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1、电液伺服阀第1页，本讲稿共34页第第5章章 电液伺服阀电液伺服阀 电液控制阀：电液控制阀：电液控制阀：电液控制阀：电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀电液伺服阀、电液比例阀和电液数字阀接口：接口：接口：接口：系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口系统中电气控制部分与液压执行部分间的接口放大元件：放大元件：放大元件：放大元件：又是实现又是实现用小信号控制大功率用小信号控制大功率用小信号控制大功率用小信号控制大功率的放大元件。的放大元件。分类：分类：分
2、类：分类：电液流量控制电液流量控制、电液压力控制电液压力控制。特点：特点：特点：特点：电液伺服阀控制精度高、响应速度快电液伺服阀控制精度高、响应速度快电液伺服阀控制精度高、响应速度快电液伺服阀控制精度高、响应速度快，是一种高性，是一种高性能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。能的电液控制元件，在液压伺服系统中得到了广泛的应用。第2页，本讲稿共34页5.1 电液伺服阀的组成与分类电液伺服阀的组成与分类电液伺服阀的组成与分类电液伺服阀的组成与分类一、电液伺服阀的组成一、电液伺服阀的组成电液伺服阀通常由电液伺服阀通常由电气机械转换器、液压放大器、检测反馈机构电气机械转换器、液压放大器、
3、检测反馈机构(或平衡机构或平衡机构)三部三部分组成。分组成。二、电液伺服阀的分类二、电液伺服阀的分类按液压放大级数分为：按液压放大级数分为：单级伺服阀：单级伺服阀：此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力此类阀结构简单、价格低廉，但由于力矩马达或力马达输出力矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负裁动态变化敏感，阀的稳定性在矩或力小、定位刚度低，使阀的输出流量有限，对负裁动态变化敏感，阀的稳定性在很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。很大程度上取决于负载动态，容易产生不稳定状态。只适用于低压、小流量和负载动态只适用于低压、小流量和负载动态变化不大的场合。变化不大的场
4、合。两级伺服阀两级伺服阀：此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。此类阀克服了单级伺服阀缺点，是最常用的型式。三级伺服阀三级伺服阀：由一个：由一个两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀功率级滑阀阀芯功率级滑阀阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位。三级伺服阀通常只用在大三级伺服阀通常只用在大流量的场合。流量的场合。第3页，本讲稿共34页按第一级阀的结构形式分类：按第一级阀的结构形式分类：按第一级阀的结构形式分类
5、：按第一级阀的结构形式分类：滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀 射流管阀和偏转板射流阀。射流管阀和偏转板射流阀。按反馈形式分类：按反馈形式分类：按反馈形式分类：按反馈形式分类：可分为滑阀可分为滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈三种。三种。按力矩马达是否浸泡在油中分类：按力矩马达是否浸泡在油中分类：按力矩马达是否浸泡在油中分类：按力矩马达是否浸泡在油中分类：湿式：湿式：可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力短马达持可使力矩马达受到油液的冷却
6、，但油液中存在的铁污物使力短马达持性变坏；性变坏；干式干式：则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的。：则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的。5.1 电液伺服阀的组成与分类电液伺服阀的组成与分类第4页，本讲稿共34页5.2 电气机械转换器电气机械转换器 电气电气机械转换器：机械转换器：利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁线圈产利用电磁原理工作的。它由永久磁铁或激磁线圈产生极化磁场。生极化磁场。电气控制信号电气控制信号电气控制信号电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互作用产生与控制信号成比例
7、并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部分产生直产生直产生直产生直线位移或角位移的机械运动线位移或角位移的机械运动线位移或角位移的机械运动线位移或角位移的机械运动，因而也称为力矩马达。，因而也称为力矩马达。一、力矩马达的分类及要求一、力矩马达的分类及要求一、力矩马达的分类及要求一、力矩马达的分类及要求分类：分类：分类：分类：1)根据可动件运动：直线位移式和角位移式（根据可动件运动：直线位移式和角位移式（力马达、力矩马达力马达、力矩马达）。）。2)按可动件结构：动铁式和动圈式（可动件是衔铁、控制线圈）。按可动件结构：动铁式和
8、动圈式（可动件是衔铁、控制线圈）。3)按极化磁场：按极化磁场：非激磁式、固定电流激磁和永磁式非激磁式、固定电流激磁和永磁式三种。三种。第5页，本讲稿共34页 要求：作为阀的驱动装置，对它提出以下要求：1)能够产生足够的输出力和行程，要求体积小、重量轻。2)动态性能好、响应速度快。3)直线件好、死区小、灵敏度高和磁滞小。4)在某些使用情况下，还要求它抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。5.2 电气机械转换器电气机械转换器第6页，本讲稿共34页 1 1 1 1、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理 组成：组成：永久磁铁、上导磁体、下导磁体、永久磁铁、上
9、导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。原理：原理：衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管（扭轴）的转动中心作微小的绕弹簧管（扭轴）的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体转动。衔铁两端与上、下导磁体(磁极磁极)形成四个工作气隙形成四个工作气隙、。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。制磁通
10、提供磁路。二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达第7页，本讲稿共34页 1 1 1 1、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理、力矩马达的工作原理 左右永久磁铁使上下导磁体的气隙中左右永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场。没有输入信产生相同方向的极化磁场。没有输入信号时，衔铁与上下导磁体之间的四个工号时，衔铁与上下导磁体之间的四个工作气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相作气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相互抵消而使衔铁处于中间平衡状态。互抵消而使衔铁处于中间平衡状态。当输入电流时，产生相应的控制磁场，当输入电流时，产生相应的控制磁场，它在上下气隙中的方向相反，因此打破它在
11、上下气隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直到力矩与负载力矩和弹簧反力转动，直到力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡。矩等相平衡。但转角是很小的，可以看成是微小的但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移（通常小于直线位移（通常小于0.2mm0.2mm）。）。二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达第8页，本讲稿共34页2 2 2 2、力矩马达的电磁力矩、力矩马达的电磁力矩、力矩马达的电磁力矩、力矩马达的电磁力矩 通过力矩马达的磁路分析可以求出电
12、磁力矩的通过力矩马达的磁路分析可以求出电磁力矩的计算公式。从磁路分析知电磁力矩是非线性的，计算公式。从磁路分析知电磁力矩是非线性的，因此为保证输出曲线的线性，往往设计成可动位因此为保证输出曲线的线性，往往设计成可动位移和气隙长度比小于三分之一，控制磁通远远小移和气隙长度比小于三分之一，控制磁通远远小于极化磁通。于极化磁通。应用应用：动铁式力矩马达输出力矩较小，适合控制喷动铁式力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板之类的先导级阀。嘴挡板之类的先导级阀。优点：优点：自振频率较高，动态响应快，功率、重自振频率较高，动态响应快，功率、重量比较大，抗加速度零漂性好。量比较大，抗加速度零漂性好。缺点：缺点
13、：限于气隙的形式，其转角和工作行程小，材料性限于气隙的形式，其转角和工作行程小，材料性能及制造精度要求高，价格昂贵；此外，它的控制能及制造精度要求高，价格昂贵；此外，它的控制电流小，故抗干扰能力较差。电流小，故抗干扰能力较差。二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达第9页，本讲稿共34页二、永磁力矩马达二、永磁力矩马达当衔铁处于中位时，每个工作气隙的磁阻为式中 磁铁在中位时每个气隙的长度；磁极面的面积；空气导磁率，。气隙、的磁阻:气隙、的磁阻:、的合成磁通为:对气隙、可得合成磁通为第10页，本讲稿共34页结构原理：结构原理：结构原理：结构原理：力马达的可动线圈悬置于工作气隙中，力马达的可动线圈悬置于工
14、作气隙中，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，永久磁铁在工作气隙中形成极化磁通，当控制电流加到线圈上时，线圈就会当控制电流加到线圈上时，线圈就会受到电磁力的作用而运动。受到电磁力的作用而运动。线圈的运动方向可根据磁通方向和线圈的运动方向可根据磁通方向和电流方向按左手定则判断。电流方向按左手定则判断。线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，线圈上的电磁力克服弹簧力和负载力，使线圈产生一个与控制电流成比例的使线圈产生一个与控制电流成比例的位移。位移。三、永磁动圈式力马达第11页，本讲稿共34页四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达
15、的比较四、动铁式力矩马达与动圈式力矩马达的比较1)动铁式力矩马达动铁式力矩马达动铁式力矩马达动铁式力矩马达因磁滞影响而引起的输出位移滞后大输出位移滞后大输出位移滞后大输出位移滞后大。2)动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达宽。因此动圈式力马达的工作行程大，而动铁式力矩马达的工作行程小。3)在同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输出力小同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输出力小同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马
16、达的输出力小同样的惯性下，动铁式力矩马达的输出力矩大，而动圈式力马达的输出力小。动铁式力矩马达因输出力矩大，支承弹簧刚度可以取得大，衔铁组件的固有频率高，而力马达的弹簧刚度小，动圈组件的固有频率低。4)减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达的灵敏度。但动圈式力马动圈式力马动圈式力马动圈式力马达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制达受动圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制。5)在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的在相同功率
17、情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的在相同功率情况下，动圈式力马达比动铁式力矩马达体积大，但动圈式力马达的造价低。造价低。造价低。造价低。第12页，本讲稿共34页动铁式单级电液伺服阀原理图1永久磁铁 2衔铁 3扭轴 4导磁体五五五五 力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀第13页，本讲稿共34页当信号电流通过控制线圈时，载流线圈在磁场中产生的电磁力，通过控制杆与十字弹簧通过控制杆与十字弹簧通过控制杆与十字弹簧通过控制杆与十字弹簧的反力平衡，阀心移动相应的位移，
18、从而使阀输出相应的流量。的反力平衡，阀心移动相应的位移，从而使阀输出相应的流量。的反力平衡，阀心移动相应的位移，从而使阀输出相应的流量。的反力平衡，阀心移动相应的位移，从而使阀输出相应的流量。五五五五 力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀动圈式单级电液伺服阀原理图1磁铁 2导磁体 3十字弹簧 4 控制杆 5滑阀阀心 6阀体 7控制线圈 8框架第14页，本讲稿共34页五五五五 力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀载流控制线圈在磁场中所受的电磁力方程为：载流可动控制线圈的力平衡方程为对上式进行拉氏变换，并合并得
19、线圈的电路方程为对上式进行拉氏变换第15页，本讲稿共34页五五五五 力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀力反馈两级电液伺服阀通常，惯性环节的转角频率可以略去，则动圈式力马达的传递函数可写成：动圈式力矩马达方框图 第16页，本讲稿共34页五 力反馈两级电液伺服阀一、工作原理一、工作原理一、工作原理一、工作原理1）无控制电流时无控制电流时无控制电流时无控制电流时，衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，挡板也处于两个喷嘴的中间位置，滑阀阀芯在反馈杆小球的约束阀芯在反馈杆小球的约束阀芯在反馈杆小球的约束阀芯在反馈杆小球的约束下处于中位下处于中位下处于中位下处于中位，阀无液压
20、输出阀无液压输出阀无液压输出阀无液压输出。2）当有差动控制电流有差动控制电流有差动控制电流有差动控制电流输入时在衔铁上产生逆时针方向的电磁力矩，使衔铁挡板组件绕弹簧转动中心顺时针方向偏转，弹簧管和衔铁挡板组件绕弹簧转动中心顺时针方向偏转，弹簧管和衔铁挡板组件绕弹簧转动中心顺时针方向偏转，弹簧管和衔铁挡板组件绕弹簧转动中心顺时针方向偏转，弹簧管和反馈杆产生变形，挡板偏离中位反馈杆产生变形，挡板偏离中位反馈杆产生变形，挡板偏离中位反馈杆产生变形，挡板偏离中位。这时，喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大，引起滑阀左腔控制压力增大，右腔控制压力减小，推动滑阀阀芯左移。同时带动反馈杆端部小球左移，使反馈杆进
21、一步变形使反馈杆进一步变形使反馈杆进一步变形使反馈杆进一步变形。当反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件反馈杆和弹簧管变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件便处于一个平衡位置便处于一个平衡位置便处于一个平衡位置便处于一个平衡位置。在反馈杆端部左移进一步变形时，使挡板的偏移减小，趋于中位。这使左腔控制压力又降低，右腔控制压力增高，当阀芯两端的液压力与反馈杆变形对阀芯产生的反作用力以及滑芯的液动力相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例
22、。3）在负载压差负载压差负载压差负载压差定时定时定时定时，阀的输出流量也与控制电流成比例出流量也与控制电流成比例出流量也与控制电流成比例出流量也与控制电流成比例。所以这是一种流量控制伺服阀。第17页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀上述为基本电压方程：上述为基本电压方程：方程的左边为左边为放大器加在线圈上的总控制电总控制电压压;右边第一项为电阻上的电压降电阻上的电压降;第二项为衔铁运动时在线圈内产生的反电动势线圈内产生的反电动势;第三项是线圈内电流变化所引起的感应电动势电流变化所引起的感应电动势;(包括线圈的自感和互感)，由于串联线圈，互感等于自感，所以每个线圈的总电感为2Lc第18
23、页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀基本电压方程：基本电压方程：第19页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀衔铁挡板组件的运动方程：衔铁挡板组件的运动方程：第20页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀衔铁挡板组件的运动方程：衔铁挡板组件的运动方程：挡板位移与衔铁转角的关系：挡板位移与衔铁转角的关系：第21页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀喷嘴挡板到滑阀的传递函数：喷嘴挡板到滑阀的传递函数：阀控液压缸传递函数：阀控液压缸传递函数：第22页，本讲稿共34页5.3 力反馈两级电液伺服阀作用在挡板上的压力反馈：作用在挡板上的压力反馈：第23页，本讲稿共34页二、基
24、本方程与方框图二、基本方程与方框图力矩马达的运动方程包括：基本电压方程；衔铁和挡板组件的运动方程；挡板位移与转角之间的关系；喷嘴挡板至滑阀的传递函数、阀控液压缸的传递函数；作用在挡板上的压力反馈方程。根据这些方程可以画出电液伺服阀的方框图。第24页，本讲稿共34页三、力反馈伺服阀的传递函数三、力反馈伺服阀的传递函数第25页，本讲稿共34页给出的传递函数是一个惯性惯性加振荡振荡的环节。重点介绍近似的传递函数：1）在大多数电液伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应。因此伺服阀的传递函数可以进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。2）如果伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，
25、伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示。3）当伺服阀的固有频率远大于动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环节。第26页，本讲稿共34页5.5 其它型式的电液伺服阀简介一、弹簧对中式两级电液伺服阀一、弹簧对中式两级电液伺服阀 弹簧对中式伺服阀是早期伺服阀的结构型式，它的第级是双喷嘴挡板阀，第二级是滑阀，阀芯两端各有一根对中弹簧。当控制电流输入时，阀芯在对中弹簧作用下处于中位。当有控制电流输入时，对中弹簧力与喷嘴挡板阀输出的液压力相平衡，使阀芯取得一个相应的位移，输出相应的流量。特点：1）这种伺服阀属于开环控制、其性能受温度、压力及阀内部结构参数变化的影响较大；2）衔铁及挡板的位移都较大对力矩马达的
26、线件要求较高；对中弹簧要求体积小、刚度大、抗疲劳好，因此制造困难；3）两端对中弹簧由于制造和安装的误差易对阀芯产生侧向卡紧力增加阀芯摩擦力使阀的滞环增大，分辨率降低。应用：应用：由于结构简单、造价低，可适用于般的、性能要求不高的电液伺服系统。第27页，本讲稿共34页二、射流管式两级电液伺服阀射流管式伺服阀的原理射流管式伺服阀的原理：射流管由力矩马达带动偏转。射流管焊接于衔铁上，并由薄壁弹簧片支承。液压油通过柔性的供压管进入射流管从射流管喷射出的液压油进入与滑阀两端控制腔分别相通的两个接收孔中，推动阀芯移动。射流管的侧面装有弹簧板板及反馈弹簧丝共末端插入阀从中的小槽内，阀芯移动推动反馈弹簧丝构成
27、对力矩马达的力反馈。力矩马达借助于薄壁弹簧片实现对液压部分的密封隔离。第28页，本讲稿共34页三、动压反馈伺服阀压力流量伺服阀虽然增加了系统的阻尼，但降低了系统的静刚度，为了克服这个缺点出现了动压反馈伺服阀，与压力流量伺服阀相比。它增加了由出弹簧活塞和液阻(固定节流孔)所组成的压力微分网络，负载压力通过压力微分网络反馈到滑阀，此阀在动态时，具有压力流量伺服阀的持性，在稳态时具有流量伺服阀的持性。第29页，本讲稿共34页5.6 电液伺服阀的主要性能参数一、静态特性 电液流量伺服阀的静态性能，可根据测试所得到负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线等性能指标加以评定。包括1、负载流量
28、特性2、空载流量特性流量曲线非常有用，它不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，而且从中还可以得到阀的线件度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。3、压力特性 压力特性曲线是输出流量为零(两个负载油门关闭)时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线。4、内泄漏特性5、零漂：零位的漂移；零偏：即零位的偏移。第30页，本讲稿共34页第31页，本讲稿共34页二、动态特性主要是用频率响应和瞬态响应表示。第32页，本讲稿共34页三、输入特性线圈接法 第33页，本讲稿共34页1、电液伺服阀由哪几部分组成?各部分的作用是什么？2、力矩马达为何要有极化磁场?3、永磁动铁式力矩马达的电磁力矩是如何产生的？为什么会出现负磁弹簧刚度？4、为什么把、称为中位电磁力矩系数和中位磁弹簧刚度？5、为什么动圈式力马达没有磁弹簧刚度?这种力马达有什么特点？6、为什么喷嘴挡板式力反馈两级伺服阀在稳态时，挡板在中位附近工作？有什么好处？7、如何提高力反馈伺服阀的频宽，提高频宽受什么限制？8、为了减小力矩马达线圈电感的影响，应采取什么措施?9、在什么情况下电液伺服阀可看成振荡环节、惯性环节、比例环节？10、为什么力反馈伺服阀流量控制的精确性需要靠功率滑阀的精度来保证?11、压力伺服阀与压力流量伺服阀有什么区别?12压力流量伺服阀与动压反馈伺服阀有什么区别?思考题第34页，本讲稿共34页