（机械设计及理论专业论文）bt25高压大流量电液比例调速阀的设计与研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电液比例技术的迅速发展，高压大流量电液比例调速阀在军 事、采矿、冶金等部门得到越来越广泛的应用，但目前国内外的电液比 例调速阀的研究多集中在中低压和中小流量上，高压大流量比例调速阀 r 的研制才刚刚起步。当前这方面的研究往往难以同时兼顾高压、大流量、 控制精度三者之间的要求，且阀的结构复杂，价格昂贵。 本文从高压大流量、较高的控制精度且结构简单等原则出发，结合 实际需要，展开了以下几个方面的研究和设计工作： ( 1 ) 首次利用【先导式带位置电反馈型节流阀】+ 压差补偿器】流量控 制方式设计了一比例调速阀( 简称b t 2 5 阀) 。b t 2 5 阀的可控流量大， 工作压力高、有较高的控制精度。比例放大器采用了脉宽调制技术，允 许两路控制信号输入且能根据输入信号的类型自动完成斜坡时间切换。 ( 2 ) 研究了b t 2 5 阀的性能。对b t 2 5 阀的先导阀、压差补偿器进行 了理论研究，推导出了影响阀灵敏性的重要参数一压力增益的表达式和 影响阀稳定性的重要参数一压差补偿器稳定性判断准则，这为进一步提 高阀的性能提供了设计依据和校正准则，文章还对b t 2 5 阀在实际工作 场合中的负载阶跃响应特性进行了理论分析。 ( 3 ) 采用功率键合图法建立了b n 5 阀的动态数学模型，并据此推导 出了阀的静态数学模型。利用这二组数学模型，对阀的稳态控制特性、 稳态负载特性和电压阶跃响应特性进行了仿真研究，仿真结果表明： b t 2 5 阀的可控制流量大、负载抗干扰能力较强，响应速度较快，达到 了设计要求。 ( 4 ) 对b t 2 5 阀进行了实验分析与研究。实验结果表明，阀的各项性 能指标均满足使用要求，且与仿真结果吻合较好。 整个研究工作表明，b t 2 5 阀是一成功的高压大流量比例调速阀设 计范例，它也能为其它高压大流量比例调速阀的研制提供参考。 关键词电液比例调速阀，先导式节流阀，压差补偿器，位置电反馈 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h p r e s 蹦a n dh e a v y n o we l 缸d h y d 啪l i cp m p o r t i o n a lf l o 、r 咖 r e g u l a 血培v e 唧盱v ) i sb e 吨u s e di 1 1 m o r ea n dm o r ef i e l d s 做虹 h o w e v e r ，m e i i l t e m a l 鲫d e ) ( t e m a lr e s e a r c h e s o f 舯v a r es t i l l o n m e f i 武唧 a 删l mp r e s e n tr e s e a r c i l e s c a n t s i m u l 乜嗍u s l y 础s 每t 1 1 en e e d so fh j g h p r e s s u r e ，h e a ：v ) rn o w a 1 1 dh i 曲p r e c i s i 蚰m o r e o v l eg 咖c n 腿o f 廿l ee x i s t e d 删s vi st o oc o m p l i c 锨江a n dm e p r i c ei st o oe x p e n s i v e fa i i i l i n g a t h e a v y n o wc o n t m lu n d e rl l i g h p r e s s u r es i n l a t i o n ，s i n l p l e 姐咖a n dm o d e r a 主ep r e c i s i o na n da c c o m i n gt 0m ea c n j a ld e m 粕d s ，m e r e s e a 础l e so f 肿vh a v eb nd o n ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c r e a t i v e l yd e s i 乎删an e w 哪v ( n 锄e d a sb t 2 5f o rs h o n ) t h e b o d yo f b t 2 5i sc o n s t r l l 既e db ya p i l o t l m 位l i i l gv a l v e 、) l ，i 血p o s i t i o n 托e d b a c k a r l dap r e s s u r e c c 唧l p e i l s g t e d v a l v e t h ep l q 州o n a l 瓤n p l i f i e ra p p l i e s 廿l e t e c h n o l o 盯o f p l u sw i d mm 0 d u l 撕。胛w m ) ，a l l o 、st d ws i 印a l st oi n p u ta n d c a n a u t o m a t i c a l l yc h 锄g e 协er 锄1 pt i m ea c c o r d i i l g t ol ( i i l do f s i 鲫m c ) 1 咖d y o f 吐1 ep e r f o i m 蛐c eo f b 他5h a sb e e l ld e s 耐b e d n r o l l 曲 m e s _ 吣d yo f m e p i l o tv a l v e 锄d m e p 1 甚 s u r ec o m p m s a 主e dv a l v e ，m ea l i m o rh a s d e d _ u c e d 协ef 0 n u l ao f 协ep r e s s u r eg a i l lo f 廿l ep i l o tv a l v ea n d 吐1 ej 嘶n g f o m u l ao ft 1 1 e s t a ：b i l i 可o fm ep r e s s u r ec o m p e 璐如dv a l v e ，w l i c hw i l l 西v ea g r e a th e l p w h e nd e s 睁m go rt e s t i n g 唧匝vt h e 岫s i sa l s 0 吐l e 0 瞅i c a l l y a n a l y z e d m el o a ds t e pr e s p o n s eo f b t 2 5i na 1 1a c t u a ls y s 白e m ( 3 ) b y m e a i l so f p 0 w e rb o n d g 伯p 岖a 却1 a m i cm a t h 鲫a t i c a l 删e l 舭d a 啦出l e s t a t em a 也e m a d c a lm o d e lo f b t 2 5h a v e b e e nb u i h 髓dt l ：屺t w om o d e l s t l a v eb e e nu s e dt os i i l l u l a t e 吐地c h a “l c 矧s t i c so f l es 拄山l e s _ t a t ec o n t r 0 1 t h e s t a b l e - 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2 1 压差补偿型电液比例调速阀 最早的调速阀是1 9 世纪中叶英国工程师f i r n i n g j e n “n 发明的第一台减 压节流型调速阀，一百多年来，这种调速阀在结构上发生了许多变化，但其基本 原理一直沿用至今【i l 。压差补偿型电液比例调速阀也应用了这种控制原理，它在 传统调速阀的基础上用电一机械转换装置代替手动控制装置而构成。典型的压差 补偿器产品和厂家如表1 1 所示【4 5 6 ，7 l 。 为进一步改善传统压差补偿型电液比例调速阀的稳态负载特性和负载阶跃 响应特性，太原矿山机器厂润滑液压研究所的郭瑜唧】提出了一种先导压差补偿型 比例调速阀。该阀由一先导式压差补偿器和插装式节流阀组成，能一定程度上减 中南大学硕士学位论文 第一章综述 少液动力对压差补偿嚣的影响。 文献啪也提到了一种利用【先导式带位置电反馈型节流阀】+ 【压差补偿器】的 流量控制方式。但对这种流量控制方式，目前国内外尚没有相关的研究工作。 1 2 2 流蠢反馈型电液比例调速阀 2 0 世纪8 0 年代浙江大学的路甬祥发明了流量位移力反馈型电液比例调逮 ，阀【u 】，这种比例调速阀采用了新的流量控制原理，控制性能较之压差补偿型电 液比例调速阀有了很大的提高，在国际上被誉为近2 0 年来液压控制技术中最重 要的进展之一【5 刖。目前已有厂家对这种控制原理的比例调速阀进行批量生产【4 】， 相关产品如表1 1 所示。 近几年浙江大学流体传动及控制研究所l lj 又设计了一种流量位移- 电反馈型 电液比例调速阀，性能较流量位移力反馈型比例调速阀有了进一步的提高。 1 2 3 压差一电气一面积补偿型电液比例调速阀 太原工业大学的权龙、林廷圻，华南理工大学的黎放柏，黄晓东等人提出了 一种利用压差一电气一面积补偿原理的电液比例调速阀2 3 ，56 1 。这种电液比例调速 阀采用传感器检测阀的进出口压差和阀口的开度，并用运算电路对检测值进行了 相关的处理，使得能通过阀口通流截面积的动态改变补偿因阀口钓压差变化引起 的流量变化，从而保证了流过阀的流量保持不变。 1 3 课题的来源及研究内容 我所参与了海军某部的导弹筒盖舱门开关控制系统的研制工作，其中要用到 一额定流量达2 1 0 u m i n 的高压大流量电液比例调速阁，要求有较高的控制精度， 且与阀体配套的电液比例放大器要求有特殊的输入接口电路。由于国内外尚没有 符合使用要求的产品，我所自行设计了这一电液比例调速阀。本文对该阀进行了 设计，并对其性能进行了详尽的分析研究。 论文将先对现有的几种电液比例调速阀的结构性l 进行砑究，在此基础上结 合使用要求，提出新阀的设计方案，然后对阀体和比例放大器展开设计研究。最 后对设计结果进行性能分析研究，还通过实验验证了阀的性能。 4 中南大学硕士学位论文 第一章综述 表卜l电液比例调速阀的相关产品 序 名称代表型号 生产厂家或研 最大工 作流量特点 号制单位 c l ，m i n ) 直接位置电n ( 、n g l ob o s c h8 0 流量特性和动态 反馈压差补 北京华德液压特性好，但控制 l 偿型电液比 z f r e l 每4 0 b 集团、上海立新 1 6 0流量小。 例调速阀 z f r e 6 2 5 q e 液压件厂 可控制流量大，但 控制精度低，需用 到特殊的大功率 直动式压差 比例电磁铁，且最 2 补偿型电液 e f g - 0 6 2 5 0 一2 2 榆次油研液压 e f g 一1 0 一5 0 0 1 1 公司 5 0 0 大工作压力只能 比例调速阀达到2 l m p a 。只适 于无冲击进行执 行元件的起动、停 止、及变速场合。 控制精度较高， 控制流量大，加 流量位移力上海液压件二厂 工工艺复杂，生 3反馈型电液 b q y g 3 2 宁波电液比例阀 3 2 0 产成本高。对阀 d y b q - 3 2 内比例放大器及 比例调速阀 厂 比例电磁铁上的 各种干扰信号不 能抑制。 控制精度比流量一 流量电反馈 浙江大学流体 位移力反馈型有 4 型电液比例 不详 传动及控制研 不详 进一步的提高， 究所 调速阀加工工艺复杂， 生产成本高。 控制精度较高， 压差电气面 但电路设计复 5积补偿型电液 不详 太原工业大学 不详 杂，比例放大器 华南理工大学 易受干扰信号影 比例调速阀 响。 中南大学硕士学位论文l 一综述 图卜1d y b q 型比例调速阀结构图1 4 】 囤卜2b o s c hn g l 0 型比倒调速阀结构图1 4 l 图l 一3z f r b 型比例调速阀结构图州 图卜4e f c 型比倒调速同结构图1 4 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 为设计出满足使用要求的比例调速阀，我们很有必要对现有产品的设计原理、 优缺点进行分析对比，以使我们能取长补短、精益求精。由于所研制的比例调速阀 可控制流量大，工作压力高，且要求有较高的控制精度，所以本章里只对表卜1 中 的直接位置电反馈压差补偿型、流量一电反馈型、压差一电气一面积补偿型三个种 类的比例调速阀进行研究。 2 1 直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的性能分析 图2 一l直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的结构示意图 2 1 1 直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的工作原理 图2 1 是直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的结构示意图，由图可知， 这种比例调速阀由节流阀、压差补偿器( 定差减压阀) 、比例放大器、比例电磁铁、 位移传感器组成。 为提高控制精度，比例放大器采用具有位置反馈通道的比例放大器，节流阀阀 口开度直接由比例电磁铁推力控制，且其开度由位移传感器检测。压差补偿器与节 流阀串联在一起，能根据负载压力大小自动调节节流阀的进口压力大小，使节流阀 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 进出口压差保持不变。 根据节流调速原理，通过节流阀的流量可表示为 a 爿廖喝懈浮 f 2 1 ) 式中c d 一流量系数； 4 节流口的通流截面积； p 节流阀进出口压差； p 油液密度； w 阀口周长； 石阎口开度。 式( 2 一1 ) 中，如保持节流阀进出口压差4 尸不随负载压力的波动而变化，通过调 节节流口的通流截面积就可以改变流量的大小了，这就是压差补偿型比例调速阀的 理论依据。 直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的工作过程如下所述： 当比例放大器的控制电压信号为零时，因没有输入电流，比例电磁铁推力为零， 节流阀阀芯由复位弹簧维持在关闭的状态。当有控制电压信号输入时，比例放大器 根据控制电压信号与反馈信号电压值决定输出电流的大小，于是节流阀的阀口开度 在电磁铁推力的作用下增大，节流阀的阀口开度的大小与输入的控制信号大小成比 例，由式( 2 一1 ) 可知，如果节流阀的a 、b 口间的压差不变的话，流量的大小也相应 地与输入的控制信号大小成比例。节流阀的开度大小由位移传感器检测到，送到比 例放大器与输入的控制信号相比较，这时如因某种原因使节流阀阀芯的位置偏离与 输入控制信号对应的位置，则位移传感器检测到的反馈信号与输入控制信号相比较 就有一差值，该差值将驱使比例电磁铁动作，控制节流阀阀芯回到设定的位置上。 压差补偿器保证节流阀阀口前后压差恒定，例如当节流阀出口压力因负载压力升高 而升高时，压差补偿器将使减压阀芯移动相应的位置，使节流阀进口处压力地升高， 从而维持节流阀进出口压差不变。 2 1 2 直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的优缺点 一、直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的优点 ( 1 ) 结构紧凑，体积小巧。 ( 2 ) 由于节流阀芯直接由比例电磁铁控制，故其动态特性几乎和压差无关，可 以在很压的压差下工作。 ( 3 ) 相对新型的电液比例调速阀( 详见在下一节) 直接位置电反馈压差补偿型 电液比例调速阀的结构简单。 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 ( 4 ) 在低压小流量的工况下，由于采用了位置负反馈控制，这种阀有较高的控 制精度。 二、直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的缺点 ( 1 ) 如忽略衔铁和阀芯运动时所受的磨擦阻力，则节流阀的稳态力平衡方程为 k ，f k y 而量0 1 ( x l o + x 1 ) + f k l ( 2 2 ) 式中岛比例电磁铁的电流力增益； 凰比例电磁铁的位移力增益； 尽，节流阀芯复位弹簧刚度； x ，。节流阀芯复位弹簧的预压缩量； f 比例电磁铁的电流： r 。厂一节流阀阀芯所受的稳态液动力； j 0 1 = p q o v lc o s 护= 2 ( 0 c ，彳( x 1 ) ( 只一b ) c o s 口 ( 2 3 ) c 口流量系数； 4 b 一节流阀口通流截面积： g 流速系数。 式( 2 2 ) 等式左边是比例电磁铁推杆所受的推力。由式( 2 2 ) 可知，比例电磁铁 推杆的推力不仅要克服节流阀芯复位弹簧的作用力，还要克服节流阀芯所受的稳态 液动力。由式( 2 3 ) 可知，稳态液动力的大小与所通过的流量和节流阀进出口压差 有关，在高压大流量的情况下液动力很大，而比例电磁铁的推力最大也只有几十牛 顿，因而直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀将难以胜任高压大流量控制。 假设这种类型的调速阀的最低工作压力小于或等1 5 m p a ( 参看第三章的阀的设 计要求) ，因节流阀进出口压差应小于1 5 m p a ，今取为l m p a 。通常比例电磁铁还 要克服节流阀的复位弹簧力和节流阀芯与阀套处的磨擦力，在低压小流量工况下， 节流阀的复位弹簧预紧力约取为比例电磁铁的推力的一半左右，在大流量的控制场 合下，复位弹簧预紧力往往取得较大，查看各比例电磁铁生产厂家的产品可知，比 例电磁铁的额定推力一般在5 0 8 0 n 左右，若设选用的比例电磁铁额定推力为 8 0 n ，取阀的复位弹簧预紧力为6 0 n ，忽略磨擦，则这时的比例电磁铁最大能克服 的稳态液动力为4 0 n ，于是可求得这种阀的最大工作流量为 。而5 赢葚舞杀 1 6 4 三m i n 由此可知直动式压差补偿型比例调速阀达不到控制2 l o u m i n 流量的要求。 ( 2 ) 根据图2 1 定差减压阀部分原理图建立定差减压阀的运动方程及压力腔的 9 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 流量平衡方程，则 又减压阀口处所受的稳态液动力肠可表示为 圪：= c v 止瓦i 砥c o s 口 ( 2 _ 4 ) ( 2 - 5 ) t 式中g 为流速系数，日为阀口的射流角。 由式( 2 _ 4 ) 、式( 2 5 ) 可得稳态下的节流阀进出口压差为 只一r ：垃+ 堡! 兰兰业坠二刍! 鱼! ! 翌( 2 6 ) “” 如3爿2 3 。 式( 2 6 ) 等式右边的第一项是常量项，第二项是变量项，要保持节流阀进出口压 差不变，只有上式第二项分子的差值保持恒定才能达到。但因为随负载压力n 的 不同，每次复位弹簧力的增加( 或减少) 量与稳态液动力的增加( 或减少) 量相等 的机会微乎其微，所以极难实现上式第二项分子的差值保持恒定。在低压、小流量 的控制场合，吻吃o 1 ，吆2 0 ，式( 2 6 ) 近似地保持恒定，但在高压大流 量控制的场合，稳态液动力就难以忽略不计，这时它将成为主要的干扰因素，主要 表现为当负载压力波动时，流量变得不稳定。 ( 3 ) 这种阀还有一个缺点是负载压力阶跃变化时引起过大的瞬时流量超调，如 图2 1 2 i l 】所示，当，= 矿时快速关闭，压差补偿器阀芯所受的液压力平衡，在弹簧力 的作用下减压口处于最大开度；当快速阀开启的瞬时f 一。十，减压阀尚来不及反应， 供油压力p d 几乎完全加在比例节流阀口和加载阀口，这时就会出现比较大的流量 超调【”。 图2 2负载压力阶跃响应实验装置 o 堕鱼 尾一 十 一 吃 + 砭一 竺如 + 一 巳一 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 2 2 流量一电反馈型电液比例调速阀的性能分析 比例调速阀直接控制的对象是流量，如能采用流量传感器对流量进行检测和反 馈，构成流量的闭环控制，这肯定能大大提高调速阀的控制精度。流量一电反馈型 电液比例调速阀正是基于这种构思发展起来的。 图2 3 是流量一电反馈型二通电液比例调速阀的结构示意图，由图可知，该比 例调速阀由节流阀、流量传感器、比例放大器、比例电磁铁三大部分组成。 2 2 1 流量一电反馈型电液比例调速阀的工作原理 一、流量传感器 流量传感器是流量电反馈型电液比例调速阀核心部件，流量传感器的控制精 度直接影响着整阀的控制精度。 当前大多数的比例调速阀多是采用压差补偿型流量控制原理，主要的原因是流 量的动态检测极为困难，市面上的流量传感器或流量计绝大部分只能用于稳态流量 的检测。薄刃圆板式流量传感器虽然能对动态流量进行检测，但有零位泄漏，存在 一小流量不灵敏区，稳态精度也不高，只能用于流量波动小的场合【2 l 浙江大学流体传动及控制研究所研制的二通插装式流量传感器( 见图2 - 4 【l 】) ， 能较好的应用于高压差大流量场合，实现动态流量的检测。下面介绍这种流量传感 器的原理。 图2 一j 流量一电反馈型电液比例调速阀结构示意图 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 图2 4 二通插装式流量传感器的流量一位移转换原理图 根据资料 1 】，设计特殊的流量传感器阀口，使阀口半宽y 与传感器阀芯输出位 移z 满足式( 2 7 ) ，就可实现阀芯输出位移与流量之间的线性关系。 y = y “塑： 1 。存、4 瑟。 ( 2 7 ) 式中) ，一= 一：妻了荤其中n 为传感器流量检测阀口的个数； 足，阀芯复位弹簧刚度： z 。阀芯处于零位时，弹簧预压缩量； 吼阀芯面积比，口。= 睾，其中以、4 的含义见图2 4 左图所示； 重竺传感器的位移压差系数，等于弹簧和稳态液动力位移刚度与传感器 阀芯有效作用面积爿：之比，即 塑：世 k 出传感器的流量位移增益，= 譬； 式( 2 7 ) 表明，y z 的关系并非是线性的，它们的曲线如图2 4 的右图所示，阀 卵t 2 、三学 豆吼 ，uv 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 又设定流量为 q = k m u ， 因为通过闭环控制最终使流过主阀的流量9 等于设定流量q f ，故在稳态时有 而2 。森焘 ( 2 - 8 ) a 、n 一 式( 2 8 ) 表明输入电压研为某设定值，而阀口的压差p ，- p 2 变化时，所引起的流 量变化趋势由流量传感器检测，经比例放大器处理并通过比例电磁铁输出电磁力的 调整和先导液桥的作用，使主调节器阀芯位移x 按式( 2 8 ) 的规律作相应的调整， 以保持动态流量传感器所检测到的实际流量值与设定流量值相一致，从而构成了流 量电反馈闭环控制。 2 2 2 流量一电反馈型电液比例调速阀的优缺点 一、流量一电反馈型电液比例调速阀的优点 ( 1 ) 由于比例放大器、比例电磁铁、先导阀及主阀上的干扰均包括在一个大闭 环控制之内，输出流量仅是输入电压信号的单调函数，所以这种流量阀的抗干扰能 力较强，等流量特性较好。 f 2 ) 由于节流阀、流量传感器都采用插装式结构，使得这种阀有很强的通流能 力，并能在高压差的场合下使用。 ( 3 ) 具有很好的稳态精度，阀的控制精度主要取决于动态流量传感器本身的精 度。 二、流量一电反馈型电液比例调速阔的缺点 ( 1 ) 二通插装式动态流量传感器在市场上还买不到，如要设计流量一电反馈型 的比例调速阀，必须自行设计动态流量传感器，这增加了设计的工作量。 ( 2 ) 流量传感器需要设计特殊形状的阀口，由式( 2 7 ) 可知，流量传感器的阀芯 位移z 与阀口的半宽并非线性关系，这必然要求使用特殊的方法来加工阀口，使符 合式( 2 7 ) ，这使得加工工艺困难，制造成本增加。 ( 3 ) 由式( 2 7 ) 也可知，确定流量传感器的形状需要确定式中的各参数，式中参 数太多，且其中一些还需要通过实验来确定，这给设计带来很大的困难。 ( 4 ) 由于流量传感器必须与节流阀串联在一起，流量传感器本身就是一个液阻， 这将在一定程度上影响主油路的流动状态，若增加了压力损失1 2 l 。 ( 5 ) 在设计流量传感器时没有考虑到动态流动的液体的惯性力的影响，因而当 流量信号波动很大时，产生的测量误差较大田】。 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 2 3 先导式压差一电气一面积补偿型电液比例调速阀的性能分析 流量的动态检测毕竟太难，而压差补偿型电液比例调速阀的等流量控制精度又 不高，国内一些科研单位对利用压差一电气一面积补偿型控制原理来设计电液比例 调速阀的方法进行了研究【2 3 5 6 1 。下面对一种先导式压差电气面积补偿型比例调速 阀进行分析。 2 3 1 先导式压羞一电气一面积补偿型电液比例调速阀的工作原理 先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀由先导式节流阀、比例放大器、进 口压力传感器、出口压力传感器、位移传感器及比例电磁铁构成，相对于压差补偿 型比例调速阎，这种比例调速阀少了压差补偿器，但却多用了两个压力传感器，并 且比例放大器也需做特殊的设计，这种阀的结构和控制原理如图2 - 5 所示。 由式( 2 1 ) 可知，要保持流过节流阀的流量不变，除可采用调定节流阀阀口开度 x ，而保持节流阀进出口压差4 p 不变的压差补偿型流量控制原理方法外，还可以 在节流阀进出口压差变化时，调节节流阀阀口开度x 抵消因压差变化引起的流量偏 差，从而保持流量p 恒定，这就是压差一电气一面积补偿型比例调速阀的工作原理。 压差一电气一面积补偿型比例调速阀有二个控制变量，一个是节流阀进出口压 差d ，。另一个是节流阀阀口开度x 。由于目前市场上还没有能测量l o m p a 压差以 上的差压传感器，故在高压差的流量控制场合，多采用两个压力传感器，分别安放 在节流阀的进出口处，测出进出口的压力，然后送到比例放大器进行运算得到节流 阀进出口压差。节流阀主阀阀口开度仍可采用位移传感器铡得。 比例放大器需根据压差一电气一面积补偿原理作特殊的设计，控制流程如图 2 5 的比例放大器部分所示。 图2 5 先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀结构与控制原理示意臣 中南大学硕士学位论文第二章现有三种类型电液比例调速阀的分析比较 2 3 2 先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀的优缺点 一、先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀的优点 ( 1 ) 由于压差与主阀开度都是被控制量，这使得先导阀、主阀、电磁铁、各传 感器都被包括在一个大的控制闭环里，大大抑制了环内的各种干扰，也消除了因负 载压力变化所引起的流量变化，这使得这种阀具有很高的等流量控制精度。 ( 2 ) 由于没有压力补偿器、也不用在主油路上串联流量传感器，于是主油路上 油液的流动状态不受到任何影响，也不会增加主油路上的压力损失。 ，( 3 ) 由于阀体主体部分只有一个节流阀，故阀体的结构简单紧凑。 三、先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀的缺点 先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀的缺点主要体现在传感器及相应 的处理电路上： ( 1 ) 由于有压力检测电路，位移检测电路，减法、乘法、开方等运算电路( 见 图2 5 ) ，使得比例放大器的设计相当复杂，也使得设计、生产成本增加。 ( 2 ) 由于既有位移传感器、又有压力传感器，所用的传感器品种多，不但使得 电路的设计更为复杂，也使调试起来更为困难。 ( 3 ) 由于用到两只压力传感器，零点飘移等干扰会影响流量的稳定性。 2 4 本章小结 本章里，分别以直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀、流量一电反馈型 = 通电液比例调速阀、先导式压差一电气一面积补偿型比例调速阀为例介绍了压差 补偿型、流量反馈型、压差一电气一蕊积补偿型三种不同类型的比例调速阀的结构、 工作原理和性能，重点放在性能分析上，对比分析结果如下： 一、直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的结构最为简单，设计经验成 熟，成本也最低，适于低压、小流量工况下使用，且有较高的控制精度，受比例电 磁铁推力所限，不能胜任高压大流量工况。 二、流量一电反馈型比例调速阀适于高压大流量工况下使用，控制精度较直接 电反馈压差补偿型电液比例调速阀高，但阀体结构复杂，特别是动态流量传感器的 阀口形状加工困难，且如要设计这种阀，必须通过实验取得动态流量传感器的设计 参数，设计成本高、设计周期长。 三、先导式压差一电气一面积补偿型电液比例调速阀能用于高压大流量工况， 控制精度较直接电反馈压差补偿型电液比例调速阀高，阀体结构简单，但比例放大 器的电路设计相当复杂，且要用到多个传感器，给调试带来了困难，也使比例放大 器极易受干扰信号影响。 中南大学硕士学位论文第三章b t 2 5 比例调速阀设计方案的确定 第三章b t 2 5 比例调速阀设计方案的确定 在本章里，将首先明确所要设计的比例调速阀的性能要求，并结合上一章的研 究成果，确定一个性能上能满足用户要求，结构相对简单的设计方案。 由于新阀最终设计为2 5 通径，按照惯例该阀的型号最终确定为b t 2 5 ，所以从 本章起，新阀一律称为b t 2 5 比例调速润。 3 1 阀体的。陛能要求 ( 1 ) 主要性能指标如表3 - 1 所示： ( 2 ) 流量阶跃响应：过渡时间不大于o 1 2 秒，相对流量超调不大于2 0 ： ( 3 ) b 1 r 2 5 比例调速阀的使用环境 b t 2 5 比例调速阀将用在图3 1 所示的节流调速回路【4 9 】上，系统的最高工作压 力为31 5 m p a ，要求调速阀的最低工作压差不大于1 5 m p a 。 表3 一i问体的性能要求 项目指标 额定流量 2 1 0 i 抽i n 额定流量允许误差 l 最高工作压力 3 1 5 m p a 最低工作压差 1 5 【p a 线性度 3 滞环 6 重复精度 3 泄漏量2 5 0 m i ，m i n ( 1 0 m p a 的压差下) 介质船用8 5 2 3 液压油，兼其它矿物油 介质温度 一2 0 斗7 0 介质粘度 ( 2 耻3 8 0 ) x1 0 6 m 2 s 相对流量偏差率o 3 舢p a 表3 2比例放大器主要性能指标 项目指标 供电电压直流2 4 v 1 0 ( 未稳压) 最大输出电流 8 0 0 r i l a 初始电流 0 3 0 0 i i 叭连续可调 控制信号输入方式电平输入：肚9 v ；差动输入：肚1 0 v 斜坡调节o 0 2 5 s ：四个分别可调 颤振频率及波型1 0 肌2 0 0 k 的三角波或正弦波 1 6 中南大学硕士学位论文第三章b t 2 5 比例调速阀设计方案的确定 图3 一l筒盖舱门开关控制系统工作原理图 3 2 比例放大器的性能要求 比例放大器是调速阀的控制装置，要求具有如下功能： ( 1 ) 比例放大器的主要性能指标如表3 - 2 所示。 ( 2 ) 放大器应至少具有两组控制信号输入端子( 如图3 1 所示) ，分别用于开盖 信号输入与关盖信号输入。每组控制信号输入端子有两种输入方式，一种是差动输 入方式，差动电压为1 0 v ：一种是电平输入方式，电平电压为肌斗9 v ，电平电 压由放大器直接引出。其它输入输出端子( 如传感器接线端子) 。可根据实际需要 设置。 ( 3 1 斜坡时间调节电路有两组，分别对应开盖输入信号和关盖信号输入两种状 态。每组应有两个调节电位器，分别对应斜坡上升时间和斜坡下降时间调节，并且 在工作时，开盖状态和关盖状态能够自动进行切换。 放大器应具有良好的电磁兼容性能。 ( 5 ) 放大器应有负载短路保护措施、防电源反接措施、断线检测和保护措施。 3 3 设计方案的确定 3 3 1 阀性能要求的分析 由表3 1 可以看出，工作压力高( 3 1 5 m p a ) ，通过的流量大( 2 1 0 m n i n ) 是所要 设计的比例调速阀最突出的性能要求，至于其它要求，查看相关资料【1 0 0 烈，可知上 一章所介绍的三种类型的阀基本上都能达到。 一般的电液比例放大器只有一组输入控制信号，一组斜坡时间调节电阻( 共两 7 中南大学硕士学位论文 第三章b t 2 5 比例调速阀设计方案的确定 个，分别用于控制斜坡上升时间调节和斜坡下降时间调节) ，但要设计的比例放大 器有一个较为特殊的要求，即输入控制信号有两组，一组是开盖控制信号，一组是 关盖控制信号，对应的斜坡时间调节电路也有两组，分别对应开盖输入信号和关盖 信号输入两种状态。根据表3 2 ，共有四个斜坡时间调节电位器，这开盖状态和关 盖状态各对应两个，分别对应斜坡上升时间和斜坡下降时间调节，并且在工作时， 开盖状态和关盖状态能够自动进行切换。 3 3 2 阀体设计方案的确定 由于压差补偿型电液比例调速阀从阀体和放大器两个方面考虑都是最为简单 的，这种类型的比例调速阀的设计经验也最为成熟，设计成本相对其它两种类型的 比例调速阀要低。因此b t 2 5 比例调速阀将采用压差补偿型控制原理来进行设计， 但是由第二章的分析可知，直接位置电反馈压差补偿型电液比例调速阀的控制流量 小，为增大控制流量，可采用【先导式带位置电反馈型节流阀】+ 【压差补偿器】的流量 控制方式。最终确定的b t 2 5 比例调速阀的组成单元和工作原理如图3 2 所示。在 该图中，主阀l 采用了插装阀式结构，它的启闭由先导阀2 控制，而先导阀的功能 采用先导液压桥路来实现，其中该液桥中的可变液阻r - 的大小可由比例放大器5 控制。位移传感器6 用于主阀1 阀口开度的检测，检测值将输送到比例放大器5 ， 与输入的设定流量控制信号u i 一起构成了主