性能特性

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第790页（4561字）

(1)性能参数

A．基本参数

公称压力 指名义上的压力。

公称流量 指名义上的流量。

额定压力 指额定工况时的压力，一般指额定工况下的最大工作压力。

额定流量 指额定工况时的流量，一般指在压力损失值限定条件下所能通过的流量。

B．稳态特性参数

工作压力范围 指调速阀能可靠工作时所允许的压力范围。一般指从最低工作压力到公称压力的范围。

流量调节范围 指由最小稳定流量到额定流量的范围。

最小稳定流量 指进出口在最低工作压差下，流量变化率不超过限定值时的流量调节范围的最小值。

内泄漏量 指内部运动副高低压腔间的泄漏量，一般指调速阀进口压力在公称压力下，其节流口处于完全关闭时，从出口测得的泄漏量。

外泄漏量 指对有外泄漏量油口者，当其出口压力为某一规定值时，从外泄漏油口测得的泄漏量。

流量变化率 指调速阀的进口压力或出口压力由最低工作压力到最高工作压力变化时，其流量的变化量相对于调定流量的百分比。

压力损失 指调节手轮处于全松位置，节流口全开并通过额定流量时，进、回油口的压差。

反向压力损失 指单向节流阀或单向调速阀，当油液反向流动时，其内部单向阀的压力损失。

C．动态特性参数

响应时间 指在瞬态过程中，从起始流量到调定流量所需的时间。

瞬态恢复时间 指在瞬态过程中，从达到调定流量到调定流量稳定时所需的时间。

流量超调量 指瞬态过程中，峰值流量与调定流量的差值。

流量超调率 指流量超调量与调定流量的百分比。

(2)性能要求

对调速阀和单向调速阀的性能要求是：

·流量调节范围大，要有较小的最小稳定流量；

·工作压力范围大，且调定流量相对于进口压力、出口压力及温度变化时的流量变化率要小；

·内泄漏量要小，对有外泄漏口者，外泄漏量也要小；

·压力损失要小，对单向调速阀，正向和反向压力损失都要小；

·响应时间要短，瞬态恢复时间要短，流量超调率要低。

(3)性能特性分析

A．稳态特性

调速阀的稳态特性主要是指在给定节流阀开度状况下，通过调速阀的流量随其两端压力差变化的规律，其它稳态特性与节流阀相同。

图15．4－2是调速阀的物理模型。在稳态状况下，可列出下列方程：

图15．4－2 调速阀的物理模型

(A)通过减压阀阀口的流量方程

式中 q_v1——通过减压阀口的流量(m³／s)；

C_d1——减压阀阀口的流量系数；

W₁——减压阀阀口的面积梯度(m)；

x——减压阀阀口的开口量(m)；

p₁——调速阀的进口压力(MPa)；

p₂——节流阀的入口压力(MPa)；

ρ——油液的密度(kg／m³)。

(B)通过节流阀阀口的流量方程

式中 q_v2——通过节流阀阀口的流量(m³／s)；

C_d2——节流阀阀口的流量系数；

W₂——节流阀阀口的面积梯度(m)；

y——节流阀阀口的开口量(m)；

户₃——调速阀的出口压力(MPa)。

(C)减压阀阀芯的力平衡(忽略阀芯与阀体孔之间的摩擦力)

K_w(x₁－x)=A(p₂－p₃)+F₅(15．4－3)

式中 K_w——弹簧刚度(N／m)；

x₁——弹簧预压缩量(m)；

A——减压阀阀芯的有效作用面积(m²)；

F_s——稳态液动力(N)；

F_s=2C_d1 C_vW₁x(p₁－p₂)cosθ (15．4－4)

式中 C_v——流速系数；

θ——液流流入减压阀阀口的入流角(°)。

(D)流量连续性方程

q_v1=q_v2=q_v (15．4－5)

由式(15．4－1)至(15．4－5)可解得

对某一特定的调速阀，C_d1，C_d2，K_w，W₁，W₂，x₁，A都是常数。对应给定的节流阀开度y，可在减压阀整个开度范围内取若干个x值，代入式(15．4－6)中求得q_v，然后将对应的x，q_v值代入式(15．4－7)中，即可求得相应点的(户₁－p₂)值。把一系列的q_v和(p₁－户₂)画在坐标系中，并用曲线连接，即可得到如图15．4－3所示的稳态特性曲线。

图15．4－3 调速阀的稳态特性曲线

由式(15．4－6)可知，只要满足下列条件

这表明，调速阀的流量只决定于节流阀的开度，与调速阀进出口压差无关。为此，必须使弹簧刚度无限小(即x₁无限大)，阀芯有效面积也无限大，这在实际中是做不到的。目前只能采取较小的弹簧刚度，而适当增大减压阀阀芯的有效面积，使调速阀达到一个较好的稳态流量控制精度。

B．动态特性

在瞬态状况下，调速阀各参数之间存在如下关系：

(A)减压阀阀口的流量方程

(B)节流阀阀口的流量方程

(C)减压阀阀芯的运动微分方程

(D)阀腔的连续性方程

式中 M——减压阀阀芯的当量质量(kg)；

B——粘性阻尼系数［N／(m／s)］；

L——阻尼长度(m)。

其它符号意义同前。

对上述方程式在某稳态工况附近进行线性化，并进行拉氏变换，可得如下关系式

(MS²+BS+K′)x=ρLSq_v1－A(p₂－p₃)

-2C_d1W₁x₀(p₁－p₂)cosθ (15．4－10)

q_v2=q_v1+ASx (15．4－13)

式中K′=K_w+2C_d1W₁(p₁₀－p₂₀)cosθ——当量弹簧刚度。q_v1、q_v2、p₁、p₂、p₃、x表示相应参数的拉氏变换。

根据式(15．4－10)至(15．4－13)可作出调速阀的方框图(如图15．4－4所示)，其输入量为(户₁－p₃)，输出量为q_v1。若对上述方程式进行简化，并消去中间变量，则可得到调速阀的传递函数

式中

图15．4－4 调速阀的方框图

结合传递函数和方框图，对调速阀的动态特性作如下讨论：

(A)从方框图可以看出，由于(p₁－p₃)增加，将使q_v1和q_v2增加，但同时产生一个附加压力差(p₂－p₃)的增量，使减压阀开口关小，增加阀口液阻，使输入压力信号对节流阀的影响减小，起负反馈作用。这就是调速阀的压力补偿原理。

(B)传递函数的分母是二阶的。根据罗斯判据，所研究闭环系统的稳定条件为：G₁＞0，G₂＞0和G₃＞0。由于G₁＞0和G₃＞0永远成立，故调速阀的稳定条件应是

式中粘性阻尼系数B可通过减压阀芯上设置适当的阻尼孔进行调节，故调速阀的稳定性是可以控制的。

(C)由传递函数还可看出，该系统必定出现一个静态误差。这是由减压阀平衡弹簧的特性决定的。