2.2　电液比例压力阀及应用

2.2.1　电液比例压力阀概述

图2-9为一种不带电反馈的直动式电液比例压力阀，它由比例电磁铁和直动式压力阀两部分组成。直动式压力阀的结构与普通压力阀的先导阀相似，所不同的是阀的调压弹簧换为传力弹簧3，手动调节螺钉部分换装为比例电磁铁。锥阀芯4与阀座6间的弹簧5主要用于防止阀芯的振动撞击。阀体7为方向阀式阀体。当比例电磁铁输入控制电流时，衔铁推杆2输出的推力通过传力弹簧3作用在锥阀芯4上，与作用在锥芯上的液压力相平衡，决定了锥阀芯4与阀座6之间的开口量。由于开口量变化微小，故传力弹簧3变形量的变化也很小，若忽略液动力的影响，则可认为在平衡条件下，所控制的压力与比例电磁铁的输出电磁力成正比，从而与输入比例电磁铁的控制电流近似成正比。这种压力阀除了在小流量场合作为调压组件单独使用外，更多的作为先导阀与普通溢流阀、减压阀的主阀组合，构成不带电反馈的先导式电液比例溢流阀、先导式电液比例减压阀，改变输入电流大小，即可改变电磁力，从而改变导阀前腔（即主阀上腔）压力，实现对主阀的进口或出口压力的控制。

图2-10（a）为位移电反馈型直动式电液比例压力阀的结构图，它与图2-9所示的压力阀所不同的是，此处的比例电磁铁带有位移传感器1，其详细图形符号为图2-10（b）。工作时，给定设定值电压，比例放大器输出相应控制电流，比例电磁铁推杆输出的与设定值成比例的电磁力，通过传力弹簧7作用在锥阀芯9上；同时，电感式位移传感器1检测电磁铁衔铁推杆的实际位置（即弹簧座6的位置），并反馈至比例放大器，利用反馈电压与设定电压比较的误差信号去控制衔铁的位移，即在阀内形成衔铁位置闭环控制。利用位移闭环控制可以消除摩擦力等干扰的影响，保证弹簧座6能有一个与输入信号成正比的确定位置，得到一个精确的弹簧压缩量，从而得到精确的压力阀控制压力。电磁力的大小在最大吸力之内由负载需要决定。当系统对重复精度、滞环等有较高要求时，可采用这种带电反馈的比例压力阀。

图2-11为带手调安全阀的先导式电液比例溢流阀［图2-11（a）为结构图，图2-11（b）为图形符号］。它的上部为先导级，是一个直动式比例压力阀，下部为功率级主阀组件（带锥度的锥阀结构）5，中部配置了手调限压阀4，用于防止系统过载。图中，A为压力油口，B为溢流口，X为遥控口，使用时其先导控制回油必须单独从外泄油口2无压引回油箱。该阀的工作原理是，除先导级采用比例压力阀之外与普通先导式溢流阀基本相同。手调限压阀与主阀一起构成一个普通的先导式溢流阀，当电气或液压系统发生意外故障时，它能立即开启使系统卸压，以保证液压系统的安全。

图2-12所示为力士乐单向比例减压阀。与普通单向减压阀相比，比例减压阀用比例电磁铁取代了调压螺栓。

2.2.2　电液比例溢流阀在发动机上的应用

电液比例溢流阀应用于工程机械发动机液压驱动风扇冷却系统中，根据冷却液的温度实现风扇转速的无级调节，调速方便，能够解决工程机械冷却风扇的转速只随发动机转速的改变而改变及由此而带来的冷却不合理的问题，且安装方便。

（1）比例阀系统工作原理

电液比例溢流阀用比例电磁铁取代普通开关型液压阀的手动调节装置或普通电磁铁，因而可以对液压参量进行远距离、高精度的连续控制，系统基本工作原理如图2-13所示。在工程机械发动机冷却风扇液压驱动系统中，输入信号是冷却液温度传感器根据所采集的发动机冷却液的温度而输出的连续变化的电气量，经比例放大器处理后，作用于比例电磁铁；比例电磁铁作为电-机转换器，输出与其感应线圈电流成比例的牵引力。此力作用于溢流阀的阀芯，所以随输入电流的改变，可改变节流回路的溢流量，从而改变溢流阀的调整压力，控制、输出液压量，使发动机冷却风扇液压驱动系统及液压马达的进出口压力差随冷却液的温度而自动调节。油压的改变就会对冷却风扇起到调速的作用。

（2）比例阀控制特性的测试

为了确定比例阀入口压力p随比例电磁铁线圈中的电流f变化关系，必须对比例阀控制特性进行测试。它要求在通过被试比例阀的流量为常数的情况下进行，试验油路与测试方案如图2-14所示。

系统选用型号为EBG-O3-C-T-50的比例阀和直流输入式直流电源用SKIOI5-11型比例控制放大器。因为要求通过被试阀的流量为常数（规定值），所以试验油路采用恒流源供油，阀2起安全保护作用。调速阀4用于设定通过被试阀的恒定流量，流量的大小由回油管中的流量计7来监视和读出。

为了能够连续地描绘出比例阀的控制特性曲线，采用超低频信号发生器11产生0.01～0.02Hz的三角波信号输给比例控制放大器10；由比例控制器上的电流检测孔输出U_i信号，它代表着线圈中控制电流I的大小。被试阀的入口压力由压力传感器5测出并转换成信号U_p输出。当三角波信号由零逐渐增加至最大值，然后又逐渐减小至零工作一个循环时，被试阀主阀口就由开启逐渐关小然后再逐渐开启至最大经历这样一个循环。因此，入口压力也变化一个循环，故压力传感器5的输出信号U_p也相应地由U_pmin逐渐增至U_pmax，然后再逐渐减小至U_min。试验过程中，将U_i信号输往X-Y记录仪的X轴；U_p信号输往X-Y记录仪的Y轴，则记录仪就连续实时描绘出控制特性曲线，如图2-15所示。

由图2-15控制特性曲线可以看出，所选比例阀的入口压力p随比例电磁铁线圈中的输入电流i的变化而变化。当比例电磁铁线圈中的输入电流i增加时，比例阀的入口压力p也随之增加；当比例电磁铁线圈中的输入电流f减少时，比例阀的入口压力p也随之减小。在所设计系统中，系统压力即为比例阀的入口压力。所以，比例阀能够根据输入电流i的变化调节系统的压力，进而调节液压马达的进口压力，改变风扇的转速。

2.2.3　船用舵机水动力负载模拟装置的比例控制系统

船舶舵机负载模拟器是一种地面半实物仿真设备，用于在实验室条件下模拟舵机所受的外部载荷。舵机在水下所受负载较复杂，有水动力、摩擦力、惯性力等。用于模拟此类负载的加载系统一般都具有惯量大、负载流量大、所需出力大的特点。舵机负载模拟器，包括惯性加载和水动力加载两部分。惯性加载是通过等效转动惯量盘实现，水动力加载是通过基于比例溢流阀的加载回路实现，避免了大流量电液伺服阀的使用。

（1）水动力加载液压系统

舵机负载模拟器对水动力加载特性有如下要求：按舵叶转角及转动方向进行水动力加载；舵叶转动停止时按恒定力加载；舵叶回中转动时停止加载。根据以上要求，设计的水动力加载装置液压系统如图2-16所示。

该液压系统主要由以下两个回路组成。

①加载回路　加载回路由恒压变量泵2、单向阀9、精密过滤器10、溢流阀11、节流阀12、蓄能器17、比例溢流阀14、液动换向阀18、旁通球阀20、溢流阀21以及加载缸22组成。当舵机液压缸24驱动舵轴转动时，加载缸22通过连接机构23提供阻力模拟水动力负载，连接机构上装有转动惯量盘来模拟惯性负载。通过控制比例溢流阀14的溢流压力来控制加载液压缸被拖动时的背压，从而控制了主动缸运动时的负载力。恒压变量泵的作用是，当舵机停止转动时，经过节流阀12向比例溢流阀提供所需要的最低工作流量。所以，变量泵2选用高压小排量的恒压变量泵，变量泵的设定压力为21MPa。

②补油回路　补油回路由低压大排量叶片泵6、过滤器16、溢流阀15以及单向阀19组成。补油回路的作用是，当加载液压缸被动运动时，为体积增大的一腔补油。故补油回路中的叶片泵为低压大流量压力源，溢流阀15的设定压力为0.5MPa。系统采用高压小排量泵和低压大排量泵构成液压动力源，具有功耗低、效率高的特点。同时，系统避免了复杂的液压惯性系统的存在和成本较高的电液伺服阀的使用，结构更加简单，容易实现。

（2）控制方法及效果

根据以上设计的液压系统和工作要求，设计出如图2-17所示的控制系统。

①函数发生器的实现　根据舵机液压缸活塞杆的位移量和舵机的几何关系，可以计算出舵角的大小。函数发生器是根据舵角的大小，得到舵轴在该位置所受到的水动力负载的信号发生器。系统工作时，将实测的舵角-水动力负载的对应值，以合适的间隔添加到函数发生器中，得到一个不同舵角对应不同水动力负载的表格。当函数发生器通过数据采集系统获得舵轴的当前舵角后，通过查表或线性插值得到水动力负载的值。舰船实际航行时，在不同的速度下，有不同的舵角-水动力负载关系曲线。因此，函数发生器可以发生多个航速下不同舵角对应的水动力负载值信号。同时，为了满足“舵机回中转动时不加载”的工作要求，函数发生器还需要对液压缸的位置变化进行判断。当函数发生器判断舵轴向靠近中位的方向运动时，函数发生器的水动力负载的理论值直接输出零。若是判断为远离中位方向，则函数发生器输出正常值。通过上面得到的水动力负载值，可以算出加载腔应该控制的理论压力值。计算公式如式（2-1）所示。

p=F/A+p₁　　        （2-1）

式中　F——理论需要加载的水动力负载；

A——液压缸活塞实际受力面积；

p₁——液压缸另一腔压力，压力值由压力传感器测得。

②前馈控制的实现　以计算得到的压力值作为理论压力值进行闭环控制，本系统实际为一个电液力控制系统。对于电液力控制系统，要保持一定的输出力就要求电液阀有一定的控制电压，因此该系统是一个零型有差系统。比例溢流阀的溢流压力与输入电压信号近似呈比例关系，要保持一定的负载力，必须要有一定的输入电压。

若用普通的PID控制，要维持系统的输出力，误差的积分必须始终存在，并起主要作用。由控制理论知道，积分环节虽然可以消除系统静差，但它将使系统的动态过程变慢，而且过强的积分作用使系统的稳定性变坏。为了能够消除较大的跟随误差，同时为了避免过大的积分造成的不利影响，系统采用速度前馈加闭环比例控制的方法，控制原理如图2-18所示。

该方法中，比例溢流阀总的控制电压为：

U=U₁+U₂　　        （2-2）

由式（2-2）可知：前馈控制电压U₂在动态跟随中起主要作用；闭环控制电压U₁起微调的作用，相当于PID控制器用误差消除误差的原理。因此，比例溢流阀输入电压与溢流压力之间的关系准确与否，决定实际控制效果的好坏。在实验现场对本系统所使用的比例溢流阀进行反复标定，得到如图2-19所示的溢流压力与输入电压的关系曲线。

由图2-19可以看到，比例溢流阀在上升和下降两个阶段其溢流压力与输入电压值呈线性关系，但是存在着明显的滞环。通过直线拟合可以得到式（2-3）和式（2-4）中的K和b值，从而可以得到比例溢流阀控制电压U和溢流压力p之间的数学关系式：

p_上=K_lU+b_l　　        （2-3）

p_下=K₂U+b₂　　        （2-4）

由于U和p在上升和下降阶段分别满足不同的关系式，因此在控制器中需要对理论压力值的变化方向进行判断，采用非对称的变换关系式。当理论压力值增大时，前馈控制器应用关系式（2-3）；当减小时，前馈控制器则应用关系式（2-4）。

③控制效果　图2-20是综合使用前馈控制与比例控制时的实际控制效果。由于三角波是一种变化较剧烈的波形，用它可以充分地试验加载系统的动态跟随性能。

由图2-20可以看到，实际曲线除在压力转折点处有略微振荡外，其余跟随良好。由于前馈控制过程中压力的控制值是根据变化趋势选用式（2-3）或式（2-4），所以控制压力在转折点处出现幅值较小的振荡。船用舵机在实际工作过程中，不会出现如此剧烈的变化工况，所以控制策略对船用舵机的实际应用不会带来额外振动等不利影响。

2.2.4　电液比例减压阀用于挖掘机液压泵流量电控调节

液压系统主要是通过压力补偿变量机构改变液压工作泵输出的流量，从而使发动机转速恒定在选择的位置上。350液压挖掘机液压系统的压力补偿变量机构主要包括：恒功率调节及负载传感调节。

（1）电液比例减压阀

恒功率调节的主要元件是电液比例减压阀，简称PRV阀，它是一个电磁阀，与普通电磁阀不同的是控制线圈动作的是由电子控制器发出的脉冲信号。

该阀的工作模式简化如图2-21所示。

电子控制器通过对所选择的动力模式、发动机转速挡位及发动机实际的转速等进行信号综合、分析，形成电信号作用到电液比例减压阀上，使滑阀移动，开通控制油道，先导油穿过此阀后，转变为p_s信号。上述3个变量中，有一个变量发生改变，都会导致p_s信号的改变。

卡特彼勒公司规定：在发动机实际转速比理论转速低250r/min时，电液比例减压阀发出p_s信号，改变斜盘的倾角，降低主泵的输出流量，防止发动机被迫熄火。在驾驶室右护手前方，有一个旋钮，即为发动机转速选择旋钮。它有十挡，各挡相对应的转速为900r/min、1020r/min、1160r/min、1300r/min、1470r/min、1590r/min、1700r/min、1800r/min、1900r/min、1970r/min。在动力模式I、Ⅱ时，脉宽比恒定，当发动机转速符合设定值时，该PRV阀不发出p_s信号。电液比例减压阀的脉宽比越高，磁性越大，阀的开口就越小。

（2）前、后工作泵流量的调节

手柄全行程扳动时，为恒功率控制。此时泵的输出量决定于泵的压力。有3种功率水平，即动力模式I、Ⅱ、Ⅲ。在动力模式Ⅲ时，功率输出为100%；在动力模式Ⅱ时，功率输出为90%；在动力模式I时，功率输出为70%。动力模式改变，PRV阀输出的p_s信号随之改变，泵输出油量也将改变。

由负载压力信号来控制流量。当操作手柄作局部扳动时，泵输出流量决定于手柄扳动量；当操作手柄在中位时，泵的输出量最小。工作泵输出曲线见图2-22。

工作泵流量的调节由电液比例减压阀发出的p_s信号，到达前泵、后泵后，对主泵恒功率调节器进行作用，其调节原理见图2-23。

工作泵输出压力与负载压力相当时，负载传感调节器的阀芯在弹簧力的作用下，向另一端移动。前泵出口压力p_D大于p_s信号油压力与恒功率调节器弹簧压力p_T之和时，阀芯向右移动，从工作泵流出的压力油，有一分支经单向阀后，穿过恒功率调节器、负载传感调节器后，作用在连接斜盘活塞的大腔上，使活塞向右移动，增加斜盘的倾角，提高工作泵的流量。而连接斜盘活塞的右移，又会带动电液比例减压阀的滑套右移，从而改变了电液比例减压阀阀芯与滑套的相对位置，导致了各油道开口的改变，在压差的作用下，阀芯又开始移动，直至在新的位置上平衡。反之，如果p_D<p_s+p_T时，恒功率调节器阀芯向没有弹簧腔移动，此时恒功率调节器的阀芯开口与油箱回油道接通，以便于连接斜盘活塞移动时回油，减少工作泵排量。

工作泵输出压力大于负载压力时，负载传感调节器的阀芯向负载压力端移动。此时工作泵出口油同时到达连接斜盘活塞的两端，因截面积的差异，活塞向小端移动，加大斜盘的倾角，提高工作泵的流量，直到平衡位置。

为了保证前泵、后泵工作时的供油量，在前泵与后泵之间，设置有一个供油泵，其目的是向前泵、后泵供油，避免前泵、后泵大流量工作时形成空穴。

（3）系统的特点

在典型的液压系统中，工作泵的流量均由负载压力调节，而负载压力的大小决定于工作的载荷。在负载伺服阀阀芯移动的范围内，有一个恒定的位置，在此位置上，斜盘倾角保持不变，直至载荷的改变。只要负载改变，斜盘的倾角也跟着改变。

350电液比例减压阀的液压系统中，当p_D-p_L>1960kPa（p_L为负载压力）时，负载传感调节器阀芯开始移动，推动连接斜盘的阀芯移动，增大斜盘倾角，直到下一个平衡位置，即p_D-p_L=1960kPa。

在负载传感调节方面，350液压系统具有一般典型液压系统的优点。

350液压系统的最大特点在于发动机选择。任何转速挡位，都可以在保证发动机不熄火的前提下，满足工作负荷不断变化的需要。该系统允许发动机转速在低于选定挡位转速0～250r/min范围内波动，避免了工作泵斜盘频繁地摆动，可较好地适应各种复杂工况的需要。在p_D≈p_L时，电子控制器根据所选择的动力模式、发动机转速挡位及发动机实际转速等的变化信号进行分析后，向电液比例减压阀发出脉冲信号。电液比例减压阀发出的p_s信号，仍可对工作泵的流量进行调节，以便于充分地发挥出整机的应有性能。例如液压挖掘机工作压力对某一矿层的硬度适用，如遇硬度较低的矿层时，系统尽可能地加大流量，使工作速度更快；在遇到硬度更大的矿层时，系统又可减少流量，降低工作速度。

这一切均在恒功率的状态下进行。

（4）小结

由电液比例减压阀组成的压力补偿变量机构，在负载压力调节工作泵流量的基础上，根据所选择的动力模式、发动机转速挡位及发动机实际转速等的微小变化，对液压工作泵的流量作进一步的调整，所以具有稳定发动机输出功率、降低燃油消耗、操作简便等特点。

在350液压挖掘机的液压系统中，为了降低燃油消耗，设置有3个压力开关，即行走压力开关、回转压力开关、机具压力开关。当这些压力开关都不动作时，即全部控制阀都在中位，发动机系统在3s后自动把发动机转速降至怠速状态，以减少燃油的消耗；在任何一个主控制阀动作时，发动机系统自动把转速升到设定的位置，以适应生产工作的需要。