电液比例阀的设计和计算_

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1、电液比例阀的设计和计算广州机床研 究所液压室八义八八毕曰小八: : :.心. . . 人咖心X 内容简介:电液比例 阀的原理和 应 用已在本刊1975年第二期 及1 97 6年第二 期作T介绍,本文应读 者要求,介绍 了电液比例压力阀、电液比 例 流量阀、电液比例换向阀和电液比例复合 阀的设计和计算,并时其静态特性 作了简略分析,并于以后另文介绍其动态特性 分析和设计 实例,供读者参考。冬七民目l J亩.f十年来,液压行业出现了一种新的控制方式,即 电液比例控制。它介于电液开关控制和电液伺服控制之间,因而它具有这两种控制方式的一些特点,对于简易自动化、简易数控以及单参数适应控制等都能发挥一定的

2、作用。本刊曾介绍过电液比例控制的特点以及电液比例阀的原理、结构及 应用等方面的资料。近来,不少读者要求得到电液比例阀的设计计算方面的资料,现就我们认识水平作一粗浅介绍,供读者参考,并希批评指正。按目前出现的 电液比例阀可分为四大类,即电液比例压力阀,电液比例流量阀,电彼比例换向阀及 电液比例复合阀。前两种阀属 于单参数控制阀,即只控制压力或流量,后两种圈则属于多参数控制阀。电液比例换向阀不仅可以控制油流的流向,而且还可以由信号电流的大小控制油的流量;电液比例复合阀除具有电液比例换向阀的特点外,还具有压力可控的特点。电液比例阀的 工作原理很简单,它有两个组成部分,即电一机械比例转换装置及液压阀两

3、部分。前者可以把电的信号按比例地转换成机械力和位移,后者接受这种机械力和位移后可按比例地、连续地提供液压力、流量等的输出,从而实现 电一液两个参量的转换过程。简言之,电液比例阀就是以电一机械比例转换装置代替普通液压阀门的手柄,由电调代替手调。由上所述,不难看出电液比例控制的优点是:1.能简单地实现 自控、遥控、程控及初级的适应控制,2.把电的快速性、灵活性等优点与液压力量大等特点结合起来,3.能连续地、按比例地控制液压机构的力、速度及其方向,并能防止压力或速度变化或变向时的冲击现象;4.简化液压系统,减少元件的使用量,气、之叉佑心侧.7.乍专“伙:5.使用条件、保养、维修与普通液压阀相同,耐污

4、染,6.控制性能比伺服控制差,但其静动态性能可满足大多数机器的要求,技术上易于掌握。由于电液比例阀用 的电一机械比例转换装置的设计计算对于四类电液比例阀都是适用的,因此将不单独针对各类阀门进行讨论,而是单独形成一节,只在各类阀的静特性讨论中引入电一机械比例转换装置与阀本体的匹 配问题。同样地,流量阀、换向阀及复合阀均存在节流口型式及其计算问题,因此,这个共性问题将单独形成一节。本文只涉及到电液比例阀的结构设计及静态性能计算问题,计算实例及动态特性的分析将另文介绍。一、电一机械比例转换装置1.基本要求电液比例阀对电一机械转换装置的基本要求有如下几点:(l)能把电气信号按比例地、连续地转换成机械力

5、输给液压阀,(2)当电气信号 没有变化时,由于液压阀可动部分在工作范围内的移动,机械力大小不应变化,(3)当电气信号发生变化时,不论液压阀可动部分是否移动,机械力大小应发生相应的变化,并保证一定的线性关系;(4)当电气信号从小到大时机械力的变化曲线应尽量与电气信号从大到小时机械力的变化曲线相重复,其不重复性即滞环误 差(由磁滞及粘滞两部分组成)不应超出一定范围,如2终(对额定电流而言)。(5)在电液比例阀长期工作过程中,电一机械转换装置应能稳定工作,其温升不得超过要求。上 述要求中的第二点可用图1加以说明。在工作范围内,不管液压 阀体内的移动部件处于什么位置,电机械比例转换装置的输出机械力不能

6、改变,即力位移曲线图有一平段,该平段包含了整个工作范围。图2综合了第三、第四两点要求的情况。机械力与信号电流之间的线性关系以二者F0 ;少”_. t下工图2盒即叹力( ) F辛?、压.健呱、气-._dF_._二_._._._._._._._._._的增益的一致性来衡量,即共子. 在整个工作范围内是否接近常数以断定线性的好坏。磁”一R一一一一,d I一一”一一”一一、一一“一滞与粘滞摩擦带来了滞环误差,即电信号从小到大与从大到小时输出力图线的 不重合一、一、. 、.11._一、,、。_度。通常以资兰一x10 0男衡量这个误差。 。一”Ima二一一一一一、一 2.结构型式的分析被电液比例阀采用的

7、电机械比例转换装置主要有如表1所列几种型式。从目前情况看,最受欢迎的还是移动式力马达。虽然由于它 的动、静性能较差(因为使用一般材料,结构尺寸大,所以运动件的惯量大,且磁滞大,粘滞摩擦不可避免等),然而在一般情况下,它的优点远远超过了它的不足之处:结构简单可靠,用一般材料,工艺性好,而且输出力大,使用维护方便。为此,我们将集 中研究这种结构的设计计算问题。氏表1型式电机械比例转换装置的型式移 动 式力马达工作原理用途特点在由软磁材料组成的磁路1驱“针“或喷咀挡板,结构简单,使用 一般材中,有一激磁 线圈,当有信以控制比例压力阀或(及)料,工艺性好,机械 力较号电流 时,衔铁与扼铁之间!控制比例

8、换向阀 及比例 复大,控制电流也较大,使用出现吸力而使衔铁移动合阀。维护方便,静、动态性能较 “推动节流阀芯以控制比差_ _!例流量阀。悬 挂 式在由硬磁材料和软磁材料共 同组成的磁路中,有1一2个控制线 圈。当有信号 电流时,悬挂在 弹性元件上 的衔铁相对扼铁移动,并输出机械力。1.驱动针阀或喷咀(挡板)以控制比例压力阀。2.驱动喷咀(挡板)进而控制比例换 向阀。力马达结 构较简单,要用 较贵重材料,工艺性尚好多机械力较大,控制电流中等,使 用维护较方便,静、动态性能较好。力矩马达在由硬磁 及软磁 材料共同组成的磁 路中有2个控制 线圈。当有 信号电流时,支承在弹性元件或转轴上的衔铁相对扼铁

9、转动,并输 出机械力矩。1.带动 针阀或喷咀以控制比例压力阀或控制比例换向阀。2.带动节流阀(或经前置放大)以控制流量阀。结构复杂,用贵重材料,工艺性差,机械力矩小,控制电流小,结 构尺寸紧凑,静、动态性能优 良。冲叭伺服电机是一种细长形的直流 电动机,定子上有 激磁绕组,控制电流经整流子通向转子。转子的转向及转速 由控制电流的极性及大小所决定。经齿轮减速后带动比例阀。1.带动节流阀转动以控制比例 流量阀。2.带动针阀作直线移动以控制比例压力阀。结 构较复杂,多由专业厂提供产品,使用中可能出现电火花,静、动态 性 能一般。3.移动式力马达工作原 理及 其吸力特性移动式力马达也就是比例电磁铁。从

10、电磁铁分类来看,它是属于直流装甲式螺管电声t4熟,毛磁铁。其结构形式有两种,图3a及图3b所示就是其典型结构。它由软磁材料的铁芯,上、下骊铁,外壳以及激磁线圈、推杆、支承推杆的轴承等主要零件组成。图8 b从结构上看与图a 3之间的区别仅在于铁芯与下扼之 间工作气隙形状不 同而已。锥底比平底可得到更大的吸力(行程较小时)!,而平底更容易满足 比例阀所提出的基本要求,因此用得更为广泛。我们在说明工作原理和介绍设计方法时主要是针对这个结构而言。比例电磁铁的激磁线圈通上直流电流后即产生一磁场小,其磁通路是上扼铁、气隙、铁芯、工作气隙、下扼铁、外壳。在铁芯与下扼铁之间的工作气隙中,磁力线小分成两部分(见

11、图4):屯及机,其中小:是从铁芯端面经工作气隙到下扼铁端面,小:是从铁芯端面到下扼铁锥面。磁场的特性就是趋向于磁 阻减少的方向作用磁力,因此,小:及如都有减少 工作气隙即减少磁 阻的作用,小、的作用形成一个底面力F,小:的作用 形成一个锥,. . .卜- - -一一二二 粤粤粤粤剩剩日日日日日日日日日日日日日日日日日. . . . .L一一一一一一. . . 二二二肠肠肠仍 . 一一一一一l l l f 1 1 1叮.J J J工工工工工工工工工工工工工工工工工工呢呢头! ! !竺兰兰兰 二)叫叫习习习亡亡口口 8 8 8 8 8 一州。- - - - - 尸尸乙乙乙乙乙乙乙乙乙声面力F:。下

12、面讨论这两力与工作气隙之间的关系。假设磁路中的 磁阻全部集 中在工作气隙和铁芯与上扼铁之间的气隙处,而不计算铁导磁体中的 磁阻。(1)锥面力. (螺管力)FL设d。=d t,则 当激磁线圈通 过 电流I时,铁芯与下扼铁之 间只有锥面力FL存在,底面力为零。FL由(1一1)式确定:FL =扣N)2尝(1一1)式 中:I激磁电流(安),N激磁线圈匝数;一一磁路气隙总磁导(亨);铁芯的位移(厘米);先讨论图4中铁芯向右移动x时的情况。铁芯与下扼铁之间的气隙磁导为:卜Gl旅( dt+幻x林。(1一2)铁芯与上扼铁之间的气隙磁导为:G:北(dt+)(L一C一x)协。(1一3)式 中:氏空气导磁系数(亨/

13、厘米),件。=1.2 5、10一,上述两处气隙的总磁导为:GLG:G:兀件。(dt+A) (L一C)x一xZ一L一Gl+GZ-一将(1一4)式代入(1一1)(L一C)式得(1一4)F. t兀卜。(dt+)(L一C)L一C一Zx(1一5) 口气卜(IN)艺2由(1一5)式可知,对于一定的激磁 电流下,锥面力FL性关系,图4所示第一象限的实线就是按(1一5)式作出。时,锥面力为最大值:与铁芯位移x之间有一线当铁芯位于图中所示位置FLmax=(IN)“2兀协。(d:+)(1一6)_._L一C_ 即线段。a的值。当x“一。一时厂L 二0,这时铁芯对称地放置在上下扼铁 之 间,即铁 芯的半长线处于C的中

14、点处,磁路磁阻为最小值,螺管力消失。但是,由于下扼铁外圆做成锥面形,在x较小时磁力线出现饱和现象,使吸力减小,又 由于d。实际上并不等于d t,所以,形成锥面力的只是总磁力线 中的一部分即小:。因此,锥面力F:与x之间的关系实际上接近半抛物线形状,如图4第一象限虚线 所示的样子。当x二o时F:为最大值如线段o a,当x=饨时,即铁芯与下扼铁底面相接触时又攀今0 ,此时小,为最大值而小2几乎等于零。再诗论图4中铁芯向左移动时即xO这一点开始的。与上述相同的理由,特别是下扼锥面处的磁密饱和,实际曲线变成虚线的形状。(2)底面力 (表面力)FB设激磁安匝IN全部用以产生底面力,而锥面力不考虑。同时,

15、铁芯与上扼铁之间的气晾磁阻也不考虑。这是为了讨论方便而作的假设,它不符合实际情况。现仍以图4所示状态作为座标原点,即铁芯右移时的位移x为正值,左移为负值。铁芯端面与下扼铁底面之间的气隙磁导为:GB=dGs汀( dtz一d。 2)林。4(乙。一x)五(dtZ一doZ)卜。(1一12)dx4(各:一x)2(1一1 3)由激磁安匝IN产生的底面力为:B一,刃一 X认一.dd一心FB=合, N ,1, 、,.=一二尸(l入)艺北(dt 忿一doZ)卜。4(乙:一x)2(1一14)由(1一1 4)式可知,对于 一定的激磁 电流下,底面力FB与铁芯位移x之间是一个指数关系,曲线形状见图5实线所示。但由于激磁安匝IN只是一部分用以产生小:,而且小:不是常值,它随x的增加而增加,所以F。的实际曲线如虚线所示。分别讨论了螺管力FL及表面力FB以后,它们两者的合力构成比例电磁铁总的输出力。图6所示实线就是图4和 图5虚线的合成。由图可见,a b线段比较平坦,可以把工作范围安排在这个线段中,即能满足上述基本要求中的主要几点。由式(1一5)及(1一 1 4)可知,在d t,d。等已确定的情况下,要在一定范围内改变合力曲线的形状(如要扩展ab平段等)只须适当改变L,C,各:及下扼外锥角等各几何尺寸即可。换言之,只要合理配合底面力和锥面力,就能得到较理想的吸力特性。(