比例阀和比例控制回路解析（一）
在标准的二位电磁阀控制回路中，电磁阀阀芯可以高速地在开、关位来回切换。然而这种快速、完全的换向会导致执行机构在电磁铁切换时剧烈的振动或猛冲，并在停止时产生巨大的冲击。压力峰值和冲击会产生噪音、可能会损坏机器，产生的振动会造成管路的焊缝开裂、螺纹松动，从而导致系统泄漏。
为电磁阀安装液压阻尼，可降低电磁阀的换向速度，并在某些工况中降低冲击。但是，很多设备需要通过无级可调的换向速度以适应不断变化的功率和工况需求。具有可变流量控制的软换向电磁阀可以提供更广泛的调节范围，并为某些回路带来更优异的控制性能。
其他选择包括，具有特殊设计的流量控制阀和针对特定设备工况专门设计的节流阀。这种类型的流量阀仅适用于某些设备，且需要通过大量的精密调试才能实现所需的控制。
闭式系统中的双向可变排量泵采用容积控制，可实现非常平稳的运动动作，但仅限于驱动单个执行机构（或相同动作的串联执行机构）。对于控制精度要求极高的工况，执行机构带位置反馈的伺服控制回路是最佳选项。介于伺服回路和上述开关控制回路之间的则是比例控制回路。
比例阀是如何工作的？
图1 直动式比例阀
比例阀非常适用于需要通过调节流量或压力以减少振动和冲击的回路。这些比例阀根据施加在比例电磁铁的电压/电流，驱动阀芯运动。它们可以改变阀芯移动的速度或开度。由于比例阀中的阀芯不会像开关阀那样一次性完全移动，因此比例阀可以控制执行机构的加速和减速。
通常，可以通过改变比例电磁铁线圈的换向时间来控制执行机构的加速和减速。改变线圈的电压/电流可以限制阀芯的最大开度，以限制执行机构的最大速度。PC、PLC、CNC、运动控制器，甚至简单的可变电阻都可以产生这种可变的电信号。
如果流量较小（＜75~95L/min），可采用直动式比例阀（如图1所示）。直动式比例阀比先导式比例阀更小且更便宜。当然，先导式比例阀拥有更高的同流量——有些甚至可以达到3000L/min。
图2 带LVDT的先导式比例阀（简化符号）
图3 带LVDT的先导式比例阀（完整符号）
图2展示了先导式比例阀的简化符号。图3则展示了同一先导式比例阀的完整符号。完整的符号包括先导级控制阀和功率级主阀、先导回路中的减压阀以及阀内通道的走向细节。
图4 带LVDT的直动式比例阀
简单的比例阀依靠电磁力与弹簧力相互作用来控制阀芯位置。但由于系统内流量、压力、温度和清洁度的不断变化，相同输入给定的电压并不总是会保证相同的阀芯位置。为了解决阀芯位置的精度问题，可采用阀芯带位移传感器LVDT（Linear Variable Differential Transformer）反馈的比例阀，如图2至5所示。
LVDT将输入信号与阀芯实际位置进行比较，并通过调节电压/电流，以保证在系统条件变化时，仍能保持稳定的阀芯位置。LVDT增加了液压阀和电子元器件的成本，但除了简单的加/减速回路外，该元件通常都是系统控制要求所必备的。
LVDT无法控制比例阀流量的重复精度，因为流量不仅取决于阀芯开度，还受压降和流体粘度的影响。压力或流体粘度的变化将改变执行机构的速度。通过在执行机构设置位移传感器为控制端提供反馈，可减少压力或流体粘度的变化对执行机构速度的影响。执行机构的位置反馈虽有所帮助，但仍无法实现极高精度，因为大多数比例控制阀的响应速度仍不足以应对系统突发的变化（部分高频响阀除外）。
图5 带LVDT和压力补偿器的直动式比例阀
在图5中，进口端的压力补偿阀减少了由于系统压力变化引起的流量波动。当进口或工作压力变化时，压力补偿器保持阀芯两侧的压降恒定，从而保证流量恒定。压力补偿器是一个具有固定弹簧设定值（例如10bar）的减压阀，梭阀从A或B口向减压阀的遥控口提供压力反馈，当工作压力发生变化时，减压阀出口压力会随之调节，以保持比例阀阀芯两侧压差10bar恒定。
本节，我们对比例阀的工作原理、类型、应用及与开关阀的对比进行了解析，下一节，我们将会由元件拓展到液压原理回路进行讲解。
比例阀和比例控制回路解析（二）
上一节，我们对比例阀的工作原理、类型、应用及与开关阀的对比进行了解析，本节，我们将会由元件拓展到液压回路进行讲解。
正确的回路设计决定比例阀的控制能力
通过向比例电磁阀发送电信号以改变作用于阀芯或阀口的力，可以实现压力的无级调节。图6和7显展示了比例溢流阀和比例减压阀的液压原理符号。通过PC、PLC、CNC或运动控制器生成可变信号，可在设备运行道次需要时随时改变压力。
图6 比例溢流阀
图7 比例减压阀
采用比例压力阀作为遥控阀的恒压泵可实现远程无极控制，这使得该类泵具有更加广泛的适用性。
图8 比例溢流功能的二通插装阀
图8展示了一个带比例溢流功能的二通插装阀液压原理符号。当流量超过550L/min到750L/min时，应选用以直动式比例溢流作为先导控制阀的的二通插装阀。这类插装阀可以单独安装在阀块上，也可以作为大流量阀组的一部分。
比例方向控制阀比其常替代的伺服阀更耐污染且成本更低。当回路无需极高精度或高重复精度时，低廉的成本加上更经济的过滤要求，使比例阀成为一个理想的选择。
伺服控制系统精度更高的原因之一在于执行机构提供的电反馈信号。该反馈信号可以用来修正伺服阀的阀芯位置，从而保证执行机构的位置控制精度，或实现所需的速度与力矩。比例阀虽同样可以参与反馈控制，但其响应速度过慢（高频响阀例外），无法获得如伺服控制回路一般精确的控制。
图9 不带LVDT的直动式比例节流阀
图9所示为用于节流功能的比例阀。该阀是是一种无级可调的电控流量装置。随着线圈电压升高，阀口开度随之增加，从而提升流量。图9中的符号展示了一种该阀用于单流道的连接形式。
图10 带LVDT、并联流道模块和压力补偿模块的直动式比例节流阀
图10所示的双流道设计可在相同压降下实现双倍流量。使用图10所示的节流阀可控制泄压或旁通回路的流量，或调节普通电磁阀的进出口流量。
节流功能用于需要频繁或持续调节速度的执行机构。也可使用节流阀和普通电磁阀，可实现油缸的平稳加/减速，从而消除冲击。
在普通方向回路的回油管路中安装比例节流阀，可以通过出口节流以控制执行机构的速度。比例节流阀安装于此位置时，可防止执行机构速度失控。但需要确保方向阀能够承受因此所产生的回油背压。
主泵管路中的一个节流阀可调节单个或多个执行机构的运动速度，这些执行机构可以在不同时间点进行循环工作。此类液压回路的成本较低，但需要配备较为复杂的电控系统。
图10中的节流阀可实现无级流量调节。在泵管路中添加压力补偿模块，可使孔口两端的压降保持恒定。在恒定压降的条件下，流量不会出现波动。由于四通阀永远不会出现反向流动，因此两个流道均可为系统供油。任一流道在额定流量下均具有额定压降。该回路可在不产生过大压降或热量的情况下，实现双倍额定流量。
并联流道回路阀块内部的所有流道的钻孔大小需要经过适配，以确保压降最小。
选用比例控制阀可减少换向冲击，并为位置控制精度不高或速度、力重复精度要求不高的回路提供更精准的控制。
比例控制阀限制了流入和流出执行机构的流量。选用M型机能与恒压变量泵配合使用效果最佳。回路中的蓄能器可提高系统响应时间并保护泵免受压力峰值冲击。采用比例阀的系统通常需要配备冷却器，因为此类回路的发热量较大。
接下来的章节，我们将介绍更多的回路设计方案，并针对比例阀在多种应用工况中的使用提供一些实用的建议。请务必根据最大流量和压降来选型，以确保液压系统回路获得最佳响应性能和重复精度。
比例阀和比例控制回路解析（三）
比例节流阀的回路设计
图11和图12中所示液压控制回路用于控制执行机构的加/减速。向比例电磁铁输入可变电信号还能实现执行机构速度的无级调节。
图11 用于进油节流的比例节流阀————用于平稳的加/减速和速度控制
图11所示泵出口高压管路中的比例节流阀控制流向普通电磁阀的流量。此回路仅适用于阻力负载（即需要油液做功才能使油缸动作的负载工况），因为它仅对流入油缸的油液进行节流。为了保证系统的节能，应选用负载敏感变量泵，并感应比例阀与方向控制阀之间的油液状态。负载敏感使系统在大部分运行期间以较低的压力运行，同时使回路具有恒压功能。
图12 用于回油节流的比例节流阀————用于平稳的加/减速和速度控制
图12中的比例节流阀对从普通电磁阀进行回油节流。由于该回路对油缸流出的油液进行节流，因此其适用于过载工况。
注意：电磁阀可能承受高达泵恒压点两倍的压力。因此，需要确保峰值压力不超过其回油口和管路的额定压力。在此类回油节流回路中，节流阀的突然启闭可能导致危害性极大的压力冲击。此类工况应选用带可调斜坡功能的比例控制卡（或可以给定斜坡信号的PLC等）。
如果油缸要求在运动中无爬行现象，请使用平衡阀。节流阀存在内泄，可能无法防止油缸的缓慢移动。该回路中的平衡阀必须具有外泄油口。如果选用内泄型，平衡阀出口的背压会导致内泄阀的压力设定值发生变化。（关于平衡回路，请参见压力控制阀解析（三））
用于阻力负载应用的典型常规阀回路
水平安装的油缸通常需要持续施加力才能实现往复运动。这种油缸的类型称为阻力负载工况。高速运行时，重负载通常需要通过加/减速系统确保其平稳运行。控制此类回路加/减速的一种方法是切换O型中位机能的普通电磁阀的工作位，使油缸伸出，并在加速过程中让多余的泵供流量回流油箱。该运行阶段会产生微小的压力峰值和少量的发热，但油缸运行过程总体平稳。
图13 典型的实现执行机构平稳加/减速的高低压回路
图13中的原理图展示了一种采用此工作方式的高低压双泵回路系统。图14则呈现了M型中位机能的电磁阀配合恒压变量泵的回路。该方案可消除部分压力峰值并降低发热量，但成本更高。
图14 实现执行机构平稳加/减速的恒压变量+定量泵回路
当油缸接近其行程末端时，触发限位开关令电磁溢流阀得电，高压大流量泵卸载，使油缸以机械部件摩擦允许的最大速度减速。当油缸减速到低压小流量泵提供的速度时，其以足够低的速度完成最后的行程，从而消除大部分冲击。（在该工况中，带有标准缓冲器的油缸可消除几乎所有冲击。）
图15 实现执行机构平稳加/减速的恒压变量泵+流量控制回路
图15显示了另一个无冲击减速回路。这里，此处采用压力补偿式旁路泄流阀，将单台定量泵或恒压泵的多余流量从旁路流回油箱。减速度仍由设备机械部件的摩擦力决定。但二次速度的可调使其可以满足任意工况。
负载减速的另一种方案是选用配备超长缓冲器的油缸，其缓冲器采用锥形流量截止结构。订购锥形缓冲器时，务必明确负载、压力及速度参数。对于工作参数固定的设备，锥形缓冲器效果显著；若负载持续变化，其有效作用范围仅限于变化幅度的窄区间。
阻力负载回路中的比例阀
图16 实现执行机构平稳加/减速的恒压变量泵+比例控制回路
图16中所示的回路通过恒压泵与比例阀的组合，涵盖了上一节“用于阻力负载应用的典型常规阀回路”所述的所有工况。通过此回路，可在极宽的范围内对加/减速过程进行全范围无级调节。当负载、速度或压力发生变化时，只需轻松调整控制参数即可适应新工况。通常，电子控制卡可在0~5s之间改变阀芯的换向速度。为了补偿流体粘度、压力或负载的变化，系统会减速至最小爬行速度，最终通过行程限位开关（或位移传感器）最终完全关闭阀口。
比例阀和比例控制回路解析（四）
用于可能失控负载的比例阀
垂直安装的带载油缸通常会出现单向失控或超速运行的情况。当常规电磁阀换向时，油缸会由于重力作用自由下落，而不受控的自由下落存在安全隐患，可能导致工装或设备的损坏，甚至引起人身伤害。
图17所示的平衡阀用于控制超速油缸。该阀可以限制油缸失控端排出的油液，使活塞杆与泵供流量相同的速度伸出。当油缸反向运动时，负载呈阻力特性。在使用平衡阀时，可通过上一节比例阀和比例控制回路解析（三）所述任一阻力负载回路控制油缸的加/减速过程。
图17 用于控制失控负载的，带有内/外先导控制的典型平衡阀回路
图18 比例阀+外泄式平衡阀，用于控制活塞杆伸出状态下的失控油缸
如图18，比例方向阀通过控制进出油流量，确保执行机构运动时两端均存在压力。平衡阀与比例方向阀配合使用时，通常需要增设外泄管路。若无外泄管路，平衡阀出口压力将与弹簧力叠加，导致平衡阀无法开启。注意图18所示回路中平衡阀便设置了外泄管路。此回路可通过比例方向阀快速复位（如紧急制动时）使油缸平稳停止。
比例方向阀之所以可以控制失控负载，是因为其多数阀芯设计可同时控制执行机构的进/出油流量。若执行机构为液压马达或双杆油缸，则进/出口油液的体积相同。当比例阀驱动执行机构运动时，可通过对对侧流量的节流来控制加/减速及最高速度。
但是，多数工况下的油缸采用单杆结构，导致有杆腔容积小于无杆腔容积。当使用2:1杆径比的油缸时，容积差近50%。此类油缸中，活塞杆面积仅为活塞面积的一半。（部分元件制造商生产的比例阀芯，其无杆腔对应侧仅允许约一半流量通过，这类比例阀可以与2:1杆径比的油缸良好配合）
图19 比例阀+防气蚀单向阀，用于控制活塞杆伸出状态下的失控油缸
在失控负载工况下，使用标准滑阀式比例阀+单杆油缸的组合时，可能出现两种问题。图19展示了油缸超速失控导致油缸无杆腔产生气蚀的现象。油缸超速失控是因为比例方向阀的出口节流后排出的流量多于其进入油缸的流量。由于无杆腔无法保持满油状态，当遇到阻力时油缸会暂停运动，直到油液充满无杆腔。当油缸运行速度超过泵的供油能力时，需采用防气蚀的单向阀使油箱油液流入无杆腔。此回路适用于负载作用于油缸杆端存在失控负载的工况。
图20 比例阀+外控式溢流阀，用于控制活塞杆伸出状态下的失控油缸
当失控负载作用于油缸缸体侧时，泵供油液会迫使油缸运动速度超过油液流出速度，多余的油液将阻碍油缸运动。该回路虽能工作，但因泵无谓地维持设定压力状态而会造成能量的浪费。图20所示的回路在无杆腔侧管路中接入外控先导式溢流阀，使多余的油液可以直接回到油箱，从而可降低有杆腔压力并减少能量损失。本质上，这是针对失控负载的进油节流回路。
“比例阀和比例控制回路解析”这一系列到此就结束了，如您还想了解或者对哪些液压相关方面感兴趣，请私信或留言。
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