77直播app下载最新版 速度控制器的调速回路

    一、调速回路

    调速回路是用来调节执行元件运动速度的。可从执行元件运动速度的表达式中寻找改变运动速度的方法。液压缸的速度为v=q/A（q为流量，A为液压缸的工作面积），液压马达的转速为nm=q/Vm(Vm为液压马达的排量)，那么改变运动速度（转速）可通过改变q或A (Vm)来实现，而工作中面积A改变较难，故合理的调速途径是改变流量g（流量阀或变量泵）和使用排量V_m可变的变量马达。根据上述分析，调速回路有以下三种形式。

    节流调速——采用定量泵供油，依靠流量控制阀调节流人或流出执行元件的流量实现变速。

    容积调速——依靠改变变量泵或改变变量液压马达的排量来实现变速。

    容积节流调速（联合调速）——依靠变量泵和流量控制阕的联合调速。其特点是由流量控制阀改变输入或流出执行元件的流量来调节速度，同时又通过变量泵的自身调节过程使其输出的流量和流量阀所控制的流量相适应。

    调速回路的基本要求是：在一定的范围内调节执行元件的速度，满足要求的zui大速比；提供驱动执行元件所需的力或转矩；负载变化时，速度稳定不变或在允许的范围内变化，即液压系统具有足够的速度刚性；功率损失要小。

    1．节流调速回路

    节流调速回路根据流量控制阀在回路的位置不同可分为进口节流、出口节流和旁路节流三种；根据流量控制阀的类型不同可分为普通节流阀的节流调速回路和调速阀的节流调速回路。

    (1)普通节流阀的节流调速回路

    ①进口节流调速回路

    a．油路组成及调速原理。进口节流调速回路主要由定量泵、溢流阀、节流阀、执行元件——液压缸等组成，节流阀装在液压缸的进油路上，即串联在定量泵和液压缸之间，溢流阀与其并联成一溢流支路，如图X(a)所示。

    通过调节节流阀的阀口大小（即其通流面积），则改变了并联支路的油流分配（如调小节流阀阀口时，将减小进口油路的流量，增大溢流支路的溢流量），也就改变了进入液压缸的流量，从而调节执行元件的运动速度。必须注意，在这种调速回路，节流阀和溢流阀合在一起才起调速作用，因为定量泵多余的油液须通过溢流阀流回油箱。由于溢流阀有溢流，泵的出口压力就是溢流阀的调整压力，并基本保持定值。

    b．性能特点

    1．速度一负载特性。速度一负载特性是指执行元件的速度随负载变化而变化的性能。这一性能可用速度一负载特性曲线来描述。

    当液压缸在稳定工作时（即液压缸克服外负载力F作等速运动时），其受力平衡方程式为

                           p₁A₁=p₂A₂+F                         (7-1)

式中  A₁，A₂——液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积；

      p_l，p₂——液压缸进、回油腔的压力。

    由于回油腔通油箱，不计管路的压力损失时，p2可视为零，则

                           p₁ =F/A₁                            (7-2)

    节流阀前后压力差为

                         △p=p_p-p₁=p_p-F/A₁                      (7-3)

    液压泵的供油压力p_p由溢流阀调定后基本不变，因此节流阀前后压差△p将随负载F的变化而变化。

    根据节流阀的流量特性方程，通过节流阀的流量为

                      q₁=KA_v(△p)m=KA_V（p_P-F/A₁）^m               (7-4)

式中Av——节流阀阀口的通流面积。

    则活塞的运动速度为

                      v=q₁/A₁=KA_v/A₁(p_P-F/A₁)^m                 (7-5)

    此为进口节流调速回路的速度一负载特性，它反映了在节流阀通流面积A_v一定的情况下，活塞速度v随负载F的变化关系。若以v为纵坐标，以F为横坐标，以A_v为参变量，则可绘出如图X(b)所示的速度一负载特性曲线。

    由图X(b)和式(7-5)可知，当其他条件不变时，活塞的运动速度v与节流阀的通流面积A_v成正比，故调节A_v就可调节液压缸的速度。由于薄壁小孔节流阀的zui小稳定流量很小，故可得到较低的稳定速度。这种调速回路的调速范围（zui高速度和zui低速度之比）大，一般可大于100。威斯特

    由图X(b)和式(7-5)还可知，当节流阀的通流面积A_v一定时，随着负载F的增加，节流阀两端压差减小，活塞的运动速度v按抛物线规律下降。通常负载变化对速度的影响程度用速度刚度T_v表示。所谓速度刚度就是速度负载特性曲线上某点切线斜率的倒数，斜率越小即曲线越平，速度刚度越大，负载变化对速度的影响越小，速度的稳定性就越好。

    根据速度刚度的定义，则有

       T_v=-ρF/ρv=-1/ρv/ρF=-tanα                 (7-6)

    式中，α表示速度一负载特性曲线上某一点的切线角。因随着负载的增加，速度将下降。为保持T_v为正值，在式(7-6)前加一负号。

    由式(7-5)、式(7-6)可求得速度刚度为

                      T_v=A²₁/KA_vm(p_P-F/A₁)^1-m                  (7-7)

    由式(7-7)及图X可以看出，当节流阀通流面积A_v一定时，负载F越小，速度刚度越大；当负载F-定时，节流阀通流面积A_v越小，速度刚度越大；适当增加液压缸的有效工作面积A_v和提高液压泵的供油压力p_P可提高速度刚度。

    由上述分析可知，这种调速回路在低速小负载时的速度刚度较高，但在低速小负载的情况下功率损失较大，效率较低。

    ii．zui大承载能力。由图X(b)可以看出，三条（多条也一样）特性曲线交于横坐标轴上的一点，该点对应的F为zui大负载，这说明在p_P调定的情况下，不论A_v如何变化，液压缸的zui大承载能力F_max是不变的，即zui大承载能力与速度调节无关。因zui大负载时缸停止运动，令式(7-5)等于零，得F_max值为

                            F_max=p_PA₁                         (7-8)

    故这种调速方式称为恒推力调速（执行元件是液压马达时为恒扭矩调速）。

    iii功率和效率。液压泵的输出功率为  P_p =p_Pq_P=常量

    液压缸输出的有效功率为  P_l=F_v=F(q_l/A₁)=p₁q_l

    回路的功率损失（不考虑液压缸、管路和液压泵上的功率损失）为

△P =P_p-P₁=p_Pq_P-p₁q₁

=p_P(q_l+q₃)-(p_P-△p)q₁

=p_Pq₃+△pq₁                            (7-9)

    从式(7-9)可知，这种调速回路的功率损失由溢流损失p_Pq2和节流损失Δpq₁两部分组成。

    而回路的效率η为

                          η=P₁/P_p =p₁q₁/p_Pq_P                 (7-10)

    由于两种损失的存在，故回路效率较低，特别是速度低、负载小时更是如此。

②出口节流调速回路

    a.油路组成及调速原理这种调速回路和进口节流调速回路的组成相同，只是将节流阀串联在液压缸的回油路上，如图Y所示，借助节流阀控制液压缸的排油量q₂实现速度调节。由于进入液压缸的流量q₁受到回油路上排油量q₂的限制，因此用节流阀来调节液压缸排油量q₂，也就调节了进油量q₁。定量泵多余的油液经溢流阀流回油箱。

    b.性能特点

    i.速度-负载特性。如图Y所示，其受力平衡方程式为

                            p₁A₁=p₂A₂+F                          (7-11)

    节流阀前后压差为

                   △p=p₂=（p_P-F/A₁）=1/n（p_P-F/A₁）             (7-12)

    式中，n为活塞两腔的工作面积比，n=A₂/A₁。

    通过节流阀的流量为

                     q₂ =KA_v(△p)m=KA_v-/nm（p_P-F/A₁）^m              (7-13)

    则活塞的运动速度为

                 v=q₂/A₂=KA_v/A₂n^m(p_P-E/A₁)^m=KA_v/A₁n^m+1(p_P-F/A₁)^m      (7-14)

    速度刚度为

                         T_v=(p_P-F/A₁)^1-m                 (7-15)

    比较式(7-7)与式(7-15)，出口节流调速比进口节流调速仅多一个常系数n^m+l，所以其速度一负载特性和速度刚度与进口节流调速相似。如果都使用的是双活塞杆液压缸(n=1)，则两种回路的速度一负载特性和速度刚度的公式*相同。

    ii．通过以上分析可知，两者在速度一负载特性、zui大承载能力及功率特性等方面是相同的，它们通常都适用于低压、小流量和负载变化不大的液压系统。

    c．进、出口节流调速回路的比较上述分析表明，进、出口节流调速回路在速度一负载特性、承载能力和效率等方面性是相同的。但在选用这两种回路时，应注意两者在以下几方面的明显差别。

    i．承受负值负载的能力及运动平稳性。所谓负值负载（即超越负载）是指负载作用力的方向和执行元件运动方向相同，如铣床的顺铣等工况下工作时均属负值负载。出口节流调速回路中由于在回油路上有节流阀，形成局部阻力，使液压缸回油腔产生背压，而且运动速度越快，液压缸的背压也越高，背压力就形成了一个阻尼力。由于这个阻尼力的存在，在负值负载作用下，液压缸的速度仍受到限制；不会产生速度失控现象，即运动的平稳性较好；而进口节流调速回路中回油腔无背压，在负值负载作用下，执行元件被拉了向前运动，由予前腔中液体不能承受拉力，将使活塞运动速度失去控制，故进口节流调速回路不能承受负值负载（如果要使进口节流调速回路承受负值负载，需在回油路上加背压阀），且当负载突然减小时，因无背压将产生突然快进的前冲现象，所以这种回路的运动平稳性差。

    ii．回油腔压力。出口节流调速回路中回油腔压力较高，特别是在轻载时，回油腔压力有可能比迸油腔压力还要高。这样就会使密封摩擦力增加，降低密封件寿命，并使泄漏增加、效率降低。

    ii油液发热对泄漏的影响。油液流经节流阀时会产生能量损失并且发热。在出日节流调速回路中油液是经节流阀回油箱，通过油箱散热冷却后再重新进入泵和液压缸，因此对液压缸的泄漏、稳定性等无影响；而在进口节流调速回路中，经节流阀后发热的油液直接进入液压缸，因此会影响液压缸的泄漏，从而影响容积效率和速度的稳定性。

    iv.启动时的前冲。在出口节流调速回路中，若停车时间较长，液压缸回油腔中要漏掉部分油液，形成空隙。重新启动时，液压泵全部流量进入液压缸，使活塞以较快速度前冲一段距离，直到消除回油腔中的空隙并形成背压为止。这种启动时的前冲现象可能会损坏机件。但对于进口节流调速回路，只要在启动时关小节流阀，就能避免前冲。

    V.实现压力控制的难易。进口节流调速回路较易实现压力控制，因为当工作部件在行程终点碰到死挡块（或压紧工件）以后，缸的进油腔油压会上升到某一数值，利用这个压力变化，可使并接于此处的压力继电器发出电气信号，对系统的下一步动作（例如另一液压缸的运动）实现控制。而在出口节流调速时，进油腔压力没有变化，不易实现压力控制。虽然在工作部件碰死挡块后，缸的回油腔压力下降为零，可以利用这个变化值使压力继电器实现降压发信，但电气控制线路比较复杂，且可靠性也不高。

③旁路节流调速回路

    a．油路组成及调速原理图Z (a)所示为节流阀的旁路节流调速回路，这种回路与进、出口节流调速回路的组成相同，主要区别是将节流阀安装在与液压缸并联的迸油支路上，此时回路中的溢流阀作安全阀用，正常工作时处于常闭状态。

其调速原理为：定量泵输出的流量q_P，其中一部分流量q₃通过节流阀流回油箱，另一部分q₁进入液压缸，推动活塞运动。如果流量q₃增多，流量q₁就减少，活塞的速度就慢；反之，活塞的速度就快。因此，调节通过节流阀的流量q₃，就间接地调节了进入液压缸的流量q₁，也就调节了活塞的运动速度v。这里，液压泵的供油压力p_P(在不考虑路损失时）等于液压缸进油腔的工作压力p₁，其大小决定于负载F；安全阀的调定压力应大于zui大的工作压力，它仅在回路过载时才打开。

    b．性能特点

    i．速度-负载特性。这种回路的速度一负载特性用上述同样的分析方法求得活塞的运动速度为

                       v=q₁/A₁=q_pt/A₁-k_pF/A₁²-KA_v/A₁(F/A₁)^m        (7-16)

    此为旁路节流调速回路的速度一负载特性，对应的速度一负载特性曲线如图Z(b)所示。

    因而速度刚度为

                           Tv=                 (7-17)

    由图Z(a)和式(7-17)可以得出：当节流阀的通流面积A_v一定而负载增加时，速度明显下降；当节流阀的通流面积一定时，负载越大，速度刚度越大；当负载一定时，节流阀的通流断面积越小，速度刚度越大；增大活塞面积可提高速度刚度。

    可见，旁路节流调速回路在速度较高、负载大时，速度刚度相对较高，这与前两种调速回路正好相反。应当注意，在这种调速回路中，速度稳定性除受液压缸和阀的泄漏影响外，还受液压泵泄漏的影响。当负载增大，工作压力增加时，泵的泄漏量增加，使进入液压缸的流量q₁相对减少，活塞速度降低。由于泵的泄漏比液压缸和阀的要大得多，所以它对活塞运动速度的影响就不能忽略。因此旁路节流调速回路的速度稳定性比前两种回路还要差。

    ii．zui大承载能力。由图7-26(b)可看出，旁路节流调速回路能承受的zui大负载F_max随着活塞运动速度的降低而减少。zui大负载值可在式(7-16)中令v=o时得到。这时液压泵的全部流量q_p都经节流阀流回油箱。著继续增大节流阀的通流面积已不起调节作用，只能使系统压力降低，其zui大承载能力也随之下降。因此，这种调速回路的zui大承载能力在低速时低，调速范围也较小。

    叭功率和效率。旁路节流调速回路只有节流损失而无溢流损失，液压泵的输出功率随着工作压力P₁的增减而增减。因而回路的效率比前两种回路要高。

    但是旁路节流调速回路速度一负载特性较差，一般只用在功率较大、对速度稳定性要求很低的场合，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。

    (2)采用调速阀的节流调速回路

    由前面分析可知，采用节流阀的上述三种调速回路都存在着相同的问题：由于负载的变化引起节流阀前、后压差的变化，导致执行元件的速度也相应地发生变化，即速度稳定性差。所以在负载变化较大而又要求速度稳定时，这些调速回路就不能满足要求。为使速度稳定，就要使节流阀前、后压差在负载变化的情况下保持不变。如果用调速阀代替回路中的节流阀，由于调速阀在其进口或出口压力变化的情况下，调速阀中的减压阀能自动调节其开口的大小，使调速阀中的节流阀前后压差不受负载变化的影响，基本保持不变。即在负载变化的情况下，通过调速阀的流量基本不变，因而可以大大提高回路的速度刚度、改善速度的稳定性。这就是采用调速阀的节流调速回路。

图7-27所示为采用调速阀的进口、出口和旁路节流调速回路的速度一负载曲线，实线是采用调速阀的，点画线是采用节流阀的。从速度一负载特性曲线来看，在调速阀正常工作范围内，速度刚度得到了极大的提高，其zui大承载能力也将不再受节流口变化的影响，速度的稳定性也得以改善。

    不过，这些性能上的改善是以加大整个流量控制阀的工作压差为代价的，必须保证调速阀工作压差zui少要为0.5MPa，否则调速阀的减压阀不起作用，仅相当于节流阀。从速度负载特性曲线上看，即实线与点画线重合的部分。

    在采用调速阀的调速回路中，虽然解决了速度稳定性问题，但由于调速阀中包含了减压阀和节流阀的功率损失，并且同样存在着溢流阀的功率损失，所以此回路的功率损失比采用节流阀的相应的节流调速回路还要大些。调速阀的节流调速回路在机床的中、低压小功率系统中有广泛的应用。