带位移电反馈二级电液比例节流阀设计.docx
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带位移电反馈二级电液比例节流阀设计
带位移电反馈的二级电液比例节流阀设计
摘要：
电液比例技术发展迅猛，以其控制精度较高、结构简单、成本合理等优点在工业生产中获得了越来越来广泛的应用，它的发展程度也可从一个侧面反映一个国家液压工业技术水平，因而日益受到各国工业界的重视。
本设计的课题是电液比例阀中的一类——二级电液比例节流阀。
在对该阀各部分的结构、原理及性能参数进行详细分析的基础上，完成了功率级为二通插装阀，先导级为电液比例三通减压溢流阀，通径为32mm，最大流量为480L/min，进油口额定工作压力为31.5MPa，出油口额定工作压力为30.5MPa的电液比例节流阀的结构设计与参数设计。
关键词：
电液比例节流阀；插装阀；比例电磁铁
Thedesignoftwostageelectro-hydraulicproportionalthrottlevalvewithdisplacementelectricityfeedback
Majority:
MachineDesign＆ManufacturingandAutomation
Abstract:
Thetechnologyofelectro-hydraulicproportionaldevelopsswiftlyandviolently,ithasmoreandmorecomethewidespreadapplicationintheindustrialproductionbyitsprecisioncontrol,thesimplystructure,thereasonablecostandsoon,itsdegreeofdevelopmentalsomightreflectanationalhydraulicpressureindustrialtechnologylevelfromaside,sothistechnologyreceivedmoreandmorevaluebythevariouscountries'industrialfield.
Thetopicofthisgraduationprojectispreciselyonekindofelectro-hydraulicproportionalvalve----twostageelectro-hydraulicproportionalthrottlevalve.Thisdesignwillfirstcarryondetailedanalysistothestructure,principleandfunctionparameterofvariouspartofthiskindofvalve,thencompletethestructuraldesignandtheparameterdesignofthetwostageelectro-hydraulicproportionalthrottlevalve,thisvalve'smainstageiscartridgevalve,itsforerunnerstageisthreecontactsreducedpressureoverflowvalve.Thisvalve'srectumis32mm,anditsmaxregulatedflowis480L/min,theoilinputportfixedworkingpressureis31.5MPa,theoutputportfixedworkingpressureis30.5MPa.
Keyword:
Electro-hydraulicproportionalthrottlevalve;Cartridgevalves;Proportionelectro-magnetratioelectromagnet
前言…………………………………………………………………………………………………………1
正文…………………………………………………………………………………………………………2
1绪论…………………………………………………………………………………………………………2
1.1电液比例阀概述……………………………………………………………………………………2
1.2电液比例阀的特点与分类…………………………………………………………………………2
1.3电液比例阀的发展阶段……………………………………………………………………………3
1.4电液比例技术在我国的发展………………………………………………………………………5
1.5比例流量阀………………………………………………………………………………………5
2流量阀控制流量的一般原理………………………………………………………………………………7
2.1流量控制的基本原理………………………………………………………………………………8
2.4主阀阀芯节流口形式的确定………………………………………………………………………8
3比例节流阀结构设计……………………………………………………………………………………9
3.1插装阀介绍………………………………………………………………………………………9
3.2控制盖板的设计…………………………………………………………………………………9
3.3插装式主阀设计…………………………………………………………………………………11
3.4先导阀设计………………………………………………………………………………………21
3.5弹簧的选用………………………………………………………………………………………30
3.6公差与配合的确定………………………………………………………………………………31
3.7比例放大器………………………………………………………………………………………33
3.8比例电磁铁………………………………………………………………………………………36
3.9结构设计小结……………………………………………………………………………………37
4节流阀工作总原理分析及其性能参数指标……………………………………………………………38
4.1原理分析…………………………………………………………………………………………38
4.2静态性能指标……………………………………………………………………………………39
4.3动态性能指标……………………………………………………………………………………40
5比例控制系统……………………………………………………………………………………………41
5.1反馈的概念………………………………………………………………………………………41
5.2闭环控制与开环控制……………………………………………………………………………41
5.3电液比例控制系统的组成……………………………………………………………………42
5.4电液比例控制系统的特点………………………………………………………………………43
5.5比例控制系统的分类……………………………………………………………………………43
5.6比例控制系统的发展趋势………………………………………………………………………44
5.7小结……………………………………………………………………………………………44
结论…………………………………………………………………………………………………………45
参考文献……………………………………………………………………………………………………46
致谢…………………………………………………………………………………………………………47
前言
现代工业的不断发展对液压阀在自动化、精度、响应速度方面提出了愈来愈高的要求，传统的开关型或定值控制型液压阀已不能满足要求，电液伺服阀因此而发展起来，其具有控制灵活、精度高、快速性好等优点。
而电液比例阀是在电液伺服技术的基础上，对伺服阀进行简化而发展起来的。
电液比例阀与伺服阀相比虽在性能方面还有一定差距,但其抗污染能力强，结构简单，形式多样，制造和维护成本都比伺服阀低，因此在液压设备的液压控制系统应用越来越广泛。
今天，一个国家的电液比例技术发展程度将从一个侧面反映该国的液压工业技术水平，因此各发达国家都非常重视发展电液比例技术。
我国在电液比例技术方面，目前已有几十种品种、规格的产品，年生产规模不断扩大，但总的看，我国电液比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：
缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。
基于以上所述，本设计将对电液比例阀中的一类——二级电液比例节流阀进行设计。
该阀的功率级为二通插装阀，先导级为电液比例三通减压溢流阀。
本说明书各章节安排如下：
第一章给出了电液比例电液阀的定义，概述了电液比例阀特点、分类及其发展阶段。
另外还对电液比例流量阀、电液比例节流阀作了简单的介绍。
第二章对流量控制的基本原理进行阐述，是本设计理论依据的基础。
第三章是本阀结构设计的详细过程，依次对阀的组成部分如控制盖板、插装式主阀、先导阀进行了设计计算，并对比例放大器、比例电磁铁也进行了介绍与分析。
此章是整个说明书的核心章节。
第四章在结构设计完成之后对阀的具体控制原理和性能参数进行了阐述。
第五章是对比例控制系统的介绍。
由于比例阀在液压系统中最终应用效果将很大一部分取决于比例控制系统，故单独一章对比例控制系统做一个介绍。
由于本次毕业设计是我的第一次综合性设计，在设计的过程中，将有一定的困难，无论设计概念上的模糊或经验上的缺乏都可能导致设计的失误与不足，在此，恳请各位老师给以指正。
相信我一定会圆满完成本次毕业设计任务的。
1 绪论
由于本毕业设计属于电液比例阀这一大类，故此先简略介绍一下电液比例阀：
1.1电液比例阀概述
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。
此种阀工作时，阀内电气-机械转换装置根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。
阀芯位移可以以机械、液压或电的形式进行反馈。
当前，电液比例阀在工业生产中获得了广泛的应用。
1.2电液比例阀的特点与分类
比例阀把电的快速性、灵活性等优点与液压传动力量大的优点结合起来，能连续地、按比例地控制液压系统中执行元件运动的力、速度和方向，简化了系统，减少了元件的使用量，并能防止压力或速度变换时的冲击现象。
比例阀主要用在没有反馈的回路中，对有些场合，如进行位置控制或需要提高系统的性能时，电液比例阀也可作为信号转换与放大元件组成闭环控制系统。
比例阀与开关阀相比，比例阀可简单地对油液压力、流量和方向进行远距离的自动连续控制或程序控制，响应快,工作平稳，自动化程度高，容易实现编程控制，控制精度高，能大大提高液压系统的控制水平。
与伺服阀相比，电液比例阀虽然动静态性能有些逊色，但使用元件较少，结构简单，制造较电液伺服阀容易，价格低，效率也比伺服高（伺服控制系统的负载压力仅为供油压力的2／3），系统的节能效果好，使用条件、保养和维护与一般液压阀相同，大大地减少了由污染而造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性。
下面是开关阀、比例阀和伺服阀几种阀的特性比较：
表1-1 电液比例元件和伺服、数字、开关元件的特性比较
类别
类别
性能
比例阀
伺服阀
开关阀
过滤精度（
）
25
3
25～50
阀内压降（
）
0.5～2
7
0.25～50
滞环（%）
1～3
1～3
－
重复精度（%）
0.5～1
0.5～
－
频宽（Hz/3dB）
25
20～200
－
中位死区
有
无
有
价格比
1
3
0.5
比例控制元件的种类繁多，性能各异，有多种不同的分类方法。
（1）按其控制功能来分类，可分为比例压力控制阀，比例流量控制阀、比例方向阀（比例方向流量阀）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。
比例方向阀能同时控制流体运动的方向和流量，是一种两参数控制阀，因此有的书上称之为比例方向流量阀。
还有一种被称作比例压力流量阀的两参数控制阀，能同时对压力和流量进行比例控制。
有些复合阀能对单个执行器或多个执行器实现压力、流量和方向的同时控制，这种分类方法是最常见的分类方法。
（2）按液压放大级的级数来分，又可分为直动式和先导式。
直动式是由电一机械转换元件直接推动液压功率级。
由于受电一机械转换元件的输出力的限制，直动式比例阀能控制的功率有限，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。
前者称为先导阀或先导级，后者称主阀功率放大级。
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为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。
因此，有时也被称作廉价伺服阀。
反馈型又分为流量反馈、位移反馈和力反馈。
也可以把上述量转换成相应的其它量或电量再进行级间反馈，又可构成多种形式的反馈型比例阀。
例如，有流量一位移一力反馈、位移电反馈、流量电反馈等。
凡带有电反馈的比例阀，控制它的电控器需要带能对反馈电信号进行放大和处理的附加电子电路。
（4）按比例阀主阀芯的型式来分，又可分为滑阀式和插装式。
滑阀式是在传统的三类阀的基础上发展起来的；而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。
由于它具有动态性能良好，集成化程度高，流通量大等优点，是一种很有发展前途的比例元件。
（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。
尽管上面己列举了几种不同的分类方法，但并未能把不同的比例阀的性能、特征都详尽无遗地反映出来。
例如，还可按控制信号的形式来分，它又分为模拟信号控制式，脉宽调制信号控制式和数字信号控制式。
特别是在机电一体化方面的需要，很多新型的比例元件不断出现，为比例阀的家族增添新成员。
1.3电液比例阀的发展阶段
比例控制技术产生于20世纪60年代末，当时，电液伺服技术已日趋完善，由于伺服阀的快速响应及较高的控制精度，以及明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中，如航天、航空、轧钢设备及实验设备等中取代了传统的机电控制方式，但电液伺服阀成本高、应用和维护条件苛刻，难以被工业界接受。
在很多工业应用场合并不要求太高的控制精度或响应性，而要求发展一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的控制技术。
这种需求背景导致了比例技术的诞生与发展。
而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。
这些正为电液比例技术的发展提供了有利的条件。
1967年瑞士Beringer公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应用的正式开始，主要是将比例型的电-机械转换器（比例电磁铁）应用于工业液压阀。
比例技术的发展由此往下大致可分为三个阶段：
（1）从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，标志着比例技术的诞生时期。
这一阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器（如比例电磁铁）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准则几乎没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环。
其工作频宽仅在1-5Hz之间，稳态滞环在4-7%之间，多用于开环控制。
（2）1975年到1980年间，可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。
采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。
比例元件的工作频宽己达5-15Hz,稳态滞环亦减小到3%左右。
其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。
（3）80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。
比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、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，频宽达到3-50Hz，滞环在19/6-3%之间。
除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均己和工业伺服阀无异。
另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，己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。
同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。
第三个值得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础，而且计算机技术同液压比例技术相结合已成为必然趋势。
近年来比例阀出现了复合化趋势，极大地提高了比例阀（电反馈）的工作频宽。
在基础阀的基础上，发展出先导式电反馈比例方向阀系列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块组合，构成电反馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。
今天，随着微电子技术和数学理论的发展，比例阀技术已达到比较完善的程度，已形成完整的产品品种、规格系列，并对已成熟的产品，为进一步扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、降低制造成本及“四化”（通用化、模块化、组合化、集成化）的方向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本。
在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件，组合集成电液伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志，是液压工业又一个新的技术热点和增长点。
1.4电液比例技术在我国的发展
在我国，有一大批主机产品的发展需要应用电液比例技术，因此，该技术被列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。
我国电液伺服技术始于上世纪六十年代，到七十年代有了实际应用产品，目前约有年产能力2000台；电液比例技术到七十年代中期开始发展，现有几十种品种、规格的产品，约形成有年产能力5000台。
总的看，我国电液伺服比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：
缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。
1.5比例流量阀
按上述分类方法中的第一类方法，本毕业设计设计课题属于比例流量阀这一大类。
比例流量阀是一种输出流量与输入信号成比例的液压阀，这类阀可以按给定的输入电信号连续的、按比例的控制液流的流量。
1.5.1比例流量阀分类（参见文献[1]443-445页）
（1）电液比例节流阀电液比例节流阀属于节流控制功能阀类，其通过流量与节流口开度大小有关，同时受到节流口前后压差的影响；
（2）调速阀 一般由电液比例节流阀加压力补偿器或流量反馈元件组成。
压力补偿器使节流口两端的压差基本保持为常值，使通过调速阀的流量只取决于节流口的开度，属于流量控制功能阀类。
（3）电液比例流量压力复合控制阀 将电液比例压力阀和电液比例流量阀复合在一个控制阀中，构成了一个专用阀，也称为PQ阀，在塑机控制系统中得到广泛应用。
本设计将要设计的是上述分类中的第一类——电液比例节流阀。
1.5.2电液比例节流阀的分类
（1）直动式电液比例节流阀（详细介绍参见文献[1]348-352页）
a.普通型直动式电液比例节流阀 力控制型比例电磁铁直接驱动节流阀阀芯，阀芯相对于阀体的轴向位移与比例电磁铁的输入电信号成比例。
此种阀结构简单、价廉。
滑阀机能有常开式、常闭式，但由于没有压力或其他检测补偿措施，工作时受摩擦力及液动力的影响以致控制精度不高，适宜低压小流量系统采用。
b.位移电反馈型直动式电液比例节流阀 与普通型直动式电液比例节流阀的差别在于增设了位移传感器，用于检测阀芯的位移。
通过检测阀芯的位移，通过电反馈闭环消除干扰力的影响，以得到较高的控制精度。
此种阀结构更加紧凑，但由于比例电磁铁的功率有限，所以此种阀主要用于小流量系统的控制。
（2）先导式电液比例节流阀
有位移－力反馈型、位移电反馈型及位移流量反馈型和三级控制型等多种形式。
a.位移力反馈型先导式电液比例节流阀 整个阀的基本工作特征是利用主阀芯位移力－反馈和级间（功率级和先导级间）动压反馈原理实现控制。
位移力反馈型先导式电液比例节流阀结构简单紧凑，主阀行程不受电磁铁位移的限制，但由于也未进行压力检测补偿反馈，所以其通过流量仍与阀口压差相关。
b.位移电反馈型先导式电液比例节流阀由带位移传感器的插装式主阀与三通先导比例减压阀组成。
本设计将要设计的就是这一类阀。
c.三级控制型大流量电反馈电液比例节流阀 对于32通径以上的比例节流阀，为了保持在一定的动态响应、较好的稳态精度，可采用三级控制方案，即通过经二级液压放大的液压信号，再去控制递三级阀芯的位移（详见文献[2]350页）。
2 流量阀控制流量的一般原理
本阀是电液比例节流阀，最终控制的是液压系统中的流量，即实现节流，故下面将对流量控制的基本原理进行阐述。
2.1流量控制的基本原理
不管各类流量阀结构有何不同，其依据的控制原理都是一样，查文献[３]的102页，得以下这个公式：
（2-1）
式中：
――流量阀控制的流量；
――与节流口形状、油液密度和和油温相关的系数，具体数值应该由实验得出。
在一定的温度下，
对确定的阀口和工作介质，
可视为常数；
――为节流口的通流截面积，与阀口的形状与阀芯位移有关；
――节流口前后的压差；
――由节流口形状决定的节流阀参数，其值在0.5～1.0之间，应由实验求得。
由式（2-1）可知，通过节流阀的流量是和节流口前后的压差、油温以及节流口的形状等因素密切有关的。
2.2流量阀的控制方式
（1）节流控制
如式（2-1）中，C为常数，因此一般不能对它进行调节，而控制
来调节流量很不方便，一般只能通过调节
的办法来控制流量。
当只调节
来控制流量时就是所谓的节流控制。
在这种方式下，当节流阀的通流截面积调整以后，在实际使用时由于负载及其他不稳定的因素的存在，节流口前后的压差也在变化，就会干扰节流阀通流，使流量不稳定。
式中
越大，
的变化对
的影响也
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