电液比例压力阀的工作原理与应用

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：弹簧3的弹簧力较小，用于在比例电磁铁输出推力为零时克服摩擦力，确保阀芯关闭。与输入电信号成比例的电磁力与阀座孔口处的轴向液压力相平衡。压力反馈先导式比例减压阀级间动压反馈原理和前述溢流阀的相同。如本章4.2节所述，传统先导式压力阀的先导阀控制的是主阀上腔压力，先导阀所受弹簧力和主阀上腔的压力相平衡。控制特性一般有占总调节范围20%左右的零位死区，这是所有单向调节电液比例阀的共同特点。

图4-86 不带电反馈直接作用式比例溢流阀

1—比例电磁铁 2—阀芯 3—弹簧

用比例电磁铁取代普通压力阀的手调弹簧力控制机构便可得到比例压力阀。

1.直接作用式比例溢流阀

直接作用式比例溢流阀有不带电反馈与带电反馈的两种基本类型。阀本体结构与常规溢流阀结构相似。不带电反馈直接作用式比例溢流阀如图4-86a所示，图4-86b所示为其图形符号。比例电磁铁1的输出推力通过推杆传递给阀芯2。弹簧3的弹簧力较小，用于在比例电磁铁输出推力为零时克服摩擦力，确保阀芯关闭。与输入电信号成比例的电磁力与阀座孔口处的轴向液压力相平衡。关键在于比例电磁铁具有水平吸力特性，即在给定电流后，动铁（以及由它直接推动的阀芯）可以在工作行程内（如2mm、3mm等，视电磁铁规格而异）移动，而输出推力不变。当液压力小于比例电磁铁输出推力和弹簧预紧力（预紧力近似为0）的合力时阀芯关闭，无溢流。当液压力大于比例电磁铁输出推力和弹簧预紧力的合力时阀芯开启，开始溢流。溢流压力与比例电磁铁输入电信号成比例。

直接作用式电反馈型比例溢流阀如图4-87a所示，图4-87b所示为其图形符号。比例电磁铁2的输出推力由动铁3通过弹簧4传递给阀芯6，位移传感器1的动杆与电磁铁的动铁3固连，随时检测动铁位移并反馈至带PID控制单元的电控器，用反馈信号对输入信号的偏差值对电磁铁进行控制，使动铁继续移动直至偏差值为零，构成动铁位移的闭环控制，使弹簧4得到与输入信号成比例的精确压缩量，使阀达到更高的控制精度。弹簧5是阀芯前端的保护性弹簧。

图4-87 直接作用式电反馈型比例溢流阀

1—位移传感器 2—比例电磁铁 3—动铁 4、5—弹簧 6—阀芯 7—阀口

不同压力等级的比例阀不能像传统压力阀那样，用更换不同刚度的调压弹簧来实现压力等级的变化，而是依靠改变阀口7的孔径（即改变了阀芯6的承压面积）来实现压力等级的变化。由于不同压力等级的阀外形尺寸相同，加上不同规格比例电磁铁的最大输出力不是成倍的增大，所以不同压力等级的溢流阀常采用相近甚至相同规格的比例电磁铁。这样，这类比例阀不同等级的最大调节压力就只能依靠改变阀孔的直径来达到。

2.先导式比例压力阀

（1）先导式比例压力阀级间动压反馈的原理图4-88a所示为输出压力直接检测反馈先导式比例溢流阀原理。所谓压力直接检测，指的是与输入信号相比较的正是所要控制的系统压力p_A。图4-88b所示为其图形符号。压力直接检测反馈即所谓级间动压反馈，其原理是：主阀芯6运动时在动态阻尼孔1（R₁）两端产生的压差作用在先导阀芯两端面，经先导阀的控制对主阀芯的运动产生阻尼作用。先导阀芯3为有直径差的二节同心滑阀，大、小端面积差与压力反馈推杆2的承压面积相等。稳态时动态阻尼孔R₁两侧液压力相等，先导阀芯大、小端的压力相等；同时先导阀芯大端受压面积（大端面积减去反馈推杆面积）和小端受压面积相等，因而先导阀芯两端静压力平衡。先导阀芯只受反馈推杆的推力（等于反馈推杆面积和p_A的乘积）和比例电磁铁的推力，两个推力比较，决定了阀芯位置与阀口开度。由于稳态时比例电磁铁4推力直接与p_A进行比较，构成直接检测反馈，即阀的输出变量p_A通过反馈推杆对先导阀芯构成了负反馈，阀在本质上是一个闭环系统。图4-89a所示为压力直接检测反馈先导式比例减压阀原理，图4-89b所示为其图形符号。压力反馈先导式比例减压阀级间动压反馈原理和前述溢流阀的相同。

图4-88 压力直接检测反馈先导式比例溢流阀

1、5—动态阻尼孔 2—推杆 3—先导阀芯 4—比例电磁铁 6—主阀芯

图4-88和图4-89所示的主阀结构与传统先导溢流阀和减压阀相同，均有A、B两个外接油口。如本章4.2节所述，传统先导式压力阀的先导阀控制的是主阀上腔压力，先导阀所受弹簧力和主阀上腔的压力相平衡。当流量变化引起主阀液动力的变化时会产生调压偏差。而级间动压反馈的先导压力阀，若忽略先导阀液动力和摩擦力的影响，其输入电磁力主要与被控压力p_A（或p_B）作用在反馈推杆上的力相平衡，因而形成反馈闭环控制，当流量和减压阀的进口压力变化时被控压力p_A（或p_B）均能保持恒定。应用此原理的比例压力阀动态稳定性显著提高，不会出现传统压力阀易产生的振荡和啸叫现象。

图4-89 压力反馈先导式比例减压阀

1、5—动态阻尼孔 2—推杆 3—先导阀芯 4—比例电磁阀 6—主阀芯

图4-90 直接检测型先导式比例溢流阀典型结构

此外，阀的响应性能可调。这是由于先导阀芯端面对动态液阻R₂上的压降有转换放大作用，故调整液阻（改变动态阻尼孔R₂孔径）即可很方便地调节阀的响应性能指标。

（2）直接检测型先导式比例溢流阀直接检测型先导式比例溢流阀的典型结构如图4-90所示。其结构的主要特点是：先导级带电反馈，主阀为插装阀结构。先导阀芯与主阀芯轴线相互平行，便于主阀检修。主阀敏感腔（主阀上部弹簧腔）是先导油路的控制对象，从在系统中的实际功能看，先导阀主要承担调节系统压力，主阀主要承受调节系统多余流量的功能。实际上，各种不同流量规格比例溢流阀，都是用同一种控制流量仅2L/min左右的直动式阀作为先导级。每一种流量规格的阀，都对应不同的压力等级。如前所述，这既可提高其调节精度，又可提高运行可靠性。先导式比例溢流阀的特性曲线如图4-91所示。控制特性一般有占总调节范围20%左右的零位死区，这是所有单向调节电液比例阀的共同特点。

图4-91 先导式比例溢流阀的特性曲线

注：上述曲线是在B口的压力在整个流量范围内均等于零的情况下获得的。

（3）先导式三通比例减压阀通常所讲的比例减压阀一般指定值减压阀，即受控参数是比进口压力低的阀出口压力，而专门用途的定差减压阀（维持阀进出口压差为常值）与定比减压阀（进出口压力之比为常值）不在讨论范围之内。

先导式三通比例减压阀的典型结构如图4-92a所示，图4-92b所示为其图形符号。阀的工作原理如下：

1）当P口失压时，主阀芯在对中弹簧4、18作用下处于中位，P、A、T三个油口相互封闭。当P口升压时，先导控制油通过钻孔通道16、液阻5进入弹簧腔2（油液进一步流向A口以及阀芯右弹簧腔19，由于液阻5的存在，主阀芯左端压力高于右端压力），推动主阀芯向右移，打开P口至A口的通道。

2）A口打开之后，A口的液压油通过主阀芯内部通道引到主阀芯右侧弹簧腔19（主阀道始终保持弹簧腔19与A口相通）。在A口压力未达到比例电磁铁的调定值之前，由于P到A之间还存在一条从P经过先导流量稳定器6、液阻5、主阀芯左端部液阻3到A口的并联油路，所以，主阀芯左端压力高于右端压力，主阀芯一直维持P到A打开的状态。

3）当A口压力达到设定值时，先导锥阀12开启，先导液桥正常工作。此时，主阀左弹簧腔压力降低，由于主阀芯左端部液阻3的存在，主阀芯右端压力等于A口压力。因此，在两端压差作用下，主阀芯左移，基本关闭负载油口A口（此时，先导液桥正常运作，可视为由先导流量稳定器6与先导阀口构成的B半桥）。

4）当A口的压力超过先导阀的设定压力时，主阀芯进一步左移，打开A到T的阀口，将A口压力限定到设定值。同样，如果负载口A出现反向流动时，负载口的高压，使A、T口进一步开大，起到溢流阀的功能，负载腔油液由A、T阀口流回油箱。

由于这种阀的主阀体套用方向阀阀体，所以有些通道是闲置的。

图4-92 先导式三通比例减压阀

1—主阀体 2、19—弹簧腔 3、5—液阻 4、18—对中弹簧 6—流量稳定器 7—连通油路 8—先导滑阀 9—先导阀体 10—阀芯孔 11—接头 12—先导锥阀 13—电气接头 14—集成式电放大器 15—比例电磁铁 16—通道 17—泄漏油道 20—主阀芯

电液比例压力阀的工作原理与应用

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