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 ?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 ?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 失和溢流损失，回路效率高，系统温升小，适 用于高速、大功率调速系统。 ?容积节流调速是以不同形式变量泵为前提， 具有容积调速的基本特征液压泵输出的流 量始终与负载流量相适应，故也纳入本章讨论 第一节 容积调速回路 ? 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 失，回路效率高，系统温升小，适用于高速、大功 率

2、调速系统。 ? 液压缸的速度： ? 液压马达的转速： ? 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 第四章 容积调速回路分析 M m m c c V q n A q v ? ? 一.变量泵-定量马达、液压缸回路 ? 1.变量泵-液压缸调速回 路 ? 阀2是安全阀，阀3是背 压阀，回路为开式回路 ? 改变变量泵1的排量可 调节液压缸的运动速度 ? 回路用于负载变化不大 的系统中 第四章 容积调速回路分析 第一节 容积调速回路 2.变量泵-定量马达调速回路 ? 泵的转速 n p 和马达排 量V M 为常数，改变泵 的排量V p可使马达转 速 n M 随之成比例变化。 ?

3、 回路高压管路上有安全 阀2 ，防止回路过载， 低压管路上泵7为补油 泵，压力由阀6调节 ? 改变变量泵1的排量可 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 容积调速回路 一.变量泵-定量马达回路 变量泵-定量马达回路的静特性 ? （1）变量泵的调节特性 ? 通常把液压马达的转速 n m 与变量泵的调节参数 x p之 间的关系，称为转速特性。 ? V p是变量泵的排量， V pmax 是V p的最大值，则 ? 泵的理论流量为： ? 泵的实际输出流量为 ： maxp p p V V x ? 第四章 容积调速回路分析 第一节 容积调速回路 一.变量泵-定量马达回

4、路 ppptp nxVq max ? )( 1max 1max max ppppp pppp ppppp xxnVq nxVp pnxVq ? ? ? ? ? ? 可见，xp1为调节死区， 是由泵的内泄产生的 变量泵-定量马达回路的静特性 ?（2）回路的特性曲线 ? 转速特性：qm为马达输入流量 ? 转矩特性： ? 功率特性： m ppppp m mpppp m mp m mm m V xxxnV V qxxnV V qq V qq n )( )( 21max 1max ? ? ? ? ? ? ? ? mmmm pVT? mmmmmmm npVnTP? ? 可见调速方式为恒转矩调节 第四章 容

5、积调速回路分析 第一节 容积调速回路 一.变量泵-定量马达回路 )( 21 max ppp m pp mmm xxx V nV pV? 变量泵-定量马达回路的静特性 ? （3）恒功率变量泵-定 量马达回路的特性曲线 ? 马达转速同前面马达转速同前面 ? 马达的功率恒定，转矩 )( 21 max ppp m pp m m 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 容积调速回路 一.变量泵-定量马达回路 二.定量泵-变量马达回路 ? （1）回路构成 ? 泵的转速 np 和排量V p 为常数，改变马达的排量 V m

6、 可使马达转速 n M 随 之成比例变化。 ? 回路中高压管路上有安全 阀2 ，防止回路过载， 低压管路上泵4为补油泵， 压力由阀6调节 ? 改变变量马达3的排量可 调节液压马达的转速 第四章 容积调速回路分析 第一节 容积调速回路 （2）回路的特性曲线 ? 马达调节参数： ? 马达转速： ? 马达输出转矩： ? 马达输出功率： max p 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 ? ? ? ?

7、 ? max max ? 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 容积调速回路 二.定量泵-变量马达回路 三.变量泵-变量马达回路 ? 1.回路构成 ? 变量泵可正反向供 油，变量马达可正 反向旋转 ? 调节变量泵或并联 马达的排量均可改 变马达转速 ? 阀5、7分别为马 达正反转的安全阀 ? 泵4为补油泵，阀6为其调压阀 ? 泵4可分别通过阀2、3为低压一侧补油 ? 换向阀8和溢流阀9可使低压管路的热油排回油箱 第四章 容积调速回路分析 第一节 容积调速回路 二.变量泵-变量马达回路 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 ? （1）转速特性 ? （2）转

8、矩特性 ? （3）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 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 容积调速回路 二.变量泵-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 ? 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： ? 速度刚性：

9、速度刚性： ? 回路泄漏系数越大，负载对液压马转速达的影响就越大 ? 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 ? 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 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

10、 mmm m m v V n T T ? ? ? ? ? ? ? 2 二.速度稳定方法 ? 1.流量补偿法流量补偿法 ? 利用回路压力随负载的 增减来控制泵流量做相 应的增减 ? 当马达负载增加时，p 升高，作用在柱塞1上 的力增大，推动泵的钉 子向加大偏心距e的方 向移动，使泵的流量增 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 容积调速回路速 度刚性分析度刚性分析 二.速度稳定方法 ? 2.压力恒定法 ? 利用一能自动调节液流阻 力的液动滑阀，实现负载 变化时，系统工作压力基 本不随负载变化 ? 当负载转矩增加时，泵的 工作压力p也相应升高,推 动液动滑阀阀

11、芯向右移动, 使节流口增大，背压减少, 维持泵工作压力近于恒定。 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 容积调速回路速 度刚性分析度刚性分析 第三节 容积调速回路主要参数选择 ? 一.性能指标 ? 1.容积调速回路的转矩放大系数K M ? 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Tm与泵输出转矩Tp之比： ? 2.容积调速回路的传动比i ? 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n m与泵输出转矩np之比： mmpm pp mm p m M Vp Vp T T K? ? ? ? 第四章 容积调速回路分析 lvmvpv m p p m

12、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 ? 是指在输出额定转矩和额定负载下，马达的 ? 最高转速n mmax 与最低转速n mmin 之比：即： ? 变量泵-定量马达回路：马达转速nm与泵的排量成正 比，马达转速的最小值取决于V p减小时泵可能提供 的最小稳定流量。即： ? 定量泵-变量马达回路:马达转速nm与马达排量成反 比，即： ? 变量泵-变量马达回路：该回路由上述两种回路组合 而成，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

13、 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 容积调速回路主要 参数选择参数选择 二.液压泵和液压马达参数的选择 ? 1.给定原始参数为原动机的输出功率时 ? 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 应的效率应的效率 ? 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

14、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 ? 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 量 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 第四节 容积节流调速回路 ? 一.限压式变量泵和调速阀的调速回路 ? 1.回路工作原理 ? 回路采用限压式变量泵1供油，调速 阀3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 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。 ? 改变调速阀中节流阀的通流面积A T的 大小，就可以调节液压缸

15、的运动速度， 泵的输出流量qp和通过调速阀进入液 压缸的流量q1自相适应。 第四章 容积调速回路分析 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 ? 曲线ABC是限压式变量泵的 压力流量特性，曲线CDE 是调速阀在某一开度时的压 力流量特性，点F是泵的 工作点。 ? 回路有节流损失，其大小液 压缸工作压力p 1有关。当 p 1=plmax 时，回路的节流损 失最小(图中阴影面积S1 )， p 1越小，则节流损失越大 （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 容积节流调速回路 二.差压式变量泵和节流阀的调速回路 ? 1.回路工作

16、原理回路工作原理 ? 该回路采用了带有先导式 滑阀控制的差压式变量叶 片泵，在液压缸的进油路 上串联一节流阀。 ? 当节流阀开口增大时滑阀 5左移，节流口b开大，c 关小，泵的定子左移， e 增大，泵流量增大，液压 缸的速度增大，反之亦然 ? 在某一稳定工况下，当节 流阀3处在某一开口时， 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 容积节流调速回路 2.回路的特性曲线回路的特性曲线 ? 该回路具有良好的稳速特性。当 负载增加时，p p增加，缸的泄 漏增加，qp减少，阀3的压差减 小，滑阀5向左移动，节流口b 开大，c关小，泵的定子左移， e增大，泵排量增大，补

17、偿了泵 的泄漏，使泵的输出流量回升。 ? 回路的效率较高。泵的输出压力 和流量始终与负载相适应，故效 率较高。 第四章 容积调速回路分析 第四节 容积节流调速回路 三.负载敏感泵和节流阀的调速回路 ? 1.回路工作原理回路工作原理 ? 负载敏感泵由泵4、负载敏 感阀1、恒压阀2和变量缸 3组成 ? pL为负载所需要的压力， p S为泵的出口压力，也是 节流阀5的进口压力，节流 阀5的进出口分别与负载敏 感阀1的左右腔相通。 ? 负载敏感泵有三种状态，即 一般工作状态、保压工作状 态和空转状态。 第四章 容积调速回路分析 第四节 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 ?1.

18、一般工作状态：一般工作状态： ?当节流阀5的开口减小，表明负 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5 的进出口压差p=p S - p L增大， 推动负载敏感阀1的阀芯向右移动， 使泵的出口油液通过阀1左位进入 变量缸3的无杆腔，推动泵的变量 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止。 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 容积节流调速回路 负载敏感泵的三种状态 ? 2.保压工作状态：ps= pL， 负载敏感阀1在右腔弹簧作用 下处于右位，ps推动恒压阀2 阀芯向右移动，泵出口油液通 过阀2左位进入变量缸3的无 杆腔，使

19、泵的输出流量减少到 仅能维持系统的压力，斜盘倾 角接近零偏角，泵的功耗最小。 ? 3.空转状态：当阀5关死，即 负载停止工作时，泵的出口压 力仅需为阀1弹簧设置压力， 一般只有14bar 左右，流量 接近为零。 第四章 容积调速回路分析 第四节 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 ? 负载敏感泵和节流阀组 成的调速回路，泵的输 出流量始终与负载流量 相适应，泵的工作压力 p s始终比液压缸的进口 压力大一个恒定值，显 然，这是一种效率高、 调速刚性好的调速回路。 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 容积节流调速

20、回路 第五节 容积调速回路的动态性能 ? 本节以变量泵-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。 ? 一.回路动态方程及传递函数的建立 ? 假定： ? 1.液压泵的吸油口和马达的排油口压力为零 ? 2.不考虑液压泵和马达之间管路的压力损失 ? 3.液压泵和马达的泄漏液流流态为层流 ? 4.不考虑液压泵供油的脉动性 ? 5.采用在给定平衡点取小增量线性化的方法 第四章 容积调速回路分析 动态方程及传递函数的建立 ? 1.流量连续性方程 ? 2.马达负载转矩平衡方程 ? 3.联立上两式，线性化并 拉式变换 ? 通常则： dt dp K V pnVxnV mmppp 0 max

21、? 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 容积调速回路分析 第五节 容积调速回路的 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 ? 其中： ? 当负载转矩不变时 ? 当泵的调节参数不变时 ? W 2(S) 称为回路的动态 速度柔度，其倒数称为 回路的动态速度刚度 1 2)( )( )( 2 2 max 1 ? ? ? ? ? ? hh p m pp p m SS x V nV Sx Sn SW ? ? ? 1 2 )1 ( )( )( )( 2 2 0 2 2 ? ? ?