调速回路的三种形式及其特性

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：前两种回路也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。图6-21 进油节流调速回路由式（6-4）可得进口节流调速回路的负载特性曲线，如图6-21b所示。旁路节流调速回路图6-23a所示为采用节流阀的旁路节流调速回路。

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v为

液压马达的转速n为

式中 q——输入液压缸、液压马达的流量；

A——液压缸的有效作用面积；

V_M——液压马达的排量。

由以上两式可知，改变输入液压执行元件的流量q或改变液压马达的排量V_M（无级改变液压缸有效作用面积A是不容易实现的）均可以达到改变执行元件速度的目的。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的方法。用定量泵和流量控制阀来调速的回路，称为节流调速；通过改变泵或液压马达的排量调速的回路，称为容积调速；通过变量泵和流量控制阀来达到调速的回路，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）通流面积的大小来控制进、出执行元件的流量，以调节其运动速度。根根流量控制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。前两种回路也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）进油节流调速回路进油节流调速回路如图6-21a所示。其中，q_P为泵的输出流量，p_P为泵的输出压力。

因液压缸有杆腔背压p₂为0，故液压缸无杆腔的压力p₁为

泵出口压力为p_P，节流阀前后的压力差Δp为

Δp=p_P-p₁ （6-2）

通过节流阀的流量q₁为

液压缸的运动速度v为

式中 K——节流阀的比例系数（其余各参数的含义如图6-21a所示）。

图6-21 进油节流调速回路

由式（6-4）可得进口节流调速回路的负载特性曲线，如图6-21b所示。这种回路的调速范围较大，由负载特性曲线可知，当节流阀开口A_T调定后，速度随负载的增大而减小。

图6-22 回油节流调速回路

（2）回油节流调速回路回油节流调速回路如图6-22所示（图中各物理量与图6-21a相同）。这种回路的负载特性和进油节流调速回路相同，速度随负载的增大而减小（读者可仿照进口节流调速回路负载特性的公式自行推导）。进油与回油节流调速回路的不同之处如下：

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，而进油节流调速由于回油腔没有背压，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，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。

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，虽然也可以利用这一压力变化来实现压力控制，但其可靠性差，一般均不采用。

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。

5）运动平稳性。在回油节流调速回路中，由于有背压存在，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。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）旁路节流调速回路图6-23a所示为采用节流阀的旁路节流调速回路。其中，q_P为泵的输出流量，p_P为泵的输出压力。节流阀调节液压泵流回油箱的流量，从而控制了进入液压缸的流量，通过调节节流阀的通流面积，即可实现调速。由于溢流作用已由节流阀承担，故旁路节流调速回路中，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。旁路节流时液压泵的工作压力随负载变化而不恒定，所以这种调速方式又称变压式节流调速。

图6-23 旁路节流调速回路

图6-23a中，液压缸有杆腔背压为0，液压缸无杆腔的压力p₁为

泵出口压力p_P为

p_P=p₁

节流阀前后的压力差Δp为

Δp=p₁ （6-6）

通过节流阀的流量q₃为

进入液压缸的流量q₁为

液压缸的运动速度v为

把式（6-5）带入式（6-9）得

式中 K——节流阀的比例系数；

A_T——节流口过流面积（其余参数含义如图6-23a所示）。

由式（6-10）可得旁路节流调速负载特性曲线，如图6-23b所示。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，只用于对速度平稳性要求不高的系统中。

（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。为了克服这个缺点，回路中的节流阀可用调速阀来代替。采用调速阀的节流调速回路，变载荷下的运动平稳性好，但是回路的功率损失较大，既有节流损失和溢流损失，又有减压损失，且系统效率低。

2.容积调速回路

容积调速回路是通过改变泵或马达的排量来实现调速的。其主要优点是没有节流损失和溢流损失，因而效率高，油液温升小，适用于高速、大功率调速系统。其缺点是变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。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6-24a中所示的执行元件为液压缸3，溢流阀2起安全作用。图6-24b中所示的执行元件为液压马达5，溢流阀3起工作负载安全作用，溢流阀4调定补油压力。

图6-24 变量泵和定量液压执行元件的容积调速

a）执行元件为液压缸 1—变量泵 2—溢流阀 3—液压缸 b）执行元件为液压马达 1—变量泵 2—补油泵 3、4—溢流阀 5—液压马达

（2）定量泵和变量马达的容积调速回路图6-25a所示为由定量泵和变量马达组成的容积调速回路。其中，溢流阀3起工作负载安全作用，溢流阀4调定补油压力。由于液压泵1的转速和排量均为常数，当负载功率恒定时，变量马达5的输出功率P和回路工作压力p都恒定不变，因为变量马达5的输出转矩T与其排量V_M成正比，变量马达的转速则与V_M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6-25b所示。

图6-25 定量泵和变量马达组成的容积调速

1—液压泵 2—补油泵 3、4—溢流阀 5—变量马达

（3）变量泵和变量马达容积调速回路图6-26a所示为采用双向变量泵1和双向变量马达2的容积调速回路。该回路属闭式系统。补油泵4是补油用定量泵，排量较小。溢流阀3起工作负载安全作用，溢流阀5调定补油压力。单向阀6、8和7、9分别用于分隔高压工作油路和低压回油路。

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围内调速时，先将液压马达的排量调为最大（使液压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；若需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，此时液压马达输出转矩随之降低，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。变量泵和变量马达容积调速回路的特性曲线如图6-26b所示。

图6-26 采用双向变量泵和双向变量马达的容积调速回路

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，用流量控制阀调节进入液压缸的流量以调节液压缸的运动速度，同时采用压力反馈，使变量泵的输出流量自动地与液压缸所需的流量相适应。这种调速回路本质上属于容积调速，它没有溢流损失，效率较高，速度稳定性也比单纯的容积调速回路好，常用在速度范围大，功率不大的场合，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图6-27a所示为由限压式变量泵1和调速阀3组成的容积节流联合调速回路。溢流阀4为背压阀，液压缸两腔的承压面积分别为A₁、A₂，液压缸所受外负载为F。图6-27b所示为该回路的特性曲线。

图6-27 限压式变量泵和调速阀的容积节流调速

1—变量泵 2、4—溢流阀 3—调速阀

图6-28 差压式变量泵和节流阀容积节流调速

1、2—溢流阀

图6-27b中曲线A-B-C为限压变量泵的工作特性曲线。p_B为限压变量泵设定的限压值。当泵出口压力小于p_B时，泵处于定量泵工作状态，输出流量为限定的最大值q_Pmax。当泵出口压力达到p_B值时，限压变量泵开始进入减少排量的变量状态，泵出口压力越高，排量越小，到C点时，泵出口压力最高，但排量接近于0。曲线D-E-F为调速阀的工作特性曲线。在D-E段，调速阀前后压差较小，调速阀的流量还随负载压力变化。E-F段调速阀处于恒流量输出状态。在F点（F点即限压变量泵的工作点），限压变量泵的输出流量等于调速阀的恒定输出流量，变量泵输出的流量全部通过调速阀进入液压缸，所以容积节流调速回路本质上是容积调速。回路中泵的输出流量可以随调速阀开口的变化而变化，若调速阀开口增大，调速阀的工作特性曲线上移为D-E′-F′，这时限压变量泵的工作点也将变到F′。

（2）差压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路图6-28所示为差压式变量泵和节流阀组成的容积节流调速回路。在该回路中，溢流阀1是背压阀，用来提高液压缸的运动平稳性；溢流阀2起安全阀作用。节流阀两端的压差由差压式变量泵的控制机构来调定。正常工作时，节流阀进出口压差近似维持为恒定值（取决于变量泵右侧变量液压缸活塞处弹簧的压缩量），泵左侧变量活塞的作用面积为A₁，右侧变量活塞两端的作用面积分别为A₂和A，且有A₁+A₂=A。当执行元件工作进给时，压力油经节流阀进入系统，如果通过节流阀的流量大于节流阀在调定开口A_T和进出口压差下的通过流量时，节流阀进口处压力p_P升高，两个变量活塞的液压力合力向右作用在定子上，压缩弹簧，定子向右移动，减小偏心距e，使液压泵的输出流量减少至与节流阀通过的流量相适应。同理，在节流阀开口改变或外负载变化时，该回路都能实现与泵输出流量和节流阀通过流量相适应，且在负载变化、节流阀开口不变时，该回路也能保持输入液压缸的流量基本不变。差压式变量泵容积节流调速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。

调速回路的三种形式及其特性

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