电液比例控制技术讲义42.docx
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电液比例控制技术讲义42
§4.3直控式比例方向阀
讨论比例方向阀的一些使用性能,如滞环、重复精度、控制阀芯、控制阀芯的基本特性曲线及时间响应特性等。
和开关式比例方向阀的结构一样,在直控式比例方向阀中,比例电磁铁是直接推动控制阀芯的。
通常配用的是位移—电流比例电磁铁。
§4.3.1结构与功能
阀的基本组成部分有:
壳体
(1),
一个或两个具有模拟量位移——电流特性的比例电磁铁
(2),
电磁铁还带有电感式位移传感器(3),
控制阀(4),
一至二个复位弹簧(5)。
在电磁铁不工作时,控制阀芯在复位弹簧作用下保持在中位。
由电磁铁直接驱动阀芯运动。
阀芯在图示位置时,P、A、B和T之间,互不相通。
如果电磁铁A(左)通电,阀芯向右移动,则P与B,A与T分别相通。
由控制器来的控制信号越大,控制阀芯向右的位移也越大。
也就是说,阀芯的行程与电信号成比例。
行程越大,则阀口通流面积和流过的体积流量也越大。
图中左边的电磁铁,配有电感式位移传感器。
它检测出阀芯的实际位置,并把与阀芯行程成比例的电信号(电压),反馈至电放大器。
位移传感器的量程,按两倍阀芯行程设计,所以能检测阀芯在两个方向上的位置。
在放大器中,实际值(控制阀芯的实际位置)与设定值进行比较,检测出两者的差值后,以相应的电信号输给对应的电磁铁,对实际值进行修正,构成位置反馈闭环。
实际上,阀的滞环和重复精度,因阀的规格而异,但均小于等于1%。
§4.3.2滞环
一般表明一个状态与前一个状态的关系。
在电信号从零到最大,再从最大到零的往返扫描过程中,阀芯有与电信号成比例的确定位置。
同一输入设定值上,往返扫描所得输出量的偏差,称为滞环或滞环误差。
§4.3.3重复精度
在重复调节同一输入信号时,输出信号所出现的差值。
对应控制阀芯说来,就是重复调节同一输入的信号为相同设定值时,得到(一个小于等于1%)的位置偏差。
图中所示的阀用电磁铁,不带位移传感器,因而不能检测阀芯的位置。
按阀的规格不同,其滞环为5~6%,重复精度2~3%。
§4.3.4控制阀芯的结构
图示,比例阀控制阀芯与普通方向阀阀芯不同,它的薄刃型节流断面呈三角形。
用这种阀芯形式,可得到一条渐增式流量特性曲线。
阀芯的三角控制棱边和阀套的控制棱边,在阀芯移动过程中的任何位置上,总是保持相互接触。
这表明,它的过流断面,总是一个可确定的三角形。
也就是说,不存在像常规方向阀(开关型控制阀)中那样的情况:
阀芯阀套两个棱边之间,先存在一个“空行程”,再进入相互接触,或者在阀口打开时完全脱开。
此外,在液流流入和流出比例阀阀口时,总是受到节流作用。
§4.3.5流量特性
对于不同公称流量的阀应该确定相应的受控过流断面。
用一实例来说明这一情况,并观察相应的特性曲线。
(1)数据
数据如下:
调定的系统压力P=120bar
工进时的负载压力P=110bar
快进时的负载压力P=60bar
工进速度范围内所需流量Q=5~20L/min
快进速度范围内所需流量Q=60~150L/min
(2)工况
不能象选用普通开关阀那样来选择比例阀(仅以Q=150L/min作为公称流量)。
这样就会得到如下数据:
快进时阀的压降Pv=120-60bar=60bar
Q快进=60~150L/min
工进时阀的压降Pv=120-110bar=10bar
Q工进=5~20L/min
快进时,Q快进=60~150L/min,对应于Pv=60bar,流量Q=150L/min,仅利用额定电流的约66%,流量Q=60L/min时,仅利用额定电流的约48%。
这样一来调节范围仅达到额定电流的18%。
工进时,Q工进=5~20L/min,对工进速度的调节,也只达到调节范围的10%(20L/min时为47%额定电流,5L/min时为37%额定电流)。
假如一般阀的滞环为3%,而对应于调节范围仅10%的情况,则其滞环相当于30%。
显然,很难用如此差的分辨率来进行控制。
(3)阀口流量特性
选用比例阀的正确方法
现用一实例来说明按下列特性选用比例阀的正确方法:
快进工况的比例关系
此时设定值在66%到98%额定电流之间(60-150L/min),因此得到32%调节范围。
工进工况的比例关系
此时设定值落在36%至63%额定电流之间,可见调节范围很大,有一个较好的分辨率。
同时,重复精度造成的偏差当然也减小
(4)控制阀芯的时间特性
图中给出了控制阀芯在输入阶跃电信号时的过渡过程曲线。
在从一个位置运动到另一个位置的过渡过程中,没有产生超调,阀芯快速移动时间比较短,减速后停留在交换位置。
加速和制动过程的调节时间,也是充分的。
(5)加速与减速
流量正变化或负变化,由比例阀来加以控制。
这些预调设定值,即在哪个时间流量应发生变化进而控制阀芯位置发生变化,都由操纵比例电磁铁的电控制器来设定。
由放大器预调的设定值,在给定时间内,变化到该设定值的终值。
电控器的这一功能块,称为斜坡发生器。
设定值变化所需的时间间隔称为斜坡时间。
例如:
在2秒钟内,设定值从零变化到最大值,加速时间短,加速度大
例如:
在5秒钟内,设定值从零变化到最大值,加速时间长,加速度小
(6)控制范围(分辨率)
控制范围(在实践上,常称为调节范围,或调速比),可理解为最大与最小控制流量之比。
对于不带位移传感器的比例方向阀,调节范围是1:
20。
假如最大流量是40L/min,则最小流量是2L/min。
在这里重复误差起重要作用。
重复误差在数值上必须显著地低于最小流量。
带位移传感器的比例方向阀,其控制范围是1:
100。
§4.3.6阀芯形式
§4.3.7应用实例分析
(1)E型阀芯
E型阀芯有很好的减速制动特性,
P->A和B->T或
P->B和A->T
各通流断面是一样的。
因此,它可用于双出杆液压缸,
或液压马达。
在液压马达控制系统中(图4-15),
在图中负载管路中配置补油系统。
管路中万一出现了负压,
就会使马达的噪声级提高。
如果想使马达的负载精确停留定位,
必须象通常那样配置一个停车制动器。
(2)E1型阀芯
在上述油路中,
如果缸面积比为2:
1,
则必须选用节流面积比为2:
1的阀芯。
E1型阀芯能满足这一条件
(W1型阀芯也一样)
这种关系如下:
Q1/Q2=(△p1/△p2)1/2
当Q2=2Q1
和过流断面积相等时
得△p1/△p2=Q12/Q22
△p2=(Q22/Q12)·△p1
△p2=4·△p1
这种关系式表明,
在过流断面面积相同时,
要使通流流量增加一倍,
压差就要等于原来的4倍。
对于单活塞杆液压缸,
当活塞面积和环形面积比为2:
1时,
若P→A和B→T的节流面积相同,
则形成压差比为4:
1。
为了制动质量力,如果要求在有杆腔施加一个比驱动压力高1/4的反力,从上述情况分析可知,由于△P和Q之间存在平方根关系,这一要求不能完全满足的。
若配用E1型阀芯,(P→A=1/1和B→T=1/2的过流面积比),或过流面积比倒过来的E2型阀芯,就可避免产生上述问题。
(3)E3型阀芯
对于过流面积比为2:
1的缸,
如果想用较简单的方法实现差动控制,
可使用配E3型阀芯的比例阀。
配用的单向阀可做成中间块,
装在阀板上。
(4)W型阀芯
在一个面积比接近1:
1的
单出杆缸的油路中,采用W型阀芯,
通过其泄漏可阻止无负载时缸的微小位移。
W型阀芯在中位时,
由A和B到T具有
3%公称过流断面大小的节流通道。
(5)W1型阀芯,W2型阀芯
这种阀芯,一方面同E1型阀芯一样,
节流面积比为2:
1,
以适应2:
1面积的液压缸。
另一方面,又同W型阀芯,
在中位时,由A和B到T
具有3%公称过流断面大小的节流开口。
(6)W3型阀芯
同E3型阀芯一样,
用W3型阀芯也可实现差动控制。
由于B通向T而卸荷,
液压缸在制动后没有背压(弹簧)。
(7)配用E型阀芯的差动回路
(8)重力平衡1
图示单出杆液压缸
(面积比接近1:
1),
采用重力平衡的垂直布置,
配用W1型阀芯。
通过直控式溢流阀,
和缸管路上关闭时
不存在泄漏的单向阀
来实现重力平衡。
(9)重力平衡2
图示单出杆液压缸,
垂直布置,
采用重力平衡面积比2:
1,
配用W1型阀芯,
实现差动控制。
(10)无泄漏液压锁
由于压力比的关系,
无泄漏液压锁不能用
一双联单向阀来实现。
在这回路中,尽管配置了
无泄漏式液控单向阀,
但仍需注意压力比的关系。
如果压力比超过面积比,
则会导致液压缸运动不连续。
在这种情况下,锁紧用的液控单向阀,
就要用外控方式,
而不是图示控制油路中所表示的
来自另一侧油路的控制方式。
§4.3.8总结说明
实用性说明:
注意阀的油口与液压缸的油口相连时,只有当比例阀与执行器之间的连接管路尽可能短时,才有可能达到优化的运动特性值。
每个液压系统,都可用一个弹簧——质量系统来描述。
其最大可能的加速度决定液压装置的调整时间,或由弹簧质量系统本身来决定的。