液压传动第8章

所谓基本液压回路是指那些为了实现特定的功能而把某些液压元件和管道按一定的方式组合起来的油路结构。例如：调节执行元件(液压缸或液压马达)运动速度的油路、控制系统整体或局部压力的油路、变更执行元件运动方向的油路等等，都是最常见的基本液压回路。任何液压系统都是由一个或多个基本液压回路组成的，熟悉和掌握这些回路有助于更好地分析、设计和使用各种液压系统。在一切液压系统中，实现功率传递的调速回路占有头等重要的地位，因为液压传动的根本任务就在于此。因此，本章专门介绍这种回路的结构、性能和应用。其他的基本回路则放到下一章去介绍。第一节概述第二节节流调速回路第三节容积调速回路第八章调速回路第四节容积节流调速回路第五节三类调速回路的比较和选用第一节概述对任何液压传动系统来说，调速回路是它的核心部分。它可以通过事先的调整或在工作过程中通过自动调节来改变执行元件的运行速度，但是它的主要功能却是在传递动力(功率)。调速回路按其调速方式的不同，分成节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路三类。当液压系统含有一个以上的调速回路时，它在不同工作阶段内呈现出来的性质和特点，就由当时起主导作用的那个调速回路来规定。调速回路的静态特性（调速特性、机械特性和功率特性）基本上决定了它所在液压系统的性质、特点和用途。第二节节流调速回路工作原理：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从执行元件流出的流量，以调节其运动速度。按调速回路在工作中回路压力是否随负载变化可分为：定压式节流调速回路变压式节流调速回路一、定压式节流调速回路图8-1所示为定压式节流调速回路的一般形式。这种回路都使用定量泵并且必须并联一个溢流阀。图a所示为进油路上串接节流阀的结构，称为进口节流式。图b所示为回油路上串接节流阀的结构，称为出口节流式。这些回路中泵的压力经溢流阀调定后，基本上保持恒定不变，所以称为定压式节流调速回路。回路中液压缸的输入流量由节流阀调节，而定量泵输出的多余油液经溢流阀排回油箱，这是这种回路能够正常工作的必要条件。调速回路的机械特性是以它所驱动的液压缸的工作速度和外负载之间的关系来表达的。11Aqv11AFp)(1T11T11ppCApCAqpT式中C、φ——节流阀的系数和指数；AT1——节流阀的通流面积；当不考虑回路中各处摩擦力的作用时，对图a所示的回路来说，活塞的工作速度、受力方程和进油路上的流量连续方程分别为111111111AFApCAAFpACAAqvpTpT由以上三式得：111pT1AFApCAv但是不管负载如何变化，回路的pp总是不变的。此外，承载能力F是不受AT1变化影响的（因为图中的各条曲线当v=0时都汇交到同一负载点上）。将上式按不同的AT作图，可得一组机械特性曲线，如图8-2所示。由图可见，当pp和AT1调定之后，v随F加大而减小，当F=A1pp时，v=0，活塞停止运动；反之，F减小v加大，F=0时，v最大。活塞运动速度受负载影响的程度，可以用回路速度刚性这个指标来评定，速度刚性kv是回路对负载变化抗衡能力的一种说明，它是图8-2所示机械特性曲线上某点处斜率的倒数。αvFkvtan1特性曲线上某处的斜率越小(机械特性越硬)，速度刚性就越大，活塞运动速度受负载波动的影响就越小，活塞在变载下的运动就越平稳。αvFkvtan1111pT1AFApCAv)15.0()(11111TpvCAFApAk可以看出，当节流阀通流截面积不变时，负载越小，速度刚性越高；当负载一定时，节流阀通流截面积越小，速度刚性越高。不论是提高溢流阀的调定压力，还是增大液压缸的有效工作面积或减小节流阀的指数，都能提高调速回路的速度刚性，但是这些参数的变动多半要受到其他条件的限制。调速回路的功率特性是以其自身的功率损失(不包括液压泵、液压缸和管路中的功率损失)、功率损失分配情况和效率来表达的。定压式进口节流调速回路的输入功率(即定量泵的输出功率)、输出功率和功率损失分别为11111qΔpΔqpqpqpPPΔPTpppppppqpP111qpP上式表明，这种回路的功率损失由两部分组成一部分是溢流损失ΔP1，它是流量Δq在压力pP下流过溢流阀所造成的功率损失；另一部分是节流损失ΔP2，它是流量q1在压差ΔPT1下通过节流阀所造成的功率损失。两部分损失都转变成热量，使回路中的油液温度升高。当液压缸在恒载下工作时，工作压力p1、液压泵供油压力pp(它按p1调定)、节流阀工作压差△pT1，都是定值，工作流量q1，只随节流阀通流截面积变化。这种情况下的回路效率为这时调速回路的有效功率P1和节流功率损失ΔP2都随工作流量加大而线性地加大，溢流功率损失ΔP1则随工作流量加大而线性地减小，如图8-3所示。pTqppqpqpqp)(1111pp11c此式表明，通过溢流阀的流量Δq越小，q1/qp越大,效率就越高；负载越大p1越大，p1/pp越大,效率也越高。在机床上，节流阀处的工作压差一般为O.2～0.3MPa。当液压缸在变载下工作时，工作压力p1是个变量，液压泵供油压力pp按所需的最大工作压力p1max调定。这时如节流阀的通流截面积保持不变，则工作流量q1将随负载而变化，如图8-4所示。111qpP)(1T11T11ppCApCAqpT)(11T11pppCAPp由于此式在p1=0和p1=pp处都等于零，在这两者之间的p1=pp/(1+φ)处则有一极大值1T1max1)1(ppCAP)1()1(pT1max1cppppqCAqpP1T1max1)1(ppCAP由于所以由上式及图8-4可见，这时即便液压缸在其最大输出功率下工作，整个回路的功率损失还是很大的，回路的效率很低。pT1qpCAp由于，故当φ=0.5时，385.0c调速回路的调速特性是以其所驱动的液压缸在某个负载下可能得到的最大工作速度和最小工作速度之比(调速范围)来表示的。可求得定压式进口节流调速回路的请速范围为111pT1AFApCAv按式1min1max1minmaxTTTCRAAvvRRC、RT1—调速回路和节流阀的调速范围上式表明，定压式进口节流调速回路的调速范围只受流量控制元件(这里是节流阀）调节范围的限制。定压式节流调速回路中组成元件的泄漏对回路各项性能的影响不大，液压泵处的泄漏虽较大，但它只影响通过溢流阀的流量，节流阀和液压缸处的泄漏都是很小的。以上一些分析讨论虽是针对图8—la所示进口节流式作出的，但这些结果对图8—lb所示的出口节流式同样适用。不同之处只在于它们特性表达式的具体内容有些差别而已，如表8-1所示。（1）图b能承受“负方向”的负载，图a则要在其回油路上设置背压阀后才能承受这种负载。（2）图b中油液通过节流阀所产生的热量直接排回油箱消散掉，图a中的这部分热量则随着油液进入液压缸。两种调速回路在使用性能方面的主要差别：综上所述，可以看到，使用节流阀的定压式节流调速回路，结构简单，价格低廉，但效率较低，只宜用在负载变化不大、低速、小功率的场合。使用比例阀、伺服阀或数字阀的定压式节流调速回路能使回路实现自动控制或远距离控制，但在静态性能上仍与使用节流阀的回路没有区别。这就是说，上面的分析、讨论对它们也都完全适用。例如，图8-5所示使用伺服阀的回路，可以看作是进口节流和出口节流同时进行的调速回路。A1=A2=AAT1=AT2q1=q2Δp1=Δp2)(1FApAwxCAqvpsdL通过伺服阀阀口的流量为)(LpsdLppwxCq鉴于伺服阀的开度xs是个变量，其最大值为xsmax，所以上式写成无量纲表达式时成为按照此式画出来的图形与图6-44完全一样，只是坐标变量不同而已。二、变压式节流调速回路这种回路的工作压力随负载而变；节流阀调节排回油箱的流量，从而间接地对进入液压缸的流量进行控制；安全阀只在回路过载时才打开。这种回路的机械特性可用上面同样的方法进行分析，但是液压泵的流量损失(主要是泄漏)在这里对液压缸的工作速度有很大影响，泄漏的大小则直接与回路的工作压力有关。(见第四章第一节)。图8—6所示为变压式节流调速回路。这种回路使用定量泵，必须并联一个安全阀，并把节流阀接在与主油路并联的分支油路上(因此它又称为旁路节流调速回路)。p1tppkqq液压缸的工作速度为11T11t1AAFCAAFkqApCAqvpTp将上式按不同的AT值作图，可得一组机械特性曲线，如图8—7所示。公式和图表明，这种回路在节流阀通流截面积不变的情况下，v因F增大而减小很多，因而其机械特性比定压式进口节流和出口节流调速回路“软”得多；当负载增大到某值时，活塞会停止运动。节流阀的通流截面积越大(活塞的运动速度越小)，使活塞停止运动的负载就越小。因此旁路节流调速回路的承载能力是变化的(图8-7中各条曲线在速度为零时并不汇聚到同一点上)，低速下的承载能力很差。11T11tAAFCAAFkqv11T11tAAFCAAFkqv旁路节流调速回路的速度刚性表达式为)15.0(11111AFCAAkAkTv上式和图8-7表明：当AT一定，F越大，kv越好当F一定，AT越小，kv越好这种回路的速度刚性是可以通过增大液压缸的有效工作面积、减小节流阀的指数、减小液压泵的泄漏系数来提高的。旁路节流调速回路在恒载和变载下工作时的功率特性如图8-8和图8-9所示。这种回路的效率表达式：ppppppkqpCAqqqpqpp1tT111c1上式表明，q1越多(活塞v越大)，ηc越高。旁路节流调速回路的效率比进口和出口节流调速回路高，因为它的输入功率随工作压力而变化，不是一个定值。旁路节流调速回路的调速特性表达式为TTTCRAFCAAFkqRvvR1min111minmax11此式表明，这种回路的调速范围不仅与RT有关，而且亦与F、k1等因素有关，可见调速回路的调速范围与流量控制元件的调速范围并非总是一同事。此外，式中的RT不是节流阀可能的调速范围，因为它的通流截面积在加大到某值时已使活塞速度下降为零，再增大已不起调速作用了。通过变压式变压式(旁路)节流调速回路的工作特性分析可以看出，这种回路的工作特性包含了液压泵的特性，这是它和定压式回路根本不同的地方。综上所述:这种在主油路内不出现节流损失和发热现象、在某些负载下也能保持较高效率的调速回路，最宜用在速度较高、负载较大、负载变化不大、对运动平稳性要求不高的场合，但是它不能承受“负方向”的负载。三、节流调速回路工作性能的改进使用节流阀的节流调速回路，机械特性都比较软，变载下的运动平稳性都比较差。为了克服这个缺点，回路中的流量控制元件可以改用调速阀或溢流节流阀，如图8-10所示。图8-lOa和图8-10b是定压式的(注意：图8-l0b中的调速阀使用了先节流后减压式的，当然也可使用先减压后节流式的)，图8-lOc和图8—10d是变压式的，它们都能使节流阀处的工作压差在负载变化时基本上保持恒定，使回路的机械特性得到改善。它们在变载下工作时的功率特性分别如图8-1l和图8-12所示，都不出现极值。所有这些性能上的改进都是以加大整个流量控制阀的工作压差为代价的（一般工作压差最少须0.5MPa，高压调速阀则须lMPa）。使用凋速阀的节流调速回路在机床的中、低压小功率进给系统中得到了广泛的应用；使用溢流节流阀的回路则适用于机床上功率较大的传动系统。使用比例阀、伺服阀或数字阀的节流调速回路如采用闭环控制，则回路的工作性能可以大为提高。这些回路的控制装置结构复杂、价格昂贵，因而只宜在运动精度和平稳性要求很高的场合下使用。第三节容积调速回