液压与气压传动技术 第四版 课件 任务六 液压伺服系统简介

任务六液压伺服阀系统简介

液压伺服系统（又叫跟随系统或跟踪系统）是自动控制系统的一种重要类型。它不仅具有液压传动的各种优点，而且反应快、系统刚性大、伺服精度高等特点。一、液压伺服系统概论1.液压伺服系统的工作原理

图示简单液压传动系统中，用一个四通滑阀控制液压缸去推动负载运动。当它向右给阀芯一个输入位移量xi时，滑阀移动某一开口量xv，此时，压力油进入缸右腔，缸左腔回油，在压力油的作用下缸体向右运动，输出位移xp。1.液压伺服系统的工作原理

若将滑阀和液压缸组合成一个整体，就构成一个简单的液压伺服系统，液压泵4输出的液压油，通过溢流阀3调定压力后，供给系统，通过伺服阀1控制液压缸2推动负载运动。伺服阀1为控制元件，液压缸2为执行元件。阀1控制流入缸体2的流量、压力和液流方向，该系统称为阀控式液压伺服系统。由于阀体1与缸体2制成一个整体，从而构成了反馈控制。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论1.液压伺服系统的工作原理

系统的反馈控制过程是：当伺服阀处于中间位置（零位，即没有信号输入，xi＝0）时，阀芯凸肩恰好遮住通往液压缸的两个油口，阀没有流量输出，缸体不动，系统的输出量xp＝0，系统处于静止平衡状态（左图）。若给伺服阀一个输入位移，例如向右xi，阀芯将偏离其中间位置，则节流口a、b便有一个相应的开口量xv（xv＝xi），压力油经a口进入液压缸右腔，左腔油液经b口回油，缸体右移xp（右图）。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论1.液压伺服系统的工作原理

由于缸体与阀体是一体的，因此阀体也右移xp，受阀芯输入端的限制，阀的开口量逐渐减小，即

xv＝xi－xp

。当缸体位移xp等于阀的输入位移xi时，阀的开口量xv=0，阀的输出流量等于零，液压缸停止运动，处在一个新的平衡位置，完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。如果伺服阀反向运动，液压缸也反向跟随运动。伺服阀作为转换、放大元件，把输入的机械信号（位移或速度等）转换并放大成液压信号（流量或压力等）输出至液压缸。

任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论1.液压伺服系统的工作原理如果伺服阀反向运动，液压缸也反向跟随运动。伺服阀作为转换、放大元件，把输入的机械信号（位移或速度等）转换并放大成液压信号（流量或压力等）输出至液压缸。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论2.液压伺服系统的基本特点1）液压伺服系统是一个自动跟踪系统（或随动系统）：伺服阀的阀芯移动某一位移，液压缸也将随之移动相应的位移；2）液压伺服系统是一个误差控制系统：控制过程中，缸体的输出位移能够连续不断地回输到阀体上，与滑阀的输入位移相比较，得出两者之间的位置偏差（即滑阀的开口量）。只要滑阀有开口量，液压泵的供油就要进入液压缸，驱使液压缸移动。过程一直进行到输出位移与输入位移一致为止。即位置偏差（即滑阀的开口量）为零，伺服系统就停止工作，可以看出这个系统是根据偏差信号进行控制的。这个位置偏差（即滑阀的开口量），称为伺服系统的误差。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论

2.液压伺服系统的基本特点3）液压伺服系统是一个负反馈闭环系统：液压缸缸体与伺服阀阀体固连在一起，伺服阀阀芯移动，使节流口a、b的开口量xv增大，缸体运动的结果又使节流口a

、b的开口量xv减小。缸体的输出位移能够连续不断地回输到阀体上，与滑阀的输入位移相比较，缸体的移动总是力图使偏差信号减小到零，从而形成一个负反馈闭环系统。4）液压伺服系统是一个信号放大系统：在系统中，移动伺服阀所需要的信号输入功率很小，而液压缸输出的功率却可以比输入功率大得多，即具有功率放大作用。利用这种特点，用一个很小的力操纵伺服阀，液压缸能在油压的作用下以一个很大的力去操纵其他机构（即负载），以起到助力作用。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论

3．液压伺服系统的组成液压伺服系统一般有五个基本组成部分：

1）输入元件：给出与被控制对象所希望的运动规律相对应的指令信号（输入信号），加在系统中的输入端。指令元件可以是机械装置如凸轮、连杆、模板等，给出位移信号；也可以是电气元件如电位计、程序装置等，给出电压信号。

2）反馈测量元件：检测系统输出量，将其转换成与输入信号具有相同形式的反馈信号，并回输给比较元件。反馈元件可以是机械装置如齿轮副、连杆等，也可以是电气元件如各种传感器、测速电机等。

3）比较元件：用来比较输入信号和反馈信号，并将它们的差值作为偏差信号输送给后面的元件。实际系统中，比较元件有时不单独存在，而是与输入元件、反馈测量元件或放大元件一起组成同一元件来完成多种功能。

4）放大转换元件（液压功率放大器）：将偏差信号放大并转换成液压信号，并控制执行元件的动作，如伺服放大器、液压控制阀、电液伺服阀等。

5）执行元件:驱动控制对象动作的液压元件，通常指液压缸或液压马达。任务六液压伺服阀系统简介一、液压伺服系统概论伺服系统按控制方式和控制元件的形式分为：阀控系统（节流式）和泵控系统（容积式）两类。在阀控系统中，主要控制元件是伺服阀或电液伺服阀。在泵控系统中，主要控制元件是变量泵，目前变量马达控制用的较少。变量泵控制液压伺服系统的优点是效率较高、系统刚性大，缺点是响应速度慢、结构复杂。另外，操纵变量泵变量机构所需的力较大，需要一套专门的操纵机构，从而使系统复杂化。变量泵控制液压伺服系统特别适合大功率而响应速度要求又不太高的场合。阀控制伺服系统的优点是响应速度快、控制精度高，缺点是效率低。由于它的性能优越而得到广泛应用，特别是在中、小功率的快速、高精度液压伺服系统中采用。阀控系统中的控制元件主要有三类：滑阀式伺服阀、喷嘴挡板式伺服阀、射流管式伺服阀。滑阀式伺服阀具有很高的功率放大倍数，既可作为单级伺服阀使用，又可作为多级伺服阀的功率放大级；后两种阀的功率放大倍数小，一般用于多级（二、三级）伺服阀的前置放大级。二、液压伺服阀的基本形式任务六液压伺服阀系统简介

1．滑阀式液压伺服阀

滑阀式液压伺服阀具有优良的控制性能，在液压伺服系统中应用最广。它的结构与液压换向滑阀很相似，换向阀实际上是液压开关，每个阀口只有两个状态，要么完全打开，要么完全封死，结构上很容易保证；而滑阀式液压伺服阀则是一种比例控制的液压放大器，每个阀口具有连续变化的开启度，以便连续调节通过液体的流量，其加工精度要求很高。

根据滑阀上控制边数（起控制作用的阀口数）的不同，可以分为单边控制、双边控制和四边控制三种类型。任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式单边双边四边

1．滑阀式液压伺服阀单边控制滑阀式液压伺服阀如图所示。滑阀控制边的开口量δ

控制着液压缸右腔的压力和流量，从而控制液压缸运动的速度和方向。 来自泵的压力油进入单杆液压缸的有杆腔A，通过活塞上的小孔a后进入无杆腔B，压力由p1降为p2，然后再经过开口量为δ

的单边滑阀的开口流回油箱。在液压缸不受外载荷作用的条件下，p1AA

=p2AB。当阀芯根据输入信号向左移动时，开口量δ增大，无杆腔压力减小，于是p2AB＜p1AA，缸体向左移动。因为缸体和阀体连接成一个整体，所以阀体左移又使开口量δ

减小（负反馈），直至平衡。 任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

1．滑阀式液压伺服阀

四边控制滑阀式液压伺服阀在工程中使用最广泛。由于它有四个油口，故也称为四通液压伺服阀，其工作原理与双边滑阀式相似。如图所示，它有三个凸肩和四个控制边。在结构上，三个凸肩的直径相同，液压力在阀芯上产生的轴向作用力基本自平衡，控制阀芯移动的作用力可以很小。这类液压伺服阀与各种液压执行元件均可配合使用。任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式任务二液压伺服阀结构分析及应用其他控制阀和其他基本回路

1．滑阀式液压伺服阀图中，开口δ1、δ2分别控制进入液压缸两腔的压力油，开口δ3、δ4分别控制液压缸两腔的回油。液压源提供的恒压压力油p接滑阀入口，控制口A、B

分别接液压缸的两腔，回油口T接油箱。当四边滑阀式液压伺服阀处于常态（无推动阀芯移动的输入控制信号）时，各节流工作边将P、T油口恰好接通，缸体不运动；当输入信号使阀芯向左移动一微小距离时，缸左腔的进油口δ1减小，回油口δ3增大，使p1迅速减小；与此同时，缸右腔的进油口δ2增大，回油口δ4减小，使p2迅速增大，这样就使活塞迅速左移。

1．滑阀式液压伺服阀当输入信号使阀芯向右移动一微小距离时，缸右腔的进油口δ2减小，回油口δ4增大，使p2迅速减小；与此同时，缸左腔的进油口δ1增大，回油口减小δ3，使p1迅速增大。这样就使活塞迅速右移。任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

1．滑阀式液压伺服阀

缸体运动的速度与阀口开启度（或阀芯位移量）成正比。若把液压缸缸体与滑阀阀体固连，便形成负反馈连接，液压缸缸体将跟随阀芯作随动运动，实现伺服控制，即：若阀芯在外力（输入信号）作用下向左（右）移动一微小距离，使阀口开启，液压油进入液压缸推动缸体也向左（右）移动一相同距离，直至阀口关闭，液压缸又停止运动。与双边控制滑阀式液压伺服阀相比，四边控制滑阀式液压伺服阀同时控制液压缸两腔的压力和流量，故调节灵敏度高，工作精度也高。观察原理任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

1．滑阀式液压伺服阀按照控制边相对于阀套槽边的位置不同，滑阀式液压伺服阀可制成正开口、零开口和负开口三种类型，如图所示，即：当滑阀处于平衡位置（无输入控制信号）时，阀芯凸肩控制边与阀套槽边的相对位置分别为负开口（xs＜0）、零开口（xs＝0）和正开口（xs＞0）。具有零开口的滑阀，其工作精度最高；负开口有较大的不灵敏区，较少采用；具有正开口的滑阀，工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也差。 任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

2．喷嘴挡板式液压伺服阀喷嘴挡板式液压伺服阀有单喷嘴和双喷嘴两种。如图所示的单喷嘴挡板式液压伺服阀由固定节流孔、中间油室、喷嘴1及挡板2等组成。喷嘴和挡板共同组成一个可变截面的节流装置。中间油腔b与执行元件的工作油腔相连通。当从液压泵来的压力油压力为p1，经过固定节流孔a后，一部分油液经喷嘴端面和挡板所形成的间隙δ排出而流回油箱。挡板的位置（即间隙δ的大小）由输入信号来控制，可以直接用机械方法控制，也可以由电信号控制。当δ

的大小改变时，就改变了喷嘴和挡板处的节流作用，因而使中间油室中的油压力p2也随之改变，这样就使执行元件产生运动。 观察原理任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

2．喷嘴挡板式液压伺服阀图示为双喷嘴挡板式液压伺服阀的结构及工作原理示意图。在结构上，该阀左右完全对称，各有一直径确定的固定节流口和喷嘴；两喷嘴的正中间有一挡板，挡板支承在上部的转轴上，可随转轴左右小幅度摆动。在左、右控制腔处各设一控制口，分别与执行元件（假设为液压缸）的两油腔A、B相连。当伺服阀处于零位（无输入信号，挡板未发生偏转）时，两喷嘴处的节流压降相同，从而使两控制腔的压力相等，液压缸左、右腔压力也相等，活塞不动；当输入信号使挡板绕转轴顺时针转动一微小角度而靠近左喷嘴时，左喷嘴处的节流压降增大，右喷嘴处的节流压降减小，导致左腔A的控制压力大于右腔B的控制压力，液压缸左腔进油，右腔排油，活塞向右运动；反之，活塞向左运动。很明显，活塞移动的速度以及产生推力的大小与输入信号（或挡板的偏移量）的大小成正比，活塞运动的方向取决于输入信号的极性（或挡板偏移的方向）。 观察原理任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

2．喷嘴挡板式液压伺服阀可见，用很小的机械功率操纵挡板，便可以在喷嘴挡板式液压伺服阀的输出端得到较大的液压功率，实现信号转换及功率放大的功能。但是，在喷嘴处自始至终有液压油泄漏，能量损失较大，因而这种阀只能用在小功率场合。与滑阀式液压伺服阀相比，喷嘴挡板式液压伺服阀结构简单，加工精度要求不高，制造容易；运动部件（挡板）质量轻，惯性小，位移量小，故灵敏度高，动态响应快；对油液的污染不太敏感；没有径向不平衡力，不会发生“卡紧”现象，因而工作可靠。其缺点是：功率损耗大，喷嘴挡板间距离很小时的抗污染能力差，因此适宜在多级放大伺服系统中用作第一级（前置级）伺服装置。任务六液压伺服阀系统简介二、液压伺服阀的基本形式

3．射流管式液压伺服阀射流管式液压伺服阀的工作原理如图所示。它由射流管3、接受板2和液压缸1等组成。射流管可绕垂直于图面的轴线O向左右摆动一不大的角度。接受板上有两个并列的接受孔道a和b，分别与液压缸的两腔相通。压力油从通道输入射流管内，并从射流管端部的锥形喷嘴射出，油液在经过锥形喷嘴时速度提高，当油液进入接受孔道后，由于通流面积扩大，又使高速运动油液的动能转变成油液的压力能，用以推动液压缸工作。如果射流管处于两个接受孔道的中间对称位置，则两个接受孔道内油液的压力相等，因此执行元件不动。如果给射流管3一个输入信号，就是推动射流管使它绕轴线摆动一个很小的角度而偏离中间位置，则一个接受孔道内的油压升高，而另一个接受孔道内的油压降低，在压力差的作用下，液压缸就向射流管偏移的相同方向移动，直到跟着液压缸移动的接受板到达射流孔又处于两个接受孔道的中间对称位置时为止。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

1．汽车转向液压助力器在汽车上，为了减轻驾驶员操作方向盘的体力劳动，提高汽车的转向灵活性，常采用转向液压助力器。这种液压助力器也是一种机液伺服位置控制系统。图示是转向液压助力器的工作原理图。它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞1的右端通过铰链固定在汽车车架上，液压缸缸体2和控制滑阀阀体连在一起，形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控制滑阀阀芯3移动。当缸体前后移动时，通过转向梯形机构6等控制车轮向左或向右偏转，从而操纵汽车转向。三、液压伺服系统应用实例观察转向结构任务六液压伺服阀系统简介

1．汽车转向液压助力器 当阀芯3处于图示位置时，因液压缸左、右腔油液被封闭，因此缸体固定不动，汽车保持直线行驶。滑阀阀芯的这一相应位置通常称为平衡位置。由于控制滑阀为负开口，可以防止引起不必要的扰动。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

1．汽车转向液压助力器

转向时，若逆时针方向转动方向盘，通过摆杆带动阀芯向右移动，则液压缸右腔进油，左腔回油，使液压缸缸体向右移动，带动转向梯形机构向逆时针方向摆动，使车轮向左偏转，实现向左转弯；任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

1．汽车转向液压助力器

顺时针方向转动方向盘，通过摆杆带动阀芯向左移动，则液压缸左腔进油，右腔回油，使液压缸缸体向左移动，带动转向梯形机构向顺时针方向摆动，使车轮向右偏转，实现向右转弯。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

1．汽车转向液压助力器缸体左、右移动时，控制滑阀阀体同时左、右移动，即实现刚性负反馈，使阀体和阀芯重新恢复到平衡位置，因此保证了车轮偏转角度由方向盘控制。为了使驾驶员操纵方向盘时能感觉到路面的好坏情况（即路感），在控制滑阀两端增加两个油腔A、B

，分别与液压缸左、右腔相通，这时，移动控制滑阀阀芯时所需的力和液压缸两腔的压力差成正比，驾驶员操纵方向盘时就会感觉到转向阻力的大小。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

2.电液伺服阀

电液伺服阀具有体积小、结构紧凑、功率放大系数高、控制精度高，直线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好以及响应速度快等优点，广泛地应用在电液位置、速度、加速度、力伺服系统，以及伺服振动发生器中。电液伺服阀由电磁和液压两部分组成。1-永久磁铁；2-衔铁；3-扭轴；4-喷嘴；5-挡板；6-过滤器；7-滑阀；8-线圈；9-导磁体任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

2.电液伺服阀（1）电磁部分：电磁部分由永久磁铁1、两个导磁体9、线圈8和衔铁2等组成。它的作用是把输入的电信号转变为力矩，使衔铁偏转，以便控制液压部分，一般称它为力矩马达。永久磁铁将两个导磁体化为N极和S极。衔铁由扭轴3支撑，处于两个导磁体间形成的固定磁场中间。这时，通过导磁体和衔铁间隙处的磁通都是Φ定

并且方向相同，因而衔铁处于两个导磁体的中间位置。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

2.电液伺服阀（1）电磁部分：

当有控制电流输入线圈8时，衔铁被磁化，若通入的电流方向使衔铁上端为N极，下端为S极，则在衔铁和导磁体中又产生磁通Φ控。由右可看出，在右边的气隙中，磁通Φ定和Φ控的方向相同，因此总磁通是两者相加。在左边的气隙中，磁通Φ定和Φ控的方向相反，因此总磁通是两者相减的差值。这样，右边气隙中的磁通就大于左边气隙中的磁通，因而在衔铁上产生转矩，使衔铁连同挡板5顺时针偏转。衔铁的偏转使得支承它的扭轴3产生扭矩变形，并产生一个抵抗衔铁偏转的弹性反转矩，当这一弹性反转矩等于磁通在衔铁上产生的转矩时，衔铁就处于相对平衡位置。由于使衔铁偏转的力矩与输入的控制电流的大小成正比，同时扭轴的反转矩与它的转角也成正比，则衔铁的转角与输入的控制电流的大小成正比。控制电流越大，衔铁的偏转角也越大。如果输入控制电流的方向相反，则衔铁偏离中间位置的方向也相反。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

2.电液伺服阀（2）液压部分：液压元件是一个两级液压伺服阀，前置放大级是双喷嘴挡板式液压伺服阀，功率放大级是带有四条控制边的滑阀式液压伺服阀。任务六液压伺服阀系统简介三、液压伺服系统应用实例

2.电液伺服阀（2）液压部分压力p

为的油液从进油口进入，经过滤器6后再分别流经两个节流孔g