电液比例控制轨道车辆液压减振器实验台设计

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1、电液比例控制轨道车辆液压减振器实验台设计目录摘 要3ABSTRACT40 引言51 JS-30/200轨道车辆液压减振器实验台简介51.1 液压减振器实验台的作用51.2 液压减振器实验台的组成61.3 液压减振器实验台技术参数81.4 液压系统工作原理81.5 液压减振器的工作原理101.5.1 拉伸行程121） 阻尼阀开启前122） 阻尼阀开启过程中143） 阻尼阀开启后151.5.2 压缩行程161） 阻尼阀开启前162） 阻尼阀开启过程中173） 阻尼阀开启后182 减振器实验台的发现状况192.1 减振器实验台的国内外研究现状192.2 减振器实验台的发展趋势221） 工装夹具的通用

2、性和方便性222） 安装距离调整的便捷性233） 试验台试验速度、试验振幅和试验频率调整的便捷化和随机化234） 试验台应该能够检测减振器的动态性能235） 试验步骤的程序化、自动化246） 试验台应能够测定减振器高低温状态下的性能243 电液比例控制技术概述243.1 电液比例控制技术基本概念243.2 电液比例控制技术发展概况263.3 电液比例控制技术的工作原理及组成293.3.1 液压开关控制与比例控制比较3293.3.2 电液比例系统的组成332组成电液比例控制系统的基本元件有：321)指令元件322)比较元件333)电控器334)比例阀335)液压执行元件336)检测反馈元件343

3、.4 电液比例系统分类34目前，最通用的分类方式如下：343.5 电液比例控制的特点及应用35电液比例控制的主要优点是：364 设计方案的确定364.1 液压系统设计364.2.2 液压缸主要尺寸的计算391) 液压缸内径及活塞杆直径的确定392) 活塞杆直径强度校核393) 活塞的最小导向长度H 及液压缸行程s 的确定404) 确定液压缸的壁厚405) 液压缸油口直径d0 的计算416） 缸盖厚度的计算417) 缸头厚度计算424.2.3 液压缸流量的确定435 结论44参考文献4545摘 要液压减振器是轨道交通车辆走行机构的重要部件之一，其性能优劣直接影响到行车的安全性和舒适性。由于铁路的

4、提速和城市轨道交通的迅速发展，凸显出对高性能液压减振器的需求，但国内生产的液压减振器还不能满足这种需求，这种状况是由于减振器试验设备落后造成的。因此，研制高速列车减振器试验台就具有十分重要的实际意义。由于电液比例控制技术性能介于伺服和开关之间。它具有廉价、节能、维护方便、较好的控制精度和响应特性等特点。本文对液压减振器实验台原理及组成进行详细研究后，利用电液比例阀控制对城市轨道交通车辆液压减振器实验装置进行系统设计。关键词:液压减振器，减振器实验台，电液比例控制技术，系统设计ABSTRACTHydraulic damper is one of the important parts in th

5、e railway vehicles. Its performance determines the security and cosiness of train. With the advancement of railwayspeed, the self-made hydraulic damper cant satisfy the requirement of high performance hydraulic damper. It is provided with important meaning to develop high-powered test-bed.Since the

6、function of the electricity liquid proportion controlling technology is situated between servo and switch. It is had energy conservation, defends characteristics such as controlling accuracy and responding to characteristic property convenient , fairly good at a low price. The system carrying out th

7、e queen who studies detailedly on hydraulic pressure shock absorber experiment platform principle and composition , making use of electricity liquid proportioning valve to be in progress under the control of to city orbit traffic vehicle hydraulic pressure shock absorber experiment device designs th

8、e main body of a book.Key words: hydraulic shock absorber, damper test-bed, electricity liquid proportion controlling technology, system designs0 引言过去，由于列车运行的速度比较低，减振器的作用不太明显，因此，人们对其没有给予足够的重视，所应用的减振器性能比较低。如今，“高速重载”是铁路营运的发展方向，随着列车提速进程的加快，机车、车辆运营中出现了很多前所未有的问题，有的在更换减振器后，问题得到了解决。由于液压减振器长期高速往复运动和处于高温状态，故

9、密封圈易老化导致漏油，或者油液在高温下碳化，二者都会改变阻尼系数，甚至使其失去减振作用。由于铁路的提速和城市轨道交通的迅速发展，凸现出对高性能液压减振器的需求，但国内生产的液压减振器还不能满足这种需求，这种状况是由于减振器试验设备落后造成的。近年来我国铁路进入一个飞速发展时期， 特别是在铁路跨越式发展政策的指引下，我国铁路将会进入一个全新的发展阶段。今后一段时间内，高速铁路时速达到300km以上,客运专线时速达到200km以上。当速度达到200km以上时，机车车辆运行的安全性、平稳性将成为客车所面临的最大问题，这也就对机车车辆的走行机构提出很高的考验。液压减振器作为机车车辆走行机构的重要组成部

10、件之一，其性能优劣直接影响到机车车辆运行的稳定性和安全性。因此，在机车车辆运行过程当中必须确保减振器能够保持其性能的可靠性和稳定性。1 JS-30/200轨道车辆液压减振器实验台简介1.1 液压减振器实验台的作用液压减振器是轨道交通车辆的重要部件，它的性能好坏直接关系到行车的舒适性和安全性。由于液压减振器长期高速往复运动和处于高温状态，故密封圈易老化导致漏油，或者油液在高温下碳化，二者都会改变阻尼系数，甚至使其失去减振作用。因此，为保证行车安全应定期对液压减振器进行测试，并据其状态进行必要的维修保养。JS-30/200液压减振器实验台是根据铁路提速后对液压减振器要求变化而开发的，它综合了国内外

11、液压减振器实验台的优点，增加了与国际接轨的阻尼特性曲线和动态特性测试，并可同时测试四种不同的减振器。它保留了示功图和阻尼系数两个经典的评价指标，但同时也会给出合理的解释，以避免出现在现有其它实验台上测试不同公司的不同阻尼特性的产品时，常常将合格产品给出不合格结论的情况发生。 本实验台的主要液压元件和传感器为进口件，测控系统采用高可靠性的硬件和先进的虚拟仪器软件。另外，液压系统还进行了严格的热平衡匹配，故可进行一般实验台不能进行的减振器寿命实验工作。考虑到减振器的种类主要为垂直类，故本实验台上配备了两套垂直减振器的实验装置，二者可以同时工作，也可以一个工作另一个安装准备，从而提高测试效率，另外还

12、配备了用于横向和抗蛇形运动减振器的实验装置。本实验台的激振能量由往复运动的液压缸提供，具有摩擦阻力小、行程调节方便、调速范围宽和激振函数可任意设定等优点。它的超大激振力和往复行程是其它曲柄滑块式实验台无法提供的。1.2 液压减振器实验台的组成本实验台由液压站和电控测试台两大部分组成。油箱为全封闭式结构；油泵和电机卧式安装在油箱的侧下面，以保证提供良好的吸油性能；装有比例阀、伺服阀、换向阀及溢流阀的液压集成块安装在有利于外观且维护方便的机罩内；所有压力表组成表站，安装在实验台架的前景面板上；减振器安装组件安装在实验台架侧面和上部平面，由油缸、支座、拉压传感器、位移传感器等构成一组测试单元。元件清

13、单表1-1 电器元件序号名称型号规格数量备注1主电机Y-160L-4B3515KW1皖南电机2计算机DELL2101DELL3拉压传感器BLR20KN4宇航科技4位移传感器NS-WY03150mm4上海天沐5数据采集卡NI622932/41NI6辅助泵电机Y801-4B50.55KW1表1-2 液压元件序号名称规格型号数量备注1主油泵V38H3R1KOMPASS2比例换向阀DKZOR-AE-171-L5/I1ATOS3电磁换向阀4WE10R31/CW220-50NGZ5L1华德液压4溢流阀BG-03-H1KOMPASS5旁路过滤器RFA-10010C1黎明液压6高压过滤器QU-H100X10P

14、1黎明液压7电磁换向阀4WE5N6.0/G241华德液压8节流阀MT03PK201KOMPASS9伺服换向阀DLKZOR-TE-140-L71/I1ATOS10过滤冷却单元SCA1S1HYDAC11辅助油泵P1021KOMPASS12主泵吸油过滤器WU-160180J1黎明液压13辅泵吸油过滤器WU-16180J1黎明液压14液位计YWZ-160T1黎明液压1.3 液压减振器实验台技术参数1) 可测最大阻尼力:30KN2) 最大减振器行程：200mm3) 同时测试减振器数量：4个4) 液压系统压力：15MPa5) 装机功率：16KW6) 外形尺寸：主机 180013601300mm电气柜 12

15、00600800mm7) 重量：主机2300Kg 电气柜130Kg1.4 液压系统工作原理液压原理图见图1-1。图1-1 液压原理图1.油箱 2,3.过滤器 4.电磁溢流阀 5.柱塞泵 6.齿轮泵 7,9.单向阀 8.压力表 10.独立冷却器 11.高压过滤器 12.比例换向阀 13.伺服换向阀 14.电磁换向阀 15.液压缸 16.压力传感器 17.节流阀 18,19.电动机1) 阻尼性能实验回路YV8得电时，系统建压，计算机控制YV1、YV2、YV3、YV4或YV5动作，使其获得所需的拉伸和压缩速度，从而可测出被试减振器的阻尼特性。2) 耐久实验回路YV8得电时，系统建压，由时控仪控制YV

16、6或YV7动作，使其工作液压缸自动往复，从而被试减振器连续工作，以获得耐久性能指标。实验频率可由时控仪任意设定，拉伸和压缩的速度可通过节流阀17来调节。3) 卸荷回路系统有两种卸荷方式，当YV8失电时系统为零压卸荷，而YV8得电，其余电磁铁（YV1-YV7）均失电时，系统为零流量卸荷。两种卸荷方式时所消耗的功率一般差别不大。4) 独立过滤冷却回路系统采用独立的过滤冷却器，一般情况下冷却电机关闭，当油液温度超过设定范围时开启。1.5 液压减振器的工作原理液压减振器按照液流方向可以分为油液单向循环流动和双向往复流动两种类型。它们的基本动作都是拉伸和压缩。当活塞杆相对于缸筒作拉伸和压缩运动时，内部的

17、油液通过节流孔在流动的过程中产生阻力，从而耗散能量。现在普遍使用的是阀门和柱形弹簧结合的双向往复流动减振器，本文以其为对象进行研究。图1-2 减振器结构图1.液压油 2.阻尼孔 3.工作油缸 4.单向阀 5.拉伸阻尼阀 6.活塞杆 7.减振器壳体 8.阻尼孔 9.活塞 10.压缩阻尼阀11.单向阀如图1-2所示，当减振器拉伸时，活塞上部压力缸中的高压油顶开活塞上的节流调压阀，从活塞上部流到活塞下部，同时贮油缸中的油液在活塞下部油缸的吸力作用下经底阀上的单向阀流到活塞下部压力缸。减振器的设计必须要保证活塞下部压力缸始终充满液压油。当减振器压缩时，活塞下部压力缸中的高压油分别通过活塞和底阀上的节流

18、调压阀从活塞下部流到活塞上部及贮油缸。横向、垂向减振器的结构如图1-3所示，抗蛇行减振器的结构如图1-4所示。（a）横向液压减振器；（b）垂直液压减振器图 1-3 横向、垂向液压减振器1.联结端 2.防尘橡胶套 3.防尘罩 4.缸端组成 5.压力缸 6.活塞杆与活塞组成 7.进油阀组成 8.贮油缸 图 1-4 KONI抗蛇行液压减振器1.防尘圈 2.防尘罩 3.螺盖 4.活塞杆密封组装 5.阻尼调节 6.导承 7.活塞杆 8.活塞缸 9.止回阀 10.活塞 11.贮油缸 12.底阀组装1.5.1 拉伸行程图1-5 拉伸行程在拉伸行程中，减振器活塞相对于工作油缸向上运动，如图1-5所示。1） 阻

19、尼阀开启前减振器低速拉伸时，阻尼阀未打开，油液仅从油缸有杆腔经阻尼孔流入无杆腔，由于减振器工作腔底阀通储油腔，故油缸无杆腔压力接近大气压。忽略活塞与缸筒中的摩擦和泄漏，则从工作缸上腔排入下腔的流量 （1-1）式中：活塞端面面积； 活塞杆横截面积； 活塞相对于缸壁的运动速度。因工作缸的下腔压力近似为大气压。故上下腔压力差近似为上腔压力，则油液通过阻尼孔的流量为 （1-2）式中：孔口流量系数，它是实际流量与理论流量之比，近似取； 节流孔的面积； 油液的密度，常数； 节流孔上部油腔的压力； 节流孔下部油腔的压力。根据流量连续性原理，有 （1-3）由式（1-1）（1-3）可得出 （1-4）又由于 （1

20、-5）由式（1-4）和（1-5）可得减振器的拉伸阻尼力为 （1-6） 2） 阻尼阀开启过程中随着拉伸速度的增大，拉伸阻尼力增大，阻尼阀慢慢开启，直至完全打开。不计阀芯的重力、摩擦力和液动力时，非差动式直动溢流阀稳态下的力平衡方程24为 （1-7）式中：油缸无杆腔的压力； 油缸有杆腔的压力； 拉伸阻尼阀孔口面积； 弹簧刚度（N/m）； 弹簧预压缩量（m）； 阀开口量（m）。阀工作时，开口量是变化的，开口量的变化引起溢流量的变化，亦必然引起压力的变化。压力愈高，弹簧刚度便愈大，因而，溢流量变化时压力的变化便愈大。由式（1-5）和（1-7）可得减振器拉伸阻尼力为 （1-8）3） 阻尼阀开启后当阻尼阀

21、完全开启的瞬间，通过阻尼阀的油液流量为 （1-9）此时活塞运动速度为 （1-10）当时，减振器为恒量阻尼特性。当时，拉伸速度进一步增大，阻尼阀孔阻尼力加大，此时通过阻尼阀的流量 （1-11）式中：孔口流量系数，取； 拉伸阻尼阀孔口面积；根据流量连续性原理，有 （1-12）由式（1-1），（1-11），（1-12）可得 （1-13）由式（1-5）和（1-13）可得减振器的拉伸阻尼力为 （1-14） 1.5.2 压缩行程图1-6 压缩行程在压缩行程中，减振器活塞相对于工作油缸向下运动，如图1-6所示。1） 阻尼阀开启前 当减振器低速运动时，阻尼阀关闭，单向补油阀打开，此时活塞上下腔压力，下腔与上腔

22、油液流量之差值经阻尼孔流入储油腔。下腔流入储油腔的油液流量 （1-15）且有 （1-16）式中：节流孔的孔口系数，取； 节流孔的面积。又由流量连续性定理 （1-17）由式（1-15）（1-17）可得 （1-18）又由于 （1-19）忽略活塞与缸筒间的摩擦和泄漏以及储油腔的压力，由式（1-18）和（1-19）可得减振器的压缩阻尼力为 （1-20）2） 阻尼阀开启过程中随着拉伸速度的增大，压缩阻尼力增大，阻尼阀慢慢开启，直至完全打开。不计阀芯的重力、摩擦力和液动力时，非差动式直动溢流阀稳态下的力平衡方程为 （1-21）式中：油缸无杆腔的压力； 储油腔的压力； 压缩阻尼阀孔口面积； 弹簧刚度（N/m

23、）； 弹簧预压缩量（m）； 阀开口量（m）。阀工作时，开口量是变化的，开口量的变化引起溢流量的变化，亦必然引起压力的变化。压力愈高，弹簧刚度便愈大，因而，溢流量变化时压力的变化便愈大。由式（1-19）和（1-21）可得减振器拉伸阻尼力为 （1-22）3） 阻尼阀开启后当阻尼阀完全开启的瞬间，通过阻尼阀的油液流量为 （1-23）式中：孔口流量系数，取； 压缩阻尼阀孔口面积；此时活塞运动速度为 （1-24）当时，减振器为恒量阻尼特性。当时，拉伸速度进一步增大，阻尼阀孔阻尼力加大，此时通过阻尼阀的流量 （1-25）根据流量连续性原理，有 （1-26）由式（1-15），（1-25），（1-26）可得

24、（1-27）由式（1-19）和（1-27）可得减振器的压缩阻尼力为 （1-28）2 减振器实验台的发现状况2.1 减振器实验台的国内外研究现状国内外都对减振器作了大量的研究工作，研究方向归纳起来有以下几点：对减振器高频特性的研究；对减振器试验方面的研究；对减振器噪声问题的研究；对减振器非线性问题的研究；对减振器温度特性的研究；对减振器仿真特性的研究。减振器试验的目的在于测试减振器的性能参数，同时按照设计要求调整阻力系数的大小，对于新造的或经过检修的减振器都必须经过试验方能使用。根据行业标准，减振器试验一般有以下四个方面的内容：（1）示功图试验：减振器的阻力与位移试验（F-S）；（2）速度特性试

25、验：减振器的阻力与活塞速度试验（F-V）；（3）温度特性试验：减振器的阻力与试件温度试验（F-T）；耐久性试验：（4）工作循环1106次后，减振器的阻力与位移试验（F-S）。图2-1 KONI液压减振器试验台1.位移传感器 2.激振器 3.激振端减振器夹头 4.测力端减振器夹头 5.力传感器 6.立柱夹紧装置 7.带激振器的梁 8.可调整的液压缸 9.带力传感器的梁 10.立柱 11.底座关于减振器的试验研究，早期，前苏联的车辆动力学及其减振研究走在前面。荷兰KONI公司研究和开发车辆通用的抗蛇行减振器也已经有几十年的历史，该公司的液压减振器被世界各地的铁路公司和机车车辆制造商所采用，处于世界

26、领先地位。数据显示表明，KONI公司在减振器及其试验研究方面做得最全面，他们的产品几乎面向所有的交通运输行业。从KONI公司提供的产品说明和试验报告来看，KONI公司的辅助试验项目非常丰富，包括减振器出厂试验、减振器仿真、调整等。减振器试验台按照其作用形式分为机械式、液压式和其它形式；按照运动控制方式可以分为手动式、开环式、死循环式等方式。现在比较先进的控制方式为死循环液压控制方式，KONI公司采用的是液压死循环控制液压减振器试验台，主要以测试阻尼特性为主，如图2-1所示。德国SACHS公司在开发和生产中使用液压伺服减振器试验台，如图2-2所示。该试验台工作范围广，运动速度由伺服系统自动控制，

27、可以产生任意形状的激励波形，同时能对动态阻尼及动态刚度进行测试，但是由于设备需要专门的工作环境及严格的维护保养，故不适合在一般基层单位使用。图2-2 SACHS液压伺服减振器试验台1. 上横梁 2.减振器垂向试验位置 3.减振器横向试验位置国内的减振器试验台则以机械式为主，以测试示功图为主要目的，不能快速准确地对减振器进行检测。国内汽车减振器试验台发展快于机车车辆减振器试验台。在上世纪八十年代，使用较多的机械式试验台是J85试验台，它通过曲柄连杆机构驱动减振器做近似的简谐振动。通过弹性扭杆测力和振幅，并依靠人工处理数据。由于它只能够得到一定振动速度下的示功图，并且效率低，数据的准确性差，只能够

28、进行垂向减振器试验，不能够完成横向以及抗蛇行减振器检测，现在基本上已经淘汰不用。目前，国内常见的减振器试验台为曲柄滑块形式，由电动机作为动力源，通过传动系统减速后，带动一套曲柄滑块机构，对减振器实现正弦波激振。由扭力杆测出激振力的大小，使减振器的活塞作上下运动。减振器的下端固定在曲拐上，曲拐装在一根测力扭杆上，利用扭杆变形，测量减振器的阻力大小。试验时，曲拐上部的记录笔在记录板上画出一个示功图。记录台的记录笔在左右方向的偏移量，表示扭杆扭力的大小，也即是表示减振器阻力的大小，最后绘出减振力示功图。采用上述办法测出的阻尼系数的准确度无法确定，没有实用价值，使得现场只能根据示功图来进行经验性比较，

29、测出的阻尼特性不准确，无法调整阻尼系数。2.2 减振器实验台的发展趋势1） 工装夹具的通用性和方便性目前国内外所使用油压减振器接头形式很多，而且结构类型和尺寸大小有很多差异，这样就给各个生产厂、车辆段、车辆厂以及检验单位对减振器的检验检验带来许多问题。特别是最近出台的减振器新铁标TB/T1491-2004机车车辆油压减振器技术条件中规定对于减振器的阻尼力测试时应去除弹性节点，而做耐久测试时又必须附带弹性节点。这样对工装夹具就有更高的要求，如何设计出更加方便快捷的夹紧装置，对提高测试精度和测试效率起到重要作用。2） 安装距离调整的便捷性现在我国国内所使用的机车车辆车型很多，减振器的类别和尺寸之间

30、有很大差异，因此具有方便快捷的安装距离调整对于提高减振器检验效率起到举足轻重的作用。在这方面，液压伺服试验台具有较强的优势。3） 试验台试验速度、试验振幅和试验频率调整的便捷化和随机化生产厂家所给出减振器性能参数基本上都是基于某一速度点下的阻尼值， 而减振器实际的阻尼性能并不是完全线性的，特别是生产过程控制不严时其性能与设计要求存在更大的差异。为了更好的检测减振器的性能， 需要检测减振器在不同速度、不同振幅、不同频率下的阻尼特性，因此需要试验台调整的便捷化；减振器实际在装车使用时其振动形式并非频率和幅值均固定的简谐振动，而是随机振动。为使试验台仿真效果更加逼真，需要试验台的随机化。4） 试验台

31、应该能够检测减振器的动态性能减振器的阻尼特性有静态阻尼特性和动态阻尼特性之分。所谓静态阻尼特性是不计减振器结构和液体刚度产生的动态影响，力和速度之间没有相位变化时的特性，它是建立在减振器做大振幅和低频运动的基础上的阻尼特性。动态阻尼特性是考虑减振器结构（如两端弹性节点、储油缸具有空气囊等）和液体刚度影响时的阻尼特性，它使减振器的力、速度和位移之间具有一定的相位差。现今所使用的减振器试验台一般只能够通过载荷和位移传感器测定出F-S曲线、F-V曲线，而不能够精确的测定力、速度和位移之间的相位关系。不能够给出减振器的动态阻尼特性。随着机车车辆的运行速度的日益提高，列车振动剧烈，起到减振作用的油压减振

32、器基本上工作在高频状态，从而这种建立在低频运动基础上的静态阻尼特性参数对整个走行部分设计已经不太适合。因此能够反映减振器实际状态的动态阻尼性能参数对整个走行部分的设计起到指导性意义。5） 试验步骤的程序化、自动化为了使减振器试验台具有更好的操作性和更高的效率，应该使减振器试验台能够提前设定所需要的试验参数，如测试振幅、频率、速度、测试开始时间和测试结束时间等，并能够在测试过程中适时通过死循环回馈进行检测测试数据，与设定值进行比较并进行相应的调整。6） 试验台应能够测定减振器高低温状态下的性能油压减振器依靠液压油在减振器拉压过程中通过小孔产生的阻尼力来工作，因此温度对减振器的性能有很大的影响，而

33、我国的实际条件决定我国的列车运行过程中所经历的温差变化很大。要全面衡量减振器的性能，需要进行高低温方面的测试和研究。3 电液比例控制技术概述3.1 电液比例控制技术基本概念在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制，都可以被称为电液比例控制系统。例如数字控制系统、脉宽调节（PWM）控制系统以及一般意义上的电液比例控制系统。从广义上讲，在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出量，如压力、流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例地得到控制的，都可称为比例控制系统。虽然比例控制与伺服控制都可以用于开环和

34、闭环系统。但就目前来说，前者主要用于开环控制，而后者主要用于闭环控制。理解伺服装置与比例控制装置的差别是有意义的。伺服控制装置总是带有内反馈，任何检测到的误差都会引起系统状态改变，而这种改变正是强迫这个误差为零。误差为零时伺服系统会处于平衡状态，直到新的误差被检测出来。比例控制装置是一种有确定增益的转换器。例如，比例阀可以把一个线性运动（手动或电磁铁驱动）转换成比例的油流量或压力，转换常数取决于阀的几何尺寸及它的制造精度。闭环比例阀也可以用于外部反馈闭环系统。在伺服控制系统中，平衡状态控制信号（误差）理论上为零，而比例控制系统却永远不会为零。电液伺服系统是较早主要在军事工程领域发展起来的电液控

35、制技术，而电液比例控制技术，是针对伺服控制存在的诸如功率损失大、对油液过滤要求苛刻、制造维修费用高等，而它提供的快速性在一般工业设备中又往往用不着的情况，在近30年迅速发展起来介于普通控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。在比例控制系统中，主控制元件可以有无限种状态，分别对应于受控对象的无限种运动。与比例控制对应的还有开关控制。由于开关控制中控制元件只有两种状态，即开启或关闭。因此要实现高质量的复杂控制时，必须有足够大量的元件，把各个元件调整成某一特殊的状态，从而实现使受控对象按预定的顺序和要求动作。比例控制和开关控制都可以是手动或按程序自动进行。不同的是在比例控制中，比例元件根据接受到的

36、控制信号，自动转换状态，因而使系统大为简化。在工程实际应用中，由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态。因而开关控制也有可取之处。开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。3.2 电液比例控制技术发展概况17世纪帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液压传动的理论基础。流体传动已经历了很长的发展历史，然而，作为现代电液控制技术的发展却只需追溯到二次大战时期。当时出于军事需要，对武器和飞行器的自动控制系统的研究已取得了很大的进展。战争后期，喷气技术取得了突破性进展。由于喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度、功率和重量都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。19

37、40年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动，伺服电机惯量很大，成了限制系统动态特性的主要环节。直到50年代初才出现了高速响应的永磁式力矩马达。50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。1958年美国学者勃莱克布恩等公布了他们在麻省理工学院的研究工作，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基础。60年代各种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以摩格为代表的采用干式力矩马达和级间力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀的性能，电液伺服技术业已成熟。电液伺服系统已逐渐成为武器和航空、航天自

38、动控制以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部分。60年代后期由于人们对各类工艺过程进行了深入研究，对其精确数学模型有了比较深入的了解，因而对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代化电子装置。于是，各类民用工程对电液控制技术的需求就显得更加迫切和广泛1。但人们很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失（阀压降）较大。使伺服技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业场合，要求有一般的高质量的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。现代工业的迅猛发展，要求开发一种廉价、节能、维护方

39、便、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。自60年代以来，为降低比例技术成本。一方面是在高性能的伺服阀的基础上发展了工业伺服技术。其特点是适当简化伺服阀的结构，降低它的制造精度，增大电机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗污染性能。这虽然降低了制造成本，但因其结构复杂，价格仍然十分可观，使它的应用仍然受到限制。另一方面在普通的液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作为电机械转换元件，取代原来阀内的手动调节器或普通开关式电磁铁。并相应地改进了阀内的设计和引入

40、各种内反馈控制，从而出现了一种价廉的耐污染与一般工业阀相同，性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件2。比例技术的发展大致可以划分为三个阶段1,3-5：从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀起，到70年代初日本油研公司申请了压力和流量比例阀两项专利为止，是比例技术的诞生时期。这一阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电机械转换器（如比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在15Hz之间，稳态滞环在47%之间，多用于开环控制。1975年至1980年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。各种内反馈

41、原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成熟，比例元件工作频宽已经达到515Hz，稳态滞环亦减少到3%左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高。除了因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，已开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了80年代电液比例插装技术。同时，由于传感器和电

42、子器件的小型化，还出现了电液一体化的电液元件，电液比例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。特别是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。除了模拟式的电液比例元件外，人们也注重开发出各种数字式液压元件，数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重要分支。现在比例阀已有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件，使得结构更加紧凑，性能进一步提高。这种结构有许多优于其它系统的优点。由于电子装置直接装在阀体上，减少了插件和导线，从整体上看更简洁，对使用者的要求也更简单。未来的阀可能带有储存器和具有智能，具有自动检测和报警功能

43、。只要接受简单的指令，阀就能完成一系列的工作。3.3 电液比例控制技术的工作原理及组成3.3.1 液压开关控制与比例控制比较3如图3-1所示为一个采用开关控制的液压传动系统，它是一个常见的进口节流调速系统。当1DT通电时液压油经换向阀左位进入液压缸的无杆腔，其速度决定于被选中的调速阀的开口面积。这是个两级调速系统，选中的调速阀由3DT和4DT是否通电来决定。速度通过调节节流口的面积来预置。速度的换向利用行程开关发出信号进行转换。反向时2DT通电，液压缸快速返回。该回路只能实现正向的有级调速。2DT1DT3DT4DT图3-1 开关控制液压系统 一个能实现正反向无级调速的开环比例调速系统如图3-2

44、所示。比例调速阀的输出流量与给定输入电压成正比。方向则取决于1DT或2DT中哪一只电磁铁通电。通过改变给定信号的大小可以方便地实现无级调速。与前面的开关控制比较，系统功能增加了，性能也更好。但结构却大为简化。由图可见，系统容易实现双向无级调速，且可以扩展到对多个执行器分别进行调速控制。如采用比例方向阀进行调速，如图3-3所示，则系统可以更简化。图3-3所示为闭环比例调速系统。它是在开环控制基.础上增加了速度反馈元件而构成的。速度传感器产生与速度成正比的电信号，经过匹配放大器放大后，与给定控制信号比较，得出偏差信号。偏差信号经过功率放大后用于控制比例电磁铁A或B，从而控制阀的开口量及方向，达到速

45、度调节目的。比较上述三个系统。图3-2的系统，由于不对被控量进行检测和反馈，因而当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正，称为开环控制系统。这类系统一般控制精度不高。但与开关式液压控制相比，控制质量和方式都有改进和简化。它可使被控量复现控制信号的变化规律。这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈，因而系统稳定性好，容易设计。是目前最常见的比例控制系统。2DT1DT图3-2 开环比例控制液压系统1 比例调速阀2 比例放大器3给定电位器132给定图3-3 闭环比例调速系统1 速度传感器2 比例放大器 3比例方向阀132给定BA如图3-3所示的系统引入了反馈回路，称为闭环系统。它用被控量与输入量（给定

46、）的偏差信号作为真正的控制信号，最后使输出量尽量与输入量相一致。在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内。系统的输出能较准确地复现输入信号的变化规律。但由于有反馈的存在，其稳定性成为设计的主要考虑问题，特别是比例阀工作在较大的范围时，其非线性的影响不能忽略。3.3.2 电液比例系统的组成3 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也不相同，但都可归纳为由功能相同的基本单元组成的系统，如图3-4所示。图中虚线所示为可能实现的闭环控制系统，包含外了外反馈回路控制系统的才称为闭环控制系统，不包含外反馈的称为开环系统。如果存在比例阀本身的内反馈，也可以构成实际的小闭环控制。但一般这不称为闭环系

47、统电控器电机转换液压放大液 压执行器输出量指令元件检测反馈图3-4 电液比例控制系统框图检测反馈比较元件组成电液比例控制系统的基本元件有：1) 指令元件它是给定控制信号的产生与输入的元件。也可称为编程器或输入电路。在有反馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。它也可以是信号发生装置或程序控制器。指令信号可以手动设定或程序设定。最常见的是手动预置设定，运行时用程序选通。2) 比较元件它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输入。进行比较的信号必须是同类型的，比例电控器的输入量为电量，因此反馈量也应转换成同类型的电量。如遇到不同类型的量作比较，在比较

48、前要进行信号类型转换，例如A/D 或D/A转换。或机电转换等。3) 电控器电控器通常称作比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大（0800mA）而偏差控制电流较小，不足以推动电磁铁工作。所以要对控制信号进行功率放大，且偏差信号的类型或形状都不一定能满足高性能控制的要求。电控器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大，使达到电机械转换装置的控制要求。4) 比例阀比例阀内部又可分为两大部分，即电机械转换器及液压放大元件，还可能带有阀内的检测反馈元件。电机械转换器，它是电液接口元件。它把经过放大后的电信号转换成与其电量成比例的力或位移。这个输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压

49、放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载。这是整个系统的功率放大部分。5) 液压执行元件通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。6) 检测反馈元件对于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号。检测元件有位移传感器、测速发电机等。检测元件往往又是信号转换器（例如机电、机液转换），用于满足比较的要求。从框图中可见，检测元件有内环和外环之分。内环检测元件通常包含在比例阀内，用于改善比例阀的动、静态特性。外环检测元件直接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制精度。3.4 电液比例系统分类电液比例控制系统可以按很多种方式，从不同角度

50、来进行分类。如前所述电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统，因而比例控制可以参照伺服控制来进行分类。每一种方式都代表系统的一定的特点。按被控量是否被检测和反馈来分类，可分为开环比例控制系统和闭环比例控制系统。随着整体闭环比例阀的出现，其主要性能与伺服阀无异，因而采用闭环比例控制的场合也会增加。按比例元件的类型分类，可分为比例节流控制和比例容积控制二大类。比例节流用在功率较小的场合，而后者用于控制功率较大的系统中。目前，最通用的分类方式如下：1) 比例流量控制系统；2) 比例压力控制系统；3) 比例流量压力控制系统；4) 比例速度控制系统；5) 比例位置控制系统；6) 比例力控制系统；7)

51、比例同步控制系统；3.5 电液比例控制的特点及应用电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态特性足以满足大多数工业应用的要求。因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀市场。但现在闭环比例阀技术也是一种新的选择。与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，传统的开关阀就逐渐由比例阀或数字阀代替。它们的特性比较如表3-5所示。表3

52、-5 电液比例元件和伺服、数字、开关元件的特性比较特性元件开关阀比例阀伺服阀数字阀介质过滤精度（m）2525525阀内压力损失(MPa)0.5以下0.5270.52控制功率(W)154010250.055510频宽(Hz)10以下1070202005滞环(%)30.10.5重复精度（%）0.510.510.1中位死区有有无有温度漂移(%)（2060）一58232价格比135103此外，比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化。电液比例控制的主要优点是：1. 操作方便，容易实现遥控；2. 自动化程度

53、高；3. 工作平稳，控制精度较高；4. 结构简单，使用元件较少，对污染不敏感；5. 系统节能效果好。电液比例控制的主要缺点是成本较高，技术较复杂。4 设计方案的确定4.1 液压系统设计 液压原理图见图4-1图4-1 液压原理图1.油箱 2.过滤器 3.电磁溢流阀 4.柱塞泵 5.单向阀 6.压力表 7.高压过滤器 8.比例换向阀 9.液压缸 10.压力传感器 11.电动机4.2 液压缸的设计计算4.2.1 液压缸的推力与速度选取单杆活塞缸，单杆活塞缸的推力与速度计算公式如下:A1-为液压缸内截面积，A2-除了活塞杆截面后剩余的液压缸截面积；D活塞直径；d活塞杆直径；q为输入流量；p1,p2为缸

54、的进出口压力；m，v为缸的机械，容积效率。如图4-2图4-2 液压缸连接视图液压缸速度之比，选取速比=1.464.2.2 液压缸主要尺寸的计算1) 液压缸内径及活塞杆直径的确定液压系统压力15MPa,可测最大阻尼力30KN假设F1=30KN则无活塞杆侧的缸筒内径为活塞杆直径假设则有活塞杆侧的缸筒内径为得: 于是液压缸内径D=63mm，活塞杆直径d=36mm2) 活塞杆直径强度校核活塞杆材料选取45号钢，调质处理，淬火深度0.51mm。， ，其中n为安全系数，通常取n=5活塞杆在稳定工况下3) 活塞的最小导向长度H 及液压缸行程s 的确定液压缸行程s=200mm, 设活塞的宽度为B，B=(0.6

55、1.0)d，取B=0.8d=50mm。当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向滑动面中点的距离称为最小导向长度H，如果导向长度H 过小，将会使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定，对于一般的液压缸，当液压缸的最大行程为s 缸筒直径为D 时，最小导向长度为：代入公式得：H41.5mm于是取H=45mm4) 确定液压缸的壁厚 液压缸的要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能，在本设计中，由于涉及的工作压力较大，因此采用市场上普遍采用的热轧无缝钢管，缸管材料为45 钢，其缸壁厚度计算公式为式中：缸体壁厚（）；实验压力（Pa），一般取=（1.21.3）p；p液压缸的最高工作压

56、力（Pa），p=15MPa ；D液压缸的内径()；-材料的许用应力（Pa）。当p20MPa 时，用钢材，=(100110)MPa；当p10MPa 时，可用铸铁，=60MPa。得:由此可得：液压缸的外径为：圆整后取D1=76mm5) 液压缸油口直径d0 的计算液压缸进出油口的直径是根据活塞最高运动速度v 和液压管道中液压油最高液流速度v0 而定，可得油口直径计算公式为：v=0.1 m/s ；一般压力下，v0=1.31.6m/s；高压力下v0=3.03.6m/s；取v0=0.2m/s所以有d0=5.8 6） 缸盖厚度的计算如图4-3所示图4-3 缸盖示意图设有油孔平行缸底的厚度为hd0为液压缸油孔

57、的直径其他符号的意义同上，代入得：7) 缸头厚度计算图4-4 缸头示意图如图4-4所示:式中： h-法兰厚度（mm）；F-法兰受力总和（N）；F-法兰受力总和（N）；d2-封闭环内径（mm）；根据液压设计手册（液压气动用O 型橡胶密封圈尺寸系列GB/T3452.1-82），采用O 型橡胶密封圈尺寸为d1=61.5mm,横截面直径d2=2.65mmp-系统工作压力(Pa);D0-螺钉孔的分布圆直径(mm);dcp-密封环的平均值径(mm);-法兰材料的许用应力(Pa)4.2.3 液压缸流量的确定液压缸所需的最大流量Qmax 按照液压缸的最大工作速度Vmax、有效工作面积A 和液压缸的容积效率v

58、确定得到液压缸的功率5 结论液压减振器是轨道交通车辆的重要部件，它的性能好坏直接关系到行车的舒适性和安全性。由于液压减振器长期高速往复运动和处于高温状态，故密封圈易老化导致漏油，或者油液在高温下碳化，二者都会改变阻尼系数，甚至使其失去减振作用。比例阀性能介于伺服和开关之间，电液比例控制廉价、节能、维护方便、较好的控制精度和响应特性。本液压减振器实验台装置利用液压缸直接驱动，简化了传动机构，提高了能量的利用效率，使设计计算的过程变的更加简洁。结构设计采用比例阀控制控制技术，严密紧凑，简单实用，成本低，安全可靠，相信对城市轨道车辆液压减振器的改进有所帮助。然而，太多的不足希望老师不吝指正。参考文献1 路甬祥，胡大宏，电液比例控制技术, 机械工业出版社, 北京，中国，19882 黎启柏，电液比例控制与数字控制系统, 机械工业出版社, 北京，中国，19973 吴根茂，邱敏秀，王庆丰“实用电液比例技术”，浙江大学出版社，杭州，中国，19934 何存兴，液压元件，机械工业出版社，北京，中国，1981，3 5 陈愈，沈关耿，