1、3.2.1 直动式比例溢流阀直动式比例溢流阀的工作原理及结构见图 3-2,。这是一种带位置电反馈的双弹簧结构的直动式溢流阀。它于手调式直动溢流阀的功能完全一样。其主要区别是用比例电磁铁取代了手动弹簧力调节组件。如图 3-2a 所示，它主要包括阀体 6，带位置传感器 1、比例电磁铁 2、阀座 7、阀芯 5及调压弹簧 4 等主要零件。当电信号输入时，电磁铁产生相应的电磁力，通过弹簧座 3 加在调压弹簧 4 和阀芯上，并对弹簧预压缩。此预压缩量决定了溢流压力。而压缩量正比输入电信号，所以溢流压力也正比于输入电信号，实现对压力的比例控制。弹簧座德实际位置由差动变压器式位移传感器 1 检测，实际值被反馈
2、到输入端与输入值进行比较，当出现误差就由电控制器产生信号加以纠正。由图 3-2b 所示的结构框图可见，利用这种原理，可排除电磁铁摩擦的影响，从而较少迟滞和提高重复精度等因素会影响调压精度。显然这是一种属于间接检测的反馈方式。ab图 3-2 带位置电反馈的直动式溢流阀a)工作原理及结构 b）结构框图1位移传感器 2比例电磁铁 3弹簧座 4调压弹簧5阀芯 6阀体 7阀座 8调零螺钉普通溢流阀可以靠不同刚度的调压弹簧来改变压力等级，而比例溢流阀却不能。由于比例电磁铁的推力是一定的，所以不同的等级要靠改变阀座的孔径来获得。这就使得不同压力等级时，其允许的最大溢流量也不相同。根据压力等级不同，最大过流量
3、为 210L/min。阀的最大设定压力就是阀的额定工作压力，而设定最低压力与溢流量有关。这种直动式的溢流阀除在小流量场合下单独作用，作为调节元件外，更多的是作为先导式溢流阀或减压阀的先导阀用。另外，位于阀底部德调节螺钉 8，可在一定范围内，调节溢流阀的工作零位。3.2.2 先导式比例溢流阀1.结构及工作原理图 3-3 所示为一种先导式比例溢流阀的结构图。它的上部位先导级 6，是一个直动式比例溢流阀。下部为主阀级 11，中部带有一个手调限压阀 10，用于防止系统过载。当比例电磁铁 9 通有输入信号电流时，它施加一个直接作用在先导阀芯 8 上。先导压力油从内部先导油口（取下螺堵 13）或从外部先导
4、油口 X 处进入，经流道口和节流 3 后分成两股，一股经节流孔 5 作用在先导阀芯 7 上，另一股经节流孔 4 作用在阀芯撒谎女上部。只要 A 油口压的压力不足以使导阀打开，主阀芯的上下腔的压力就保持相等，从而主阀芯保持关闭状态。这是因为主阀芯上下有效面积相等，从而主阀芯保持关闭状态。这是因为主阀芯上下有效面积相等，而上面有一个软弹簧向下施加一个力，使阀芯关闭。当主阀芯是锥阀，它既小又轻，要求的行程也很小，所以这种阀的响应很快。阀套上有三个径向分布的油孔，当阀开启时使油流分散流走，大大减少噪声。节流孔 4 起动态压力发亏作用，提高阀芯的稳定性。图 3-3 先导式比例溢流阀1先导油流道 2主阀弹
5、簧 3.、4、5节流口 6先导阀7外泄口 8先导阀芯 9比例电磁铁 10安全阀 11主阀级 12主阀芯 13内部先导油口螺堵A进油口 B出油口 X外部先导油口 Y外部先导卸油口与传统的先导式溢流阀不同，比例溢流阀的压力等级的获得是靠改变先导阀的阀座孔径来实现的。这点与比例直动式溢流阀完全相同。较大的阀座孔径对应着较低的压力等级。小阀座孔径可获得较高的额定值。阀座的孔径通常由制造厂根据阀座的压力等级在制造时已经确定。图 3-4 先导式比例溢流阀原理框架图从图 3-4 所示的原理框架图可以看出。阀座孔的面积 A 用来检测主阀芯上腔的压力 P，当 PA 的积大于电磁力 Fm 时，导阀开启，进而主阀开
6、启，间接控制主压力 PA.,显然 Px 属于中间变量,这种溢流阀的检测方式属于间接检测方式。从图中可见，主阀在小闭环之外，主阀中的各种干扰量，例如摩擦。液动力等的都会影响都得不到抑制，比例电磁铁也在闭环之外。所以其压力偏差和超调量都较大，常达 15%以上。改进办法可以采用直接检测方式。2.比例溢流阀的主要性能参数1)静态特性图 3-5 溢流阀的静态特性曲线a）设定压力与输入电流的关系曲线 b)最低设定压力与流量关系曲线 c）压差流量特性比例溢流阀的静态特性主要由三条特性曲线来表示，见图 3-5.一条为设定压力 PA 与输入电流 I 之间的关系曲线，称为控制特性曲线，还有一条是溢流阀的前后压差与
7、流量的关系曲线。从此图中可以确定溢流阀的主要性能参数；最高，最低设定压力、滞环、线性度以及稳态调压偏差等压力特性。这些性能数据时设计的重要依据。3.动态特性比例溢流阀的动态特性一般用阶跃响应和频率响应曲线来表示（图 3-6） 。从阶跃响应曲线可以找到滞后时间 ，响应时间 ts 及超调量 （见图 3-6a） 。频率特性曲线可以找出最高工作频率或频宽。a b 图 3-6 比例溢流阀的动态特性曲线a）单位阶跃响应曲线 b）频率响应曲线3.3 电液比例流量控制阀比例流量控制阀的流量调节作用都在于改变节流口的开度。它与普通流量阀的主要区别是用某种电-机械转换器取代原来的手调机构，用来调节节流口的流通面积
8、。并使输出流量与输入信号成正比。按阀口的流量公式有当紊流时流量系数 Cd 近似为常数。由上式可见，改变同流面积 A（x）可以改变流量，但节流口的前后压差 进行压力补偿分为比例节流阀和比例调速阀。也有采用流量直接反馈型的新原理比例流量阀。比例方向阀由于具有对进口和出口流量同时节流的功能。因此，它本质上是个双路的比例节流阀。如果从外部加上压力补偿装置，就能使通过的流量与负载变化无关，具有调速阀的功能。3.3.1 直动式比例节流阀比例节流阀也分为直动式和先导式。直动式的只有一级液压放大。它的阀芯型式有转阀、滑阀或插装式。旋转节流式由伺服电机经减速后带动。移动节流式用比例电磁铁驱动。前者习惯上称为电动
9、式，后者称为电磁式。先导式多为二级液压放大，也有三级的特大流量阀，其通径为 63 以上。直动式比例节流阀的构成是在传统节流阀的基础上，用电-机械转换装置代替手动节流机构而构成。为了提高调解精度还可加上位置检测装置。单纯的直动式比例节流阀产品较少见。早起产品中可见到采用伺服电动机，经减速后驱动转阀型的比例节流阀。由于比例方向阀具有节流功能，实际使用中，常用二位四通比例方向阀来代替比例节流阀。比例方向阀有两条通路，因此，作为比例节流阀使用时，根据过流量的要求，可以只利用其中一个节流口，也可同时使用两个节流口。其连接情况，参见图 3-14 所示。二位四通比例方向阀用作比例节流阀时，如要同时利用两个通
10、道，其无信号状态可以有多种形式供选用。3.4 电液比例方向阀电业比例方向阀是一种具有液流方向控制功能和流量控制功能的负荷阀。在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入电信号成比例，而流动的方向取决于比例电磁铁是否受到刺励。常见的有二位四通和三位四通滑阀式。利用插装式元件组成比例方向阀需要较多的元件，制造和控制都较为复杂。3.4.1 比例方向阀的结构及控制特点1.比例方向阀的结构特点由于电液比例方向阀是在开关型换向阀和电液伺服阀的基础上发展起来的，他们之间有很多异同点。（1） 比例阀阀芯与阀套的径向间隙约为 3-4m，与普通换向阀相当，而伺服阀的配合间隙约为 0.5m 左右。因此抗污染能力比伺服阀强
11、的多。（2） 为了减小中位泄露，比例阀的阀芯通常具有一定的搭接量。搭接量一般为额定控制电流的 10%15%。这使比例阀有较大的死区，虽然死区达 10%以上，但可在电子放大器中进行补偿，使死区最大限度的减小。（3） 比例方向阀的阀芯形状是经特别加工和修整的，以适应同时对进、出口实行准确节流。一般方向阀阀芯台肩是直角形的，而比例方向阀的阀芯则开有多至 8 个节流槽，节流槽口得几何形状为三角形，矩形，圆形或他们的组合。这些节流口有时称为控制槽，在圆周上均匀分布，且左右对称或成某一比例。通常比例系数为 1/2。用来适应控制对称执行器或非对称执行器的需要。2.比例方向阀的阀芯运动控制特点一般的方向阀开启
12、过程总是先通过死区，然后全开，直至本质上消除节流作用为止。而比例方向阀通过死区后进入节流阶段，而且节流槽的轴向长度永远大于阀芯行程。这样做可以使控制口总具有节流功能。而伺服阀阀芯与阀套的配合通常无死区，零位附近是伺服系统（特别是位置伺服系统）的主要工作点，因此，伺服阀的工作行程较小。从上面阀芯运动控制分析中可知：比例方向阀的阀口压降比伺服阀约低一个数量级，约为 2.58bar，但比电液换向阀的较高。比例电磁铁的控制功率约为伺服阀的 10 倍以上，比电液换向阀的略高或相当。现代电液比例方向阀中引入了各种内部反馈控制和采用零搭接，因此在滞环、重复精度、分辨率及线性等方面的性能与电液伺服阀几乎相当，
13、但在动态响应方面还比性能高的伺服阀稍差。3.比例方向阀的中位机能及应用场合三位四通比例方向阀也像电液换向阀那样，具有不同的中位机能，以适应控制系统的特别要求。各种中位机能的获得，是通过保持阀套的沉割槽和阀芯的台肩长度不变，只改变节流口得轴向长度来实现。如图 3-27 所示为几种控制槽与阀套配合的情况。通过不同的配合可以得到不同的阀机能。图中上部为职能符号，下部为结构简图。图 3-27a 所示为左右对称的 O 型中闭阀芯与阀套配合的情况。如前所述，为减小泄露和简化制造工艺，阀芯与阀套有约 10%15%的搭接量。在圆周上对称开有若干个三角槽，在两个方向上节流面积相等。节流槽的数量根据应用需要而定。
14、这种阀主要用于对称执行器。从 P 到 A 或从 P 到 B 的压降基本一样，能对对称的液压缸或油马达提供良好的控制。图 3-27b 所示为对称的 P 型中位节流型阀芯。在中位时，它能使 P 到 A 和 B 油口提供节流路径。T 油孔堵死。中位的节流是靠阀芯台肩上的矩形节流槽与阀套形成一个不大的开口量而获得的，允许约 3%的额定流过。这种阀主要用于控制液压马达，在中位时向马达提供必要的补油。因为液压马达在突然停止时会出现泄露或抽空现象。提供补油后，马达的停止和启动都会变得平稳。图 3-27c 为对称的 YX 型中位节流型阀芯。这种阀芯处于中位时 P 油口封团，A 和 B 与 T油口经节流孔相通。
15、中位时，矩形节流槽的开口量可通过的流量也是约为额定流量的 3%左右。这种阀主要用于面积比接近 1:1 的单出活塞缸。它可以消除中位时由于阀芯的泄露而引起的活塞缓慢外伸现象，也可以防止有杆腔的液压力放大作用。在单出杆缸用于超越负载的场合，或某次平衡回路、液控单向阀回路的场合，有时就必须采用这种阀芯形式。图 3-27d 为 O3 中闭型阀，这是因为阀芯右侧台肩的外侧没有节流开口的缘故。因此左移时 B 油口与 T 油口互不相通。图 3-27e 为 YX 型中位节流型阀芯，中位时 P 口封闭，A 和B 与 T 口节流相通有一矩形槽横跨在 B 与 T 口上。阀芯左移时 B 与 T 口互不相通，这两种阀芯
16、主要用于差动连接回路。此外，还有多种有实用价值的中位机能。表 3-1 给出了对称阀芯及不对称阀芯的中位机能、流通状态及应用场合。可供设计时选择使用。从本质上说，由于电液比例方向阀的阀芯可以定位在任何一位置上，即位置是无级可调的，它就再不局限于 3 位阀了。其实，他可以作成四位或五位四通的型式。例如一个四位置的阀中有四个功能位置，如图 3-28 所示。设两电磁铁电流为零时中位是位置 2，电磁铁 a 的指令信号从零增加至控制电流的 40%时定位在位置 3 上，100%控制电流时定位在位置 4 上。而当电磁铁 b 的指令信号从 0 至 100%增长时，阀芯主检定位在阀位 1 的位置上。可见，合理的利
17、用比例阀的多工作位置特点，并与适当的点控制器配合使用，仅用一个比例方向阀就可以实现加速、减速、平衡、差动、快速及慢速等多种功能，可大大简化液压控制系统。4.不对称阀芯由于比例方向阀能对进口和出口同时进行节流控制，当用于控制不同的执行机构时会出现一些新问题。例如，对称的阀芯，即左右两边节流面积相同的阀芯，应用于控制对称执行器时不会产生大的问题。但当应用于单出杆液压缸等非对称执行器时情况就不一样。设差动液压缸的两侧有效面积比为 2 比 1.如果进口和出口两侧的节流面积相等时，所得的阀压力降便为 1：4.参看图 3-29。因为由上式得式中各符号的意义见图 3-29 所示由上式可见，当有杆腔的二作背压
18、大于供油压的 1/4 时，就会因为系统无法对进油强提供足够的压差而出现抽空现象。因此产生气穴使系统控制性能大大破坏，甚至不能工作。适合的设计不对称开口的阀芯，可以满足不同流量的要求。各种现有产品中多有不对称阀芯供选择，来适应不同面积比的液压缸的控制要求。3.4.2 直动式比例方向阀直动式比例方向阀由比例电磁铁直接推动阀芯左右移动来工作。其中二位四通和三位四通两种最常见。前者只有一只比例电磁铁，由复位弹簧定位。后者有两只比例电磁铁，由两个对中弹簧定位。复位弹簧或对中弹簧同时也是电磁力位-移转换元件。由于电磁力的限制，直动式的比例方向阀只能用在流量较低的场合，比例方向阀也可分为带阀芯位置反馈和不带
19、位置反馈两种。1.不带位置反馈型不带阀芯位置反馈的直动式比例方向阀的基本结构与前面介绍的三通比例减压阀十分相似，仅阀芯内部结构不同。图 3-13 所示的三通减压阀是采用三件组合式阀芯，而比例方向阀采用的是开有节流槽的整体式阀芯。当任一只电磁铁通电后，电磁力直接作用在阀芯上，并与对中弹簧力平衡而定位在与信号成正比的位置上，对于三位阀，两个电磁铁同时通电是禁止状态。而两个电磁铁同时失电时，在对中弹簧的作用下处于中位，当左面的电磁铁收到信号时，信号使阀芯右移，其位移量比例于输入信号。这时允许油液从 P 孔流向 B 孔和 A 孔流向 T 孔。如果节流口前后压差保持不变，则通过的流量仅与输入信号有关，如果另一侧的比例电磁铁通电，油孔导通的情况正好交换导通。
