第七章 液压基本回路

第7章液压基本回路引言基本回路是由有关的液压元件组成，用来完成特定功能的典型油路例如用来调节执行元件运动速度的调速回路；用来控制系统中液体压力的调压回路；用来改变执行元件运动方向的换向回路等。熟悉基本回路是分析和设计液压传动系统的重要基础。本章重点介绍常用的压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路和多缸工作回路。学习液压基本回路时，应注意掌握基本回路的构成、工作原理、性能和应用等四个方面。目录•7.1压力控制回路•7.2调速回路•7.3速度换接回路•7.4方向控制回路•7.5多缸动作回路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中液体的压力，以满足执行元件对力或转矩的要求。这类回路包括调压、减压、卸荷、保压、背压、平衡、增压等回路。定义•7.1.1调压回路•7.1.2减压回路•7.1.3卸荷回路•7.1.4保压回路•7.1.5背压回路•7.1.6平衡回路•7.1.7增压回路目录7.1.1调压回路调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个限定值。1.单级调压回路2.多级调压回路3.无级调压7.1.2减压回路减压回路的作用是使系统中的某一部分油路或某个执行元件获得比系统压力低的稳定压力。7.1.3卸荷回路所谓卸荷就是使液压泵在输出压力接近为零的状态下工作。卸荷回路的功用是使执行元件在短时停止工作时，减小功率损失和发热，避免液压泵频繁启停，损坏油泵和驱动电机，以延长泵和电机的使用寿命。1.利用换向阀机能的卸荷回路2.先导式溢流阀卸荷回路(a)采用电磁换向阀的卸荷回路(b)采用电液换向阀的卸荷回路7.1.4保压回路执行元件在工作循环中的某一阶段内，若需要保持规定的压力，应采用保压回路。1.利用蓄能器保压的回路2.用高压补油泵的保压回路(a)用蓄能器保压的回路(b)多缸系统一缸保压回路3.用液控单向阀保压的回路a7.1.5背压回路在液压系统中设置背压回路，是为了提高执行元件的运动平稳性或减少爬行现象。所谓背压就是作用在压力作用面反方向上的压力或回油路中的压力。背压回路就是在回油路上设置背压阀，以形成一定的回油阻力，用以产生背压，一般背压为0.3MPa～0.8MPa。7.1.6平衡回路为了防止立式液压缸及其工作部件因自重而自行下落，或在下行运动中由于自重而造成失控失速的不稳定运动，应使执行元件的回油路上保持一定的背压值，以平衡重力负载。这种回路称为平衡回路。1.采用单向顺序阀的平衡回路2.单向节流阀和液控单向阀的平衡回路3.采用遥控单向平衡阀(限速阀)的平衡回路7.1.7增压回路增压回路用以提高系统中局部油路的压力，它能使局部压力远高于油源的压力。1.单作用增压缸的增压回路2.双作用增压缸的增压回路7.2调速回路在液压传动系统中，调速是为了满足执行元件对工作速度的要求，因此是系统的核心问题。调速回路不仅对系统的工作性能起着决定性的影响，而且对其他基本回路的选择也起着决定性的作用，因此在液压系统中占有极其重要的地位。引言•7.2.1概述•7.2.2节流调速回路•7.2.3容积调速回路•7.2.4容积节流调速回路•7.2.5三种调速回路的比较目录7.2.1概述在不考虑液压油的压缩性和元件泄漏的情况下，液压缸的运动速度v取决于流入或流出液压缸的流量及相应的有效工作面积，即q1,q2——流入、流出液压缸的流量；A1,A2——液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积。液压马达的转速nM由进入马达的流量q和马达的排量VM决定，即改变流入或流出执行元件的流量q，或改变液压缸的有效工作面积A和马达的排量VM均可以达到控制执行元件速度的目的。通常用改变流量q或改变变量马达排量VM来控制执行元件的速度。调速回路有以下三种基本调速方式：(1)节流调速。(2)容积调速。(3)容积节流调速1.基本调速方式1212qqvAAMMqnV1)调速特性回路的调速特性用回路的调速范围来表征。所谓调速范围是指执行元件在某负载下可能得到的最高工作速度与最低工作速度之比。2)功率特性调速回路的功率特性包括回路的输入功率、输出功率、功率损失和回路效率，功率特性好，即能量损失小、效率高、发热少。2.调速回路的基本特性maxminvRv3)机械特性即速度―负载特性，它是调速回路中执行元件运动速度随负载而变化的性能。一般来说，执行元件运动速度随负载增大而降低。速度受负载影响的程度，常用速度刚度来描述。速度刚度定义为负载对速度的变化率的负值，即速度刚度的物理意义是：负载变化时，调速回路抵抗速度变化的能力，亦即引起单位速度变化时负载力的变化量。它是速度―负载特性曲线上某点处斜率的倒数。在特性曲线上某处的斜率越小，速度刚度就越大，亦即机械特性就硬，执行元件工作速度受负载变化的影响就越小，运动平稳性越好。v1tgFkv7.2.2节流调速回路根据所用流量控制阀的不同，分为采用节流阀的节流调速回路和采用调速阀的节流调速回路根据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根据在工作中供油压力是否随负载变化，分为定压式节流调速回路(进油节流、回油节流)和变压式节流调速回路(旁路节流)。分类1.进油节流调速回路1)回路结构①液压缸要克服负载F而运动，其工作腔的油液必须具有一定的工作压力，即稳定工作时活塞的受力平衡方程为A1,A2——分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积；p1,p2——分别为液压缸进油腔、回油腔的压力。F——液压缸的负载；当回油腔直接通油箱时，可设p2≈0，故液压缸无杆腔压力为这说明液压缸工作压力p1取决于负载，随负载变化。②节流阀上必须存在压力差Δp，泵的出口压力pp大于液压缸工作压力p1③定量泵多余的油液qy必须经溢流阀流回油箱根据连续性方程进入液压缸的流量q1越小，液压缸的工作速度就越低，溢流量qy也就越大。2)工作原理1122pApAF11FpAP1pppP1yqqq常数④溢流阀工作在溢流状态，因此泵的出口压力pp保持恒定。⑤经节流阀进入液压缸的流量q1为AT——节流阀的通流面积；Δp——节流阀两端的压力差，；K——节流系数m——由孔口形状决定的指数，0.5＜m＜1调节节流阀通流面积AT，即可改变通过节流阀的流量q1，从而调节液压缸的工作速度。1TTP1()mmFqKApKApA1TP111()mqKAFvpAAA根据上述讨论，液压缸的运动速度为称为进油节流调速回路的速度―负载特性方程。由此式可知，液压缸的工作速度是节流阀通流面积AT和液压缸负载F的函数，当AT不变时，活塞的运动速度v受负载F变化影响；液压缸的运动速度v与节流阀的通流面积AT成正比，调节AT就可调节液压缸的速度。3)性能分析①速度―负载特性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，即速度刚度越差。1.当节流阀通流面积AT一定时，负载F大的区域，曲线陡，速度刚度差，而负载F越小，曲线越平缓，速度刚度越好；2.在相同负载下工作时，AT越大，速度刚度越小，即速度高时速度刚度差；3.多条特性曲线交汇于横坐标轴上的一点，该点对应的F值即为最大负载．最大承载能力为进油节流调速回路的速度刚度为1p11v1Tp1()mmpAFAFkvmKApAFvmFmax＝ppA1②功率特性液压泵的输出功率，即回路输入功率为回路输出功率，即液压缸输出的有效功率为回路的功率损失ΔP为回路效率为由于回路中存在溢流损失和节流损失这样两种功率损失，所以回路效率比较低。进油节流调速回路适用于轻载、低速、负载变化不大和对速度稳定性要求不高的小功率场合。111CPPPPPvPpqFPpqpqP1PP11P1P1P1()()yyPPPpqpqpqqppqpqpqPPPconstPpq11111qPFvFpqA2.回油节流调速回路这种调速回路是将节流阀串接在液压缸的回油路上，定量泵的供油压力由溢流阀调定并基本上保持恒定不变。该回路的调节原理是：借助节流阀控制液压缸的回油量q2，实现速度的调节。由连续性原理可得1212qqvAA用节流阀调节流出液压缸的流量q2，也就调节了流入液压缸的流量q1。定量泵多余的油液经溢流阀流回油箱。速度―负载特性方程为：2T1P2222()mqKAAFvpAAAA上述两种回路相同点：速度―负载特性基本相同，若缸两腔的有效面积相同(双出杆缸)，则两种节流阀调速回路的速度―负载特性就完全一样．上述两种回路不同点：①承受负负载的能力。②实现压力控制的难易程度。③调速性能。④停车后的启动性能。⑤发热及泄漏。为了提高回路的综合性能，一般常采用进油节流阀调速，并在回油路上加背压阀，使其兼有二者的优点。3.旁路节流调速回路这种回路把节流阀接在与执行元件并联的旁油路上。通过调节节流阀的通流面积AT，控制定量泵流回油箱的流量，即可实现调速。tlT11111mFFqkKAAAqvAA本回路比前两种回路效率高，但速度―负载特性很软，低速承载能力差，主要用于高速、重载、对速度平稳性要求不高的较大功率的系统。缸的运动速度为4.采用调速阀的节流调速回路采用节流阀的节流调速回路，节流阀两端的压差和液压缸工作速度随负载的变化而变化，故速度刚度差，速度平稳性差。若用调速阀代替节流阀，由于调速阀中的定差减压阀能在负载变化的条件下保证节流阀两端的压差基本不变，通过的流量也基本不变，所以回路的速度―负载特性得到很大改善。调速阀进油路调速回路速度―负载特性如图：5.采用溢流节流阀的进油节流调速回路这种回路是在进油节流调速回路中用溢流节流阀替代节流阀(或调速阀)而构成。泵不在恒压下工作(属变压系统)，泵压随负载的大小而变，故效率比用节流阀(或调速阀)的进油节流调速回路高。此回路适用于运动平稳性要求较高、功率较大的节流调速系统。6.采用换向阀的节流调速回路采用M形三位四通手动换向阀控制进油节流和回油节流的调速回路，此回路兼顾有进油节流和回油节流调速的特性。采用M形三位四通手动换向的旁路节流和进油、回油节流调速回路，这种调速回路具有旁路节流和进油、回油节流调速的特性。采用先导远程控制的换向阀节流调速回路。通过操纵先导远程控制阀的手柄，不仅能控制执行元件的运动方向，还可以实现执行元件的无级调速。1,2—远程控制阀3,4—换向阀7.2.3容积调速回路节流调速回路由于有节流损失和溢流损失，所以只适用于小功率系统。通过改变泵或马达的排量来进行调速的方法称为容积调速，其主要优点是没有节流损失和溢流损失，因而效率高，系统温升小，适用于大功率系统。定义分类容积调速回路根据油液的循环方式有开式回路和闭式回路两种。在开式回路中，液压泵从油箱吸油，执行元件的回油直接回油箱，油液能得到较好的冷却，便于沉淀杂质和析出气体，但油箱体积大，空气和污染物侵入油液的机会增加，侵入后影响系统正常工作；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，只需较小的补油箱，空气和脏物不易混入回路，但油液的散热条件差，为了补偿回路中的泄漏、并进行换油和冷却，需附设补油泵。1.变量泵及定量执行元件调速回路变量泵和液压缸组成的开式回路变量泵和定量马达组成的闭式回路容积调速回路的主要性能有速度―负载特性、转速特性、转矩特性和功率特性，这里重点讨论变量泵和定量马达容积调速回路。1)速度―负载特性速度―负载特性方程MPP1PPP1PMMMMM2TVnkqVnkpVnVVV速度刚度MMM2v12TVknk由于变量泵、液压马达有泄漏，马达的输出转速nM会随负载TM的加大而减小,负载增大到某值时，马达停止运动,表明这种回路在低速下的承载能力很差。3)转矩特性马达的输出转速nM与变量泵排量VP的关系为PPMvMPvPvMMMqVnnVV改变泵排量VP，可使马达的输出转速nM成比例地变化2)转速特性MMMmM2pVT马达的输出转矩TM与马达的排量VM的关系为马达的输出转矩TM与泵的排量Vp无关，不会因调速而发生变化。若系统的负