【重庆大学 流体传动与控制】第7章

1、重庆大学机械工程学院,主讲：刘振军 博士 教授,流体传动与控制,2010年9月,2,3,4,5,第7章 基本回路,6,7,8,9,10,11,12,13,14,第7章 基本回路,液压基本回路由有关液压元件组成用来完成某种特定功能的典型回路。 任何一个液压系统，无论它所要完成的动作有多么复杂，总是由一些基本回路组成的。 掌握一些基本回路的组成、原理和特点将有助于认识分析一个完成的液压系统。,液压基本回路主要包括：,熟悉和掌握这些基本回路的组成、工作原理及应用，是分析、设计和使用液压系统的基础。,压力控制回路,速度控制回路,方向控制回 路,15,7.1 方向控制回路,定义：液压系统中，通过控制液流

2、的通、断及改变流向，使执行元件启动、停止及变换运动方向的回路。,复杂方向控制回路,功用：控制执行元件的启动、停止和换向。,组成：各种控制方式的换向阀或双向变量泵，使执行元件启动、停止（包括锁紧）及变换运动方向的回路。,锁紧回路,换向回路,一般方向控制回路,方向控制回路,1 换向回路,16,7.1 方向控制回路,17,电磁换向阀：使用方便，易于实现自动化，但换向时间短，冲击大，交流电磁铁尤甚，一般用于小流量、 平稳性要求不高处。,手动换向阀：换向精度和平稳性不高，常用于换向不频繁且无需自动化的场合，如一般机床夹具、工程机械等。,液动阀和电液换向阀：流量超过63L/min、对换向精度与平稳有一定要

3、求的液压系统。,操纵箱： 换向有特殊要求处，如磨床液压系统。,机动换向阀：换向精度高，冲击较小，一般用于速度和惯性较大的系统中。,不同操作方式性能特点：,7.1 方向控制回路,18,先导阀控制液动换向阀的换向回路,7.1 方向控制回路,19,2.锁紧回路:,功用：使液压缸能在任意位置停留，且停留后不会在外力作用下移动位置。,1） 采用液控单向阀的锁紧回路,组成：泵、溢流阀、34D、液控单向阀、缸等,工作原理：,图示，液压缸锁紧。,YA+， 液压缸左、右行。,7.1 方向控制回路,20,21,22,23,24,特点：为使控制油压卸压，换向阀应采用 H.Y型，因液控单向阀密封性好，所以锁紧性能好。

4、,特点： 滑阀式换向阀泄漏不可避免 锁紧效果差,2）采用换向阀O、M机能的锁紧回路,主要用于,汽车起重机支腿,飞机起落架锁紧,矿山采掘机械液压支架锁紧等,故 只能用于锁紧时间短，锁紧要求不高的场合。,7.1 方向控制回路,25,图所示状态,活塞只能向左运动,向右则由单阀锁紧。当电磁阀切换后，活塞向右运动，向左则锁紧。,油泵出口处的单向阀在泵停止运转时还有防止空气渗入液压系统的作用，并可防止执行元件和管路等处的冲击压力影响液压泵。,3）采用单向阀的锁紧回路,7.1 方向控制回路,活塞运动到终端时双向锁紧,26,7.2 压力控制回路,压力控制回路：利用压力控制阀来控制系统整体或某一部分的压力，以满

5、足液压执行元件对力或转矩要求的回路.,1 调压回路：,功用：使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数值。,在定量泵系统中，液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。,在变量泵系统中,用安全阀来限定系统的最高压力，防止系统过载。 若系统中需要二种以上的压力，可采用多级调压回路。,包括调压、减压、增压、保压、卸荷和平衡等多种回路。,27,组成： 泵、溢流阀、节流阀、24D、液压缸等,1） 单级调压回路,工作原理： 用节流阀调节速度时，溢流阀稳压溢流调节泵压。,特点： 回路简单，调节方便，若将溢流阀换为比例溢流阀，则可实现无级调压，还可远距离控制，但无功损耗较大。,7.2 压力控制回路,28,2

6、） 双级调压回路,组成：,7.2 压力控制回路,原理:,由溢流阀2调压，压力较低 24S左位，由溢流阀1调压，压力较高,29,由阀1调压，压力较高。 YA+，由远程调压阀调压，压力较低,7.2 压力控制回路,30,3）多级调压回路,工作原理,7.2 压力控制回路,31,7.2 压力控制回路,32,7.2 压力控制回路,为获得多级压力，阀2或3的调定压力必须小于阀1的调定压力，否则，阀1将不起作用。,33,调节先导型比例电磁溢流阀的输入电流I，即可实现系统压力的无级调节，这样不但回路结构简单，压力切换平稳。而且更容易使系统实现远距离控制或程序控制。,4）连续、按比例进行压力调节的回路,7.2 压

7、力控制回路,34,7.2 压力控制回路,35,2 卸荷回路,卸荷,泵在很小功率下运转的情况,P = pq,p = 0,q = 0,目的,P，发热、泵和电机负载，泵的寿命。,7.2 压力控制回路,36,1）采用复合泵的卸荷回路,缸快速推进 压力卸荷阀设定压力 双泵供油，缸快速前进。,7.2 压力控制回路,缸达到设定负载时，卸荷阀动作，大泵卸荷，小泵单独供油。,37,2）利用二位二通阀旁路卸荷的回路,二位二通阀左位工作， 泵油箱 节省动力并避免油温上升 二位二通阀使用电磁操作,7.2 压力控制回路,38,3）利用换向阀卸载的回路,采用中位串联型（M、 H、 K型中位机能）换向阀，中位时，泵直接经换

8、向阀的PT通路流回油箱，泵工作压力接近于零。,7.2 压力控制回路,特点：方法简单，但压力损失较大，且不适用于一个泵驱动两个或两个以上执行元件的场所。,39,4）利用溢流阀远程控制口卸载的回路,在实际应用上，此二位二通电磁阀和溢流阀组合在一起，此种组合称为电磁控制溢流阀。,7.2 压力控制回路,溢流阀 远控口,二位二通阀,40,功用：,使系统中的某一部分油路具有较系统压力低的稳定压力。,当泵的输出压力是高压而局部回路或支路要求低压时，可以采用减压回路，如机床液压系统中的定位、夹紧以及液压元件的控制油路等，往往要求比主油路较低的压力。,3 减压回路,减压回路较为简单，一般是在所需低压的支路上串接

9、减压阀。,缺点：,压力油经减压阀口时要产生压力损失,7.2 压力控制回路,41,单向阀供主油路压力降低(低于减压阀调整压力)时防止油液倒流。 减压回路中也可采用类似两级或多级调压的方法获得两级或多级减压。 利用先导型减压阀1的远控口接一远控溢流阀2，则可由阀1、阀2各调得一种低压。 注意：阀2的调定压力值一定要低于阀1的调定压力值。,最常见的减压回路通过定值减压阀与主油路相连。,7.2 压力控制回路,42,功用：低压输入，高压输出，节约能耗。,如果系统的某一支油路需要压力较高但流量又不大的压力油，而采用高压泵又不经济，常采用增压回路。,4 增压回路,7.2 压力控制回路,增压回路中提高压力的主

10、要元件是增压缸或增压器。,43,增压原理,特点,只能断续增压。,增压器是利用减小面积的方法来增压的，其中 k为增压比。,1）单作用增压缸的增压回路,7.2 压力控制回路,44,2）双作用增压缸的增压回路,液压泵,换向阀5,单向阀1,增压缸左端大腔,小活塞腔,右端大活塞腔,回油通油箱,右端小活塞腔,单向阀4,输出,单向阀2、3被关闭。,当增压缸活塞移到右端时，换向阀得电换向。,能连续输出高压油,7.2 压力控制回路,45,7.2 压力控制回路,46,功用：泵卸荷，缸保压，以满足工作需要,最简单的保压回路是使用密封性能较好的液控单向阀的回路，但是阀类元件处的泄漏使得这种回路的保压时间不能维持太久。

11、,5 保压回路,7.2 压力控制回路,有的机械设备在工作过程中，常要求液压执行机构在其行程终止时，保持压力一段时间，这时需采用保压回路。,保压回路：使系统在液压缸不动或仅有工件变形所产生的微小位移下稳定地维持压力。,47,1）利用蓄能器保压的回路,液压泵油液,系统,蓄能器,工作部件停止后，,p,压力继电器发讯使3YA+，液压泵卸荷，蓄能器补充泄漏以保持压力,借助蓄能器来保持系统压力，补偿系统泄漏。,7.2 压力控制回路,48,2） 用液压泵的保压回路,工作原理,高压小流量泵供油保压，溢流阀调节压力。,7.2 压力控制回路,低压,双泵供油,压力升高,卸荷阀的调定压力,低压大流量泵,卸荷,49,3

12、）自动补油保压回路,采用液控单向阀和电接点压力表的自动补油式保压回路,能自动使液压缸补油，使压力能长期保持在一定范围内。,7.2 压力控制回路,50,3）自动补油保压回路,7.2 压力控制回路,换向阀右位,p上,压力表的上限值,触点接电,1YA,换向阀回中,泵卸荷,液控单向阀保压,p上,预定下限值,压力表又发出信号,1YA,换向阀右位,p上,51,功用：防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落，或在下行运动中由于自重而造成失控失速的不稳定运动。,1)采用单向顺序阀的平衡回路,6 平衡回路,7.2 压力控制回路,特点：,一般用于自重不大的场合，为防止泄漏而造成缸下移，可装一

13、液控单向阀。,一般用于停止时间不长的系统。,52,2)采用液控顺序阀的平衡回路,7.2 压力控制回路,特点： 液控单向阀锥面密封 可用于停留时间长或要求停 止位置准确的系统。 又 缸下行时，上腔压力下降，液控单向阀关闭，待压力重建后才能再打开。 会造成下行运动时断时续和强烈振动的现象。,53,7.3 速度控制回路,1.调速回路,调速回路的基本原理 液压马达的转速 nm= q/Vm 液压缸的运动速度 v = q/A, 改变q 、 Vm、A，皆可改变v或nm 一般A是不可改变的。 液压缸：改变q，即可改变v 液压马达：既可改变q，又可改变Vm,功用：用来改变执行元件的运动速度,分类：调速、换速、增

14、速回路等,54,调速回路调速方法,节流调速改变q 容积调速改变泵和马达的V 容积节流调速既可改变q，又可改变V,对调速回路的要求,调速范围大 速度稳定性好 效率高,7.3 速度控制回路,55,节流调速回路分类,进油路 按流量阀安装位置不同 回油路 旁油路,按采用流量阀不同,节流阀节流调速,调速阀节流调速,7.3 速度控制回路,1 节流调速回路,56,由定量泵供油，用流量阀调节进入或流出执行机构的流量来实现调速。,节流调速原理 通过调节流量阀的通流截面积大小来改变进行执行机构的流量，从而实现运动速度的调节。,特点：结构简单，成本低，使用维护方便 速度调节范围较大，能获得低速运动 能量损失大，效率

15、低，温升高,节流调速回路由定量泵、流量控制阀、溢流阀和液压执行元件组成。,7.3 速度控制回路,57,节流阀不能起调节流量的作用，液压缸的速度不会改变。,7.3 速度控制回路,只有节流阀,泵输出油全部经节流阀进液压缸,节流口,速度,总流量不变,58,1）进油节流调速回路,特征：节流阀串联在泵与阀之间，泵输出的油液一部分经节流阀进入缸的工作腔，泵多余的油液经溢流阀回油箱。,7.3 速度控制回路,原理：由于溢流阀有溢流，泵的出口压力pb 保持恒定。调节节流阀通流面积，即可改变通过节流阀的流量，从而调节缸的速度。,59,（1） 速度负载特性,液压缸稳定工作时的受力平衡方程：,p1A = F + p2

16、A,p2T,pp = pS = C,p2 = 0,故 节流阀两端的压力差为, p = pp-p1 =pp-F/A1,经节流阀进入液压缸的流量为：,q1 = CdATpm = CdAT（pp- F /A1）m,液压缸的运动速度：,v = q1/A = CdAT (pp-F/A1)m,7.3 速度控制回路,p1= F/A1,60,7.3 速度控制回路,61,速度负载特性曲线：,曲线表明了v 随F变化的规律,曲线越陡，F变化对 v 影响越大，则刚性差,曲线越平缓，刚性好,结论： AT = C，F，v， 速度负载特性软，即轻载时刚性好。, F = C，AT越小，v 刚性越好，即低速时刚性好。,7.3

17、速度控制回路,62,（2）最大承载能力, pp = pS = C，,不论AT如何变化，其最大承载能力不变，即Fmax =pp A1,故 称为恒推力调速（或恒转矩调速）,（3） 功率和效率,泵输出功率：Pp =ppqp = 常数,缸输出功率：P1= F v = F q1/A1= p1 q1,回路的功率损失：,P = Pp- P1= ppqp- p1q1= pp（q1 + qY）- (pp-p) q1 = pp qY +p q1,qY = qp- q1,7.3 速度控制回路,63,溢流损失：,PY = pp qY,节流损失：,PT = p q1,回路的效率：,= Fv/ppqp = p1q1/pp

18、qp,故进油路节流调速回路适用于轻载、低速、负载变化不大和速度稳定性要求不高的小功率液压系统。, 存在两部分功率损失, 这种调速回路效率较低,7.3 速度控制回路,64,7.3 速度控制回路,2)回油节流调速回路,特征：,将节流阀串联在液压缸的回油路上，调节AT，可调节q2以改变速度，仍应和溢流阀联合使用，pP = pS。,与进口节流调速回路相同处, vF特性基本与进口节流 相似 上述结论都适用,65,两种回路不同之处：,回油节流阀使缸的回油腔形成一定的背压（p20），因而能承受负值负载，并提高了缸的速度平稳性。,进油容易实现压力控制。因当工作部件在行程终点碰到死挡铁后，缸的进油腔油压会上升到

19、等于泵压，利用这个压力变化，可使并联于此处的压力继电器发讯，对系统的下步动作实现控制，但可靠性差。,若回油使用单杆缸，无杆腔进油流量大于有杆腔回油流量。故在缸径缸速相同的情况下，进油节流阀开口较大，低速时不易堵塞。因此，能获得更低的稳定速度。,7.3 速度控制回路,承受负值负载能力,实现压力控制的方便性,最低稳定速度,66,长期停车后缸内油会流回油箱，当泵重新向缸供油时，在回油节流阀调速回路中，由于进油路上没有节流阀控制流量，会使活塞向前冲；而在进油节流阀调速回路中，活塞前冲很小，甚至没有前冲。,发热及泄漏对进油节流阀调速的影响均大于回油节流阀调速。因为进油节流阀调速回路中，经节流阀发热后的油

20、液直接进入缸的进油腔；而在回油节流阀调速中，经节流阀发热后的油液直接流回油箱冷却。 为了提高回路的综合性能，一般采用进油节流阀调速，并在回油路上加背压阀，使其兼具二者的优点。,7.3 速度控制回路,67,）旁路节流阀调速回路,7.3 速度控制回路,节流阀装在与执行元件并联的支路上，即与缸并联，溢流阀做安全阀，pP取决于负载， pP = p1=p = F/A,q,缸（q1）,节流阀 T,68,7.3 速度控制回路,速度负载特性,重复进油路节流调速回路的推导步骤，可得旁路节流的速度负载特性方程，但应考虑泵的泄漏量影响。 q1= qP- qT = (qtP- qP)- qT = (qtP- kLpP

21、)-CATpm = qtp-kL(F /A)-CAT(F/A)m 故 液压缸的工作速度为： v = q1/A = qtp-kL(F /A)-CAT(F/A)m/A 结论： AT=C，F，v, F，v，即vF特性更软 F=C,AT，v; ATv，即速度随AT而变化,69,7.3 速度控制回路,最大承载能力,AT，阻力，Fmax，即低速承载能力小， AT至一定值时，即使F很小，qp 节 T, v =0，所以Fmax既与AT有关，又受安全阀调 定压力的限制。,功率和效率, pP随F变化而变化， 只有P节，而无P溢 高，发热少。,70,只有节流损失而无溢流损失；泵压随负载变化，即节流损失和输入功率随负

22、载而增减,比前两种回路效率高。,由于旁路节流的速度负载特性很软，低速承载能力差，故其应用比前两种回路少，只用于高速、重载、对速度平稳性要求不高的较大功率的系统，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。,当节流阀通流面积一定而负载增加时，速度下降较前两种回路更为严重，即特性很软，速度稳定性很差；在重载高速时，速度刚度较好，这与前两种回路恰好相反。其最大承载能力随节流口AT 的增加而减小。即旁路节流调速回路的低速承载能力很差，调速范围也小。,7.3 速度控制回路,71,2 容积调速回路,通过改变泵或马达的流量来进行调速的方法称为容积调速。,主要优点,没有节流损失和溢流损失，因而效率高，系统温升小

23、，适用于高速大功率调速系统。,7.3 速度控制回路,按油路循环方式,开式,闭式,按所用执行元件不同,泵缸式,变定,泵马达式,定变,变变,72,从油箱吸油，执行元件的回油直接回油箱，油液能得到较好的冷却；但油箱体积大，空气和脏物容易侵入回路，影响正常工作。,执行元件的回油直接与泵的吸油腔相连，结构紧凑，只需很小的补油箱，空气和脏物不易混入回路，但油液的散热条件差，为了补充（回路中的）泄漏、并进行换油和冷却，需附设补油泵（其流量为主泵的1015，压力为0.30.5MPa）。,开式回路,闭式回路,7.3 速度控制回路,73,1) 泵-缸式容积调速回路,工作特性： v= qt-k(F/ A) A,特点

24、： 变量泵q随p而增大,存在特性较软和低速承载能力较差的问题故 调速范围不大,应用：推土机、升降机、插床、拉床等大功率系统常用。,7.3 速度控制回路,74,7.3 速度控制回路,(1)变量泵-定量马达容积调速回路,nM = qP/VM VM = 定值 调节qP即可改变nM 若不计损失，在调速范围内， T = pPVM/2=C 称恒转矩容积调速,2) 泵-马达式容积调速回路,75,（2）定量泵变量马达式容积调速回路,7.3 速度控制回路, nM与VM成反比 TM与VM成正比 VM，nM，TM； VM，nM，TM， 以致带不动负载， 使马达“自锁” 。 故 这种回路很少单独使用,76,（3）变量

25、泵变量马达式容积调速回路,分两段调节,7.3 速度控制回路,第一段：,先将VM调至最大并固定，然后将VP由小大, nM从0 nM （变定）,第二段：,将VP固定至最大，VM由大小，nM从nMnMmax（定变） 调速范围大，可达100。,77,7.3 速度控制回路,3 容积节流调速回路, 容积调速回路虽然效率高，发热小，但仍存在速度负载特性较软的问题（主要由于泄漏所引起）。 在低速、稳定性要求较高的场合（如机床进给系统中），常采用容积节流调速回路。,特点,1） qP自动与流量阀调节相吻合，无P溢，高 2）进入执行元件的q与F变化无关，且自动补偿泄漏，速度稳定性好。 3） 因回路有节流损失，所以容

26、 4）便于实现快进工进快退工作循环,78,7.3 速度控制回路,限压式变量泵和调速阀调速回路,79,7.3 速度控制回路,v=c,q P q1，pP，e,qPqP= q1,qP q1，pP，通过反馈，qpqP= q1,联合调速，v由调速阀调定，qP与q1自动适应。,0.5Mpa(中低压),1 Mpa（高压）,调速阀正常工作，p最小,pmin = pP - p1=,若p,过大，p大易发热,过小，v稳定性不好,80, 本回路的pP为一定值 称定压式容积节流调速回路 又 若负载变化大时，节流损失大，低速工作时，泄漏量大，系统效率降低 用于低速、轻载时间较长且变载的场合时，效率很低。 故 本回路多用于

27、机床进给系统中。,7.3 速度控制回路,81,4 快速回路,功用,使执行元件获得必要的高速，以提高效率，充分利用功率。,分类,双泵供油增速 蓄能器供油增速 变量泵供油增速 液压缸差动连接增速,7.3 速度控制回路,82,1）液压缸差动连接快速回路,7.3 速度控制回路,83,工作原理,电磁铁动作顺序表,实质A以v ，简单易行，应用广泛，但因差动时部分qV，管道及阀均应大规格。,7.3 速度控制回路,84,2) 用蓄能器的快速回路,7.3 速度控制回路,85,3) 双泵供油快速回路,7.3 速度控制回路,86,4) 增速缸快速回路,7.3 速度控制回路,87,7.3 速度控制回路,完成系统中执行

28、元件依次实现几种速度的换接。实质上是一种分级（或有级）调速回路，但速度是根据需要事先调好，这是和调速回路的不同之处。,功用,分类,快速与慢速的换接,两种慢速的换接,5 速度换接回路,速度换接方法,各种增速回路 电磁阀的换接回路 行程阀的换接回路,88,1）快速与慢速切换回路,7.3 速度控制回路,（1）二位二通电磁阀与调速阀,特点,安装连接比较方便，易于实现自动控制，但速度换接平稳性 和可靠性以及换接精度都较差。,89,7.3 速度控制回路,电磁铁顺序动作表,动作顺序,90,7.3 速度控制回路,（2）采用行程阀的快慢速换接回路,液压缸快进压下行程阀，液压缸工进 24S左位，液压缸快退,速度换

29、接平稳，动作可靠，换接精度较好，但行程阀必须安装在液压缸附近。,特点,91,7.3 速度控制回路,2）两种进给速度的换接回路,（1）调速阀串联的换接回路,v1 v2，否则2不起作用,特点：,92,（2）调速阀并联的换接回路,v1、v2互不影响，但因A、B任意一个工作时，另一个减压阀阀口最大，一旦换接易前冲。所以改为下图所示，可避免前冲，但P。,7.3 速度控制回路,93,多缸系统，常要求两个或两个以上的执行元件同时动作，并要求它们在运动过程中克服负载、摩擦阻力、泄漏、制造精度和结构变形上的差异，维持相同的速度或相同的位移即作同步运动。,同步运动包括速度同步和位置同步两类。,同步回路就是用来实现

30、同步运动的回路。由于负载、摩擦、泄漏等因素的影响，很难做到精确同步。,7.4 同步回路,94,1 液压缸机械联结的同步回路,用刚性梁、齿轮、齿条等机械零件在两个液压缸的活塞杆间实现刚性联结以便来实现位移的同步。,方法比较简单经济，能基本上保证位置同步的要求，但由于机械零件在制造，安装上的误差，同步精度不高。同时，两个液压缸的负载差异不宜过大，否则会造成卡死现象。,7.4 同步回路,95,2 采用调速阀的同步回路,两液压缸并联，在进（回）油路上，分别串接一个调速阀，仔细调节两个调速阀的开口大小，便可控制或调节进入或自两个液压缸流出的流量，使两个液压缸在一个运动方向上实现同步，即单向同步。 结构简

31、单，调节比较麻烦，而且还受油温、泄漏等的影响，故同步精度不高，不宜用在偏载或负载变化频繁的场合。,7.4 同步回路,96,7.4 同步回路,3 采用分流集流阀的同步回路,分流集流阀自动调节进入两缸流量，保证同步 同步精度较高，但分流集流阀制造精度及造价均高,97,7.4 同步回路,4 串联液压缸同步回路,采用补偿措施 两缸出现同步误差每次下行运动中都可消除 同步精度较高，一般用于负载较小系统,98,从而消除累积误差。,7.4 同步回路,两缸同时下行,若缸5先到达行程端点,压下行程开关1S,3YA+,3左位,油,阀4,缸6上腔,继续下行到达行程端点,缸6活塞先到达端点,行程开关2S,4YA+,3右位,油,阀4控制腔,打开阀4,