液压数字阀的研制与其向大流量的探索

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.3MB 110 页 15积分

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摘要

流体控制系统数字技术的发展必是今后时代发展的需要及趋势，本文讨论了

液压电液数字阀的研制。从数字阀本身到整个系统从理论分析、数字模型、解析

仿真到实验研究、工程设计和技术开发，多方面相结合地进行了全面的研究，同

时从目前已开发出来的数字阀出发，探索如何进一步开发大流量的数字阀，为今

后该类系统的开发、研制提供理论及技术储备。

本文首先介绍了液压传动的四种控制方式，分别分析了其各自的控制原理及

性能特点，然后重点介绍了本文的研究重点—液压数字阀的控制原理及其发展概

况，最后从不同角度与其它三种控制方式对比，从中会很清楚的发现液压数字阀

的优势。

文章接着介绍了增量式数字阀。从数字阀的结构与步进电机控制两方面分别

阐述了增量式数字阀的研制过程，同时从阀的试验数据中，进一步深入的探讨阀

的性能。

接着,文章研究了高速开关数字阀。从阀的驱动电路、磁性材料、阀芯受力等

方面找出影响它特性的主要因素。制定出其元件的设计原则，同时对脉冲调制开

关式数字阀的开关特性、静特性、频率特性进行了深入的研究与性能测试。

作者希望通过该课题的研究，能够对液压控制技术的发展，对流体控制技术

与计算机控制技术更好的结合，起到一定的促进作用，同时也衷心希望我国的液

压控制技术取得飞速的发展。

关键词：高速开关阀脉宽调制控制大流量数学模型试验

ABSTRACT

The fluid power digital control system is the trend of hydraulic system in the future.

This dissertation deals with electro-hydraulic digital valve with its hydraulic control

system. The theoretical analysis, mathematical model, simulation, the valve design and

its development in digital valve are involved in this paper. Futhermore, some analysis

on the valves with larger flow from theoretical and technique also be made for the

demands of future study.

First all, the four basic hydraulic controlling systems are analysed to their

principles and performance respectively. Then, this dissertation emphases on its

controlling principle and developing trend which shows the role of hydraulic digital

valves. At the same time, the comparison with the other three systems, we can clearly

find out the advantage of hydraulic digital valve.

Then, this dissertation deals with the Increment Type Digital Hydraulic Valve. The

study is devoted to two aspects that are its structure of the valve and electric motor

control. At the same time, more investigation and study are on the characteristics of this

digital valve based on the experimental data.

Finally, this dissertation deals with the other kind of digital valve, Pulse Width

Modulated Digital Valve, which is used to the special solenoid, High-speed On-off

Solenoid. The key is to find out the proper magnet material and magnet circuit. And by

means of static and dynamic experiment the critical technical parameter we got leads us

to find out the way to improve the characteristics of such valve as well as the valve with

large flow rate as we suggest herewith.

Author hopes the thesis’s resrearch can do a little for the development of the hydraulic control

technique, and the combination of the hydraulic fluid technique and the computer control technique,

Author also hopes heartily the hydraulic control technique of the our country will develop quickly.

Key Word: High speed on/off valve, PWM control, large

flow,Mathematics pattern, Test

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 液压阀控制理论基础 ........................................................................................ 1

§1.2 电液通断控制 .................................................................................................... 1

§1.3 电液伺服控制 .................................................................................................... 2

§1.4 电液比例控制 .................................................................................................... 3

§1.5 电液数字控制 .................................................................................................... 5

第二章液压数字阀的发展概况 .....................................................................................7

§2.1 液压数字阀概述 ................................................................................................ 7

§2.1.1 增量式数字阀概述 ......................................................................................8

§2.1.2 高速开关数字阀概述 ................................................................................ 11

§2.2 液压数字阀的发展现状与趋势 ...................................................................... 14

§2.2.1 国外液压数字阀的发展现状 ....................................................................14

§2.2.2 国内液压数字阀的发展现状 ....................................................................16

§2.3 液压数字阀的发展趋势 .................................................................................. 17

§2.4 课题研究的来源及意义 ................................................................................ 18

§2.5 课题研究的主要内容 .................................................................................... 19

第三章增量式数字阀的研制与分析 ...........................................................................20

§3.1 增量式数字阀性能指标设计原则 .................................................................. 20

§3.1.1 增量式数字阀电性能指标的设计原则 ....................................................20

§3.1.2 增量式数字阀机性能指标的设计原则 ....................................................24

§3.1.3 增量式数字阀液性能指标的设计原则 ....................................................27

§3.1.4 增量式数字阀的研制指标 ........................................................................27

§3.2 增量式数字阀的研制 ...................................................................................... 28

§3.2.1 增量式数字阀的液压阀设计 ....................................................................28

§3.2.2 增量式数字阀的机械结构设计 ................................................................36

§3.2.3 增量式数字阀的电控设计 ........................................................................41

§3.3 增量式数字阀的建模仿真与静态试验 .......................................................... 45

§3.3.1 增量式数字阀的建模仿真 ........................................................................45

§3.3.2 增量式数字阀的静态试验 ........................................................................48

§3.4 增量式数字阀大流量的探索 .......................................................................... 52

§3.4.1 增量式数字阀的设计小结 ........................................................................52

§3.4.2 增量式数字阀的大流量探索 ....................................................................53

第四章高速开关数字阀的研制与分析 .......................................................................54

§4.1 本章前言 .......................................................................................................... 54

§4.2 高速开关数字阀的研制 .................................................................................. 54

§4.2.1 高速开关数字阀的液压阀设计 ................................................................54

§4.2.2 高速开关数字阀的电磁铁设计 ................................................................69

§4.2.3 高速开关数字阀的整体构造图 ................................................................83

§4.2.4 高速开关数字阀的控制器设计 ................................................................85

§4.3 高速开关数字阀的有限元分析与静态试验 .................................................. 88

§4.3.1 高速开关数字阀的有限元分析 ................................................................88

§4.3.2 高速开关数字阀的性能测试 ....................................................................93

§4.4 高速开关数字阀的大流量探索 ...................................................................... 99

§4.4.1 高速开关数字阀的设计小结 ....................................................................99

§4.4.2 高速开关数字阀的大流量探索 ..............................................................100

第五章工作总结与展望 .............................................................................................102

§5.1 工作总结 ........................................................................................................ 102

§5.2 全文展望 ........................................................................................................ 102

参考文献 .......................................................................................................................104

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...........................................107

致谢 ...............................................................................................................................108

第一章绪论

§1.1 液压阀控制理论基础

液压阀是液压系统中的控制元件，其合理与否直接影响液压系统的性能指标。

流体力学是研究液压传动的基础，液压传动是在流体力学的理论基础上逐步发展

起来的。

16 世纪到 19 世纪初，由于资本主义的兴起和发展，特别是欧洲的产业革命，

使流体力学开始得到了迅速发展。这一时期，许多学者对流体力学的基础理论做

出了显著的贡献。帕斯卡（1623~1662）提出了静止液体中的压力传递规律—帕斯

卡原理，牛顿（1643~1727）建立了流体的内摩擦定律，欧拉（1707~1783）导出

了描述理想流体运动的微分方程。19 世纪初，纳维尔和斯托克推导了描述粘性流

体运动的微分方程。到十八世纪又相继建立了流体流动过程中的质量守恒定律—

连续性方程和流体流动过程中的能量转换基本关系—伯努利方程式，以及流体的

节流公式、动量方程式、动量矩方程式。从 19 世纪末到 20 世纪初，工业生产的

突飞猛进，大大加速了流体力学的发展，雷诺通过对流动状态的实验研究，归纳

了判别流动状态的准则—雷诺数同时还建立了相似理论，瑞莱夫提出了量纲分析，

另外，普朗特、尼古拉茨、儒可夫斯基等众多学者也为流体力学的不断完善做出

了卓越的贡献，这些流体力学理论的发展与建立为液压技术的发展奠定了理论基

础。

§1.2 电液通断控制

1795 年英国人约瑟夫·登记了第一台液压机的英国专利—世界上首台水压机

出现，标志着液压传动开始进入工程领域。19 世纪工业上所使用的液压传动装置

是以水作为工作介质，因其密封问题一直未能很好的解决，曾一度导致液压技术

停滞不前。直至 1905 年美国人詹涅首先将矿物油代替水作液压介质后才开始改观。

到战后的二十世纪 50 年代，随着世界各国经济的恢复和发展，液压控制技术很快

转入民用工业，在工业上才逐步得到发展和应用。

随着工艺水平和电磁技术的发展提高，出现了多种操纵控制方式的液压阀，

有手动式、电磁式、机动式、液动式、电液动式，而电磁式液压阀（图 1.1）的出

现标志着液压技术与电气开关控制相结合进入了电液断通控制的时代，从而使得

电液控制技术得到了更快的发展和更广的应用。

液压数字阀的研制与其向大流量的探索

图1.1 Rexroth 电液通断控制阀

§1.3 电液伺服控制

以反馈控制理论为基础的电液伺服控制是较早主要在军事工程领域发展起来

的电液控制技术。第二次世界大战后期，由于喷气式飞机速度很高，因此对控制

系统的快速性、动态精度和功率—重量比都提出了更高的要求。随着控制理论的

出现和控制系统的发展，液压技术与电子技术的结合日臻完善。1940 年底，在飞

机上首先出现了电液伺服系统，从而产生了广泛用于武器装备的高质量电液控制

系统，并在战后逐步用于民用和工业设备。

图1.2 Moog D6631 系列二级伺服射流管先导级伺服比例阀

电液伺服阀（图 1.2）是一种自动控制阀，它既是电液转换元件，又是功率放

大元件，其作用是将小功率的电信号输入转换为大功率液压能（压力和流量）输

出，从而实现对液压系统执行器位移（或转速）、速度（或角速度）、加速度（或

角加速度）和力（或转矩）的控制。

电液伺服阀的基本结构是由电气—机械转换器、液压放大器（先导级阀和功

第一章绪论

率级主阀）和检测反馈机构组成（图 1.3）。比例电磁铁等电气—机械转换器用于

将输入电信号转换为力或力矩，以产生驱动先导级阀运动的位移或转角；先导级

阀用于接受小功率的电气—机械转换器输入的位移或转角信号，将机械量转换为

液压力驱动主阀；主阀将先导级阀的液压力转换为流量或压力输出；设在阀内部

的检测反馈机构将先导阀或主阀控制口的压力、流量或阀芯的位移反馈到先导级

阀的输入端或比例放大器的输入端，实现输入输出的比较，从而提高阀的控制性

能。

图1.3 电液伺服阀的组成

电液伺服阀的主要优点是，输入信号功率很小（通常进油几十毫瓦），功率放

大系数高；能够对输出流量和压力进行连续双向控制；直线性好、死区小、灵敏

度高，动态响应速度快，控制精度高，体积小，结构紧凑，为工程控制提供了精

度高、响应快、大功率的技术手段，所以广泛用于快速高精度的各类机械设备的

液压闭环控制中。

二十世纪六十年代，随着原子能技术、空间技术、电子技术等的迅速发展，

各种结构的电液伺服阀相继问世，先后出现了喷嘴挡板式电液伺服阀、射流管式

电液伺服阀以及其它采用级间力反馈和各类电反馈的电液伺服阀，其性能也日臻

完善。再次将液压技术向前推进，发展了工业伺服控制技术。在高性能伺服阀基

础上，增大电—机械转换器的输出功率和适当简化伺服阀结构，着重改善阀的抗

污染性能，并降低制造成本。使其发展成为包括传动、控制、检测在内的一门对

现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术。电液伺服控制已逐渐成为航空、

航天、军事以及诸多民用工程领域的重要控制手段。

§1.4 电液比例控制

由于传统的电液伺服阀对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维

护费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所接受。而传统的电液

断通控制又不能满足高质量控制系统的要求，电液比例控制技术应运而生，它可

靠、价廉、控制精度和响应特性均能很好满足工程技术的实际需求。

液压数字阀的研制与其向大流量的探索

图1.4 比例溢流阀（未含放大器）

电液比例控制阀（图 1.4）是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压控

制阀。与电液伺服阀的功能类同，基本结构与电液伺服阀类似，通常由电气—机

械转换器、液压放大器和检测反馈机构组成（图 1.5），电液比例阀既是电液转换

元件，又是功率放大元件，其功用是接受电气信号的指令，连续成比例的控制系

统的压力、流量等参数，使之与输入电气信号成比例的变化，从而实现对液压系

统执行器位移（或转速）、速度（或角速度）、加速度（或角加速度）和力（或转

矩）的控制。

图1.5 电液比例阀的组成

1967 年瑞士布林格尔（Beringer）公司生产出用于船体表面除锈涂漆工艺的

KL 比例流量阀，这是世界上最早的比例阀。1971 年和 1972 年日本油研（Yuken）

公司相继申请了比例压力阀和比例流量阀的专利，标志着比例技术的诞生，推动

了比例阀技术的发展。这一阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电—机械转换器（如

比例电磁铁）用于传统工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原

第一章绪论

理和设计准则几乎没有变化，因为不包含受控参数的反馈环节，导致控制压力随

着负载流量的不同而改变，这类比例阀的工作频宽低（仅 1~5Hz），稳态磁环大

（4%~7%），体积也大，多用在开环系统。

1975 年到 1980 年间，比例技术的发展进入了第二阶段。浙江大学路甬祥提出

了压力直接检测原理，他应用该原理设计的比例溢流阀获得了德国发明专利。按

此原理，国内外研制的比例溢流阀的比例减压阀的性能都获得了显著提高，实现

了人们长期以来所追求的等压力特性。同时耐高压双全电磁铁和比例放大器在技

术上也日趋成熟。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控

制。

80 年代，比例技术的发展进入了第三阶段，比例组件的设计原理进一步完善，

采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、

动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍

保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。后来，比例技术开始

和插装阀相结合，开发出各种不同功能和规格的二通、三通插装比例阀，形成了

80 年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电

液一体化的比例组件，电液比例技术逐步形成了 80 年代的集成化趋势。同时各类

比例控制泵和执行组件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。

电液比例阀多用于开环控制液压控制系统中，实现对液压参数的遥控，也可

以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。与手动调节和通断控制的普通液

压阀相比，它能明显的简化液压系统，实现复杂程序和运动规律的控制，通过电

信号实现远距离控制，大大提高液压系统的控制水平；与电液伺服阀相比，尽管

动静性能有些逊色，但电液比例阀抗污染能力强，减少了由于污染而造成的工作

故障，可以提高液压系统的工作稳定性和可靠性，更适用于工业过程；另一方面，

比例阀的成本比伺服阀低，而且不包含敏感和精密的部件，更容易操作和保养，

因此在许多场合电液比例阀获得了广泛的应用。

§1.5 电液数字控制

在模拟型比例元件发展的同时，数字式的比例阀也获得了蓬勃发展。由步进

电机驱动的增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵的高速型数字压力阀都已达到

了使用阶段。同模拟式阀相比，数字式的比例阀的优点是更抗污，开环控制精度

高，无需 A/D 和D/A 转换器就能直接与计算机接口。

随着计算机技术与微电子技术的发展，电液系统的数字化控制已成为今后发

展的明显趋势，数字式电液装置将会用于越来越多的液压系统中，这种装置提供

液压数字阀的研制与其向大流量的探索

阀或伺服之类液压组件的电气控制。

60 年代，为了克服电液伺服阀和普通开关阀的固有缺点，人们就注意数字式

或脉冲式液压组件的开发，这类组件的优点是对介质污染不敏感，工作可靠，重

复精度高，成批产品的性能一致性好。许多学者试图用高速开关控制方式对液压

系统的位置、速度进行有效控制。但是由于当时技术水准限制，开关阀的切换时

间与寿命等方面存在严重缺陷，使开关阀的发展及应用受到制约。

80 年代以来，由于装备自动化的提高，以及微电子技术的发展，使电液伺服

系统得到了进一步发展。液压传动作为一种控制手段，充当了连接微电子技术和

大功率控制对象之间的桥梁，从手动控制、机械控制向电液控制、光液控制、计

算机控制方向发展。同时，人们在开关阀的高速化，小型化方面取得了突破，出

现了不需 D/A 转换可直接由计算机控制的数字阀，并成功应用于导弹姿态的气动

伺服控制系统中。近年来，出现了数字控制液压缸和数字控制直线流体马达等新

型元器件，它们将控制组件与执行组件结合为一体，通过开环控制或死循环控制，

来实现高精度的位置、速度控制。

如今，科学发展日新月异，计算机，材料学，智能控制的快速发展为数字式

液压系统的开发提供了越来越宽广的舞台。

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摘要流体控制系统数字技术的发展必是今后时代发展的需要及趋势，本文讨论了液压电液数字阀的研制。从数字阀本身到整个系统从理论分析、数字模型、解析仿真到实验研究、工程设计和技术开发，多方面相结合地进行了全面的研究，同时从目前已开发出来的数字阀出发，探索如何进一步开发大流量的数字阀，为今后该类系统的开发、研制提供理论及技术储备。本文首先介绍了液压传动的四种控制方式，分别分析了其各自的控制原理及性能特点，然后重点介绍了本文的研究重点—液压数字阀的控制原理及其发展概况，最后从不同角度与其它三种控制方式对比，从中会很清楚的发现液压数字阀的优势。文章接着介绍了增量式数字阀。从数字阀的结构与步进电机控制两方面分...

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