第2章 液压控制元件的发展

内容安排

2-1现代控制元件发展概况

2-2电液比例阀

2-3DDV阀

2-4数字阀

2-5高速开关阀及PWM控制第2章液压控制元件的发展哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况1.现代液压控制元件发展不指液压传动中的三类阀：压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀，而是指用于闭环伺服控制系统的各类阀，主要指各类伺服阀（DDV直动阀）、电液比例阀、高速开关阀、数字阀等。外在的刺激因素：市场发展需求:电气控制技术和绿色环保内在的刺激因素：部分传统结构产品技术生命周期进入衰退期，面临淘汰各种基础学科的发展，如流体力学、电磁学、电子学的发展A）现代液压控制元件内涵B)刺激因素C)回顾1）电液伺服阀的发展滑阀特性和液压伺服控制理论研究（1940年始）飞机上出现电液伺服系统，滑阀由伺服电机拖动（1945年后）永磁式力矩马达出现，形成了电液伺服阀的雏形（1950年始）喷嘴—挡板阀作为先导级的电液伺服阀出现（1950年底）各种形式的电液伺服阀开始出现（1960年始）哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）射流管阀喷嘴挡板阀偏导射流式伺服阀射流管阀特点：优点：抗污染能力强，结构简单，要求加工精度低；缺点：惯性大，相应速度慢，功耗大；用于小功率和低压场合。喷嘴挡板阀特点：优点：结构简单，加工方便，挡板运动阻力小，惯性小，反应快，灵敏度高；缺点：功率损耗大，多用于小功率系统，或多级放大液压控制阀中的第一级中。优点：具有射流管伺服阀的特点，结构简单，抗污染能力强，工作可靠，具有“失效对中”能力，抗磨能力强，寿命长缺点：加工精度要求高，难度大哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）单边节流滑阀双边节流滑阀四边节流滑阀电液伺服阀组成：电—机械转换器液压先导级控制阀液压功率级控制阀反馈部件附件（过滤器等）哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）电液伺服阀发展动向：大流量、高频响电液伺服阀的研制特种电液伺服阀（如深海）机电液一体化（如飞机上，MOOG已经开发出来机电液一体化伺服阀）低成本、抗污染、工作可靠的电液伺服阀电液比例伺服阀电液伺服阀创新方向新的结构（电—机械转换器的结构、阀的结构）新材料的利用（压电陶瓷、GMM、记忆合金、纳米材料？）其中电液伺服阀电—机械转换器采用新型材料利用压电陶瓷元件（PZT材料）利用超磁致伸缩材料（GMM材料）利用电流变体（ER流体）利用磁流变流体（MR流体）利用记忆合金§2-1现代液压控制元件发展概况（续）D)液压控制元件发展趋势1)表达了液压控制元件的层次结构和有形实体的构成；2)适用于对液压控制元件的总体格局进行分析和综合。§2-1现代液压控制元件发展概况（续）§2-1现代液压控制元件发展概况（续）1987年11月德国机床制造厂联合会（VDM）的支持下，由斯图加特大学制造控制技术研究所对“未来控制技术”和“新型控制器件”进行了大力研究，明确提出“未来控制技术”和“新型控制器件”的技术特征和设计原则：

模块化可组配合开放式结构哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.comE)新型控制元件电液比例阀电液比例控制技术出现电液比例阀是一种可以根据输入电气信号，按比例对工作油液的压力、流量和方向进行控制的液压控制阀。§2-1现代液压控制元件发展概况（续）电液伺服系统电液比例系统电液比例技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。控制元件变更伺服阀比例阀凡是系统的输出量如压力、流量、位移、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例的得到控制的，都可以称为比例控制系统。哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）电液伺服控制起源于主要在军事工程领域发展起来的电液控制技术，电液比例控制技术是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造和维护费用高发展起来的控制技术。电液比例控制技术应用的显著特点：1）可靠、低廉、控制精度和响应特性满足工程技术实际需要2）介于普通开关控制与伺服控制之间的新型电液控制技术哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com比例控制技术的发展分为四个阶段：

§2-1现代液压控制元件发展概况（续）1）比例技术的诞生1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀起，到70年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止。2）发展成熟1975年~1980年间，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，尤其耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成熟。3）进一步发展20世级80年代，设计原理进一步完善，各种校正手段应用，阀的稳定性、控制精度和响应特性进一步提高，并形成了电液比例插装技术。4）扩展20世纪90年代中后期开始。比例阀家族增加了新成员高速开关阀，同时将电液控制技术和电液比例技术结合，出现了电液伺服比例阀。

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郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）高速开关阀高速开关阀又称脉宽调制式数字阀控制方式：脉宽调制式特点：通过控制脉宽占空比控制输出量只有全开、全闭两种状态开关频率通常在100Hz以上系统抗干扰能力强哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）数字阀出现原因：传统的伺服阀和比例阀存在以下缺点：控制器存在模拟电路，易产生温漂和零漂，系统的非线性难以补偿增加了D/A转换接口驱动元件电磁铁和力矩马达存在磁滞现象，系统存在滞环发展历程：1）国外70年代后期开始研制，80年代初日本推出系列产品2）国内许多大专院校如浙江大学、重庆大学、上海工业大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等，在80年代中后期相继开展了数字阀的研究，但目前应用范围较小。结构形式：步进电机+阀——>增量式数字阀步进电机+滑阀+液压缸——>数字缸哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）2.性能特点比较a)技术特点b)相互关系§2-1现代液压控制元件发展概况（续）2.性能特点比较哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-1现代液压控制元件发展概况（续）2.性能特点比较c)性能对比分析哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com电液比例阀广泛应用的原因：1）除存在中位死区外，性能与伺服阀相当；2）系统频宽能够满足大部分工业控制要求；3）介质过滤精度要求低；4）价格低，与开关阀相当哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所IEST

郑淑涛zhengshutao77@163.com§2-2电液比例阀(续)1.组成原理电液比例阀（通常开环）高性能电液比例阀电-机械转换装置电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气-机械转换装置将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压元件。

§2-2电液比例阀(续)2.特点电液比例阀采用比例电磁铁替换了传统开关型液压阀的手动调节手柄或普通电磁铁。1)与插装阀结合，开发出各种不同功能和规格的二通插装式比例阀，插孔符合ISO标准；2)生产批量较大的比例压力阀、比例方向阀，常与开关阀通用主阀阀体，有利于生产管理和标准化设计，为液压技术改造带来方便。3)力反馈比例元件可以配用多种控制输入，不同输入单元具有统一连接尺寸。4)比例泵的恒压、恒流、压力流量复合等多种功能控制块，多采用组合叠加方式，便于在基泵上进行控制功能增减组合。5)控制放大器、电磁铁、比例阀等组合成一体，形成电液一体化结构，为系统设计和运行提供便利机电一体化结构§2-2电液比例阀(续)3.分类

(1)按其控制功能来分类：比例压力控制阀，比例流量控制阀、比例方向阀和比例复合阀。前两者为单参数控制阀，后两种为多参数控制阀。(2)按液压放大级的级数：直动式和先导式。直动式是由电一机械转换元件直接推动液压功率级。一般控制流量都在15L/min以下。先导控制式比例阀由直动式比例阀与能输出较大功率的主阀级构成。根据功率输出的需要，它可以是二级或三级的比例阀。二级比例阀可以控制的流量通常在500L/min以下。比例插装阀可以控制的流量达1600L/min.(3)按比例控制阀的内含的级间反馈参数或反馈物理量的形式来分可分：带反馈或不带反馈型。不带反馈型一类，是从开关式或定值控制型的传统阀上加以改进，用比例电磁铁代替手轮调节部分而成；带反馈型一类，是借鉴伺服阀的各种反馈控制发展起来的。它保留了伺服阀的控制部分，降低了液压部分的精度要求，或对液压部分重新设计而构成。反馈型又分为流量反馈、位移反馈和力反馈。(4)按比例阀主阀芯的型式来分：滑阀式和插装式。滑阀式是在传统的三类阀的基础上发展起来的；插装式是在二通或三通插装元件的基础上，配以适当的比例先导控制级和级间反馈联系组合而成。具有动态性能良好，集成化程度高，流通量大等优点。

(5)按其生产过程还可分为两类：一类是在电液伺服阀的基础上简化结构、降低制造精度，从而以低频宽和低静态指标换得成本的低廉，用于对频宽和控制精度要求不高的场合。另一类是在传统的液压阀基础上，配上廉价的螺管式比例电磁铁进行控制。§2-2电液比例阀(续)3.电液比例控制系统a）组成电液比例控制系统：由电子放大及校正单元、电液比例控制单元、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测反馈处理单元组成的系统电液比例控制系统基本结构特点：1、存在两类闭环：大闭环形成闭环控制系统小闭环形成开环控制系统思考：电液比例控制系统与电液伺服控制系统的差别在哪里？§2-2电液比例阀(续)3.电液比例控制系统b）分类按功率调节元件：节流控制系统：动态响应快，功率损失大容积控制系统：节能按被控量参数：位置（转角）控制系统速度（转速）控制系统加速度（角加速度）控制系统