率三时的三负载三轨迹（有三外干三扰和三不是三正弦三运动三时，三很复三杂）三。最有三用的三工况三点：最大三功率三、最三大速三度、三最大三负载三力46二、三等效三负载三的计三算假设三：1）齿三轮是三绝对三刚性三的2）齿三轮的三惯量三和游三隙为三零则：结论三：将惯三量、三粘性三阻尼三系数三、刚三度折算三到转三数高三的轴三时，三需除三以i2即可三，相三反时三，则三只需三乘以三i2即可三。47三、三液压三动力三元件三的输三出特三性是指三：在稳态情况三下，三执行三元件三的输出三速度三、输三出力三与阀三的输三入位三移三者三之间三的关三系。1）提三高供三油压三力Ps，使三整个三抛物三线右三移，三输出三功率三增大2）增三大阀三的最三大开三口面三积Wxvm三ax，使三抛物三线变三宽，三但顶三点不三动，三输出三功率三增大3）增三大液三压缸三活塞三面积Ap，使三抛物三线顶三点左三移，三同时三使抛三物线三变窄三，但三最大三输出三功率三不变三。1）2）3）48四、三负载三匹配曲线5表明三：液压三缸活三塞面三积太三大，三或阀三太小三，供三油压三力过三高曲线三的斜