電液比例容積控制課件

第四章電液比例容積控制4．1容積泵的基本控制方法4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵4．6二次調(diào)節(jié)4．1容積泵的基本控制方法液壓泵和液壓馬達(dá)都是液壓系統(tǒng)中不可缺少的能源轉(zhuǎn)換元件，為了節(jié)能的需要發(fā)展了變量泵和變量馬達(dá)。但由于通常的手動變量泵和馬達(dá)只能適應(yīng)一兩種設(shè)定的工況，不能或很難適應(yīng)在負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)比例變量或調(diào)壓。在這些場合下會導(dǎo)致能量損失或性能下降，尤其是在大功率及控制復(fù)雜、要求高的場合更是如此。而比例式和伺服式容積控制的變量泵和馬達(dá)能適應(yīng)各種場合的要求，能夠在工作狀態(tài)下使液壓參數(shù)作快速而頻繁的變化，從而使節(jié)能效果和控制水平大大提高。更重要的是采用了比例容積控制以后，可以通過電氣技術(shù)進(jìn)行各種補償、校正、協(xié)調(diào)和適應(yīng)控制，從而獲得最大限度的性能提高和節(jié)能效果。比例變量泵和馬達(dá)按其控制方式可分為比例排量、比例壓力、比例流量和比例功率控制四大類。這四種類型都是在其相應(yīng)的手動控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以有必要先來考察一下變量泵的各種控制方式。

在液壓控制系統(tǒng)中，節(jié)流控制，或稱流阻控制是實現(xiàn)各種控制功能的基本手段。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易調(diào)節(jié)及控制精度高等優(yōu)點，但會產(chǎn)生壓力降并導(dǎo)致能耗。對節(jié)流調(diào)速控制系統(tǒng)的功率損失研究表明，該系統(tǒng)的主要能量損失由兩部分組成：即節(jié)流損失和溢流損失。上述能量損耗的原因究其本質(zhì)有兩個：流量不適應(yīng)——過多的流量輸入系統(tǒng)；壓力不適應(yīng)——供油壓力大于工作壓力，以補償節(jié)流壓降。解決這一問題的辦法是采用容積調(diào)速控制。為此，設(shè)計出了各種變量泵，變量機(jī)構(gòu)及控制策略。4．1容積泵的基本控制方法4.1.1流量適應(yīng)控制

由于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)既有節(jié)流損失，又存在溢流損失，用數(shù)學(xué)式可表示為ΔP＝Δp×Ql+pp×ΔQ

式中：ΔP——液壓回路總損失。

流量適應(yīng)控制是指泵供給系統(tǒng)的流量自動地與系統(tǒng)的需要相適應(yīng)，它完全消除溢流損失。這種流量供給系統(tǒng)由于消除了過剩的流量，沒有溢流損失，提高了效率。流量適應(yīng)控制的基本辦法是采用變量泵。以下是幾種較常見的流量適應(yīng)拄制變量泵。4．1容積泵的基本控制方法（1）限壓式變量泵下圖所示為限壓式變量泵，它的出口接有調(diào)速閥，構(gòu)成了容積節(jié)流調(diào)速回路。該泵的工作原理是利用輸出壓力與參比彈簧反力的合力來推動定子移動，使偏心距改變，即排量改變，并使排量總在與反饋壓力相應(yīng)的平衡位置上。其輸出的流量特性曲線l以及調(diào)速閥流量特性曲線2如圖所示。最大輸出流量Qmax可由限制定子的最大偏心距來給定。泵的工作點由曲線1與曲線2的交點確定，在輕載時處于接近水平的一段上(拐點c之前)，重載時處在斜線段上。圖中斜線段的斜率由參比彈簧剛度決定。4．1容積泵的基本控制方法4．1容積泵的基本控制方法（2）流量敏感型變量泵流量敏感變量泵的工作原理如下圖所示。它與限壓式變量泵的區(qū)別僅僅是它以流量檢測信號代替了壓力直接反饋信號。當(dāng)沒有過剩流量時，流過液阻R的流量為零，控制壓力Po

也為零。這時泵的輸出流量最大，作定量泵供油。當(dāng)有過剩流量流過時，流量信號轉(zhuǎn)為壓力信號Po

，然后和彈簧反力比較來確定偏心距。適當(dāng)選擇液阻R可以把控制壓力限制在低壓范圍，從而使彈簧的剛度減小。由于過剩的流量先經(jīng)過溢流閥，而溢流閥的微小變動就能引起調(diào)節(jié)作用，故這種流量敏感型變量泵同時具有恒壓泵的特性。其壓力——流量特性曲線如圖所示，顯然這種泵的拐點壓力及最大壓力均由溢流閥的手調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)確定。4．1容積泵的基本控制方法流量敏感型變量泵原理圖及其壓力——流量曲線4．1容積泵的基本控制方法（3）恒壓變量泵恒壓變量泵是指當(dāng)流量作適應(yīng)調(diào)節(jié)時壓力變動十分微小的變量泵。從前兩節(jié)的分析中可知，要獲得恒壓的性質(zhì)，必須要盡量采用弱剛度的彈簧來作參比對象。正加先導(dǎo)式溢流閥一樣，用壓差來與彈簧力平衡，其恒壓性能就較直動式的好得多。恒壓變量泵也是利用這一原理來獲得壓力浮動很小的恒壓性能的。下圖給出了這種泵的工作原理和性能曲線。在恒壓變量泵中設(shè)置兩個控制腔，利用兩端的壓力差來推動變量機(jī)構(gòu)作恢復(fù)平衡位置的運動，這樣彈簧剛度就可以較小。只要求彈簧能夠克服摩擦力，使泵在無壓時能處于最大排量的狀態(tài)即可。4．1容積泵的基本控制方法

恒壓變量泵原理圖及其特性曲線

1—調(diào)壓彈簧2—三通減壓閥3—變量機(jī)構(gòu)

4．1容積泵的基本控制方法

泵的工作原理是：當(dāng)輸出壓力比減壓閥2的調(diào)定壓力小時，減壓閥全開不起減壓作用。這時，變量機(jī)構(gòu)3液壓力平衡，在復(fù)位彈簧作用下處在排量最大位置。當(dāng)泵的輸出壓力等于或超過調(diào)定壓力時，減壓閥閥芯向左移動，使供油壓力和變量機(jī)構(gòu)下腔部分與油箱接通。因此下腔壓力降低，使變量機(jī)構(gòu)失去平衡。上腔液壓力推動變量機(jī)構(gòu)下移壓縮復(fù)位彈簧，直至重新取得力平衡。與此同時，由于變量機(jī)構(gòu)的移動使流量作適應(yīng)變化。4．1容積泵的基本控制方法4.1.2壓力適應(yīng)控制

壓力適應(yīng)控制是指泵供給系統(tǒng)的壓力自動地與系統(tǒng)的負(fù)載相適應(yīng)，完全消除多余的壓力。壓力適應(yīng)控制可以由定量泵供油系統(tǒng)來實現(xiàn)。這對于負(fù)載速度變化不大，而負(fù)載變化幅度大且頻繁的工況，具有很好的節(jié)能效果。在定量泵壓力適應(yīng)系統(tǒng)中，當(dāng)供油量超過需要量時，多余的流量不象定壓系統(tǒng)那樣從溢流閥中排走，也不象限壓變量泵那樣會迫使系統(tǒng)壓力升高來減少輸出流量，而是從非恒定的流阻排出。此流阻的阻值隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載和速度不同而變化。常見的壓力適應(yīng)控制系統(tǒng)有恒流源系統(tǒng)、旁路節(jié)流系統(tǒng)和負(fù)載壓力反饋回路。下面只介紹與比例變量泵關(guān)系最為密切的負(fù)載壓力反饋壓力適應(yīng)控制回路。4．1容積泵的基本控制方法（1）定差溢流型壓力適應(yīng)控制

這種回路只需使溢流閥的彈簧腔接受負(fù)載壓力反饋信息，構(gòu)成壓差控制溢流閥，或稱定差溢流閥（如下圖左側(cè)），就能使溢流閥失去恒阻抗流阻的性質(zhì)，成為一種與負(fù)載壓力相適應(yīng)的非恒定流阻，從而使系統(tǒng)供油壓力與負(fù)載需要相適應(yīng)，實現(xiàn)節(jié)能。若將節(jié)流閥的出口壓力作為反饋壓力，實質(zhì)上就構(gòu)成了一個溢流節(jié)流型調(diào)速閥(圖b)。4．1容積泵的基本控制方法（2）流量敏感型穩(wěn)流量變量泵

把定差溢流閥用于變量泵時可以解決由于壓力追隨內(nèi)泄漏和容性引起的不穩(wěn)定問題。把定差溢流節(jié)流閥的溢流信息，作為變量泵的變量信號，向減小流量方向變化，就可以完全消除溢流量，又能保證輸出流量不受外載的影響，構(gòu)成所謂穩(wěn)流量變量泵。下圖所示為流量敏感型穩(wěn)流量變量泵的工作原理圖。它的特點是以流量檢測信號代替原來的壓力直接反饋。在工作壓力適應(yīng)調(diào)節(jié)時，過剩的流量從溢流閥流走，溢流量的微小變化就能引起泵的動作，所以這種泵是流量敏感型的。實質(zhì)上此泵同時具有壓力適應(yīng)與流量適應(yīng)的性質(zhì)。4．1容積泵的基本控制方法流量敏感型穩(wěn)流量變量泵4．1容積泵的基本控制方法4.1.3功率適應(yīng)控制

液壓功率由壓力與流量的乘積來決定。無論是流量適應(yīng)或壓力適應(yīng)系統(tǒng)，都只能做到單參數(shù)適應(yīng)，因而都是不夠理想的能耗控制系統(tǒng)。功率適應(yīng)動力源系統(tǒng)，即壓力與流量兩參數(shù)同時正好滿足負(fù)載要求的系統(tǒng)才是理想的能耗控制系統(tǒng)。它能把能耗限制在最低的限度內(nèi)。事實上，上一節(jié)中介紹的流量敏感型穩(wěn)流量變量泵就具有壓力與流量的適應(yīng)能力。采用這種泵的系統(tǒng)具有功率適應(yīng)性。下圖所示為一種差壓式穩(wěn)流量變量葉片泵。泵的變量機(jī)構(gòu)由在定子兩邊的兩個柱塞缸組成。定子的移動靠兩個柱塞缸上的液壓作用力之差克服彈簧4的作用力來實現(xiàn)。所以這種泵稱之為差壓式變量泵。4．1容積泵的基本控制方法采用此泵的系統(tǒng)既有壓力適應(yīng)的性質(zhì)，又有流量適應(yīng)的性質(zhì)。4．1容積泵的基本控制方法下圖所示為一種較完善的功率適應(yīng)動力源。其特點是泵的變量機(jī)構(gòu)不是靠負(fù)載反饋信號直接控制，而是通過一個三通減壓閥作為先導(dǎo)閥來控制，因而具有先導(dǎo)控制的許多優(yōu)點，特別是靈敏度高，動特性好。主節(jié)流閥的壓差被減壓閥的參比彈簧固定，因此，通過主節(jié)流閥的流量僅由其開口面積決定。改變開口面積可使流量壓力特性曲線上下平移。調(diào)節(jié)減壓閥的彈簧預(yù)壓縮量可以改變拐點的壓力，即可使垂直段左右移動，這樣便可適應(yīng)不同的工況要求。4．1容積泵的基本控制方法功率適應(yīng)變量泵（a）原理圖（b）流量——壓力特性曲線4．1容積泵的基本控制方法4.1.4恒功率控制

恒功率控制是使泵的總輸出功率具有與負(fù)載無關(guān)，維持恒定的性質(zhì)。因液壓功率P為壓力p與流量Q的乘積，即P＝p*Q。所以精確的恒功率控制中，流量與壓力的關(guān)系是壓力升高時，流量隨壓力呈雙曲線規(guī)律減小。如下圖所示曲線。下圖所示為一種恒功率控制器的結(jié)構(gòu)原理圖?？刂破髦杏袃筛自谝黄鸬膹椈桑蛪簳r一根較軟的彈簧起作用，這時泵的輸出對應(yīng)于bc段，高壓時兩根彈簧同時接觸變量活塞。這時彈簧剛度變大，其特件曲線對應(yīng)cd段。兩段合起來就能近似實現(xiàn)恒功率控制。4．1容積泵的基本控制方法恒功率控制變量泵原理圖特性曲線4．1容積泵的基本控制方法在一定轉(zhuǎn)速下，變量泵和馬達(dá)輸出或吸入的流量正比于排量。而排量是由變量機(jī)構(gòu)的位置來決定的，因此電液比例排量控制本質(zhì)上是個電液比例位置控制系統(tǒng)。它利用適當(dāng)?shù)碾姟獧C(jī)轉(zhuǎn)換裝置，通過液壓放大級對變量泵或馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置控制，使其排量與輸入信號成正比。這樣的控制稱為電液比例排量控制。雖然比例容積控制只是用比例電磁鐵和先導(dǎo)閥來取代手調(diào)變量機(jī)構(gòu)，但這不僅是操作方式的不同，更重要的是能夠利用電氣控制來進(jìn)行各種壓力補償、流量補償以及功率的適應(yīng)控制，從而使控制水平大大提高。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)

下圖所示的是幾種常見的比例排量調(diào)節(jié)方案。比例排量調(diào)節(jié)的方式按反饋信號的類型分為三種，即位移直接反饋式，位移—力反饋式和位移—電反饋式。圖中壓力油輸入處p可以接內(nèi)部或外部的壓力油。圍中的比例閥可以是直動式的，有時需要先導(dǎo)式的，使獲得足夠大的推力。也可用機(jī)械力代替控制力，必要時可以用手動，這時就相當(dāng)于手動變量式定量泵。變量缸內(nèi)設(shè)有對中彈簧，以便在無信號時回到無流量狀態(tài)，圖a所示為一種單向變量機(jī)構(gòu)，圖b和c可以用于雙向變量。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)電液比例排量調(diào)節(jié)a)位移直接反饋式b)位移—力反饋式c)位移—電反饋式A圖B圖C圖4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4.2.1位移直接反饋式比例排量調(diào)節(jié)

位移直接反饋式比例變量泵是在手動伺服變量泵的基礎(chǔ)上增設(shè)比例控制電—機(jī)械轉(zhuǎn)換部件而構(gòu)成的。在這種變量方式中，變量活塞跟蹤先導(dǎo)閥芯的位移而定位。可見變量活塞的行程與先導(dǎo)閥芯的行程相等。（1）伺服電機(jī)驅(qū)動比例排量調(diào)節(jié)

伺服電動機(jī)輸出的是轉(zhuǎn)角，而伺服滑閥需要的是直線位移。因此，利用伺服電動機(jī)作電—機(jī)械轉(zhuǎn)換元件時需要加上一個螺旋機(jī)構(gòu)。下圖就是這樣的一種控制方式。這種變量泵控制精度很高，工作可靠，能與電氣自動化系統(tǒng)共同工作，實現(xiàn)遙控比例變量。實際上這種泵就是電液伺服變量泵。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)（2）比例減壓閥控制的比例排量調(diào)節(jié)變量泵采用比例減壓閥輸出的液壓油來推動伺服閥的閥芯，實現(xiàn)電液比例排量調(diào)節(jié)，這樣比例電磁鐵的行程就不受變量活塞的行程限劇。下圖所示比例排量變量泵使用的就是這種形式的比例排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。它是在手動伺服變量泵上增設(shè)電液比例減壓閥2，操縱缸3而構(gòu)成的。其控制精度及靈敏度雖不如電液伺服變量泵，但其抗污染力強，價格低廉，工作可靠，對許多機(jī)械的遠(yuǎn)程控制是很理想的。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)（3）位移直接反饋型比例排量變量泵的特性分析

位移直接反饋比例排量調(diào)節(jié)泵的特性是指輸入信號電流或當(dāng)量電流ΔI變化時，流量Q的響應(yīng)特性。從上面比例排量泵的結(jié)構(gòu)原理分析中可知，它的結(jié)構(gòu)由三個主要環(huán)節(jié)組成，就是電—機(jī)械位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、伺服變量機(jī)構(gòu)及泵主體機(jī)構(gòu)。在簡化的條件下，除伺服變量機(jī)構(gòu)外，都簡化為比例環(huán)節(jié)，則泵的特性可由以下的基本方程來描述。a.電—機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)方程4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)b.伺服變量機(jī)構(gòu)特性方程c.泵的流量方程4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4.2.2位移—力反饋式比例排量調(diào)節(jié)變量泵

由于位置直接反饋式中反饋量是變量活塞的位移，它必須采用伺服閥來進(jìn)行位置比較。而伺服閥的制造工藝要求很高。而且為了驅(qū)動伺服閥，往往需要增加一級先導(dǎo)級，又使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，增加了成本。采用位移—力反饋的控制方式來使變量活塞定位，可使變量機(jī)構(gòu)的控制得到大大的簡化。（1）結(jié)構(gòu)及工作原理

我國引進(jìn)生產(chǎn)的力士樂型A7V斜軸式軸向柱塞泵就是一種位移—力反饋式的比例排量調(diào)節(jié)變量泵，如圖示。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)泵的排量與輸入控制電流成正比?？稍诠ぷ餮h(huán)中無級地按程序來控制泵的排量。無控制電流時，該泵在壓力在復(fù)位彈簧的作用下返回原位，當(dāng)有信號電流時，比例電磁鐵10產(chǎn)生推力，通過調(diào)節(jié)套筒9和推桿7作用于控制閥上。當(dāng)10產(chǎn)生的推力足以克服起點調(diào)節(jié)彈簧3和反饋彈簧8的預(yù)壓縮力的總和時，閥芯4位移使a、b控制腔接通。變量活塞5從最小排量位置向增大排量的方向移動，實現(xiàn)變量。與此同時，在移動中不斷壓縮反饋彈簧，直至彈簧上的壓縮力略大于電磁力時，先導(dǎo)芯開始關(guān)閉，并終于完全關(guān)閉，實現(xiàn)位移—力反饋，使活塞定位在與輸入信號成正比的新位置上。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)A7V比例排量調(diào)節(jié)變量泵結(jié)構(gòu)1—最小流量限位螺釘2—調(diào)節(jié)螺釘帶護(hù)罩3—控制起點調(diào)節(jié)彈簧4—控制閥5—控制活塞6—端蓋7—推桿8—反饋彈簧9—調(diào)節(jié)套筒10—比例電磁鐵11—最大流量限位螺釘12—配流盤13—缸體a—變量活塞小腔（通常壓力油）b—變量活塞大腔（控制腔）4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)（2）傳遞函數(shù)框圖位移力反饋比較環(huán)節(jié)a）電磁力與反饋力比較環(huán)節(jié)b）方框圖c）等價方框圖4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4.2.3位移—電反饋型比例排量調(diào)節(jié)

位移—電反饋式排量調(diào)節(jié)把帶有排量信息的斜軸(斜盤)的傾角或變量活塞的直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，并把此信號反饋到輸入端由電控器進(jìn)行處理。最后得出控制排量改變的信息。下圖所示為一種位移—電反饋型比例排量調(diào)節(jié)變量變量泵的原理圖。機(jī)構(gòu)的位移或傾角，代表了流量的信息。由位移傳感器2檢測和反饋。所以實際上是間接的流量反饋，反饋的實際值與給定值進(jìn)行比較，得出需要的排量調(diào)節(jié)信息。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)位移—電反饋型比例排量調(diào)節(jié)1—雙向變量泵2—位移傳感器3—輸入信號電位器4—電控器5—雙向變量機(jī)構(gòu)6—三位四通比例換向閥7—先導(dǎo)油泵4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)

因為是雙向變量機(jī)構(gòu)，需要采用輔助先導(dǎo)泵向比例閥供油，使在主泵的排量為零的位置下變量機(jī)構(gòu)仍能可靠工作。變量機(jī)構(gòu)由彈簧對中，控制失效時，通過比例閥的中位節(jié)流口實現(xiàn)油液體積平衡而回零。該系統(tǒng)流量隨壓力升高有較大的負(fù)偏差，這是由于泵的泄漏流量ΔQL引起的?？梢姡壤帕空{(diào)節(jié)雖然可以通過電氣信號來控制泵的輸出流量，但因負(fù)載變化以及泄漏等因素引起的流量變化無法得到抑制和補償。所以，比例排量調(diào)節(jié)的流量得不到精確的控制。當(dāng)需要精確控制時就要采用比例流量調(diào)節(jié)變量泵。4．2比例排量變量泵和變量馬達(dá)4.3.1工作原理及結(jié)構(gòu)電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵是一種帶負(fù)載壓力反饋的變量泵，其特點是利用負(fù)載壓力變化作為泵本身變量的控制信號。泵的出口壓力代表了負(fù)載的大小。當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定壓力時，相當(dāng)于定量泵工作，輸出最大流量。當(dāng)工作壓力等于設(shè)定壓力時，它按變量泵工作。泵輸出的流量隨工作壓力的增加而下降。任何工作壓力的微小變化都將引起泵較大的流量變化，從而對壓力提供了一種反向變化的補償。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載壓力大于設(shè)定壓力時，泵的輸出流量迅速減小到僅能維持各處的內(nèi)、外泄漏，且維持設(shè)定壓力不變?？梢娺@種變量泵具有流量適應(yīng)的特點，在泵作流量適應(yīng)調(diào)節(jié)時，工作壓力變動很小，基本保持不變。4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵的最大供油能力由其最大排量決定，而泵的出口壓力由比例電磁鐵的控制電流來設(shè)定。因這種泵完全消除了流量過剩，而輸出壓力又可根據(jù)工況隨時重新設(shè)定，因而有很好的節(jié)能效果。這種泵是流量適應(yīng)的，它無需設(shè)置溢流閥，但應(yīng)加入安全閥來確保安全。4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵比例壓力調(diào)節(jié)變量葉片泵結(jié)構(gòu)原理圖4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵4.3.2先導(dǎo)式比例壓力調(diào)節(jié)變量葉片泵的特性分析變量葉片泵的定子環(huán)由兩個控制柱塞保持在一定的位置上，較大的一個控制柱塞由一軟彈簧支持，其有效面積為小的兩倍。彈簧的推力應(yīng)在零壓力時足以克服各種摩擦力，把定子推至最大偏心位置。因此泵起動時能給出最大流量。直到輸出壓力達(dá)到設(shè)定的拐點壓力為止，它按定量泵工作。其后便按變量泵工作。（1）動態(tài)特性根據(jù)上述變量葉片泵的工作原理，可寫出泵與流量、工作壓力有關(guān)的諸數(shù)學(xué)式。為簡便忽略有關(guān)的庫侖摩擦以及油液壓縮性的影響和被動力。從而得到傳遞函數(shù)如下：4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵傳遞函數(shù)方框圖4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵（2）靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指泵的流量與壓力，功率與壓力及效率與壓力之間的關(guān)系。相應(yīng)的靜態(tài)特性方程為4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵由以上四個式子，消去中間變量求得泵的靜態(tài)特性曲線：Q—流量壓力曲線P1—最大輸出時的功率P2—零行程時的功率輸出圖示，在p＜pc的區(qū)域內(nèi)，功率特性與定量泵相同，在p＞pc區(qū)域內(nèi)，輸出功率急劇下降，直至到達(dá)零行程功率曲線。因此該泵用于保壓系統(tǒng)時，具有很好的節(jié)能效果。4．3電液比例壓力調(diào)節(jié)型變量泵比例流量調(diào)節(jié)型變量泵是一種穩(wěn)流量型的自動變量泵，它的輸出流量與負(fù)載無關(guān)，且正比于輸入電信號。雖然比例排量變量泵的輸出流量也有正比于輸入信號的功能，但由于負(fù)載變化所引起的泄漏，液容的影響無法得到自動補償。因此排量調(diào)節(jié)控制不能保證流量的穩(wěn)定性。相反，比例流量調(diào)節(jié)型變量泵以流量為控制對象，在泵作壓力適應(yīng)變比時，自動補償流量的變化，維持穩(wěn)流量。但由于它的恒流量性質(zhì)是靠容積節(jié)流實現(xiàn)的，大流量時，其節(jié)流損失不容忽視。下圖所示為比例流量調(diào)節(jié)型變量泵的職能符號和半結(jié)構(gòu)原理圖。將該圖與流量敏感型穩(wěn)流量變量泵相比較可知，除用比例節(jié)流閥代替手調(diào)節(jié)流閥外，其它是完全相同的，所以它們的工作原理也完全相同。4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵1—變量葉片泵2—安全閥3—比例節(jié)流閥4—固定阻尼孔5—控制閥比例流量調(diào)節(jié)變量泵4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵4.4.1穩(wěn)流量調(diào)節(jié)控制原理如上圖所示。在設(shè)定的安全壓力范圍內(nèi)，泵的全部流量通過由電氣設(shè)定的節(jié)流孔3。對于任一設(shè)定開口量，壓降與通過的流量成正比。因此，該壓降是泵流量的一個度量信息。該壓降由泵控制裝置保持恒定?？刂崎y芯5兩端作用著比例節(jié)流孔3的進(jìn)出口壓力。出口壓力與閥芯右端彈簧腔相通。彈簧通常調(diào)定在某一壓縮量下，達(dá)一彈簧力決定了通過比例節(jié)流孔的壓降。這一壓降應(yīng)使控制閥在控制邊S處有0.05mm左右的開口量，使保持小量溢流。通過調(diào)整這一壓差，對任何輸入的電信號，都可獲得準(zhǔn)確的流量控制。4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵控制閥芯在正常工作時，在約0.1mm的行程內(nèi)不斷調(diào)整位置，力圖保持平衡。當(dāng)比例節(jié)流口關(guān)小或負(fù)載力pL下降時，入口壓力p便有大于出口壓力pL與彈簧力之和的趨勢。閥芯就有向右移動，使溢流量增大的傾向。其結(jié)果是大柱塞腔部分卸壓，使泵的出流減小，直至調(diào)節(jié)閥芯恢復(fù)到原來的位置，保持節(jié)流孔壓差不變。反之過程類似。4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵4.4.2泵的特性分析比例流量調(diào)節(jié)型變量泵的動、靜態(tài)特性分析與壓力調(diào)節(jié)型的相仿，可以利用其結(jié)果作相應(yīng)的修改而獲的。其主要差別是以壓差反饋代替壓力反饋。其方框圖如下：4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵比例流量調(diào)節(jié)變量泵的靜態(tài)特性4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵從特性曲線中可以看到，隨著壓力升高不存在截流壓力，即泵不會回到零流量處，所以這種泵不具流量適應(yīng)性，因而系統(tǒng)必須設(shè)有足夠大的溢流閥。4.4.3帶流量適應(yīng)的比例流量調(diào)節(jié)型變量泵

下圖所示為帶流量適應(yīng)的比例流量調(diào)節(jié)型變量泵的職能符號原理圖。它是在比例流量調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了一個溢流閥2和節(jié)流孔4而構(gòu)成。由于增加了上述這些元件，使當(dāng)工作壓力達(dá)到溢流閥2的調(diào)定壓力后，控制閥3就失去了保持恒壓差的性質(zhì)。溢流后，閥3的彈簧腔壓力被固定在溢流閥調(diào)定壓力上，當(dāng)系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高時，閥芯3便左移，并最終使泵的大控制腔壓力為零。在小控制腔液壓力的推動下，變量泵處于零流量位置。4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵帶流量適應(yīng)的比例流量調(diào)節(jié)閥1—變量機(jī)構(gòu)2—溢流閥3—控制閥4—固定阻尼孔5—比例節(jié)流閥6—安全閥原理圖及靜態(tài)特性曲線4．4電液比例流量調(diào)節(jié)型變量泵壓力和流量是兩個最基本的液壓參數(shù)，它們的乘積就是液壓功率。前面介紹的幾種比例泵中，都只有一個參數(shù)是可以任意設(shè)定的，另一個參數(shù)需要手調(diào)設(shè)定，或自動適應(yīng)。自動適應(yīng)控制雖然有它的優(yōu)點，但并非總是最佳選擇。例如比例壓力變量泵有流量適應(yīng)能力，但它在作流量適應(yīng)時，其代價是供油壓力要額外提高?；蛘弑壤髁勘迷谧鲏毫m應(yīng)時要損失一定的流量。所以從能耗控制的觀點來看它們并非最優(yōu)。

比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵被稱為復(fù)合比例變量泵，能充分地利用電液比例技術(shù)的優(yōu)點。它控制靈活，調(diào)節(jié)方便，在大功率系統(tǒng)中節(jié)能十分明顯。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵復(fù)合比例變量泵可能實現(xiàn)的復(fù)合控制功能是通過信號處理來實現(xiàn)的。這樣兩個基本參數(shù)的控制信號并非完全獨立。有時要利用一個算出另一個或限制另一個的取值范圍。

電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵大致可分為壓力補償型和電反饋型兩種。壓力補償型是以容積節(jié)流為基礎(chǔ)，由一個變量泵加上比例節(jié)流閥構(gòu)成，并由一個特殊的定差溢流閥（稱為恒流控制閥）和一個特殊的定壓溢流閥（稱恒壓控制閥）對變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)壓力和流量的比例控制。

電反饋型的可以取消比例節(jié)流閥，是純粹的容積調(diào)速。它需要利用流量和壓力傳感器對被控制壓力和流量進(jìn)行檢測和反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，因而有更好的控制精度和節(jié)能效果。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵

4.5.1壓力補償型比例壓力和流量調(diào)節(jié)

從上節(jié)所示的特性曲線圖中可知，帶流量適應(yīng)的比例流量調(diào)節(jié)型變量泵是一種比例流量調(diào)節(jié)加手動壓力調(diào)節(jié)的變量泵。因此把其中的手調(diào)溢流閥2換成比例溢流閥，便構(gòu)成了一種比例壓力和流量復(fù)合調(diào)節(jié)型變量泵。其原理圖和特性曲線如下。當(dāng)比例溢流閥2不溢流時它是比例流量調(diào)節(jié)，節(jié)流閥5的前后壓差被特殊的定差溢流閥3固定。這時泵的輸出流量決定于彈簧ks2的預(yù)緊力(決定壓差)與節(jié)流閥5的輸入電流(決定開口面積)。當(dāng)比例溢流閥溢流時，定差溢流閥3失去定壓差的性質(zhì)，其閥芯被泵的出口壓力推向左，并使泵的流量變少。這時是比例壓力調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載壓力繼續(xù)升高時，變量機(jī)構(gòu)回到零行程位置，最終導(dǎo)致截流。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵共用一個壓力補償閥的P—Q調(diào)節(jié)的原理及特性曲線圖4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵這種泵具有較大的流量調(diào)節(jié)偏差和壓力調(diào)節(jié)偏差。造成這種偏差的原因主要是壓力和流量調(diào)節(jié)共用一個控制閥3所致。為了克服上述缺點，可以采用兩個壓力補償閥，分別進(jìn)行壓力和流量的調(diào)節(jié)。這種泵實際上就是前面介紹過的比例壓力調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)的組合，其職能符號因及半結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。其中各控制閥可以以疊加閥的形式，疊加在泵體上。該泵具有明顯改善了的調(diào)節(jié)特性。它的流量與壓力在額定值范圍內(nèi)可隨意設(shè)定來滿足不同的工況。但在作壓力調(diào)節(jié)時存在滯環(huán)，在低壓段也存在一個最小控制壓力利流量不穩(wěn)定階段。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵職能符號及半結(jié)構(gòu)圖4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵p—Q調(diào)節(jié)變量泵的靜態(tài)特性4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵4.5.2電反饋型比例壓力和流量調(diào)節(jié)流量和壓力—電反饋型比例調(diào)節(jié)是把流量信息和壓力信息通過傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并反饋到輸入端。它代表實際輸出值與給定值進(jìn)行比較。任何偏差都由電控器進(jìn)行處理，得出控制排量改變的信號，通過改變排量來控制輸出的流量與壓力符合要求。與壓力補償型調(diào)節(jié)相比，它可以取消比例節(jié)流閥，因而消除了節(jié)流損失，是完全的比例容積控制。壓力的檢測通常利用壓力傳感器直接檢測。而流量的直接檢測較為困難，可以利用流量傳感器來直接檢測，也可以對變量機(jī)構(gòu)的位移或傾角作間接檢測。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵直接檢測式電反饋p—Q調(diào)節(jié)變量泵原理圖4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵電反饋型p—Q調(diào)節(jié)變量泵原理圖1—雙向變量軸向柱塞泵2—位移傳感器3—梭閥4—壓力傳感器5—電控器6—輸入信號電位器7—直流穩(wěn)壓電源8—雙向變量機(jī)構(gòu)9—節(jié)流口10—三位四通比例換向閥11—先導(dǎo)壓力油源4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵

電反饋型比例壓力和流量調(diào)節(jié)的特點包括：1）能同時輸出流量反饋(間接檢測)和輸出壓力反饋，因而可以依靠電控器進(jìn)行p—Q函數(shù)的運算處理，實現(xiàn)復(fù)雜的多種控制功能。

2）由于是雙向變量機(jī)構(gòu)，所以必須采用輔助先導(dǎo)油源向比例閥供油，以保證泵在排量為零的情況下不使控制及反饋失效。

3）下圖為該泵的靜態(tài)特性。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵其中曲線1為比例排量調(diào)節(jié)時控制電壓與缸體傾角的關(guān)系曲線。由于先導(dǎo)閥芯的力平衡、閥口遮蓋量、摩擦力等的影吶，曲線上可見有約±10％一15％的死區(qū)，因而需要起始控制電壓uo來克服死區(qū)的影響。圖中滯環(huán)Δαmax約為最大傾角的3％。重復(fù)精度約為2％。曲線2是通過對反饋的傾角位移信號及壓力信號實行運算后實現(xiàn)的恒功率控制的情況，曲線3是實現(xiàn)恒壓控制時的壓力與傾角之間的關(guān)系曲線。由曲線可見，在作恒壓力調(diào)節(jié)時壓力的變化值為Δp＝2MPa／26．5°。曲線4是Q—N—P型調(diào)節(jié)特性。

由以上可見，電反饋型比例壓力和流量調(diào)節(jié)變量泵比普通的壓力和流量反饋控制更具靈活性。一泵多能，能夠適應(yīng)不同的工況，在大流量的條件下具有很好的節(jié)能效果。4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵位移及壓力電反饋比例p—Q調(diào)解變量泵的特性曲線1—比例排量調(diào)節(jié)特性曲線2—橫功率調(diào)節(jié)曲線3—橫壓力調(diào)節(jié)曲線4—Q-N-P型調(diào)節(jié)曲線4．5電液比例壓力和流量調(diào)節(jié)型變量泵4．6二次調(diào)節(jié)在前面的內(nèi)容中，我們分析到了液壓系統(tǒng)常見的機(jī)構(gòu)，利用這些機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的流量、壓力以及功率等的控制，從而滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。但是，分析中我們也發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的能耗較大。它的效率一般在30%左右。效率低使得設(shè)計液壓系統(tǒng)的需求功率很大，真正作有用功的功率部分很少，而大部分功都損失變?yōu)闊崮?，因為液壓系統(tǒng)工作的最佳溫度是40度。這樣損失的熱能又得靠增加冷卻器的散熱面積來平衡，使得液壓系統(tǒng)的設(shè)計投資很大。電機(jī)、液壓泵、油箱等的規(guī)格大大增加，這樣不僅增加了設(shè)計成本而且增加了運行成本。因此，提高液壓系統(tǒng)的效率是液壓研究領(lǐng)域重中之重，也就是研究節(jié)能型液壓系統(tǒng)。第四章電液比例容積控制針對液壓系統(tǒng)能耗的問題，德國漢堡國防工業(yè)大學(xué)的H.W.Nikolaus教授1977年首先提出了二次調(diào)節(jié)傳動的概念。二次調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)是工作在恒壓網(wǎng)絡(luò)的壓力偶聯(lián)系統(tǒng)，能在四個象限內(nèi)工作，回收與重新利用系統(tǒng)的制動動能和重力勢能。在系統(tǒng)中液壓馬達(dá)能無損耗地從恒壓網(wǎng)絡(luò)獲得能量，系統(tǒng)中可以同時并聯(lián)多個負(fù)載，在各負(fù)載段可同時實現(xiàn)互不相關(guān)的控制規(guī)律；擴(kuò)大了系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善了系統(tǒng)的控制性能，減少了設(shè)備的總投資。降低了工作過程中的能耗和冷卻費用。因為它既沒有節(jié)流損失又沒有溢流損失，還回收系統(tǒng)的制動動能和重力勢能，所以其節(jié)能效果比上述的回路系統(tǒng)都優(yōu)越。第四章電液比例容積控制4.6.1二次調(diào)節(jié)靜液傳動的概述二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)，是對液壓能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的液壓元件進(jìn)行調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的技術(shù)。我們通常液壓調(diào)節(jié)是在液壓泵及其出口來完成的，現(xiàn)在是對執(zhí)行元件的速度、轉(zhuǎn)矩、功率調(diào)節(jié)換位到執(zhí)行元件本身。如果把液壓泵稱為一次元件或初級元件，那么執(zhí)行元件（液壓泵/馬達(dá)）稱為二次元件或次級元件。二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)的實現(xiàn)是建立在恒壓系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，目前對二次調(diào)節(jié)傳動技術(shù)的研究可以分為兩大部分：第四章電液比例容積控制一是利用二次調(diào)節(jié)傳動技術(shù)的能量回收原理，一般用在被控對象頻繁起停、重力勢能變化大的工況。如摩天大樓的電梯、城市公交車和抽油機(jī)等等，在國外有成功的應(yīng)用實例二是從控制的角度出發(fā)，利用一些復(fù)雜的算法改善液壓泵/馬達(dá)的動態(tài)特性。二次調(diào)節(jié)對改善液壓系統(tǒng)的傳動效率非常有效，仿佛走出液壓傳動低效率的“普遍規(guī)律”。它與負(fù)載敏感回路的主要區(qū)別是不但實現(xiàn)了功率適應(yīng)，而且還可以對工作機(jī)構(gòu)的制動動能和重力勢能進(jìn)行回收和重新利用，同時多個執(zhí)行元件可以并聯(lián)在恒壓網(wǎng)絡(luò)上，并分別進(jìn)行控制。第四章電液比例容積控制4.6.2二次調(diào)節(jié)靜液傳動的工作原理二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成如下圖所示：

第四章電液比例容積控制它主要由液壓泵1、蓄能器2、二次元件3、控制油缸4、電液比例（伺服）閥5組成。其中二次元件不經(jīng)過任何能引起能量損失的液壓元件直接與一次元件相連，所以無損失地從恒壓網(wǎng)絡(luò)中獲得能量，這樣從原理上進(jìn)行了節(jié)能。二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)的工作原理是通過調(diào)節(jié)二次元件（液壓馬達(dá)/泵）的斜盤傾角來改變二次元件的排量。不論是轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制、還是功率控制，控制方法都是改變斜盤傾角，只是控制的對象不同而已，當(dāng)然，每一種又有其各自的特性和應(yīng)用場合。這種調(diào)節(jié)在次級元件液壓泵/馬達(dá)上進(jìn)行，這也是為什么叫二次調(diào)節(jié)的理由。

第四章電液比例容積控制調(diào)節(jié)通過計算機(jī)、二次元件、電液（比例）伺服閥、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、控制器等構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)。要實現(xiàn)能量回收二次元件（液壓泵/馬達(dá)）必須有兩種工況即泵工況和馬達(dá)工況。因為要實現(xiàn)能量的回收僅僅工作在馬達(dá)或泵工況是不夠的，這一點是顯而易見的。因此我們以液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)速為橫軸，以轉(zhuǎn)矩為縱軸，二次元件的功率符號來確定二次元件是從恒壓網(wǎng)絡(luò)中獲得能量還是向恒壓網(wǎng)絡(luò)中回饋能量。當(dāng)二次元件從系統(tǒng)中獲得能量時稱為“馬達(dá)”工況，當(dāng)二次元件向系統(tǒng)回饋能量時，取名“泵”工況。當(dāng)然向系統(tǒng)回饋的能量可以儲存也可以供給別的用戶。下圖為二次元件四象限工作示意圖，一、三象限為“馬達(dá)”工況，二、四象限為泵工況。

第四章電液比例容積控制當(dāng)二次元件工作在“馬達(dá)”工況時，從恒壓網(wǎng)絡(luò)獲得能量。第一象限：若取馬達(dá)在第一象限時的二次元件輸出轉(zhuǎn)矩M1、從恒壓網(wǎng)絡(luò)流入二次元件的流量QL、二次元件輸出轉(zhuǎn)速N、二次元件的排量q為正，又因為恒壓網(wǎng)絡(luò)的工作壓力pL為常數(shù)，二次元件輸出功率為：P=2π*M*N=pL*QL>0第三象限：M1<0，N<0，q<0，QL>0，所以：P=2π*M*N=pL*QL>0

以上兩種情況可知馬達(dá)輸出功率大于零，從恒壓網(wǎng)絡(luò)吸收能量，此為馬達(dá)工況。第四章電液比例容積控制第二象限：二次元件向恒壓回饋流量QL為負(fù)，M1>0，N<0，q>0，QL<0，所以:P=2π*M*N=pL*QL<0第四象限：M1<0，N>0，q<0，QL<0，所以:P=2π*M*N=pL*QL<0