液压与气压传动技术 第四版 课件 任务五 速度控制基本回路分析

任务五速度控制基本回路分析速度控制回路是调节液压执行元件速度的回路。它包括调速回路、快速运动回路和速度换接回路。一、调速回路在不考虑油液压缩性和泄漏的情况下，液压缸的运动速度v

由输入流量q

和液压缸的有效作用面积A决定，即：

v=

q/A；液压马达的转速n

由输入流量q

和液压马达的排量VM

决定，即：

n=q

/

VM。由此可知，要调节液压缸的运动速度v或液压马达的转速n，可用改变输入的流量q，或改变液压马达的排量VM

的方法来实现。调速回路主要有以下三种形式：1）节流调速回路：用定量泵供油，用流量控制阀调节进入执行元件的流量，以实现速度调节。2）容积调速回路：调节变量泵或变量马达的排量，以实现速度调节。3）容积节流调速回路：用变量泵和流量阀相配合的调速方法，又称联合调速。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路1.节流调速回路节流调速回路的工作原理是通过改变回路中流量控制阀（节流阀和调速阀）通流截面积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量大小，以调节其运动速度。根据流量控制阀在回路中的位置不同，分为进口节流调速、出口节流调速及旁路节流调速三种调速回路。（1）进口节流调速回路节流阀串接在定量泵和液压缸之间的进油路上，调节节流阀开口面积，便可改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度。泵的多余流量经溢流阀流回油箱。泵的出口压力由溢流阀调定。该回路在工作过程中溢流阀处于开启状态，所以液压泵总是按溢流阀调整的压力供油，与外负载的变化无关。进口节流调速回路的静态特性：1）速度—负载特性调速回路的速度—负载特性，也称机械特性，是在回路中调速元件的调速值不变的情况下，负载变化所引起速度变化的性能。

式中：

p1——液压缸进油腔压力；

p2——液压缸回油腔压力；

F——液压缸的负载；A

——液压缸有效工作面积；由于回油腔通油箱，

p2视为零，则有：

p1

=

F/A液压缸在稳定工作时，受力平衡方程式为：p1A

=p2A+F任务五速度控制基本回路分析一、调速回路设液压泵的供油压力为pP

，则节流阀进出口的压差为：Δp

=pP-p1

=pP-F/

A

由小孔流量公式知，通过节流阀进入液压缸的流量为：

式中：

C

——节流阀系数，视为常数；

AT——节流阀通流截面积；m——节流阀指数；任务五速度控制基本回路分析一、调速回路液压缸的运动速度为：上式即为进口节流调速回路的速度负载特性方程。进油路节流调速回路具有以下几方面特点：当负载F恒定时，液压缸的运动速度v与节流阀通流面积AT成正比，调节AT

可实现无级调速；当节流阀通流面积AT调定后，液压缸的运动速度v随负载F增大而减小。当F=pP

A时，液压缸的速度为零。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路若以v为纵坐标，F为横坐标，AT为参变量，可绘出速度—负载特性曲线。速度v随负载F变化的程度称为速度刚性，体现在速度—负载特性曲线的斜率上。特性曲线上某一点的斜率越小，速度刚性就越大，说明回路在该处速度受负载变化的影响就越小，即该点的速度稳定性好。进口节流流调速回路的静态特性：2）功率特性调速回路的输入功率，即液压泵输出功率为：PP=pPqP=常数该调速回路的输出功率，即液压缸的输入功率为：P1=p1q1

回路的功率损失为：

Δp=pP-p1=

pPqP-p1q1

=

pPΔq

+

Δpq1

式中：qP——液压泵供油流量；

Δq——溢流阀溢流量。由上式可知，这种调速回路的功率损失由两部分组成，即溢流损失pPΔq

和节流损失Δpq1

。回路效率为：由上可知，节流阀进口节流调速回路适用于轻载、低速、负载变化不大和对速度稳定性要求不高的小功率液压系统。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路（2）出口节流阀式节流调速回路节流阀串接在液压缸和油箱之间的回油路上，调节节流阀开口面积，便可改变从液压缸流出的流量，也就改变进入液压缸的流量，从而调节液压缸的运动速度。泵的多余流量经溢流阀流回油箱。泵的出口压力由溢流阀调定。该回路在工作过程中溢流阀处于开启状态，所以液压泵总是按溢流阀调整的压力供油，与外负载的变化无关。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路承受负值负载的能力：出口节流调速的节流阀在液压缸的回油腔能形成一定的背压，因而，它能承受负值负载（与液压缸运动方向相同的负载力）。运动平稳性：出口节流调速回路由于回油路上存在背压，可以有效地防止空气从回油路吸入，因而低速运动时不易爬行；高速运动时不易振动。进口节流调速回路在不加背压阀时不具备这种特点。油液发热对回路的影响：进口节流调速回路中，通过节流阀产生的节流功率损失转变为热量，一部分由元件散发出去，另一部分使油液温度升高，直接进入液压缸，会使缸的内外泄漏增加，速度稳定性不好，而出口节流调速回路油液经节流阀温升后，直接回油箱，经冷却后再入系统，对系统泄漏影响较小。实现压力控制的方便性：进口节流调速回路中，进油腔的压力随负载而变化，便于利用这一压力变化来实现压力控制；而在出口节流调速回路中，是利用回油腔的压力随负载的变化来实现压力控制的，但因其可靠性差，一般不采用。起动性能：出口节流调速回路中若停车时间较长，液压缸回油腔的油液会泄漏回油箱，重新启动时背压不能立即建立，会引起液压缸的前冲现象，对于进口节流调速，只要在启动设备时关小节流阀即可避免启动冲击。出口节流阀式节流调速回路的静态特性与进口节流阀式节流调速回路完全相同，但在以下几方面的性能又明显的差别。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路1.节流调速回路（3）旁路节流阀式节流调速回路节流阀安放在与执行元件并联的支路上。液压泵输出的压力油分成两路，一路进入液压缸，另一路经节流阀流回油箱。用节流阀调节从支路流回油箱的流量，进而控制进入液压缸的流量来达到调速的目的。在正常工作时溢流阀不开启，只有当系统过载时溢流阀才打开起安全保护作用。泵的工作压力不是恒定的，它随负载的变化而变化。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路旁路节流调速回路的速度—负载特性方程为：

式中：qt

——泵的输出流量；k1

——泵的漏泄系数其余符号意义同前。旁路节流速度—负载特性曲线如图所示。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路1）速度-负载特性该回路中，进入液压缸的流量为泵的实际流量与通过节流阀流走流量的差值，由于回路中泵的工作压力随负载而变化，泵的泄漏量正比于压力也是变量（前两种回路中为常量），对速度产生附加影响，故此回路中泵的实际流量要用理论流量减去泄漏量。负载F恒定时，液压缸运动速度v随节流阀开口面积AT的增大而减小。当节流阀通流面积AT调定后，液压缸运动速度随负载的增大而减小。旁路节流调速回路只有节流损失，而没有溢流损失，故功率损失小，效率高。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路2）最大承载能力：旁路节流调速回路的最大承载能力随节流阀开口面积AT的增大而减小，即该回路低速时承载能力很差，调速范围也小。同时该回路最大承载能力还受溢流阀的安全压力值的限制。3）功率特性：旁路节流调速回路只有节流损失而无溢流阀的溢流损失，故效率较高。这种回路适用于高速、重载且对速度平稳性要求不高的较大功率的液压系统。4）调速范围：不仅与节流阀的调速范围有关，而且还与负载、液压缸的泄露有关。因此其数值要比进口、出口节流阀式调速回路的调速范围要小。特

性调

速

方

式进口节流出口节流旁路节流回路的主要参数p1、Δp、q1均随负载F

变化。pP

=常数，p2≈0p2、Δp、q2均随负载F变化。p1=pP=常数pP、p1、Δp均随负载F

变化。pP=p1,p2≈0速度负载特性及运动平稳性速度负载特性较差，平稳性较差。不能在负值负载下工作速度负载特性较差，平稳性较好。可以在负值负载下工作速度负载特性差，平稳性差。不能在负值负载下工作负载能力最大负载由溢流阀所调定的压力来决定，属于恒转矩(恒牵引力)调速同左最大负载随节流阀开口增大而减小，低速承载能力差调速范围较大，可达100同左由于低速稳定性差，故调速范围较小功率消耗功率消耗与负载、速度无关，低速、轻载时功率消耗较大，效率低、发热大同左功率消耗与负载成正比。效率较高，发热小发热及泄漏的影响油通过节流孔发热后进入液压缸，影响液压缸泄漏，从而影响液压缸速度油通过节流孔后回油箱冷却，对泵、缸泄漏影响较小，因而对缸速度影响较小泵、缸及阀的泄漏都影响速度

其

它(1)停车后起动冲击小(2)便于实现压力控制

(1)停车后起动有冲击(2)压力控制不方便

(1)停车后起动有冲击(2)便于实现压力控制三种节流调速回路性能比较任务五速度控制基本回路分析一、调速回路1.节流调速回路（4）采用调速阀的节流调速回路采用节流阀的节流调速回路，节流阀两端的压差和执行元件运行速度随负载的变化而变化，故速度平稳性差。若用调速阀代替节流阀，则由于调速阀本身能在负载变化的条件下保证节流阀进、出油口间压差基本不变，通过的流量也基本不变，因而回路的速度-负载特性将得到改善。调速阀节流调速回路的速度-负载特性曲线如图所示，但功率损失将会增大。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路例：图示液压回路中，已知泵的流量qp

=8L/min，A1=50cm2

，

A1=25cm2

，溢流阀的调整压力为py

=2.4MPa

，负载F=2.4MPa

，节流阀孔口为薄壁孔，流量系数Cq=0.62

，节流阀通流面积AT=0.06cm2

，油液密度ρ=900kg/cm3

。试计算活塞的运动速度和液压泵的工作压力。解：图示为进口节流调速回路，列液压缸活塞的受力平衡方程有：所以液压泵出口压力为溢流阀调整压力py，则节流阀进、出口压力差为：通过节流阀的流量为所以假设成立，液压缸的运动速度为：液压泵的工作压力为

2.容积调速回路节流调速回路由于存在着节流损失和溢流损失，回路效率低，发热大，因此，只用于小功率调速系统。在大功率的调速系统中，多采用回路效率高的容积式调速回路。容积式调速回路是通过改变变量泵或变量马达的排量来调节执行元件的运行速度。在容积式调速回路中，液压泵输出的液压油全部直接进入液压缸或液压马达，无溢流损失和节流损失，而且液压泵的工作压力随负载的变化而变化，因此，这种调速回路效率高，发热量少。容积调速回路通常有三种基本形式：变量泵和定量执行元件的容积调速回路；定量泵和变量马达的容积调速回路；变量泵和变量马达的容积调速回路。液压系统中的油液循环，有开式和闭式两种方式。在开式循环回路中，液压泵从油箱中吸入液压油，同时压送到液压执行件中去，执行元件的回油排至油箱。在闭式循环回路中，液压泵将液压油送到执行元件的进油腔，同时又从执行元件的回油腔吸入液压油。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路2.容积调速回路（1）变量泵和定量执行元件组成的容积调速回路这种调速回路可由变量泵与液压缸或变量泵与定量液压马达组成。变量泵与液压缸组成的容积调速回路的开式循环回路结构如下图所示。它由变量泵、液压缸和起安全作用的溢流阀组成。通过改变液压泵的排量VP

，便可调节液压缸的运动速度。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路对于变量泵与液压缸组成的容积调速回路，当不考虑管路、液压缸的泄漏时，液压缸的速度为：按不同VP

值作图，可得一组如图所示的速度—负载特性曲线。由于变量泵的泄漏系数k1

较大，当负载增大时，液压缸的速度按线性规律下降；这样，当液压泵以小排量（低速）工作时，回路的承载能力变差。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路图示为闭式循环的变量泵——定量马达组成的容积调速回路。变量泵和定量执行元件组成的容积调速回路。该回路由补油泵1、溢流阀2、单向阀3、变量泵4、溢流阀5和定量马达6组成。改变变量泵4的排量VP

，即可以调节变量马达的转速nM

。安全阀5用来限定回路的最高压力，起过载保护作用。补油泵1用以补充由泄漏等因素造成的变量泵吸油量的不足，流量一般为主泵流量的10％～15％，压力通常为0.3~1.0MPa左右。溢流阀2调定补油泵的输出压力，溢出回路中多余的热油，使其进入油箱冷却，降低系统的温升。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路在不考虑管路压力损失和泄漏时，马达转速为：式中：VP——液压泵的排量；

VM——液压马达的排量；

k1——泵和马达的泄漏系数之和；

TM——液压马达负载转矩。调节变量泵的排量（即流量），便可调节执行元件的速度。由于变量泵的排量调节范围宽，所以这种回路的调速范围可达40左右。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路将按不同的VP值作图，得到速度—负载特性曲线，如图所示。由图可知，变量泵和液压马达的泄漏量，使马达转速随着负载转矩的增大而减小。当泵的排量VP

很小时，负载转矩不太大，马达就停止转动，这说明泵在小排量时（低转速）回路承载能力差。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路在正常工作条件下（除了VP过小而不能承受负载的工况外），回路输出转矩与实际的负载转矩相等。回路的工作压力由负载转矩决定。因此，当负载转矩大时，回路的工作压力自动增大；当负载转矩小时，回路的工作压力自动减小；当回路的工作压力随负载增大到安全阀调定的压力py时，负载转矩如果再增大，回路就无力驱动负载，则马达停止转动。这样，安全阀调定的压力就决定了这种回路输出转矩的最大能力。该回路输出的最大转矩为：任务五速度控制基本回路分析一、调速回路由上式可知，该回路的最大输出转矩不受变量泵的排量VP

的影响，在高速和低速时回路输出的最大转矩相同，是恒定值，故称这个回路为恒转矩回路。式中，ηMm——液压马达的机械效率，

Δp=py-p0，p0为补油压力。该回路的输出功率由实际负载功率决定。在不考虑管路泄漏和压力损失的情况下，当回路以最大转矩输出时，回路输出的最大功率为：表明该回路输出的最大功率随马达转速的提高而增大。综上所述，该回路的工作特性（

ηM

—VP

，

TM

—VP，

PM

—VP

）曲线如图所示。变量泵和定量马达容积调速回路的调速范围可达40左右。当回路中的液压泵和马达都能双向作用时，马达可实现平稳的反向。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路2.容积调速回路（2）定量泵——变量马达容积调速回路回路该回路中，液压泵1为定量泵，液压马达3为变量马达。调节变量马达6的排量来改变马达的输出转速，从而实现调速。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路在不考虑管路压力损失和泄漏时，马达转速为：故马达的转速与马达排量成反比变化。马达的转矩故马达的转矩与马达的排量成正比变化，当马达排量减小到一定程度，马达转矩不足以克服负载时，马达便停止转动。这种回路不仅不能在运转过程中用改变VM的办法使马达通过VM=0点来实现反向，而且其调速范围也很小，即使采用了高效率的轴向柱塞马达，也只有4左右。2.容积调速回路（2）定量泵——变量马达容积调速回路回路在不考虑泵和马达效率变化的情况下，由于定量泵的最大输出功率不变，因而在改变VM

时，马达的输出功率PM

也不变，故称这种回路为恒功率调速回路。这种回路，能最大限度发挥原动机的作用。要保证输出功率为常数，马达的调节系统应是一个自动的恒功率装置，其原理就是保证马达的进、出口压差ΔpM

为常数。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路如图所示，由双向变量泵和双向变量马达组成的容积调速回路。变量泵1正向或反向供油，马达2即正传或反转。单向阀6和8用于使补油泵4能双向补油，单向阀7和9使安全阀3在两个方向都能起到过载保护作用。2.容积调速回路（3）变量泵和变量马达调速回路由双向变量泵和双向变量马达组成的容积调速回路是上述两种调速回路的组合，由于变量泵和变量马达的排量均可以改变，故扩大了调速范围，并扩大了马达转矩和功率输出的选择余地，其工作特性曲线如图所示。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路2.容积调速回路（3）变量泵和变量马达调速回路变量泵―变量马达容积调速回路中马达转速的调节可分成低速和高速两段进行。在低速段，一般机械要求输出转矩大，故使变量马达的排量最大，通过调节变量泵的排量来改变马达的转速。所以，这一速度段具有变量泵―定量马达式容积调速回路的工作特性。在高速段，一般机械要求能输出较大的功率，故将变量泵的排量调至最大后，改变液压马达的排量来调节马达转速。所以，这一速度段具有定量泵―变量马达式容积调速回路的工作特性。这种回路的调速范围很大，等于泵的调速范围和马达调速范围的乘积，适用于大功率的液压系统。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路3.容积节流调速回路容积节流调速回路是采用压力补偿型变量泵供油，通过对节流元件的调整来改变流入或流出液压执行元件的流量从而调节其速度；液压泵输出的流量自动地与液压执行元件所需流量相适应。这种回路虽有节流损失，但没有溢流损失，其效率不如容积调速回路，但比节流调速回路高。其运动平稳性与调速阀调速回路相同，比容积调速回路好，常用在速度范围大，中小功率的场合，例如组合机床的进给系统等。主要讨论两种容积节流调速回路的工作原理及其工作特性任务五速度控制基本回路分析一、调速回路限压式变量泵输出的压力油经调速阀进入液压缸工作腔，回油则经背压阀返回油箱。活塞运动速度由调速阀控制，调节调速阀开口的大小，就改变了进入液压缸的流量，从而改变液压缸活塞的运动速度。设泵的流量为qP

，允许通过调速阀的流量为q1，则稳态工作时qP

=q1。当要调慢执行元件速度时，在调小调速阀的一瞬间，q1减小，而此时液压泵的输出油量还未来得及改变，于是出现了qP>q1，因回路中没有溢流，多余的油液使泵和调速阀间的油路压力升高，也就是泵的出口压力升高，从而使限压式变量泵输出流量减小，直至qP

≈q1

；反之，当要调快执行元件速度时，在调大调速阀的瞬间，将出现qP<q1，从而会使限压式变量泵出口压力降低，输出流量自动增加，直至qP

≈q1

。可见，调速阀不仅能保证进入液压缸的流量稳定，而且可以使泵的供油流量自动地和液压缸所需的流量相适应。3.容积节流调速回路:(1)限压式变量泵—调速阀式容积节流调速回路任务五速度控制基本回路分析一、调速回路3.容积节流调速回路(1)限压式变量泵—调速阀式容积节流调速回路这种容积节流调速回路的速度刚性、运动平稳性、承载能力及调速范围都和调速阀节流调速回路相同。该调速回路的调速特性如图所示。液压缸工作腔压力的正常工作范围是：

式中：ΔpT——保持调速阀正常工作所需的压差，一般在0.5MPa左右；

p2——液压缸回油腔压力；当p1=p1max时，调速阀进出口压差Δp

=pmin

；p1越小，节流损失越大。这种回路不宜用于负载变化大且大部分时间处于低速负载的场合。任务五速度控制基本回路分析一、调速回路3.容积节流调速回路(2)差压式变量泵—节流阀式容积节流调速回路节流阀控制进入液压缸的流量q1，并使变量泵输出的流量qP

自动和q1

相适应。当qP>q1

时，泵的供油压力上升，定子在左右两侧控制柱塞的作用下向右移动，减小泵的偏心量，使液压泵输出的流量减小到qP

≈q1

。反之，当qP<q1

时，泵的供油压力下降，加大泵的偏心量，使泵输出的流量增大到qP

≈q1

。

任务五速度控制基本回路分析一、调速回路在这种容积节流调速回路中，因为节流阀进出口压差基本上是由作用在变量泵控制柱塞上的弹簧力确定的，这和调速阀的原理相似，所以输入液压缸的流量基本上不受负载变化的影响。故该回路的速度刚性、运动平稳性和承载能力与限压式变量泵和调速阀组成的调速回路相似。此外，因该回路能补偿由负载变化引起的泵泄漏量的变化，因此它在低速小流量场合下使用显得更优越。这种容积节流调速回路不但没有溢流损失，而且泵的供油压力随负载而变化，回路中的功率损失只有节流阀压降造成的节流损失一项，因此发热少，效率高，适用于对速度稳定性要求较高的场合。3.容积节流调速回路(2)差压式变量泵—节流阀式容积节流调速回路任务五速度控制基本回路分析一、调速回路在工作部件的工作循环中，往往有部分工作时间，负载小，要求有较高的速度。例如，机床的快进→工进→快退的自动工作循环。在快进和快退时，负载轻，速度高，要求压力低，流量大；工作进给时，负载大，速度低，要求压力高，流量小。在这种情况下，若用一个定量泵向系统供油，则慢速运动时将使液压泵输出的大部分油液从溢流阀回油箱，造成较大功率损失，并使油温升高。为了克服低速运动时出现的问题，又满足快速运动的要求，可在系统中设置快速运动回路。任务五速度控制基本回路分析二、快速运动回路1．液压缸差动连接的快速运动回路换向阀2处于原位时，液压泵1输出的液压油同时与液压缸3的左右两腔相通，两腔压力相等。由于液压缸无杆腔的有效面积A1

大于有杆腔的有效面积A2

，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，使活塞向右运动。于是无杆腔排出的油液与泵1输出的油液合流进入无杆腔，亦即相当于在不增加泵的流量的前提下增加了供给无杆腔的油液量，使活塞快速向右运动。这种回路简单经济，但液压缸的速度加快有限。需要注意，泵的流量和有杆腔排出的流量合在一起流过阀和管路进入液压缸无杆腔，故阀和管路的规格应按合流流量来选择，否则会使压力损失过大，泵的供油压力过大，致使泵的部分压力油从溢流阀溢流回油箱而达不到差动快进的目的。观察原理任务五速度控制基本回路分析二、快速运动回路2．采用蓄能器的快速运动回路采用蓄能器供油以实现快速运动的回路。当系统停止工作时，液压泵1经单向阀3向蓄能器4供油，蓄能器内的压力随着油量的增加而增加，当压力升高到卸荷阀2的调定压力时，液压泵1卸荷。当系统中短期需要大流量时，液压泵1和蓄能器4同时向液压缸供油，实现快速运动这种回路适用于短时间内需要大流量的场合，并可用小流量的液压泵使液压缸获得较大的运动速度，需注意的是在液压缸的一个工作循环内，须有足够的停歇时间使液压蓄能器充液。观察原理1-液压泵；2-卸荷阀；3-单向阀；4-蓄能器；5-换向阀任务五速度控制基本回路分析二、快速运动回路3．采用双泵供油的快速运动回路由低压大流量泵1和高压小流量泵2组成的双联泵作为动力源。泵1用以实现快速运动，泵2用以实现工作进给运动。观察原理1-低压大流量泵；2-高压小流量泵；3-卸荷阀；4-单向阀；5-溢流阀；6-换向阀；7-节流阀当换向阀6处于图示位置且外负载很小时，两个泵同时向系统供油，液压缸活塞快速向右运动；当换向阀6的电磁铁通电左位工作时，液压缸有杆腔油液经节流阀7回油箱，进油路压力升高，卸荷阀3打开，泵1通过阀3卸荷，单向阀4自动关闭，只有小流量泵2单独向系统供油，液压缸活塞慢速向右运动。阀3使泵1在快速运动时供油，在工作进给时卸荷，因此它的调整压力比快速运动时系统所需的压力高，但比溢流阀5的调整压力低。卸荷阀3设定双泵供油时系统的最高工作压力，溢流阀5设定泵2单独供油时系统的最高工作压力。卸荷阀3的