流体机械调节与控制技术4

1、主讲主讲 吴晓明吴晓明24学时机电控制工程（24学时） Dr. 吴晓明A10DFR型复合变量泵A10DFR型复合变量泵外形图A10DFR型控制阀组DFR柱塞 配流盘 滑靴 缸体 缸体 3.6.1 MA型手动变排量控制 这种变量控制方式是通过手轮对泵进行无级排量调节，其结构最为简单。这种类型的变量泵一般在控制机构内部必须具有行程限位、行程角的限位、零位对中等功能。MA手动控制原理和调节位移与排量之间的无量纲曲线见图3-74，这种控制方式在过零点之后泵可以换向输出流量。 下面以Bosch Rexroth公司生产的A4VG系列斜盘式轴向柱塞变量泵为例，对其各种控制方式及其实现进行研究与分析，以期对于

2、静液压系统闭式回路的开发与创新提供借鉴，并可为设计师在泵的选型方面提供参考。 3.6.1 MA型手动变排量控制 3.6.1 MA型手动变排量控制 图 3-74 MA手动控制职能原理图和其特性曲线a）控制原理图 b）输出特性的无量纲曲线A、B压力油口 MA、MB测量油口 E辅助油口 K2、K3泵壳体冲洗油口 R（L）注油孔和排放孔U泵壳体冲洗油口 A4CSG500EP型A4CSG500EPG型A4CSG500EPD 型A4CSG500EPD 型 3.4.12 LRN型功率控制+液压行程控制 FEATURES 3.6.3HD型与先导控制压力相关的液压控制 图3-76 HD液压控制职能原理图A、B压

3、力油口 MA、MB测量油口 G供油压力口 X1、X2控制压力口 Y1，Y2遥控口 T1漏油灌油口 T2漏油泄油口 R排气口 S吸油口 Fe补油泵测压口 PS辅助油口1主泵 2控制阀 3反馈杠杆 4安全阀 5辅助泵 6溢流阀 7变量活塞 3.6.3HD型与先导控制压力相关的液压控制图3-77 HD液压控制特性曲线 3.6.3HD型与先导控制压力相关的液压控制 HD液压控制方式泵的排量大小取决于先导控制压力pst，即油口Y1和Y2的压差，油口Y1和Y2各对应一个液流方向。当先导控制压力作用在控制阀2阀芯上时，会推动阀芯向左或向右移动，打开阀口，先导控制压力与控制阀2的弹簧力实现平衡时，阀口开度的大

4、小被确定。来自辅助泵5的压力油进入变量活塞推动变量机构向左或右运动。由于变量活塞7上连接有反馈杠杆3直接与控制阀2的阀套连接，形成了直接位置负反馈，随着变量活塞的移动又使打开的阀口趋于关闭，此时排量被确定为某一个定值。排量的大小正比于先导压力。3.6.4 HW液压控制、手动伺服 图 3-78 HW控制职能原理和特性曲线a）控制原理图 b）输出特性的无量纲曲线 3.6.4 HW液压控制、手动伺服该控制方式取决于控制杆的操作方向，属于三通阀控制差动缸的原理，机械凸轮负反馈控制反馈弹簧的变形实现变量缸的定位，因而斜盘和排量可无级变量。每个控制手柄的操作方向对应一个相应的液流方向。HW控制手柄的偏转角

5、度限制须由外装的位移信号元件设定。当HW控制阀上的控制手柄处于零位时，零位开关的开关触点闭合，当控制手柄偏转离开中位时，触点断开。此零位开关在传动中可起到安全保护作用，在某一工作状况下（例如起动柴油机时）确保泵在零位。3.6.5 HM1/2/3型液压排量控制 图3-79 HM1/2/3液压排量控制 3.6.5 HM1/2/3型液压排量控制这种控制方式对泵的排量可以进行无级调节，取决于油口X1和X2中的控制体积。主要的应用有：2点控制，实现正负最大排量和零排量控制；用于伺服控制或比例控制的基本控制设备。 3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制） 有些没备的原动机不仅驱动多台泵，同时也带动某

6、些机械传动装置。例如大型轮式装载机，车轮的最大负载功率加上液压驱动功率，很容易超过原动机的最大输出功率。这种情况下使用转矩相加是不合适的，因为没有一种能从传动装置中检测出转矩信号的合适办法。 但原动机有这样一种性能，当它接近最大功率时，转速就开始下降，这种情况为使用速度敏感控制创造了条件。当原动机转速下降时，速度敏感控制器使液压泵减小排量直至卸载，原动机的大部甚至全部功率用于驱动车轮行走。当爬坡时，驱动车轮的阻力增大，(定量)液压马达的转矩上升，使液压泵压力跟随升高。由此造成发动机载荷增大，而迫使发动机转速下降。此时，速度敏感控制器可使泵减小排量，相应降低车轮转速。 3.6.6与转速有关的DA

7、控制（速度敏感控制）DA控制是一种与发动机转速或自动行驶速度有关的控制系统。该控制方式内置的DA控制阀芯产生一个与泵（发动机）驱动转速成比例的先导压力。该先导压力通过一个三位四通电磁换向阀传至泵的排量控制缸上。泵的排量在两个方向均可无级调节，并同时受泵驱动转速的排油压力的影响。液流方向（即机器向前或向后）由电磁铁a或b控制。泵的驱动转速升高，DA阀产生的先导压力也会增加，从而使泵的流量和压力增加。根据所选择泵的工作特性，系统压力（即机器负载）升高使泵回摆至较小的排量。3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制） DA 控制的目的就是针对使用内燃机的行走机械液压系统。它既考虑到内燃机转矩随转速

8、增大而增大这一因素，又考虑到当载荷接近最大转矩限值时可能发生失速的问题。因此，可或多或少地将内燃机的功率换算成当前的转速。通过液压部分的相关调节，达到了最优的车辆控制功能。主泵的同轴上还安装着一台辅泵，其作用是：1)向闭式油路低压侧补油。2)供给主泵变量调节用液压油。3)测量变量泵(柴油机)转速。辅泵输出流量与发动机转速成正比，根据辅泵流量就可算出发动机相应的转速。3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制）图3-80 DA控制职能原理图 3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制）图3-81 DA阀结构原理图3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制）内置的DA阀，又称速度敏感控制器，

9、其结构原理如图3-81所示。实质上它是以p=p1p2为控制输入信号的一个比较特殊的三通减压阀，进油压力为孔板3后的压力p2，输出信号为p3。D与d之间的环形面积，就是输出压力p3的反馈作用面积。DA阀能将原动机的转速变化转换成变量泵的变量控制油压的变化，从而改变变量泵的排量，实现恒动率(恒转矩)控制。速度敏感控制器的速度信号，可以很方便地用测量原动机直接驱动的另一台定量泵（辅助泵）的流量获得。3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制）定量泵（辅助泵）输出与原动机(例如柴油机)转速成正比的流量，在控制器孔板(液阻)3上形成压差p=p1p2，此压差影响孔板阀芯组件1l的平衡位置，以使控制阀口4

10、打开，控制油经变量泵先导阀流向变量控制缸。控制油管路中的压力p3作用在的孔板阀芯组件的环形面积上(输出的反馈力)，方向从左向右，与孔板3前后压差所产生的从右向左的输入力平衡，从而决定孔板阀芯组件1l的平衡位置。当原动机转速稳定时，重新关闭阀口4。当原动机的转速下降时，孔板3上的压差变小，控制阀口8打开，变量缸中的油压降低，直至作用在孔板阀芯组件11上的力重新平衡，阀口8重新关闭。通过速度敏感控制器的作用，原动机转速和变量控制油压p与泵的变量倾角形成了比例关系。即原动机转速下降，使变量控制油压按比例下降，进而泵的排量也按比例下降；反之亦然。改变弹簧5的预压缩量，就可改变限转矩特性曲线。 3.6.

11、6与转速有关的DA控制（速度敏感控制）在行驶过程中，如果行驶驱动阻力增加（如上坡或障碍)，则泵输出压力增加，液压马达转矩增大，泵变量液压缸回位力增大，泵摆角变小，主机速度下降。如果泵输出功率大于柴油机提供的功率，那么柴油机转速下降，泵控制压力减小，泵摆角减小，主机降速直到此液压马达转矩与柴油机转矩一致。反之，如果行驶驱动力降低(如下坡)，液压马达转矩降低，泵输出压力降低，泵开始相反过程，使得车辆加速。由于采用了全调节装置，使主机行走液压系统具有制动性能。通过使操纵开关回中位或踩下微动阀调节踏板，均使行走液压系统进行静压制动。虽然这种方法代替不了必需的车辆制动器，但和制动器配合使用，可减小制动器

12、的磨损，延长使用寿命。3.6.6与转速有关的DA控制（速度敏感控制） 上面的介绍表明，速度敏感控制器可用于原动机直接驱动、输出功率超过原动机最大功率的大容量液压传动装置。在这种类型的装置中，速度敏感控制器的功能与恒转矩或总功率控制器件的功能相同，它可将泵在某一工作压力下的输出流量限制在原动机的最大功率范围内。 3.6.7 DG型液压直接控制 该控制方式为液压直接控制，其标准结构形式如图3-82所示。通过在油口X1或X2直接在行程缸上施加液压控制压力来调节泵的排量，液压控制压力产生的作用力与变量控制缸的定位弹簧相平衡使控制缸输出一定的位移，此位移确定了对应泵排量值。这样，斜盘亦即泵的排量可在0至

13、最大排量之间调节。 变量泵每个液流方向分配一个控制油口（X1或X2）。在排量最大时所需的先导压力取决于工作压力和转速。另外，在使用DG液压直接控制方式时，只有从油口PS供油，才能使用压力切断阀和DA控制阀。3.6.7 DG型液压直接控制 图3-82 DG直控式标准结构形式3.6.8 EP型带比例电磁铁的电气控制 该控制方式的泵见图3-83，它带有比例电磁铁，其控制过程取决于两个比例电磁铁（和）上的预选电流，泵变量缸通过EP控制装置获得控制压力驱动变量缸运动。这样，斜盘亦即排量可无级可调。每个比例电磁铁对应一个液流方向。如果泵同时装有一个DA控制阀，则可对行走驱动装置进行自动控制。 3.6.8

14、EP型带比例电磁铁的电气控制图 3-83 EP电气控制标准结构形式 p m11pCppCDQepripppp流量方程为：流量方程为：V0 一个腔室的总容积一个腔室的总容积变量泵的排量为：变量泵的排量为：ppKD 其其为：为：1pCKQtpqpp的流量连续性方程为的流量连续性方程为：dtdpVdtdDpCppCQemmemrimp1011其其为为：101spVsDpCQemmtmp液压液压的力矩平衡方程为：的力矩平衡方程为：LmmmmtrmTGdtdBdtdJppD221其其的拉氏变换为：的拉氏变换为：LmmmmtrmTGsBsJppD21可简化为：时，和 012GDCBmtmtmehJVD02

15、temmtemthJVDBVJDC00221212202sssTsCVDCDKhhhLtemtmqpm) 12() 14(222sssTsKVDKxDKhhhLceetmcevmqmttmehJVD24tetmmttemcehJVDBVJDK4tcetvVVKCx01）l 只有一个控制管道，只有一个控制管道，1/22l 液压泵的工作腔容积大液压泵的工作腔容积大2 2）。l C Ct tKKcece，总是欠阻尼，但基本恒定。，总是欠阻尼，但基本恒定。l 设置旁路泄漏通道或内部压力反馈以获得满意的阻尼比设置旁路泄漏通道或内部压力反馈以获得满意的阻尼比3 3）。4 4）3.6.9 EZ型带开关电磁铁

16、的电气两点控制 图3-84 EZ两点电气控制标准结构形式3.6.9 EZ型带开关电磁铁的电气两点控制 EZ型电气控制方式带有开关电磁铁，通过使开关电磁铁或通电或断电，可由EZ控制装置为泵的变量缸供油。这样，斜盘亦即排量可在与最大值两点调节。每个电磁铁对应一个液流方向。 3.6.10 EO1/2型比例液压控制 EO型比例液压控制也属于液压排量控制，其使用比例阀有助于与斜盘倾角的电反馈一起进行无级变量控制，其控制原理见图3-85a。EO1/2控制是依靠一个嵌入式直接驱动的比例方向阀，泵的排量正比于输入电信号指令值，实际泵的斜盘摆角的反馈信号（排量）由位移传感器检测并被反馈到输入端，组成闭环位置控制

17、系统用于控制泵的排量。其输出特性曲线见3-85b。 最大的斜盘摆角可以在中心的两边，在最大排量Vgmax和50%最大排量之间用止位螺钉调节。控制缸的对中弹簧是标准的，它被用于设定和调整在无压状态下的零位位置。 电放大器采用的型号是VT 5035-1X。 3.6.10 EO1/2型比例液压控制图 3-85 液压排量控制控制职能原理图和其特性曲线a）控制原理图 b）输出特性的无量纲曲线 3.6.11 HS型液压排量控制 使用伺服阀有助于实现斜盘倾角的电反馈进行无级变量控制。HS控制用电液伺服阀调节变量缸使泵的排量正比于给定电信号值，实际泵的斜盘摆角的反馈（泵的排量）由一台嵌入式的位移传感器来完成。

18、 变量缸中的对中弹簧是标准的，它被用于设定和调节无压力下的零位位置。 为了保护伺服阀，泵上提供了一个叠加式冲洗板，在冲洗完之后冲洗板必须移走，而伺服阀应当直接用螺钉安装在底板上。HS3P 控制配备有附带的压力传感器，可进行附加的可电动调节的压力控制和功率控制。3.6.11 HS型液压排量控制 a） b）图 3-86 液压伺服阀排量控制控制职能原理图和其特性曲线a）控制原理图 b）输出特性的无量纲曲线 3.6.12 DS1型速度控制（二级受控） 速度控制DS1用来控制二次元件（液压马达），以便此液压马达可以提供足够的转矩来维持所需的速度。连接到具有恒定压力的系统，此转矩与排量成比例，从而也与摆动

19、角成比例。 二次调节系统是以调节一个接在定压网络中的变量液压马达的排量，来调节液压马达轴上的转矩，从而控制整个系统的功率流，达到调速和调节转矩的目的，也就是说，液压马达轴的转向以及轴上能量的流动方向及大小（传动系统向负载提供能量为主动工况，从负载吸收能量为制动工况），在容积传动系统中主要是通过改变泵的流量来实现，而二次调节系统中是通过改变液压马达的转矩来实现。 3.6.12 DS1型速度控制（二级受控）图 3-88 二次调节系统原理3.6.12 DS1型速度控制（二级受控） 二次调节静液传动技术是对将液压能与机械能互相转换的液压元件所进行的调节。如果把静液传动系统中机械能转化成液压能的元件(液

20、压泵) 称为一次元件或初级元件( Primary Element ) ,则可把液压能和机械能可以互相转换的元件(液压马达/ 泵)称为二次元件或次级元件(Secondary Element) 。 在静液传动系统中可以把液压能转换成机械能的液压元件是液压缸和液压马达,液压缸的工作面积是不可调节的,所以二次元件主要是指液压马达。 同时,为了使二次调节静液传动技术能够实现能量回收,所需要的二次元件是可逆的静液传动元件。因此,对这类静液传动元件可称为液压马达/ 泵。3.6.12 DS1型速度控制（二级受控） 但是,为了使许多不具备双向无级变量能力的液压马达和往复运动的液压缸也能在二次调节系统的恒压网络中

21、运行, 目前出现了一种“液压变压器( hy2draulic transformer) ”,它类似于电力变压器用来匹配用户对系统压力和流量的不同需求,从而实现液压系统的功率匹配。 一般来说,大多数二次调节静液传动技术的实现是以压力耦联系统为基础的。目前对二次调节静液传动技术进行研究的出发点是对传动过程进行能量的回收、能量的重新利用,并从宏观的角度对静液传动总体结构进行合理的配置以及改善其静液传动系统的控制特性。3.6.12 DS1型速度控制（二级受控） 二次调节闭环控制是一种闭环控制静液传动方案。当一台液压马达/ 泵由具有恒定工作压力的网络无节流地驱动时,所希望的是液压马达/ 泵转速由闭环控制来

22、实现。对此所需要的转矩则在保持工作压力不变的情况下,通过调节液压马达/ 泵的排量来实现。 基于能量回收与重新利用而提出的二次调节概念,对改善静液传动系统的效率非常有效。这种调节技术不但能实现功率适应,而且还可以对工作机构的制动动能和重力势能进行回收与重新利用。同时,在恒压网络开式回路上可以连接多个互不相关的负载,在驱动负载的二次元件上直接来控制其转角、转速、转矩或功率。二次调节静液传动系统在控制与功能上的特点为解决静液传动技术中目前尚未解决的某些传动问题和替代有关传动技术提供了有利的条件。1 二次调节静液传动系统的组成二次调节静液传动系统的组成二次调节静液传动系统的组成如图1 所示,它主要由二

23、次元件1 、变量控制油缸2 、电液伺服(比例) 阀3 等组成。恒压油源部分由恒压变量泵4 和液压蓄能器5 组成。由于恒压油源部分的动态特性较好,所以在对二次调节静液传动系统进行分析与研究时,可以不考虑油源部分的动态性能对系统输出的影响,并且可认为恒压网络中的压力基本保持恒定不变。这样不仅能简化研究的复杂性,同时也能保证研究结果的准确性。1 二次调节静液传动系统的组成二次调节静液传动系统的组成1二次元件;2变量控制油缸;3电液伺服(比例) 阀;4恒压变量泵;5液压蓄能器图1 二次调节静液传动系统的基本组成2 二次调节静液传动系统的工作原理二次调节静液传动系统的工作原理 输出端的可逆式二次元件2

24、的排量由变量油缸3 进行控制,变量油缸的流量通过二次元件的测速泵4产生。 随着二次元件转速的变化,测速泵产生一定容量的先导控制流量,并在节流阀5 上造成一个与二次元件的转速成比例的压力差,在压差的作用下,变量油缸向左或向右移动,改变二次元件的斜盘倾角,进而改变二次元件的排量,排量的变化将引起扭矩的变化,直至变量缸的两端达到力平衡为止。 这一平衡状态可产生于二次元件的任何设定转速,通过改变节流阀的阀口面积,可以使二次元件的转速无级地变化。当外负载扭矩ML 发生变化时,将引起二次元件转速n2 的变化,而转速的变化自动地引起二次元件排量V2 的变化,直到恢复节流阀所设定的二次元件转速为止。2 二次调

25、节静液传动系统的工作原理二次调节静液传动系统的工作原理如果将图2 中的节流阀控制变量液压缸改为用电液伺服阀控制,通过改变电液伺服(比例) 阀的控制信号,同样可以使二次元件的转速无级变化,并且更加方便。2 二次调节静液传动系统的工作原理二次调节静液传动系统的工作原理1油箱;2二次元件;3变量液压缸;4测速泵;5节流阀图2 二次调节静液传动转速调节原理图2 二次调节静液传动系统的工作原理二次调节静液传动系统的工作原理 二次调节静液传动系统中的二次元件(液压马达/ 泵) 对负载转矩或转速变化的反应,最终是通过改变液压马达/ 泵的排量来实现的。这种调节是在输出区的液压马达/ 泵上进行,调节功能通过液压

26、马达/ 泵自身的闭环反馈控制来实现,而不改变系统的工作压力。 为了实现能量回收的目的,二次元件能工作在四个象限内,既有“泵”工况,也有“马达”工况。当二次元件工作于泵工况时,向系统回馈能量。 这里可以改变能量的形式或不改变能量的形式来存储能量,这部分能量既可由蓄能器储存,也可以立即提供给其它用户。3 二次调节静液传动系统的特点二次调节静液传动系统的特点与传统静液传动系统相比: (1) 具有较高的控制质量; (2) 能在四个象限中工作,可以回收能量; (3) 可不转变能量形式来进行能量的存储; (4) 一次元件和二次元件可以分开相当大的距离安装,可以用一个泵站给数个液压动力元件提供油源; (5)

27、 可用液压蓄能器加速,其加速功率可以是装机功率的几倍,且系统中无压力峰值; (6) 可减少冷却费用; (7) 由于系统设计功率的减小,可以大大地降低设备的制造成本; (8) 大大地提高了系统效率。3 二次调节静液传动系统的特点二次调节静液传动系统的特点与电传动相比:(1) 闭环控制动态响应快;(2) 高功率密度、重量轻、安装空间小;(3) 安装功率小。4 二次调节静液传动系统的应用二次调节静液传动系统的应用二次调节静液传动液压抽油机液压回路4 二次调节静液传动系统的应用二次调节静液传动系统的应用 在液压缸4 下降的过程中, 靠钻杆和抽油泵的重力势能来驱动作为二次元件液压马达8 ,电动机7和二次

28、元件8 驱动作为液压泵的二次元件1 ,二次元件1 再将压力油压入液压蓄能器3 中,以备在液压缸4 的上升过程中使用;在液压缸4 下降到终点时,由行程开关6 控制二次元件8 的摆角过零点,而转成液压泵工作,利用换向阀2 将二次元件1 摆过零点转成液压马达。由作为二次元件液压马达1 和电动机7 共同驱动作为液压泵工作的二次元件8 输出液压油来驱动液压缸4 带动石油泵抽油,因此,系统的装机功率可以减小,从而达到节能目的。采用了二次调节静液传动技术的液压抽油机可具有较高的充填率、较高的循环频率并使钻杆和抽油泵的寿命很长。4 二次调节静液传动系统的应用二次调节静液传动系统的应用12发动机;22一次元件;

29、32液压蓄能器;42二次元件;52汽车后桥图5 二次调节静液传动在公共汽车驱动中的应用4 二次调节静液传动系统的应用二次调节静液传动系统的应用(1) 位能回收如液压驱动的卷扬起重机械。由于卷扬机械中有位能变化,采用二次调节静液传动技术可以回收其位能。它可用于液压抽油机、起重机械和矿井提升机械、缆索机械的索道传动,船用甲板机械等;(2) 惯性能回收如液压驱动摆动机械和实验装置。应用二次调节静液传动技术可对摆动机械在频繁的启动、制动过程中产生的惯性能,进行回收和再利用;(3) 群控节能如群控作业机械。对多台周期性工作设备共用一个动力源,这样既节省费用又节约了能源。二次调节静液传动系统可实现能量的回

30、收和重新利用,其主要应用在以下几个方面:3.5.4 压力流量功率复合控制变量泵的压力切断和正负流量控制图3-73 带压力切断、液控变量的恒功率控制泵a） 负流量控制 b）正流量控制3.5.4 压力流量功率复合控制变量泵的压力切断和正负流量控制1）恒功率功能 参见图3-73，恒功率控制部分与前面的讲述相似，阀为恒功率阀，其恒功率关系式为pAa=Fb（p为泵的出口压力；A为通压力油的反馈杆底部面积；a是变量缸位移；F是功率输入信号；b是拐臂长度）。 3.5.4 压力流量功率复合控制变量泵的压力切断和正负流量控制2）压力切断功能 图3-73a中阀为压力切断阀，主要功能是对系统进行过压保护，并消除过载时的溢流损失。与系统安全阀类似，它的调定值一般比系统正常运行压力高l0左右。由于故障或其他原因，当系统压力达到或超过切断阀的调定值时，阀开启，泵排油口的压力油经过PA流道进入变量缸敏感腔(大腔)，即大小腔都接入泵出口压力油，但由于变量缸大小腔面积比大致为2：l，泵立即将排量降到零位附近，只输出补偿内部泄漏维持压力所需的小流量。需要注意的是，压力切断功能不能等同于恒压调节泵功能。而压力切断功能，是一种保护性功能，只要泵的压力达到切断压力，泵很快就将流量降到零位附近，不会根据负载的需要，停留在最大流量与最小流量之间的任意点运行。 3.5.4 压力流量功