8第八章调速回路.ppt

1 1液压基本回路由一些液压元件组成的 用来完成特定功能的典型回路 称为液压基本回路1 2分类 方向控制回路它在液压系统中的作用是控制执行元件的启动 停止或改变运动方向 压力控制回路它的作用是利用压力控制阀来实现系统的压力控制 用来实现稳压 减压 增压和多级调压等控制 以满足执行元件次力或转矩及各种动作对系统压力的要求 速度控制回路它是液压系统的重要组成部分 用来控制执行元件的运动速度 第八章调速回路 第一节概述 1 3调速回路应满足哪些基本要求 能在工作部件所需的最大和最小的速度范围内 灵敏地实现无级调速 负载变化时 调好的速度不发生变化内变化 力求结构简单 安全可靠 1 4执行元件的运动速度调节方法在液压传动的机器上 工作部件由执行元件 液压缸或液压马达 驱动 若改变执行元件的速度 即是改变液压缸的运动速度或改变液压马达的转速 液压缸的运动速度v由输入的流量q和液压缸的有效工作面积A决定 即 液压马达的转速nM由输入的流量qM和液压马达的排量VM决定 即 由此可见 改变输入流量q或改变液压缸的有效工作面积A和液压马达的每转排量VM 均可改变执行元件的运动速度 但是 在执行元件的结构确定以后 对于液压缸来说 有效工作面积也就确定了 所以只能用改变流量的办法来调速 对于液压马达来说 若是定量液压马达 因结构确定了 液压马达的排量也便确定了 故只能用改变流量qM的办法来调速 若是变量液压马达可通过改变排量VM或流量qM两条途径来调速 因此调节执行元件的速度 可通过改变流量q和排量V的办法来实现 即常用速度控制回路调速 常用的调速方法有三种 节流调速即采用定量泵供油 由流量阀改变进入或流出执行元件的流量来实现调速 容积调速通过改变变量泵的供油量或改变液压马达的每转排量来实现调速 容积节流调速即采用变量泵供油 通过节流阀或调速阀改变流入或流出执行元件的流量 以实现调速 第二节节流调速回路 2 1定压节流调速回路使用定量泵并且必须并联一个溢流阀 由流量阀改变进入或流出执行元件的流量来实现调速 有三种 进口节流调速回路出口节流调速回路进 出口节流调速回路 2 1 1进口节流调速回路 1 进口节流调速回路是将节流阀串联在液压泵和液压缸 或液压马达 之间 通过调节节流阀的通流面积可改变进入液压缸的流量 从而调节执行元件的运动速度 式中 v为活塞运动速度 q1为流入液压缸的流量 A1为液压缸工作腔有效工作面积 pP为液压泵供油压力 即回路工作压力 p1为液压缸工作腔压力 pT1为进油路上节流阀处的工作压差 节流阀前后的工作压差 图8 1 1进口节流调速回路 将上式按不同的AT1作图 可得一组机械特性曲线 如右图所示 由图及上式可见 当溢流阀的压力pP和节流阀的通流截面积AT1调定之后 活塞工作速度随负载加大而减小 当F pPA1时 工作速度降为零 活塞停止不动 反之 负载减小时活塞速度加大 但是不管负载如何变化 回路的工作压力总是不变的 此外 定压式节流调速回路的承载能力是不受节流阀通流截面积变化影响的 右图中的各条曲线在速度为零时都汇交到同一 负载点 速度刚性kv越大 活塞运动速度受负载的影响越小 图8 1 2进口节流调速回路机械特性曲线 可以看到 当节流阀通流截面积不变时 负载越小 速度刚性越高 当负载一定时 节流阀通流截面积越小 速度刚性越高 不论是提高溢流阀的调定压力 还是增大液压缸的有效工作面积或减小节流阀的指数 都能提高调速回路的速度刚性 但是这些参数的变动多半要受到其它条件的限制 调速回路的功率特性是以其自身的功率损失 不包括液压泵 液压缸和管路中的功率损失 功率损失分配情况和效率来表达的 定压式进口节流调速回路的输入功率 即定量泵的输出功率 输出功率和功率损失分别为 式中 PP为回路的输入功率 P1为回路的输出功率 P为回路的功率损失 qP为液压泵在供油压力pP下的输出流量 q为通过溢流阀的流量 这种回路的功率损失由两部分组成 一部分是溢流损失 P1 它是流量 q在压力pP下流过溢流阀所造成的功率损失 另一部分是节流损失 P2 它是流量q1在压差 pT1下通过节流阀所造成的功率损失 两部分损失都转变成热量 使回路中的油液温度升高 当液压缸在恒裁下工作时 工作压力p1 液压泵供油压力pP 节流阀工作压差 pT1都是定值 工作流量q1只随节流阀通流截面积变化 这时调速回路的有效功率P1和节流功率损失 P2都随工作流量加大而线性地加大 溢流功率损失 P1则随工作流量加大而线性地减小 这种情况下的回路效率为 通过溢流阀的流量越小 q1 qP越大 效率就越高 负载越大 p1 pP越大 效率也越高 在机床上 节流阀处的工作压差一般为0 2 0 3MPa 2 特点 活塞运动速度v与节流阀的通流面积AT1成正比 即通流面积越大 则活塞运动速度越高 由于油液经节流阀后才进人液压缸 故油温高 泄漏大 又由于没有背压 所以运动平稳性差 因为液压缸的进油面积大 当通过节流阀的流量为最小稳定流量时 可使执行元件获得铰低的运动速度 所以调速范围较大 因启动时进入液压缸的流量受到节流阀的控制 故可减少启动时冲击 液压泵在恒压恒流量下工作 输出功率不随执行元件的负载和速度变化而变化 多余的油液经溢流阀流回油箱 造成功率浪费 故效率低 3 应用在进口节流调速回路中 工作部件的运动速度随外负载的增减而忽慢忽快 难以得到淮确的速度 故适用于轻负载或负载变化不大 以及速度不高的场合 2 1 2出口节流调速回路 1 出口节流调速回路是将节流阀串联在液压缸和油箱之间 以限制液压缸的回油量 从而达到调速的目的 见图8 1 3 2 特点 因节流阀串联在回油路上 油液经节流阀流回油箱 可减少系统发热和泄漏 而节流阀又起背压作用 故运动平稳性较好 同时还具有承受负值负载的能力 与进口节流调速回路一样 也是将多余油液由溢流阀溢走 造成功率损失 故效率低 停止后的启动冲击较大 图8 1 3出口节流调速回路 3 应用这种回路多用在功率不大 但载荷变化较大 运动平稳性要求较高的液压系统中 如磨削和精镗的组合机床等 2 1 3进 出口节流调速回路 图8 1 4进 出口节流调速回路 1 进 出口节流调速回路是将节流阀串联在液压泵和液压缸之间 液压缸和油箱之间 以限制液压缸的进 回油量 从而达到调速的目的 见图8 1 4 2 特点 因节流阀串联在回油路上 节流阀又起背压作用 故运动平稳性较好 同时还具有承受负值负载的能力 与进口节流调速回路一样 也是将多余油液由溢流阀溢走 造成功率损失 表8 1三种定压式节流调速回路的特性表达式 1 变压节流调速回路 旁路节流调速回路 是将节流阀并联在液压泵和液压缸的分支油路上 如图8 2 1所示 液压泵输出的流量一部分经节流阀流回油箱 一部分进入液压缸 在定量泵供油量一定的情况下 通过节流阀的流量大时 进入液压缸的流量就小 于是使执行元件运动速度下降 反之则速度增高 因此通过调节节流阀改变流回油箱的油量 来控制进入液压缸的流量 从而改变执行元件的运动速度 2 2变压节流调速回路 液压泵的流量损失 主要是泄漏 在这里对液压缸的工作速度有很大影响 泄漏的大小则直接与回路的工作压力有关 图8 2 1变压节流调速回路 这种调速回路在节流阀通流截面积不变的情况下 活塞速度因液压缸外负载的增大而小很多 因而其机械持性比定压式节流调速回路 软 得多 当负载增大到某值时 活塞会停止不动 节流阀的通流截面积越大 活塞的运动速度越小 使活塞停止运动的负载就越小 因此变压式节流调速回路的承载能力是变化的 图中各条曲线在速度为零时并不汇聚到同一点上 低速下的承载能力很差 变压式节流调速回路的速度刚性表达式为 当节流阀通流截面积不变时 负载越大 速度刚性越好 当负载一定时 节流阀通流截面积越小 活塞工作速度越高 速度刚性越好 这种回路的速度刚性是可以通过增大液压缸的有效工作面积 减小节流阀的指数 减小液压泵的泄漏系数来提高的 图8 2 2变压节流调速回路机械特性曲线 上式表明 进入液压缸的流量越多 活塞速度越大 回路的效率就越高 变压式节流调速回路的效率比定压式高 因为它的输入功率随工作压力而变化 不是一个定值 这种回路的效率表达式为 图8 2 3变压式节流调速回路在恒载下工作时的功率特性 图8 2 4变压式节流调速回路在变载下工作时的功率特性 此式表明 这种回路的调速范围不仅与节流阀可用的调速范围RT有关 而且亦与负载F 液压泵泄漏系数kl等因素有关 可见调速回路的调速范围与流量控制元件的调速范围并非总是一回事 此外 式中的RT不是节流阀可能的调速范围 因为它的通流截面积在加大到某值时已使活塞速度下降为零 再增大已不起调速作用了 由以上的分析看出 这种变压式回路的工作特性是把液压泵的特性亦综合进去了 这是它和定压式回路根本不同的地方 综上所述可以看到 这种在主油路内不出现节流损失和发热现象 在局部负载下也能保持较高效率的调速回路 最宜用在速度较高 负载较大 负载变化不大 对运动平稳性要求不高的场合 但是它不能承受 负方向 的负载 这种回路的调速特性表达式为 2 持点 一方面由于没有背压使执行元件运动速度不稳定 另一方面由于液压泵压力随负载而变化 引起液压泵泄漏也随之变化 导致液压泵实际输出量的变化 这就增大了执行元件运动的不平稳性 随着节流阀开口增大 系统能够承受的最大负载将减小 即低速时承载能力小 与进口节流和出口节流的调速回路相比 它的调速范围小 液压泵的压力随负载而变 溢流阀无溢流损耗 所以功率利用比较经济 效率比较高 比较进口节流 出口节流和旁路节流三种调速方法的性能 1 速度一负载特性速度随负载而变化是用节流阀进行节流调速的共同缺点 其中尤以旁路节流调速最差 因此 进口和出口节流调速广泛用于负载变化不大的液压系统中 旁路节流调速因速度一负载特性软 所以很少应用 2 工件部件承受负方向载荷的能力和运动的平稳性当负载方向与工作部件运动方向相同时 称为负方向载荷 在铣削加工中 顺铣的切削力即为负方向裁荷 负方向载荷有拉动工作部件前冲的作用 影响工作部件运动的平稳性 出口节流调速时 由于回油路有节流阀 液压缸的回油腔有背压力 可以阻止工作部件的前冲 推动力量越大 背压力也越大 故这种调速回路能在负方向载荷作用下工作 且使工作部件运动平稳性大大改善 对于进口和旁路节流调速 因液压缸的回油腔没有背压力 负方向载荷可能拉动工作部件前冲 工作部件运动平稳性差 因此 在实际工作中 常在上述两种调速回路中增加背压阀 3 承载能力在进口节流和出口节流的调速系统中 能承受的最大载荷由溢流阀的调整压力决定 旁路节流调速时 最大承载能力随节流阀开口量的增大而减小 故低速承载能力差 4 调速范围进口节流和出口节流的调速范围大 旁路节流调速范围较小 5 功率消耗进口节流和出口节流的调速功率消耗与负载和速度无关 工作中 低速 低载时功率损耗较大 效率低 发热大 所以这两种调速回路多用于功率较小的系统中 旁路节流调速功率利用合理 功率消耗与负载成正比 低速和低载时效率较高 发热少 所以这种回路用在传递功率较大而速度稳定性要求不高的场合 6 停车后的启动冲击在出口节流和旁路节流的调速系统中 当工作部件中途停止时 液压缸回油腔的油液因重力作用而漏掉一部分 使回油腔出现空隙 在第二次启动时 由液压泵来的油不经节流阻尼而直接进人液压缸的进油腔 使工作部件以很快的速度运动 造成冲击 直到消除回油腔的空隙为止 这种冲击运动 可能造成事故 为此 对于这两种调速方式 当工作部件停止后 要避免回油腔通油箱 也可在进油管路上装一个节流阀 以防止冲击 而在进口节流调速回路中 启动时只要把节流阀关小就可避免冲击现象 7 实现压力控制的方便性在进口节流和旁路节流的调速系统中 当工作部件碰到死挡铁后 活塞停止运动 这时 液压缸进油腔的压力可上升到溢流阀 或安全阀 的调定值 若将压力继电器接在进油路中 可利用这个压力变化使压力继电器可靠地发讯号 控制下一个动作的进行 但在出口节流调速系统中 工作部件碰上死挡铁后 液压缸进油腔的压力变化很小 所以不能实现压力控制 然而工作部件停止时 液压缸回油腔的压力变为零 如果把压力继电器接在回油路上 也可用降压变化使压力继电器发讯号 但在电路上比较麻烦 使用节流阀的节流调速回路 机械特性都比较软 变载下的运动平稳性都比较差 为了克服这个缺点 回路中的流量控制元件可以改用调速阀或溢流节流阀 它们都能使节流阀处的工作压差在负载变化时基本上保持恒定 使回路的机械特性得到改善 这种变压式回路的承载能力不会因为活塞运动速度的降低而减小 它们在变载下工作时的功率特性分别如左下图和右下图所示 都不出现极值 所有这些性能上的改进都是以加大整个流量控制阀的工作压差为代价的 一般工作压差不少于0 5MPa 高压调速阀则需lMPa 2 3节流调速回路工作性能的改进 图8 2 5使用调速阀的定压节流调速回路在变载下的功率特性 图8 2 6使用调速阀的变压节流调速回路在变载下的功率特性 图8 2 4使用节流阀的变压式节流调速回路在变载下工作时的功率特性 图8 2 7调速阀在进油路上 图8 2 8调速阀在回油路上 图8 2 9调速阀在分支路上 图8 2 10溢流节流阀在进油路上 使用调速阀的节流调速回路在机床的中 低压小功率进给系统中得到了广泛的应用 使用溢流节流阀的回路则适用于机床上运动平稳性要求较高 功率较大的主传动系统 使用比例阀 伺服阀或数字阀的节流调速回路如采用闭环控制 则回路的工作性能可以大为提高 这些回路的控制装置结构复杂 价格昂贵 因而只宜在运动精度和平稳性要求很高的场合下使用 第三节容积调速回路 3 1变量泵 缸调速回路是由变量泵与液压缸组成的调速回路如右图所示 变量泵输出的压力油全部进入液压缸 驱动活塞移动 通过改变变量泵的流量 即可改变活塞的运动速度 回路中的溢流阀只有系统过载时才打开溢流 起安全保护作用 这种回路的调速特性可用下式表示 式中 RP为变量泵变量机构的调节范围 qmax为变量泵最大理论流星 这种回路的调速范围除了与泵的变量机构调节范围有关以外 还受负载 泵的泄漏系数等因素影响 图示泵一缸式闭式容积调速回路 这里的双向变量泵7除能给液压缸供应所需的油液外 还可以改变输油方向 使液压缸运动换向 换向过程比使用换向阀干稳 但换向时间长 两个安全阀6和8用以限制回路每个方向的最高压力 两个单向阀5和9和 补油一变向 辅助装置供补偿回路中泄漏和液压缸两腔流量差额之用 换向时 换向阎3变换工作位置 辅助泵1输出的低压油一方面改变液动阀4的工作位置 并作用在变量泵定子的控制缸a或b上 使变量泵改变输油方向 另一方面又接通变量泵的吸油路 补偿封闭油路中的泄漏 并使吸油路保持一定压力以改善变量泵吸油情况 辅助泵输出的多余油液经溢流阀3回油箱 变量泵只在换向过程中通过单向阀直接从油箱吸油 这种闭式回路的各项工作特性与上述开式回路完全相同 泵一缸式容积调速回路适用于负载功率大 运动速度高的场合 例如大型机床的主体运动系统或进给运动系统 3 2泵一马达式容积调遭回路这类调速回路有变量泵和定量马达 定量泵和变量马达及变量泵和变量马达三种组合形式 它们普通用于一些工程机械 行走机械以及静压无级变速装置中 但在机床上则很少使用 1 变量泵一定量马达式调速回路在这种回路中 液压泵转速nP和液压马达排量VM都是恒量 改变液压泵排量VP可使马达转速nM和输出功率PM随之成比例地变化 马达的输出转矩TM和回路的工作压力p都由负载转矩决定 不因调速而发生变化 所以这种回路常被叫做恒转矩调速回路 见右图 另一方面 由于泵和马达处的泄漏不容忽视 这种回路的速度刚性是要受负载变化影响的 在全载下马达约输出转速降落量可达10 25 而在邻近VP 0处实际的nM TM和PM也都等于零 这种回路的调速范围是很大的 一般可达Rc 40 当回路中泵和马达都能双向作用时 马达可以实观平稳地反向 这种回路应用在小型内燃机车 液压起重机 船用绞车等处的有关装置 在这种回路中 液压泵转速nP和排量VP都是恒量 改变液压马达排量VM时马达输出转矩的变化与VM成正比 输出转速nM则与VM成反比 马达的输出功率PM和回路工作压力P都由负载功率决定 不因调速而发生变化 所以这种回路常被叫做恒功率调速回路 见右图 由于泵和马达处的泄漏损失和摩擦损失 这种回路在邻近VM 0处的实际nM TM和PM也都等于零 这种回路的调速范围很小 一船只有Rc 3 它不能用来使马达反向这种回路在造纸 纺织等行业的卷取装置中得到了应用 它使卷件在不断加大直径的情况下基本上保持被卷材质的线速和拉力恒定不变 2 定量系一变量马达式调速回路 这种问路的工作持性是上述两种回路工作持性的综合 见右图所示 这种回路的调速范围很大 等于泵的凋速范围RP和马达调速范围RM的乘积 Rc RPRM 这种回路适用于大功率的液压系统 特别适用于系统中有两个或多个液压马达要求共用一个液压泵又能各自独立进行调速的场合 3 变量泵 变量马达式调速回路 第四节容积节流调速回路 容积节流调速回路的工作原理是用压力补偿型变量泵供油 用流量控制元件确定进入液压缸或由液压缸流出的流量来调节活塞的运动速度 并使变量泵的输油旦自动与液压缸所需流量相适应 这种调速回路没有溢流损失 效率较高 速度稳定性也比单纯的容积调速回路好 常见的容积节流调速回路亦有定压式和变压式两冲 4 1定压式容积节流调速回路 使用限压式变量叶片泵和调速阀 节流阀控制进入液压缸的流量q1 并使变量泵输出流量qP自动和q1相适应 当qP q1 定子向右 减少泵的偏心距 使泵的供油量下降到qP q1 反之 当qP q1时 定子向左 泵的供油量增大到qP q1 节流阀控制进入液压缸的流量q1 并使变量泵输出流量qP自动和q1相适应 当qP q1 定子向右 减少泵的偏心距 使泵的供油量下降到qP q1 反之 当qP q1时 定子向左 泵的供油量增大到qP q1