[工学]7-2速度控制回路A.ppt

第二节 速度控制基本回路,速度控制回路是讨论液压执行元件速度的调节和变换的问题。 1、调速回路 调节执行元件运动速度的回路。 定量泵供油系统的节流调速回路 变量泵（变量马达）的容积调速回路 容积节流调速回路 2、快速回路 使执行元件快速运动的回路。 3、速度换接回路 变换执行元件运动速度的回路。,一、调速回路,液压缸的速度 v =q v/A 液压马达的转速 n = q v/v M 调节执行元件的工作速度，可以改变输入执行元件的流量q v或A ；或改变马达的v M 。改变A 实际中是不现实的。因此，常用调速方法有三种： 定量泵供油系统，用流量阀改变q v节流调速回路； 变量泵或马达系统，改变泵或马达的v M 容积调速回路； 同时调节泵的排量和流量阀来调速容积节流调速回路。,工作原理：是通过改变回路中流量阀通流截面积的大小来控制流入或流出执行元件的流量，以调节其运动速度。 组成：定量泵，流量阀（节流阀、调速阀等），溢流阀，执行元件。其中流量阀起流量调节作用，溢流阀起调定压力作用。,1.节流调速回路,分类：按流量阀安放位置的不同分： 进油节流调速回路：将流量阀串联在液压泵与液压缸之间。 回油节流调速回路：将流量阀串联在液压缸与油箱之间。 旁路节流调速回路：将流量阀安装在液压缸并联的支路上。 特点及应用：结构简单，成本低，使用维修方便，在机床液压系统中广泛应用。但其能量损失大，效率低，发热大，一般只用于小功率的场合。,工作原理： 如图所示，节流阀串联在液压泵和液压缸之间。液泵输出的油液一部分经节流阀进入液压缸工作腔，推动活塞运动，液压泵多余的液油经溢流阀排回油箱，这是这种调速回路能够正常工作的必要条件。由于溢流阀有溢流，泵出口压力pp就是溢流阀的调整压力并基本保持恒定（定压）。调节节流阀的流通面积，即可调节通过节流阀的流量，从而调节液压缸的运动速度。,进油节流调速回路,如图：有qp=q1+q ， p1A1=F 阀上q1=C ATp m=C AT(pp- F/A1) m 则缸活塞速度V =q1/A1 =C AT(pp- F/A1) m/A1 此式即为速度负载特性方程,AT-为节流阀面积。 选取不同的AT值可得一组V F 曲线，称为速度负载特性曲线。,进油节流调速回路的速度负载特性 速度随负载变化而变化的程度，表现为特性曲线的斜率不同，用速度刚性来评价。曲线越平缓，刚性越好。 调节节流阀通流面积AT可无级调节液压缸活塞速度，v与AT成正比。 当AT一定时，速度随负载的增加而下降。这种调速刚性较差。,当AT一定时，重载区域比轻载区域的速度刚性差。 在相同负载下，阀面积AT大的比小的速度刚性差，即高速时的速度刚性差。 回路的最大承载能力(v=0 ) Fmax=ppA1 。在pp、A1 一定时， Fmax不变。,进油节流调速回路的功率和效率 回路的输出功率：P1=F V =F q1/A1 = p1 q1 回路的输入功率：Pp= pp qp =常量 回路的功率损失：P = Pp-P1= pp qp - p1 q1 = pp (q1 +q ) - (pp-p) q1 = ppq +p q1,进油节流调速回路既有溢流损失ppq ，又有节流损失p q1 。,回路的输出功率与回路的输入功率之比称为回路效率。 = P1 / Pp = p1 q1 /pp qp 进油节流调速回路的特点： 由于存在两部分的功率损失，故这种调速回路的效率较低。当负载恒定或变化很小时，可达 0.20.6；当负载变化时，回路的最大效率为0.385。机械加工设备常有快进工进快退的工作循环，工进时泵的大部分流量溢流，所以回路效率极低，而低效率导致温升和泄漏增加，进一步影响了速度稳定性和效率。回路功率越大，问题越严重。 进油节流调速回路的应用： 这种回路适用于低速、小负载、负载变化不大和对速度稳定性要求不高的小功率场合。要求负载为正值。,工作原理： 如图所示，节流阀串联在液压缸的回油路上，借助于节流阀控制液压缸的排油量q2来实现速度调节。由于进入液压缸的流量q1受到回油路上排流量q2的限制，因此节流阀来调节液压缸的排油量q2也就调节了进油量 q1 ，定量泵多余的油液仍经溢流阀流回油箱，溢流阀调整压力（ pp ）基本稳定。,回油节流调速回路,如图：有qp=q1+q ，p1A1=p2A2+F p1 =pp 阀上q2=C ATp2m=C AT(ppA1 /A2 - F/A2) m 则缸活塞速度V =q1/A1=q2/A2 V =C AT(ppA1 /A2 - F/A2) m/A2 此式即为速度负载特性方程，与进油节流调 速回路的基本相同。若液压缸两腔有效面积 相同（双出杆液压缸），那么两种节流调速 的速度负载特性和速度刚性就完全一样。因 此对进油节流调速回路的一些分析对回油节 流调速回路完全适用。但是，他们也有许多 不同之处 。,进、回油节流调速回路的不同之处： 承受负值负载的能力： 回油节流调速回路回油腔有一定背压，故液压缸能承受负值负载，且运动速度比较平稳。而进油节流调速不能在负值负载下工作。 停车后的启动性能： 长期停车后液压缸回油腔内的油液会流回油箱，当液压泵重新向液压缸供油时，在回油节流调速回路中，由于进油路上没有节流阀控制流量，会使活塞前冲；而在进油节流调速回路中，活塞前冲很少，甚至没有前冲； 实现压力控制的方便性： 进油节流调速回路容易实现压力控制。,发热及泄漏的影响： 在进油节流调速回路中，经过节流阀发热后的液压油将直接进入液压缸的进油腔；而在回油节流调速回路中，经过节流阀发热后的液压油将直接流回油箱冷却。因此，发热和泄漏对进油节流调速的影响均大于对回油节流调速的影响。 运动平稳性： 在组成元件相同的条件下，进油节流调速回路在同样的低速时，节流阀不易堵塞。进油节流调速回路能获得更低的稳定速度 。 回油腔压力： 回油节流调速回路回油腔压力较高，特别是轻载时，有可能比进油腔压力更高。这对回油管的安全、密封及寿命均有影响，节流功率损失大，效率低于进油节流调速回路。 为了提高回路的综合性能，一般采用进油节流调速回路，并在回油路上加背压阀，使其兼具两者的优点。,工作原理： 如图所示，节流阀装在与液压缸并联的支路上，节流阀调节了液压泵溢流回油箱的流量，从而控制了进入液压缸的流量，调节节流阀的通流面积，即可实现调速，由于溢流已由节流阀承担，故溢流阀实际上是安全阀，常态时关闭，过载时打开，其调定压力为最大工作压力的1.11.2倍，故液压泵工作过程中的压力完全取决于负载而不恒定，所以这种调速方式又称变压式节流调速。,旁路节流调速回路,如图：有qp=q1+ qT ， p1A1=F 阀上qT=C ATp m=C AT(F /A1) m 则缸活塞速度V =q1/A1=(qp -qT) /A1 V = qp- C AT(F/A1) m /A1 此式即为速度负载特性方程,AT-为节流阀面积。 选取不同的AT值可得一组V F 曲线，称为速度负载特性曲线。,旁路节流调速回路的速度负载特性 调节节流阀通流面积AT可无级调节液压缸活塞速度，v与AT成反比。 当AT一定时，速度随负载的增加而显著下降，曲线陡。这种调速刚性比进、回油节流调速回路更差。 当节流阀通流面积一定时，负载越大，速度刚度越大。,当负载一定时，节流阀通流面积越小，速度刚度越大。 曲线在横坐标上没有汇交，回路的最大承载能力(v=0 ) Fmax=ppA1 随节流阀通流面积AT的增加而减小，即低速承载能力差，调速范围小。,旁路节流调速回路的功率和效率 回路的输出功率：P1=F V =F q1/A1 = p1 q1 回路的输入功率：Pp= pp qp = p1qp 回路的功率损失：P = Pp-P1= p1qp - p1 q1 = p1(qp- q1) = p qT,进油节流调速回路，只有节流损失p qT ，无溢流损失。因为溢流阀没有打开。 回路效率： = P1 / Pp = q1 /qp,旁路节流调速回路的特点： 由于回路只有节流损失而无溢流损失，故比前两种调速回路功率损失小，效率较高。但是低速承载能力差，调速范围小；调速刚性较前两种差，所以应用不广泛。 旁路节流调速回路的应用： 这种回路只用于高速、重载和对速度稳定性要求不高的大功率系统。如牛头刨床、输送机械的液压系统。,采用调速阀的节流调速回路： 使用节流阀的回路，速度刚性都比较差，为此，用调速阀来代替节流阀以改善速度负载特性，但调速阀的工作压差一般最小须0.5MPa，高压调速阀需1.0MPa左右，所以功率损失要大些。,旁通型调速阀(溢流节流阀)只能用于进油节流调速回路,工作原理：容积调速回路是用改变泵或马达的排量来实现调速的。 分类：根据油路的循环方式，分开式和闭式（无油箱）回路。 根据泵和马达（或缸）的组合方式不同 ，有三种形式： 变量泵和定量液压马达（或缸）组成的调速回路； 定量泵和变量马达组成的调速回路 ； 变量泵和变量马达组成的调速回路 。 特点及应用：优点是没有节流损失和溢流损失，因而效率高，发热小，适用于高速、大功率调速系统。缺点是变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。,2.容积调速回路,变量泵定量液压执行元件的容积调速回路： 结构原理： 图a为变量泵定量液压缸的开式容积调速回路； 图b为变量泵定量液压马达的闭式容积调速回路。它们都是采用改变变量泵的输出流量来调速的。图a中溢流阀6作背压阀用。,工作时，主溢流阀关闭(图a中2，图b中4) ，作安全阀用。在图b中泵1是补油辅助泵，配套溢流阀6和一小油箱以补偿回路泄漏，流量为主泵的10%15%，压力为0.31MPa，由溢流阀6调定。动画,回路中，泵的输出流量全部进入执行元件，若不考虑泄漏影响，有： 液压缸运动速度 v =q p/A = Vp np /A 液压马达的转速 n M=q p / VM= Vp np /VM,回路特性：,调速特性：调节泵的排量Vp可控制液压缸或马达速度。且调速范围大，可达40。 转矩特性：若不计损失，由马达的输出转矩T= pp VM /2和缸的输出推力F= pp A可知，当负载恒定时， pp不变，则转矩 T 和推力 F 不变。所以这种回路常称为恒转矩调速回路。 功率特性：若不计损失，缸或马达 输出功率 P等于泵的输出功率PP： P= PP = pp Vp np = pp VM n M 即：回路的输出功率随缸或马达 的速度改变呈线性变化。,定量泵变量液压马达的容积调速回路： 结构原理： 图a为开式回路；图b为闭式回路。定量泵的输出流量不变，它们是采用改变变量马达的排量来调速的。,调速特性： 由n M=q p /VM可知， n M与排量VM 成反比，调节马达的排量VM可控制马达转速nM 。因要带动负载，VM不能调得太小（ T小），所以调速范围小。 转矩特性：若不计损失，由马达的输出转矩T= pp VM /2可知，虽然pp恒定，但转矩 T 与排量VM 成正比变化。所以这种回路输出的转矩为变值。 功率特性：若不计损失，马达的 输出功率 PM等于泵输出功率PP： PM = PP = pp qp 即：回路的最大输出功率不变。 这种回路称为恒功率调速。,回路特性：,变量泵变量马达的容积调速回路：回路 结构原理：调节变量泵或变量马达1的排量，都可调节马达的转速；变换泵的供油方向，即可实现马达正反向旋转。单向阀4、5 用于辅助泵3双向补油，单向阀6和7使溢流阀8在两个方向上都能对回路起过载保护作用.,调速特性：这种回路是前两种回路的组合。为合理利用变量泵 和变量马达调速中各自的优点，一般采用分段调速的方法。,在低速段，先将马达排量调至最大，获得最大输出转矩，用变量泵调速，当泵的排量由小变大，直至最大，马达转速随之升高，输出功率也随之线性增加。处于恒转矩状态即恒转矩调速。 高速段，泵为最大排量，用变量马达调速，将马达排量由大调小，马达转速继续升高，输出转矩随之降低。此时因泵处于最大输出功率状态不变，故马达处于恒功率状态即恒功率调速。,这种回路的调速范围是变量泵调节和变量马达调节范围之乘积，所以其调速范围大，可达100。且有较高的效率，它适用于大功率的场合，如矿山机械、起重机械及大型机床的主运动系统。,3.容积节流调速回路：,基本原理： 容积节流调速回路采用压力补偿泵供油，用调速阀或节流阀调节进入或流出液压缸的流量，以调节液压缸的速度；并使变量泵的供油量始终随流量控制阀调定流量作相应的变化。 回路特点： 这种回路只有节流损失无溢流损失，效率较高，速度稳定性比容积调速回路好。 常用的限压式变量泵与调速阀组成的容积节流调速回路如图。,二、快速运动回路,功用： 使执行元件获得尽可能大的工作速度，以提高生产率或充分利用功率。即压力较低时得到高速，溢流阀还未打开。,1.液压缸差动连接快速运动回路 动画 将液压缸进油腔、回油腔合在一起，活塞将快速向右运动， 差动连接与非差动连接的速度之比为： v 1/v1A1/(A1-A2) 注意：在差动回路中，阀和管道应按合成流量来选择规格，否则会导致压力损失过大，泵空载时压力过高。 应用：回路结构简单，应用较多，但液压缸的速度加快有限，常需要和其它方法联合使用。,2.双泵供油快速运动回路动画,外控顺序阀3（卸载阀）和溢流阀7分别设定双泵供油和小流量泵2供油时系统的最高工作压力。阀4左位，阀6通电，系统压力低于阀3调定压力，两个泵同时向系统供油，油缸快速向左运动；完后阀6断电，缸回油经阀5，压力升高，当系统压力达到或超过阀3调定压力时，大流量泵1通过阀3卸载，单向阀8自动关闭，只有小流量泵向系统供油，油缸慢速向左运动。阀4右位，阀6通电，油缸快退。,卸载阀3的调定压力至少应比溢流阀7的调定压力低1020。 大流量泵卸载减少了动力消耗，回路效率较高。这种回路常用在执行元件快进和工进速度相差较大的场合。,增速