机械设计中的液电系统

1、机械设计中的液电系统第1页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四机械设计中的液电系统 在一个密闭的系统里，把原动力机的机械能（90-95%）主要转化成液体的压力势能传递出去，在执行元件上，再把压力势能转化成机械能输出，推动工作部件运动的传动方式称为液压传动。 1.1 概述： 一部完整的机械由原动机、传动部分、控制部分和工作机构等组成。传动部分是中间环节，它的作用是把原动机（电动机、内燃机等）的输出功率传输给工作机构。第2页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四机械设计中的液电系统 机械设计中的液电发展及现状： 1.液压技术的发展及现状 2.气液电系统的发展及现状

2、 第3页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四 1.2 液压系统的组成 不论复杂或简单，一个完整的液压系统主要由4个部分组成。 1.液压泵：它供给液压系统压力油，将电动机或发动机输出的机械能转变为油液的压力能，用这压力油推动整个液压系统工作。 2.控制调节装置：如方向操纵阀、压力阀、节流阀等，通过她们来调节液流的压力、方向和流量，以满足作业的各种要求和维持系统正常工作。 3.液压执行器：液压执行器又叫液压机，包括液压缸和液压马达，通过它又使液体的压力能转换成执行机构的机械能。 4.辅助装置：油箱、滤油器、压力表、加热器、冷却器、油管、密封元件及其接头等 第一章 液压基本知识回顾

3、第4页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾 1.3 液压传动的优缺点 一）液压传动的优点： 1. 在尺寸小、重量轻的前提下可输出大的功率 液压元件的压力强度比电机的磁场强度大的多，油泵、马达的工作压力一般在2.5-32兆帕之间，而电机由于受饱和磁通量的限制，其磁场作用强度相当于压力强度兆帕。油马达与电机同功率比较，尺寸12%，重量10-20%。因此，液压传动容易获得很大的力和力矩，应用如万吨水压机；飞机主梁、汽车外壳的压制等，齿轮与齿条作不到。 2.动作快，可以快速启动和快速换向。因惯性小，不需要复杂的离合器，单向阀们就可实现带载离合。 3.能在较大的

4、范围内实现无级调速。机械也可以，但受限制，一般为2-4；液压不受功率的限制，速比可达2000；电传动无机变速重量很大，行走不能实现。 第5页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾 4.液压传动的机器运动平稳，在低速下也能稳定运转。而电机在低转速时则不稳定；和机械传动相比，齿轮、齿条加工再好也有冲击。因此在机床上大量应用，如磨床（加工精度要求高） 5.简化机器结构，易于完成各种复杂动作。管子等工作件可随意放置，如拖拉机变速箱等相当复杂，挖掘机只能用液压。 6.体积小重量轻，油马达的外形尺寸约为同功率电机的12%，重量为10-20%。 7.操作简单，便于实现

5、自动化。机械传动有，但受局限（老式标准件加工的机床），液+电，工厂自动化70%是液压。 8.易于实现过载保护；因油液为工作介质，运动表面间能自行润滑。第6页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾1.4 液压控制阀 1.溢流阀第7页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾 2.减压阀第8页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾3.顺序阀作用：按压力程序通断油路，使两个以上的执行元件实现顺序动作。第9页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾第

6、10页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾第11页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第一章 液压基本知识回顾二）液压传动的缺点： 1.液体易泄漏，而且管道阻力损耗大（包括回油），降低了运动速度和效率。一般效率为80-90%，比一般机械传动的效率为低。科研主攻方向。 2.可靠性差。对于油液的污染较敏感，（加工件有铁，磨损，带进杂物、氧化堵塞工作偶件间隙）。故障70%与油污染有关。工作时受温度的影响较大，使运动不稳定。 3.安全性差且成本高。着火和加工精度高、密封要求好 。 4.实现定比传动较为困难。速度对油温较敏感，一般变低。因油变稀

7、易泄露。 5.液压传动要求有单独的能源。 6.液压传动出现故障时不易找到原因。 液压传动常与其他传动联合使用，发挥各自的优点，构成性能完善的电液、机液、气液传动系统。第12页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 用计算机对液压或气压系统进行控制是技术发展的必然趋向。但电液比例阀或伺服阀能接收的信号是连续变化的电压或电流，而计算机的指令是“开”或“关”的数字信息，要用计算机控制必须进行数模转换，其结果是使设备复杂，成本提高，可靠性降低。在这种技术要求下，20 世纪80年代初期出现了电液数字控制阀。第13页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期

8、四第二章 电液数字控制阀 用数字信息直接控制的阀称为电液数字控制阀，简称数字阀。它可直接与计算机接口，不需要要数模转换板。数字阀与电液伺服阀、电液比例阀相比，其结构简单，工艺性好、价廉，抗污染能力强，重复性好，工作稳定可靠，功耗小。 接受计算机数字控制的方法有多种，目前常用的有增量控制法和脉宽调制法，相应地数字阀也分增量式数字阀和脉宽调制式数字阀两类。当今技术较成熟的是增量式数字阀，即用步进电机驱动液压阀。已有数字流量阀、数字压力阀和数字方向流量阀等系列产品。第14页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 2.1 数字阀的结构 1增量式数字阀 增量式数字阀

9、由步进电机带动工作，步进电机直接用数字量控制，其转角与输入的数字式信号脉冲数成正比，其转速随输人的脉冲频率的不同而变化。由于步进电机是以增量控制的方式进行工作的，故此阀称为增量式数字阀。 增量式数字阀按其用途不同，有流量阀、压力阀和方向流量阀之分。第15页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀图2.1 直控式数字节流阀 1一阀套；2一连杆；3一位移传感器；4一步进电机；5一滚珠丝杆；6一节流阀心；7、8一左、右节流口 第16页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 由于液流从轴向流入，且流出阀心时与轴线垂直，所以阀在开

10、启时的液动力可以将向右作用的液压力部分抵消掉。阀从节流阀心、阀套1和连杆2的相对热膨胀中获得温度补偿。 图2. 2 所示为先导式数字方向流量阀的图形符号，其结构与电液换向阀类似，只是以步进电机取代了电磁先导阀中的电磁铁，通过控制步进电机的旋转方向和角位移的大小，不仅可以改变阀的液流方向，还可以控制各油口的输出流量。 将普通压力阀的手动机构改用步进电机控制，即可构成数字压力阀。第17页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀图2.2 先导式数字方向流量阀的图形符号第18页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 2脉宽调制式

11、数字阀 脉宽调制式数字阀可以直接用计算机进行控制，控制阀的开和关以及开和关的时间间隔(即脉宽)，就可控制液流的方向、流量和压力。 这种阀的阀心多为锥阀、球阀或喷嘴挡板阀，可快速切换，且只有开和关两个位置，故又称快速开关型数字阀。 图2.3 所示为两位两通锥阀式开关型数字阀。当电磁铁3不通电时衔铁2在右端弹簧（图中未画出）的作用下使锥阀关闭；当电磁铁3有脉冲信号通过时，电磁吸力使衔铁带动作断电的锥阀开启。 第19页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀图3.3 二位二通电磁锥阀式快速开关型数字阀1锥阀；2衔铁；3电磁铁第20页，共52页，2022年，5月20

12、日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀1.2 数字阀的应用 图1.4所示为增量式数字阀的应用原理。计算机发出需要的脉冲序列，经驱动电源放大后 使步进电机工作，每个脉冲使步进电机沿给定方向转动一个固定的步距角，再通过凸轮或螺纹等机构使转角转换成位移量，带动阀心移动一定的距离。因此，根据步进电机原有的位置和实际走的步数，可使数字阀得到相应的开度。第21页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀图3.4 增量式数字阀在数控系统中的应用 第22页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 图1.5 所示为脉宽调制式数字阀的使用

13、原理。计算机发出的脉冲信号，经脉宽调制放大器 放大后进人快速开关数字阀中的电磁铁，通过控制开关阀开启时间的长短来控制流量，在需要作两个方向运动的系统中要有两个快速开关数字阀分别控制不同方向的运动。图2.5 脉宽调制式数字阀在数控系统中的应用第23页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 电液比例控制阀简称比例阀（讲开关式电液控制阀）。前述各种阀类大都是手动调节和开关式控制。开关控制阀的输出参数，在阀处于工作状态下是不可调节的。但随着技术的进步，许多液压传动系统要求流量和压力能连续地或按比例地随输入信号的变化而变化。已有的液压伺服系统虽能满足要求，而且精度很

14、高，但系统复杂，成本高，对污染敏感，维修困难，因而不宜普遍使用。 第24页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液数字控制阀 20世纪60年代末出现的电液比例阀较好地解决了这种需求。比例阀是一种输出量与输入信号(电压或电流)成比例的液压阀或气压阀，它可按给定的输入信号连续地按比例地控制流体的方向、压力和流量。 现在的比例阀，一类是由电液伺服阀简化结构、降低精度发展起来的；另一类是用比例电磁铁取代普通液压阀的手调装置或电磁铁发展起来的。这里介绍的均指后者，它是当今比例阀的主流，与普通控制阀可以互换。按其输出信号和用途的不同，它也可以分为比例压力阀、比例流量阀和比例方向阀

15、三大类。近年来又出现了功能复合化的趋势，即比例阀之间或比例阀与其它元件之间的复合。例如，比例阀与变量泵组成的比例复合泵能按比例地输出流量；比例方向阀与液压缸组成的比例复合缸能实现位移或速度的比例控制。（讲伺服变量泵）第25页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第二章 电液数字控制阀 比例电磁铁的外形与普通电磁铁相似，但功能却不同，比例电磁铁的吸力与通过其线圈的电流强度成正比。输入信号在通入比例电磁铁前，要先经放大电路处理和放大。放大电路多制成插接式装置与比例阀配套供应。（讲插接阀） 下面介绍三类比例阀的工作原理。第26页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第

16、三章 电液比例控制阀 2.1 电机械转换器 电机械转换器是比例阀的控制部分，目前常用的形式有比例电磁铁、动圈式力马达、力矩马达、伺服电机和步进电机等五种。 1比例电磁铁 比例电磁铁是一种直流电磁铁，但和普通电磁阀用的电磁铁不同，它要求吸力(或位移)与输入电流成比例，并在衔铁的全部工作位置上，磁路中保持一定的气隙。按其输出位移的形式分有单向移动式和双向移动式两种。图3.1a所示为单向移动式比例电磁铁。线圈2通电后形成的磁路经壳体5、导向套12的右段、衔铁10后，分成两路：一路由导向套左段的锥端到轭铁1而产生斜面吸力；另一路直接由衔铁的左段端面到轭铁而产生表面吸力。其合力即为比例电磁铁的输出力(吸

17、力)，其特性如图3.1b所示。 第27页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 图3.1 单向移动式比例电磁铁 1一轭铁；2一线圈；3一限位环；4一隔磁环；5一壳体；6一内盖；7一盖；8一调节螺钉；9一弹簧； 10一衔铁；11一(隔磁)支承环； 12一导向套 第28页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 在图2.1b中，特性曲线分为三段，在气隙很小的区段上，吸力虽大，但随位置改变而急剧变 化；而在气隙较大的区段上，吸力明显下降；吸力随位置变化较小的区段是比例电磁铁的工作区段。由于在此区段内具有基本水平的位移力特性，所

18、以改变线圈中的电流，即可在衔铁上得到与其成比例的吸力。如在衔铁右侧加一弹簧9，便可得到与电流成正比的位移。 第29页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 图3.2所示为双向移动式比例电磁铁。它由两个单向直流比例电磁铁相对组合而成。在壳体内对称地安放着两对线圈：一对为励磁线圈，它们极性相反互相串联或并联，由一恒流电源供给恒定的励磁电流，在磁路内形成初始磁通；另一对为控制线圈，它们极性相同互相串联。仅有励磁电流时，左右两端的电磁吸力大小相等，方向相反，衔铁处于平衡状态，输出力为零。当有控制电流通过时，两控制线圈分别在左右两半环形磁路内产生极性相同、大小相等的

19、控制磁通，它们与原有初始磁通叠加，在左右工作气隙内产生差动效应，形成了与控制电流方向和大小相对应的输出力。由于采用了初始磁通，避开了铁磁材料磁化曲线起始段的影响，它不仅具有良好的位移力水平特性，而且无零位死区，线性好，滞环小，动态响应较快。 第30页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.2 双向移动式比例电磁铁 1一壳体；2一线圈(左、右)；3一导向套；4一隔磁环；5一轭铁；6一推杆第31页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 2动圈式力马达 图3.3所示为动圈式力马达。它也是一种移动式电机械转换器。运动件是线

20、圈。当可动控制线圈4中通入控制电流时，线圈在磁场中受力而移动。此力的方向由电流方向及固定磁通方向按左手定则来确定。力的大小与磁场强度及电流大小成正比。 动圈式力马达的线性行程范围大(24 mm)，滞环小，可动件质量小，工作频率较宽，结构简单，但如采用湿式方案，动圈受油的阻尼较大，影响频宽，因此适合作为气压比例元件。 第32页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.3 动圈式力马达1永久磁铁；2一内导磁体；3一外导磁体；4一可动控制线圈； 5一线圈骨架；6一对中弹簧；7一滑阀阀心 第33页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液

21、比例控制阀 3力矩马达 图3.4所示为动圈式永磁力矩马达。它由上下两块导磁体3，左右两块永久磁铁，带扭轴(弹簧管)的衔铁4及套在衔铁上的两个控制线圈组成。衔铁悬挂在扭轴上，它可以绕扭轴在a、b、c和d四个气隙中摆动。当线圈控制电流为零时，四个气隙中均有永久磁铁所产生的固定磁场的磁通，因此作用在衔铁上的吸力相等，衔铁处于中位平衡状态。通入控制电流后，所产生的控制磁通与固定磁通叠加，两个气隙中的磁通增大，在另两个气隙中的磁通减小，因此作用在衔铁上吸力失去平衡，产生力矩而使衔铁偏转。当作用在衔铁上的电磁力矩与扭轴的弹性变形力矩及外负载力矩平衡时，衔铁在某一扭轴位置上处于平衡状态。第34页，共52页，

22、2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板类的先导级阀。其自振频率高，功率重量比大，抗加速度零漂性能好，但工作行程很小(小于02mm)，制造精度要求高，抗干扰能力差一些。 图3.4 力矩马达1弹簧管；2一永久磁铁；3一导磁体；4一衔铁 第35页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 4伺服电机 伺服电机是可以连续旋转的电机械转换器。其输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。它属于功率很小的微特电机，其输出转速与输入电压的传递函数可近似视为一 阶延迟环节，机电时间常数一般在十几毫秒到几十

23、毫秒之间，某些低惯量的直流伺服电机仅为几毫秒到二十几毫秒。 伺服电机具有起启转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点。 第36页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 5步进电机 步进电机是一种数字式旋转运动的电机械转换器，它可将脉冲信号转换为相应的角位移。每输入一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，其转角与输入的数字式信号脉冲数成正比，转速 随输入的脉冲频率而变化。当输入反向脉冲时，步进电机将反向旋转。由于它直接用数字量控制，不需经过数模转换，就能与计算机联用，控制方便，调速范围宽，位置精度较高，工作时步数不易受电压波动和负载影响。

24、 步进电机需要专门的驱动电源，一般包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器 。第37页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 32 比例阀的结构 在普通液压阀上用电机械转换器取代原有的控制部分，即成为比例阀。 1.比例压力阀 液压比例压力阀按用途不同，有比例溢流阀、比例减压阀、比例顺序阀之分。按结构特点分有直动式和先导式比例压力阀。 图3.5所示为直动式比例溢流阀结构图。比例电磁铁1通电后产生吸力，经推杆2和传力弹簧3作用在锥阀上，当锥阀底面的液压力大于电磁吸力时，锥阀被顶开而溢流，连续地改变控制电流的大小，即可连续地按比例地控制锥阀的开启压力。 第38页，

25、共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.5 直动锥式比例溢流阀 1一比例电磁铁；2一推杆；3一传力弹簧 第39页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 图3.6所示为先导式比例溢流阀结构图。其下部主阀与普通溢流阀相同。上部为先导压力阀。该阀还附有一个手动调整的先导阀9，用于限制比例溢流阀的最高压力，以避免因电子仪器发生故障使得控制电流过大，压力超过系统允许最大压力的可能性。 第40页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.6 先导锥阀式比例溢流阀1阀座；2一先导锥阀；3一轭铁

26、；4一衔铁；5一弹簧；6一推杆；7一线圈；8一弹簧；9一先导阀 第41页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 如将比例先导压力阀的回油及先导阀9的回油都与主阀回油分开，则可作比例顺序阀使用。图3.7所示为先导式比例减压阀。动圈式力马达推杆端部起挡板作用，挡板的位移与的控制电流成比例，从而改变喷嘴挡板之间的可变液阻，控制了喷嘴前的先导压力。第42页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.7 先导喷嘴挡板式比例减压阀1一衔铁；2一线圈；3一推杆(挡板)；4一铍青铜片；5一喷嘴；6一精滤油器；7一主阀第43页，共52页

27、，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 2比例流量阀 比例流量阀是通过控制比例电磁铁线圈中的电流来改变阀心的开度(有效断面积)，实现对输出流量的连续成比例控制。其外观和结构与压力型相似。所不同的是压力型的阀心具有调压特性，靠先导压力与比例电磁力相平衡，来调节先导压力的大小；而流量型的阀心具有节流特性，靠弹簧力与比例电磁力相平衡，来调节流量的大小和流通方向。按通道数的不同，比例流量阀又有二通和三通之分。比例流量阀主要应用于缸或马达的位置或速度控制。第44页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 比例流量阀有比例节流阀和比例调速阀两

28、大类。它们由电机械比例转换器与流量阀组合而成。 比例节流阀是在普通节流阀的基础上，利用电机械比例转换器对节流阀口进行控制而组成比例节流阀。 比例调速阀如图3.8所示。比例电磁铁1的输出力作用在节流阀心2上，与弹簧力、液动力、摩擦力相平衡，一定的控制电流对应一定的节流开度。通过改变输入电流的大小，即可改变通过凋速阀的流量。第45页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀图3.8 比例调速阀1一比例电磁铁；2一节流阀心；3一定差减压阀；4一弹簧 3比例方向控制阀 第46页，共52页，2022年，5月20日，3点20分，星期四第三章 电液比例控制阀 3比例方向控制阀 把插装方向阀中的电磁铁换成比例电磁铁即构成比例方向控制阀。比例方向控制阀不仅用来改变液流方向，还可以控制流量的大小。它和普通换向阀的外形相似，但阀心的结构有区别，它可以实现不同的中位机能。在比例电磁铁的前端可附有位移传感器(或称差动变压器)，这种