電液伺服閥與比例閥

更新時間：2020-08-04

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電液伺服閥與比例閥
電液伺服與比例閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出。根據(jù)輸出液壓信號的不問，電液伺服閥與比例閥可分為電液流量控制伺服閥與比例閥和電液壓力控制伺服閥與比例閥兩大類。

在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥與比例閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來，實現(xiàn)電、液信號的轉(zhuǎn)換與放大以及對液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥與比例閥是電液伺服系統(tǒng)和比例系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．它的性能及正確使用，直接關(guān)系列整個系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，也直接影響到系統(tǒng)丁作的可靠性和壽命。

電液伺服閥與比例閥控制精度高、響應(yīng)速度快，是一種高性能的電液控制元件，在液壓伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

5 1電液伺服閥的組成和分類

5.1.1 電液伺服閥的組成

電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)(或力馬達(dá))、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)(或平衡機(jī)構(gòu))三部分組成。

5.1.2 電液伺服閥的分類

5.1.2.1按液壓放大級數(shù)分

單級伺服閥此類閥結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但由于力矩馬達(dá)或力馬達(dá)輸出力矩或力小、定

位剛度低，使閥的輸出流量有限，對負(fù)裁動態(tài)變化敏感，閥的穩(wěn)定性在很大程度上取決1：負(fù)

載動態(tài)，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。只適用于低壓、小流量和負(fù)載動態(tài)變化不大的場合。

兩級伺服閥此類閥克服了單級伺服閥缺點，
三級伺服閥此類閥通常是由一個兩級伺服閥作前置級控制第三級功率滑閥．功率級滑閥閥芯位移通過電氣反饋形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)功率級滑閥閥芯的定位。三級伺服閥通常只用在大流量的場合。

5.1.2.2按閥的結(jié)構(gòu)形式分類

可分為：滑閥、單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥射流管閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥。

分別介紹各自的優(yōu)缺點

5.1.2.3按反饋形式分類

可分為滑閥位置反嫂、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種

5.1.2.4按力矩馬達(dá)是否浸泡在油中分類

濕式的可使力矩馬達(dá)受到油液的冷卻，但油液中存在的鐵污物使力短馬達(dá)持性變壞，干式的則可使力矩馬達(dá)不受油液污染的影響，目前的伺服閥都采用干式的。

5 2力矩馬達(dá)

在電液伺服閥中力矩馬達(dá)的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動，因而是一個電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器。電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器是利用電磁原理工作的。它由磁鐵或激隘線圈產(chǎn)生極化磁場。電氣控制信號通過控制線圈產(chǎn)生控制磁場，兩個磁場之間相互作用產(chǎn)生與控制信號成比例并能反應(yīng)控制信號極性的力或力矩，從而使其運(yùn)動部分產(chǎn)直線位移或角位移的機(jī)械運(yùn)動。

5.2.1 力矩馬達(dá)的分類及要求

5.2.1.1力矩馬達(dá)的分類

1)根據(jù)可動件的運(yùn)動形式可分為：直線位移式和角位移式，前者稱力馬達(dá)，后者稱力矩馬達(dá)。

2)按可動件結(jié)構(gòu)形式可分為：動鐵式和動圈式兩種。前者可動件是銜鐵，后者可動件是控制線圈。

3)按極化磁場產(chǎn)生的方式可分為：非激磁式、固定電流激磁和永磁式三鐘。

5.2.1.2對力矩馬達(dá)的要求

作為閥的驅(qū)動裝置，對它提出以下要求；

1)能夠產(chǎn)生足夠的輸出力和行程，問時體積小、重量輕。

2)動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。

3)直線件好、死區(qū)小、靈敏度高和磁滯小。

4)在某些使用情況下，還要求它抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力等影響。

5.2.2 永磁力矩馬達(dá)

5.2.2.1力矩馬達(dá)的工作原理

用掛圖表示為一種常用的永磁動鐵式力矩馬達(dá)工作原理圖，它由磁鐵、上導(dǎo)磁體、下導(dǎo)磁體、銜鐵、控制線圈、彈簧管等組成。銜鐵固定在彈簧管上端，由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，可繞彈簧管的轉(zhuǎn)動中心作微小的轉(zhuǎn)動。銜鐵兩端與上、下導(dǎo)磁體(磁極)形成四個工作氣隙①、②、⑤、①。兩個控制線圈套在銜鐵之上。上、下導(dǎo)磁體除作為磁極外，還為磁鐵產(chǎn)生的極化磁通和控制線圈產(chǎn)生的控制磁通提供磁路。

5.2.2.2力矩馬達(dá)的電磁力矩

通過力矩馬達(dá)的磁路分析可以求出電磁力矩的計算公式。從磁路分析知電磁力矩是非線性的，因此為保證輸出曲線的線性，往往設(shè)計成可動位移和氣隙長度只比小于三分之一，控制磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極化磁通。

5.2.3 永磁動圈式力馬達(dá)

用掛圖說明常見的永磁動式力馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理。力馬達(dá)的可動線圈懸置于作氣隙中，磁鐵在工作氣隙中形成極化磁通，當(dāng)控制電流加到線圈上時，線圈就會受到電磁力的作用而運(yùn)動。線圈的運(yùn)動方向可根據(jù)磁通方向和電流方向按左手定則判斷。線圈上的電磁力克服彈簧力和負(fù)載力，使線圈產(chǎn)生一個與控制電流成比例的位移。

5.2.4 動鐵式力矩馬達(dá)與動圈式力矩馬達(dá)的比較

動鐵式力矩馬達(dá)與動圈式力馬達(dá)相比較有：

1)動鐵式力矩馬達(dá)因磁滯影響而引起的輸出位移滯后比動圈式力馬達(dá)大。

2)動圈式力馬達(dá)的線性范圍比動鐵式力矩馬達(dá)寬。因此．動圈式力馬達(dá)的工作行程大，而動鐵式力矩馬達(dá)的工作行程小。

3)在同樣的慣性下，動鐵式力矩馬達(dá)的輸出力矩大，而動圈式力馬達(dá)的輸出力小。動鐵式力矩馬達(dá)因輸出力矩大，支承彈簧剛度可以取得大，使銜鐵組件的固有頻率高，而力馬達(dá)的彈簧剛度小，動圈組件的固有頻率低。

4)減小工作氣隙的長度可提高動圈式力馬達(dá)和動鐵式力矩馬達(dá)的靈敏度。但動圈式力馬達(dá)受動圈尺寸的限制，而動鐵式力矩馬達(dá)受靜不穩(wěn)定的限制。

5)在相同功率情況下，動圈式力馬達(dá)比動鐵式力矩馬達(dá)體積大，但動圈式力馬達(dá)的造價低。

5 3力反饋兩級電液伺服閥（50分鐘）（第十三次課）

用掛圖說明力反饋兩級電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理，這是目前廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。其第—級液壓放大器為雙噴嘴擋板閥，由永磁動鐵式力矩馬達(dá)控制，第二級液壓放大器為四通滑閥，閥芯位移通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構(gòu)成滑閥位移力反饋回路。

5.3.1 工作原理

無控制電流時，銜鐵由彈簧管支承在上、下導(dǎo)磁體的中間位置，擋板也處于兩個噴嘴的中間位置，滑閥閥芯在反饋桿小球的約束下處于中位，閥無液壓輸出。當(dāng)有差動控制電流輸入時．在銜鐵上產(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧轉(zhuǎn)動中心逆時針方向偏轉(zhuǎn)，彈簧管和反饋桿產(chǎn)生變形，擋板偏離中位。這時，噴嘴擋板閥右間隙減小而左間隙增大，引起滑閥左腔控制壓力增大，右腔控制壓力減小，推動滑閥閥芯左移。同時帶動反饋桿端部小球左移，使反饋桿進(jìn)一步變形。當(dāng)反饋桿和彈簧管變形產(chǎn)生的反力矩與電磁力矩相平衡時，銜鐵擋板組件便處于一個平衡位旨。在反饋桿端部左移進(jìn)一步變形時，使擋板的偏移減小，趨于中位。這使左腔控制壓力又降低，右腔控制壓力增高，當(dāng)閥芯兩端的液壓力與反饋桿變形對閥芯產(chǎn)生的反作用力以及滑閻的液動力相平衡時，閥芯停止運(yùn)動，其位移與控制電流成比例。在負(fù)載壓差—定時，閥的輸出流量也與控制電流成比例。所以這是一種流量控制伺服閥。

5.3.2 基本方程與方框圖

5.3.2.1力矩馬達(dá)的運(yùn)動方程

包括基本電壓方程，銜鐵和擋板組件的運(yùn)動方程，擋板位移于轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，噴嘴擋板至滑閥的傳遞函數(shù)，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)，以及作用在擋板上的壓力反饋方程，根據(jù)這些方程可以畫出電液伺服閥的方框圖。

5.3.3 力反饋伺服閥的穩(wěn)定性分析

5.3.3.1力反饋回路的穩(wěn)定性分析

給出穩(wěn)定性條件

5.3.3.2壓力反饋回路的穩(wěn)定性分析

給出穩(wěn)定性條件

5.3.4 力反饋伺服閥的傳遞函數(shù)

給出的傳遞函數(shù)是一個慣性加振蕩的環(huán)節(jié)，重點介紹近似的傳遞函數(shù)：在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動態(tài)響應(yīng)往往高于動力元件的動態(tài)響應(yīng)。為了簡化系統(tǒng)的動態(tài)持性分析與設(shè)計，伺服閥的傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步簡化，一般可用二階振蕩環(huán)節(jié)表示。如果伺服閥二階環(huán)節(jié)的固有頻率高于動力元件的固有頻率，伺服閥傳遞函數(shù)還可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，當(dāng)伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)大于動力元件的固有頻率，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。

5.3.5 力反饋伺服閥的頻寬

給出計算力反饋伺服閥的頻寬的表達(dá)式

5.3.6 力反饋伺服閥的靜態(tài)特性

穩(wěn)態(tài)時，伺服閥的閥芯位移正比于輸入電流，伺服閥的流量可用滑閥的流量公式表示，只不過用電流代替了閥芯位移值。

5.3.7 力反饋伺服閥的設(shè)計計算

給出一個實例設(shè)計力反饋兩級電液伺服閥。

5 4直接反饋兩級滑閥式電液伺服閥

5.4.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

用掛圖說明其工作原理。

5.4.2 動圈式兩級電液伺服閥的方框圖

根據(jù)控制線圈的電壓平衡方程和線圈組件的力的平衡方程，前置級滑閥的開口量和閥控缸的方程，可以得到直接位置反饋滑閥式伺服閥的方框圖。

5.4.3 動圈式兩級電液伺服閥的傳遞函數(shù)

通過對方框圖的簡化可得到其傳遞函數(shù)。該閥由動圈式力馬達(dá)和兩級滑閥式液壓放大器組成。前置級是帶兩個固定節(jié)流孔的四通閥(雙邊滑閻)，功率級是零開口四邊滑閥。功率級閥芯也是前置級的閥套，構(gòu)成直接位得反饋。

5.5 其它型式的電液伺服閥簡介（50分鐘）（第十四次課）

5.5.1 彈簧對中式兩級電液伺服閥

彈簧對中式伺服閥是早期伺服閥的結(jié)構(gòu)型式，它的第—級是雙噴噴擋板閥，第二級是滑閥，閥芯兩端各有一根對中彈簧。當(dāng)控制電流輸入時，閥芯在對中彈簧作用下處于中位。當(dāng)有控制電流輸入時，對中彈簧力與噴嘴擋板閥輸出的液壓力相平衡，使閥芯取得一個相應(yīng)的位移，輸出相應(yīng)的流量。

這種伺服閥屬于開環(huán)控制、其性能受溫度、壓力及閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響較大；銜鐵及擋板的位移都較大．對力矩馬達(dá)的線件要求較高；對中彈簧要求體積小、剛度大、抗疲勞好，因此制造困難；兩端對中彈簧由于制造和安裝的誤差．易對閥芯產(chǎn)生側(cè)向卡緊力．增加閥芯摩擦力．使閥的滯環(huán)增大，分辨率降低。但由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低，可適用于—般的、性能要求不高的電液伺服系統(tǒng)。

5.5.2 射流管式兩級電液伺服閥

用掛圖說明射流管式伺服的原理。射流管由力矩馬達(dá)帶動偏轉(zhuǎn)。射流管焊接于銜鐵上，并由薄壁彈支承。液壓油通過柔性的供壓管進(jìn)入射流管．從射流管噴射出的液壓油進(jìn)入與滑閥兩端控制腔分別相通的兩個接收孔中，推動閥芯移動。射流管的側(cè)面裝有彈簧板板及反饋彈簧絲．共末端插入閥從中的小槽內(nèi)，閥芯移動推動反饋彈簧絲．構(gòu)成對力矩馬達(dá)的力反饋。力矩馬達(dá)借助于薄壁彈實現(xiàn)對液壓部分的密封隔離。

5.5.3 偏轉(zhuǎn)板射流式兩級電液伺服閥

用掛圖說明其組成和工作原理。

5.5.4 壓力流量伺服閥

用掛圖說明壓力—流量伺服閥的原理，滑閥輸出的壓力經(jīng)反饋通道引入滑閥兩端的彈簧腔、形成負(fù)載壓力負(fù)反饋。關(guān)鍵介紹其壓力流量特性曲線。

5.5.5 動壓反饋伺服閥

壓力—流量伺服閥雖然增加了系統(tǒng)的阻尼，但降低了系統(tǒng)的靜剛度，為了克服這個缺點．出現(xiàn)了功壓反饋伺服閥，與壓力—流量伺服閥相比。它增加樂由出彈簧活寒和液阻(固定節(jié)流孔)所組成的壓力微分網(wǎng)絡(luò)，負(fù)載壓力通過壓力微分網(wǎng)絡(luò)反饋到滑閥，此閥在動態(tài)時，具有壓力—流量伺服閥的持性，在穩(wěn)態(tài)時具有流量伺服閥的持性。

5.5.6 電液壓力伺服閥

在彈簧對中伺服閥的基礎(chǔ)上，把滑閥兩端的對中彈簧去掉，就可以得到閥芯力平衡式壓力控制伺服閥。

5.6 比例電磁鐵和比例閥

5.6.1 比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)

介紹比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)，特性曲線。

5.6.2 比例方向閥

介紹其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。其結(jié)構(gòu)類似于普通的換向閥，但電磁鐵和閥芯閥套的結(jié)構(gòu)加工精度更高，但還有別于伺服閥。主要在閥套窗口和閥芯凸肩的尺寸上。

5.6.3 比例壓力閥和比例流量閥

通過掛圖講解其基本結(jié)構(gòu)和和工作原理。

5.7電液伺服閥和電液比例閥的主要性能參數(shù)

5.7.1 靜態(tài)特性

電液流量伺服閥的靜態(tài)性能，可根據(jù)測試所得到負(fù)載流量特性、空載流量特性、壓力特性、內(nèi)泄漏特性等曲線等性能指標(biāo)加以評定。包括