阀控之压力和流量浅析

液压系统最基本的参数非压力和流量莫属，因而深刻理解这两个量就十分必要

图1.压力VS流量参数特点对比

那么作为阀控系统的液压元件主角-阀是如何和这两个量产生关系的？理解这就能触摸到阀控的精髓了。笔者一直主张将复杂问题用简单朴素精简的方式去解释，从最基础的理论去理解。

我们知道阀控制来自于阀口

而阀口形式有，锥、球，平口，滑阀；全周、非全周；圆孔、方空、八角、月牙等等之分，

然而却几乎没有例外都属于薄壁刃孔：m=L/D<0.5，这是因为刃孔

• 与粘度无关，即与油温变化无关；

• 受负载变化影响较小，刚性大；

• 不易堵塞；

基于此，介绍两个最基本的公式：

公式一，流量公式(如下图2)

对于同一个阀的前提下，当X一定时，因其他参数一般可以看作常数。故也常将公式进一步简化成△P∞Q²来作分析。即压差是与流量的平方成正比

如果压差一定，则流量就由X和W乘积决定了这也是为啥流量控制会有所谓阀前和阀后补偿目的也不外使压差稳定进而达到由XW乘积比例的控制流量/速度的目的。

X即是阀芯行程，而阀芯是机械固件 对应每个轴向X点位W随即固定，也即XW阀口开度面积固定。流量系数C_d是与W有关系的系数。这样假设阀口开度变大即X变大，则同样流量下压力损失变小即p2输出压力变大；反之X变小压差变大则p2 输出压力变小。故阀口控制压力的本质是通过控制压力损失△P即阀压降实现的。因而这是一个很不节能的方式，需要以一个合适的X位置基准轴向左右移动，而流量几乎为0时显然是最理想的位置，因此对0遮盖的伺服阀则正好X=0;对于有死区的比例阀X显然要工作在将其补偿掉的位置。从这也可以理解伺服阀为何做成0遮盖不是它就天生应该长这样而是应用需要它这样。

X=0,那么就XW=0？，显然XW阀口面积不是单纯意义上的数学运算，阀口控制需要的是真正意义上的面积0，否则就会压力或流量就会表现出不连续或说增益不连续。这也正是为啥要求阀口控制边保持锐边的根本原因之一，唯如此才能获得阀口从0开始的线性小面积开度段。所以要求去毛刺时不能太过，去毛刺则是为了阀芯轴向运动平稳，高分辨率和灵敏度，加入阀芯位置反馈则是为了在此基础上更精确的使阀口到达需要的那个XW位置点。

通过改变阀芯开口形状可以得到不同的X vs XW 关系从而获得不同阀输出的流量曲线这点在比例阀中应用相对较多，而伺服阀由于采用了阀芯阀套结构，虽然提升了0位遮盖情况和尺寸精度，却因此缩小了阀芯直径，减少了最大开口面积，而不得不采用全周口以部分弥补。这样阀芯就没有更多空间去调整XW。有得有失，当然也有伺服阀放弃全周口而在阀套开口上做文章的，这比较常见在小通径伺服阀上，这是因为其目标对象主要是压力和小流量控制。

单就行程X而言因其影响着分辨率和动态而不好轻易改动

从流量和压差关系式也可以较容易理解系统刚性与阀的关系，即在选阀时可能会有有所谓的大马拉小车或小马拉大车的情况。是选一个名义流量大的阀还是流量小却动态高的阀那个系统响应会更快？

图1流量公式

公式二，压力公式（如下图3）

此公式主要是将阀口之后作为研究对象，理解成一个容腔，固定或可变

进油（压缩）大于出油（松开）则压力升，反之则降因而压力控制就变成实际是流量控制。控制一个压力就是要维持阀出油和控制容腔减损之间平衡，此时一个小流量分辨率高的阀显然更能胜任。而要提升动态阶跃显然大流量增益就更合适了。没关系，鉴于此阀厂家都推出了所谓双增益阀芯供选择。

由此也就可以理解为啥伺服阀要强调零遮盖和高动态。

图3.压力公式

然而压力和流量的根本制约关系还是自然界最普适规律：能量守恒定律。转化成液压表述就是流动液体的能量守恒伯努力方程：如果先忽略重力势能的话，即压力势能与动能相互转化而总能量保持恒定。流量低流速慢则压力势能大压力高。

那么对于阀口来说损失的压差去了哪里？液体流经阀口刃口产生较大的能耗，此局部压力损失与液流动能直接相关。

此能耗大部分都变成了热量，占比很小的部分是以震动和噪声等形式散发出去

这也是阀控系统 发热严重的主要根源。系统设计时应尽可能使阀口压降小，即接合适的负载多做有用功或选合适的阀减少无用功发热。

图4伯努利方程示意

还有一点值得注意的是：一般来说流量成本更高，流量是比压力奢侈的多的多的参数。

原文始发于微信公众号（阀控系统）：阀控之压力和流量浅析