1、第七章 液压基本回路所谓基本回路就是能够完成某种特定控制功能的液压元件和管道的组合。例如用来调节液压泵供油压力的调压回路，改变液压执行元件工作速度的调速回路等都是常见的液压基本回路，所谓全局为局部之总和，因而熟悉和掌握液压基本回路的功能，有助于更好地分析、使用和设计各种液压传动系统。7.1 压力控制回路压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统整体或某一部分的压力，以满足液压执行元件对力或转矩要求的回路，这类四路包括调压、减压、增压、卸荷和平衡等多种回路。7.1.1 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
2、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，则可采用多级调压回路。（1） 单级调压回路如图 4-16a 所示，在液压泵 1 出口处设置并联的溢流阀 2，即可组成单级调压回路，从而控制了液压系统的最高压力值。（2） 二级调压回路如图 6-1a，可实现两种不同的压力控制。 （3） 多级调压回路 如图 6-1b 所示的由溢流阀 1、2、3 分别控制系统的压力，从而组成了三级调压回路。在这种调压回路中，阀 2 和阀 3 的调定压力要小于阀 1 的调定压力，但阀 2 和阀 3 的调定压力之间没有什么一定的关系。7.1.2 减压回路减压回路的功用是使系统中的某一部分油路具有
3、较低的稳定压力。最常见的减压回路通过定值减压阀与主油路相连，如图 62 所示。回路中的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，起短时保压之用。减压回路中也可以采用类似两级或多级调压的方法获得两级或多级减压，图 62b 所示为利用先导型减压阀 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，但要注意，阀 2 的调定压力值一定要低于阀 1 的调定压力值。为了使减压回路工作可靠起见，减压阀的最低调整压力不应小于 0.5Mpa，最高调整压力至少应比系统压力小 0.5MPa。当减压回路中的执行元件需要调速时，调速元件应放在减压阀的后面，以避免减压阀泄漏（指由减压
4、阀泄油口流回油箱的油液）对执行元件的速度发生影响。7.1.3 增压回路当液压系统中的某一支油路需要压力较高但流量又不大的压力油，若采用高压泵不经济，或者根本就没有这样高压力的液压泵时，就要采用增压回路。（1） 单作用增压缸的增压回路如图 6-3a 所示，间歇增压（2） 双作用增压缸增压回路 如图 6-3b 所示，连续增压7.1.4 卸荷回路卸荷回路的功用是在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下，使液压泵在功率损耗接近于零的情况下运转，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电机的寿命。可分：流量卸荷和压力卸荷。流量卸荷主要是使用变量泵，使泵仅为补偿泄漏而以最小流量运转，此方法比较简单，但泵仍处在高
5、压状态下运行，磨损比较严重。压力卸荷的方法是使泵在接近零压下运转，常见的压力卸荷方式有以下几种：（1）换向阀卸荷回路 M、H 和 K 型中位机能的三位换向阀处于中位时，泵即卸荷，如图64 所示为采用 M 型中位机能的电液换向阀的卸荷回路。这种回路切换时压力冲击小，但回路中必须设置单向阀，以使系统能保持 03MPa 左右的压力，供操纵控制油路之用。（2）用先导型溢流阀卸荷的卸荷回路图 6la 中若去掉阀 4，使先导型溢流阀的远程控制口直接与二位二通电磁阀相连，便构成一种用先导型溢流阀的卸荷回路。这种卸荷回路卸荷压力小，切换时冲击也小。（3）双泵供油回路中利用顺序阀作卸荷阀在双泵供油回路中利用顺序
6、阀作卸荷阀的卸荷方式，详见图 6-19。（4）限压式变量泵的卸载回路限压式变量泵的卸载回路为零流量卸载，如图所示，当液压缸 3 活塞运动到行程终点或换向阀 2 处于中位时，泵 1 的压力升高，流量减小，当压力接近压力限定螺钉调定的极限值时，泵的流量减小到只补充液压缸或换向阀的泄漏，回路实现保压卸载。系统中的溢流阀 4 作安全阀用，以防止泵的压力补偿装置的零漂和动作滞缓导致压力异常。（5）有蓄能器的卸载回路图 d 是系统中有蓄能器的卸载回路。当回路压力到达卸载溢流阀 2 的调定值时，定量泵通过阀 2 卸载，由蓄能器 3 保持系统压力，补充系统泄漏；当回路压力下降低于卸荷溢流阀 2 的调定值时,
7、阀 2 关闭, 定量泵恢复向系统供油。7.1.5 保压回路保压回路就是使系统在液压缸不动或仅有工件变形所产生的小位移下稳定地维持住压力。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。常用的保压回路有：（1）利用液压泵保压的保压回路 利用液压泵的保压回路也就是在保压过程中，液压泵仍以较高的压力（保压所需压力）工作。此时，若采用定量泵则压力油几乎全经溢流阀流回油箱，系统功率损失大，易发热，故只在小功率的系统且保压时间较短的场合下才使用；若采用变量泵，在保压时泵的压力较高，但输出流量几乎等于零。因而，液压系统的功率损失小。（2）利用蓄能
8、器的保压回路如图 6-5 所示。（3）自动补油保压回路如图 6-6 所示7.1.6 平衡回路平衡回路的功用在于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。（1） 为采用单向顺序阀的平衡回路。图 6-7a 为采用单向顺序阀的平衡回路。这种回路当活塞向下快速运动时功率损失大，锁住时活塞和与之相连的工作部件会因单向顺序阀和换向阀的泄漏而缓慢下落；因此它只适用于工作部件重量不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。 （2）采用液控顺序阀的平衡回路图 6-7b 为采用液控顺序阀的平衡回路。这种平衡回路的优点是只有上腔进油时活塞才下行，比较安全可靠，缺点是活塞下行时平稳性较差；因此这种回路适
9、用于运动部件重量不很大，停留时间较短的液压系统中。 （3）采用液控单向阀的平衡回路如图所示。由于液控单向阀是锥面密封，泄漏量小，故其闭锁性能好，活塞能够较长时间停止不动。回油路上串联单向节流阀 2，用于保证活塞下行运动的平稳。假如回油路上没有节流阀，活塞下行时液控单向阀 1 被进油路上的控制油打开：回油腔没有背压，运动部件由于自重而加速下降，造成液压缸上腔供油不足，液控单向阀 1 因控制油路失压而关闭。阀 1 关闭后控制油路又建立起压力，阀 1 再次被打开。液控单向阀时开时闭，使活塞在向下运动过程中产生振动和冲击。7.2 速度控制回路液压传动系统中速度控制回路包括调节液压执行元件的速度的调速回
10、路、使之获得快速运动的快速回路、快速运动和工作进给速度以及工作进给速度之间的速度换接回路。7.2.1 调速回路调速是为了满足液压执行元件对工作速度的要求，在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 液压马达的转速： 由以上两式可知，改变输入液压执行元件的流量 q 或改变液压缸的有效面积 A（或液压马 达的排量 VM）均可以达到改变速度的目的。但改变液压缸工作面积的方法在实际中是不现实 的，因此，只能用改变进入液压执行元件的流量或用改变变量液压马达排量的方法来调速。为了改变进入液压执行元件的流量，可采用变量液压泵来供油，也可采用定量泵和流量控制阀， 以改变通过流量阀流量的方法。用
11、定量泵和流量问阀来调速时，称为节流拥速；用改变变量泵或变量液压马达的排量调速时，称为容积调速；用变量泵和流量阀来达到调速目的时，则称 为容积节流调速。（1）节流调速回路节流调速回路的工作原理是通过改变回路中流量控制元件（节流阀和调速阀）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。根根流量阀在回路中的位置不同，分为进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种回路。前两种回路称为定压式节流调速回路，后一种由于回路的供油压力随负载的变化而变化又称为变压式节流调速回路。1）进油节流调速回路（a）速度负载特性缸稳定工作时有 式中，P1 为进油腔压力；P2 为出油腔压力，P
12、2=0；F 为液压缸的负载；A1 为液压缸无杆腔面积；A2 为液压缸有杆腔面积，AT 为节流阀通流面积。故节流阀两端的压差为节流阀进入液压缸的流量为液压缸的运动速度为这种回路的调速范围较大，当 AT 调定后，速度随负载的增大而减小，故负载特性软。适用于低速轻载场合。（b）最大承载能力 （c）功率和效率在节流阀进油节流调速回路中，液压泵的输出功率为 常量，而液压缸的输出功率为 ，所以该回路的功率损失为式中，q y为通过溢流阀的溢流量，q y=qp-q1由上式可以看出，功率损失由两部分组成，即溢流损失功率和节流损失功率。（d）回路效率为 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
13、定或变化很小时， 可达 0.2-0.6；当负载变化时，回路的最大效率为 0.385。2）回油节流调速回路（a）速度负载特性式中，P 1为进油腔压力；P 2为出油腔压力，P 2=0；F 为液压缸的负载；A 1为液压缸无杆腔面积；A 2为液压缸有杆腔面积，A T为节流阀通流面积。比较式(6-5)和式(6-3)可以发现，回油路节流调速和进油路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。因此对进油路节流调速回路的一些分析对回油路节流调速回路完全适用。 （b）最大承载能力回油路节流调速的最大承载能力与进油路
14、节流调速相同，即 （c）功率和效率（d）回路效率为 液压泵的输出功率与进油路节流调速相同，即 常量，液压缸的输出功率为回路的功率损失为 因此可以认为进油节流调速回路的效率和回油节流调速回路的效率相同。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高，特别是在负载变化大，尤其是当 F=0 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调速回路要低。 进油与回油路节流调速回路不同之处：a)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
15、前冲，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。b)停车后的启动性能 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，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。c)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化，当工作部件碰到止挡块而停止后，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而变化，当工作部件碰到止挡块后，其压力将降至零，虽然也可以利用这
16、一压力变化来实现压力控制，但其可靠性差，一般均不采用。d)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。e)运动平稳性 在回油节流调速回路中，由于有背压力存在，它可以起到阻尼作用，同时空气也不易渗入，而在进油节流调速回路中则没有背压力存在，因此，可以认为回油节流调速回路的运动平稳性好一些；但是，从另一个方面讲，在使用单出杆液压缸的场合，无杆腔的进油量大于有杆腔的回油量。故在缸径、缸速均相同的情况下，进油节流调速回路的节流
17、阀通流面积较大,低速时不易堵塞。因此，进油节流调速回路能获得更低的稳定速度。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，使其兼具两者的优点。3）旁油路节流调速回路如图 6-10a 所示的为采用节流阀的旁路节流调速回路，节流阀调节了液压泵溢回油箱的流量，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 1.1-1.2 倍，故液压泵工作过程中的压力完全取决于负载而不恒定，所以这种凋速方式又称变压式节流调速。(a) 速度负载特性(b) 最大承载能力由图 6
18、-10b 可知，速度负载特性曲线在横坐标上并不汇交，其最大承载能力随节流阀通流面积 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。(c) 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，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化，所以比前两种调速回路效率高。旁油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、重载，对速度平稳性要求不高的较大功率系统中，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。4）采用调速阀的节流调速回路使用节流阀的节流调速回路，速度负载特性都比较“软“，变载荷下的运动平稳性都比较差，为了克服这个缺
19、点，回路中的节流阀可用调速阀来代替，由于调速阀本身能在负载变化的条件下保证节流阀进出油口间的压差基本不变，因而使用调速阀后，节流调速回路的速度负载特性将得到改善。调速阀的工作压差一般最小须 05MPa，高压调速阀需 1.0MPa 左右。（2）容积调速回路容积调速回路是用改变泵或马达的排量来实现调速的。主要优点是没有节流损失和回流损失，因而效率高，油液温升小，适用于高速、大功率调速系统。缺点是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，容积调速回路可以分为开式回路或闭式回路。在开式回路中液压泵从油箱吸油，液压执行元件的回油直接回油箱，这种回路结构简单，油液在油箱中能得到充分冷却，
20、但油箱体积较大，空气和赃物易进入回路。在闭式回路中，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，空气和赃物不易进入回路，但油液的冷却条件差，先附设辅助泵补油、冷却和换油。补油泵的流量一般为主泵流量的 10%15%。容积调速回路通常有三种基本形式：变量泵和定量液压执行元件组成的容积调速回路；定量泵和变量马达组成的容积调速回路；变量泵和变量马达组成的容积调速回路。1）变量泵和定量液压执行元件的容积调速回路图 611a 的执行元件为液压缸，图 611b 中的执行元件为液压马达。在图 6-11a 中，改变变量泵的排量即可调节活塞的运动速度 v，2 为安全阀，限制回路中的最大压力。若
21、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式中，q t为变量泵的理论流量；k l为变量泵的泄漏系数；其余符号意义同前。将上式按不同的 qt值作图，可得一组平行直线，如图 6-12a 所示。由于变量泵有泄漏，活塞运动速度会随负载的加大而减小。负载增大至某值时，在低速下会出现活塞停止运动的现象(图 6-12a 中，F点)，这时变量泵的理论流量等于泄漏量，可见这种回路在低速下的承载能力是很差的。在图 6-11b 所示的变量泵定量液压马达的调速回路中，若不计损失，调节变量泵的流量 qp 即可对马达的转速进行调节，同样当负载转矩恒定时，马达的输出转矩 T 和回路工作压力 p 都恒定不变
22、，所以马达的输出功率 P 与转速成正比关系变化，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 6-12b所示。2）定量泵和变量马达的容积调速回路如图 6-13a 所示的为由定量泵和变量马达组成的容积调速回路。由于液压泵的转速和排量均为常数，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，因为马达的输出转矩 TM 与马达的排量 VM 成正比，马达的转速则与 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 6-13b 所示。3）变量泵和变量马达容积调速回路如图 6-14a 所示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
23、的转矩，因此，这种系统在低速范围内调速时，先将液压马达的排量调为最大(使马达能获得最大输出转矩)，然后改变泵的输油量，当变量泵的排量由小变大，直至达到最大输油量时，液压马达转速亦随之升高，输出功率随之线性增加，此时液压马达处于恒转矩状态；若要进一步加大液压马达转速，则可将变量马达的排量由大调小，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，故液压马达亦处于恒功率输出状态。（3）容积节流调速回路容积节流调速回路的工作原理是采用压力补偿型变量泵供油，用流量控制阀调定进入液压缸或由液压缸流出的流量来调节液压缸的运动速度，并使变量泵的输油量自动地与液压缸所需的流量相适应，这种调速回路没有溢流损
24、失，效率较高，速度稳定性也比单纯的容积调速回路好，常用在速度范围大，中小功率的场合，例如组合机床的进给系统等。1） 限压式变量泵和调速阀的容积节流调速回路如图 6-15a 所示为由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流联合调速回路。图 6-15b 所示为调速回路的调速特性，由图可见，这种回路虽无溢流损失，但仍有节流损失，其大小与液压缸工作腔压力 p1 有关。液压缸工作腔压力的正常工作范围是式中，p 为保持调速阀正常工作所需的压差，一般应在 0.5MPa 以上。当 p1=p1max 时，回路中的节流损失为最小。调速回路的效率为泵的输出流量愈小，泵的压力就愈高；负载愈小，则上式中的压力 p1 便愈小。
25、因而在速度小(qp 小)、负载小(p1 小)的场合下，这种调速回路效率就很低。2）差压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路图 6-16 所示为差压式变量泵和节流阀组成的容积节流调速回路，该回路的工作原理与上述回路基本相似。作用在液压泵定子上的力的平衡方程为式中，A 1、A 2分别为控制缸无柱塞腔的面积和柱塞的面积；p p、p 1分别为液压泵供油压力和液压缸工作腔压力；Fs 为控制缸中的弹簧力。节流阀前后压差 p 基本上由作用在泵控制柱塞上的弹簧力来确定的，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，所以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
26、似。因此，这种调速回路的性能和上述回路不相上下，它的调速范围也是只受节流阀调节范围的限制。此外，这种回路因能补偿由负载变化引起的泵的泄漏变化，因此它在低速小流量的场合使用性能尤佳。在这种调速回路中，不但没有溢流损失，而且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处压降p 所造成的节流损失一项，因而它的效率较限压式变量泵和调速阀的调速回路要高，且发热少，这种回路的效率表达式为 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。7.2.2 快速运动回路快速运动回路又称增速回路，其功用在于使液压执行元件获得所需的高速，以提高系统的工作效率或充分利用功率。（1）
27、液压缸差动连接回路如图 6-17a 所示的回路是利用二位三通换向阀实现的液压缸差动连接回路，这种连接方式，可在不增加液压泵流量的情况下提高液压执行元件的运动速度，但是，泵的流量和有杆腔排出的流量合在一起流过的阀和管路应按合成流量来选择，否则会使压力损失过大，泵的供油压力过大，致使泵的部分压力油从溢流阀溢回油箱而达不到差动快进的目的。若设液压缸无杆腔的面积为 Al，有杆腔的面积为 A2，液压泵的出口至差动后合成管路前的压力损失为 p i，液压缸出口至合成管路前的压力损失为p 0。，合成管路的压力损失为 p c, 如图 6-17b 所示，则液压泵差动快进时的供油压力 pp可由力平衡方程求得，如 A
28、1=2A2，即其中，F 为差动快进时的负载（2）采用蓄能器的快速运动回路如图 6-18 所示为采用蓄能器的快速运动回路，采用蓄能器的目的是可以用流量较小的液压泵。（3）双泵供油回路图 6-19 所示为双泵供油快速运动回路，图中 l 为大流量泵，用以实现快速运动；2 为小流量泵，用以实现工作进给。这种双泵供油回路的优点是功率损耗小，系统效率高，应用较为普遍，但系统也稍复杂一些。 （4）用增速缸的快速运动回路如图 6-20 所示为采用增速缸的快速运动回路这种回路常被用于液压机的系统中。7.2.3 速度换接回路速度换接回路的功能是使液压执行机构在一个工作循环中从一种运动速度变换到另一种运动速度，因而
29、这个转换不仅包括液压执行元件快速到慢速的换接，而且也包括两个慢速之间的换接。实现这些功能的回路应该具有较高的速度换接平稳性。（1）快速与慢速的换接回路图 617 和图 620 所示的快速运动回路都可以使液压缸的运动由快速转换为慢速。图 621 所示的为用行程阀来实现快慢速换接的回路。这种回路的快慢速换接过程比较平稳，换接点的位置比较准确。缺点是行程阀的安装位置不能任意布置，管路连接较为复杂。若将行程阀改为电磁阀，安装连接比较方便，但速度换接的平稳住、可靠性以及换向精度都较差。（2）两种慢速的换接回路图 622 所示为用两个调速阀来实现不同工进速度的换接回路。图 622a中的两个调速阀并联，由换
30、向阀实现换接。这种回路不宜用于在工作过程中的速度换接，只可用在速度预选的场合。图 6-22b 所示为两调速阀串联的速度换接回路。7.3 多缸工作控制回路在液压系统中，如果由一个油源给多个液压缸输送压力油，这些液压缸会因压力和流量的彼此影响而在动作上相互牵制，必须使用一些特殊的回路才能实现预定的动作要求。7.3.1 顺序动作回路顺序动作回路的功用是使多缸液压系统中的各个液压缸严格地按规定的顺序动作。按控制方式不同，可分为行程控制和压力控制两大类。（1）行程控制的顺序动作回路图 6-23a 所示为行程阀控制的顺序动作回路。这种回路工作可靠，但动作顺序一经确定再改变就比较困难，同时管路长，布置较麻烦。图 6-23b 所示为由行程开关控制的顺序动作回路。这种回路的优点是控制灵活方便，但其可靠程度主要取决于电气元件的质量。
