1
Introduction
All control systems can be reduced to a few basic groups of elements, the elements of each group performing a specific function in the system. The division into groups of elements can be carried out in a number of different ways, but selecting the following four groups forms a convenient structure for the definition of hydraulic and electro-hydraulic control systems.
(1) The power source.
(2) The control elements.
(3) The actuators.
(4) The data transmission elements.
The power source consists invariably of a pump or combination of pumps and ancillary equipment, e.g. accumulators, relief valves, producing hydraulic energy which is processed by the control elements to achieve the required operation of the actuator. The control elements can be valves of one type or another, variable displacement pumps or variable displacement motors. Some control systems contain a combination of all or some of these control elements. The actuator converts the hydraulic energy generated by the power source and processed by the control elements into useful mechanical work. An actuator producing linear output is referred to as a cylinder, jack or ram, whilst an actuator giving continuous rotation is a hydraulic motor and an actuator giving non-continuous rotation is usually called a rotary actuator.
The control elements act on information received from the data transmission elements; in a simple hydraulic control system the data transmission elements are mechanical linkages or gears, but in complex systems data transmission can take many forms, i.e. electrical, electronic, pneumatic and optical, or combinations of these types of data transmission. Although simple or mechanical-hydraulic control systems are still in use, they are being progressively replaced by the more versatile and flexible electro-hydraulic control system, using electronic data transmission.
Control systems can be subdivided into two basic types: on-off, or bangbang, and proportional. A typical example of the former is an electrohydraulic system controlled by solenoid-operated directional valves, where actuator velocity is pre-set but not controlled, whereas an example of the latter would be a velocity control system controlled by a solenoid-operated proportional valve controlling the flow to the actuator and hence its velocity. This book will confine itself to proportional systems, i.e. to control systems where a functional relationship exists between the controlled output quantity and the demand signal.
2
Hydraulic Power Source
In hydraulic control systems the pump supplies fluid either at substantially constant pressure which is independent of the external load acting on the actuator or, alternatively, at a supply pressure which is a function of the external loading. In systems which have the supply pressure maintained at a constant level, the hydraulic power source can be either a fixed or variable displacement pump. In either case, as pressures normally encountered in power hydraulic systems are relatively high, the pump would be one of the three positive displacement types, that is gear, vane or piston. Piston pumps can have either axially or radially mounted pistons. The choice of pump depends mainly on the maximum pressure and rate of flow required for the operation of the system.
Three typical arrangements of a constant pressure supply are shown in Figs 2.1-2.3. In its simplest form, shown in Fig. 2.1, the power unit consists of a fixed displacement pump, a pressure relief valve and a reservoir. As the pump delivers fluid at a constant rate, the supply pressure is determined by the setting of the pressure relief valve which diverts pump flow in excess of system demand back to tank. The energy dissipated through the relief valve is not recoverable and is converted into heat energy causing a rise of temperature of the fluid in the system, which can be counteracted to some extent by increasing the amount of fluid circulating in the system, although normally, other than for very low power levels, some form of cooling would have to be provided.
A more efficient supply system, employing some additional components, is shown in Fig. 2.2. The additional components are: an accumulator, an offloading valve and a non-return valve. On start-up the bypass line is closed and, as the pump charges the accumulator, system pressure rises; when the pressure reaches a value corresponding to the high level setting of the offloading valve the bypass line is opened, thereby off-loading the pump. The accumulator now maintains system pressure with the non-return valve in its closed position. Since the flow required by the system has to be provided by the accumulator, the supply pressure will drop as the accumulator discharges. When the pressure reaches a value corresponding to the low level setting of the off-loading valve, the bypass line is blocked and the pump again supplies the system; the accumulator is re-charged and supply pressure rises. The sequence of operations is then repeated, the relief valve acting solely as a safety device and remaining seated under normal operating conditions.
This arrangement is particularly suitable for systems operating for extended periods under idling or low flow conditions. The rating of the pump and size of the accumulator depend on the duty cycle; therefore, if in addition to long idling periods the system is required to operate for extended periods at peak or near peak demand, the pump should be rated at the maximum flow, enabling a small accumulator to be used to maintain supply under idling conditions. Energy dissipation and the consequent cooling problem is considerably reduced by using a power unit of this type rather than the simpler arrangement previously described.
An alternative solution, that overcomes the inefficiency of the first arrangement, is to use a double pump unloader s
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
液压和电液控制系统
作者：R.B. WALTERS
1.介绍
所有的控制系统可以被简化为几个基本元素组，每组元素在系统中执行特定的功能。我们可以通过多种不同的方式来对相应的元素组进行划分，下面选择以下四组方式来进行划分，它们将为我们在定义液压和电液压控制系统过程中提供便利。
（1）电源。
（2）控制元件。
（3）执行器。
（4）数据传输元件。
液压系统中动力源基本都是由泵或泵与辅助设备，例如蓄能器，安全阀。它们产生液压能，通过控制元件进行处理，以实现执行器所需的操作。控制元件可以是一种或另一种类型的阀，可变排量泵或可变排量马达。控制元件可以是阀中的一种或是其他的类型，如可变量泵或可变量马达。一些控制系统包含所有或部分这些控制元素的组合，控制系统将动力源产生的液压能转换为机械功，产生线性输出的致动器称为气缸，千斤顶或柱塞，而提供连续旋转的致动器为液压马达，而提供非连续旋转的致动器通常称为摆动液压马达。
从数据传输元件接收到的信息作用于控制元件。在“简单的”液压控制系统中，数据传输的原理是通过机械联动装置，或是齿轮。但在“复杂的”系统中，数据传输可以采用多种形式，即电气，电子，气动和光学，或这些类型的组合。虽然 “简单”的机械液压控制系统仍在被使用，但由于电子数据传输，它们逐渐被功能更广泛，更灵活的电液控制系统所取代。
控制系统可以分为两种基本类型：开-关或比例。前者的典型示例是由电磁换向阀控制的电动液压系统，其中致动器的速率被进行了预设，但是并不能够进行相应的控制。而后者的示例则是由电磁比例阀通过致动器的流量速率，也就是致动器的速率来控制的速度控制系统。本书的范围将仅限于比例系统，即控制系统，其中控制输出量和需求信号之间存在函数关系。
2.液压动力源
在液压控制系统中，泵以基本恒定的压力供应流体，该压力与作用在致动器上的外部负载无关，或者，泵以作为外部负载函数的供应压力来供应液体。在将供应压力维持在恒定水平的系统中，液压动力源可以是定量泵或变量泵。在这两种情况下，由于动力液压系统中通常遇到的压力相对较高，因此泵将是三种正排量类型之一，即齿轮泵，叶片泵或活塞泵，活塞泵能有轴向或径向安装的活塞。泵的选择主要取决于系统运行所需的最大压力和流量。
图2.1 带溢流阀的定量泵
图2.1-2.3显示了恒压供应的三种典型布置，在其最简单的形式中，如图2.1所示，动力装置由一个固定排量泵、一个减压阀和一个储液罐组成。当泵以恒定速率输送液体时，供应压力由减压阀的设置决定，减压阀将泵超过系统需求的部分流量分流回油箱。通过溢流阀耗散的能量无法回收，而是转化为热能，导致系统中流体的温度升高，这可以通过增加系统中循环的流体量在一定程度上予以抵消，不过通常情况下，除了非常低的功率水平外，必须提供某种形式的冷却。
图2.2所示为采用一些附加组件的更高效的供应系统。附加组件包括：蓄能器、卸荷阀和止回阀。启动时，旁通管路关闭，当泵向蓄能器充能时，系统压力升高；当压力达到与卸载阀的高液位设置相对应的值时，旁通管路打开，从而卸载泵。现在，蓄能器在止回阀处于关闭位置时保持系统压力。由于系统所需的流量必须由蓄能器提供，因此随着蓄能器的排放，供应压力将下降。当压力达到与卸荷阀的低位设置相对应的值时，旁通管路被堵塞，泵再次向系统供应；蓄能器重新充注，供应压力升高。然后重复操作顺序，安全阀仅作为安全装置，在正常操作条件下保持固定。
图2.2 带蓄能器和卸荷阀的定量泵
这种布置特别适合在空转或低流量条件下长时间运行的系统。泵的额定值和蓄能器的尺寸取决于占空比；因此，如果除了长时间的空转时间之外，还要求系统在峰值或接近峰值需求的情况下长时间运行，则应将泵的额定流量设为最大，以使小型蓄能器可以在空转条件下维持供应。通过使用这种类型的动力单元而不是先前描述的较简单的布置，可以大大减少了能量耗散和随之而来的冷却问题。
克服第一种方案效率低下的另一种解决方案是使用一个装有顺序阀的双泵卸荷系统卸下较大的泵。
最有效的液压动力源是变量泵。图2.3显示了压力补偿变量泵的示意图，该泵在恒压和变流量下向系统供应流体。在变量泵中，通过操作输出控制杆来控制流量，进而将泵的排量从标称零变为最大额定值。使用不同的方法来获得可变位移，但大多数设计使用可变斜盘角度的原理，或是提供用于改变气缸体组件相对于驱动轴轴线的角位置的装置的方法。
图2.3 压力补偿变量泵
压力控制单元中偏置弹簧的预紧力决定供应压力。如果泵输送的液体超过系统所需的量，供给压力将瞬间升高，从而使作用在输出控制执行器活塞上的负载失去平衡，从而减少泵的排量，直到流量平衡恢复。如果输送控制杆超出平衡位置，供应压力将降至标称设置以下，从而使控制活塞失去平衡，从而增加泵流量，直到恢复平衡。压力补偿变量输送泵的典型压力流量特性如图2.4所示。除非允许泵饱和，否则工作压力始终在截止压力范围内，压力控制单元的设计决定压力流量特性。 通常，最大流量时的供应压力为零流量时的压力的90％或更高。
图2.4 压力补偿可变排量泵的压力-流量特性
在静液压传动中，通过改变变量泵的流量直接控制致动器的速度或位置。在这种系统中，供给压力不是恒定的，而是随着外部负荷的变化而变化。示意布置如图2.5所示。在正常操作条件下，安全阀是固定的，起到限压安全阀的作用。
图2.5 可变压力供应系统
3.工作压力
液压控制系统中的工作压力范围很广，从低至5 bar到300 bar或更高。液压机属于一个特殊的类别，有时可在高达700 bar的压力下工作。较高的工作压力的优点是减小了部件的尺寸和重量，这对于航空航天应用而言尤其重要。对于工业应用，主要考虑因素通常是安装成本，并且由于泵通常是控制系统中最昂贵的单件产品，因此其选择可能会对系统总成本产生重要影响。有三种不同类型的容积泵：齿轮泵、叶片泵和活塞泵。
直到几年前，齿轮泵和叶片泵的压力额定值远低于活塞泵；然而，现在已经不是这样了，现在可提供最大额定压力为200至250 bar的高压齿轮泵和叶片泵。由于大多数液压控制系统都在这个范围内工作，选择泵的决定因素往往是容积效率和成本之间的折衷。一般来说，齿轮泵比同等额定值的活塞泵、占据中间位置的叶片泵便宜。齿轮泵或叶片泵通常无法实现活塞泵的高容积效率。
随着泵的成本随着尺寸的增加而增加，在较低流量下的较高工作压力将导致比在较低压力和较高流量下运行的类似额定功率的泵便宜。 但是，在选择适合给定应用的工作压力时，还必须考虑其他因素。在压力范围的两端，流体的可压缩性限制了控制系统提供令人满意性能的压力范围。在低压下，流体中会有存在较大的空气包裹体的危险，这会大大降低流体的有效体积模量，导致系统弹性过大。
现在让我们来研究工作压力对流体压缩性的影响。当最大工作压力为，压缩流体体积为时，流体中储存的能量为
以及所做的有用功
其中V是传递的量
还有流体的体积模量
将等式（3.1）除以等式（3.2），并与等式（3.3）组合
因此，流体由于其可压缩性而储存的能量与工作压力成正比。
压力对系统弹性的影响将液压控制系统中通常可接受的工作压力设定为上限，这与超高压带来的额外危险一起，将大多数实际应用的最大压力额定值限制在300 bar左右。
4.液压执行机构
执行器在液压控制系统中的作用是将泵提供和控制元件处理的液压能转化为有用的功。执行机构有线性或旋转输出：t，可分为三种基本类型：
（1） 气缸或千斤顶。
（2） 马达。
（3） 旋转执行器。
旋转致动器基本上是非连续电动机，由一个圆柱体组成，一个或两个叶片刚性固定在圆柱体上。输出轴带有一个活动叶片，或者，在双叶片执行器的情况下，两个叶片，双叶片执行器的扭矩输出是单叶片单元的两倍。对于双叶片执行机构，最大旋转角度限制为大约150°，对于单叶片执行机构则为300°。 这种类型的执行器特别适合需要在高输出扭矩下进行精确位置控制的应用，因为它消除了对减速齿轮的需求，因为减速齿轮会引入弹性和间隙，从而对系统性能产生不利影响。
液压马达本质上是一种液压泵，在这种泵中，能量转换的意义被颠倒了。当泵将原动机提供给驱动轴的机械能转换为液压能时，电动机将泵提供的液压能转换为输出轴的机械能。由于这种基本的相似性，除了一些细微的差别外，它们在结构上是相同的。液压马达分为两类：
（1） 高速，低扭矩。
（2） 高扭矩，低速。
高速，低扭矩电动机可分为三类：
（1）齿轮式马达。
（2）叶片式马达。
（3）轴向柱塞式马达。
高扭矩、低速电机通常采用径向活塞式结构。
一旦确定了所需的电动机输出功率，就必须确定高速，低转矩或高转矩，低速装置最适合给定的应用。工业高速低转矩电动机比同等功率额定值的高转矩电动机便宜得多。 但是由于前者几乎总是需要提供减速器，而减速器对于闭环系统必须是高等级的，因此选择直接驱动的高扭矩单元通常是有利的。 系统稳定性和性能考虑因素也会影响电动机类型和容量的选择。
最常用的液压执行机构是油缸或千斤顶。液压缸可以是单动式或双动式。单作用液压缸仅在一个方向上由动力驱动，而双作用液压缸则在两个方向上由动力驱动。液压缸可以是单端或双端结构，如图4.1所示。双端对称液压缸（图4.1（a））通常用于高性能伺服系统，但是与具有类似工作输出的单端执行器相比，其具有更长的总长度并且价格更高。由于单端气缸的成本较低且尺寸较小，因此广泛用于工业和航空控制系统应用。 尽管单端圆柱体是不对称的，但如果进行系统分析时要考虑不对称性对性能和稳定性的影响，则它们非常适合闭环系统。
图4.1 (a)对称的 (b)单端 (c)差动
标准的商用油缸非常适合许多控制应用，但是它们相对较高的密封摩擦会在低速下产生滑粘效果，这可以通过使用带有低摩擦密封的液压缸（如尼龙、丁三醇、金属活塞环等）来克服。
5.控制元件
任何液压控制装置的功能是控制下列一个或多个执行器输出变量：方向、速度、加速度、减速、位置或力。控制元件通过操纵液压变量、压力和流量来控制机械输出变量。控制元件的输入变量通常采用机械，气动，液压或电信号的形式。在现代比例液压控制装置中，输入变量最有可能是一个低功耗的电模拟或数字信号，前者提供无级变量，后者则对流量或压力进行离散控制。
因此，我们可以将控制元素简化为两个基本组件组：
（1）电液压力控制。
（2）电液流量控制。
由于两组之间在功能或结构上几乎没有共通性，所以分开考虑每个组更为可行。
5.1压力控制
比例减压阀的横截面图如图5.1所示。它本质上是一个由比例螺线管控制的单个可变节流孔，产生与施加的输入电流成比例的磁力，并通过压力产生反作用力。典型的稳态性能曲线如图5.2所示。 由于该阀是单级设备，因此流速限制在5升/分钟左右。 为了控制更高的流量，该阀可以用作先导阀，以控制液压锥型溢流阀的排气流量，如图5.3所示。 图5.4显示了在100升/分钟流量下的典型稳态性能曲线。
图5.1 比例溢流阀
图5.2 稳态特性
图5.4 两级阀稳态特性
图5.3 两级比例溢流阀
比例压力控制用于限制执行器施加的力或产生循环内压力分布，以提高系统效率。
5.2流量控制
流量控制可以通过两种截然不同的方法之一来实现：静液压或流体动力。 在静液压传动中，通过改变可变排量泵或马达的旋转角来控制流量。通常使用电动液压伺服阀执行此功能，并从枢轴获取位置反馈。在速度控制系统中，可以将来自执行器驱动的转速计的信号用作替代或附加的反馈信号。 在位置控制系统中，主要反馈信号来自执行器驱动的位置反馈传感器，斜角反馈提供次要反馈回路。 采用可变排量泵的静液压传动装置的方框图如图5.5所示。
对于单向速度控制系统，中心旋转角度控制的一侧就足够了，而双向速度控制系统则需要附加的方向阀或偏心斜角控制。静液压位置控制系统始终需要偏心斜角控制。
在控制元件为可变排量电动机的静液压变速器中，直接控制的变量是输出扭矩，可通过安装适当的反馈传感器来利用该扭矩实现运动控制。
虽然市场上有不同设计的泵和马达，但大多数变量泵和马达都是叶片式或活塞式的。
在流体动力流量控制中，节流阀将入口的压力能转换为出口的动能。阀门可以是二通、三通或四通结构，通常用于描述包含两个、三个或四个外部端口的阀门。四种基本电路配置：
（1） 进口节流
（2） 出口节流
（3） 进出口节流
（4） 溢流调节
如图5.6至5.9所示。 由于大多数执行器都需要在两个方向上进行速度控制，因此上述回路通常会包括其他方向控制阀或方向控制的整体装置。
进口节流
供给压力是通过调节减压阀预先设定的。负载压力是作用在执行器上的外部负载的函数：。速度由节流至气缸的入口流量控制。执行器的出口流量直接反馈至油箱。上述配置的显著特征可概括如下：
（1）节流作用浪费的能量导致效率比静液压传动装置低，但比进出口节流回路更好。
（2）仅可以控制相反的负载。
出口节流
供给压力通过调节减压阀来设定。 压力 由作用在执行器上的外部负载和供给压力，反向负载减小，辅助负载增大压力确定。 速度通过节流从执行器到油箱的出口流量来控制。
（1）效率类似于进口节流配置。
（2）反向负荷和辅助负荷均可控制。
（3）当遇到非对称气缸的超负荷时，必须小心避免因压力增强而产生过多的压力。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236256]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
