1、1,第八章 调速回路,所谓基本回路是指由若干液压元件组成的能完成特定功能的最简单的通路结构。它是连接元件和系统的桥梁，所有液压系统都由基本回路单元组成。 了解一个基本回路的功能应该从该回路所在的系统去进行分析。 从本质上看，基本回路主要包括压力控制回路、流量控制回路和方向控制回路三种类型，其他回路一般都是从这三种回路中派生出来的。,Part 8.1 概述,2,不考虑液压油的压缩性和泄漏的情况下，液压缸的运动速度为：,（8-1）,液压马达的转速为：,（8-2）,式中: q输入液压执行元件的流量； A液压缸的有效面积； Vm液压马达的排量。,实际中，用改变进入液压执行元件的流量或改变变量液压马达排
2、量的方法来调速 。,节流调速 ：采用定量泵和流量控制阀并改变通过流量阀流量。 容积调速：采用改变变量泵或变量马达排量。 容积节流调速：同时用变量泵和流量阀 。,第八章 调速回路,3,工作原理：通过改变回路中流量控制元件（节流阀或调速阀）通流截面积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量，以调节其运动速度。,根据流量阀在回路中的位置不同，分为：进油节流调速回路、回油节流调速回路和旁路节流调速回路。,前两种调速回路由于在工作中回路的供油压力不随负载变化而变化，故又称为定压式节流调速回路；而旁路节流调速回路中，由于回路的供油压力随负载的变化而变化，故又称为变压式节流调速回路。,第八章 调速回路
3、,Part 8.2 节流调速回路,4,进油节流调速回路,图8-1 进油节流调速回路 a）回路图 b）速度负载特性,如图8-1a所示，节流阀串联在液压泵和液压缸之间。液压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，多余的油液经溢流阀流回油箱。,有溢流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，泵的出口压力pp就是溢流阀的调整压力并基本保持恒定。调节节流阀的通流面积，即可调节通过节流阀的流量，从而调节液压缸的运动速度。,第八章 调速回路,5,速度负载特性,缸在稳定工作时，其受力平衡方程式为 p1A1=F+p2A2,因为液压泵的供油压力pp为定值，故节流阀两端的压力差为,
4、式中 p1、p2分别为液压缸进油腔和回油腔的压力，由于回油腔通油箱，p20；F液压缸的负载；A1、A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积。,所以,第八章 调速回路,6,经节流阀进入液压缸的流量为,式中 K常数；AT节流阀的通流面积；m指数，0.5m1。,故液压缸的运动速度为,（8-4）,式（8-4）即为进油节流调速回路的速度负载特性方程。由该式可知，液压缸的运动速度v和节流阀通流面积AT成正比。调节AT可实现无级调速，这种回路的调速范围较大（速比最高可达100）。当AT调定后，速度随负载的增大而减小，故这种调速回路的速度负载特性较软。,第八章 调速回路,7,若按式（8-4）选用不同的AT值作
5、v-F坐标曲线图，可得一组曲线，即为该回路的速度负载特性曲线，如图所示。这组曲线表示液压缸运动速度随负载变化的规律，曲线越陡，说明负载变化对速度的影响越大，即速度刚性越差。由式（8-4）和图还可看出，当AT一定时，重载区域比轻载区域的速度刚性差；在相同负载条件下，AT大时，亦即速度高时速度刚性差。所以这种调速回路适用于低速轻载的场合。,（8-4）,第八章 调速回路,8,功率和效率,（8-5）,回路的效率为：,在节流阀进油节流调速回路中，液压泵的输出的功率为pp=ppqp=常量；而液压缸的输出功率为,由上式可知，这种调速回路的功率损失由两部分组成，即溢流损失Py=ppqy和节流损失PT=pq1
6、，故这种调速回路的效率较低。,所以该回路的功率损失为,式中 qy通过溢流阀的溢流量，qy=qp-q1。,第八章 调速回路,9,回油节流调速回路,图8-5 回油节流调速回路,图8-5所示为把节流阀串联在液压缸的回油路上，利用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q2的限制。因此调节q2，也就调节了进油量q1，定量泵输出的多余油液仍经溢流阀流回油箱，溢流阀调整压力（pp）基本保持稳定。,第八章 调速回路,10,速度负载特性,（8-6）,比较式（8-4）和式（8-6）可以发现，回油节流调速和进油节流调速的速度负载特性以及速度刚性基本相同，若液压缸两腔有效面积
7、相同（双出杆液压缸），那么两种节流调速回路的速度负载特性和速度刚度就完全一样。因此对进油节流调速回路的一些分析完全适用于回油节流调速回路。,式中符号意义同上。,类似于式（8-4）的推导过程，由液压缸的力平衡方程（p20）和流量阀的流量方程(p=p2)，进而可得液压缸的速度负载特性为：,第八章 调速回路,11,最大承载能力,回油节流调速的最大承载能力与进油节流调速相同，即 ：Fmax=ppA1。,功率和效率,液压泵的输出功率与进油节流调速相同，即Pp=ppqp，且等于常数；液压缸的输出功率为P1=Fv=(ppA1-p2A2)v=ppq1-p2q2； 该回路的功率损失为：,式中，ppqy为溢流损失
8、功率，而pq2为节流损失功率。所以它与进油节流调速回路的功率损失相似。,第八章 调速回路,12,（8-7）,回路的效率为：,当使用同一个液压缸和同一个节流阀，且负载F和活塞运动速度v相同时，则式（8-7）和式（8-5）是相同的，因此可以认为进、回油节流调速回路的效率是相同的。 但是，应当指出，在回油节流调速回路中，液压缸工作腔和回油腔的压力都比进油节流调速回路的高，特别是负载变化大，尤其是当F接近于零时，回油腔的背压有可能比液压泵的供油压力还要高，这样会使节流功率损失大大提高，且加大泄漏，因而其效率实际上比进油节流调速回路的要低。,第八章 调速回路,13,进、回油节流调速回路之间有许多相同之处
9、，但是，它们也有如下不同：,1）承受负值负载的能力 回油节流调速回路的节流阀使液压缸回油腔形成一定的背压，在负值负载时，背压能阻止工作部件的前冲，即能在负值负载下工作，而进油节流调速由于回油腔没有背压力，因而不能在负值负载下工作。 2）停车后的起动性能 长期停车后液压缸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，即使回油路上节流阀关得很小，也会使活塞前冲；而在进油节流调速回路中，由于进油路上有节流阀控制流量，故活塞前冲很小，甚至没有前冲。,第八章 调速回路,14,3）实现压力控制的方便性 进油节流调速回路中，进油腔的压力将随负载而变
10、化，当工作部件碰到死挡块而停止后，其压力将升到溢流阀的调定压力，利用这一压力变化来实现压力控制是很方便的。但在回油节流调速回路中，只有回油腔的压力才会随负载变化，当工作部件碰到死挡块后，其压力将降至零，利用这一压力变化来实现压力控制比较麻烦，故一般较少采用。4）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回油节流调速。,第八章 调速回路,15,为了提高回路的综合性能，一般常采用进油节流调速，并在回油路上加背压阀的回路，使其兼备两者的优点。,5）运动
11、平稳性 在回油节流调速回路中，由于回油路上节流阀小孔对缸的运动有阻尼作用，同时空气也不易渗入，可获得更为稳定的运动。而在进油节流调速回路中，回油路的油液没有节流阀阻尼作用，因此，运动平稳性稍差。但是，在使用单杆液压缸的场合，无杆腔的进油量大于有杆腔的回油量，故在缸径、缸速相同的情况下，若节流阀的最小稳定流量相同，则进油节流调速回路能获得更低的稳定速度。,第八章 调速回路,16,旁路节流调速回路,图8-6旁路节流调路回路 a）回路图 b）速度负载特性,图8-6a采用节流阀的旁路节流调速回路。节流阀调节液压泵溢回油箱的流量，从而控制了进入液压缸的流量。改变节流阀的通流面积，即可实现调速。由于溢流已
12、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。,第八章 调速回路,17,速度负载特性,按照式（8-4）的推导过程，可得到旁路节流调速的速度负载特性方程。与前述不同之处主要是进入液压缸的流量q1为泵的流量qp与节流阀溢走的流量qT之差。由于在回路中泵的工作压力随负载而变化，正比于压力的泄漏量也是变量（前两回路中为常量），对速度产生了附加影响，因而泵的流量中要计入泵的泄漏流量qp,所以有：,式中 qt液压泵的理论流量；K1液压泵的泄漏系数；其他符号意义同前。,第八章 调速回路,18,所以，液压缸的速度负载特性为,（8-8）,式中: qt液压
13、泵的理论流量； K1液压泵的泄漏系数； 其他符号意义同前,根据式（8-8），选取不同的AT值可作出一组速度负载特性曲线，如图8-6b所示，由曲线可见， 当AT一定而负载增加时，速度显著下降，即特性很软； 当AT一定时，负载越大，速度刚度越大； 当负载一定时，AT越小（即活塞运动速度越高），速度刚度越大。,第八章 调速回路,19,最大承载能力,由图8-6b可知，速度负载特性曲线在横坐标上并不汇交，其最大承载能力随AT的增大而减小，即旁路节流调速回路的低速承载能力很差，调速范围也小。,功率和效率,旁路节流调速回路只有节流损失而无溢流损失，液压泵的输出压力随负载而变化，即节流损失和输入功率随负载而变
14、化，所以比前两种调速回路效率高。,由于旁路节流调速回路负载特性很软，低速承载能力又差，故其应用比前两种回路少，只用于高速、负载变化较小、对速度平稳性要求不高而要求功率损失较小的系统中。,第八章 调速回路,20,如图8-1b和图8-6b所示。旁路节流调速回路的承载能力亦不因活塞速度降低而减小，在负载增加时，液压泵的泄漏使活塞速度有小量的降低。但所有性能上的改进都是以加大流量控制阀的工作压差，也即增加液压泵的压力为代价的，调速阀的工作压差一般最小需0.5MPa，高压调速阀则需1.0MPa左右。,第八章 调速回路,21,容积调速回路是用改变液压泵或液压马达的排量来实现调速的。,优点：没有节流损失和溢
15、流损失，因而效率高，油液温升小，适用于高速、大功率调速系统。,缺点：变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。,根据油路的循环方式，容积调速回路分为开式回路或闭式回路。,开式回路：液压泵从油箱吸油，执行元件的回油直接回油箱。结构简单，油液在油箱中能得到充分冷却，但油箱体积较大，空气和脏物易进入回路。,闭式回路：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，空气和脏物不易进入回路，但油液的冷却条件差，需附设辅助泵补油、冷却和换油。补油泵的流量一般为主泵流量的10%15%，压力通常为0.31.0MPa左右。,第八章 调速回路,Part 8.3容积调速回路,22,变量泵和定量液压执行
16、元件容积调速回路,图8-13所示为变量泵和定量液压执行元件组成的容积调速回路，其中图8-13a的执行元件为液压缸。图8-13b的执行元件为液压马达，且是闭式回路。两图中的溢流阀2起安全作用，用以防止系统过载。图8-13b中，为了补充泵和马达的泄漏，增加了补油泵4，同时置换部分已发热的油液，降低系统的温升。溢流阀5用来调节补油泵的压力。,图8-13 变量泵定量执行元件容积调速回路 a）变量泵-缸 b）变量泵-定量马达 1变量泵 2安全阀 3定量执行元件 4补油泵 5溢流阀,图8-13a改变变量泵的排量即可调节活塞的运动速度v。若不考虑液压泵以外的元件和管道的泄漏，这种回路的活塞运动速度为 ：,第
17、八章 调速回路,23,图8-13 变量泵定量执行元件容积调速回路 a）变量泵-缸 b）变量泵-定量马达 1变量泵 2安全阀 3定量执行元件 4补油泵 5溢流阀,（8-23）,式中: qt变量泵的理论流量； k1变量泵的泄漏系数； 其他符号意义同前。,第八章 调速回路,24,图8-14 变量泵定量执行元件调速特性 a）变量泵-缸 b）变量泵-定量马达,如图8-14a所示为图8-13a回路的调速特性。由图可见，由于变量泵有泄漏，活塞运动速度会随负载F的加大而减小。F增大至某值时，在低速下会出现活塞停止运动的现象（图中F点），这时变量泵的理论流量等于其泄漏量。可见这种回路在低速下的承载能力是很差的。
18、,在图8-13b所示的变量泵-定量液压马达的调速回路中，若不计损失，马达的转速nM=qp/VM。因液压马达排量为定值，故调节变量泵的流量qp，即可对马达的转速nM进行调节。当负载转矩恒定时，马达的输出转矩（T=pMVM/2 ）和回路工作压力p都恒定不变，马达的输出功率（P=pMVMnM ）与转速nM成正比，故本回路的调速方式又称为恒转矩调速。,回路的调速特性见图6-20b。,第八章 调速回路,25,定量泵和变量马达容积调速回路,图8-17定量泵变量马达容积调速回路 a）回路图b）调速特性 1定量泵2安全阀3变量马达 4补油泵5溢流阀,图8-17a所示为由定量泵和变量马达组成的容积调速回路。定量
19、泵1输出流量不变，改变变量马达3的排量VM就可以改变液压马达的转速。2是安全阀，4是补油泵，5为调节补油压力的溢流阀。在这种调速回路中，由于液压泵的转速和排量为常值，当负载功率恒定时，马达输出功率PM和回路工作压力p都恒定不变，而马达的输出转矩与VM成正比，输出转速与VM成反比。所以这种回路称为恒功率调速回路，其调速特性如图8-17b所示。,此回路调速范围很小，且不能用来使马达实现平稳的反向。所以这种回路很少单独使用。,第八章 调速回路,26,变量泵和变量马达容积调速回路,图8-18a为采用双向变量泵和双向变量马达的容积调速回路。,一般工作部件都在低速时要求有较大的转矩，因此，这种系统在低速范
20、围内调速时，先将液压马达的排量调得最大，使马达获得最大输出转矩，由小到大改变泵的排量，直至达到最大值，液压马达转速随之升高，输出功率线性增加，此时液压回路处于恒转矩输出状态；若要进一步加大液压马达转速，则可改变变量马达的排量由大到小，此时输出转矩随之降低，而泵则处于最大功率输出状态不变，这时液压回路处于恒功率输出状态。,第八章 调速回路,27,容积节流调速回路采用压力补偿型变量泵供油，用流量控制阀调节进入或流出液压缸的流量来调节其运动速度，并使变量泵的输油量自动地与液压缸所需流量相适应。,特点：没有溢流损失，效率较高，速度稳定性比容积调速回路好。,应用：常用在速度范围大、中小功率的场合，例如组
21、合机床的进给系统等。,第八章 调速回路,Part 8.4容积节流调速回路,28,限压式变量泵和调速阀的调速回路,图8-19a所示为由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。该回路由限压式变量泵1供油，压力油经调速阀2进入液压缸3工作腔，回油经背压阀4返回油箱。,图8-19 限压式变量泵和调速阀的 容积节流调速回路 a）回路图 b）调速特性 1变量泵 2调速阀 3液压缸 4背压阀 5压力继电器 6安全阀,液压缸运动速度由调速阀中的节流阀来控制。设泵的流量为qp,则稳态工作时qp=q1。可是在关小调速阀的一瞬间，q1减小，而此时液压泵的输油量还未来得及改变，于是qpq1，因回路中阀6为安全阀，
22、没有溢流，故这时泵的出口压力升高，因而限压式变量泵输出流量自动减小，直至qp=q1；反之亦然。,由此可见，调速阀不仅能保证进入液压缸的流量稳定，而且可以使泵的流量自动地和液压缸所需的流量相适应，因而也可使泵的供油压力基本恒定（该调速回路也称定压式容积节流调速回路）。 这种回路中的调速阀也可装在回油路上，它的承载能力、运动平稳性、速度刚性等与相应采用调速阀的节流调速回路相同。,第八章 调速回路,29,图8-19 限压变量泵和调速阀的容积 节流调速回路 b）调速特性,图8-19b所示为这种回路的调速特性，由图可见，回路虽无溢流损失，但仍有节流损失，其大小与液压缸工作腔压力p1有关。液压缸工作腔压力
23、的正常工作范围是：,（8-30）,式中，p为保持调速阀正常工作所需的压差，一般应0.5MPa以上；其他符号意义同前。,第八章 调速回路,30,（8-31）,在速度低、负载小的场合，这种调速回路的效率很低。,当p1=p1max时，回路中的节流损失为最小（见图8-19b）此时泵的工作点为a，液压缸的工作点为b；若p1减小（b点向左移动），节流损失加大。这种调速回路的效率为,式中没有考虑泵的泄漏损失，当限压式变量泵达到最高压力时，其泄漏量为8%左右。泵的输出流量越小，泵的压力pp就越高；负载越小，则式（8-31）中的压力p1便越小。,第八章 调速回路,31,差压式变量泵和节流阀的调速回路,图8-21
24、 差压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路 1变量泵 2节流阀 3液压缸 4背压阀 5安全阀,图8-21所示为差压式变量泵和节流阀组成的容积节流调流回路，该回路的工作原理与上述回路基本相似。节流阀2控制进入液压缸3的流量q1，并使变量泵1输出流量qp自动和q1相适应。当qpq1时，泵的供油压力上升，泵内左、右两个控制柱塞便进一步压缩弹簧，推动定子向右移动，减小泵的偏心，使泵的流量减小到qp=q1。反之亦然。,第八章 调速回路,32,在这种调速回路中，作用在液压泵定子上力的平衡方程 ：,式中 A、A1分别为控制缸无柱塞腔的面积和柱塞的面积；pp、p1分别为液压泵供油压力和液压缸工作腔压力；Fs控制
25、缸中的弹簧力。,由式可知，节流阀前后压差p=pp-p1基本上由作用在泵控制柱塞上的弹簧力来确定。由于弹簧刚度小，工作中伸缩量也很小，所以Fs基本恒定，则p也近似为常数。因此通过节流阀的流量就不会随负载而变化，这和调速阀的工作原理相似。,第八章 调速回路,33,特点：调速范围只受节流阀调节范围的限制；能补偿由负载变化引起的泵的泄漏变化；没有溢流损失，泵的供油压力随负载而变化，回路中的功率损失也只有节流阀处压降p所造成的节流损失一项，因而它的效率较前一种调速回路高，且发热少。,只要适当控制p(一般p0.3MPa)，就可以获得较高的效率。因此，这种回路宜用在负载变化大，速度较低的中、小功率场合，如某些组合机床的进给系统中。,上述两种容积节流调速回路，由于液压泵的输出流量能与阀的调节流量自动匹配，因此是流量适应性回路，节省能量消耗。,34,第八章 调速回路,Part 8.5三类调速回路的比较和选用,1、比较,见表8-2,2、选用,执行元件的运动速度和负载性质 功率 设备费用,
