第四章 容积调速回路分析

1、第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 本章主要内容本章主要内容 o本章主要讨论液压泵和液压马达、液压缸组本章主要讨论液压泵和液压马达、液压缸组 成的容积调速回路的工作原理及主要工作特性成的容积调速回路的工作原理及主要工作特性 o容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的 排量来调节执行元件的速度。由于没有节流损排量来调节执行元件的速度。由于没有节流损 失和溢流损失，回路效率高，系统温升小，适失和溢流损失，回路效率高，系统温升小，适 用于高速、大功率调速系统。用于高速、大功率调速系统。 o容积节流调速是以不同形式变量泵为前提，容积节流调速是以不同形式变

2、量泵为前提， 具有容积调速的基本特征具有容积调速的基本特征液压泵输出的流液压泵输出的流 量始终与负载流量相适应，故也纳入本章讨论量始终与负载流量相适应，故也纳入本章讨论 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 p 容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的排量来容积调速回路通过改变液压泵和液压马达的排量来 调节执行元件的速度。由于没有节流损失和溢流损调节执行元件的速度。由于没有节流损失和溢流损 失，回路效率高，系统温升小，适用于高速、大功失，回路效率高，系统温升小，适用于高速、大功 率调速系统。率调速系统。 p 液压缸的速度：液压缸的速度： p 液压马达的转速：液压马达的转速： p 可见通过改变变

3、量泵的排量来改变进入液压缸的流可见通过改变变量泵的排量来改变进入液压缸的流 量，即可达到调速的目的量，即可达到调速的目的 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 M m m c c V q n A q v 一一.变量泵变量泵-定量马达、液压缸回路定量马达、液压缸回路 p 1.变量泵变量泵-液压缸调速回液压缸调速回 路路 p 阀阀2是安全阀，阀是安全阀，阀3是背是背 压阀，回路为开式回路压阀，回路为开式回路 p 改变变量泵改变变量泵1的排量可的排量可 调节液压缸的运动速度调节液压缸的运动速度 p 回路用于负载变化不大回路用于负载变化不大 的系统中的系统中 第四章第四章 容积调速回路分析容

4、积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 2.变量泵变量泵-定量马达调速回路定量马达调速回路 o 泵的转速泵的转速 np 和马达排和马达排 量量VM 为常数，改变泵为常数，改变泵 的排量的排量Vp可使马达转可使马达转 速速 nM 随之成比例变化。随之成比例变化。 o 回路高压管路上有安全回路高压管路上有安全 阀阀2 ，防止回路过载，防止回路过载， 低压管路上泵低压管路上泵7为补油为补油 泵，压力由阀泵，压力由阀6调节调节 p 改变变量泵改变变量泵1的排量可的排量可 调节液压马达运动速度调节液压马达运动速度 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路

5、容积调速回路 一一.变量泵变量泵-定量马达回路定量马达回路 变量泵变量泵-定量马达回路的静特性定量马达回路的静特性 o （1）变量泵的调节特性）变量泵的调节特性 o 通常把液压马达的转速通常把液压马达的转速nm 与变量泵的调节参数与变量泵的调节参数xp之之 间的关系，称为转速特性。间的关系，称为转速特性。 o Vp是变量泵的排量，是变量泵的排量， Vpmax是是Vp的最大值，则的最大值，则 o 泵的理论流量为：泵的理论流量为： o 泵的实际输出流量为泵的实际输出流量为： maxp p p V V x 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 一一.

6、变量泵变量泵-定量马达回路定量马达回路 ppptp nxVq max )( 1max 1max max ppppp pppp ppppp xxnVq nxVp pnxVq o 可见，可见，x xp1 p1为调节死区， 为调节死区， 是由泵的内泄产生的是由泵的内泄产生的 变量泵变量泵-定量马达回路的静特性定量马达回路的静特性 o （2）回路的特性曲线）回路的特性曲线 o 转速特性：转速特性： qm为马达输入流量为马达输入流量 o 转矩特性：转矩特性： o 功率特性：功率特性： m ppppp m mpppp m mp m mm m V xxxnV V qxxnV V qq V qq n )( )

7、( 21max 1max mmmm pVT mmmmmmm npVnTP o 可见调速方式为恒转矩调节可见调速方式为恒转矩调节 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 一一.变量泵变量泵-定量马达回路定量马达回路 )( 21 max ppp m pp mmm xxx V nV pV 变量泵变量泵-定量马达回路的静特性定量马达回路的静特性 o （3）恒功率变量泵）恒功率变量泵-定定 量马达回路的特性曲线量马达回路的特性曲线 o 马达转速同前面马达转速同前面 o 马达的功率恒定，转矩马达的功率恒定，转矩 )( 21 max ppp m pp m m

8、m m mmm xxx V nV P V P T CnTP 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 一一.变量泵变量泵-定量马达回路定量马达回路 二二.定量泵定量泵-变量马达回路变量马达回路 o （1）回路构成）回路构成 o 泵的转速泵的转速 np 和排量和排量Vp 为常数，改变马达的排量为常数，改变马达的排量 Vm可使马达转速可使马达转速 nM 随随 之成比例变化。之成比例变化。 o 回路中高压管路上有安全回路中高压管路上有安全 阀阀2 ，防止回路过载，防止回路过载， 低压管路上泵低压管路上泵4为补油泵，为补油泵， 压力由阀压力由阀6调节调节

9、p 改变变量马达改变变量马达3的排量可的排量可 调节液压马达的转速调节液压马达的转速 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 （2）回路的特性曲线）回路的特性曲线 o 马达调节参数：马达调节参数： o 马达转速：马达转速： o 马达输出转矩：马达输出转矩： o 马达输出功率：马达输出功率： maxp p p V V x mm mvpvpp m mvm m xV nV V q n max mmmmmmmmmm pxVpVT max mvpvmmmpp mm mvpvpp mmmmmmmm pnV xV nV pxVnTP max max o 可见调

10、速方式为恒功率调节可见调速方式为恒功率调节 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 二二.定量泵定量泵-变量马达回路变量马达回路 三三.变量泵变量泵-变量马达回路变量马达回路 o 1.回路构成回路构成 o 变量泵可正反向供变量泵可正反向供 油，变量马达可正油，变量马达可正 反向旋转反向旋转 o 调节变量泵或并联调节变量泵或并联 马达的排量均可改马达的排量均可改 变马达转速变马达转速 o 阀阀5、7分别为马分别为马 达正反转的安全阀达正反转的安全阀 o 泵泵4为补油泵，阀为补油泵，阀6为其调压阀为其调压阀 o 泵泵4可分别通过阀可分别通过阀2、3为

11、低压一侧补油为低压一侧补油 o 换向阀换向阀8和溢流阀和溢流阀9可使低压管路的热油排回油箱可使低压管路的热油排回油箱 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 二二.变量泵变量泵-变量马达回路变量马达回路 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 o （1）转速特性）转速特性 o （2）转矩特性）转矩特性 o （3）功率特性）功率特性 mvpv mm ppp m mvp m mvm m xV nxV V q V q n max max mmmmmmmmmm pxVpVT max pmvpvmmppm mm mvpvppp mmmmmmmm xnVp xV

12、xnV pxVnTP max max max max 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第一节第一节 容积调速回路容积调速回路 二二.变量泵变量泵-变量马达回路变量马达回路 第二节第二节 容积调速回路的速度刚性分析容积调速回路的速度刚性分析 o 一一.容积调速回路的速度刚性分析容积调速回路的速度刚性分析 机械特性方程：机械特性方程： o 速度刚性：速度刚性： o 回路泄漏系数越大，负载对液压马转速达的影响就越大回路泄漏系数越大，负载对液压马转速达的影响就越大 o 液压泵的理论流量越小，泄漏所占比重越大，对液压马液压泵的理论流量越小，泄漏所占比重越大，对液压马 转速达的影响就越大转

13、速达的影响就越大 o 减少回路各元件的容积损失、提高马达的机械效率、增减少回路各元件的容积损失、提高马达的机械效率、增 大马达的排量等都有利于提高回路的速度刚性大马达的排量等都有利于提高回路的速度刚性 mmm mlmp m pp m mmm m lmp mmpp lmpppmm lmppplmptpmmtm V T V nV n V T p nVnV pnVnV pnVpqqqqnVq 2 )( )( )()( ? ? ? 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 lmp mmm m m v V n T T 2 二二.速度稳定方法速度稳定方法 o 1.流量补偿法流量补偿法 o 利用回路压

14、力随负载的利用回路压力随负载的 增减来控制泵流量做相增减来控制泵流量做相 应的增减应的增减 o 当马达负载增加时，当马达负载增加时，p 升高，作用在柱塞升高，作用在柱塞1上上 的力增大，推动泵的钉的力增大，推动泵的钉 子向加大偏心距子向加大偏心距e的方的方 向移动，使泵的流量增向移动，使泵的流量增 大。反之，流量减少大。反之，流量减少 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第二节第二节 容积调速回路速容积调速回路速 度刚性分析度刚性分析 二二.速度稳定方法速度稳定方法 o 2.压力恒定法压力恒定法 o 利用一能自动调节液流阻利用一能自动调节液流阻 力的液动滑阀，实现负载力的液动滑阀，

15、实现负载 变化时，系统工作压力基变化时，系统工作压力基 本不随负载变化本不随负载变化 o 当负载转矩增加时，泵的当负载转矩增加时，泵的 工作压力工作压力p也相应升高也相应升高,推推 动液动滑阀阀芯向右移动动液动滑阀阀芯向右移动, 使节流口增大，背压减少使节流口增大，背压减少, 维持泵工作压力近于恒定。维持泵工作压力近于恒定。 反之亦然。反之亦然。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第二节第二节 容积调速回路速容积调速回路速 度刚性分析度刚性分析 第三节第三节 容积调速回路主要参数选择容积调速回路主要参数选择 o 一一.性能指标性能指标 o 1.容积调速回路的转矩放大系数容积调速回

16、路的转矩放大系数KM o 是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达 输出转矩输出转矩Tm与泵输出转矩与泵输出转矩Tp之比：之比： o 2.容积调速回路的传动比容积调速回路的传动比i o 是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达是指当液压泵和液压马达在最大调节参数时，马达 输出转矩输出转矩nm与泵输出转矩与泵输出转矩np之比：之比： mmpm pp mm p m M Vp Vp T T K 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 lvmvpv m p p m V V n n i 3.容积调速回路的效率容积调速回路的效率c o 是指在输出

17、额定转矩和额定负载下，马达的是指在输出额定转矩和额定负载下，马达的 o 最高转速最高转速nmmax与最低转速与最低转速nmmin之比：即：之比：即： o 变量泵变量泵-定量马达回路：马达转速定量马达回路：马达转速nm与泵的排量成正与泵的排量成正 比，马达转速的最小值取决于比，马达转速的最小值取决于Vp减小时泵可能提供减小时泵可能提供 的最小稳定流量。即：的最小稳定流量。即： o 定量泵定量泵-变量马达回路变量马达回路:马达转速马达转速nm与马达排量成反与马达排量成反 比，即：比，即： o 变量泵变量泵-变量马达回路：该回路由上述两种回路组合变量马达回路：该回路由上述两种回路组合 而成，即：而成

18、，即： 40 min max min max p p m m V V n n D 100 min max min max min max mp m m p p m m DD V V V V n n D min max m m n n D 43 min max min max m m m m V V n n D 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第三节第三节 容积调速回路主要容积调速回路主要 参数选择参数选择 二二.液压泵和液压马达参数的选择液压泵和液压马达参数的选择 o 1.给定原始参数为原动机的输出功率时给定原始参数为原动机的输出功率时 o 设计时，先根据主机对液压系统的性能要

19、求，选择设计时，先根据主机对液压系统的性能要求，选择 回路方案及泵进出口压差，然后选择泵的结构形式，回路方案及泵进出口压差，然后选择泵的结构形式， 计算泵的输入功率和排量及马达的排量，并选择相计算泵的输入功率和排量及马达的排量，并选择相 应的效率应的效率 o 2.给定原始参数为液压马达的最大输出转矩、给定原始参数为液压马达的最大输出转矩、 转速变化范围和液压泵转速时转速变化范围和液压泵转速时 o 设计时，先根据主机的性能要求，选择马达的结构设计时，先根据主机的性能要求，选择马达的结构 形式及回路工作压力，计算出马达的排量和泵的排形式及回路工作压力，计算出马达的排量和泵的排 量量 第四章第四章

20、容积调速回路分析容积调速回路分析 第三节第三节 容积调速回路主要容积调速回路主要 参数选择参数选择 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 o 一一.限压式变量泵和调速阀的调速回路限压式变量泵和调速阀的调速回路 o 1.回路工作原理回路工作原理 o 回路采用限压式变量泵回路采用限压式变量泵1供油，调速供油，调速 阀阀3确定进入液压缸的流量，并使变确定进入液压缸的流量，并使变 量泵输出的流量与液压缸所需的流量量泵输出的流量与液压缸所需的流量 自动相适应。这种调速回路没有溢流自动相适应。这种调速回路没有溢流 损失，效率较高，速度稳定性好。损失，效率较高，速度稳定性好。 o 改变调速阀中节流

21、阀的通流面积改变调速阀中节流阀的通流面积AT的的 大小，就可以调节液压缸的运动速度，大小，就可以调节液压缸的运动速度， 泵的输出流量泵的输出流量qp和通过调速阀进入液和通过调速阀进入液 压缸的流量压缸的流量q1自相适应。自相适应。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 o 曲线曲线ABC是限压式变量泵的是限压式变量泵的 压力流量特性，曲线压力流量特性，曲线CDE 是调速阀在某一开度时的压是调速阀在某一开度时的压 力力流量特性，点流量特性，点F是泵的是泵的 工作点。工作点。 o 回路有节流损失，其大小液回路有节流损失，其大小液 压缸工作压力压缸工作压力

22、p1有关。当有关。当 p1=plmax时，回路的节流损时，回路的节流损 失最小失最小(图中阴影面积图中阴影面积S1)， p1越小，则节流损失越大越小，则节流损失越大 （图中阴影面积（图中阴影面积S2）。）。 ppp p p qp qp 111 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 二二.差压式变量泵和节流阀的调速回路差压式变量泵和节流阀的调速回路 o 1.回路工作原理回路工作原理 o 该回路采用了带有先导式该回路采用了带有先导式 滑阀控制的差压式变量叶滑阀控制的差压式变量叶 片泵，在液压缸的进油路片泵，在液压缸的进油路 上串联一节流阀。

23、上串联一节流阀。 o 当节流阀开口增大时滑阀当节流阀开口增大时滑阀 5左移，节流口左移，节流口b开大，开大，c 关小，泵的定子左移，关小，泵的定子左移，e 增大，泵流量增大，液压增大，泵流量增大，液压 缸的速度增大，反之亦然缸的速度增大，反之亦然 o 在某一稳定工况下，当节在某一稳定工况下，当节 流阀流阀3处在某一开口时，处在某一开口时， 变量泵有一稳定流量变量泵有一稳定流量 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 o 该回路具有良好的稳速特性。该回路具有良好的稳速特性。 当负载增加时，当负载增加时，pp

24、增加，缸的增加，缸的 泄漏增加，泄漏增加，qp减少，阀减少，阀3的压差的压差 减小，滑阀减小，滑阀5向左移动，节流口向左移动，节流口 b开大，开大，c关小，泵的定子左移，关小，泵的定子左移， e增大，泵排量增大，补偿了泵增大，泵排量增大，补偿了泵 的泄漏，使泵的输出流量回升。的泄漏，使泵的输出流量回升。 o 回路的效率较高。泵的输出压回路的效率较高。泵的输出压 力和流量始终与负载相适应，力和流量始终与负载相适应， 故效率较高。故效率较高。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 三三.负载敏感泵和节流阀的调速回路负载敏感泵和节流阀的调速回

25、路 o 1.回路工作原理回路工作原理 o 负载敏感泵由泵负载敏感泵由泵4、负载敏、负载敏 感阀感阀1、恒压阀、恒压阀2和变量缸和变量缸 3组成组成 o pL为负载所需要的压力，为负载所需要的压力， pS为泵的出口压力，也是为泵的出口压力，也是 节流阀节流阀5的进口压力，节流的进口压力，节流 阀阀5的进出口分别与负载敏的进出口分别与负载敏 感阀感阀1的左右腔相通。的左右腔相通。 o 负载敏感泵有三种状态，即负载敏感泵有三种状态，即 一般工作状态、保压工作状一般工作状态、保压工作状 态和空转状态。态和空转状态。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流

26、调速回路 负载敏感泵的三种状态负载敏感泵的三种状态 o1.一般工作状态：一般工作状态： o当节流阀当节流阀5的开口减小，表明负的开口减小，表明负 载需求流量减少，此时泵输出的流载需求流量减少，此时泵输出的流 量大于负载所需要的流量，则阀量大于负载所需要的流量，则阀5 的进出口压差的进出口压差p=pS - pL增大，增大， 推动负载敏感阀推动负载敏感阀1的阀芯向右移动，的阀芯向右移动， 使泵的出口油液通过阀使泵的出口油液通过阀1左位进入左位进入 变量缸变量缸3的无杆腔，推动泵的变量的无杆腔，推动泵的变量 斜盘倾角减少，泵的输出流量较少，斜盘倾角减少，泵的输出流量较少， 直到达到负载所需求的流量为

27、止。直到达到负载所需求的流量为止。 反之亦然。反之亦然。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 负载敏感泵的三种状态负载敏感泵的三种状态 o 2.保压工作状态：保压工作状态：ps = pL， 负载敏感阀负载敏感阀1在右腔弹簧作用在右腔弹簧作用 下处于右位，下处于右位，ps推动恒压阀推动恒压阀2 阀芯向右移动，泵出口油液通阀芯向右移动，泵出口油液通 过阀过阀2左位进入变量缸左位进入变量缸3的无的无 杆腔，使泵的输出流量减少到杆腔，使泵的输出流量减少到 仅能维持系统的压力，斜盘倾仅能维持系统的压力，斜盘倾 角接近零偏角，泵的功耗最小。角接近

28、零偏角，泵的功耗最小。 o 3.空转状态：空转状态：当阀当阀5关死，即关死，即 负载停止工作时，泵的出口压负载停止工作时，泵的出口压 力仅需为阀力仅需为阀1弹簧设置压力，弹簧设置压力， 一般只有一般只有14bar左右，流量左右，流量 接近为零。接近为零。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 2.负载敏感泵和节流阀的调速回路负载敏感泵和节流阀的调速回路 o 负载敏感泵和节流阀组负载敏感泵和节流阀组 成的调速回路，泵的输成的调速回路，泵的输 出流量始终与负载流量出流量始终与负载流量 相适应，泵的工作压力相适应，泵的工作压力 ps始终比液压

29、缸的进口始终比液压缸的进口 压力大一个恒定值，显压力大一个恒定值，显 然，这是一种效率高、然，这是一种效率高、 调速刚性好的调速回路。调速刚性好的调速回路。 目前应用较为广泛。目前应用较为广泛。 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第四节第四节 容积节流调速回路容积节流调速回路 第五节第五节 容积调速回路的动态性能容积调速回路的动态性能 o 本节以变量泵本节以变量泵-定量马达容积调速为例，用定量马达容积调速为例，用 古典控制理论对其进行动态特性分析。古典控制理论对其进行动态特性分析。 o 一一.回路动态方程及传递函数的建立回路动态方程及传递函数的建立 o 假定：假定： o 1.液压

30、泵的吸油口和马达的排油口压力为零液压泵的吸油口和马达的排油口压力为零 o 2.不考虑液压泵和马达之间管路的压力损失不考虑液压泵和马达之间管路的压力损失 o 3.液压泵和马达的泄漏液流流态为层流液压泵和马达的泄漏液流流态为层流 o 4.不考虑液压泵供油的脉动性不考虑液压泵供油的脉动性 o 5.采用在给定平衡点取小增量线性化的方法采用在给定平衡点取小增量线性化的方法 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 动态方程及传递函数的建立动态方程及传递函数的建立 o 1.流量连续性方程流量连续性方程 o 2.马达负载转矩平衡方程马达负载转矩平衡方程 o 3.联立上两式，线性化并联立上两式，线性化并

31、 拉式变换拉式变换 o 通常通常 则则： dt dp K V pnVxnV mmppp 0 max TBn dt dn JpV m m m )1 ()( )1 ( 222 0 2 2 0 0 2 max mmmm m p m pp m V B S V J KV BV S KV JV TS K V V x V nV n 1 2 )1 ( 1)( )1 ( 2 2 0 2 max 22 0 2 2 0 0 2 max S S TS K V V x V nV S V J KV BV S KV JV TS K V V x V nV n h h h m p m pp mmm m p m pp m 1 2 m V B 第四章第四章 容积调速回路分析容积调速回路分析 第五节第五节 容积调速回路的容积调速回路的 动态性能动态性能 动态方程及传递函数的建立动态方程及传递函数的建立 o 其中：其中： o 当负载转矩不变时当负载转矩不变时 o 当泵的调节参数不变时当泵的调节参数不变时 o W2(S)称为回路的动态称为回