电液比例方向（流量）阀的应用与性能

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：有的比例方向阀还用定差减压阀或定差溢流阀对其阀口进行压差补偿，构成比例方向流量阀。电液比例方向阀中滑阀的配合间隙仅与开关型方向阀相当，因此对液压油的过滤精度要求比电液伺服阀低。电液比例方向阀既可用于开环系统，也可用于闭环系统。电液比例方向阀按其对流量的控制方式，可分为节流控制型与流量控制型两大类。

1.电液比例方向阀概述

电液比例方向阀能按输入电信号的正负和数值大小，同时实现液流方向控制和流量的比例控制。普通开关型方向阀只能实现液流方向控制。

根据结构形式，比例方向阀还可以分为四边滑阀式、二通插装式或三通插装式。

按照对功率级控制方式来分，比例方向阀又可以分为直接控制式（单级阀）和先导控制式。直接控制式和先导式又各有开环控制和阀芯位移反馈闭环控制两大类。有的比例方向阀还用定差减压阀或定差溢流阀对其阀口进行压差补偿，构成比例方向流量阀。此外，还有内含各种形式流量检测反馈闭环的流量反馈型电液比例方向阀，其受控流量只取决于输入的电信号，而与供油压力、负载压力及回油压力的变化无关。

电液比例方向阀中滑阀的配合间隙仅与开关型方向阀相当，因此对液压油的过滤精度要求比电液伺服阀低。电液比例方向阀的滞环、重复精度以及线性度等稳态控制特性与电液伺服阀相比，已达到基本相当的水平，不过，其动态特性要比伺服阀低，-3dB幅频宽一般在3～30Hz。电液比例方向阀可以像开关型方向阀那样，根据系统的控制要求，采用不同的滑阀中位机能。

电液比例方向阀既可用于开环系统，也可用于闭环系统。它和电液伺服阀的使用工况不同，往往在较大的参数调节范围内运行，而且中位死区较大。因此，设计、仿真时，不能像伺服阀那样简单地按照在零位附近线性化处理的原则，应充分考虑非线性因素的影响，而且要同时考虑时域和频域的动态特性。

电液比例方向阀按其对流量的控制方式，可分为节流控制型与流量控制型两大类。前者与比例节流阀相当，其受控参数是功率级阀芯的轴向位移或阀口开度，输出流量受负载压力和供油压力变化的影响；后者与比例流量阀相当，它由比例方向阀和定差减压阀或定差溢流阀组成压力补偿型比例方向流量阀。此外，还有内含各种形式流量检测反馈闭环的流量反馈型电液比例方向阀，其受控流量只取决于输入电信号，而与供油压力、负载压力及回油压力的变化无关。

2.普通型直控式比例方向节流阀

图4-93a所示为普通型直控式比例方向节流阀的典型结构，图4-93b所示为其图形符号。阀芯4两端各配置一只采用可更换线圈的比例电磁铁1和6，放大器外置。阀芯4装在阀体3中，采用双弹簧2和5机械对中的形式。阀芯4是四边滑阀结构，四控制边设有较大的正遮盖量x。阀芯4的两端弹簧安装时具有一定的预压缩量。因此，阀的稳态控制特性具有较大的中位（零位）死区，其起始电流往往可达额定电流的15%～30%。

3.位移－电反馈直控式比例方向节流阀

为了提高单级比例方向节流阀的控制精度，往往采用位移－电反馈方案。采用电感式位移传感器，来检测阀芯位移（即衔铁的位移）作为实际值，反馈至放大器的输入端，纳入闭环回路中，使阀芯的位置偏差不断得到校正。这种位置调节闭环，使阀芯对各种非线性干扰（如液动力变化，油液污染引起摩擦力变化等的影响）不敏感，而且能快速、准确地跟踪预调设定值。这种电反馈回路，一般设置PID调节器进行电校正，以提高阀的控制特性。图4-94所示为双比例电磁铁的位移-电反馈直控式比例方向节流阀的典型结构。除阀的左部增配了电感式位移传感器1和PID调节器2以外，其余部分均与图4-93所示的普通型直控式比例方向节流阀相同。

图4-93 普通型直控式比例方向节流阀

1、6—比例电磁铁 2、5—弹簧 3—阀体 4—阀芯

图4-94 位移-电反馈直控式比例方向节流阀结构

1—传感器 2—PID调节器 3、8—比例电磁铁 4、7—弹簧 5—阀芯 6—阀体

4.先导压力控制型比例方向节流阀

这类阀的常见形式是先导溢流型和先导减压型二级比例方向节流阀。图4-95a所示为先导减压型二级比例方向节流阀的结构，图4-95b所示为比例方向节流阀的图形符号。这种先导式比例阀的主要组成部分有：比例放大器5，两个力控制型比例电磁铁2和6，减压型先导阀3（先导阀芯4）及单弹簧对中型主阀7。

图4-95 先导减压型比例方向节流阀

1—弹簧 2、6—力控制型比例电磁铁 3—减压型先导阀 4—先导阀芯 5—比例放大器 7—单弹簧对中型主阀 8—主阀芯 9—控制腔

（1）工作原理当电磁铁失电时，主阀芯8两端容腔与先导口油相通。主阀芯在定位弹簧1的作用下处于中位。来自比例放大器的输入电信号在力控制型比例电磁铁2或6中按比例地转化为作用在先导阀芯上的力，与这个作用力相对应，在减压型先导阀3的出口A或B，得到一个压力p_c。此控制压力作用在主阀芯8的左或右端面上，形成液压力。该液压力克服弹簧1的推力推动主阀芯移动，直至液压力与弹簧力、液动力达到平衡为止。主阀芯位移的大小，即相应的阀口轴向开度的大小，取决于作用在主阀芯端面上的先导控制油压的高低。因此，可实现主阀阀口轴向开度（主阀芯位移）与输入电信号之间的比例控制关系。例如，若给力控制型比例电磁铁2输入一电信号，则在主阀左腔体内将产生与输入信号相对应的液压力，这个液压力通过固定在阀芯上的连杆，克服弹簧1的弹簧力使闭芯向右移动，主阀口P、B及A、T接通，主阀芯的右端面的油则经右固定阻尼孔和先导阀芯的阀口进入先导阀回油口Y；同时，进入先导阀芯的液压油，其油压则形成对减压阀控制压力的反馈。若忽略先导阀和主阀的液动力、摩擦力、阀芯质量和弹簧力等的影响，则先导减压阀的控制压力与电磁力成正比，进而又与主阀芯位移成正比，从而实现主阀芯轴向位移与输入信号成比例。

（2）先导控制油的选择根据系统要求，先导控制油可以是内供，也可以是外供。外供时的控制油压力一般在10MPa以下。内供时，当先导油的压力高于10MPa时，就必须考虑在先导油进口处加一片先导减压阀块，使先导油在进口处的压力低于10MPa，否则，会导致三通比例减压阀阀口的压力-位移增益太高，而使先导阀的工作稳定性变差。因此，用户在订货时必须注明先导油是内供或外供。

（3）弹簧设置在图4-95所示结构中，弹簧1有预压缩量，它可保证在相同输入信号时，左右两个方向上阀芯移动量相等。此外，弹簧座的悬置方式有利于滞环的减小。单弹簧结构除了简化结构、优化对称性等优点外，也为主阀芯配置位移传感器、形成电反馈闭环控制方案提供了方便。此外，定位弹簧1的刚度比较大，因而阀的阶跃响应及频率响应均比较快。

图4-96 伺服比例阀的稳态流量特性

在这种结构形式中，先导级输出压力与主阀芯位移之间无反馈联系，为开环控制。因此，主阀芯位移必然受到液动力、摩擦力等干扰力的影响。但是也有其优点，即制造和装配无特殊要求，通用性好，调整方便。

5.比例方向流量阀

前面介绍的电液比例方向节流阀，其受控参数是主阀芯的轴向位移（近似为主阀口轴向开度），而通过阀的流量将随阀口工作压差的变化而变化。负载压力的变化，以及供油压力的变化，都会引起阀口工作压差的改变。在定压系统中，当输入电信号调定不变时，负载压力升高，流量就减小，只有当负载压力变化不大或几乎不变化时，比例方向节流阀才能起到流量控制器的作用。而比例方向流量阀，其控制参数是通过阀的流量。

比例方向流量阀按工作原理可以分为压力补偿型和流量检测反馈型两大类。无论是哪一种类型，从工作原理角度看，都是在比例方向节流阀的基础上，或者加上压力补偿器，或者加上流量检测反馈装置，由这样的两部分组合而成。在具体结构上，这样的两部分，可以是分立的，也可以是一体的。

实际应用上，比例方向流量阀以压力补偿型居多。压力补偿型又可分为定差减压型、定差溢流型和负载压力补偿型等。按照补偿器控制比例方向节流阀的不同阀口的角度，压力补偿器又可分为进口压力补偿器与出口压力补偿器。这里的所谓“进口补偿器”是指补偿器控制比例方向阀中将液压油通向负载的阀口的压差，即P口至A（或B）口之间的进油阀口的压差为常数。所谓“出口补偿器”，是指控制B（或A）口至T口之间的回油阀口的压差为常数。从补偿器相对于比例方向节流阀的相对位置，也比较容易分出，即串联（减压型）或并联（溢流型）于节流阀进油侧P口前的为进口补偿器，串联于节流阀负载口一侧的为出口补偿器。

流量检测反馈型也有流量-压力反馈、流量-力反馈及流量-电反馈等多种形式。

电液比例方向（流量）阀的应用与性能

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