008液压元件压力流量.ppt

主讲：杨国来,2008.1.16,流体动力与控制学院,液压元件,第三章、压力控制阀 在液压传动系统中,控制油液压力高低的液压阀称之为压力控制阀,简称压力阀。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。在具体的液压系统中，根据工作需要的不同，对压力控制的要求是各不相同的：有的需要限制液压系统的最高压力，如安全阀；有的需要稳定液压系统中某处的压力值（或者压力差，压力比等），如溢流阀、减压阀等定压阀；还有的是利用液压力作为信号控制其动作，如顺序阀、压力继电器等。,3-1、溢流阀一、溢流阀的作用 在液压系统中维持定压是溢流阀的主要用途。它常用于节流调速系统中，和流量控制阀配合使用，调节进入系统的流量，并保持系统的压力基本恒定。如图2-9(a)所示，溢流阀2并联于系统中，进入液压缸4的流量由节流阀3调节。由于定量泵1的流量大于液压缸4所需的流量，油压升高，将溢流阀2打开，多余的油液经溢流阀2流回油箱。因此，泵在这里溢流阀的功用就是在不断的溢流过程中保持系统压力基本不变。用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。如图2-9(b)所示的变量泵调速系统。在正常工作时，安全阀2关闭，不溢流，只有在系统发生故障，压力升至安全阀的调整值时，阀口才打开，使变量泵排出的油液经溢流阀2流回油箱，以保证液压系统的安全。,二、溢流阀的基本结构及其工作原理 溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。几乎在所有的液压系统中都需要用到它，其性能好坏对整个液压系统的正常工作有很大影响。,直动式溢流阀结构简单，动作灵敏，但压力稳定性差，只适用于低压或小流量的场合,先导式溢流阀工作示意图,先导式溢流阀卸荷示意图,显然，先导式溢流阀的调压偏差比直动式溢流阀小，即先导式溢流阀的压力稳定性好。但动作不如直动式溢流阀灵敏，对压力变化的响应速度比直动式溢流阀慢。总的来讲，先导式溢流阀调压偏差小，压力稳定性好，调压范围大，因而在液压系统中广泛应用。,（3-40）,（3-41）,（3-42）,先导控制部分的力学动态平衡方程、流量连续性方程和流量表达式为：,以上各式已经对流量表达式,和,进行了线性化处理。,其中,导阀的阀口流量增益；,导阀的阀口流量压力系数；,固定液阻的液导；,导阀阀座面积；,导阀运动部分的质量；,导阀的运动阻尼系数；,导阀工作点的稳态液动力刚度。,导阀阀座面积；,（3-44）,将这些方程式写成拉氏变换式，并进行适当的归并后，可得,回路的开环增益,式中,工作点的导阀开度。,一阶迟后环节的频率,二阶振荡环节的频率,对于先导式阀来说，除了应该具有良好的灵敏度外，重要的问题是保证工作的稳定性。由图3-25可见，为了保证控制回路的稳定性，应使以下不等式成立,（二）主阀部分主阀部分除了主阀以外，还应包括供油腔以及与先导控制油路相联系的。很容易求得主阀的运动微分方程：,连续性方程：,阀口及液阻的流量表达式,根据这些方程式，可以画出以主油路的供油流量 为输入量、阀芯位移 为输出量的传递函数方块图,主阀部分的开环传递函数总增益以及它所包含的三个环节的频率为：开环总增益,从该图可以清楚地看到，液阻 形成小回路的速度负反馈而起到增加振荡环节动态阻尼的作用。,式中,工作点的溢流压力；,工作点的主阀开度。,一阶迟后环节的频率,二阶振荡环节的频率,一阶微分环节的频率,二、减压阀 减压阀是使出口压力(二次压力)低于进口压力(一次压力)的一种压力控制阀。其作用是降低液压系统中某一回路的油液压力，使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。减压阀在各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用较多。此外，当油液压力不稳定时，在回路中串入一减压阀可得到一个稳定的较低的压力。根据减压阀所控制的压力不同，它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。1.定值输出减压阀,工作特性。理想的减压阀在进口压力、流量发生变化或出口负载增加，其出口压力p2总是恒定不变。但实际上，p2是随p1、q的变化，或负载的增大而有所变化。由图5-20(a)可知，当忽略阀芯的自重和摩擦力，当稳态液动力为Fbs时，阀芯上的力平衡方程为：p2AR+Fbs=ks(xc+xR)(5-7)式中：ks为弹簧刚度；xc为当阀芯开口xR=0时弹簧的预压缩量，其余符号见图，亦即：p2=ks(xc+xR)-Fbs/AR(5-8)若忽略液动力Fbs，且xRxc时，则有：p2ksxc/AR=常数(5-9)这就是减压阀出口压力可基本上保持定值的原因。,2.定差减压阀定差减压阀是使进、出油口之间的压力差等于或近似于不变的减压阀，其工作原理如图5-22所示。高压油p1经节流口xR减压后以低压p2流出，同时，低压油经阀芯中心孔将压力传至阀芯上腔，则其进、出油液压力在阀芯有效作用面积上的压力差与弹簧力相平衡。,p=p1-p2=ks(xc+xR)/(D2-d2)/4,图5-23定比减压阀,3.定比减压阀 定比减压阀能使进、出油口压力的比值维持恒定。图5-23所示为其工作原理图，阀芯在稳态时忽略稳态液动力、阀芯的自重和摩擦力时可得到力平衡方程为：p1A1+ks(xc+xR)=p2A2(5-11)式中：ks为阀芯下端弹簧刚度；xc是阀口开度为xR=0时的弹簧的预压缩量；其它符号如图所示。若忽略弹簧力(刚度较小)，则有(减压比)：p2/p1=A1/A2(5-12)由式(5-12)可见，选择阀芯的作用面积A1和A2，便可得到所要求的压力比，且比值近似恒定。,将先导式减压阀和先导式溢流阀进行比较，它们之间有如下几点不同之处：减压阀保持出口压力基本不变，而溢流阀保持进口处压力基本不变。在不工作时，减压阀进、出油口互通，而溢流阀进出油口不通。为保证减压阀出口压力调定值恒定，它的导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱；而溢流阀的出油口是通油箱的，所以它的导阀的弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道和出油口相通，不必单独外接油箱。,先导式溢流阀结构 滑阀式减压阀结构,三、顺序阀 顺序阀是用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序。依控制压力的不同，顺序阀又可分为内控式和外控式两种。前者用阀的进口压力控制阀芯的启闭，后者用外来的控制压力油控制阀芯的启闭(即液控顺序阀)。顺序阀也有直动式和先导式两种，前者一般用于低压系统，后者用于中高压系统,直动式外控顺序阀,四、压力继电器,图5-27压力继电器1柱塞2杠杆3弹簧4开关,节流阀按其功能和用途分 调速阀 分流集流阀它们的共同特点是：利用改变阀中节流口的过流断面面积的大小来控制通过阀的流量，从而实现执行元件运动速度的调节。,第四章、流量控制阀(Flow Control Valve),节流阀结构图,节流阀结构图,2.节流阀(Throttle Valve),旋转调节手轮，阀芯转动，即可改变节流口过流面积，实现对流经节流阀的流量控制。,节流阀的应用,节流阀在定量泵液压系统中，与溢流阀配合组成节流调速系统，以调节执行元件的运动速度。由节流阀的流量特性可知，当负载变化时，节流阀前后压差随之发生变化，通过节流阀的流量也就变化。这样，执行元件的运动速度将受到负载变化的影响。所以只能用在恒定负载或对速度稳定性要求不高的场合。,3 调速阀(2-way Flow Control Valve),要避免负载压力变化对阀流量的影响，应设法保证在负载变化时阀中的节流口前后压差不变。调速阀就是根据这一设想而产生的。调速阀由定差减压阀和节流阀串联组成。,由定差减压阀和节流阀串联组成的调速阀多用于主油路系统控制出口,溢流节流阀a）结构原理 b）详细符号 c）简化符号 1-溢流阀芯 2-节流阀,调速阀a）结构原理图 b）详细符号 c）简化符号,1-减压阀芯 2-节流阀,节流阀特性曲线图,(1)压差对流量的影响。节流阀两端压差p变化时,通过它的流量要发生变化,三种结构形式的节流口中,通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。(2)温度对流量的影响。油温影响到油液粘度,对于细长小孔,油温变化时,流量也会随之改变,对于薄壁小孔粘度对流量几乎没有影响,故油温变化时,流量基本不变。,(3)节流口的堵塞。节流阀的节流口可能因油液中的杂质或由于油液氧化后析出的胶质、沥青等而局部堵塞,这就改变了原来节流口通流面积的大小,使流量发生变化,尤其是当开口较小时,这一影响更为突出,严重时会完全堵塞而出现断流现象。因此节流口的抗堵塞性能也是影响流量稳定性的重要因素,尤其会影响流量阀的最小稳定流量。一般节流口通流面积越大,节流通道越短和水力直径越大,越不容易堵塞,当然油液的清洁度也对堵塞产生影响。一般流量控制阀的最小稳定流量为0.05L/min。,节流元件的作用,液压传动系统对流量控制阀的主要要求有:(1)较大的流量调节范围,且流量调节要均匀。(2)当阀前、后压力差发生变化时,通过阀的流量变化要小,以保证负载运动的稳定。(3)油温变化对通过阀的流量影响要小。(4)液流通过全开阀时的压力损失要小。(5)当阀口关闭时,阀的泄漏量要小。,二、普通节流阀,1工作原理 图531所示为一种普通节流阀的结构和图形符号。这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。压力油从进油口P1流入孔道和阀芯1左端的三角槽进入孔道b，再从出油口P2流出。调节手柄3，可通过推杆2使阀芯作轴向移动，以改变节流口的通流截面积来调节流量。阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上，这种节流阀的进出油口可互换。,不同开口时节流阀的流量特性曲,2、节流阀的刚性 节流阀的刚性表示它抵抗负数变化的干扰,保持流量稳定的能力,即当节流阀开口量不变时,由于阀前后压力差p的变化,引起通过节流阀的流量发生变化的情况。流量变化越小,节流阀的刚性越大,反之,其刚性则小,如果以T表示节流阀的刚度,则有：T=dp/dq(5-13)由式q=KApm，可得：T=pm-1Kam(5-14)从节流阀特性曲线图5-32可以发现,节流阀的刚度T相当于流量曲线上某点的切线和横坐标夹角的余切,即T=cot(5-15),由图5-32和式(5-14)可以得出如下结论:(1)同一节流阀,阀前后压力差p相同,节流开口小时,刚度大。(2)同一节流阀,在节流开口一定时,阀前后压力差p越小,刚度越低。为了保证节流阀具有足够的刚度,节流阀只能在某一最低压力差p的条件下,才能正常工作,但提高p将引起压力损失的增加。(3)取小的指数m可以提高节流阀的刚度,因此在实际使用中多希望采用薄壁小孔式节流口,即m=0.5的节流口。,对于一般的调速阀，通常迟后环节的频率,很高，超前环节的,也远大于振荡环节的,。而且调速阀的定差减压阀工作压差很小，所以弹簧刚度 比溢流阀低得多。因此，起主导作用的是二阶振荡环节。与直动式溢流阀相类似（甚至更差），没有附加阻尼,时的对数幅频特性穿越斜率为2，所以很难保证工作的稳定性。,在与容腔,相联的敏感腔上设置阻尼孔,、,后，可以使原来频率较低的阀芯机械谐振频率变为频率较高的液压谐振频率，并且增加了一个起主导作用的低频滞后环节，从而可以使阀的工作稳定性得到保证。,稳态工作时减压阀芯的力平衡方程（忽略液动力、摩擦力和自重）为,由于定差减压阀的弹簧刚度很小，阀芯大端面积较大，而阀口开度变化很小（x x0），可以认为节流口前后压差近似等于常数。例如，当调速阀出口压力p1受负载影响而变化时，将引起减压阀芯的运动，从而改变减压阀口的开度，使减压阀出口压力做相应的变化，并保持节流口前后压差基本不变，在这里定差减压阀起着压力补偿的作用。所以，当调速阀的节流口开度一定时，通过调速阀的流量就基本保持不变，而与负载变化无关。,调速阀与节流阀的流量特性比较,q 节流阀 调速阀 Dp Dpmin,图中曲线可以看出，节流阀的流量随其进出口压差的变化而变化；调速阀在其进出口压差大于一定值后，流量基本不变。在调速阀进出口压差很小时，由于定差减压阀阀芯被弹簧推至最右端，减压口全部打开，不起减压作用，此时流量特性与节流阀相同。所以调速阀正常工作的进出口压差应不小于0.5MPa。一般为0.5MPa。,调速阀和节流阀一样，也是在定量泵液压系统中，与溢流阀配合组成节流调速系统，以调节执行元件的运动速度。由于调速阀的流量与负载变化无关，因此适用于执行元件的负载变化大，而运动速度稳定性又要求较高的节流调速系统。,调速阀的结构图,调速阀结构原理图,旁通形调速阀,p1,p3,p2,分流阀的结构原理图,分流集流阀的结构原理图,三、压力的表示方法及单位 液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。因为在地球表面上，一切物体都受大气压力的作用，而且是自成平衡的，即大多数测压仪表在大气压下并不动作，这时它所表示的压力值为零，因此，它们测出的压力是高于大气压力的那部分压力。也就是说，它是相对于大气压(即以大气压为基准零值时)所测量到的一种压力，因此称它为相对压力或表压力。另一种是以绝对真空为基准零值时所测得的压力，我们称它为绝对压力。当绝对压力低于大气压时，习惯上称为出现真空。因此，某点的绝对压力比大气压小的那部分数值叫作该点的真空度。如某点的绝对压力为4.052104Pa(0.4大气压)，则该点的真空度为0.6078104Pa(0.6大气压)。绝对压力、相对压力(表压力)和真空度的关系如图2-4所示。,图2-2绝对压力与表压力的关系 图2-3真空由图2-2可知，绝对压力总是正值，表压力则可正可负，负的表压力就是真空度，如真空度为4.052104Pa(0.4大气压)，其表压力为-4.052104Pa(-0.4大气压)。我们把下端开口，上端具有阀门的玻璃管插入密度为的液体中，如图2-3所示。如果在上端抽出一部分封入的空气，使管内压力低于大气压力，则在外界的大气压力pa的作用下，,管内液体将上升至h0，这时管内液面压力为p0，由流体静力学基本公式可知：pa=p0+gh0。显然，gh0就是管内液面压力p0不足大气压力的部分，因此它就是管内液面上的真空度。由此可见，真空度的大小往往可以用液柱高度h0=(pa-p0)/g来表示。在理论上，当p0等于零时，即管中呈绝对真空时，h0达到最大值，设为(h0max)r，在标准大气压下，(h0max)rpatm/g=10.1325/(9.8066)=1.033/水的密度=10-3kg/cm3，汞的密度为13.610-3kg/cm3。所以(h0max)r1.03310-3=1033cmH2O=10.33mH2O或(h0max)r1.03313.610-3=76cmHg=760mmHg即理论上在标准大气压下的最大真空度可达10.33米水柱或760毫米汞柱。根据上述归纳如下：,(1)绝对压力大气压力+表压力(2)表压力绝对压力-大气压力(3)真空度大气压力-绝对压力压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa1N/m2。由于此单位很小，工程上使用不便，因此常采用它的倍单位兆帕，符号MPa。1Mpa=105Pa四、帕斯卡原理 密封容器内的静止液体，当边界上的压力p0发生变化时，例如增加p，则容器内任意一点的压力将增加同一数值p0也就是说，在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传到液体各点。这就是帕斯卡原理或静压传递原理。在液压传动系统中，通常是外力产生的压力要比液体自重(h)所产生的压力大得多。因此可把式(2-16)中的h项略去，而认为静止液体内部各点的压力处处相等。,