电液比例控制溢流阀的应用与原理

1.电液比例控制阀的特点

常用的传统的液压控制阀，只能对液流进行定值控制，（例如，溢流阀在某个调定的压力下动作，流量阀保持通过流量为设定值），或开关控制（例如，电磁换向阀的通、断控制）。因此，用这些控制阀组成的液压系统的动作功能和性能都有一定的局限性。

所以，在需要对工作机构的动作进行连续控制、对动态响应有一定要求以及对控制精度比较高的场合，以前往往采用价格昂贵、使用维护要求较高的电液伺服阀。虽然电液伺服阀可以到达优良的动态性能和控制精度，但是对于相当多的工业装置来说，并不需要有如此高的品质。而希望在保证一定控制精度的的同时，价格低廉、工作可靠、维护简单。电液比例控制技术就是在这样的背景下发展起来的、介于传统的液压传动和电液伺服控制之间的一个新兴的领域。

大多数比例控制阀具有类似于常规液压控制阀的结构特征。它们往往在加工制造方面的要求不太苛刻，接近一般液压阀，而在性能和控制方面具有伺服阀的特征。

比例控制阀具有以下的特征：

1）普遍采用电信号为输入信号来对油液的参数进行控制，便于组成自动控制系统，既可以开环控制，也可以构成闭环控制。

2）被控制的压力、流量参数与输入的电信号成比例，可以用改变输入电信号的办法来对油液的参数进行连续控制。

3）具有优良的静态特性和适当的动态性能。动态性能虽然比电液伺服阀低。但是已经可以满足一般工业控制的要求，其频宽在10～20Hz。

4）抗污染能力强，工作可靠，使用维护要求比伺服阀低。

5）制造简单，价格较伺服阀低廉，但比一般常规阀高。由于在输入信号与电液比例阀之间需要设置直流比例控制器，这也会增加投资费用。

常用的电液比例控制阀，按其功能可以分为压力阀、流量阀、方向阀三大类。但在高压共轨喷油系统中油液的主要是电液比例溢流阀和电液比例节流阀。另外，这里的工作介质是柴油，不是液压油。本节先介绍电液比例溢流阀，电液比例节流阀下节介绍。

2.电液比例控制阀的核心部件

电液比例控制阀的核心元件是比例电磁铁，比例电磁铁的功能是将输入电信号转换成一定的力（或位移），此力（或位移）再传给弹簧进行预压缩或直接传给带弹簧复位的阀芯。

比例电磁铁与普通电磁换向阀中所用的湿式直流电磁铁有所不同，如图5-52所示。两者外观相似，都有线圈、衔铁、壳体等零件，但它们内部的磁路设计不同。因而两者的力—位移特性不同。

图5-52 普通液压阀用的比例电磁铁

1—阀体 2—线圈 3—衔铁

第6章将详细讨论力—位移特性。图6-9所示为两种电磁铁的力—位移特性曲线。可以看出，比例电磁铁的输出电磁力在整个工作行程内基本上保持恒定。图6-10给出了比例电磁铁在不同输入电流下的力—位移特性曲线，可见电磁力与输入电流之间的关系是线性关系。所以，在其工作行程内的任何位置上，电磁力只取决于输入电流。因而，这种比例电磁铁称为力控制型比例电磁铁。如果电磁力克服弹簧力推动阀芯运动，将弹簧的特性如图6-10中的斜线叠加上去。当一定的电流输入到电磁铁时，将产生相应的电磁力移动阀芯，直到与弹簧力平衡为止，即电磁力—位移特性曲线与弹簧特性曲线的相交点。因而通过改变电磁铁的输入电流，阀芯可以在其工作行程的范围内定位与任何位置，实现力—位移的线性转换，使其输出位移与输入电流成正比。这样使力控制型比例电磁铁具有行程控制的功能。

图5-53 直动式高压电液比例溢流阀(www.xing528.com)

a）结构 b）产品实物 1—电插头 2—预调弹簧 3—衔铁 4—阀体 5—励磁线圈 6—钢球 7—支撑环 8—O型圈 9—过滤器 10—高压燃油油道 11—阀座 12—低压燃油回油口

这种比例电磁铁是螺管型的比例电磁铁，是比较常用的，这种电磁铁适应在阀芯的运动行程比较大，电磁吸力不是很大的场合。但是在高压共轨喷油系统中，由于其喷射压力很高，所以这种比例电磁铁主要用在低压系统中，如下节要介绍的电液比例进油节流阀中。在高压共轨喷油系统中的高压区域，常用的是如图5-53所示的高压电液比例溢流阀的盘型的比例电磁铁，盘形比例电磁铁的特点是，电磁铁的工作气隙比较小，电磁吸力陡峭，即电磁吸力随工作气隙的变化剧烈，随着工作气隙的减小，电磁吸力大幅度变化，而且盘形比例电磁铁的吸合极面的面积比较大，因此可以在小工作气隙时产生很大的电磁吸力，满足高压共轨喷油系统的需要。

3.直动式电液比例高压溢流阀

直动式电液比例高压溢流阀就是用比例电磁铁取代普通直动式溢流阀的调压手轮和调压弹簧，比例电磁铁直接作用在阀芯上，与阀芯上的油压力平衡，实现系统压力的控制与调节。

直动式电液比例溢流阀是高压共轨喷油系统中共轨压力的一种控制元件，如图5-53所示，此阀安装在共轨管上，也可以安装在高压油泵输出口上，如BOSCH公司的CP1型油泵。盘型比例电磁铁衔铁驱动的阀杆下有一个球阀，即盘型比例电磁铁衔铁直接将电磁力作用在球阀上，衔铁上有一个预调弹簧作用。当比例电磁铁不通电时，比例电磁铁无作用力作用在球阀上，当共轨油压作用在球阀的下端，此力大于作用在衔铁上端的预调弹簧力时，球阀被油压顶开，系统油液溢流、降压，但此弹簧刚度较小，预调弹簧产生的力仅约10MPa。如果要提高共轨油压，或高压油泵出口油压，除了此预调弹簧提供的对球阀的预加作用力外，还有依靠比例电磁铁来产生对球阀的作用力，因为比例电磁铁的吸力与其磁通势IN成正比。其中I是电磁铁中的电流，N是电磁铁的励磁线圈的匝数。因此，改变电磁铁线圈的励磁电流，就可以改变电磁铁的作用力。但是，对于计算机控制而言，其只擅长处理数字信号，采用PWM脉宽调制技术控制电磁铁励磁线圈电流I，就可控制电磁铁线圈磁通势，结果就使电磁铁吸力得到改变，从而使球阀的开启压力大幅度提高，共轨油压也就大大提高了。

4.直动式电液比例高压溢流阀的技术参数

电液比例阀对油液的压力、流量等参数具有连续控制调节的功能，因此，对其静态特性的评定，描述就不同于常规的定值控制作用的液压阀，而要采用类似于电液伺服阀的评定方式，例如非线性度、滞环、重复精度等，此外，还有在工作条件变化时比例阀静态特性变动情况的描述，例如比例溢流阀在工作流量变化时的等压力特性，比例流量阀在负载压力变化时的等流量特性。

由于比例阀常用在对动态特性有一定要求的开环或闭环控制系统中，因此除了静态特性外，还需要了解比例阀的频率特性和瞬态阶跃响应特性。

（1）静态参数 比例阀在稳态工况下，输入电流从零增加到额定值，再从额定值减小到零的整个过程中，输出量（p，q）的变化曲线称为静态特性曲线。由于阀内存在摩擦和磁性材料的磁滞等因素的影响，比例阀的实际特性曲线是一条封闭的曲线。如图5-54所示，其中两条实际曲线的中点轨迹为名义特性曲线（曲线2）。

图5-54 比例阀的静态特性曲线

1）非线性度：比例阀的被控制量（压力、流量）的大小应该与输入的控制电流成正比，理想的电流——压力特性应该是一条直线（曲线1）。名义特性曲线与理想特性曲线之间的最大差值ΔI_Lmax与额定电流ΔI_N的百分比，即（ΔI_Lmax/I_N）×100%为非线性度。比例阀的非线性度一般在±（3%～5%）。

2）滞环：两条实际特性曲线之间的最大差值ΔI_max与额定控制电流I_N的百分比，即（ΔI_max/I_N）×100%。比例阀的一般滞环为±（2%～5%）。

3）分辨率：使输出量发生变化所需要的最小控制电流值与额定电流的百分比，反映了比例阀的灵敏度。比例压力阀一般在2%以下，比例流量阀一般在（2%～5%）。

4）重复精度：用重复误差表示，重复误差是指在同一个方向多次重复输入同一电流值，其输出量的最大变化量和额定值的百分比。比例阀的重复误差一般小于1%。

5）等压力特性：是指电液比例溢流阀的控制电流为某一固定值，而通过阀口的流量变化时，表示被控制压力的变化情况的流量—压力特性。

（2）动态特性

1）阶跃响应：输入一个电流阶跃信号时，输出量随时间的变化规律。通常以阶跃响应时间表示比例阀动态特性的优劣，它等于输出量达到稳定值（调定值的90%）时所需要的时间。如果阶跃响应具有振荡特性，则以上升时间、超调量和振荡次数来表示。

2）频率响应：加入一定频率的正弦输入信号时，在稳态状态时输出与输入的复数比。通常以增益为-3dB时的幅频宽和滞后相位角-90°时的相频宽来评价，比例阀的频率响应一般为2～10Hz。