伺服阀的静态特性

电液伺服阀的静态特性是指稳定工作条件下，伺服阀的各静态参数(输出流量、输入电流和负载压力)之间的相互关系。主要包括负载流量特性、空载流量特性和压力特性，并由此可得到一系列静态指标参数。它可以用特性方程、特性曲线和阀系数三种方法表示。

    1)特性方程

    理想零开口四边滑阀见图1，设阀口对称，各阀口流量系数相等，油液是理想液体，不计泄漏和压力损失，供油压力Ps恒定不变。当阀芯从零位右移xv时，则流入、流出阀的流量q1、q3为

      (1)

               (2)

稳态时，ql=q3=qL，则可得供油压力Ps=P1+P2。令负载压力PL=P1-P2，则有

         (3)

        (4)

    将式(3)或式(4)代入式(1)或式(2)可得滑阀的负载流量(压力-流量特性)方程

          (5)

式中qL——负载流量；

        Cd——流量系数；

        W——滑阀的面积梯度(阀口沿圆周方向的宽度)；

        d——滑阀阀芯凸肩直径；

        xv——滑阀位移；

        Ps——伺服阀供油压力；

PL——伺服阀负载压力。

    图1  零开口四边滑阀                     

    图2  电液伺服阀的负载流量特性曲线

    注：1．为无量纲压力， ，为负载压力，为供油压力。2．为无量纲电流，，i为输入电流，为额定电流。3．为无量纲流量，，为负载流量，为最大空载流量。

对于典型两级力反馈电液伺服流量阀(先导级为双喷嘴挡板阀、功率级为零开口四边滑阀)，滑阀位移xv=Kxvi，所以其负载流量(压力一流量特性)方程

(6)式中  Kxv——伺服阀增益(取决于力矩马达结构及几何参数)；

      i——力矩马达线圈输入电流。

    其余符号意义与式(5)相同。由式(6)可知，电液流量伺服阀的负载流量qL与功率级滑阀的位移z。成比例，而功率级滑阀的位移xv与输入电流i成正比，所以电液流量伺服阀的负载流量qL与输入电流i成比例。由此，可列出电液伺服阀负载流量的一般表达式为

(7)它是一个非线性方程。

    2）特性曲线及静态性能指标

    由特性方程可以绘制出相应的特性曲线，并由此得到一系列静态指标参数。由特性曲线和相应的静态指标可以对阀的静态特性进行评定。

    (1)负载流量特性曲线。它是输入不同电流时对应的流量与负载压力构成的抛物线簇曲线，如图2所示。负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。要测得这组曲线却相当麻烦，在零位附近很难测出精确的数值，而伺服阀却正好是在此处工作的。所以这些曲线主要用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。

(2)流量特性曲线。它是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线(见图3)，是在给定的伺服阀压降和零负载压力下，输入电流在正负额定电流之间作一完整的循环，输出流量点形成的完整连续变化曲线(简称流量曲线)。通过流量曲线，可以得出电液伺服阀的额定流量qR、流量增益、非线性度、滞环、不对称度、分辨率、零偏等性能指标参数。

图3  空载流量特性曲线                       

图4  压力特性曲线

    (3)压力特性。它是输出流量为零(将两个负载口堵死)时，负载压降与输入电流呈回环状的函数曲线(见图4)。在压力特性曲线上某点或某段的斜率称为压力增益，它直接影响伺服系统的承载能力和系统刚度，压力增益大，则系统的承载能力强、系统刚度大、误差小。

(4)静耗流量特性(内泄特性)。输出流量为零时，由回油口流出的内部泄漏量称为静耗流量。静耗流量随输入电流变化，当阀处于零位时，静耗流量最大(见图5)。对于两级伺服阀，静耗流量由先导级的泄漏流量和功率级的泄漏流量两部分组成，减小前者将影响阀的响应速度；后者与滑阀的重叠情况有关，较大重叠可以减少泄漏，但会使阀产生死区，并可能导致阀淤塞，从而使阀的滞环与分辨率增大。

     图5  静耗流量特性曲线

3）阀系数

阀系数主要用于系统动态分析。（7）线性化处理，并以增量形式：表示为

                                         (8)

式中各符号意义与式(7)相同。

由式(8)可定义阀的三个系数，如表1所列。

作为示例，表1中依据理想零开口四边滑阀的负载流量方程

                                （9）

表1 伺服阀的阀系数示例（理想零开口四边滑阀）

给出了此阀的三个阀系数表达式。根据阀系数的定义，式(8)可表示为

            （10）

    伺服阀通常工作在零位附近，工作点在零位，其参数的增量也就是它的绝对值，因此阀方程式(10)也可以写成以下形式

                                   (11)

   三个阀系数的具体数值随工作点变化而变化，而最重要的工作点为负载流量特性曲线的原点，由于阀经常在原点附近(即零位)工作，此处阀的流量增益最大(即系统的增益最高)，但流量压力系数最小(即系统阻尼最小)，所以此处稳定性最差。若系统在零位稳定，则在其余工作点也稳定。理想零开口四边滑阀的零位阀系数参见表1。