第四章液压伺服驱动元件 上泽成大坐 上浙克1大当 什么是戒压饲原系统？意过液压垫制元件的功率救大作 主要讨论内容 用，将爵的输入信号加以放大， 第一部分：控制元件 运动规停的自门节反使果轨。 着重分析液压控制阀、动力机构、伺服阀 被压句票黑动元件使构建液压间限 条镜的枝心环带 的静、动态特性。（本章） 第二部分：控制系统 主要介绍电液位置伺服系统、速度伺服系 统、力同服系统和机液伺服系统的基本原理、 分析与设计。（第五章） 4.1、概述 )承文点人岁 上帝文1大坐 液压系统的主要构成 中的阳 流体传动及控制专业的两大专业内容 春白雪高品 伺服系统 伺服阀 液压元件 液压同服 与传动系统 控制)系统 比例阀 比例系统 先修基础课： ◆流体力学 ◆液压传动 ◆自动控制理论 ，。。4。。 传动系统 液压伺服系统的发展概况 上潘成1大孝 上活丝大举 1940年，飞机上 液压伺服系统的工作原理 首先出现电液何 服系统 先讨论一下液压传动系统和液压伺服系统 的区别 Hydraulic 50年代末，喷需挡板阀为 Control 前置级的两级滑阀式何服 Systems by Herbert E. 阀出现 Merritt (Hardcover) 6O年代，Merrit著《Hydraulic control system》出版，液压伺服理论趋于完善。 国内在60年代以后，液压伺服技术开 始得到发展
1 第四章 液压伺服驱动元件 什么是液压伺服系统？ 通过液压控制元件的功率放大作 用，将微弱的输入信号加以放大， 并驱动液压执行元件，使之自动、 连续、快速而精确地复现输入信号 运动规律的自动调节反馈系统。 液压伺服驱动元件是构建液压伺服 系统的核心环节 主要讨论内容 第一部分：控制元件 着重分析液压控制阀、动力机构、伺服阀 的静、动态特性。（本章） 第二部分：控制系统 主要介绍电液位置伺服系统、速度伺服系 统、力伺服系统和机液伺服系统的基本原理、 分析与设计。（第五章） 4.1、概述 流体传动及控制专业的两大专业内容 液压元件 与传动系统 液压伺服 （控制）系统 先修基础课： 流体力学 液压传动 自动控制理论 液压系统的主要构成 伺服驱动，液 压系统中的阳 春白雪。高品 质、娇贵······ 换 向 阀 调 速 阀 伺服系统 传动系统 比例系统 伺服阀 比例阀 . . . . . . 液压伺服系统的发展概况 国内在60年代以后，液压伺服技术开 始得到发展。 60年代，Merrit 著《Hydraulic control system》出版，液压伺服理论趋于完善。 50年代末，喷嘴挡板阀为 前置级的两级滑阀式伺服 阀出现 1940年，飞机上 首先出现电液伺 服系统 液压伺服系统的工作原理 先讨论一下液压传动系统和液压伺服系统 的区别
以调速为例： 上泽成大坐 上浙克1大当 节流调速液压伺服系统实例 节流调速液压传动 节流方式液压传动 系统实例 节流方式液压 伺服系统： 系统： 性能： 性能： ◆传感器精度 M ◆有一定的稳态速 主要确定了 系统的精度 度控制精度 ◆有一定的动 ◆动态速度控制性 态响应能力 能较差 P: 3 ◆闭环 ◆开环 山 ◆流量自动调 节 ◆流量手动调节 两者的比较(1) )承文点人岁 两者的比较(2) 上活文1大修 传动系统 伺服系统 传动系统 伺服系统 控调速阀，节流阀 伺服阀（通俗地说：它 控手动调速、 顺序控制、加位置、速度、力等各种 是精密的比例换向阀， 制 载控制等 物理量的自动控制 元 阀芯位移与输入电流成 正比，起换向阀和流量 的 控制阀作用。) 控开环 闭环 性侧重静态，考虑调速范更侧重于动态，考虑稳 对被控对象不进行在线检 在线检测反馈，自动调 能围、低速稳定性、速度刚 定性、动态响应、控制 原 测反馈，无即时修正能 整、修正，有抗干扰能 度和效率等 精度等 力，不存在稳定性问题 力， 存在稳定性问题 上潘成1大孝 上活丝大拳 液压同服系统的组成 指令装置，向系统发出指令信号，如电位器、计算机： 检测反馈元件，检测被控制量，将系统的输出转换为反馈信 号，如电位计，测速机： 比较元件，给出系统输入与反馈信号之差，如加法器： 同服放大器，将偏差信号放大、转换，产生控制信号，如电流 比较元件 液压源 干扰， 反馈线性伺服放大器： 液压控制元件，起信号变换（如电流一流量）、能量变换及放 指令装置 翱一腰一翻翻 大（如电气一液压）作用，输出一与输入电流成正比的流 量，如伺服阀： 反馈元件← 执行机构，接受液压功率放大器的流体动力，驱动工作机构， 如油缸、液压马达： 校正环节，改善系统或局部环路的性能，如滞后校正电路。 2
2 以调速为例： 节流方式液压传动 系统： 性能： 有一定的稳态速 度控制精度 动态速度控制性 能较差 开环 流量手动调节 节流调速液压传动 系统实例 节流调速液压伺服系统实例 节流方式液压 伺服系统： 性能： 传感器精度 主要确定了 系统的精度 有一定的动 态响应能力 闭环 流量自动调 节 两者的比较（1） 闭环 在线检测反馈，自动调 整、修正，有抗干扰能 力，存在稳定性问题 开环 对被控对象不进行在线检 测反馈，无即时修正能 力，不存在稳定性问 题 控 制 原 理 伺服阀（通俗地说：它 是精密的比例换向阀， 阀芯位移与输入电流成 正比，起换向阀和流量 控制阀 作用。） 控 调速阀 ，节流阀 制 元 件 传动系统 伺服系统 两者的比较（2） 更侧重于动态，考虑稳 定性、动态响应、控制 精度等 侧重静态，考虑调速范 围、低速稳定性、速度刚 度和效率等 性 能 要 求 位置、速度、力等各种 物理量的自动控制 手动调速、顺序控制、加 载控制等 控 制 功 能 传动系统 伺服系统 液压伺服系统的组成 指令装置 比较元件 伺服 放大器 液压控 制元件 执行 机构 被控 对象 反馈元件 液压源 干扰 校正 环节 ＋ － 指令装置，向系统发出指令信号，如电位器、计算机； 检测反馈元件，检测被控制量，将系统的输出转换为反馈信 号，如电位计，测速机； 比较元件，给出系统输入与反馈信号之差，如加法器； 伺服放大器，将偏差信号放大、转换，产生控制信号，如电流 反馈线性伺服放大器； 液压控制元件，起信号变换（如电流－流量）、能量变换及放 大（如电气－液压）作用，输出一与输入电流成正比的流 量，如伺服阀； 执行机构，接受液压功率放大器的流体动力，驱动工作机构， 如油缸、液压马达； 校正环节，改善系统或局部环路的性能，如滞后校正电路
上泽成大坐 液压伺服系统的优点 上浙克1大当 液压伺服系统的分类 1、功率一重量比大 1、按控制信号分：机液、电液等： 同样功率的控制系统，液压伺服系统体积小、重量 轻，这在航空等领域有重大意义。典型情况下，电 2、按液压控制元件分：阀控系统（阀控节 机：17WN:液压泵和马达：170WN 流原理)、泵控系统（泵控改变排量）、 2、力矩一惯量比大 无阀系统： 具有产生大加速度的能力，动态响应快，在兵器等 3、按被控物理量分：位置伺服系统、速度 行业有实用价值。液压马达： 一般情况下是电机的 10~20倍，但目前力矩电机等有缩小差距的趋势。 伺服系统、力伺服系统等： 3、刚度大，抗干扰能力强 4、按液压动力机构是否对称分：对称系 4、调速比范围大，如马达系统：200°s~0.001°s、 统、非对称系统。 调速比为200000. 5、实现直线伺服驱动方便、容易.直流电机的力一质量 比为130N/g,而油缸为13000N/kg,相差100倍。 )承文点人岁 所文1大步 液压伺服系统的缺点 液压伺服系统应用举例 1、对油液的污染敏感，同服阀的油液精度要求为 3μm: ◆加载试验系统，力伺 2、加工精度高、成本大： 服系统 3、使用维护不方便： 4、不宜作远距离传输： ◆六自由度电液句服平台 (航空，航天、航海、机 5、易污染环境，食品行业等难以应用： 器人等)，位置系统 6、过载能力低，当额定压力14MPa,一般最大便不能 超过21MPa。 对比：部分电机功率的瞬时过载功率可达到额定 工作功率的7一8倍 导致结果：不得不选用大容量的系统。 上潘成1大孝 液压控制阀的作用 上活丝大举 4.2、液压控制阀 同服系统中的液压控制阀： 液压传动系统中的液压控制阀指控制液体压 通过节流控制，达到与电信 力、流量和方向的三类开关阀或手动调节阀： 号成比例地控制流量或压力 阀 的目的。 液压伺服系统中的液压控制阀指可实现比例控 制的液压阀。 ◆在节流式液压同服中，它直接 控制执行元件动作： 液压控制阀是机械一液压转换装置，也是一种 ◆在容积式液压同服系统中，它 功率放大装置（故有些书把液压控制阀叫做液 直接控制泵的变量机构，改变 压放大元件)。 泵的输出流量，从而间接控制 执行元件动作。 3
3 液压伺服系统的分类 1、按控制信号分：机液、电液等； 2、按液压控制元件分：阀控系统（阀控节 流原理）、泵控系统（泵控改变排量）、 无阀系统； 3、按被控物理量分：位置伺服系统、速度 伺服系统、力伺服系统等； 4、按液压动力机构是否对称分：对称系 统、非对称系统。 液压伺服系统的优点 1、功率－重量比大 同样功率的控制系统，液压伺服系统体积小、重量 轻，这在航空等领域有重大意义。 典型情况下，电 机：17W/N；液压泵和马达：170W/N 2、力矩－惯量比大 具有产生大加速度的能力，动态响应快，在兵器等 行业有实用价值。液压马达：一般情况下是电机的 10～20倍，但目前力矩电机等有缩小差距的趋势。 3、刚度大，抗干扰能力强 4、调速比范围大，如马达系统：200°/s～0.001°/s、 调速比为200000。 5、实现直线伺服驱动方便、容易. 直流电机的力－质量 比为130N/kg，而油缸为13000N/kg，相差100倍。 液压伺服系统的缺点 1、对油液的污染敏感，伺服阀的油液精度要求为 3μm； 2、加工精度高、成本大； 3、使用维护不方便； 4、不宜作远距离传输； 5、易污染环境，食品行业等难以应用； 6、过载能力低，当额定压力14MPa，一般最大便不能 超过21MPa。 对比：部分电机功率的瞬时过载功率可达到额定 工作功率的7～8倍 导致结果：不得不选用大容量的系统。 液压伺服系统应用举例 六自由度电液伺服平台 （航空、航天、航海、机 器人等），位置系统 加载试验系统，力伺 服系统 4.2、液压控制阀 液压传动系统中的液压控制阀指控制液体压 力、流量和方向的三类开关阀或手动调节阀； 液压伺服系统中的液压控制阀指可实现比例控 制的液压阀。 液压控制阀是机械－液压转换装置，也是一种 功率放大装置（故有些书把液压控制阀叫做液 压放大元件）。 液压控制阀的作用 在节流式液压伺服中，它直接 控制执行元件动作； 在容积式液压伺服系统中，它 直接控制泵的变量机构，改变 泵的输出流量，从而间接控制 执行元件动作。 伺服系统中的液压控制阀： 通过节流控制，达到与电信 号成比例地控制流量或压力 的目的。 手控节流阀
上泽成大坐 浙克1大当 4.2.1、液压控制 圆柱滑阀 1~3Hm间隙 阀的结构类型及 特点 特点： ◆流量可大 ◆圆柱滑阀 可小、 ◆喷嘴挡板阀 ◆易计算和 ◆射流管阀 控制： ◆抗污染要 求高 ◆应用最广 泛 各种圆柱滑阀结构示意图 )承文点人岁 按台肩与阀套槽宽的组合分 所文1大坐 接食肉藏分 i压深* 正开口 触南天寸蒙大，外港水 的开口型式 零开和 负开 零开口： 线性增 、应用最多 正开口（负 77 上潘成1大孝 按阀口形状分 喷嘴挡板阀（双喷嘴） 形成压差的原理： [◆节流口1、2存在 「◆节流口3、4变化 Q ◆优点：结构简单、 公差较宽（制造精度 要求低)、特性可预 测、惯量小、动态响 全周开口： 局部开口： 应快： 大流量采用 中、小流量采用 ◆缺点：零位泄漏 大、功率损耗大，只 能用在小功率场合， 多作为前置级用， 4
4 4.2.1、液压控制 阀的结构类型及 特点 圆柱滑阀 喷嘴挡板阀 射流管阀 圆柱滑阀 1～3μm间隙 特点： 流量可大 可小、 易计算和 控制； 抗污染要 求高 应用最广 泛 各种圆柱滑阀结构示意图 按通道数分 （1）四通阀： 一通供油，一通回 油，二通负载，性能最好； （2）三通阀： 一通供油，一通回 油，一通负载，性能较差； （3）二通阀： 一通回油，一通负 载，性能最差。 按节流棱边分 （1）四边滑阀（四 通阀）： 有三个轴 向尺寸精度的要 求，应用最多，制 造最难； （2）双边滑阀 （ 三通阀）：有一 个轴向尺寸精度的 要求； （3）单边滑阀（二 通阀）： 无轴向尺 寸精度要求。 按台肩数分 （1）二台肩： 轴向尺寸最小，但静态 不稳定，回油压力不能高，导向性差； （2）三台肩： （3）四台肩： 轴向尺寸较大，外泄小 按台肩与阀套槽宽的组合分 xv QL 正开口 零开口 负开口 零开口： 线性增益， 应用最多 正开口（负重 叠）：需要连续液 流、恒流或伺服阀 前置级的场合 负开口（正重 叠）：有死 区，非线性 从零位附近流量 增益曲线可确定 阀的开口型式 按阀口形状分 全周开口： 大流量采用 局部开口： 中、小流量采用 喷嘴挡板阀（双喷嘴） 优点：结构简单、 公差较宽（制造精度 要求低）、特性可预 测、惯量小、动态响 应快； 缺点：零位泄漏 大、功率损耗大，只 能用在小功率场合， 多作为前置级用。 节流口1、2存在 节流口3、4变化 形成压差的原理：
射流管阀 上泽成大坐 4.2.2、液压控制阀的特性分析 上克1大 ww形 控制滑阀的特点？ 以滑阀为例来进行特性分 ◆配合公差要求 析，其结果可类推或思路适 流管 高，工艺难度 用于其它型式的阀。 ◆驱动部件质量 特 控责真骛大 dF022 接收器 喷嘴 瓷：响应较 ◆优点：抗污染能力强： ◆缺点：零位泄漏大、特性不易预 ◆可作前置级和 测（靠实验测得）、响应较慢，可 所有简服阀的 作前置级。 功率级。 三台肩四通滑阀图 )承文点人岁 三台肩四通滑阀分析 上活文1大举 Q供油 各阀的过流面积： A=A(x.) 假定：四个节流窗口是匹配且对称的 匹配：A(x,)=A,(x)4(-x)=A-x,) 对称：A(x,)=4(-x,)A(x,)=A,(-x) 四个节流窗口处流量系数均相同 回油 液流通道的等 Ca=Ca2=Ca=Ca4=Ca 效液压桥路 则有负载流量： ye0- Q=g-0.=0-0 上潘成1大孝 上活丝大举 通过阀口的流量 各阀口的流量 =CA 小孔节流下的流量公式： O-CA =C4 式中：C。:流量系数（无因次）： A:阀口面积： 由于匹配及对称，可推得： p:液体密度(glm) 9,=g 9=2 5
5 射流管阀 优点：抗污染能力强； 缺点：零位泄漏大、特性不易预 测（靠实验测得）、响应较慢，可 作前置级。 特点？ 4.2.2、液压控制阀的特性分析 配合公差要求 高，工艺难度 大 驱动部件质量 大，要有较大 的控制驱动 力，响应较 慢。 可作前置级和 所有伺服阀的 功率级。 以滑阀为例来进行特性分 析，其结果可类推或思路适 用于其它型式的阀。 控制滑阀的特点？ 三台肩四通滑阀图 液流通道的等 效液压桥路 供油 回油 三台肩四通滑阀分析 ( ) ( ) 1 v 3 v A x = A x ( ) ( ) 2 v 4 v A −x = A −x ( ) ( ) 1 v 2 v A x = A −x ( ) ( ) 3 v 4 v A x = A −x Cd1 = Cd 2 = Cd 3 = Cd 4 = Cd QL = Q1 − Q4 = Q3 − Q2 ( ) 各阀的过流面积： Ai iv = A x 假定： 四个节流窗口是匹配且对称的 匹配： 对称： 四个节流窗口处流量系数均相同 则有负载流量： 通过阀口的流量 小孔节流下的流量公式： 式中：Cd ：流量系数（无因次）； A：阀口面积； ρ：液体密度（ ） Q = Cd A ΔP ρ 2 3 kg / m 各阀口的流量 ( ) 2 Q1 = Cd A1 ps − p1 ρ ( ) 2 2 2 2 Q C A p p = d s − ρ 3 3 2 2 Q C A p d ρ = 4 4 1 2 Q Cd A p ρ = 由于匹配及对称，可推得： Q1 = Q3 Q2 =Q4