第3章液压动力元件

1、本章摘要 液压动力元件液压动力元件(或称或称液压动力机构液压动力机构)是由液压放是由液压放大元件大元件(液压控制元件液压控制元件)和液压执行元件组成。和液压执行元件组成。四种基本型式：四种基本型式：阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控阀控液压缸、阀控液压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。液压马达。 本章将建立几种基本的液压动力元件的本章将建立几种基本的液压动力元件的传递函传递函数，分析它们的动态特性和主要性能参数。数，分析它们的动态特性和主要性能参数。3.1 四通阀控制液压缸四通阀控制液压缸 基本结基本结构形式构形式LcvqLpKxKqLqvcLqK xK p111121()ppipepe

2、dxV dpqACppC pdtdt122Lqqq一、基本方程：一、基本方程：(一一) 滑阀的流量方程滑阀的流量方程定义负载流量：定义负载流量：(二二) 液压缸流量连续性方程液压缸流量连续性方程进油腔流量：进油腔流量：222121()ppipepedxV dpqACppC pdtdt101ppVVA x202ppVVA x12121212120102()()22122pepLpipppeedxCqqqACppppdtA xdpdpdpdpVVdtdtdtdt回油腔流量：回油腔流量：液压缸工作腔的容积：液压缸工作腔的容积：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：综合以上各式得液压缸流量连续性方程：根

3、据：V01 = V02 = V0 = Vt /2同时：4ptLLptpLedxVdpqAC pdtdt22pppLtppLd xdxA pmBKxFdtdt1200ppdpdpA xVdtdt，则液压缸流量连续性方程简化为：则液压缸流量连续性方程简化为：(三三) 液压缸和负载的力平衡方程：液压缸和负载的力平衡方程：0VXAPP2epiptpCCCLqvcLQK XK P4tLpptpLLeVQA sXC PsP2pLtppppLA Pm s XB sXKXF二、方框图与传递函数：二、方框图与传递函数：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得：根据阀控液压缸

4、的拉氏变换方程式绘出系统方框图。根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。由方框图求得液压缸输出位移传递函数：232222222141444qcetvLppecepptpcetttcetceeppeppeppKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA 式中，分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第二项是外负载力作用引起的速度降低。其分母特征多项式各项意义如下第一项： 是惯性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度；第二项： 是惯性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度；324ttpepmVs XA22tceppm Ks XA第三项： 是粘性力变化引起的压缩流量产生 的活塞速

5、度；第四项：1 是活塞运动速度；第五项： 是粘性力引起的泄漏流量所产生的活 塞速度；第六项： 是弹性力变化引起的压缩流量所产生 的活塞速度；第七项： 是弹性力引起的泄漏流量所产生的活 塞速度。224ptpepB Vs XA2pceppB KsXA24tpepKVsXA2ceppKKXA232222222141444qcetvLppecepptpcetttcetceeppeppeppKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA三、传递函数简化（一）、无弹性负载：2222214144qcetvLppeceppttttceeppepKKVXs FAAKXB VmVm Kss

6、sAAA简化为：2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss232222222141444qcetvLppecepptpcetttcetceeppeppeppKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA液压固有频率：液压阻尼比：24ephttAmV4pceetthptpetBKmVAVAm忽略Bp后近似为：ceethptKmAV22hcthpK mA2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss2222214144qcetvLppeceppttttceeppepKKVXs FAAKXB VmVm KsssAAA 液

7、压固有频率液压固有频率是负载惯性与是负载惯性与液压缸封闭油腔中液体的压液压缸封闭油腔中液体的压缩性相互作用的结果缩性相互作用的结果。对指令输入Xv的传递函数：对指令输入FL的传递函数：2221qppvhhhKXAXsss2221421cetppeceLhhhKVsXAKFsss2221421qcetvLppecephhhKKVXs FAAKXsss（二）、有弹性负载：简化为：23222222141444qcetvLppeceppttttcetceeppepeppKKVXs FAAKXB VmVm KKVKKsssAAAAA22221421qcetvLppecephcehhhpKKVXs FAA

8、KXsKK KssKA综合固有频率：综合阻尼比：忽略Bp后近似为：ceethptKmAV22hcthpK mA1ohhKK1421peceoothtBKVK Km22221421qcetvLppecephcehhhpKKVXs FAAKXsKK KssKA22114211psptvLeceporooK AVXs FKKKXsss标准传递函数形式：或进一步简化为：22114211psptvLeceporooK AVXs FKKKXsss22221421qcetvLppecepcehphhKKVXs FAAKXK KsssA(三) 其它简化形式：2111qqpppvcetpKKXAAXsK mss

9、sA211qpqppcevcerhpKA KXAK KsXKK KsKAqppvKXAXs，0, 0,KBpe四、频率响应分析n(1)速度放大系数速度放大系数 由于传递函数中包含一个积分环节、所以在稳态时，一个积分环节、所以在稳态时，液压缸活塞的输出速度与阀的输入位移成比例液压缸活塞的输出速度与阀的输入位移成比例 比例系数比例系数:即为速度放大系数(速度增益)。 表示表示:阀对液压活塞速度控制的灵敏度。 直接影响直接影响:系统的稳定性稳定性、响应速度响应速度和精度精度。 提高速度放大系数提高速度放大系数:可以提高系统的响应速度和精度。但使系统的稳定性变坏。速度放大系数随阀的流量增益变化速度放大

10、系数随阀的流量增益变化而变化。而变化。1）XP关于关于XV和和FL原频率响应特性分析原频率响应特性分析2）影响动态特性的主要参数）影响动态特性的主要参数 分析分析2221qppvhhhKXAXsss2221qppvhhhKXAXsss24ephttAmVceethptKmAV(3) 液压阻尼比：液压阻尼比：影响液压阻尼比的因素：影响液压阻尼比的因素：提高阻尼比的方法：提高阻尼比的方法：(2)液压固有频率：液压固有频率： 液压固有频液压固有频率是负载质量与液压缸工作腔中的率是负载质量与液压缸工作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧相互油液压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。作用的结果。提高液压固有

11、频率的方法有：提高液压固有频率的方法有： I 增大液压缸活塞的面积 II 减少总的压缩容积 III 减少折算到活塞上的总的质量 IV 提高容积弹性模数2221421cetppeceLhhhKVsXAKFsss（二）、有弹性负载系统频率分析：分析系统的主要参数对系统的性能的影响。由于惯性环节的存在，使系统变成了一阶系统，对单位阶跃输入就是有差的了。 22211psppvorooK AXKXsss22211psppvorooK AXKXsss3.2 四通阀控制液压马达基本结构形式基本结构形式一、基本方程：一、基本方程：LqvcLQK XK P4tLmmtmLLeVQD sC PsP2mLtmmmm

12、LD PJ sB sGT二、方框图与传递函数：二、方框图与传递函数：232222222141444qcetvLmmecemtttcemtmcetceemmemmemmKKVXs TDDKJ VJ KB VB KGVKKsssDDDDDD三、传递函数简化2221421qcetvLmmecephhhKKVXs TDDKXsss液压固有频率：液压阻尼比：24emhttDV J4ceetmthmtmetKJBVDVDJceethmtKJDV232222222141444qcetvLmmecemtttcemtmcetceemmemmemmKKVXs TDDKJ VJ KB VB KGVKKsssDDDD

13、DD对阀芯位移Xv的传递函数：对外负载力矩TL的传递函数：2221qmmvhhhKDXsss2221421cetmecemLhhhKVsDKTsss3.3 三通阀控制液压缸基本结基本结构形式构形式一、基本方程：一、基本方程：二、传递函数：二、传递函数：LqvcLQK XK P0LhpipcceVQA sXC PsP2chtppppLP Am s XB sXKXF020320022222211qcevLhhecepppcettceceehhehhehhKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA三、传递函数简化液压固有频率：液压阻尼比：02222121qcevLhhec

14、ephcehhhhKKVXs FAAKXsKK KssKA20hehhttKAmmV0022pceethhhetBKmVAVAm020320022222211qcevLhhecepppcettceceehhehhehhKKVXs FAAKXB VB KmVm KKVKKsssAAAAAA传递函数近似式：02222121qcevLhhecepcehhhhKKVXs FAAKXK KsssA02211211qhvLceecephrhhK AVXs FK KKKXsss0222121qcevLhhecephhhKKVXs FAAKXsss当无弹性负载时当无弹性负载时3.5 液压动力元件与负载的匹配一

15、、负载特性一、负载特性（一）（一） 惯性负载特性惯性负载特性惯性负载特性的数学表达式：惯性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：222001IxFxx m（二）（二） 粘性负载特性粘性负载特性粘性负载特性的数学表达式：粘性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：vFxBvFB x0sinxxt（三）（三） 弹性负载特性弹性负载特性弹性负载特性的数学表达式：弹性负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：22001pFxxKx（四）（四） 合成负载特性合成负载特性负载特性的数学表达式：负载特性的数学表达式：负载特性曲线：负载特性曲线：222001()txFB xxKm

16、x二、负载匹配二、负载匹配负载匹配定义负载匹配定义：根据负载轨迹来进行负载匹配时，只要使动力元件的输出持性曲线能够根据负载轨迹来进行负载匹配时，只要使动力元件的输出持性曲线能够包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，便认包围负载轨迹，同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量小，便认为液压动力元件与负载相匹配。为液压动力元件与负载相匹配。 输出特性曲线：输出特性曲线：在阀最大输出功率点有：在阀最大输出功率点有：当供油压力确定后，推得液压缸活塞面积为：当供油压力确定后，推得液压缸活塞面积为：阀的最大空载流量为：阀的最大空载流量为：*23LpsFA p*03mLpqvA*32LpsFAp*03mLpqv A思考题n1、什么叫液压动力元件?有哪些控制方式?有几种基本组成类型？n2、负载类型对液压动力元件的传递函数有什么影响?n3、无弹性负载和有弹性负载时，描述传递函数的性能参数分别有哪几个？它们对系统动态特性有什么影响？n4、何谓液压弹簧刚度?为什么要把液压弹簧刚度理解为动态刚度？n5、液压固有频率和活塞位置有关在计算系统稳定性时，四通阀控制双作用液比缸和三通阀控制差动液压缸应取活塞的什么位置?为什么?n6、为什么液压动力元件可以得到较大的固有频率?n7、为什么说液压阻尼比是一个