电液比例节流阀频响特性测试方法探讨
电液比例阀的设计与实验研究
电液比例阀的设计与实验研究
一、引言
随着液压系统技术的发展，电液比例阀的应用越来越广泛，它在高精
度液压系统中起到重要的作用。
电液比例阀是一种能够实现电控制的液压阀，它在自动化操作中可以实现高精度的控制，从而提高了自动化系统的
整体性能。
本文将介绍电液比例阀的设计和实验研究，总结电液比例阀的
应用特点，以及电液比例阀的优缺点。
二、电液比例阀的设计原理
电液比例阀是一种智能控制的液压阀，它的设计基本上与其他液压阀
一样，它也分为阀内部和阀外部两大部分。
电液比例阀的阀内部包括阀体、活塞、活塞杆、活塞杆定位器和活塞密封垫等零件，这些部件组成了电液
比例阀的核心部分；阀外部则由连接管路、电控装置、指示仪表等组成。
电液比例阀的工作原理是：利用电控装置将控制信号转换为有效的液压信号，通过操作活塞控制液压介质的流量大小和方向，实现液压设备的控制
操作。
一般来说，电液比例阀的阀芯结构有金属丝活塞阀、活塞杆阀、隔膜
阀和回路阀等常见类型。
比例溢流阀特性测试与分析（1）
比例溢流阀特性测试与分析（1）
比例阀特性测试多在体积较大、仪器设备昂贵的专用实验台上进行，且测试手段单一，测试系统软、硬件扩展性较差。
因此设计研制了一种结构小巧、经济实用的比例溢流阀特性测试试验台配以基于虚拟仪器的测试与分析的软件系统，既满足了比例阀各种特性测试和分析需要，又能扩展系统的软、硬件及实验项目。
1 液压试验台的开发
液压试验台由4mm不锈钢板喷漆焊制成操作台体机架，台面为长900mm、宽700mm、高800mm并带有扩展T型槽的板台。
将试验台所需的DBE型先导式比例溢流阀、三位四通电磁方向阀、节流阀、调速阀、高精度压力传感器、流量传感器、背压阀、蓄能器、液压油管等各种元、辅件合理安装至板台前面板上，并预留阀块扩展空间。
液压系统执行元件为两个自加工制作的有效行程为200mm的双作用单杆活塞式液压缸，分别为实验缸和负载缸。
液压泵站采用双叶片泵供油方式分别对系统供油。
1、10-液压泵；2-DBC先导比例溢流阀；3、8-三位四通方向阀；
4-节流阀；5-调速阀；6-实验液压缸；7-负载液压缸；9-背压阀；11、12、13、14-压力传感器
图1 液压系统设计原理图。
工程机械电液比例阀的特点及其应用研究
对未来研究的建议
01
进一步研究电液比例阀的优化设计和控制策略，提高其性能和 可靠性。
02
探索电液比例阀在新能源、环保等领域的应用，拓展其应用范
围。
加强与国际先进企业的合作与交流，推动电液比例阀技术的创
03
新和发展。
感谢您的观看
THANKSΒιβλιοθήκη 电液比例阀在工程机械中的优势
电液比例阀具有响应速度快、控 制精度高、使用寿命长等优点， 能够满足工程机械复杂工况下的
控制需求。
电液比例阀的使用可以简化液压 系统的设计和维护，降低成本， 提高工程机械的效率和性能。
电液比例阀可以通过电信号实现 远程控制，方便实现自动化和智 能化操作，提高工程机械的作业
工程机械中电液比例阀的 应用研究
电液比例阀在工程机械中的具体应用
在液压挖掘机中，电液比例阀被广泛应用于控制动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸 的行程和速度，实现挖掘机的精细挖掘和装载操作。
在装载机中，电液比例阀能够控制工作装置的起升和下降速度，实现平稳的装载 和卸载操作。
在平地机中，电液比例阀能够控制刮刀的升降和倾斜，实现土地的平整和挖掘操 作。
效率和精度。
电液比例阀在工程机械中的局限性
电液比例阀的成本较高，对于一些小型工程机械来说，使用电液比例阀 会增加制造成本和维修成本。
电液比例阀的控制精度受到多种因素的影响，如液压油的质量、温度、 压力等，因此需要采取措施进行补偿和调整。
在一些特殊工况下，如高海拔地区、寒冷地区等，电液比例阀可能会出 现响应速度变慢、控制精度降低等问题，需要进行特殊设计和选型。
04
电液比例阀的发展趋势和 挑战
电液比例阀的发展趋势
高精度控制
随着工程机械性能的提高，对 电液比例阀的控制精度要求越 来越高，高精度控制将成为未
工程机械电液比例阀的特点及其应用研究
电液比例阀与其他控制阀的比较研究
电液比例阀与机械控制阀
电液比例阀具有更高的控制精度和更快的响应速度，同时能够实现远程控制 和调节。
电液比例阀与电气控制阀
电液比例阀具有更大的调压范围和更高的可靠性，同时能够适应恶劣的工作 环境。
电液比例阀在工程机械中的优势与不足
优势
电液比例阀具有较高的控制精度、响应速度和可靠性，能够实现远程控制和调节 ，同时具有较大的调压范围和较高的可靠性。
电液比例阀的特点
1
电液比例阀具有高精度、快速响应、宽范围等 优点，能够实现对工程机械液压系统的精确控 制。
2
电液比例阀能够根据输入的电信号大小实现对 液压信号的连续控制，从而提高了工程机械的 控制精度和稳定性。
3
电液比例阀还具有防爆、防尘、防水等特性， 能够在恶劣的环境条件下工作。
03
工程机械电液比例阀的应用研究
意义
通过对工程机械电液比例阀的特点及其应用进行研究，有助 于提高工程机械的性能和效率，推动工程机械技术的发展。
研究目的和方法
目的
本研究旨在探讨工程机械电液比例阀的特点及其应用 ，分析其在实际应用中的性能表现，为进一步优化电 液比例阀的设计和应用提供理论支持和实践指导。
方法
本研究采用文献综述、实验研究和理论分析相结合的 方法，对工程机械电液比例阀的特点及其应用进行研 究。首先，通过文献综述了解电液比例阀的研究现状 和发展趋势；其次，通过实验研究分析电液比例阀在 实际应用中的性能表现；最后，运用理论分析对实验 结果进行深入分析和总结，提出优化电液比例阀设计 和应用的建议。
通过引入先进的制造技术和优化生产流程，提高电液比例阀的质量和生产效率， 降低生产成本。
电液比例阀的使用和维护建议
实验项目三 电液伺服阀的频率特性
实验项目三电液伺服阀的频率特性
实验目的：熟悉电液伺服动态特性实验台的测试原理和操作方法，掌握电液伺服阀动态特性的概念、意义和测试方法。
掌握对电液伺服阀频率特性的扫频法和统
计法测试和处理方法。
实验要求：
1、通过实验，对待测控制阀进行不同频率周期性电信号激励，测试电液比例控制阀的空载流量的动态响应，通过测试描绘出频率特性曲线。
2、学会运用扫频法、统计法对电液伺服阀的频率特性进行分析，掌握幅频特性、相频特性的含义和分析方法。
3、正确分析实验结果，对其中的某些环节产生的误差有一定的估计。
比例阀动态性能实验讲解
P 11 P P
13 9
4、输入电信号阶跃响应特性 测试 （选做） 比例溢流阀：调压稳压（手调）
P 14
A B P T
15
比例流量阀：开度最大（手调）
比例方向阀：输入阶跃电信号
16
5、频率响应特性测试分析
比例溢流阀：调压稳压（手调） 比例流量阀：开度最大（手调）
1 4
7
1、稳态流量控制特性测试
13
P
12 8 6 5 10 3 12
P
9
2、稳态负载特性测试（选做） 3、输出流量与阀压降特性测 试 4、输入电信号阶跃响应特性 测试 （选做） 5、频率响应特性测试分析
A B P T
P 11 P 14
15
16
1 4
电液比例方向阀性能实验
7
1、稳态流量控制特性测试
13
P
12 8 6 5 例方向阀阀口压降恒定时， 输入电流与通过流量之间的关 系。
P 14
A B P T
P 11
15
原理：利用进出口压差形成负 反馈，去调节系统压油口比例 溢流阀4，最终保证比例方向 阀压降恒定。 PID控制
16
1 4
受控流量取决于阀芯位移x和阀口压降△P=PP-PA+PB-PT。
比例阀性能实验回路 及原理
电液比例溢流阀性能实验
1、稳态压力控制特性测试 3、输入信号阶跃响应测试 （选做）
2、稳态负载特性 4、频率响应特性测试
1、电液比例溢流阀稳态压力控制特性测试
内容：
测试阀控制电流与阀入口压力之间关系，画特性曲线， 计算死区、滞环、非线性度。 控制电流：三角波信号（转换开关转入自动位置，由信号发生器发出） 比例流量阀4的作用
电液比例溢流阀特性分析与仿真研究
根据功率键合图的规则及其变量间的逻辑因果
关系，可判定电液比例溢流阀调压系统是一个 6 阶系 统［8］。所确定的 6 个状态变量的物理意义： x1 、x2 分 别为主阀芯和先导阀芯的位移，m； P9 、P22 分别为主阀 芯和先导阀芯的动量，N·s； V2 为液压泵出口至电液 比例溢流阀主阀口腔中用来补偿油液的压缩量及管 道受压变形量的液压油总容积，m3 ； V13 为电液比例溢 流阀先导阀前腔中用来补偿油液压缩量的液压油总 容积，m3 。由功率键合图得出电液比例溢流阀调压
的等效柔度 Ct2 = 0. 347 mm / N。 （ 2） 感 性 元。主 阀 芯 的 质 量 If1 = 7. 232 × 10 － 2
kg； 先导阀芯的质量 If2 = 2. 3 × 10 － 3 kg。 （ 3 ） 阻 性 元。 ① 泵 的 泄 漏 液 阻 Rx = 1. 9 ×
1011 kg / （ m4 ·s） ； ②电液比例溢流阀的溢流液阻 Rf1 为可变液阻； ③阻尼孔液阻 Rk1 = 2. 063 × 1010 kg / （ m4 ·s） ； ④先导阀芯的溢流液阻 Rf2 为可变液阻； ⑤阻尼 孔液阻 Rk2 = 1. 66 × 1010 kg / （ m4 ·s） 。
关闭状态。当系统的压力超过比例电磁阀的设定值， 先导阀芯开启，使先导油经外泄口 4 流回油箱。主阀 芯上部的压力由于阻尼孔 13 的作用而下降，在压力 差的作用下主阀开启，油流经压力进油口 A 经溢流 口 B 回油箱，实现溢流作用。
1 电液比例溢流阀工作机理
1. 1 电液比例溢流阀工作原理 图 1 为 AGMZA － 32 电液比例溢流阀的工作特
DOI:10.13225/ki.jccs.2010.02.032
第 35 卷第 2 期 2010 年 2 月
电液比例方向阀动态性能实验
电液比例方向阀动态性能实验4.1 实验目的一了解比例方向阀动态特性测试装置；二掌握比例方向阀流量阶跃响应特性曲线的测试方法；三掌握比例方向阀动态特性各参数物理意义和计算方法4.2 测试装置及实验原理4.2.1测试装置的液压原理图图4-1 测试原理图图4-2 测试操作原理图4.2.2实验原理比例方向阀流量阶跃响应特性是比例方向阀动态特性的主要特性，该实验是测试比例方向阀流量阶跃响应曲线并计算动态特性的主要参数。
给被试的比例方向阀的控制器施加一个升幅的阶跃信号（从起始电压至最大电压），A 口至B 口的流量相应地完成一个流量增加过程；这一过程完成后，再给被试的比例方向阀的控制器施加一个降幅的阶跃信号（从最大电压至起始电压），比例方向阀A 口至B 口的流量也相应地完成一个流量减小过程；记录被试比例方向阀流量变化全过程，绘制流量响应曲线。
根据被试比例方向阀流量阶跃响应曲线，计算阀的动态特性的主要参数：稳态流量)( Xo 、幅值（amp X ）、超调量（Mp ）、峰值（tp ）、上升时间(tr )、下降时间(td )、调整时间(ts )等。
阀的流量动态特性的主要参数物理意义如下图所示。
4.3 实验软件功能软件的操作功能：显示液压原理图、测试数据、流量阶跃响应曲线、阀动态特性测试结果、输出实验报告（HTML 格式）、实验结果查询等。
实验软件界面如下图所示。
4.4 实验操作步骤(关闭截止阀I、II、III、VI、IX；开启截止阀V、VII、VIII。
)4.4.1.按[液压原理图]检查测试回路；4.4.2.启动电机，调节溢流阀YI，使系统达到阀测试压力(如8MPa)，通电换向阀1YA、2YA使比例换向阀油口与流量传感器接通；4.4.3.在[测试参数设置]栏内的编辑框内填写相应的数据；比例方向阀的控制电压范围为-5v-------+5v，所以最大电压不能超过5v。
4.4.4.在[测试数据操作]栏内的编辑框内，填入[测试数据文件]名；在【试验报告文件储存】填写试验报告储存的文件名，可以和测试数据文件名一样。
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一１ ０ ２ 一 ０ ９
一６ ０ 一３０ ０４ －
０． １
１ ０ Ｈ ｚ
１ 直接回油时阀口开口 — 量的频响特性
２ — ３ — ４ — ５ —
容腔压力频响特 ｐ＝． ， ０ｍ ） 性（ ０ｐ Ｖ１ Ｌ ｏ ２ ｌ ＝０ 容腔压力频响特性（２０ｐ Ｖ１ ｍ ） ｐ＝． ， ０ Ｌ ｏ ９ ＝０ 容腔压力频响特性（，０ｐ Ｖ１） ｐ；． ， Ｌ ｏｌ ＝ ： ： 容腔压力频响特性（２０ｐ Ｖ１） ｐ＝． ， Ｌ ｏ ９ ＝
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浙江大学 柯明纯 丁 凡 李 宾
：— １ ｋ ｂ — （ Ｏ ｂ — ｆ ｂ —
比例电磁铁输人电流 比 例电磁铁放大系数 比例电磁铁自 然频率 比 例电磁铁阻尼系数
通过阻尼短孔 ９ 的流量 Ｑ为： ２
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ｎ
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１ ． 过滤器 ２ ． 定量泵 ３ ． 溢流阀 ４ ． 球阀 ５ ． 蓄能器 ６８ ，． 压力
ｗ２ Ｂ Ｂ ｓｋ ＋ ， ｆ＋ Ｆ （＋ ） ｊ， ｋ
１表ａ拭 ２ ６） ｋ ０（ ０３
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３仿真及测试结果
３ 仿真 ． １
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利用式（ ，８， ａａ 软件对系统进行仿 ）（）用 Ｍ ｔｂ ３ ｌ 真， 计算了被测阀出口 直接回油条件下阀口 开口 量 对输人电流的频响特性，和有阻尼短孔并考虑阀与 阻尼短孔间容腔效应条件下容腔压力对输人电流的 频响特性 ， 仿真曲线见图 ３ ０
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（） ８
传感器 ７ ． 被测阀 ９ ． 可调阻尼短孔 图２ 电液比例节流阀测试系统
通过电液比 例节流阀７ 的流量 Ｑ为： ，
Ｑ ＝ｄ Ｘ ｉ ， ， ＣＷ
－ ｐｉ ） Ｂ Ｐ２
Ｐ
２ ／ ＿、 ，
（） ４
由式（）（）随着被测阀与阻尼短孔之间容腔 ８ ， ３， 体积的增大， 容腔压力对输人电流的幅频宽和相频 宽在减小， 且比阀实际频宽小； 通过改变阻尼短孔直 径可以改变容腔压力变化幅值，同时改变被测阀节 流阀口 在开口 量中位值时的容腔压力。
１
ｃ＝ ｄ ｘ ： ＣＩ Ｗ Ｗ
２ （Ｉ ｐ尹 Ｐ ） －２ ０
２ｔ 、
Ｃ＝ ｄ ３ １ ＣＷ
－ ｋ ｐ ２） Ｐ１ ０
Ｎ
式中：， 二 一
被测阀节流阀口 开口 量的中位值
Ｐ 节流阀口 ２ 被测阀 ｏ 在开口 量的中 位值时
容腔压力值 ， 由 ３， ） 式（） ７ 容腔压力对输人电流的 （ 传递函 数为
迄
摘 要：绍 电 例 流 频 特 测 的 种 用 法。 用 测 与 阻 短 介 了 液比 节 阀 响 性 试 一 实 方 采 被 阀 一 尼 孔冬
拿
福 间的压力来替代难以检测的阀芯位移或输出流量， 对电液比 例节流阀进行频响特性测试。 建立 ｝ １了 测试系统的数学模型， 进行了仿真和试验测试， 验证了该测试方法的可行性。
由式（ ）（ ）被测阀节流阀口开 口量对输人电 １ ，２ ，
流的传递函数为：
ｋ叭 ｂ
Ｓ ｝、２ 、ｇｂ ２ ｂ＋ 阵 ＂Ｓｂ ＋Ｗ Ｃ ２ 叭、 ｄ
Ｗ２ Ｂ Ｂ ｓ粉ｋ ＋ ， ｆ＋ ， （＋ ）
（） ３
式中． 一阻尼短孔流量系数 ｒ一 ｇ Ａ一 阻尼短孔过流面积 ， 被测阀出油口 与阻尼短孔之间必然有一个小容 腔， 容腔的压力变化由压力传感器 ８ 检测， 因此该压 力也是被测阀的出口 压力， 该容腔的流量平衡方程
１ 电液比 例节流阀工作原理与基本数学模
型 单级电液比 例节流阀，由比例电磁铁直接驱动 阀芯， 阀芯采用弹簧支撑及液压力平衡的结构， 其工 作原理如图 １ 所示。
ｘ— 复位弹簧预压缩量 ｏ Ｂ— 阀芯与阀套间粘性摩擦系数 ． 踌 — 瞬态液动力阻尼系数 ｋ ｆ 稳态液动力刚度
２Ｂ ｝ ｄ
０冲 叫匕
一 一
三 左 山 ｑ
从仿真曲线（ ） 图 ３可知， 当被测阀与阻尼短孔 之间容腔不大时，容腔中的油液压缩效应可以忽略 不计； 随着阻尼短孔直径的减小， 被测阀节流阀口 在 开口 量中位值时的容腔压力增大，幅频宽和相频宽 在减小， 且比阀实际频宽小， 在大容腔情况下， 减小
５ ３ １ ４ ２
１ 直接回油下阀口 — 开口 量的频响特性
１ ０ Ｈ ｚ
５ ３ １ ４ ２
２ 容腔压力频响特性（ ： ｘｏ ） — ＶＷ ｖ ３ ＝
３ 容腔压力频响特性（ ： ｖ ５ — ＶＷｘ（ ） ＝ ４ 容腔压力频响特性（ ： ｏ１） — ＶＷｘ ＝０ ｖ 图４ ｖＡ 等于 １ Ｗｘｏ ； ： 时不同 ＶＷ ｖ下的 ： ｏ ｘ 频率响应特性仿真曲线俩＝ Ｍ 司 ８ Ｐ
式中 参数：Ｂ ｆｌ ， ｔ ｚ
８ ｒ ａ ， 二２２ （ （ｒ ２ － 一）
几－ ， ｒ
ｒ＋ ２ ， 一 ｒ
Ｉ动， ｎ ） （
Ｋ＝． Ｗｐ ２ ｆ０３ （ｐ ） ４ ｌ
Ｂ＝ｄ Ｌ ｐ －２ ｆ ， Ｖ２ （Ｉ ＣＷ Ｐ Ｐ）
凡＝，ｖ ｏ ｋ ｘ ｘ） （＋ 式中：一 电磁铁输出力 Ｆ 阀腔油液以及弹簧等效质量 爪 ， 阀芯、 一 ｘ ｖ 阀口开口量 —
为： Ｑ－２ Ｉ ＝ Ｑ
（） ６
２ 测试系统及其数学模型
在测试电液比 例节流阀动态性能时，由于常用 的流量计的运动部件存在惯性， 难以测试动态流量， 而电液比 例节流阀内又难以安装位移传感器测试阀 芯的位移， 故很难通过流量计或阀芯位移来测试该 类阀的频响特性； 虽可用动态液压缸进行测试， 但难 度大、 成本高。在试验中， 采用在被测阀出口 接一阻 尼短孔（ ２ ， 图 ）通过检测被测阀与阻尼短孔之间的 压力来测试该阀的频响特性， 这种测试方法简便、 成
参考文献
１ 万贤祀， 万系杰‘ 四轮工程车液压系统设计研究． 液压与 气动， ０（ ２ ３） ０ ３ ２ 王庆丰， 魏建华， 吴根茂等． 工程机械液压控制技术的
腔压力的频率响应特性仿真曲线（＝ Ｍ ａ ｐ ８ ） ， Ｐ
图３ 不同容腔容积 Ｖ和被测阀节流口中位时容
３Ｂ误差小于 ３ ＶＷ ｖ １ 时的相频宽（９０ ｄ） ％；：ｘ 为 ０ ｏ －０） 比阀实际相频宽小 １％， 值为 ５ ０ 比 时小 ６ 比 ％， 值为 ３ 时小 ５ ％０ ３ 测试结果 ． ２ 图２ 所示的测试系统， 在不同阻尼短孔直径下 对被测阀进行频响特性测试， 测试结果见图５ 总体 。 上看， 测试结果和仿真结果基本吻合。
－
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０． １
１ ０ Ｈｚ
图 ５ 阻尼短孔直径对容腔压力
频响特性的影响（＝ Ｍ ａ ｐ ８ ） １ Ｐ
过流面积之比） １即ｐ 等于Ｐ／） 为 （ ， Ｉ ２时不同的Ｖ ：
ｐ — 油液密度
ｐ， 油口 ｌ一 进出 压力 ｐ
图 １ 单级电液比例节流阀原理
ｋ 复位弹簧刚度 ， 比例电磁铁可以看作二阶环节， 其输出力对输
人电流的传递函数为：
阀芯力平衡方程为：
ＦｒＺ＋ ，ｆ ｖＬ ＝ ｄ （＋） ｋ＋ ｒ ｘ ＢＢ车 ｆ ｃ ０ ｘＦ
Ｗｖ ｘ 进行仿真， ｏ 仿真曲线见图４ 。从仿真结果上看，
４ 结论
１理论分析和试验表明， ） 在电液比例节流阀出 口 接阻尼短孔， 用被测阀与阻尼短孔间的容腔压力
当Ｗ ｖ 为 １ Ｖ ｘ 小于 １， ｘＡ， 且 ： ｖ ｏ Ｗｏ ０容腔压力的低频
段幅频特性与阀实际幅频特性基本一致，幅频宽Ｇ
１表；Ａ ０３ ｋ ２ ６） ｋ ０（
能较准确地反映被测阀的流量频响特性。 同时， 该测 试方法具有简便、 成本低等优点。 ２减小被测阀与阻尼短孔之间的容腔是用压力 ） 频响特性准确反映被测阀频响特性的关键。 ３增大阻尼短孔直径， ） 能够提高该方法的测试 准确度； 但被测阀与阻尼短孔间的压力变化幅值降 低， 增加了测试难度。 ４兼顾测试准确度和测试难度， １ ｖ １ １ ） 取 Ｖｏ 在 ｘ： Ａ 附近，：ｘ 控制在 ５ ＶＷ ｖ ｏ 以内，此时容腔压力频响特 ， 胜的幅频宽（３Ｂ 和相频宽（９０比阀实际幅频 －ｄ ） －０）
关键词： 电液比例节流阀 频响特性测试 压力检测 阻尼短孔
电液比 例元件和电液伺服阀是电液比例 ／ 伺服 控制系统的重要组成元件， 选择合适的电液比例 ／ 伺服阀对系统性能的实现有着重要的意义。电液比 例节流阀作为一种价格较为低廉的比例流量控制元 件， 在频响要求不高的电液比例 ／ 伺服系统中有着 广泛的应用， 如工程车、 工程机械的加速减速运动的 电液控制系统，电液比例节流阀常结合其它元件构 成复合阀对工程机械中液压系统的流量、压力进行 控制。 因此， 对电液比例节流阀特性的分析在工程实 践中有着重要的意义。本文以单级电液比例节流阀 作为研究对象， 用动态压力来测试其频响特性， 避免 直接测试动态流量的困难， 分析过程和结果也可供 其它类型的电液比例阀参考。