教学材料《液压 传动》-第九章

第一节

液压伺服系统的简介伺服系统(又叫随动系统或跟踪系统)是自动控制系统的一种重要类型。它除了具有液压传动的各种优点外，还有反应快、自动化程度高、系统刚性大、伺服精度高、体积小、质量轻等特点，但液压伺服系统元件加工精度高，价格较高，对油污较敏感，因此可靠性受到影响。在更多的情况下，电气液压伺服系统得到了广泛的应用，是因为它同时发挥了电气和液压两方面的优点。随着科学技术的发展，液压伺服系统的缺点将逐渐得到克服，在更多的领域发挥作用。9.1.1液压伺服系统的组成液压伺服系统根据元件的职能，主要由以下一些基本元件组成:下一页返回第一节

液压伺服系统的简介(1)输入元件。一般指将给定值加干系统输入端的元件。(2)比较元件。将输入信号和反馈信号进行比较，得出偏差信号，并将偏差信号输入给放大转换元件，在系统中比较元件往往并不单独存在，而是由输入元件、反馈元件或放大转换元件一起组合为同一结构元件。(3)检测反馈元件。指测量系统的输出量并转换成反馈信号的元件。如各类传感器常用作检测反馈元件。(4)放大转换元件。将偏差信号放大并转换后，控制执行元件动作的元件。(5)执行元件。指直接带动控制对象动作的元件，如液压缸和液压马达。上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介(6)控制对象。指由执行元件所驱动的各种负载，如工作台、刀架等。9.1.2液压伺服系统的主要类型按控制信号分:机液伺服系统、电液伺服系统。按控制元件分:阀控伺服系统、泵控伺服系统。变量泵控制液压伺服系统的优点是效率较高、系统刚性大，缺点是响应速度慢、结构复杂二另外，操纵变量泵变量机构所需的力较大，需要一套专门的操纵机构，从而使系统复杂化。变量泵控制液压伺服系统特别适合大功率而响应速度要求又不太高的场合。阀控制伺服系统的优点是响应速度快、控制精度高，缺点是效率低。上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介由于它的性能优越而得到广泛应用，特别是在中、小功率的快速、高精度液压伺服系统中采用。9.1.3液压伺服系统的工作原理车床上的仿形刀架就是一种简单的液压伺服系统。现以车床仿形刀架液压伺服系统为例，介绍液压伺服系统的工作原理。在车床上，利用液压仿形刀架可以仿照样件(或样板)的形状自动加工出多台肩的轴类零件或曲线轮廓的旋转表面，从而大大提高劳动生产率和减轻劳动强度。如图9-1所示为一安装在卧式车床上的液压仿形刀架的原理图，仿形刀架装在车床溜板箱后部，随溜板箱一起作纵向移动，并按照样件的轮廓形状车削工件，上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介样件7安装在床身支架上，是固定不动的，液压泵站放在车床附近的地面上，与仿形刀架以软管相连。仿形刀架的活塞杆2固定在刀架的底座上，液压缸的缸体连同刀架1可在刀架底座的导轨上沿液压缸的轴向作移动。控制滑阀11的一端有弹簧5,经杆4使触头6经常压紧在样件7上。仿形刀架工作时，压力油从液压泵9经过滤器10通入伺服阀的通道f.后，分成二路:一路不经节流进入油路口至液压缸前腔A，所以液压缸前腔.9的油压始终等于液压泵的供油压力P(由溢流阀8调整)，在工作过程中是不变的;另一路经节流缝隙δ1至环槽6进入油路f至液压缸后腔B，同时压力油从环槽6经节流缝隙民进入油路。而回油箱。可以看出，上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介液压缸后腔b一方面通过缝隙δ1和进油相通，另一方面又通过缝隙δ1和油箱相通，因此，液压缸后腔B中的压力P2，就由节流缝隙δ1和δ2的比例关系来决定。车削圆柱面时，角虫头6沿样件7的圆柱表面滑动，这时滑阀11不动，节流缝隙8,和8,保持某一比例关系，使得液压缸后腔B中压力油的作用力能和液压缸前腔A中压力油的作用力以及车刀13处沿液压缸轴向的切削分力互相平衡。如果车刀上所受到的沿液压缸轴向的切削分力为F(N)，液压缸前腔A的有效工作面积为A1（m2)，压力为p2（Pa)，液压缸后腔B的有效工作面积为A2（m2)，压力为P2（Pa），并且略去摩擦力，这样，作用力的平衡关系可以用下式表示:上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介这时，仿形刀架处于相对平衡状态，由溜板箱带动仿形刀架作纵向进给车出圆柱面。如图9-2中的a点所示，若车台肩时，如当触头6碰到样件7的凸肩时，触头6就绕本身的支点3抬起，并经杆4向右上方拉动滑阀11，使节流缝隙δ1增大，δ2减小，于是液压缸后腔中的油压增大，破坏了原来的平衡，液压缸的缸体连同刀架1带动车刀13后退，这时溜板箱的纵向进给运动速度v纵和仿形刀架带动车刀13的后退运动速度/仿所形成的合成运动速度v合，就使车刀车出工件的台肩部分，见图9-2中的b点。因此，一般作为附件的仿形刀架的液压缸轴线，多与主轴中心线安装成45°~60°的斜角，目的就是为了可以车削直角的肩部。当液压缸的缸体后退时，带动触头6的支点3后退，上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介同时通过杆4也拉滑阀11作较小的后退:这样，当触头只抬起了一小段距离时，在液压缸的缸体也跟着后退同样一小段距离后，就使节流缝隙s，和s,恢复到原来的大小，仿形刀架又处于平衡状态。在车台肩时，由干样件7的凸肩不断将触头6抬起使节流缝隙s,增大，姚减小，使平衡状态连续受到破坏，所以液压缸的缸体连同刀架也就带动车刀13不断后退，跟随触头作随动运动。因此，仿形过程就是不平衡和恢复平衡的不断相互转化的过程9.1.4液压伺服系统的特点在伺服系统中，一般称控制元件(控制滑阀等)为控制环节，加给控制元件的信号称输入信号，上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介输入信号的大小(触头的位移量)称为输入量，用)表示。执行元件(液压缸等)称为输出元件，执行元件的位移变化量(液压缸的位移量)称为输出量。用x表示。通过对车床液压仿形刀架的工作情况分析，可以看出液压伺服系统有以下几个特点:(1)液压伺服系统是一个跟踪系统。车刀(液压缸)的位置(输出)完全跟踪触头的位置(输入)而运动。(2)液压伺服系统是一个力放大系统。推动触头所需的力很小，只需几牛顿或几十牛顿，但仿形刀架液压缸克服阻力、完成切削加工所输出的力则很大，可以达数千牛顿到数万牛顿。输出的能量由液压泵供给。上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介(3)液压伺服系统是一个反馈系统:触头位移经过杠杆使节流缝隙δ1与δ2变化，刀架移动，而刀架运动的结果又使节流缝隙保持原有的比例关系，使液压缸停止运动，这种作用称为负反馈。因为反馈是由于缸体和阀体的刚性连接而完成的，所以这种反馈又称刚性负反馈。负反馈的结果，总是使输入信号变小以至消除，如果没有这个负反馈，仿形刀架是无法工作的。(4)液压伺服系统是一个误差系统。仿形刀架工作时，为了克服工作阻力并以一定的速度运动，控制滑阀阀芯相对于阀体必须保持一定的偏置量，即车刀的移动落后于触头的移动。触头位置和车刀位置的差值，称为伺服系统的误差。上一页下一页返回第一节

液压伺服系统的简介如果没有误差存在，伺服系统就不能工作。仿形刀架液压伺服系统的工作过程可用图9-3的工作原理方框图表示。在该图中，控制环节相当于图9-1中的滑阀，当样件上的台肩抬起触头给控制环节一个输入信号y后，就引起了控制环节和执行环节之间的误差，这一误差在仿形刀架中就表现为破坏了滑阀阀体与阀芯之间原来的平衡，使原来的阀口大小改变。误差信号使执行环节液压缸的缸体作仿形运动,车刀在液压缸轴线方向的仿形运动就是输出量x,这一输出量又通过反馈装置(在图9-1中就是液压缸的缸体、滑阀体和触头杠杆相互间的机械联系)送到控制环节,以消除误差图9-3中的能源相当于图9-1中液压泵输入仿形刀架的压力油。上一页返回下一页第二节

液压伺服阀及应用液压伺服系统的核心是伺服阀，又称液压放大器，它根据输入的微弱电或机械信号来控制压力油的流量和压力，从而控制执行元件的运动。在阀控式液压伺服系统中，主要的控制元件是伺服阀或电液伺服阀。在泵控式液压伺服系统中，主要控制元件是变量泵，目前变量马达控制用得较少。典型的液压伺服阀有机液伺服阀和电液伺服阀。此外，随着计算机的推广使用，液压数字阀和数字控制伺服机构也越来越受到重视。9.2.1机液伺服阀机液伺服阀是以机械运动控制液体压力和流量的伺服元件从结构形式上，机液伺服阀可分为滑阀、下一页返回上一页第二节

液压伺服阀及应用射流管阀和喷嘴挡板阀三类。其中滑阀的结构形式较多，应用也较普遍。喷嘴挡板和射流管阀主要用作液压前置放大器(一)滑阀式伺服阀这种伺服阀的典型结构和工作原理前面已介绍。根据滑阀上控制的边数(即起控制作用的阀口数)的不同，又分为单边滑阀控制式、双边滑阀控制式和四边滑阀控制式三种。在图9-1中，控制滑阀11有两个阀边起控制液流的作用，这种系统称为双边滑阀式液压伺服系统。单边滑阀式伺服阀的简图如图9-4所示。控制滑阀只有一个阀边起控制液流的作用。压力油进入液压缸的小腔A后，经过固定活塞上的小孔a流入液压缸的大腔B，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用然后再经过开口量为s的单边滑阀的开口流回油箱。它的工作原理与双边滑阀式类似，不过液压缸大腔B中的油压只由一个阀边控制。四边滑阀式伺服阀的简图如图9-5所示。它的工作原理与双边滑阀式也类似，不过液压缸的两个油腔都分别由滑阀上的四个阀边δ1,δ2,δ3和δ4控制，同时液压缸两腔的有效工作面积是相等的。由上述可见，单边、双边、四边滑阀的控制作用相同。单边式、双边式用以控制差动连接的液压缸，四边式既可用来控制差动连接的液压缸，也可用来控制非差动连接的液压缸。从控制质量上看，控制边数越多越好，但从结构工艺上看，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用控制边数越少越容易制造。一般说来，四边式控制用于精度和稳定性要求较高的系统。单边式、双边式控制则用于一般精度的系统二滑阀式伺服阀装配精度要求较高，价格也较贵，对液压油的污染也较敏感。根据滑阀在平衡状态时阀口初始开口量的不同可分为三种类型，如图9-6所示。在图9-6(a)中，阀芯台肩的宽度h小于阀套上开口的宽度H，即具有正开口量。因其制造较简单而用得较多，但工作油液有功率损耗，所以开口应做得小些。一般可取H-h=(0.01~0.02)mm，这样可在油压一定时，使流量和滑阀移动量(即开口量)间近似于线性关系。在图9-6(b)中，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用阀芯台肩的宽度h等于阀套上开口的宽度H，即具有零开口量。这种滑阀要精确地做成h=H在工艺上是很困难的，所以用得较少。在图9-6(c)中，h>H，即具有重叠量。当这种滑阀在中间平衡位置时，可以断开液压泵与执行元件间的通路，因此便于将执行元件固定在一定的位置上，其缺点是阀芯要移动一小距离后才能把阀口打开，以控制执行元件运动，因此存在一个不灵敏区域。(二)射流管式液压伺服阀射流管式伺服阀的工作原理如图9-7所示。它由射流管3王接受板2和液压缸1等组成。射流管可绕垂直于图面的轴线向左右摆动一个不大的角度。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用接受板上有两个并列的接受孔道口a和b，分别与液压缸的两腔相通。压力油从通道c输入射流管内，并从射流管端部的锥形喷嘴射出，油液在经过锥形喷嘴时速度提高，当油液进入接受孔道后，由于通流面积扩大，又使高速运动油液的动能转变成油液的压力能，用以推动液压缸工作。如果射流管处于两个接受孔道的中间对称位置，则两个按受孔道内油液的压力相等，因此执行元件不动。如果给射流管一个输入信号，就是推动射流管使它绕轴线摆动一个很小的角度而偏离中间位置，则一个接受孔道内的油压升高，而另一个接受孔道内的油压降低，在压力差的作用下，液压缸就向射流管偏移的相同方向移动，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用直到跟着液压缸移动的接受板到达射流孔又处于两个接受孔道的中间对称位置时为止。射流管式液压伺服阀的优点是:结构简单、元件加工精度要求低;射流管出口处面积大，抗污染能力强，能适应恶劣的工作条件;射流管上没有不平衡的径向力，不会产生“卡紧”现象其缺点是:射流管运动部分惯性较大，工作性能较差;射流能量损失大，零位处功率损耗亦大，效率较低。因此，这种伺服阀只适用于低压、功率较小的场合，例如某些液压仿形机床的伺服系统中。(三)喷嘴挡板式液压伺服阀喷嘴挡板式液压伺服阀的工作原理如图9-8所示。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用它由固定节流孔口、中间油室h,喷嘴1及挡板2等组成。喷嘴和挡板共同组成一个可变截面的节流装置。中间油室b与执行元件的工作油腔相连通。设从液压泵来的压力油压力为p1，经过固定节流孔a以后，一部分油液经喷嘴端面和挡板所形成的间隙8排出而流回油箱。挡板的位置(即间隙8的大小)由输入信号来控制，可以直接用机械方法控制，也可以由电信号控制。当8的大小改变时，就改变了喷嘴和挡板处的节流作用，因而使中间油室中的油压力也随之变化，这样就使执行元件产生运动。喷嘴挡板式液压伺服阀的优点是:结构简单，运动部分惯性小，位移小，反应快，精度和灵敏度高，加工要求低，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用没有径向不平衡力，不会发生“卡紧”现象，因而工作较可靠。其缺点是:功率损耗大，喷嘴挡板间距离很小时的抗污染能力差，因此宜在多级放大伺服系统中用作第一级(前置级)伺服装置。综上所述，三种滑阀式液压放大器中，四边控制的控制调节性能最好，但结构最复杂，制造成本高，因此主要用在控制要求严格的精密伺服系统中二而双边和单边控制的滑阀式伺服阀则用在一般系统中或作为多级液压放大器的前置级。9.2.2电液伺服阀在伺服系统中，用电气作为输入信号具有传递快，线路连接方便，适于远距离控制，易于测量、比较和校正等优点;上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用用液压能作为动力就有输出力大，惯性小，反应快等优点由两者结合而成的电液伺服系统，则是一种控制灵活、精度高、反应快、输出功率大的系统。这种系统中一定要有一个使电气信号转变为液压信号的转换装置，即电液伺服阀。它按照微小功率的电气输入信号，为系统液压执行元件提供相应的、具有强大功率的液压信号，使执行元件跟随输入信号而动作。因此电液伺服阀在系统中起到功率放大和电气一液压信号转换的作用。电液伺服阀的工作原理如图9-9所示。它由电磁和液压两部分组成。现分述如下:(1)电磁部分。电磁部分由永久磁铁1、两个导磁体9、上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用线圈8和衔铁2等组成。它的作用是把输入的电信号转变成力矩，使衔铁偏转，以便控制液压部分，一般称它为力矩马达永久磁铁将两个导磁体磁化为N极和S极。衔铁由扭轴3支承，处于两个导磁体间形成的固定磁场中间二这时，通过导磁体和衔铁间隙处的磁通都是Ф定，并且方向相同，因而衔铁处于两个导磁体的中间位置。当有控制电流输入线圈8时，衔铁被磁化，如果通入的电流方向使衔铁上端为N极，下端为S极，则在衔铁和导磁体中又产生磁通多控。由图9-10可以看出，在右边的气隙中，磁通巾定和小拄的方向相同，因此总磁通是两者相加。在左边的气隙中，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用磁通少定和巾控的方向相反，因此总磁通是两者相减的差值。这样，右边气隙中的磁通就大于左边气隙中的磁通，因此在衔铁上产生转矩，使衔铁连同挡板5J顷时针偏转。衔铁的偏转使得支承它的扭轴3产生扭转变形，并因而产生一个抵抗衔铁偏转的弹性反转矩，当这一弹性反转矩等于磁通在衔铁上产生的转矩时，衔铁就处于相对平衡位置。由于使衔铁偏转的力矩与输入的控制电流的大小成正比，同时扭抽的反转矩与它的转角也成正比，所以衔铁的转角与输入的控制电流的大小成正比。控制电流越大，衔铁的偏转角度也越大。如果输入控制电流的方向相反，则衔铁偏离中间位置的方向也相反。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用这种力矩马达的特点是。由于其衔铁很小，因而惯性小。灵敏度较高洞时衔铁由扭轴支承，没有摩擦阻力，所以不灵敏区小。(2)液压部分。液压部分是一个两级放大器，第一级是喷嘴挡板式，称为前置放大级;第二级是四边滑阀式，称为功率放大级。压力为P的油液从进油口进入，经过滤器6后再分别流经两个节流孔g进入滑阀7两端的油腔，然后再从两个喷嘴4与挡板5中间的缝隙排出。当力矩马达部分没有控制电流输入时，挡板处于两个喷嘴的中间位置。因两边的喷嘴孔k和两个固定节流孔g的参数分别是相等的，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用所以滑阀7两端油腔中的油压Pa和Pb相等，这时滑阀的位置由挡板上的小球决定;又因滑阀的左右两部分是对称的，所以滑阀处于中间平衡位置，这时管路c和P中的油压相等，液压马达(图9-9中未表示)不转动。当有控制电流输入时，力矩马达的衔铁连同挡板偏转一个角度ϴ，例如作顺时针方向偏转。这时，左喷嘴与挡板间的间隙减小，液流阻力增加，因此滑阀左端的油压pa增大;相反，由于右喷嘴与挡板间的间隙加大，液流阻力减小，使滑阀右端的油压pa降低。在两端油压差的作用下，滑阀被推向右移，并且带动挡板5下端的小球右移，挡板本身的结构上是一弹簧片，弹簧片在电磁力和滑阀推动力的作用下，产生弯曲变形。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用弹簧片的变形，一方面使挡板的偏移量减小，从而使滑阀两端的油压差也相应减小；另一方面，弹簧片变形所产生的弹性反作用力阻止滑阀向右移动。因此，滑阀移动到它上面所受的油液作用力与弹簧片反作用力相互平衡为止。在这里，弹簧片起反馈作用。当四边式滑阀向右偏离中间位置时，右边的阀口被打开，压力油经油路，过滤器6外面的通道到油路h,再经右边的阀口及油路c进入液压马达，使液压马达回转，从液压马达来的回油经油路e、滑阀7及回油路d流回油箱。输入的控制电流越大，滑阀的偏移量也越大，输出的流量越多，液压马达的转速也越高。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用如果输入永久磁铁1的控制电流方向相反，则衔铁作逆时针方向偏转，使Pa大于Pb滑阀向左偏移，压力油从油路P输出，使液压马达作反向回转。由此可知，输入控制电流的方向及大小，决定了液压马达的回转方向及回转速度。9.2.3液压伺服阀的应用汽车转向液压助力器是一种液压伺服阀的具体应用。在大型载货汽车中，为了减轻驾驶员操作方向盘的体力劳动，提高汽车的转向灵活性，常常采用转向液压助力器。这种液压助力器也是一种液压伺服机构。图9-11是转向液压助力器的工作原理图:转向液压助力器主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用液压缸活塞1的右端通过铰链固定在汽车车架上，液压缸缸体2和控制滑阀阀体连在一起，形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控制滑阀阀芯3移动。当缸体前后移动时，通过转向梯形机构6等控制车轮向左或向右偏转，从而操纵汽车转向。控制滑阀的阀芯和阀体做成负开口。当阀芯3处于图9-11所示位置时，因液压缸左、右腔油液被封闭，因此缸体固定不动，汽车保持直线运动滑阀阀芯的这一相应位置通常称为平衡位置。由于控制滑阀为负开口，可以防止引起不必要的扰动。转向时，若逆时针方向转动方向盘，通过摆杆带动阀芯向右移动，则液压缸右腔进油，左腔回油，使液压缸缸体向右移动，带动转向梯形机构向逆时针方向摆动，上一页下一页返回第二节

液压伺服阀及应用使车轮向左偏转，实现向左