零開(kāi)口四通滑閥分析.ppt

1,上一次課知識(shí)點(diǎn)回顧,Hydraulic systems in isolation serve no purpose. AMESim manual,2,1.1.1 液壓控制閥結(jié)構(gòu)及分類,常見(jiàn)的液壓伺服控制元件有： 圓柱滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥等及其組合。,圓柱滑閥,3,一、圓柱滑閥,閥芯,閥體（閥套）,凸肩,沉割槽,棱邊,閥芯孔,閥芯與閥體,land,棱邊,滑閥典型結(jié)構(gòu)原理圖,沉割槽,通油槽,4,一、圓柱滑閥的分類,兩凸肩四邊滑閥【四通閥】,三凸肩四邊滑閥【四通閥】,四凸肩四邊滑閥【四通閥】,雙邊滑閥【三通閥】,帶固定節(jié)流孔的單邊滑閥【二通閥】,5,不同開(kāi)口形式的流量特性曲線,零開(kāi)口（零遮蓋或零重疊） 具有線性特性，應(yīng)用廣泛，但加工制造困難。,零開(kāi)口,ZERO LIP,零重疊,6,不同開(kāi)口形式的流量特性曲線,正開(kāi)口,UNDER LIP,負(fù)重疊,正開(kāi)口（負(fù)遮蓋或負(fù)重疊） 零位壓力靈敏度低，泄露量大，功率損耗大； 正開(kāi)口范圍內(nèi)，增益大。,7,不同開(kāi)口形式的流量特性曲線,負(fù)開(kāi)口,正重疊,負(fù)開(kāi)口（正遮蓋或正重疊） 有死區(qū)特性，將影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)用較少。 但密封性好，在比例控制系統(tǒng)中有應(yīng)用。,8,2.1.2 液壓控制閥定義、作用,定義： 液壓控制閥是將輸入量為機(jī)械量（位移或轉(zhuǎn)角），轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)的的輸出量（流量、壓力），并進(jìn)行功率放大的元件。 作用： 1）機(jī)液信號(hào)轉(zhuǎn)換； 2）控制作用； 3）功率放大。,9,1.1.3 液壓控制閥的一般分析,一般分析： 關(guān)注靜特性（即閥的壓力流量特性），指閥在穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)載控制壓力、負(fù)載控制流量和閥位移三者間的關(guān)系。 靜特性表示閥的工作能力和性能，對(duì)液壓控制系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性具有影響。 描述方法： 1）方程； 2）特性曲線； 3）特性參數(shù)。,10,1.2 四通滑閥一般分析,靜態(tài)特性理論分析的流程：,1）分析工作原理，明確各變量間關(guān)系；,2）列寫(xiě)各元件的動(dòng)態(tài)特性方程；,3）根據(jù)因果關(guān)系，推導(dǎo)系統(tǒng)特性方程；,4）繪制特性曲線，分析靜態(tài)特性；,5）工作點(diǎn)線性化，求取閥系數(shù)；,11,1.2 四通滑閥一般分析,四通滑閥控制對(duì)稱液壓缸示意圖,12,1.2 四通滑閥一般分析,三凸肩 四通 四邊 零開(kāi)口 圓柱滑閥,13,假設(shè)條件：,1、理想滑閥 #各節(jié)流邊為絕對(duì)銳邊，無(wú)徑向間隙，無(wú)泄漏； #各節(jié)流口的流量系數(shù)相等， ； #各節(jié)流口流動(dòng)為紊流（重要）； #忽略閥腔內(nèi)的壓力損失； 2、理想流體 #流體不可壓縮，流體密度均一； 3、理想的恒壓源 #供油壓力為常數(shù)，回油壓力為零；,為什么沒(méi)提及教材中的節(jié)流口的匹配對(duì)稱條件？,14,1.2 四通滑閥一般分析,四通滑閥及等效液壓橋路,15,1.2 四通滑閥一般分析,匹配： 對(duì)稱：,16,1.2 四通滑閥一般分析,匹配對(duì)稱條件得到的結(jié)論：,對(duì)于匹配對(duì)稱條件的四通閥：,17,1.2 四通滑閥一般分析,匹配對(duì)稱四通閥的壓力-流量方程：,匹配對(duì)稱四通閥的供油流量方程：,18,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,1、零開(kāi)口特點(diǎn) #零遮蓋；,19,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,零開(kāi)口四通滑閥及等效液壓橋路,一、零開(kāi)口四通滑閥的穩(wěn)態(tài)特性方程,20,1.2 四通滑閥一般分析,21,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,教材14頁(yè)中提及“如果節(jié)流窗口為矩形”，意味著什么？,其他開(kāi)口形式（如圓形、開(kāi)三角槽等）如何？,22,滑閥的面積梯度及部分開(kāi)口，可全周開(kāi)口、 開(kāi)方孔 、開(kāi)圓孔,(a)通油槽為整周開(kāi)槽 (b)通油槽為方孔 （c）通油槽為圓孔。,23,x0時(shí),x<0時(shí),1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,24,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,零開(kāi)口四通滑閥的流量壓力特性方程 ：,至此，我們掌握了滑閥理論分析的推導(dǎo)方法，獲得了描述一個(gè)具體結(jié)構(gòu)閥的特性方程。,如果有多個(gè)零開(kāi)口四通閥，他們之間是否存在物理本質(zhì)的聯(lián)系？能夠給出一個(gè)普適化描述呢？,無(wú)因次分析法,(1-31),25,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,零開(kāi)口四通滑閥穩(wěn)態(tài)特性方程的無(wú)因次形式 ：,(1-33),(1-34),26,零開(kāi)口四通滑閥壓力-流量曲線,曲線是非線性的 !,僅僅是曲線么？,27,#線性控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析,支配方程(偏微分方程),預(yù)定工作點(diǎn)線性化,環(huán)節(jié),方框圖,傳遞函數(shù),時(shí)域響應(yīng)特性,頻域特性,28,將流量方程(1-31)式在某一工作點(diǎn)(QL0、xv0、pL0)附近進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得在此工作點(diǎn)處的線性化后的流量方程:,(1-27),Kq流量增益，或流量放大系數(shù)，表示負(fù)載壓力pL不變時(shí)， 當(dāng)閥芯位移xv，有微小增量時(shí)所引起的流量增量；,Kc壓力流量系數(shù)，表示閥芯位移不變時(shí)負(fù)載壓力增量與 負(fù)載流量增量之間的關(guān)系，也稱閥剛度。,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,二、流量方程線性化,29,(1-35),(1-37),(1-36),1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,說(shuō)明： 1）線性化方程后的方程為增量方程（重要概念）； 2）線性化方程的形式與預(yù)位工作點(diǎn)有關(guān)； 3）線性化方法的小鄰域近似與全域模型誤差。,二、流量方程線性化,30,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,二、流量方程線性化,31,零開(kāi)口四通滑閥壓力-流量曲線,32,1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,二、零開(kāi)口四通滑閥的閥系數(shù),#引入零位閥系數(shù)的理由：,33,(1-38),(1-40),(1-39),1.3 零開(kāi)口四通滑閥分析,二、零開(kāi)口四通滑閥的閥系數(shù),根據(jù)閥系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，考慮到零位條件，可得零位閥系數(shù)為,說(shuō)明： 1）上述閥系數(shù)是理想的條件的理論分析結(jié)果； 2） 計(jì)算較準(zhǔn)確，但 、 與實(shí)際差別較大 3）零位閥系數(shù)可實(shí)際測(cè)得，也可通過(guò)近似計(jì)算得到。,34,零開(kāi)口四通滑閥壓力-流量曲線的內(nèi)在玄機(jī),1 線性工作區(qū),2 閥系數(shù),3 動(dòng)態(tài)特性,延伸,35,伺服閥樣本中的閥壓力-流量曲線,MOOG D765,36,液壓元件在工作過(guò)程中將受到各種形式的作用力，主要有慣性力、粘性力、彈性力、重力、摩擦力、負(fù)載力，以及液壓力和液動(dòng)力等，即,如何分析和計(jì)算液壓力、液動(dòng)力？,1.7 滑閥的驅(qū)動(dòng)力,37,一、液壓力 在液壓元件中，由液體重力而產(chǎn)生的液體壓力差相對(duì)于液壓力而言極小，故而可以忽略，在計(jì)算時(shí)認(rèn)為在同一容腔內(nèi)的液體壓力相同。,1.7 滑閥的驅(qū)動(dòng)力,作用在容腔周圍壁面上的液壓力大小為,(1),38,二、液動(dòng)力,2.4 液壓元件的受力,問(wèn)題2：液動(dòng)力組成？,問(wèn)題1：液動(dòng)力是如何產(chǎn)生的？,39,二、液動(dòng)力,2.4 液壓元件的受力,理論基礎(chǔ)：流體力學(xué)中的歐拉動(dòng)量定律,作用在液體控制體V上的外力主要包含兩部分：,一項(xiàng)是由于液體在不同位置上具有不同速度所引起的力，稱為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；,一項(xiàng)是使控制體內(nèi)的液體加速或減速所需的力，稱為瞬態(tài)液動(dòng)力。,40,二、液動(dòng)力,以液壓閥為例，在閥口出流過(guò)程中，由于閥芯的作用，使液流速度的大小或方向發(fā)生變化，因而產(chǎn)生液流對(duì)閥芯的作用力，統(tǒng)稱為作用于閥芯上的液動(dòng)力。,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,41,二、液動(dòng)力,2.4 液壓元件的受力,閥口開(kāi)度一定,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力,42,二、液動(dòng)力,2.4 液壓元件的受力,閥口開(kāi)度變化,pS,T,A,B,1,2,4,p1,3,p2,QL,QL,瞬態(tài)液動(dòng)力,43,二、液動(dòng)力,2.4 液壓元件的受力,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,2.13 二凸肩滑閥液動(dòng)力,44,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,控制體,2.13 二凸肩滑閥液動(dòng)力,固定開(kāi)度,45,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,徑向液動(dòng)力趨向于把閥芯推向側(cè)面，使之與閥孔壁相貼，從而引起附加摩擦力，影響閥芯正常工作，但通過(guò)軸對(duì)稱布置節(jié)流窗口可使其互相抵消，故徑向液動(dòng)力實(shí)際上可取,(5),46,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,問(wèn)題：軸向液動(dòng)力可抵消么？,回答：軸向液動(dòng)力不能抵消！,(4),47,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,軸向液動(dòng)力計(jì)算公式：,式中,入口和出口斷面平均流速；,入口和出口的液體入流和出流的射流角；,(6),48,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,軸向液動(dòng)力計(jì)算公式：,問(wèn)題：式中負(fù)號(hào)表明與規(guī)定方向相反，但 的物理意義是什么，其對(duì)滑閥工作性能 有何影響呢？,49,二、液動(dòng)力,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,2.13 二凸肩滑閥液動(dòng)力,軸向液動(dòng)力計(jì)算公式：,(11),50,2）性質(zhì)：當(dāng)閥口壓力降為常數(shù)時(shí)，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小 與閥芯位移成正比，它的作用與滑閥的復(fù)位 （或?qū)χ校椈傻淖饔猛耆嗨疲仕且?種由液體流動(dòng)引起的、剛度為 的彈性力。,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,進(jìn)一步分析，可得出如下結(jié)論（重點(diǎn)）：,1）方向：式中負(fù)號(hào)表示穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力始終指向閥口關(guān)閉 的方向，這是利于滑閥穩(wěn)定工作的。,對(duì)應(yīng)問(wèn)題：式中負(fù)號(hào)表明與規(guī)定方向相反，其物理意義是什么，其對(duì)滑 閥工作性能有何影響呢？,51,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,討論：,1*）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力并非單調(diào)函數(shù)。在很多其他更為一般的場(chǎng)合，閥口壓力降在閥口開(kāi)度很小時(shí)，隨閥口開(kāi)度的增加而迅速減小至接近于某個(gè)定值，此時(shí)液動(dòng)力隨閥芯開(kāi)口量的變化關(guān)系曲線將出現(xiàn)一個(gè)極大值，故而上述推導(dǎo)的計(jì)算公式僅適用于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力達(dá)到最大值之前。,52,3#）延伸：穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力方程在控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模時(shí)，應(yīng)對(duì)其取增量方程，而后進(jìn)行拉氏變換，需要注意的是其方程包含兩項(xiàng)，即,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,討論：,2* ）在實(shí)際應(yīng)用的滑閥中，往往有幾個(gè)節(jié)流口同時(shí)工作。此時(shí)，閥芯上所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力應(yīng)該是各個(gè)節(jié)流口處液動(dòng)力的總和。,53,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,控制體,2.13 二凸肩滑閥液動(dòng)力,開(kāi)度變化,54,分析：瞬態(tài)液動(dòng)力與閥芯的運(yùn)動(dòng)速度和壓力變化成正比。式中第二項(xiàng)的閥口開(kāi)度 很小，且壓力變化率很小，而且很少有直接證據(jù)可以證明壓力變化率這一項(xiàng)對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性有什么顯著的影響，因此在分析中往往把它忽略。,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,(14),55,1）瞬態(tài)液動(dòng)力性質(zhì)：由上式可以看出，當(dāng)液流由閥腔經(jīng)節(jié)流窗口流出時(shí)，此時(shí)的瞬態(tài)液動(dòng)力與閥芯速度具有相反的符號(hào)，即說(shuō)明瞬態(tài)液動(dòng)力是對(duì)閥芯起其阻尼作用的，這說(shuō)明瞬態(tài)液動(dòng)力是阻尼力。,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,結(jié)論(重點(diǎn))：,(15),56,2.13 二凸肩滑閥液動(dòng)力,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,57,2）瞬態(tài)液動(dòng)力的方向要視閥腔、液流流動(dòng)方向而定。,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,討論(重點(diǎn))：,3）瞬態(tài)液動(dòng)力影響閥的工作穩(wěn)定性：正阻尼、負(fù)阻尼作用與穩(wěn)定性關(guān)系 。,4）正負(fù)阻尼長(zhǎng)度,58,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,正阻尼長(zhǎng)度,負(fù)阻尼長(zhǎng)度,59,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,討論：,1）針對(duì)具體結(jié)構(gòu)的閥，液壓控制閥是由幾個(gè)串、并聯(lián)組合的控制窗口組成的，此時(shí)閥芯上作用的總瞬態(tài)液動(dòng)力應(yīng)把各段閥腔對(duì)閥芯的這個(gè)作用力疊加起來(lái)，此時(shí)可借用正、負(fù)阻尼長(zhǎng)度的概念進(jìn)行定性分析。為使瞬態(tài)液動(dòng)力對(duì)閥芯其穩(wěn)定作用，在帶多段閥腔的液壓閥中，對(duì)于等斷面的閥腔必須保證：,60,1. 作用在滑閥上的液動(dòng)力,（2）瞬態(tài)液動(dòng)力計(jì)算,討論：,2）閥芯所受的各種作用力中，瞬態(tài)液動(dòng)力的數(shù)值所占比例不大，在一般液壓控制閥中通常忽略不計(jì)。 但在分析計(jì)算動(dòng)態(tài)響應(yīng)較高的閥，如伺服閥或高響應(yīng)比例閥，才予以考慮瞬態(tài)液動(dòng)力的影響。,61,2. 零開(kāi)口滑閥上的液動(dòng)力分析,1）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力,2）瞬態(tài)液動(dòng)力,62,小 結(jié),A 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力 知識(shí)點(diǎn)：產(chǎn)生及組成，液動(dòng)力計(jì)算 重 點(diǎn)：計(jì)算公式，液動(dòng)力方向及性質(zhì) B 瞬態(tài)液動(dòng)力 知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算方法，阻尼長(zhǎng)度 重 點(diǎn)：液動(dòng)力的方向及性質(zhì)，定性判斷穩(wěn)定性的準(zhǔn)則,分析對(duì)象：滑閥,