原文：来自Power & motion
整理：腾益登
标准的两位电磁阀中的阀芯会高速地完全移动到新的位置（因此得名：开-关电磁阀）。这种快速的全行程移动会导致执行器在启动时跳动或猛冲，并在停止时产生过大的冲击。压力峰值和冲击会产生噪音，可能会损坏机器，并对管道产生不利影响，导致泄漏。
带液压阻尼阀芯移动的软切换电磁阀可以减缓切换速度，并在某些应用中减少冲击。然而，许多机器需要可变的切换速度以适应不断变化的功率和工作要求。带有可变流量控制的软切换电磁阀提供了更广泛的调节范围，并为某些油路提供了更好的控制。
其他选择包括带有专门设计的流量控制装置和阀芯行程调节器的阀门，这些装置可以根据特定机器的功能进行设置。这种类型的可变阀门在某些机器上可以工作，但需要进行许多精确的调整才能达到所需的执行器控制效果。
闭环回路中的可变排量双向泵可以提供非常平稳的动作，但仅限于操作单个执行器。对于极其精确的控制，带有执行器反馈的伺服阀是最终的运动控制器。介于伺服回路和其他上述控制装置之间的是比例阀。
图14-1. 直动式比例阀
比例阀是如何工作的？
比例阀非常适合需要通过改变流量或压力来减少冲击和振动的回路。这些阀门上的电磁铁会根据施加到比例电磁铁上的电压移动阀芯，使其移动更多或更少。它们可以改变阀芯移动的速度或阀芯移动的距离。由于比例阀中的阀芯不会一次性完全移动，因此这些阀门可以控制执行器的加速和减速。
通常，通过改变阀芯的切换时间来控制加速度和减速度。通过改变线圈的电压来限制阀芯的行程，从而控制执行器的最大速度。计算机、个人电脑、可编程逻辑控制器（PLC），甚至简单的变阻器都可以产生可变的电信号。
图14-2. 带LVDT的电磁先导式比例阀的简化符号
如果流量较低（小于20-25加仑/分钟），可以使用直接电磁驱动的比例阀，如图14-1所示。直驱阀比电磁先导阀更小且成本更低。然而，电磁先导比例阀可以处理更高的流量——有些甚至可以超过200加仑/分钟。
图14-3展示了同一阀门的完整符号。完整符号包括先导控制阀和主阀的细节、先导回路中的减压阀以及先导管线的走向。
图14-3. 带LVDT的电磁先导式比例阀的完整符号
简单的比例阀依靠电磁力与弹簧力的平衡来定位阀芯。由于流量、压力、温度和流体清洁度不断变化，给定的输入电压可能无法始终产生相同的阀芯位置。为了提高阀芯位置的准确性，可以使用线性可变差动变压器（LVDT），如图14-2至图14-5所示。
线性可变差动变压器（LVDT）会将输入信号与阀芯位置进行电子比较，并调整电压，从而无论系统如何变化，都能保持相同的阀芯位置。虽然LVDT会增加阀门和电子设备的成本，但在除了简单的加速/减速回路之外的所有应用中，通常都是必要的。
图14-4. 带LVDT的直动式比例阀
LVDT无法控制通过阀门的流量的重复性，因为流量是压差、流体粘度以及孔口大小的函数。压力或流体粘度的变化会改变执行器的速度。为了减少速度的变化，可以增加来自执行器的反馈信号（类似于伺服阀回路）。执行器反馈会有帮助，但仍然不够精确，因为大多数比例控制阀的响应速度不够快，无法克服系统中的突然变化。
图14-5. 带LVDT和压力补偿器的直动式比例阀
在图14-5中，进油管路中的压力补偿阀减少了由于系统压力变化引起的流量波动。压力补偿器保持阀芯孔口两端的压差恒定，以在进油压力或工作压力发生变化时保持流量恒定。压力补偿器是一个具有固定弹簧设定值（例如150psi）的减压阀。一个梭阀从每个油缸端口向减压阀的遥控口提供压力反馈。当工作端口中的压力发生变化时，它会改变减压阀的压力，以保持比例阀阀芯两端恒定的150psi压差。
图14-6. 比例溢流阀
合适的回路设计决定了比例阀的控制能力
向比例电磁铁发送电信号以改变作用于阀座或孔口的力，从而实现对压力的无限可变控制。图14-6和图14-7展示了无极可变的溢流阀和减压阀的符号。可以使用个人电脑或可编程逻辑控制器（PLC）产生可变信号，以在机器运行序列需要时随时改变压力。
图14-7. 比例减压阀
使用比例压力阀远程控制压力补偿泵，也能使这些泵更具通用性。
图14-8展示的是螺纹插装溢流阀的符号。当流量超过150至200加仑/分钟时，可以使用带有直接作用比例溢流先导阀的盖板式插装溢流阀。这些插装阀有独立的阀体，也有作为特殊大流量阀块的一部分。
图14-8. 滑入式盖板插装溢流阀——比例控制，实现压力的无限可变
比例方向控制阀比它们经常替代的伺服阀更能容忍污染，且成本更低。当回路不需要极高的精度或流量重复性时，初始成本的节省以及对过滤器要求的降低，使得比例阀成为一种很好的选择。
伺服系统更准确的一个原因是来自执行器的电子反馈信号。反馈信号会调整伺服阀的阀芯位置，以使执行器处于精确的位置，或者产生控制器所需的精确速度或力。比例阀可能也有反馈控制，但其响应时间太慢，无法实现伺服阀回路所提供的精确控制。
图14-9展示了一个用于节流功能的比例阀。这是一个无极可变的、电控节流阀。随着线圈电压的增加，阀芯移动得更远，从而增加流量。图14-9中的符号显示了该阀被连接为单一流量路径。
图14-9. 无LVDT的直驱比例节流阀
图14-10中所示的二通路径在任一通径流量路径中，以相同的压差提供两倍的流量。可以使用图14-10中所示的节流阀来控制旁通或旁路回路中的流量，或者控制流向或来自传统电磁阀的流量。
节流功能可以改变流向需要频繁或持续调整的执行器的流量。还可以将节流阀与传统方向阀一起使用，以实现液压缸的平稳加速和减速，从而消除冲击。
图14-10. 带LVDT反馈、并联流量路径模块和压力补偿式节流模块的直接电磁驱动比例节流阀
在传统电磁阀的回油管线中安装节流阀，可以以节流出口的形式控制执行器的速度。将节流阀安装在此位置时，执行器不会失控。务必确保方向阀能够承受油箱管线中大于回路产生的任何背压。
在主泵管线中安装一个节流阀，可以改变一个执行器或多个执行器（它们在不同时间循环）的速度。这种类型的回路成本较低，但需要更复杂的电气控制回路。
图14-10中所示的节流阀配置可实现无极可变的流量。在泵管路中增加一个液压稳压模块，可保持孔口两端的压差恒定。由于压差恒定，流量不会波动。由于4通阀不会出现反向流动，因此两个流量路径都可以为回路供油。在指定流量下，任一流量路径的压差均为标称值。这种配置可实现两倍额定流量，而不会产生额外的压差或热量。
并联流量路径模块的所有流量路径都已内部钻孔并调整尺寸，以将压差降至最低。该模块有D03和D05尺寸可供选择，流量可达约50加仑/分钟。
使用比例控制阀可减少冲击，并为不需要极高位置精度或可重复的速度和力的回路提供更精细的控制。
比例阀限制流向和来自执行器的流量。它们最适合在闭式回路中与压力补偿泵一起使用。在回路中增加蓄能器可以提高循环响应时间，并保护泵免受压力峰值的影响。使用比例阀的系统通常需要一个冷却器，因为这种回路的能量浪费更大。
以下部分描述了一些回路——并提供了一些在几种应用中使用比例阀的要点。始终要记住，根据最大流量和压差来选择比例阀的尺寸，以获得回路的最佳响应和重复性。
比例节流阀的回路设计
图14-11和图14-12中的回路可控制执行器的加速和减速。向这些回路发送电子信号还可以无限地改变执行器的速度。
图14-11. 在泵管路的进油节流回路中的比例节流阀——用于实现平稳的加速、减速和速度控制
图14-11中泵管路中的比例节流阀控制流向传统电磁阀的流量。这种回路仅适用于阻力负载，因为它对液压缸进行节流控制。为了减少能量浪费，可以使用负载感应泵，并感应比例阀与方向阀之间的管路。负载感应使系统在大部分循环过程中以较低的压力运行。负载感应还使回路具有压力补偿功能。
图14-12中的比例节流阀对传统电磁阀的油箱管路进行节流控制。这种回路适用于过载负载，因为它从液压缸中节流控制流体。
注意：方向阀可能会承受高达泵补偿器设定值两倍的压力。请确保该压力不会超过其回油管路的额定值。在这种节流出口回路中，如果节流阀突然切换，可能会产生有害的冲击。在这种应用中，应使用带有可调斜坡功能的比例放大器。
图14-12. 在回油管路的节流出口回路中的比例节流阀——用于实现平稳的加速、减速和速度控制
如果液压缸需要在无爬行的情况下设置，则应使用平衡阀。节流阀存在内部泄漏，可能无法防止液压缸漂移。在这种回路中，平衡阀必须有外部泄油。平衡阀出口处的背压会改变内部泄油阀的压力设定。
适用于阻力负载应用的传统阀回路
水平安装的液压缸通常在行程过程中始终需要力。这种液压缸配置被称为阻力负载应用。重负载在高速运行时通常需要加速和减速装置，以实现平稳运行。在这些回路中控制加速的一种方法是切换传统开式回路电磁阀以伸出液压缸，并在加速过程中让多余的泵流量通过溢流阀回油箱。在循环的这一部分，会产生较小的压力峰值和一些热量，但除此之外，液压缸的启动是平稳的。
图14-13中的原理图展示了一个高低压回路中的双泵，以这种方式运行。图14-14展示了一个闭式回路阀和压力补偿泵的回路。这种配置消除了部分压力峰值，减少了热量产生，但成本更高。
图14-13. 典型的高低压泵回路，可平稳地加速和减速执行器
当液压缸接近行程末端时，一个限位开关卸掉高低压回路中大流量泵的负载，液压缸以机器部件的摩擦允许的速度尽快减速。当液压缸速度降低到小流量泵的速度时，它以足够低的速度继续到达行程末端，从而消除大部分冲击。（在这种应用中，带有标准缓冲装置的液压缸几乎可以消除所有冲击。）
图14-14. 压力补偿器和定量泵回路，可平稳地加速和减速执行器
图14-15展示了一个无冲击的减速回路。这里，一个压力补偿式旁通节流阀将来自单个定量泵或压力补偿泵的多余流量排放掉。减速速度仍然取决于机器的摩擦。次级速度可以根据需要进行调整。
图14-15. 压力补偿泵和节流阀回路，可平稳地加速和减速执行器
另一种减速负载的方法是订购带有比标准缓冲装置更长且具有渐变流量截止的缓冲装置的液压缸。订购渐变缓冲装置时，应指定负载、压力和速度。渐变缓冲装置对于具有固定工作参数的机器非常有效。如果负载不断变化，则渐变缓冲装置仅在变化范围的狭窄部分有效。
比例阀在阻力负载回路中的应用
图14-16中的回路安排了一个比例阀和一个压力补偿泵，以涵盖前一节中提到的所有情况。通过这种回路，加速和减速可以在很宽的范围内进行完全调节。当负载、速度或压力发生变化时，很容易改变控制参数以适应新情况。通常，电子阻尼器会将阀芯的切换速度在零到五秒之间进行调整。为了弥补流体粘度、压力或负载的变化，通过行程末端的限位开关将速度降低到最小爬行速度，最后完全关闭阀门。
图14-16. 压力补偿泵和比例阀回路，可平稳地加速和减速执行器
垂直安装的负载液压缸通常会在一个方向上失控或超过泵流量。当一个开关方向阀切换时，液压缸会自由落体。自由落体是一个安全隐患，可能会导致工具或机器损坏。
图14-17中的平衡阀控制失控的液压缸。该阀允许从失控端的液压缸中流出的流量，其速度与泵向另一端供应的速度相同。当液压缸在相反方向行程时，负载是阻力型的。使用平衡阀时，可以通过前一节中提到的任何阻力负载回路来控制加速和减速。
图14-17. 典型的平衡阀回路，带有内部和外部先导，用于控制失控负载
图14-18. 比例阀和外部泄油的平衡阀控制伸出时失控的液压缸
比例方向阀控制进出执行器的流量，因此在执行器移动时，其两端都有压力。当与比例方向阀一起使用时，平衡阀通常需要外部泄油。如果没有外部泄油，平衡阀出口处的压力会增加弹簧设定值，从而防止阀门打开。请注意，图14-18中的回路显示了平衡阀上的外部泄油管线。在这种回路中，当比例方向阀快速居中（例如紧急停止时），液压缸会平稳停止。
比例方向阀可以控制失控负载，因为大多数阀芯设计可以控制流向和来自执行器的流量。如果执行器是液压马达或双杆液压缸，则进出口的体积相同。当比例阀切换以移动执行器时，来自另一侧的受限制流量会控制加速、减速和最大速度。
然而，大多数液压缸是单杆的，这意味着从杆端流出的体积小于进入无杆端的体积。当使用2:1杆液压缸时，体积差异接近50%。在这种液压缸中，杆面积等于活塞面积的一半。（一些制造商提供带有阀芯的比例阀，这些阀芯仅允许大约一半的流量通过杆端口。这些阀门与2:1杆液压缸配合得很好。）
图14-19. 带防气蚀单向阀的比例阀控制伸出时失控的液压缸
使用标准阀芯式比例阀与单杆端液压缸和失控负载时，可能会出现两个问题。图14-19显示液压缸从泵中失控，导致液压缸无杆端出现气蚀。液压缸失控是因为比例方向阀的节流出口功能排出的油比允许进入无杆端的油多。由于无杆端无法保持充满，因此在遇到负载时会暂停，直到泵将无杆端的空隙填满。当液压缸跑在泵前面时，使用防气蚀单向阀允许来自油箱的流体进入液压缸的无杆端。这种回路适用于液压缸杆端有失控负载的应用。
图14-20. 带外部先导压力控制阀的比例阀控制伸出时失控的液压缸
原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：解读比例控制阀原理符号及其回路
原创文章，作者：iHydrostatics静液压，如若转载，请注明出处：https://www.ihydrostatics.com
