零开口四通滑阀分析.ppt

1,上一次课知识点回顾,Hydraulic systems in isolation serve no purpose. AMESim manual,2,1.1.1 液压控制阀结构及分类,常见的液压伺服控制元件有： 圆柱滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀等及其组合。,圆柱滑阀,3,一、圆柱滑阀,阀芯,阀体（阀套）,凸肩,沉割槽,棱边,阀芯孔,阀芯与阀体,land,棱边,滑阀典型结构原理图,沉割槽,通油槽,4,一、圆柱滑阀的分类,两凸肩四边滑阀【四通阀】,三凸肩四边滑阀【四通阀】,四凸肩四边滑阀【四通阀】,双边滑阀【三通阀】,带固定节流孔的单边滑阀【二通阀】,5,不同开口形式的流量特性曲线,零开口（零遮盖或零重叠） 具有线性特性，应用广泛，但加工制造困难。,零开口,ZERO LIP,零重叠,6,不同开口形式的流量特性曲线,正开口,UNDER LIP,负重叠,正开口（负遮盖或负重叠） 零位压力灵敏度低，泄露量大，功率损耗大； 正开口范围内，增益大。,7,不同开口形式的流量特性曲线,负开口,正重叠,负开口（正遮盖或正重叠） 有死区特性，将影响控制系统的稳态误差，应用较少。 但密封性好，在比例控制系统中有应用。,8,2.1.2 液压控制阀定义、作用,定义： 液压控制阀是将输入量为机械量（位移或转角），转换为液压信号的的输出量（流量、压力），并进行功率放大的元件。 作用： 1）机液信号转换； 2）控制作用； 3）功率放大。,9,1.1.3 液压控制阀的一般分析,一般分析： 关注静特性（即阀的压力流量特性），指阀在稳态时的负载控制压力、负载控制流量和阀位移三者间的关系。 静特性表示阀的工作能力和性能，对液压控制系统的静动态特性具有影响。 描述方法： 1）方程； 2）特性曲线； 3）特性参数。,10,1.2 四通滑阀一般分析,静态特性理论分析的流程：,1）分析工作原理，明确各变量间关系；,2）列写各元件的动态特性方程；,3）根据因果关系，推导系统特性方程；,4）绘制特性曲线，分析静态特性；,5）工作点线性化，求取阀系数；,11,1.2 四通滑阀一般分析,四通滑阀控制对称液压缸示意图,12,1.2 四通滑阀一般分析,三凸肩 四通 四边 零开口 圆柱滑阀,13,假设条件：,1、理想滑阀 #各节流边为绝对锐边，无径向间隙，无泄漏； #各节流口的流量系数相等， ； #各节流口流动为紊流（重要）； #忽略阀腔内的压力损失； 2、理想流体 #流体不可压缩，流体密度均一； 3、理想的恒压源 #供油压力为常数，回油压力为零；,为什么没提及教材中的节流口的匹配对称条件？,14,1.2 四通滑阀一般分析,四通滑阀及等效液压桥路,15,1.2 四通滑阀一般分析,匹配： 对称：,16,1.2 四通滑阀一般分析,匹配对称条件得到的结论：,对于匹配对称条件的四通阀：,17,1.2 四通滑阀一般分析,匹配对称四通阀的压力-流量方程：,匹配对称四通阀的供油流量方程：,18,1.3 零开口四通滑阀分析,1、零开口特点 #零遮盖；,19,1.3 零开口四通滑阀分析,零开口四通滑阀及等效液压桥路,一、零开口四通滑阀的稳态特性方程,20,1.2 四通滑阀一般分析,21,1.3 零开口四通滑阀分析,教材14页中提及“如果节流窗口为矩形”，意味着什么？,其他开口形式（如圆形、开三角槽等）如何？,22,滑阀的面积梯度及部分开口，可全周开口、 开方孔 、开圆孔,(a)通油槽为整周开槽 (b)通油槽为方孔 （c）通油槽为圆孔。,23,x0时,x0时,1.3 零开口四通滑阀分析,24,1.3 零开口四通滑阀分析,零开口四通滑阀的流量压力特性方程 ：,至此，我们掌握了滑阀理论分析的推导方法，获得了描述一个具体结构阀的特性方程。,如果有多个零开口四通阀，他们之间是否存在物理本质的联系？能够给出一个普适化描述呢？,无因次分析法,(1-31),25,1.3 零开口四通滑阀分析,零开口四通滑阀稳态特性方程的无因次形式 ：,(1-33),(1-34),26,零开口四通滑阀压力-流量曲线,曲线是非线性的 !,仅仅是曲线么？,27,#线性控制系统的动态特性分析,支配方程(偏微分方程),预定工作点线性化,环节,方框图,传递函数,时域响应特性,频域特性,28,将流量方程(1-31)式在某一工作点(QL0、xv0、pL0)附近进行泰勒级数展开，可得在此工作点处的线性化后的流量方程:,(1-27),Kq流量增益，或流量放大系数，表示负载压力pL不变时， 当阀芯位移xv，有微小增量时所引起的流量增量；,Kc压力流量系数，表示阀芯位移不变时负载压力增量与 负载流量增量之间的关系，也称阀刚度。,1.3 零开口四通滑阀分析,二、流量方程线性化,29,(1-35),(1-37),(1-36),1.3 零开口四通滑阀分析,说明： 1）线性化方程后的方程为增量方程（重要概念）； 2）线性化方程的形式与预位工作点有关； 3）线性化方法的小邻域近似与全域模型误差。,二、流量方程线性化,30,1.3 零开口四通滑阀分析,二、流量方程线性化,31,零开口四通滑阀压力-流量曲线,32,1.3 零开口四通滑阀分析,二、零开口四通滑阀的阀系数,#引入零位阀系数的理由：,33,(1-38),(1-40),(1-39),1.3 零开口四通滑阀分析,二、零开口四通滑阀的阀系数,根据阀系数的数学表达式，考虑到零位条件，可得零位阀系数为,说明： 1）上述阀系数是理想的条件的理论分析结果； 2） 计算较准确，但 、 与实际差别较大 3）零位阀系数可实际测得，也可通过近似计算得到。,34,零开口四通滑阀压力-流量曲线的内在玄机,1 线性工作区,2 阀系数,3 动态特性,延伸,35,伺服阀样本中的阀压力-流量曲线,MOOG D765,36,液压元件在工作过程中将受到各种形式的作用力，主要有惯性力、粘性力、弹性力、重力、摩擦力、负载力，以及液压力和液动力等，即,如何分析和计算液压力、液动力？,1.7 滑阀的驱动力,37,一、液压力 在液压元件中，由液体重力而产生的液体压力差相对于液压力而言极小，故而可以忽略，在计算时认为在同一容腔内的液体压力相同。,1.7 滑阀的驱动力,作用在容腔周围壁面上的液压力大小为,(1),38,二、液动力,2.4 液压元件的受力,问题2：液动力组成？,问题1：液动力是如何产生的？,39,二、液动力,2.4 液压元件的受力,理论基础：流体力学中的欧拉动量定律,作用在液体控制体V上的外力主要包含两部分：,一项是由于液体在不同位置上具有不同速度所引起的力，称为稳态液动力；,一项是使控制体内的液体加速或减速所需的力，称为瞬态液动力。,40,二、液动力,以液压阀为例，在阀口出流过程中，由于阀芯的作用，使液流速度的大小或方向发生变化，因而产生液流对阀芯的作用力，统称为作用于阀芯上的液动力。,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,41,二、液动力,2.4 液压元件的受力,阀口开度一定,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,稳态液动力,42,二、液动力,2.4 液压元件的受力,阀口开度变化,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,瞬态液动力,43,二、液动力,2.4 液压元件的受力,1. 作用在滑阀上的液动力,2.13 二凸肩滑阀液动力,44,1. 作用在滑阀上的液动力,（1）稳态液动力计算,控制体,2.13 二凸肩滑阀液动力,固定开度,45,1. 作用在滑阀上的液动力,（1）稳态液动力计算,径向液动力趋向于把阀芯推向侧面，使之与阀孔壁相贴，从而引起附加摩擦力，影响阀芯正常工作，但通过轴对称布置节流窗口可使其互相抵消，故径向液动力实际上可取,(5),46,1. 作用在滑阀上的液动力,（1）稳态液动力计算,问题：轴向液动力可抵消么？,回答：轴向液动力不能抵消！,(4),47,1. 作用在滑阀上的液动力,轴向液动力计算公式：,式中,入口和出口断面平均流速；,入口和出口的液体入流和出流的射流角；,(6),48,1. 作用在滑阀上的液动力,轴向液动力计算公式：,问题：式中负号表明与规定方向相反，但 的物理意义是什么，其对滑阀工作性能 有何影响呢？,49,二、液动力,1. 作用在滑阀上的液动力,2.13 二凸肩滑阀液动力,轴向液动力计算公式：,(11),50,2）性质：当阀口压力降为常数时，稳态液动力的大小 与阀芯位移成正比，它的作用与滑阀的复位 （或对中）弹簧的作用完全相似，故它是一 种由液体流动引起的、刚度为 的弹性力。,1. 作用在滑阀上的液动力,进一步分析，可得出如下结论（重点）：,1）方向：式中负号表示稳态液动力始终指向阀口关闭 的方向，这是利于滑阀稳定工作的。,对应问题：式中负号表明与规定方向相反，其物理意义是什么，其对滑 阀工作性能有何影响呢？,51,1. 作用在滑阀上的液动力,（1）稳态液动力计算,讨论：,1*）稳态液动力并非单调函数。在很多其他更为一般的场合，阀口压力降在阀口开度很小时，随阀口开度的增加而迅速减小至接近于某个定值，此时液动力随阀芯开口量的变化关系曲线将出现一个极大值，故而上述推导的计算公式仅适用于稳态液动力达到最大值之前。,52,3#）延伸：稳态液动力方程在控制系统数学建模时，应对其取增量方程，而后进行拉氏变换，需要注意的是其方程包含两项，即,1. 作用在滑阀上的液动力,（1）稳态液动力计算,讨论：,2* ）在实际应用的滑阀中，往往有几个节流口同时工作。此时，阀芯上所受的稳态液动力应该是各个节流口处液动力的总和。,53,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,控制体,2.13 二凸肩滑阀液动力,开度变化,54,分析：瞬态液动力与阀芯的运动速度和压力变化成正比。式中第二项的阀口开度 很小，且压力变化率很小，而且很少有直接证据可以证明压力变化率这一项对阀的动态特性有什么显著的影响，因此在分析中往往把它忽略。,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,(14),55,1）瞬态液动力性质：由上式可以看出，当液流由阀腔经节流窗口流出时，此时的瞬态液动力与阀芯速度具有相反的符号，即说明瞬态液动力是对阀芯起其阻尼作用的，这说明瞬态液动力是阻尼力。,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,结论(重点)：,(15),56,2.13 二凸肩滑阀液动力,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,57,2）瞬态液动力的方向要视阀腔、液流流动方向而定。,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,讨论(重点)：,3）瞬态液动力影响阀的工作稳定性：正阻尼、负阻尼作用与稳定性关系 。,4）正负阻尼长度,58,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,正阻尼长度,负阻尼长度,59,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,讨论：,1）针对具体结构的阀，液压控制阀是由几个串、并联组合的控制窗口组成的，此时阀芯上作用的总瞬态液动力应把各段阀腔对阀芯的这个作用力叠加起来，此时可借用正、负阻尼长度的概念进行定性分析。为使瞬态液动力对阀芯其稳定作用，在带多段阀腔的液压阀中，对于等断面的阀腔必须保证：,60,1. 作用在滑阀上的液动力,（2）瞬态液动力计算,讨论：,2）阀芯所受的各种作用力中，瞬态液动力的数值所占比例不大，在一般液压控制阀中通常忽略不计。 但在分析计算动态响应较高的阀，如伺服阀或高响应比例阀，才予以考虑瞬态液动力的影响。,61,2. 零开口滑阀上的液动力分析,1）稳态液动力,2）瞬态液动力,62,小 结,A 稳态液动力 知识点：产生及组成，液动力计算 重 点：计算公式，液动力方向及性质 B 瞬态液动力 知识点：计算方法，阻尼长度 重 点：液动力的方向及性质，定性判断稳定性的准则,分析对象：滑阀,