工作原理与性能特性

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1317页（3303字）

比例方向阀是所有比例阀中功能最多的比例阀，通过和电子放大器相结合，驱动比例电磁铁推动阀芯，既可改变阀出口的液流方向，又可使液流的流量得到精确的变化。

比例方向阀的外形和普通换向阀的外形很相似，但阀芯的结构是特殊的，可以实现不同的中位机能和过滤状态机能，以满足液压系统的各种控制要求。阀芯与阀体配合间隙与普通换向阀的配合间隙大致相当，因此对油液的过滤精度要求也相近，比例方向阀抗油液污染能力强，为了降低加工难度和制造成本，允许比例阀有一定的中位死区，这样，在性能上除了动态响应比电液伺服阀低外，比例方向阀其他性能几乎与电液伺服阀相同。比例方向阀具有高性能、低成本的特点，在使用上有多种规格供用户选用，且比例方向阀的底板安装符合ISO标准和普通换向阀完全相同，使用户使用时更加方便。

(1)比例方向控制阀的工作原理

图21．7－1为直动式比例换向阀结构图。图中，进油口为P，出油口为A、B，回油口为T。

图21．7－1 直动式比例换向阀结构图

1－阀体；2－比例电磁铁；4－阀芯；5－复位弹簧

当电磁铁不通电时，阀芯由复位弹簧保持在中位，当向电磁铁输入一个电信号时，电磁铁A就会产生一定的推力，推动阀芯克服弹簧力向右移动一定距离，阀芯上开的V形槽相对于阀体的控制台阶移动一定的开口量，P腔到B腔，A腔到T腔流过一定流量。若输入连续的电信号，则开口量就会随之呈线性变化，使通过阀的液流流量成比例的变化。电磁铁B输入电信号时，也会产生相同的变化。改变A、B电磁铁的信号，就可使阀芯处于左、中、右和任一位置，从而使液流改变方向和流量。而普通的电磁铁换向阀只有左、中、右三个位置，不可能在中间任一位置停留。

在比例电磁铁的末端加装一个位置传感器就可构成电反馈电磁比例换向阀，如图21．7－2所示。位置传感器可以检测电磁铁推杆位置，即阀芯的确切位置，若有一定的位置误差，就会产生一个反馈信号给放大器，输入信号和反馈信号在放大器内比较，两个数值比较后，产生一个误差信号输入电磁铁，以补偿产生的误差。

图27．7－2 带电反馈比例换向阀结构图

图21．7－3是先导式比例换向阀的结构图，它与直动式阀的区别在于增加了先导阀3。

图21．7－3 先导式比例换向阀结构图

1、2－比例电磁铁；3－先导阀体；4－先导阀芯；7－主阀体；8－主阀芯；9－主阀弹簧

先导阀部分工作原理和结构见本章21．5．2(4)、21．5．4(7)。因此，当电磁铁A接收到一个输入电信号时，在先导阀的工作油口B产生一个恒定的压力，B腔的油液压力通过控制油道作用在主阀芯的右端，并推动主阀芯向左移动直到与主阀芯的弹簧力相平衡为止，主阀芯停止运动，这时主阀芯上所开的节流槽相对于主阀体上的控制台阶有一定的开口量，连续地给电磁铁A输入电信号，就会使主阀的P腔到A腔，B腔到T腔成比例地输出流量。

若向电磁铁B输入连续的电信号，就会使主阀的P腔到B腔，A腔到T腔成比例地输出流量。

当向电磁铁A输入最大电信号时，主阀芯移到最左端，输出最大流量，当向电磁铁B输入最大电流时，主阀芯移到最右端，输出最大流量。

当A、B电磁铁不通电时，主阀芯两端无压力，在复位弹簧作用下，主阀芯保持在中位，P、A、B、T四腔按中位机能相沟通。

在主阀芯的一端加装位移传感器，并将反馈信号通过放大器作用于先导阀的比例电磁铁，即可精确地控制主阀芯的运动位移，即开口量。

(2)比例方向控制阀的性能特性

A稳态流量控制特性(流量—电信号)

当系统压力为被试阀的额定压力，输入额定电信号，并使比例方向阀进出口压差为1．0MPa，调节输入电信号使其小于或等于0．05Hz的三角(或正弦)波信号，在正、负额定电信号之间变化，同时测量相应的输出流量。记录一个完整周期的流量和电流曲线即稳态流量曲线，可以得出如下性能指标：

滞环 具有相同输出流量的输入电信号之差，通常取输入信号差的最大值与额定电信号之比，以百分数表示。

线性度 名义流量特性曲线的直线性，通常取名义流量特性曲线和名义流量增益线的最大偏差与额定电信号之比，以百分数表示。

名义流量特性曲线 稳态流量特性曲线的平均值。

名义流量增益线 与名义流量特性曲线偏差最小的直线。

零偏 使滑阀处于零位的电信号(正、负两方向起始电信号的平均值)，通常取该电信号与额定电信号之比，以百分数表示。

对称度 两个极性流量增益的一致程度，通常取两个极性流量增益之差与较大的流量增益之比，以百分数表示。

重复精度 稳态流量特性的重复性，工况不变，连续多次记录稳态流量特性曲线，常取各特性曲线之间最大偏差与额定电信号之比，以百分数表示。

B．输入电信号阶跃响应特性

调定系统压力为比例方向阀的额定压力，输入额定电信号并使通过比例方向阀为试验流量，使输入信号为零，然后使电信号由零突跃至75%额定电流，将输入电信号和输出的流量信号输入记录仪记录，计算相对超调量和过渡过程时间。

C．频率响应特性

调定系统压力为被试阀额定压力，输入［0．5(I_NI_a)+I_a］直流电信号分量，并将峰值［0．25(I_N－I_a)］的正弦电信号叠加于直流分量上(I_N——额定电信号，I_a——初始电信号)，改变正弦电信号的频率，从不大于0．2Hz开始，逐渐增加，记录主阀位移信号的幅值比和相位移，在半对数坐标纸上绘制频率响应特性曲线。

幅频宽f_－3_dB——幅值比衰减到－3dB时所对应的频率。

相频宽f_－90°——相位移滞后90°时所对应的频率。

D内泄漏特性

在额定压力下，输入信号为零的内泄漏量。

E．通流能力特性

阀压降相对输出流量的特性曲线。

F．耐久性特性

使比例方向阀进口压力为10MPa，输入75%额定电信号，然后调节加载阀使比例方向阀阀口压降为1．0MPa，使输入直流电信号重复为零，然后输入±75%额定电信号，2Hz的正弦电信号，持续试验至规定次数，试毕，再进行稳态流量特性试验。