液压阻力桥路学(16学时)

液压阻力桥路学液压与气动技术研究所林君哲绪论在各类常规液压控制阀、比例控制阀和伺服控制阀等液压元件中，为了得到较好的控制特性，提高液压元件的技术特性，往往使用多个液阻来实现液阻控制回路。1936年，Harry.Vickers设计了先导式溢流阀，其先导回路由B型半桥组成。1958年Blackburn、李诗颖研制了电液伺服阀，这种伺服阀主阀的4个可变液阻构成全桥液压回路。1973年W.Backe出版了《液压阻力回路系统学》。在这本著作里，作者系统地分析了各种半桥液阻回路和全桥液阻回路的特性及其应用。浙江大学路甬祥、吴根茂等应用液阻网络理论分析方法研制了直接检测式比例压力控制阀和其他比例控制阀，显著改善了比例控制阀的技术特性。20世纪80年代中期，吴根茂在德国Rexroth公司做研究工作时，为了寻求更好的溢流阀压力流量特性，研制了一种先导回路由3个液阻构成的新型先导式溢流阀。20世纪90年代末，胡艳平等提出π桥液阻回路，对其特性进行分析和仿真。第一章液压阻力桥路概述1.1液压传动中流量控制类型（1）调节变量泵排量优点：没有节流损失；缺点：需要较大的调节行程和力（F=100~1000N,s=10~100mm）。（2）调整液流阻力优点：阀的调整行程和力较小（F=10~100N,S=0.1~1mm）；缺点：压力损失较大。传递大功率，采用调节泵排量的流量控制方式，可保持较小的功率损失；要求好的时间特性，采用改变液阻的流量控制方式，可以保证信号的快速和可靠传递。1.2结构与特性电阻网络线性关系：服从欧姆定律，线性电阻元件u=ri（1.1）非线性关系：非线性电阻元件u=f（r）i（1.2）液阻网络（1.3）静态液阻R：是液阻两端压差对流量的比值，它是液阻对稳态流体阻碍作用的一种度量。动态液阻Rd：是液阻两端压差卫校增量对流量微小增量的比值，它是液阻对动态流体阻碍作用的一种度量。（1.4）（1.5）（m=0.5）静态液阻和动态液阻一般都是压差△p或qv的函数。由式（1.3）可得，静态液阻R为动态液阻Rd为（1.7）（1.6）非线性液阻的静态液阻R值和动态液阻Rd值是不同的。如，常用的薄刃型非线性液阻的压力流量特性为（1.8）静态液阻R为动态液阻Rd为（1.9）（1.10）对薄刃型非线性液阻来说，动态液阻Rd是静态液阻R的2倍。本课程除特别注明以外，所研究的液阻均为静态液阻。在液压阀的先到控制液阻网络中，有些液阻是专门为改善液压阀动态特性而设计的，故有时也称为动态液阻或动态阻尼。分析这种液阻网络的动态特性时，同样应用式（1.5）定义的动态液阻概念。液阻的结构形式：（1）薄刃型（薄壁孔口），L/d≤0.5，表现为局部压力损失。（2）细长孔型，L/d≥4，表现为沿程压力损失。（3）短管型（介于薄刃型和细长孔型之间的混合型），L=（2~4）d，溢流阀中使用的圆孔型固定液阻，混合型液阻的表达公式较多，常采用与薄刃型液阻相同公式，但短管型与薄刃型的流量系数数值不同。应用特点：（1）细长孔型液阻为常值，但细长孔型液阻与粘度有关，在压差一定的情况下，流量与液体粘度成反比，不利于流量的精确控制。（2）薄刃型液阻为非线性，但液体粘度对流量没有影响，故在液压元件设计中，常将液阻设计成薄刃型。（3）混合型液阻兼容细长孔和薄刃型液阻的特点，为计算简化，仍采用薄壁型液阻公式1.3液阻的串联与并联类似电路中的电阻，多个液阻也可以串联或并联使用。可以用等效液阻代替。由式（1.8）可知若过流孔为圆孔，则（1.11）（1.12）静态液阻R为或1.3.1串联液阻（1.13）（1.14）经过计算，分压公式为（1.14）（1.15）从式（1.14）和式（1.15）可知，两个液阻串联分压时，两个液阻的内孔直径相差不大，否则起不到分压的作用。例如：设d1=0.5mm，d2=1.0mm，由式（1.14）和式（1.15）可得1.3.2并联液阻经过计算，分流公式为（1.16）（1.17）上述分析可知：（1）多个串联或并联的液阻，均可用一个等效液阻代替；（2）在液压元器件中，为增大液阻的孔径，采用两个液阻串联；相同孔径的液阻串联，等效液阻孔径为原来的0.84倍。1.4全桥和半桥液阻回路电桥电路是将电阻参量的变化变为电压输出的一种测量电路，在测量、滤波和温度补偿等方面广泛应用。如图1.5和图1.6所示为了便于分析液阻回路特性，将电桥的概念引用到液阻回路中。1、4边滑阀控制双活塞杆液压缸，看做全桥液阻回路；2、形成4个可变液阻，R1，R2，R3，R4；3、P0为滑阀输入，P1，P2为滑阀输出；4、液阻值由阀芯的移动量y来控制，控制力可以是液压力、气压力、电磁力和机械力；5、空心箭头表示阀口的开度增大，液阻值减小。实心尖头表示阀口的开度减小，液阻值增大。1.4.1全桥液阻回路1.4.2半桥液阻回路1、锥阀和固定液阻控制但作用液压缸；2、一个固定液阻R1，一个可变液阻R2；3、P0为输入，P1输出；4、通过调节锥阀阀芯的行程可控制活塞的运动速度；1.4.3半桥液阻回路类型1、A型半桥：2个可变液阻；2、B型半桥：R1固定液阻，R2可变液阻；3、C型半桥：R1可变液阻，R2固定液阻；4、D型半桥：R1和R2都是固定液阻，只能作分压网络使用。半桥液阻回路目前广泛应用于液压控制阀和泵的先到控制回路中，或在液压回路中作为分压之用。1.4.4全桥液阻回路类型全桥液阻回路可看作是两个半桥液阻回路并联组合，全桥液阻回路供油9种结构形式，如图1.10所示。全桥液阻回路目前广泛应用于伺服阀的先导级和主阀的控制回路中。全桥和半桥液阻回路的特征：1、全桥和半桥液阻回路只有一个输入控制口，p0、qv0；2、半桥液阻回路只有一个输出控制口p、qv。全桥液阻回路由2个半桥回路并联而成，因此有两个输出控制口p1、qvA和p2、qvB。半桥液阻网络只能控制单作用液压缸，全桥液阻回路能控制双作用液压缸和液压马达的双向运动；3、半桥液阻回路和全桥液阻回路总有一部分油液通过液阻流回油箱，造成能量损失。1.5π桥液阻网络π桥液阻回路由3个液阻R1，R2，R3构成。1个输入控制口p1，qv，两个输出控制口qvA、p2和qvB、p3。类似半桥分类方法，根据液阻R1，R2，R3为固定或可变液阻，可将π桥液阻回路分为7类，分别用A、B、C、D、E、F、G表示，如图1.11所示。以F型π桥液阻回路说明：（1）R1和R3为固定液阻，R2是锥阀口，为可变液阻。（2）对于整个回路，锥阀口开度越大，总液阻越小，在进口压力基本不变的情况下，通过锥阀的流量越多。（3）阀芯处在平衡状态时，流过液阻的流量相等。（4）当回路流量增加时，p2值减小，p3值增加，在p2，p3作用下，阀芯的移动方向，取决于R1、R3的阻值及面积A1和A2。（5）根据流量压力特性p1=f（qv1），R1和R3的不同配置，当qv1增加时，p1可以增加或保持不变π桥液阻回路具有优越的控制特性，当R1或R3等于零时，π桥液阻回路就变成相应的半桥液阻回路。以半桥为先导控制回路的溢流阀存在一个正的稳态调压偏差，而已π桥回路为先导控制回路的溢流阀可使稳态调压偏差为正或为零。π桥液阻回路的特点：（1）用π桥液阻回路控制对称液压缸，只能控制液压缸的单向运动，与弹簧等外力配合时，则能控制液压缸的双向运动；（2）π桥液阻回路有两个输出控制口。（3）在输入p1不变的情况下，调节可变液阻，可同时调节两个输出控制口参数p2、qva和p3、qvb。（4）π桥液阻回路根据液阻参数的不同设计，可实现多种不同的控制目的。（5）当用π桥液阻回路控制不对称液压缸时，能控制液压缸的双向运动第2章半桥液阻网络特性与应用2.1结构原理半桥液阻网络由两个液阻构成，具有A、B、C、D四种半桥液阻回路。可用双边控制滑阀构成。在图2.1-图2.3中，p0为半桥液阻网络的输入压力，输出口压力为p，一部分流体通过第一个液阻R1后再通过第二个液阻R2流回油箱，另一部分流体qv则进入被控元件，移动阀芯将改变可变液阻的阻值，从而调节输出口压力p和qv的大小。2.2流量压力特性半桥液阻网络中，输出控制口流量qv是可变液阻开口量y和输出口压力p的函数，将qv=f（p，y）的函数关系有曲线绘制出来，成为半桥液阻网络的特性曲线。分析设定：（1）假定可变液阻由滑阀构成，且滑阀是全周阀口，其通流面积与阀芯位移y成线性关系；（2）从输出控制口向外流出的流量qv为正；（3）当阀芯位移y=0是，A型半桥的两个液阻开口长度相等，均为y0。（4）当阀芯有位移y是，液阻R1的轴向开口长度为y0+y，液阻R2的轴向开口长度为y0-y。在式（2.2）和式（2.3）中，c为固定液阻的液导，c=by0。阀芯位移y的方向A、B型半桥相同，C型半桥相反。半桥液阻网络特性曲线采用量纲一的参数描绘。设定以阀口预开口量y0为阀口开度的参考量，以恒压源p0为压力参考量，控制流量的参考量为最大流量。则对A型半桥将R2阀口全关，y=y0，且控制阀口压力为零，此时从图中可知：（1）对于A型半桥，在y=0附近一段区域内，输出口压力p随着y的增加近似线性增加。（2）对于B型半桥，在在y=0附近一段区域内，输出口压力p随着y的增加近似非线性增加。（3）对于C型半桥，在在y=0附近一段区域内，输出口压力p随着y的增加近似非线性增加，且与B型半桥图像互为镜像。（4）输出口流量不为0时的输出口压力与阀芯位移的关系，在y=0附近，输出流量不同的曲线族有相近的输出口压力——位移特性。（4）在y=y0，或y=-y0时，项不可忽略，因而输出口压力p与阀芯位移y为非线性关系。半桥液阻网络输出口流量为0，表示半桥液阻网络只有压力输出，没有流量输出。有些液阻网络所控制执行元件位移量很小，如压力控制阀的先导液阻网络是用来控制主阀芯运动的，因主阀芯的位移量很小，因此所需流量很小，在正常工作时其输出流量基本为0，主要通过输出口压力来控制主阀。2.3压力增益和流量增益液阻网络输出的流量和压力是通过改变可变液阻的阻值来实现的，对于半桥液阻网络实际就是控制阀芯位移量y来调节输出口压力和流量。对外输出的最大压力和最大流量是设计液阻网络的重要指标，压力增益和流量增益反映了液阻网络控制特性。2.3.1压力增益定义：qv=0和y=0时的曲线斜率为半桥液阻网络的压力增益e0，它是液阻万罗的特征参数，用公式表示为2.3.2流量增益（1）无论压力增益还是流量增益，A型半桥液阻网络均为B型半桥液阻网络的2倍。（2）C型半桥的压力增益和流量增益都是负值，当y增加时，C型半桥液阻R1的通流面积减小，在输出口压力不变的情况下，输出流量必然减少，所以C型半桥的压力增益和流量增益均为负值，如改变y的方向，则数值变正。2.3.3流量压力系数（1）A型半桥压力和流量增益时B型和C型半桥的2倍，因为A型半桥有两个可变的液阻，而B型和C型半桥只有一个可变液阻。（2）A型半桥在y=0附近，有很好的线性度，可精确控制。（3）A型半桥的两个可变液阻由一个信号控制，要求机械精度高，应用在伺服系统中。B型半桥结构简单，价格便宜，密封性好，应用在锥阀、喷嘴挡板阀中，同时在压力控制元件的先导回路中。C型半桥固定阻尼始终与油箱连通，有一定的不可控性，应用较少。D型半桥无增益。2.4B型半桥先导回路溢流阀稳态特性分析目前，市场上销售溢流阀的先导回路多采用半桥液阻网络，其中B型半桥较为普遍。2.4.1工作原理2.4.2稳态特性作业试根据B型半桥先导回路溢流阀的特性，建立阀芯的力平衡方程、液阻的压力流量方程以及流量连续性方程，找到输出流量qv与进口压力p之间的关系。找一篇关于液阻桥路相关的文章，谈谈液阻桥路学知识应用体会。设等效液阻为R1+2，因且通过R1，R2和等效液阻R1+2的流量相同，将式（1.11）带入上式得将式（1.12）带入上式，则有或串联液阻分压计算即则用串联液阻进行分压时，通过两液阻的流量是相等的，则有进而又整理后可得分压公式如下返回并联液阻分流计算设等效液阻为R1∥2，因且液阻R1，R2和等效液阻R1∥2两端的压差相同，将式（1.4）带入上式