液压与液力传动课件：速度控制回路和多缸工作控制回路-

液压与液力传动上堂课内容回顾（１）方向控制回路的结构和原理 其中包括： 换向回路和锁紧回路（２）压力控制回路的结构和原理 其中包括： 调压回路；降压回路；保压回路； 增压回路；平衡回路；卸荷回路。

本堂课所讲的主要内容1、调速回路2、快速运动回路3、速度换接回路4、多缸控制回路在液压系统中，速度控制回路是液压系统的核心，其工作性能的优劣，对系统起着决定性的作用。分类：按原理可分为以下几种：（1）节流调速回路;（2）容积调速；（3）容积节流调速;

要求：(１）调速范围－对最大和最小速度的要求。 （２）速度刚性－调节速度不随负载变化。 （３）回路效率高－回路功率消耗要小，效率要高。 （４）动力－提供所需的力和力矩。 （５）结构－结构简单、安全可靠速度控制回路一、调速回路调速就是调节执行机构的速度，其基本原理是：液压缸：v=Q/A;

液压马达：n=Q/qM

即改变输入到执行元件的流量Q，或改变液压缸的有效工作面积A(困难)和液压马达的每转排量qM都可达到调速的目的。定量泵变量泵流量控制阀油缸定量马达变量马达（一）节流调速回路按流量阀在回路中的安装位置不同，节流调速回路可分为： （１）进油路节流调速回路 （２）回油路节流调速回路 （３）旁路节流调速回路1.

进油路节流调速回路原理动画对于定量泵供油系统，利用节流阀，通过改变节流面积大小，来控制进入或流出执行元件的流量，实现调节执行元件运动速度。工作原理：因为：所以可知：活塞运动速度v,与节流阀的节流面积AT成正比。(1)基本方程a、根据流量连续方程

Q泵=Q1+ΔQ

(1)b、当稳定工作时，活塞上的力平衡方程

p1A1=p2A2+F(2)c、p泵由溢流阀调定，不变；为了使油液进入液缸工作，必须克服节流阀上的压力降，p泵>p1。

p泵=Δp节+p1，若忽略背压p2，则p泵=Δp节+F/A1

Δp节=p泵-F/A1(3)d、根据节流阀的压力与流量关系，得e、活塞运动速度速度是载荷的函数，称为速度—负载特性，反映了速度随外载变化的特性，可用速度刚度表示f、速度刚度

速度刚度－“速度－负载”特性曲线上某一点切线斜率的负倒数，即某点法线的斜率，为速度刚度。利用式（５），对速度求导可得。(6)物理意义：反映了负载变化时，速度保持不变的程度。速度保持不变或变化小，则速度刚度大，即说明了系统速度稳定性好；反之，速度稳定性差。当节流小孔为薄壁小孔时，求导可得速度刚度为由上式和图，可知：（１）当AT一定时，Ｆ越小，θ越小，则Kv越大。（２）当Ｆ一定时，AT越小，则Kv越大。（3）当A1越大时，则Kv越大。（４）当pp越大时，则Kv越大。vmax(2)功率特性和回路效率

P泵=p泵Q泵

P缸=p1Q1＝p1A1v=Fv

若不计管路等的损失，回路的功率损失

ΔP=P泵-P缸=p泵Q泵-p1Q1

=p泵(Q1+ΔQ)-p1Q1=p泵

ΔQ+(p泵-p1)Q1

=p泵ΔQ+Δp节Q1

由上式可见，功率损失由两部分组成：

ΔP=P泵ΔQ

——溢流损失

ΔP=Δp节Q1——节流损失功率损失都转化为热能。回路效率（３）调速范围即最高工作速度与最小稳定工作速度之比：其中，

可知，最大节流面积是由泵的流量和额定压力所决定的。（４）最大承载能力当泵的出口压力和油缸面积确定之后，液压缸的最大承载能力不变，为（5）运动平稳性活塞运动时，当负载突然变小时，活塞将产生突然前冲现象。可知：（１）该调速方式是恒推力调速。（２）由于回油路没有背压阀，不能承受负值（反向）载荷可知：（１）进油节流调速回路的速度稳定性差。（２）节流调速会发热，压力越大，发热越严重。这将对液压缸泄漏和速度稳定性产生影响。2.回油路节流调速回路－－(略讲)(1)基本方程AFApCAAQvAFAppQQQjj-==-=D-=+121222121)(泵节泵泵(2)回路的特性回油节流调速回路与进油调速回路比较，可知：

运动平稳性好。

可以承受负值载荷。

效率低。

如果停车时间长，回油腔的油液会泄漏，而行程空隙。在重新启动时，活塞产生前冲，直到消除因泄漏所产生的空隙，并形成背压为止。（３）调速范围由于装在回油路上，有背压，A节min较小时也能获得较低的稳定速度，故调速范围稍大。（４）其它特性(略)回油节流调速回路因流量阀装在回油路上，节流阀的阻尼作用相当于在执行元件的回油路上产生背压力，所以能承受负值负载。负值负载F=p2A2。进油节流调速回路通过节流阀而发热的油直接进入液压缸，会使缸内泄漏增加；而回油节流调速回路，通过节流阀的油流回油箱，得到充分冷却。

进油节流调速路因流量阀装在缸的进油路上，可避免启动时的前冲现象回油节流调速回路中液压缸回油腔的压力p2有时比进油腔的压力p1还要高得多。由缸的力平衡方程可得p2=（p1A1-F）/A2，当负载F=0、A1/A2=2（即差动缸）时，p2=2p1。

这样就会增加密封摩擦、降低密封件的寿命，引起泄漏增加，效率降低。3.旁路节流调速回路－（课下自学）有关该调速回路特性，课下同学自学。4．调速阀节流调速回路

前面分析的节流阀调速回路三种基本形式的静特性中，看出一个共同的缺点，就是回路速度稳定性（速度刚度）随负载的变化而变化。

其主要原因在于节流阀两端压力差的变化，引起流经节流阀流量的变化，从而引起活塞运动速度随负载变化。

因此，这种回路只能用于负载变化很小、或速度稳定性不高的场合。

对速度稳定性要求较高，或负载变化较大的液压系统，就需采用调速阀。

调速阀内节流阀两端的压差基本不受负载的影响，流经的油液流量只取决于开口面积。因此，采用调速阀可提高回路的速度刚度，改善“速度－负载特性”。例如，采用调速阀的进油节流调速回路当Ｆ增加，p1增加，而调速阀内的pm也增加，因此，调速阀内的节流阀前、后两端的压差Δp保持不变，流经调速阀的流量保持不变。即当负载在一定范围内变化时，使调速阀中节流阀前、后压差保持不变，从而使流经调速阀中节流阀流量也保持不变，活塞的工作速度也就不受负载变化的影响而保持恒定，即v=const。因此，速度刚度为vFFmax如果忽略系统泄漏，可认为速度不受负载影响，其速度－负载特性曲线，如图所示。vFA节1<A节2<A节3A节1A节2A节3在不同节流面积下，速度－负载特性如下图所示。FFmaxΔP1ΔP2PP调速阀节流调速回路的功率特性曲线，如下图所示。由图可知：（１）调速阀回路的输入功率Pp和溢流阀损失功率ΔP1不随负载而变化。（2）调速阀回路输出功率P，随负载增加而线性上升。（3）节流损失功率ΔP2，随负载增加而线性下降。（二）容积调速回路根据上面的分析可知：节流调速的一个很严重的缺陷就是多余流量经溢流阀回油箱，造成能量损失和油温升高。特别在执行元件低速运行更为严重。针对这种情况，提出了能耗较低，效率较高的容积调速。容积调速回路：通过改变回路中泵或马达的排量来实现调速。优点：没有节流损失和溢流损失，因而，油温升小，适用于高速、大功率调速系统。缺点：变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。三种基本组合形式：

变量泵和定量执行元件；定量泵和变量马达；（略讲）变量泵和变量马达。（略讲）根据油路的循环方式，容积调速可以联接成开式回路

或

闭式回路。其中，

开式回路，泵从油箱吸油。

闭式回路，回油管与泵的吸油腔相联。1．变量泵和定量马达或油缸组成的容积调速回路

原理：利用变量泵实现液压缸或液压马达的调速。注意：有时为了防止空气渗入和出现孔穴，利用辅助泵向低压油路补油。工作原理动画变量泵和油缸容积调速回路工作特性（1）速度特性速度特性反映的是执行元件的速度与变量泵调节参数（排量）的关系。当不考虑泄漏时，执行元件速度为：当考虑泄漏时，执行元件速度为：式中，k为泄漏系数(２)

调速范围变量泵与液压缸组成的调速回路，其最大速度是由泵的最大流量所决定的。如果忽略泵的泄漏量，最低速度可以调到零。因此，该调速回路的速度调节范围很大，可以实现无级调速。速度刚度为：可知：增大有效工作面积，减小泄漏，可提供速度刚度。(３)

负载特性

执行元件输出转矩（力）和输出功率与变量泵调节参数（排量）之间的关系。当不考虑回路的损失时，液压马达的输出转矩（或缸的输出推力）为MPMPGMPnvq1当考虑机械效率时，输出转矩（或缸输出推力）为执行元件的输出功率为

MPM

PGMPnvq12．定量泵和变量马达组成的容积调速回路（略讲）主要工作特性如下：(1)速度特性及调速范围当不考虑回路容积效率时，液压马达的转速为(2)转矩和功率特性。当不考虑回路的损失时，液压马达的输出转矩为液压马达的输出功率为3.变量泵和变量马达容积调速回路（略讲）

由于此回路中，既可用变量泵调速，又可用变量马达调速，可扩大调速范围，一般采用分段调速的方法。

在第一阶段将变量马达的排量调到最大并使之恒定，然后调节变量泵的排量从最小逐渐加大到最大值，则马达的转速便从最小逐渐升高到相应的最大值。这一阶段相当于变量泵定量马达的调速回路，属于恒转矩调速。在第二阶段将变量泵的排量固定在上述已调好最大值，然后调节变量马达的排量使之由最大值逐渐减小，马达的转速进一步逐渐升高，直到允许的最大转速。这一阶段相当于定量泵变量马达调速回路，属于功率调节。（三）容积节流调速回路－－（略讲）目前为止，我们讲述了两种调速方法，即节流调速和容积调速，其中，（1）节流调速回路因有节流损失，因而效率低、温升大；但结构简单，使用方便，能获得较低的稳定速度。（2）容积调速回路具有效率高（因无节流损失和溢流损失），温升小，可以接成闭式回路，因而大大减轻整个系统的重量；但结构复杂，负载变化时引起泄漏等因素的变化，影响低速稳定性。而容积

节流调速回路由是采用特定的变量泵和调速阀（或节流阀）所组成，它兼有上述两种调速回路的优点。

根据所采用变量泵的形式不同，常用的容积节流调速回路有：限压式变量泵和调速阀组成的回路；稳流式变量泵和节流阀组成的回路。1.限压式变量泵和调速阀的调速回路

特点：（1）没有溢流损失，但有节流损失。回路效率高于节流调速回路，但低于容积调速回路。（2）节流损失与液压缸的工作压力p1有关。负载小，p1低，节流损失越大。（3）该回路是以增加节流损失为代价，换取低速稳定的。2.差压式变量泵和节流阀调速回路（略讲）

变量泵定子的受力情况为：特点：（1）节流阀控制着进入油缸的流量，并使泵的输出流量自动与液压缸的需要流量适应。（2）变量泵能自动补偿由负载变化引起的泵泄漏量变化，使泵的输出流量基本保持稳定。（3）速度稳定性好。尤其是在小流量和负载变化的液压系统中，稳定性特别明显。（4）只有节流损失，发热少，效率高。二、快速运动回路液压装置的工作机构在一个工作循环的过程中，常常在不同的工作阶段，要求不同的运动速度和承受不同的负载。例如，许多机构的空行程要求快速运动，而负载轻；工作行程要求慢速运动，而负载重。因此，进行液压系统的设计时，通常是根据工作进程要求的运动速度和所承受的负载，决定主油泵的流量和压力，然后在不增加功率消耗的情况下，采用快速运动回路来提高工作机构空行程速度。常见的快速运动回路有以下几种。(一)双泵并联快速运动回路（二）用蓄能器的快速运动回路当换向阀处于左位或右位时，蓄能器和泵同时向缸供油，实现快速运动。当换向阀处于中位时缸停止工作，泵经单向阀向蓄能器充液，蓄能器压力升高到液控顺序阀的调定压力时，泵卸荷。（三）用增速缸的快速运动回路快速前进，回油同时进入大腔快速后退压力达到一定值后，阀4打开，慢速前进

三、速度换接回路速度换节回路的功用就是使液压执行机构，在一个工作循环中，从一种工作运动变换为另外一种运动速度。例如，机床切削加工过程中，刀架在完成一个自动工作循环时，需要不同的运动速度，如快速接近工件换接为慢速工作进给，第一种工作进给速度换接为第二种工作进给速度等。速度换接回路就是为了满足这个要求的。对加工精度要求较高的机床，不允许速度换接过程中出现前冲现象。因此，对这种回路提出了速度换接平稳性的要求。（一）快速运动和工作进给运动的换接回路快速前进慢速前进快速退回（二）两种工作进给速度的换接回路1.调速阀串联的速度控制回路（注意：qA>qB，V2<V1）调速阀A工作，工进V1调速阀A，B串联，B起作用，工进V22.调速阀并联的速度控制回路（注意：AT<BT）BT起作用，工进速度V1AT起作用，工进速度V2

尽管是两个不同节流面积的调速阀并联，实质是分别接入液压系统，实现并满足不同的工作速度。例如：第四节多缸控制一、顺序动作回路１．压力顺序阀控制的顺序回路

利用压力顺序阀，可控制液压系统的动作回路，如图所示。工作原理：（１）当换向阀５处于左位时，加紧缸１向右运动。（２）加紧工件后，进油腔压力升高到顺序阀３的设定值而打开，钻孔油缸２向右运动。（３）钻孔完毕，换向阀５处于右位，钻孔缸左退到左端点。（４）随后压力升高，达到顺序阀４设定值，加紧缸１向左退回原位。过程动画２．压力继电器控制的顺序回路

利用压力继电器，可控制液压系统的动作回路，如图所示。工作原理：（１）按启动按钮，电磁铁1Y得电，缸1活塞前进到右端点后。（２）回路压力升高，压力继电器1K动作，使电磁铁3Y得电，缸2活塞前进；（３）按返回按钮，1Y、3Y失电，4Y得电，缸2活塞先退回原位后。（４）回路压力升高，压力继电器2K动作，使2Y得电，缸1活塞后退，完成依次顺序动作。过程动画二、同步回路（速度同步、位置同步两种）用途：实现几个执行机构的同步动作，即外负荷不相等，而保持相同的位移（位移同步）或相同的速度（速度同步）。目前，由于回路中的泄漏，制造的误差，对同步的精度会有影响，但在机械工程中使用一般是能满足要求的。1．并联油缸加机械固结这种回路是用刚性梁、齿轮及齿条等机械零件，使两缸活塞杆间建立刚性的运动联系，实现位移同步。如图所示。ABPo注意：调速阀正常工作时，流过的流量只与调速阀开口有关，同步精度低，精度在5~10%左右，调速很麻烦。调速前进2．并联油缸分别串联流量阀（调速阀同步)结构：在两并联油缸进（回）油路上，分别串联一个调速阀。如图所示。原理:

(1)通过调整两个调速阀开口大小，控制进（回）油液的流量相等，从而实现