流体机械调节与控制技术2

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 3.4恒功率控制流量乘以压力代表功率，pq=常数的双曲线(q为泵的体积流量)就是恒功率曲线。但在大多数情况下，系统中的泵均在较恒定的转速下运转，且泵的容积效率较高，因此常用pV=常数(V为泵的排量)，即恒转矩来代替恒功率。恒功率泵是一种具有双曲线特性的功率控制泵，即泵的输出功率在负载压力或负载流量变化时保持常数。恒功率控制调节泵的排量依赖于工作压力，因此给定的驱动功率在恒速驱动速度下是不会超出的。由于具有精确的双曲线控制特性的控制，这种泵提供一个最优的可获得的功率的利用。3.4.1 LR型恒功率控制恒功率变量泵主要由变量控

2、制阀，变量缸和变量杠杆组成。如果这种泵用于开式回路，一般其泵变量的动力来自本身的排油口压力，属于自控式变量。变量缸的原始位置处于排量最大位置，此时变量阀处于原始的右位，大变量缸3与油箱相通。中间的垂直活塞4依靠来自泵排油口的油压，将其头部顶在90度杠杆5的水平杆上，杠杆5的几何长度分别为a和b。在活塞移动时垂直活塞4可以左右移动，其离开原始位置的距离a，就表示泵排量的大小。垂直活塞底部作用着泵的排油口压力p。3.4.1 LR型恒功率控制图3-41 LR控制变量泵原理图M测压油口（堵死） A压力油口 S吸油油口 G测压油口（堵死） R泄漏油口(堵死) T1、T2回油油口（堵死） M1 测压油口（

3、堵死）油口 1变量控制阀 2小变量缸 3大变量缸 4垂直活塞 5-杠杆带p+x反馈的功率调节泵现场可调的功率调节泵3.4.1 LR型恒功率控制其工作原理是： 当泵功率未达到调定的恒功率值时，p、A和a的乘积（力矩）小于输入的Fb（F为弹簧设定值产生的弹性力），变量阀1处于右位，排量最大，此时泵输出最大的排量。假如工作压力超过了弹簧的设定值，即当pAa大于Fb时，作用在90度杠杆5上的顺时针力矩大于逆时针力矩，缸杆使变量阀芯移动，压力油进入大变量缸2，使排量有所减少，在摇杆处的杠杆长度被减小，直至重新回到逆向力矩等于小于顺向力矩的状态。工作压力可以按排量减少的量的相同比例增加，使驱动功率不会被超

4、过，从而保持泵的输出功率为常数。变量到位时，变量阀处于中位（图上未画出），大变量缸油口封闭，变量泵处于某稳定点。3.4.2 LR3遥控恒功率控制 图3-43 LR3调节原理职能原理图 3.4.2 LR3遥控恒功率控制a） b） 图3-44 LR3 静态特性曲线a）特性曲线 b） 先导压力和功率之间的关系 LR3可以通过油口XLR接入外部先导压力pp ，加至功率阀的弹簧腔，可对泵输出的功率进行遥控调节，改变先导压力pp可以使泵的功率特性曲线向右上平移。控制原理同上，改变先导压力相当于改变了弹簧的设定值。这种变量泵在无压的初始位置是排量最大(Vgmax )。3.4.3 LR.D带压力控制的恒功率控

5、制 图3-45 LR.D调节原理职能原理图图3-46 LR.D 静态特性曲线压力控制优先于功率控制3.4.3 LR.D带压力控制的恒功率控制压力控制阀的可变阀口与固定节流孔5组成了一个C型半桥，用来控制变量泵活塞腔的压力。在无压工况，泵处在排量最大Vgmax的初始位置。这种控制方式，压力控制优先于功率控制，也就是在工作压力低于设定压力情况下，变量泵变量控制装置跟随功率控制功能。一旦泵的输出压力达到了压力控制设定值，此时压力阀4下位工作，泵出口压力油经阀口进入变量活塞的右腔，使泵的排量减少，泵进入压力控制模式，并仅仅输送所需要的流量来保持这个压力。一般这个压力有一个设定范围，标准的设定值为35M

6、Pa。也就是如果工作压力不超过35MPa，为恒功率泵，一旦压力超过了35MPa，就为恒压泵，其输出特性曲线参见图3-46。其中功率变量的起始点由功率控制阀2的弹簧调定，最高的工作压力由压力阀4的弹簧调定。 3.4.4 LR.G带遥控压力控制的恒功率控制 图3-47 LRG控制职能原理图1变量泵主体 2功率控制阀 3、6固定节流孔 4压力控制阀 5遥控压力溢流阀 图3-48 LRG控制静态特性曲线3.4.4 LR.G带遥控压力控制的恒功率控制 固定节流孔6与压力溢流阀5的可变节流口一起构成B型半桥，改变压力溢流阀的设定压力就可调整压力控制阀4的弹簧腔的压力。 一旦系统压力控制级别溢流阀设定值加上

7、压力控制阀4的阀口的压差达到，泵就会进入压力控制模式，可以通过改变压力溢流阀调控压力，实现远程压力遥控。 注意，对于遥控压力的设定值是单独的溢流阀设定值加上在压力控制阀阀口两端的压差p之和。例如，外部的压力溢流阀设定值是33MPa，控制阀阀芯两端的压差是2MPa，遥控压力的改变值为33 + 2 = 35MPa。 3.4.5 LRM型带行程限制器的恒功率控制 图3-49 LRM控制职能原理图 图3-50 LRM控制静态特性曲线 3.4.5 LRM型带行程限制器的恒功率控制 LRM型带行程限制器的恒功率控制原理见图3-49，它是在原恒功率控制变量泵的基础上增加了机械行程限制器8，这种型式的变量泵除

8、了功率控制功能之外，通过调节一个机械限位螺钉可以无级地限制泵的最大排量Vgmax，调整行程限位螺钉时必须在无压的条件下进行。这种变量泵在无压条件下的初始位置仍然是最大排量Vgmax位置。 行程限制器的调整排量设定范围为0%Vgmax%（最大可以到104% Vgmax），标准设定通常是Vgmax。见图3-50，改变机械行程限位器的设定，会使静态特性曲线横轴的最大排量值发生改变。 3.4.6 LRZ型液压两点恒功率控制 图3-51 LRZ液压2点控制1主泵2功率控制阀 3换向阀 4辅助泵3.4.6 LRZ型液压两点恒功率控制这种控制方式泵的原理见图3-51，是在原有恒功率控制泵的基础上增加了一台换

9、向阀3和辅助泵4组成。具有这种控制方式的泵，在泵重新起动时，可以减少起动转矩，通常需要外部的先导控制压力。此泵初始位置是无压条件下 (油口Rkv无压)排量处在最大位置。在功率控制和压力控制时，油口Rkv必须接油箱。Rkv油口加压引起控制装置朝着排量变小方向调节。若将油口Rkv卸载到油箱，能使泵执行LR2(3)恒功率控制功能。很显然，这需要在起动时接通外控先导压力。Rkv接通压力油后，使泵的排量最小，有利于泵电动机顺利起动，一旦起动过程结束，就应该是油口Rkv回油箱。3.4.7 LRY型具有内部先导压力的电气2点恒功率控制图3-52 LRY型控制职能原理图1主泵2功率控制阀 3电磁换向阀 4连接

10、板这种控制方式的泵是在原恒功率控制的基础上增加了一台电磁换向阀。在无压和电磁换向阀通电的条件下泵处在其初始点位置，这时泵输出最大排量。当电磁换向阀不通电时，泵起动后，一旦工作压力接近大约0.41MPa时，泵的斜盘就朝着最小排量Vgmin方向摆动，输出流量接近于零，容易起动。一旦电磁换向阀通电，泵则工作于恒功率控制模式。 3.4.7 LRY型具有内部先导压力的电气2点恒功率控制3.4.8 LRH1型带液压行程限制器的恒功率控制 图3-53 LRH1型控制职能原理图1主泵 2功率控制阀 3变量控制缸 4排量反馈杠杆 5先导排量控制阀 负排量控制功率优先3.4.8 LRH1型带液压行程限制器的恒功率

11、控制 这种变量控制方式的泵是在原恒功率控制基础上，增加了先导排量控制阀5和排量反馈杠杆4。这种控制需要一个外部的先导控制压力加到X1油口。液压行程限制器可用于在整个控制范围内，连续地改变或限制泵的排量，泵的排量大小由先导压力决定，先导压力pst最高为4MPa，先导控制压力通过油口X1引入。 控制压力增加，先导排量控制阀5左位与压力油路接通，液压油经功率控制阀2通往变量缸，使最大排量减小。 负流量控制方式:即随着控制压力的增加，最大的排量设定值减小。 3.4.8 LRH1型带液压行程限制器的恒功率控制 泵排量减少的同时，通过排量反馈杠杆4，使先导排量控制阀5的阀芯向左移动，关闭进入到泵排量控制缸

12、3大端的油口，使主泵1的排量为一调定值。减小的排量值与控制压力成正比。 这种控制方式中功率控制优先于液压行程限制器控制，例如，在双曲功率控制曲线以下，排量由先导压力控制，当一个设定的流量或者负载压力超过了功率曲线，功率控制优先沿着双曲特性曲线减少泵的排量。 3.4.8 LRH1型带液压行程限制器的恒功率控制 图3-55 LRH1控制先导压力与排量之间的关系3.4.8.1 LRDH控制 图3-56 LRDH1控制职能原理图LRDH控制 增设的压力切断阀2设定了主泵的最高压力，一旦系统压力超过了压力切断阀2左边弹簧的设定压力，压力油通过压力切断阀2和功率控制阀3进入到变量缸4的大腔，推动变量缸4左

13、移使泵排量减小。 3.4.9 LRF型恒流量控制+恒功率控制 图3-57 LRF控制职能原理图XF流量控制先导压力油口 M1, M2控制腔压力测量油口 S吸油口 B压力油口 1A4VSO液压泵 2变量缸 3功率控制阀 4流量控制阀 5外接可变节流阀 6固定节流孔 恒功率优先3.4.9 LRF型恒流量控制+恒功率控制 泵的流量取决于外接可变节流阀5阀口的通流面积，通常阀5安装在泵和液压缸之间。这种控制方式使得在功率控制曲线之下和在泵的控制范围内泵的输出流量实质上不受负载压力的支配。节流阀口的断面面积决定了泵的流量。流量控制阀4检测阀口前后压降并保持压降（压差p）为常数，因此可以控制流量。 当泵的

14、输出流量与输入信号对应时，流量控制阀处于中位。如果出现干扰，例如负载压力升高使实际输往负载的流量减少，则在与输入信号对应的节流阀口过流面积不变的情况下，在节流阀处产生的压降要比正常压差小，造成变量控制阀4两端受力不平衡而使阀芯右移，即流量控制阀4右位工作，使泵的排量增大，直至通过节流阀5的流量重新与输入信号对应，变量控制阀重新回到中位。 3.4.9 LRF型恒流量控制+恒功率控制 外接可变节流阀5阀口和固定节流孔6组成了C型半桥，用于控制流量控制阀弹簧腔的压力。随着压差p的增加，泵的斜盘向减小排量方向摆动，反之，假如p降低，泵的斜盘向排量增加的方向摆动，直到滑阀重新平衡为止。阀口的压差用公式计

15、算。作用在流量控制阀4上的标准p设定值接近1.4MPa，推荐的范围是1.42.5MPa。由图3-58可以看出，外接可变节流阀5阀口的压差变化，会使特性曲线右端垂直部分沿横轴左右移动 3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控制图3-59 LRGF控制结构简图及泵的工作原理1流量控制阀 2恒压控制阀 3恒功率阀 4电磁换向阀 5远程调压阀 6可变节流阀 控制的优先权依次是压力、功率、流量3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控制 这种控制方式具有远程压力控制、待命控制、恒功率控制和流量控制功能，控制的优先权依次是压力、功率、流量。 流量控制阀1的作用是维持阀6的前后压差为一个恒

16、定值，通常为1.4MPa。根据流量压力公式，如阀6的压差恒定，则流量恒定。改变节流孔的大小，就可以改变流量。 恒功率阀3优先于流量控制阀动作。如果压力改变，导致流量压力超过恒功率阀设定的功率，则流量控制阀不起作用，恒功率阀调整流量，保持流量压力恒定值。流量控制阀则处于右位，不起作用。 恒压控制阀2又优先于恒功率阀3动作。当泵出口压力达到设定值时，该阀处于左位，直接把泵的排量减到最小，减少过载时的功率消耗，此时流量控制阀1和恒功率阀2都不起作用。3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控制图3-60 LRGF 双弹簧功率控制静态特性曲线 3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控

17、制1）定流量段(ab) 当负载压力pc低于恒功率阀3的开启压力时，阀3处于关闭状态，无流量通过，即qf=0。流量控制阀1的阀芯两侧压力p0=pc，在弹簧力的作用下处于右位，变量缸中的压力pd=0，此时变量机构推动泵的斜盘处于最大倾角（由调节排量限位螺钉来调定)，泵处于定量工作段。3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控制2）恒功率段(bcd) 当负载压力升高到pc，能克服恒功率阀3的弹簧预紧力时，阀3打开，由于有流量qf通过，于是p00，此时泵变量机构进入恒功率段。由于pD的作用，当活塞作用力FDFd时，推动斜盘倾角c变小，泵的排量也随着变小；在这同时，通过变量缸的机械反馈，使恒功率

18、阀3的弹簧(一大一小)预压力等效地增大，从而在泵的斜盘与恒功率阀3的先导阀之间形成了一个位移(角度)力的负反馈，最终使斜盘倾角c稳定在某一个平衡角度上。由于弹簧力与位移成正比，所以bc是直线；当工作到c点时，小弹簧起作用，刚度增加，故变量泵在cd线段工作。 3.4.10 LRGF型恒流量+恒功率+远程调压控制3）恒压段(de) 当pc高于恒压阀2的弹簧预紧力时，阀2工作于左位，此时进入恒压段。恒压段的调节原理是由恒压阀2直接控制变量缸的，由于阀2先导级的弹簧刚度小及阀芯直径大，这样很小的负载压力pc变化可以获得很大的流量增量，其效果近似于恒压。4）远程调压 LRGF控制的泵可实现远程调压。阀5

19、用于远程压力控制，当电磁换向阀4接通时，左位工作，恒功率阀3的控制腔接到阀5，当系统压力达到阀5的设定值时，阀5开启，泵的控制活塞控制腔直接接通油箱，此时在压力油作用下，阀1左位工作，推动变量活塞向最小排量方向运动，泵几乎无流量输出，泵的压力维持在远程调压阀5设定的压力。电磁换向阀4断电时油口Y相当于直接接油箱，泵处在卸荷状态，此时泵的排量和压力最低。在起动泵时可以通过阀4断电，实现泵的无载起动。 3.3.5恒压负载敏感控制（DRS）(3)高压待机状态。当液压缸的活塞运动至行程终端位置时，进入方向控制滑阀环槽的液流被阻止。控制滑阀两侧的压力趋于相等，作用于压力-流量补偿器控制滑阀两端的压力也相

20、等。预调定的1.4MPa弹簧力将压力流量补偿器控制阀芯推至左端。此时液压泵的输出液流再次处于封闭状态，导致泵压迅速升至最高压力阀调定的限定值，致使高压补偿器滑阀克服预调定的最高压力弹簧力移至右端，高压油通过该阀通路作用于斜盘倾角控制活塞。活塞的运动使斜盘倾角转至排量近乎为零的位置。这种工况称液压泵的高压待机状态,直到高压负载力消除或方向控制阀回到中位。 3.3.5恒压负载敏感控制（DRS）图3-37 DRS控制实例1DRS变量泵 2（2.1、2.2和2.3）梭阀 3中间封闭型方向阀 4安全阀 5液压马达 6液压缸 3.3.6 同步控制变量机构DP 图3-38 DP控制职能原理图1变量泵 2补偿

21、器 3节流阀 4溢流阀 3.3.6 同步控制变量机构DP（1）所有的泵同步变量；（2）一个先导控制阀设定所有泵的恒压点；（3）所有的泵都是同样的结构、同样的设定、同样的参数；（4）均匀的负载分布，提高泵的使用寿命；（5）使用切断阀，可以从主系统中任意切断或接通任何一个泵；泵主油路上的单向阀可以将该泵从系统中隔离开。3.3.6 同步控制变量机构DP（1）多台泵采用一台溢流阀，作为可变液阻，见图3-38（这与常规液压泵并联合流后，必须用一个溢流阀来统一控制压力，各泵原来的溢流阀改为安全阀是一致的）。并要求从油口X到溢流阀4之间的管子应大致一样长，保证各泵的变量控制压力尽量一致。3.3.6 同步控制变量机构DP（2）节流阀3应该是个取压液阻，节流产生的压力被引到恒压阀的弹簧腔，与弹簧一起构成恒压阀的开启阻力，以增大泵进入恒压区运行后的压力差p。随着泵斜盘摆角的逐渐减小，节流阀3的节流开口也逐渐变小，液阻增大，取压压力即作用于恒压阀弹簧腔的液压力逐渐增大。可见，节流阀3的作用及其所产生的液压力的变化规律与在恒压阀弹簧腔再增加一个弹簧等效。节流阀3的作用，用来保证压力补偿器2弹簧端控制力的变化，实际上与泵的排量成比例。直径0.7mm的液阻和节流阀可变液阻并联形成压差p1，在泵排量变化的时候，能够改