液压与气压传动04

SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动Chapter4控制元件本章主要内容：4.1概述4.2阀芯的结构和性能4.3常用液压控制阀4.4常用气动控制阀4.5液压叠加阀、插装阀和多路阀4.6电液伺服控制阀4.7电液比例控制阀4.8电液数字控制阀4.9气动比例/伺服、数字控制阀4.10气动逻辑控制元件4.11集成式多功能元件BackSchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动目的任务:重点难点:了解液压与气压传动中各种控制元件的功用、工作原理、结构形式和性能特点；掌握主要控制元件的控制机制及其特性分析方法。换向阀的位、通、滑阀机能的概念；先导式溢流阀的结构、工作原理、特性；减压阀、溢流阀的区别；调速阀的结构、工作原理、特性；比例阀与普通阀的区别；各种控制阀符号的含义。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动Part4.1概述/一、阀的功用阀有三大类：方向阀、压力阀和流量阀。压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制系统的压力和流量。方向阀则利用通流通道的更换控制流体的流动方向。在结构上，所有的阀都由阀体、阀心（座阀或滑阀）和驱使阀心动作的元、部件（如弹簧、电磁铁）组成。在工作原理上，所有阀的开口大小，进、出口间的压差以及流过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式，仅是各种阀控制的参数各不相同而已。阀是用来控制系统中流体的流动方向或调节其压力和流量的SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件表4-1阀的分类分类方法种类详细分类按机能分类压力控制阀溢流阀、减压阀、顺序阀、卸荷阀、平衡阀、比例压力控制阀、缓冲阀、仪表截止阀、限压切断阀、压力继电器等流量控制阀节流阀、单向节流阀、调速阀、分流阀、集流阀、比例流量控制阀、排气节流阀等方向控制阀单向阀、液控单向阀、换向阀、行程减速阀、充液阀、梭阀、比例方向控制阀、快速排气阀、脉冲阀等按结构分类滑阀圆柱滑阀、旋转阀、平板滑阀座阀锥阀、球阀射流管阀喷嘴挡板阀单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀二、阀的分类液压与气压传动SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件分类方法种类详细分类按操纵方法分类手动阀手把及手轮、踏板、杠杆机动阀挡块及碰块、弹簧液/气动阀液动阀、气动阀电液/气动阀电液动阀、电气动阀电动阀普通/比例电磁铁控制、力马达/力矩马达/步进电动机/伺服电动机控制按连接方法分类管式连接螺纹式连接、法兰式连接板式/叠加式连接单层连接板式、双层连接板式、整体连接板式、叠加阀、多路阀插装式连接螺纹式插装（二、三、四通插装阀）、盖板式插装（二通插装阀）液压与气压传动SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件分类方法种类详细分类按控制方法分类比例阀电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀；气动比例压力阀、气动比例流量阀伺服阀单、两级（喷嘴挡板式、滑阀式）电液流量伺服阀、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、气液伺服阀、机液伺服阀、气动伺服阀数字控制阀数字控制压力阀、数字控制流量阀与方向阀按输出参数可调节性分类开关控制阀方向控制阀、顺序阀、限速切断阀、逻辑元件输出参数连续可调的阀溢流阀、减压阀、节流阀、调速阀、各类电液控制阀（比例阀、伺服阀）液压与气压传动SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动三、阀性能的基本要求动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小，噪声小，寿命长。流体流过时压力损失小。密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大。系统中所用的阀，应满足如下要求：BackSchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动Part4.2阀芯的结构和性能DxAπ)()()arccos(22222222xxRxRRxRRA表4-2阀口的形式及其通流截面的计算公式类型阀口形式通流截面计算公式滑阀式①滑阀式A=nwxn为槽数错位孔式一、阀口形式SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动222tanxnA222xRxxRRxRnRA)(arccos)sin(22RnAxwwxA222tan,ReRRexcos222或；类型阀口形式通流截面计算公式三角槽式n为槽数弓形孔式n为孔数偏心槽式以弧度计SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动sinwxARwAθα)Rw(Acotcos1斜槽式旋旋槽式转楔式①滑阀式的阀口，当阀心在中间位置时，如沉割槽宽度B大于阀心凸肩宽度b，即B＞b，则表示有正预开口；b=B，为零开口；b＞B，为正遮盖（即负预开口）。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动二、液动力很多液压阀采用滑阀式结构。滑阀的阀心移动、改变阀口的开口大小或启闭时控制了液流，同时也产生着液动力。液动力有稳态液动力和瞬态液动力两种。液动力对液压阀的性能起着重大的影响。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动㈠稳态液动力图4-1滑阀的稳态液动力a）液流流出阀口b）液流流入阀口稳态液动力是阀心移动完毕，开口固定之后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀心上的力。图4-1所示为油液流过阀口的两种情况。取阀心两凸肩间的容腔中的液体作为控制体，对它列写动量方程，据式（1-44），可得这两种情况下的轴向液动力都是Fbs=ρqvcosΦ，其方向都是促使阀口关闭的。cos22V2rdbspxcwCCFv（4-1）据式（1-91）和式（1-92），并注意到，上式可写成220VrxcwASchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动稳态液动力对滑阀性能的影响是加大了操纵滑阀所需的力。例如，当Cd=0.7，Cv=1，cr=0，w=1cm，Φ=69°，Δp=10MPa，xv=0.101cm时，稳态轴向液动力Fbs≈50N。在高压大流量情况下，这个力将会很大，使阀心的操纵成为突出的问题。这时必须采取措施补偿或消除这个力。稳态液动力要使阀口关闭，相当于一个复位力，故它对滑阀性能的另一影响是使滑阀的工作趋于稳定。图4-2a所示为采用特种形状的阀腔；图4-2b所示为在阀套上开斜孔，使流出和流入阀腔液体的动量互相抵消，从而减小轴向液动力；图4-2c所示为改变阀心的颈部尺寸，使液流流过阀心时有较大的压降，以便在阀心两端面上产生不平衡液压力，抵消轴向液动力等，都是在实践中使用过的具体例子。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动图4-2稳态液动力的补偿法a）特种形状阀腔b）阀套开斜孔c）液流产生压降SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动㈡瞬态液动力瞬态液动力是滑阀在移动过程中（即开口大小发生变化时）阀腔中液流因加速或减速而作用在阀心上的力。瞬态液动力只与阀心移动速度有关（即与阀口开度的变化率有关），与阀口开度本身无关。图4-3瞬态液动力a）开口加大，液流流出阀口b）开口加大，液流流入阀口SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动图4-3所示为阀心移动时出现瞬态液动力的情况。当阀口开度发生变化时，阀腔内长度为l那部分油液的轴向速度亦发生变化，也就是出现了加速或减速，于是阀心就受到了一个轴向的反作用力Fbt，这就是瞬态液动力。很明显，若流过阀腔的瞬时流量为q，阀腔的截面积为As，阀腔内加速或减速部分油液的质量为m0，阀心移动的速度为v，则有tqltvAltvlAtvmFddd)d(ddddss0bt（4-2）据式（1-92）和等式Ao=wxv，当阀口前后的压差不变或变化不大时，流量的变化率dq/dt为。txpwCtqdd2ddVd代入式（4-2），得SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动滑阀上瞬态液动的方向，视油液流入还是流出阀腔而定。txpwlCFdVd2dbt（4-3）瞬态液动力公式图4-3a中油液流出阀腔，则阀口开度加大时长度为l的那部分油液加速，开度减小时油液减速，两种情况下瞬态液动力作用方向都与阀心的移动方向相反，起着阻止阀心移动的作用，相当于一个阻尼力。这时式（4-3）中的l取正值，并称之为滑阀的“正阻尼长度”。反之，图4-3b中油液流入阀腔，阀口开度变化时引起液流流速变化的结果，都是使瞬态液动力的作用方向与阀心移动方向相同，起着帮助阀心移动的作用，相当于一个负的阻尼力。这种情况下式（4-3）中的l取负值，并称之为滑阀的“负阻尼长度”。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动滑阀上的“负阻尼长度”是造成滑阀工作不稳定的原因之一。滑阀上如有好几个阀腔串联在一起，阀心工作的稳定与否就要看各个阀腔阻尼长度的综合作用结果而定。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动三、卡紧力一般滑阀的阀孔和阀心之间有很小的缝隙，当缝隙中有油液时，移动阀心所需的力只须克服粘性摩擦力，数值应该是相当小的。可是实际情况并非如此，特别在中、高压系统中，当阀心停止运动一段时间后（一般约5min左右），这个阻力可以大到几百牛，使阀心重新移动十分费力。这就是所谓滑阀的液压卡紧现象。引起液压卡紧的原因，有的是由于脏物进入缝隙而使阀心移动困难，有的是由于缝隙过小在油温升高时阀心膨胀而卡死。但是主要的原因来自滑阀副几何形状误差和同心度变化所引起的径向不平衡液压力，即液压卡紧力。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动图4-4滑阀上的径向力b）有倒锥，轴线平行，有偏心图4-4b所示为阀心因加工误差而带有倒锥（锥部大端朝向高压腔），阀心与阀孔轴心线平行但不重合时的情况。阀心受到径向不平衡压力的作用（图中曲线A1和A2间的阴影部分，下同），使阀心与阀孔间的偏心距越来越大，直到两者表面接触为止，这时径向不平衡力达到最大值。但是，如阀心带有顺锥（锥部大端朝向低压腔）时，产生的径向不平衡力将使阀心和阀孔间的偏心距减小。图4-4a所示为阀心与阀孔无几何形状误差，轴心线平行但不重合时的情况，这时阀心周围缝隙内的压力分布是线性的（图中A1和A2线所示），且各向相等，因此阀心上不会出现径向不平衡力。图4-4滑阀上的径向力a）无锥度，轴线平行，有偏心图4-4滑阀上的径向力c）阀心表面有突起图4-4c所示为阀心表面有局部突起（相当于阀心碰伤、残留毛刺或缝隙中楔入脏物），且突起在阀心的高压端时，阀心受到的径向不平衡力将使阀心的高压端凸起部分推向孔壁。图4-4所示为滑阀上产生径向不平衡力的几种情况。SchoolofMechanicalEngineering上海电机学院机械学院第四章控制元件液压与气压传动当阀心受到径向不平衡力作用而和阀孔相接触后，缝隙中的存留液体被挤出，阀心和阀孔间的摩擦变成半干摩擦乃至干摩擦，因而使阀心重新移动时所需的力就大大增加了。