一、 比例控制技术
作为开关控制技术和闭环调节 （伺服） 技术之间的连接纽带， 比例控制技术在现今的液压技术中已有其明确的含义。
比例控制技术的优点： 首先在于其转换过程是可控的， 设定值可无级调节， 达到一定控制要求所需的液压元件较少； 其次降低了液压回路的材料消耗。
使用比例阀可方便、 迅速、 精确地实现工作循环过程， 满足切换过程要求。 通过控制切换过渡过程， 可避免尖峰压力， 延长机械和液压元件的寿命。
用来控制方向、 流量和压力的电信号， 通过比例器件直接加给执行器， 这样可使液压控制系统的动态性能得到改善。
那么， 如何理解液压技术中比例技术的含义呢？ 首先用图3－1的信号流程图来加以说明。 根据一个输入电信号电压值的大小， 通过电放大器， 将该输入电压信号 （一般为0～±9V） 转换成相应的电流信号， 如10m V＝1m A。
图3－1 信号流程图
这个电流信号作为输入量被送入电磁铁， 从而产生和输入信号成比例的输出量——力或位移。 该力或位移又作为输入量加给液压阀，后者产生一个与前者成比例的压力或流量。 通过这样的转换， 一个输入电压信号的变化不但能控制执行器和机械设备上工作部件的运动方向， 而且可对其作用力和运动速度进行无级调节。 另外， 还能对相应的时间过程， 例如在一段时间内流量的变化、 加速度的变化或减速度的变化等进行无级调节。
二、 比例阀
1． 比例电磁铁
比例电磁铁是电子技术与液压技术的连接环节。 比例电磁铁是一种直流行程式电磁铁， 它产生一个与输入量 （电流） 成比例的输出量， 即力和位移。
按实际使用情况， 电磁铁可分为：
（1） 行程调节型电磁铁——具有模拟量形式的位移电流特性。
（2） 力调节型电磁铁——具有特定的力电流特性。 电磁铁能产生与输入电流成比例变化的输出位移和力。
1） 力调节型电磁铁
在力调节型电磁铁中， 由于在电子放大器中设置电流反馈环节，在电流设定值恒定不变而磁阻变化时， 可使磁通量不变进而使电磁力保持不变， 如图3－2所示。
图3－2 力调节型电磁铁
力调节型电磁铁可用于比例方向阀和比例压力阀的先导级， 将电磁力转换为液压力。
2） 行程调节型电磁铁
在行程调节型电磁铁中， 如图3－3所示， 衔铁的位置由一个闭环调节回路进行调节， 只要电磁铁在其允许的工作区域内工作， 其衔铁位置就保持不变， 而与所受反力无关。 使用行程调节型比例电磁铁，能够直接推动诸如比例方向阀、 流量阀及压力阀的阀芯， 并将其控制在任意位置上。 电磁铁的行程， 因其规格而异， 一般为3～5mm。 这种电磁铁主要用来控制直接作用式四通比例方向阀。
图3－3 行程调节型电磁铁
2． 比例方向阀
比例方向阀， 用来控制液流的流动方向和流量的大小。
1） 直控式比例方向阀
下面讨论的是与这类阀有关的、 比例方向阀的一些通用性能， 如滞环、 重复精度、 控制阀芯、 控制阀芯的基本特性曲线等。
和开关式方向阀的结构布置一样， 在直控式比例方向阀中， 比例电磁铁也是直接推动控制阀芯的。 阀的基本组成部分有： 阀体， 一个或两个具有模拟量位移—电流特性的比例电磁铁， 在图3－4所示结构中， 电磁铁还带有电感式位移传感器、 控制阀芯和一至两只复位弹簧。在电磁铁不工作时， 控制阀芯由复位弹簧保持在中位， 由电磁铁直接驱动阀芯运动。
如图3－4所示， 阀芯处在图示位置时， P、 A、 B和T之间互相不通。 如果电磁铁A （左） 通电， 阀芯向右移动， 则P与B、 A与T分别相通。 由控制器来的控制信号越大， 控制阀芯向右的位移也越大。也就是说， 阀芯的行程与电信号成比例。 行程越大， 则阀口通流面积和流过的流量也越大。 图3－4中左边的电磁铁配有电感式位移传感器，它检测出阀芯的实际位置， 并把与阀芯行程成比例的电信号 （电压）反馈至电放大器。 由于位移传感器的量程按两倍阀芯行程设计， 所以能检测阀芯在两个方向上的位置。 在放大器中， 实际值 （控制阀芯的实际位移） 与设定值进行比较， 检测出两者的差值后， 以相应的电信号传输给对应的电磁铁， 对实际值进行修正， 构成位置反馈闭环。
图3－4 阀芯中位工作位置
1—位移传感器；2—阀体；3—阀芯；4—比例电磁铁
比例阀的两个重要性能指标如图3－5所示。
图3－5 比例阀的两个重要性能指标
（1） 滞环。
一般表明一个状态和前一个状态的关系。在电信号从零到最大，再从最大返回到零的往返扫描过程中，阀芯与电信号成比例地确定位置。同一输出设定值上，往返扫描所得输出量的偏差，称为滞环或滞环误差。
（2） 重复精度。
重复精度是指在重复调节同一输入信号时， 输出信号所出现的差值。 对于控制阀芯来说， 就是重复调节同一输入信号为相同设定值时，得到一个位置 （流量、 压力） 偏差， 称为重复精度。
（3） 控制阀芯的结构。
图3－4表明，比例阀控制阀芯与普通方向阀阀芯不同，它的薄刃型节流断面呈三角形。用这种阀芯形式，可得到一条递增式流量特性曲线。
阀芯的三角棱边和阀套的控制棱边， 在阀芯移动过程中的任何位置上， 总是保持相互接触。 这表明， 它的过流断面总是一个可确定的三角形。 也就是说， 不存在像常规方向阀 （开关型控制阀） 中那样的情况： 阀芯阀套两个棱边之间， 先存在一个 “空行程”， 再进入相互接触， 或者在阀口打开时完全脱离。
（4） 流量特性。
150L／min公称流量的比例方向阀的流量特性曲线如图3－6所示。
图3－6 150L／min公称流量的比例方向阀的流量特性曲线
2） 先导式比例方向阀
直动型比例方向阀因受比例电磁铁电磁力的限制， 只能用于小流量系统， 在大流量系统中， 过大的液动力将使阀不能开启或不能完全开启， 故常使用先导式比例方向阀。 先导式比例方向阀结构如图3－7所示， 由直动型比例方向阀与比例被动主阀叠加而成， 其工作原理与电液动方向阀相同。
图3－7 先导式比例方向阀
1，2—比例电磁铁；3—先导阀；4—控制阀芯；
5—主阀；6—主阀芯；7—弹簧
3． 比例压力阀
比例压力阀用来实现压力遥控， 压力的升降可通过电信号随时加以改变。
1） 直动式比例溢流阀
直动式比例溢流阀的结构及工作原理如图3－8所示。 直动式压力阀的结构与普通压力阀的先导阀相似， 所不同的是阀的调压弹簧换为传力弹簧， 手动调节螺钉部分换装为比例电磁铁。
图3－8 直动式比例溢流阀
（a） 结构图； （b） 图形符号
1—插头；2—衔铁推杆；3—传力弹簧；4—锥阀芯；
5—防震弹簧；6—阀座；7—阀体
2） 先导式比例溢流阀
用比例电磁铁取代先导式溢流阀的调压手柄， 便成为先导式比例溢流阀， 如图3－9所示。 先导式比例溢流阀下部与普通溢流阀的主阀相同， 上部则为比例先导压力阀。 该阀还附有一个手动调整的安全阀（手调限压阀）， 它也起先导阀作用， 与主阀一起构成一个传统的溢流阀， 用以限制比例溢流阀的最高压力。
3） 先导式比例减压阀
先导型比例减压阀与先导型比例溢流阀的工作原理基本相同， 它们的先导阀完全一样， 不同的只是主阀级， 溢流阀采用常闭式锥阀，减压阀采用常开式滑阀， 如图3－10所示。
图3－9 先导式比例溢流阀
（a） 结构图； （b） 图形符号
1—先导油流道；2—主阀弹簧；3，4—节流孔；5—先导阀座；
6—先导阀；7—外泄口；8—先导阀芯；9—比例电磁铁；10—手调限压阀；
11—主阀级；12—主阀芯；13—内部先导油口螺塞
三、 比例控制回路
1． 比例溢流阀调压回路
在比例调压回路中， 最常见的是采用比例溢流阀来进行调压， 它可以通过改变输入比例电磁铁的电流， 在额定值内任意设定系统压力，适用于多级调压系统。 图3－11所示为采用直动式比例溢流阀的调压回路。 为了保证安全， 比例溢流阀调压回路通常都要加入限压的安全阀。 图3－11 （a） 适用于流量小的情况， 图3－11 （b） 适用于流量大的情况。
图3－10 先导式比例减压阀
（a） 结构图； （b） 图形符号
1，3，5，6—先导油流；2—压力表接头；
4—主阀；7—先导阀；8—先导阀芯；9—比例电磁铁；
10—限压阀；11—主阀芯组件；12—单向阀
2． 比例减压回路
在单泵供油的液压系统中， 当某个支路所需的工作压力低于溢流阀的设定值， 或要求支路有可调的稳定的低压力时， 就要采用减压回路。 图3－12所示为采用比例减压阀的基本回路。 如图3－12 （a） 所示， 在二级压力过高时， 油液可以经三通减压阀的另一主通道直接回油箱。 三通比例减压阀控制压力上升或下降的时间基本相同， 可用于活塞双向运动时保持恒定控制， 如图3－12 （b） 所示。
图3－11 采用直动式比例溢流阀的调压回路
1—安全阀；2—直动式比例溢流阀；3—先导式溢流阀
图3－12 比例减压基本回路
3． 比例节流调速
采用定量泵供油，利用比例节流阀、 比例调速阀、 比例方向阀等作为节流元件，如图3－13所示。 通过改变节流口的通流面积和控制节流口前后压差的方法， 改变进入执行器的流量来调速。 根据节流元件在回路中的位置又分为四种形式： 进口节流、 出口节流、 旁路节流和联合节流。 由于节流损失会引起发热等， 故只适用于功率较小的场合。
图3－13 比例节流调速回路
（a） 进口节流回路； （b） 带压力补偿的回路
4． 比例容积调速
采用比例排量调节变量泵与定量执行器， 或定量泵与比例排量调节电动机等组合来实现。 通过改变泵或电动机的排量实现调速， 效率高， 但控制精度不如节流调速， 适用于大功率系统。 图3－14所示为比例容积调速回路， 通过改变泵的排量来改变进入液压执行器的流量。
图3－14 比例容积调速回路
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