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燕 山 大 学 液压伺服与比例控制系统课程组 欢 迎 使 用 液压伺服与比例控制系统 多媒体授课系统 第第3 3章章 液压动力元件液压动力元件 本章摘要 液压动力元件(或称液压动力机构)是由液压放 大元件(液压控制元件)和液压执行元件组成。有四 种基本型式的液压动力元件:阀控液压缸、阀控液 压马达、泵控液压缸、泵控液压马达。 本章将建立几种基本的液压动力元件的传递函 数,分析它们的动态特性和主要性能参数。 3.1 四通阀控制液压缸 基本结 构形式 一、基本方程: (一) 滑阀的流量方程 定义负载流量: (二) 液压缸流量连续性方程 进油腔流量: 回油腔流量: 液压缸工作腔的容积: 综合以上各式得液压缸流量连续性方程: 根据:V01 = V02 = V0 = Vt /2 同时: 则液压缸流量连续性方程简化为: (三) 液压缸和负载的力平衡方程: 二、方框图与传递函数: 根据阀控液压缸的基本方程进行拉氏变换得: 根据阀控液压缸的拉氏变换方程式绘出系统方框图。 由方框图求得液压缸输出位移传递函数: 式中,分子的第一项是液压缸活塞的空载速度。第 二项是外负载力作用引起的速度降低。其分母特征多 项式各项意义如下: 第一项: 是惯性力变化引起的压缩流量所产 生的活塞速度; 第二项: 是惯性力引起的泄漏流量所产生的 活塞速度; 第三项: 是粘性力变化引起的压缩流量产生 的活塞速度; 第四项是活塞运动速度; 第五项: 是粘性力引起的泄漏流量所产生的活 塞速度; 第六项: 是弹性力变化引起的压缩流量所产生 的活塞速度; 第七项: 是弹性力引起的泄漏流量所产生的活 塞速度。 三、传递函数简化 (一)、无弹性负载: 简化为: 液压固有频率: 液压阻尼比: 忽略Bp后近似为: 对指令输入Xv的传递函数: 对指令输入FL的传递函数: (二)、有弹性负载: 简化为: 综合固有频率: 综合阻尼比: 忽略Bp后近似为: 标准传递函数形式: 或进一步简化为: (三) 其它简化形式: 四、频率响应分析 (一)、无弹性负载系统频率分析: n(1)速度放大系数 由于传递函数中包含一个积分环节 、所以在稳态时,液压缸活塞的输出速度与阀的输入 位移成比例比例系数即为速度放大系数(速度增益) 。它表示阀对液压活塞速度控制的灵敏度。速度放大 系数直接影响系统的稳定件、响应速度和精度。提高 速度放大系数可以提高系绽的响应速度和精度。但使 系统的稳定性变坏。速度放大系数随阀的流量增益变 化而变化。 (2)液压固有频率 液压固有频率是负载质量与液压缸工 作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧相互作用的结 果。提高液压固有频率的方法有: I 增大液压缸活塞的面积 II 减少总的压缩容积 III 减少折算到活塞上的总的质量 IV 提高容积弹性模数 (3) 液压阻尼比,液压阻尼比的表达式,影响液压阻尼比 的因素,提高阻尼比的方法。 (二)、有弹性负载系统频率分析: 分析系统的主要参数对系统的性能的影响。由于 惯性环节的存在,使系统变成了一阶系统,对单 位阶跃输入就是有差的了。 3.2 四通阀控制液压马达 基本结 构形式 一、基本方程: 二、方框图与传递函数: 三、传递函数简化 液压固有频率: 液压阻尼比: 对阀芯位移Xv的传递函数: 对外负载力矩TL的传递函数: 3.3 三通阀控制液压缸 基本结 构形式 一、基本方程: 二、传递函数: 三、传递函数简化 液压固有频率: 液压阻尼比: 传递函数近似式: 3.5 液压动力元件与负载的匹配 一、负载特性 (一) 惯性负载特性 惯性负载特性的数学表达式: 负载特性曲线: (二) 粘性负载特性 粘性负载特性的数学表达式: 负载特性曲线: (三) 弹性负载特性 弹性负载特性的数学表达式: 负载特性曲线: (四) 合成负载特性 负载特性的数学表达式: 负载特性曲线: 二、负载匹配 负载匹配定义: 根据负载轨迹来进行负载匹配时,只要使动力元件的输出持性曲线 能够包围负载轨迹,同时使输出特性曲线与负载轨迹之间的区域尽量 小,便认为液压动力元件与负载相匹配。 输出特性曲线: 在阀最大输出功率点有: 当供油压力确定后,推得液压缸活塞面积为: 阀的最大空载流量为: 思考题 n1、什么叫液压动力元件?有哪些控制方式?有几种基本组成类 型? n2、负载类型对液压动力元件的传递函数有什么影响? n3、无弹性负载和有弹性负载时,描述传递函数的性能参数分 别有哪几个?它们对系统动态特性有什么影响? n4、何谓液压弹簧刚度?为什么要把液压弹簧刚度理解为动态刚 度? n5、液压固有频率和活塞位置有关在计算系统稳定性时,四 通阀控制双作用液比缸和三通阀控制差动液压缸应取活塞的什 么位置?为什么? n6、为什么液压动力元件可以得到较大的固有频率? n7、为什么说液压阻尼比是一个“软量”?提高阻尼比的简单方法 有哪几种?它们各有什么优缺点? n8、何谓液压动力元件的刚度?代表什么意义? n9、三通阀控制液压缸和四通阀控制液压缸的固有顾率有什么 不同?为什么? n10、阀控液压马达和泵控液压马达的特性有何不同,为什么? n11、为什么把称为速度放大系数?速度放大系数的量纲是什么 ? n12、何谓负载匹配?满足什么条件才算最佳匹配? n13、如何根据最佳负载匹配确定动力元件参数? n14、泵控液压马达系统有没有负载匹配问题?满足什么条件才 是泵控液压马达的最佳匹配? n15、在长行程时,为什么不宜采用液压缸而采用液压马达? 思考题
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