液压伺服系统课程课件一五

第三章液压动力元件

3.1四通阀控制液压缸 3.2四通阀控制液压马达 3.3三通阀控制液压缸 3.4泵控液压马达 3.5液压动力元件与负载的匹配

本章介绍1概述

液压动力元件=液压放大元件+液压执行元件液压放大元件（液压控制元件）：液压控制阀、伺服变量泵液压执行元件：液压缸、液压马达

机-液耦合（换能）元件四种基本型式的液压动力元件：

阀控（节流控制）系统：阀控缸，阀控马达；

泵控（容积控制）系统：泵控缸、泵控马达。

液压动力元件是一个关键性的部件，它的动态特性在很大程度上决定着整个系统的性能。23.1四通阀控制液压缸零开口四边滑阀+对称液压缸四通阀控制液压缸Xvp1p2V1V2xpFLQ1Q2一、基本方程1）液压控制阀的流量方程2）液压缸流量连续性方程3）液压缸与负载的力平衡方程（一）滑阀的流量方程假设：1）零开口四边滑阀2）四个节流窗口是匹配对称的3）供油压力恒定，回油压力为零3（二）液压缸流量连续性方程假设：1）阀与液压缸的连接管道对称且短而粗，管道中的压力损失和管道动态可以忽略2）液压缸每个工作腔内各处压力相等，油温和体积弹性模量为常数3）液压缸内外泄漏均为层流流动总流量=推动活塞运动所需流量+经过活塞密封的内泄漏流量+经过活塞杆密封处的外泄漏流量+油液压缩和腔体变形所需的流量4流入液压缸进油腔的流量：从液压缸回油腔流出的流量：液体是可压缩的。液体等效容积弹性模数βe表示容器中油液的容积变化率与压力增长量之间的关系M5

动态分析时，需要考虑泄漏和油液压缩性的影响，则流入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等，为了简化分析，定义负载流量为：6要使压缩流量相等，应使液压缸两腔的初始容积相等，即活塞在中间位置时，1）液体压缩性影响最大，固有频率最低2）阻尼比最小因此，系统稳定性最差。所以，分析时，应取活塞的中间位置作为初始位置。流量方程可整理成：推动液压缸运动所需流量+总泄漏流量+总压缩流量7（三）液压缸和负载的力平衡方程

负载力一般包括惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。液压缸的输出力与负载力的平衡方程为：

此外，还存在库仑摩擦等非线性负载，但采用线性化的方法分析系统的动态特性时，必须将这些非线性负载忽略。8二、方块图与传递函数阀控液压缸的三个基本方程完全描述了阀控液压缸的动态特性，将其拉式变换，则：Kq-+++xvxpQLFLMts2+Bps+k+Kc适合于负载惯量小、动态过程较快的场合。9Kq-+xvxpPLFL-适合于负载惯量和泄漏系数都较大，而动态过程比较缓慢的场合。10合并三个基本方程，消去中间交量QL及pL，可得到阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移：式中，，包括泄漏在内的总的压力流量系数。液压缸活塞的空载速度外负载力作用引起的速度降低惯性力、粘性力、弹性力变化引起的压缩流量所产生的活塞速度惯性力、粘性力、弹性力引起的泄漏流量所产生的活塞速度活塞运动速度11（一）没有弹性负载（K=0）的情况

1）很多情况，以惯性负载为主。2）液压马达伺服系统中，弹性负载很少见。3）粘性阻尼系数Bp一般很小，所以由粘性摩擦力引起的泄漏流量所产生的活塞速度比活塞的运动速度小得多，可忽略不计。三、传递函数简化对特征方程的简化。因式分解，化为标准形式。或式中ωh——液压固有频率ζh——阻尼比12如果粘性摩擦系数Bp可以略去，则

对于指令输入xv的传递函数为：对于干扰输入FL的传递函数为：13（二）有弹性负载（K≠0）的情况阀控液压缸中，弹性负载比较常见：1）带对中弹簧的功率级滑阀2）材料试验机的负载是硬弹簧或粘性阻尼系数Bp一般很小所以：kh——液压弹簧刚度：液压缸完全封闭的两腔由于液体的压缩性而形成的14ω0——综合固有频率ζ0——综合阻尼比将对应项系数相等，可得：满足时，有：15Kps——总压力增益ωr——惯性环节的转折频率稳态时阀输入位移所引起的液压缸活塞的输出位移外负载力作用所引起的活塞输出位移的减小量1）弹性负载使积分环节变成惯性环节2）随着负载弹簧刚度减小，转折频率将变低，惯性环节接近积分环节16（三）其它的简化情况K=0时出现积分环节17是负载质量与液压缸工作腔中的油也压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结果。假设：液压缸无摩擦、无泄漏由于液体的压缩性，当活塞受到外力作用产生位移时，一腔压力升高，另一腔压力降低2）液压固有频率

被压缩液体产生的复位力与活塞位移成比例，其作用相当于一个线性液压弹簧，总液压弹簧刚度为：总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联。18Mtkhx

弹簧-质量系统当活塞处在中间位置时，液压弹簧刚度最小，当在两端时，V1或V2为零，液压弹簧刚度最大。液压弹簧与负载质量相互作用所构成系统的固有频率，中间位置时，其值为：液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的，实际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响，液压缸不可能完全封闭，因此在稳态下不存在弹簧刚度。动态时，在一定频率范围内来不及泄漏，相等于一种密封状态，因此液压弹簧是一个动态弹簧。19在液压伺服系统中，液压固有频率限制了系统的响应速度。提高液压固有频率的方法：（1）增大液压缸活塞面积Ap（有时，Ap主要由负载决定）h与Ap不成比例关系压缩容积Vt随之增大同样的负载速度，所需负载流量增大，阀、连接管道、液压能源装置的尺寸重量也随之增大（2）减小总压缩容积Vt

（主要是减少无效容积和连接管道容积）使阀靠近液压缸，最好装在一起选择合适的执行元件：长行程输出力小时用液压马达，反之用液压缸（3）减小折算到活塞上的总质量Mt（活塞质量+负载折算到活塞上的质量+液压缸两腔的油液质量+阀与液压缸连接管道中的油液折算质量）（4）提高油液的有效体积模量βe（700~1400MPa，或实测）

影响因素：受油液压缩性、管道及刚体机械柔性、油液中所含空气（最严重）要尽量减少混入空气，避免使用软管203）液压汇阻尼比决定因传素：总以流量-压力系问数Kce、负数载粘嫁性阻体尼Bp因为：Bp<<Kce，Ctp<<Kc，所叮以h主要汤由Kc决定孤。零位时系属统的稳定性汇最差由于库歌仑摩擦兼等因素挣的影响浆，实际滩的零位否阻尼比辅要比计到算值（略按Kc0计算裂）大蒸，至少阳为0.沫1~作0.领2，或贱更高歉一些。Kc随工作铲点不同厚会有很雷大的变耕化。在暖阀芯位赴移xv和负载闪压力pL较大时昏，由于Kc值增大命使液压镇阻尼比化急剧增俯大，可煎使h>1，其变化爱范围扮达20~乏30倍。因此谁，是一巧个难以拒预测的廊软量。零位堡阻尼外比小讽，阻婚尼比怜变化色范围雕大是液压耕伺服系铅统的一镜个特点21液压鸭阻尼椒比表啄示系劣统的躲相对誓稳定驶性。逢液压克伺服耐系统津一般冒低阻窝尼，提高的苹办法有峡：（1）设置派旁路泄修漏通道（增叛加泄红漏系形数Ctp）但：增大了挺功率损殃失降低性了系捏统的渴总压赔力增厉益和致系统暑的刚滨度，双增加亡了外饭负载面力引屑起的怪误差系统匆性能就受温伤度变于化的躺影响金大（2）采用应正开口驱阀但：降低了向系统刚席度泄漏蜂引起起的损钓失更隔大非线薯性流栽量增尝益稳态液殿动力变拴化（3）增加庸负载的汉粘性阻藏尼（需截要另辈设阻感尼器咏，增恼加了榴结构闭复杂清性）221）动态漆位置刚嫁度特性动态位壳置柔度柜，其倒资数即为旁动态位巾置刚度惯性环匀节+比例吓环节+理想微芹分环节+二阶微幼分环节因为h很小筑，所千以2hh<h负号表衰示负载抹力增谣加使健输出甘减小动态位漠置刚度与负载捎干扰乏力FL的变化犁频率有关2.对干扰刊输入FL的频率雨响应分街析23（1）在<2hh的低暴频段习上，惯警性环社节和羡二阶弃微分浆环节弊不起昨作用看，则=0时，塌得静汁态位脸置刚抱度在恒准定的谅外负晋载力哭作用丧下，浴由于银泄漏揭的影平响，致活塞傻将连乓续不凉断地搁移动估，没手有确咸定的恋位置左。随痰着频壁率的骆增加盯，泄银漏的佩影响农越来莫越小立，动态租位置榨刚度吃随频码率成里比例牺增大。/秒(s－1)20lg|G|dB1阀控缸动态刚度幅频特性20lgAp2Kce20lgkh24（2）在2hh<获<娃h的中频全段上，蚂比例鼻环节费、惯杆性环熄节和纹理想磁微分透环节怨同时伤起作昌用，世动态狠位置策刚度县为一春常数锋：在中内频段足上，捞由于抗负载报干扰蜻力的仰变化崇频率部较高闷，液何压缸踩工作伏腔的们油液外来不相及泄软漏，掏可以志看成血是完全封根闭的，其映动态位那置刚度具就等于刘液压亮刚度。（3）在>垄h的高抖频段上，二衡阶微分精环节起茅主要作还用，动甩态位置倾刚度由负载惯贼性所决定持。动态自位置刚鸭度随频率爸的二次广方增加，但哲一般粒很少滚在此商频率邻范围姿工作虹。252）动态禁速度刚峰度特性<2hh的低频您段上的竟动态速堪度刚度锯为：此时挡，液岭压缸幕相当炼于一腹个阻尼牵系数害为Ap2/Kce的粘性础阻尼器。从物理意和义上说贯，在测低频摔时因逃负载解压差旦产生郑的泄书漏流葬量被贺很小盗的泄度漏通政道所诸阻碍背，产绣生粘锯性阻脂尼作筋用。=0时，吼得静末态速圈度刚筒度26（二）膛有弹性汤负载乱（K≠0）时的姿频率响洗应分析有弹性残负载时追，活塞禾位移对剧阀芯位需移的传塑递函数裂为：其主获要性滔能参础数有索：为位置放若大系数，其陪中总盆压力揭增益Kps包含阀的撞压力增邻益Kp，其随辰工作点产在很大范确围内变限化，零位时倍最大。另外，颤位置放伯大系数蔽还和负载袍刚度有迷关，这与革无弹性蹦负载时周不同。27穿越频悄率20lg|G|dB0/秒(s－1)1负载刚才度使穿督越频率外降低了上式再端一次说佳明，负牧载刚度抢比较小逢时，它周对动态励特性的老影响可件忽略。K≠0时，总流量-压力系认数Kce影响1）位置虑放大系受数2）惯路性环剃节的尝转折俊频率3）0，从甩而影撇响高露频段退谐振拍峰值蕉和相宽频特粥性形付状，宇影响舅系统材的幅姜值裕晶量但不影居响：穿秃越频率，因此柄不影响央快速性28第三章诞液摇压动力果元件3.1四通堆阀控垂制液滔压缸3.锐2四通茶阀控锣液压愤马达3.3三通泳阀控押制液窑压缸3.喜4泵控液吨压马达3.5液压绿动力栗元件盈与负俘载的总匹配本章介然绍293.油2四通阀蜘控制液套压马达常用的仙液压动令力元件且，分析浓方法与趋阀控液姨压缸的俱相同。四边阀控制液压马达p1p2V1V2TLpSTXvQ1Q2θmBA3031阀控芹液压献马达傲，弹惯簧负辟载很泳少见码，即G=0，另外由漏于：所以叛：通常谅负载卡粘性乖阻尼利系数Bm很小，讯所以：32三通阀映控制液封压缸常命用作机液伺压服系统的动障力元舌件，辜如仿然形机同床和填力操旁纵系哗统中3.3三通阀剥控制液谋压缸pcXv三通阀控缸的结构原理图A

QLpspsFLxp3334Bp比阻膨尼系品数Ah2/Kce小得多斗，即：35当负禁载刚崇度k=0时，必则：三通阀坏控缸和鉴四通阀待控缸传见递函数册的形式避一样，矿但前者兆液压固俘有频率h和阻尼观比h（Bp=0）均是采后者的原因是正：只有一个棕控制泉腔，只得形成一个怠液压岂弹簧因此，蓝四通阀西控缸的榜动态响叛应要好责得多。36第三篮章助液栗压动忠力元匙件3.慕1四通哥阀控亡制液伤压缸3.胖2四通阀治控液压弱马达3.胳3三通阀堪控制液动压缸3.4泵控点液压书马达3.5液压纠动力俱元件将与负绑载的兴匹配本章介铃绍373.4泵控液谱压马达pm38一、基历本方程变量肌泵的流量方莲程为：V0——一个腔提室的总荡容积变量泵胖的排量阁为：其增量蒸方程量的拉踏氏变例换为：液压猜马达骄高压龟腔的流量萌连续性渠方程为：其增量方扒程的拉废氏变换为：液压马达尸和负零载的力矩低平衡方拼程为：其增量方俊程的拉设氏变怒换为冷：39401）液压固嫁有频率电较低只有嫌一个顿控制衔管道虹，1/√2液压泵斤的工作爸腔容积吸大2）阻尼比镰较小，敞但较恒乒定。Ct<Kce，总是属欠阻尼唤，但基卡本恒定。设置脏旁路别泄漏翁通道印或内紧部压史力反依馈以僚获得颂满意颂的阻蒙尼比3）增益Kqp/Dm和静些态速肌度刚险度Dm2/Ct比较恒辆定。4）动态盈刚度督不好笨，但欢静态制刚度午很好碍（Ct较小）三、泵摇控液压鹅马达与版阀控液雾压马达辟的比较41第三巧章轮液挑压动能力元想件3.胳1四通碧阀控虚制液撑压缸3.2四通阀跟控液压涝马达3.3三通您阀控扩制液肾压缸3.4泵控湖液压谁马达3.粗5液压随动力宋元件杆与负屋载的储匹配本章介玻绍42负载勉匹配是指液道压动力穗元件的打输出特裹性与负昨载特性价之间的缎配合3.5液压跟动力蚕元件剃与负片载的机匹配一、负沈载特性负载：液压虑执行元苍件运动递时所遇膨到的各竟种阻力况（或阻喜力矩）惯性债负载奥、弹苦性负验载、炮粘性赵阻尼势负载犯、摩基擦负肯载、悟重力候负载尤等负载伏特性沿：负载力闷与负载橡速度之贺间的关盾系负载特浅性与负垦载类型酬和负载局的运动痛规律有拨关负载呜轨迹：以畏负载估力为秧横坐胁标，饮负载暗速度具为纵抱坐标毯所画章出的南曲线43（一锋）、形惯性察负载顶特性惯性负皆载力可吵表示为磁：设惯性皂负载的向位移为面正弦运缓动，即舅：则负弦载轨汇迹方拆程为锣：将其根联立滚可得乡丰：最大负浆载速度起与成格正比摊：最大负击载力与2成正寇比：因此恨，增凑加时据正椭汽圆的毙横轴扁比纵裙轴增铸加快因惯性姥力随速水度增大牙而减小盏，因此味负载轨婶迹点沿逆弯时针爸旋转44（四贫）、浩摩擦广负载拿特性静摩好擦力+动摩擦吃力=干摩擦漫力若静敞摩擦力殊≈申动摩擦袜力，则知此时的喷干摩擦李力称为库仑穷摩擦榆力。静摩擦脑负载轨干迹岸动摩擦祝负载轨调迹45（五照）、柜合成然负载也特性惯性、抖粘性、访弹性负载胞合成轨迹作方程具为：负载慎轨迹果随频粮率增软加而辰加大贺，设于计时盒应考虑游最大碑工作载频率蚁时的渣负载身轨迹（有外肉干扰和德不是正响弦运动半时，很欧复杂）届。最有炒用的证工况线点：最大功须率、最代大速度廊、最大卵负载力46二、等卫效负载怀的计算假设：1）齿轮采是绝对全刚性的2）齿轮妨的惯量耻和游隙芒为零则：结论使：将惯吐量、歌粘性捞阻尼且系数融、刚蚀度折算到融转数高肆的轴时暑，需除闪以i2即可，旁相反时议，则只纵需乘以烘i2即可针。47三、作液压敲动力控元件厨的输领出特齐性是指酬：在稳态情况下院，执行撑元件的输出速绸度、输吓出力与塘阀的输特入位移三者之件间的关际系。1）提止高供拢油压纠力Ps，使整捎个抛物榨线右移弄，输出沫功率增义大2）增大脑阀的最往大开口骆面积Wxvma鉴x，使抛知物线变烈宽，但杜顶点不矮动，输鲜出功率竟增大3）增钱大液栏压缸捏活塞悼面积Ap，使梨抛物掏线顶湾点左锋移，财同时侨使抛共物线缸变窄升，但普最大姜输出压功率释不变搞。1）2）3）48四、负将载匹配曲线5表明：液压稠缸活霸塞面扁