液壓與液力傳動課件：速度控制回路和多缸工作控制回路-

液壓與液力傳動上堂課內(nèi)容回顧（１）方向控制回路的結(jié)構(gòu)和原理 其中包括： 換向回路和鎖緊回路（２）壓力控制回路的結(jié)構(gòu)和原理 其中包括： 調(diào)壓回路；降壓回路；保壓回路； 增壓回路；平衡回路；卸荷回路。

本堂課所講的主要內(nèi)容1、調(diào)速回路2、快速運(yùn)動回路3、速度換接回路4、多缸控制回路在液壓系統(tǒng)中，速度控制回路是液壓系統(tǒng)的核心，其工作性能的優(yōu)劣，對系統(tǒng)起著決定性的作用。分類：按原理可分為以下幾種：（1）節(jié)流調(diào)速回路;（2）容積調(diào)速；（3）容積節(jié)流調(diào)速;

要求：(１）調(diào)速范圍－對最大和最小速度的要求。 （２）速度剛性－調(diào)節(jié)速度不隨負(fù)載變化。 （３）回路效率高－回路功率消耗要小，效率要高。 （４）動力－提供所需的力和力矩。 （５）結(jié)構(gòu)－結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠速度控制回路一、調(diào)速回路調(diào)速就是調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度，其基本原理是：液壓缸：v=Q/A;

液壓馬達(dá)：n=Q/qM

即改變輸入到執(zhí)行元件的流量Q，或改變液壓缸的有效工作面積A(困難)和液壓馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量qM都可達(dá)到調(diào)速的目的。定量泵變量泵流量控制閥油缸定量馬達(dá)變量馬達(dá)（一）節(jié)流調(diào)速回路按流量閥在回路中的安裝位置不同，節(jié)流調(diào)速回路可分為： （１）進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路 （２）回油路節(jié)流調(diào)速回路 （３）旁路節(jié)流調(diào)速回路1.

進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路原理動畫對于定量泵供油系統(tǒng)，利用節(jié)流閥，通過改變節(jié)流面積大小，來控制進(jìn)入或流出執(zhí)行元件的流量，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)動速度。工作原理：因?yàn)椋核钥芍夯钊\(yùn)動速度v,與節(jié)流閥的節(jié)流面積AT成正比。(1)基本方程a、根據(jù)流量連續(xù)方程

Q泵=Q1+ΔQ

(1)b、當(dāng)穩(wěn)定工作時，活塞上的力平衡方程

p1A1=p2A2+F(2)c、p泵由溢流閥調(diào)定，不變；為了使油液進(jìn)入液缸工作，必須克服節(jié)流閥上的壓力降，p泵>p1。

p泵=Δp節(jié)+p1，若忽略背壓p2，則p泵=Δp節(jié)+F/A1

Δp節(jié)=p泵-F/A1(3)d、根據(jù)節(jié)流閥的壓力與流量關(guān)系，得e、活塞運(yùn)動速度速度是載荷的函數(shù)，稱為速度—負(fù)載特性，反映了速度隨外載變化的特性，可用速度剛度表示f、速度剛度

速度剛度－“速度－負(fù)載”特性曲線上某一點(diǎn)切線斜率的負(fù)倒數(shù)，即某點(diǎn)法線的斜率，為速度剛度。利用式（５），對速度求導(dǎo)可得。(6)物理意義：反映了負(fù)載變化時，速度保持不變的程度。速度保持不變或變化小，則速度剛度大，即說明了系統(tǒng)速度穩(wěn)定性好；反之，速度穩(wěn)定性差。當(dāng)節(jié)流小孔為薄壁小孔時，求導(dǎo)可得速度剛度為由上式和圖，可知：（１）當(dāng)AT一定時，Ｆ越小，θ越小，則Kv越大。（２）當(dāng)Ｆ一定時，AT越小，則Kv越大。（3）當(dāng)A1越大時，則Kv越大。（４）當(dāng)pp越大時，則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

若不計管路等的損失，回路的功率損失

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節(jié)Q1

由上式可見，功率損失由兩部分組成：

ΔP=P泵ΔQ

——溢流損失

ΔP=Δp節(jié)Q1——節(jié)流損失功率損失都轉(zhuǎn)化為熱能?；芈沸剩ǎ常┱{(diào)速范圍即最高工作速度與最小穩(wěn)定工作速度之比：其中，

可知，最大節(jié)流面積是由泵的流量和額定壓力所決定的。（４）最大承載能力當(dāng)泵的出口壓力和油缸面積確定之后，液壓缸的最大承載能力不變，為（5）運(yùn)動平穩(wěn)性活塞運(yùn)動時，當(dāng)負(fù)載突然變小時，活塞將產(chǎn)生突然前沖現(xiàn)象?？芍海ǎ保┰撜{(diào)速方式是恒推力調(diào)速。（２）由于回油路沒有背壓閥，不能承受負(fù)值（反向）載荷可知：（１）進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路的速度穩(wěn)定性差。（２）節(jié)流調(diào)速會發(fā)熱，壓力越大，發(fā)熱越嚴(yán)重。這將對液壓缸泄漏和速度穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。2.回油路節(jié)流調(diào)速回路－－(略講)(1)基本方程AFApCAAQvAFAppQQQjj-==-=D-=+121222121)(泵節(jié)泵泵(2)回路的特性回油節(jié)流調(diào)速回路與進(jìn)油調(diào)速回路比較，可知：

運(yùn)動平穩(wěn)性好。

可以承受負(fù)值載荷。

效率低。

如果停車時間長，回油腔的油液會泄漏，而行程空隙。在重新啟動時，活塞產(chǎn)生前沖，直到消除因泄漏所產(chǎn)生的空隙，并形成背壓為止。（３）調(diào)速范圍由于裝在回油路上，有背壓，A節(jié)min較小時也能獲得較低的穩(wěn)定速度，故調(diào)速范圍稍大。（４）其它特性(略)回油節(jié)流調(diào)速回路因流量閥裝在回油路上，節(jié)流閥的阻尼作用相當(dāng)于在執(zhí)行元件的回油路上產(chǎn)生背壓力，所以能承受負(fù)值負(fù)載。負(fù)值負(fù)載F=p2A2。進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路通過節(jié)流閥而發(fā)熱的油直接進(jìn)入液壓缸，會使缸內(nèi)泄漏增加；而回油節(jié)流調(diào)速回路，通過節(jié)流閥的油流回油箱，得到充分冷卻。

進(jìn)油節(jié)流調(diào)速路因流量閥裝在缸的進(jìn)油路上，可避免啟動時的前沖現(xiàn)象回油節(jié)流調(diào)速回路中液壓缸回油腔的壓力p2有時比進(jìn)油腔的壓力p1還要高得多。由缸的力平衡方程可得p2=（p1A1-F）/A2，當(dāng)負(fù)載F=0、A1/A2=2（即差動缸）時，p2=2p1。

這樣就會增加密封摩擦、降低密封件的壽命，引起泄漏增加，效率降低。3.旁路節(jié)流調(diào)速回路－（課下自學(xué)）有關(guān)該調(diào)速回路特性，課下同學(xué)自學(xué)。4．調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路

前面分析的節(jié)流閥調(diào)速回路三種基本形式的靜特性中，看出一個共同的缺點(diǎn)，就是回路速度穩(wěn)定性（速度剛度）隨負(fù)載的變化而變化。

其主要原因在于節(jié)流閥兩端壓力差的變化，引起流經(jīng)節(jié)流閥流量的變化，從而引起活塞運(yùn)動速度隨負(fù)載變化。

因此，這種回路只能用于負(fù)載變化很小、或速度穩(wěn)定性不高的場合。

對速度穩(wěn)定性要求較高，或負(fù)載變化較大的液壓系統(tǒng)，就需采用調(diào)速閥。

調(diào)速閥內(nèi)節(jié)流閥兩端的壓差基本不受負(fù)載的影響，流經(jīng)的油液流量只取決于開口面積。因此，采用調(diào)速閥可提高回路的速度剛度，改善“速度－負(fù)載特性”。例如，采用調(diào)速閥的進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路當(dāng)Ｆ增加，p1增加，而調(diào)速閥內(nèi)的pm也增加，因此，調(diào)速閥內(nèi)的節(jié)流閥前、后兩端的壓差Δp保持不變，流經(jīng)調(diào)速閥的流量保持不變。即當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時，使調(diào)速閥中節(jié)流閥前、后壓差保持不變，從而使流經(jīng)調(diào)速閥中節(jié)流閥流量也保持不變，活塞的工作速度也就不受負(fù)載變化的影響而保持恒定，即v=const。因此，速度剛度為vFFmax如果忽略系統(tǒng)泄漏，可認(rèn)為速度不受負(fù)載影響，其速度－負(fù)載特性曲線，如圖所示。vFA節(jié)1<A節(jié)2<A節(jié)3A節(jié)1A節(jié)2A節(jié)3在不同節(jié)流面積下，速度－負(fù)載特性如下圖所示。FFmaxΔP1ΔP2PP調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路的功率特性曲線，如下圖所示。由圖可知：（１）調(diào)速閥回路的輸入功率Pp和溢流閥損失功率ΔP1不隨負(fù)載而變化。（2）調(diào)速閥回路輸出功率P，隨負(fù)載增加而線性上升。（3）節(jié)流損失功率ΔP2，隨負(fù)載增加而線性下降。（二）容積調(diào)速回路根據(jù)上面的分析可知：節(jié)流調(diào)速的一個很嚴(yán)重的缺陷就是多余流量經(jīng)溢流閥回油箱，造成能量損失和油溫升高。特別在執(zhí)行元件低速運(yùn)行更為嚴(yán)重。針對這種情況，提出了能耗較低，效率較高的容積調(diào)速。容積調(diào)速回路：通過改變回路中泵或馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。優(yōu)點(diǎn)：沒有節(jié)流損失和溢流損失，因而，油溫升小，適用于高速、大功率調(diào)速系統(tǒng)。缺點(diǎn)：變量泵和變量馬達(dá)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。三種基本組合形式：

變量泵和定量執(zhí)行元件；定量泵和變量馬達(dá)；（略講）變量泵和變量馬達(dá)。（略講）根據(jù)油路的循環(huán)方式，容積調(diào)速可以聯(lián)接成開式回路

或

閉式回路。其中，

開式回路，泵從油箱吸油。

閉式回路，回油管與泵的吸油腔相聯(lián)。1．變量泵和定量馬達(dá)或油缸組成的容積調(diào)速回路

原理：利用變量泵實(shí)現(xiàn)液壓缸或液壓馬達(dá)的調(diào)速。注意：有時為了防止空氣滲入和出現(xiàn)孔穴，利用輔助泵向低壓油路補(bǔ)油。工作原理動畫變量泵和油缸容積調(diào)速回路工作特性（1）速度特性速度特性反映的是執(zhí)行元件的速度與變量泵調(diào)節(jié)參數(shù)（排量）的關(guān)系。當(dāng)不考慮泄漏時，執(zhí)行元件速度為：當(dāng)考慮泄漏時，執(zhí)行元件速度為：式中，k為泄漏系數(shù)(２)

調(diào)速范圍變量泵與液壓缸組成的調(diào)速回路，其最大速度是由泵的最大流量所決定的。如果忽略泵的泄漏量，最低速度可以調(diào)到零。因此，該調(diào)速回路的速度調(diào)節(jié)范圍很大，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。速度剛度為：可知：增大有效工作面積，減小泄漏，可提供速度剛度。(３)

負(fù)載特性

執(zhí)行元件輸出轉(zhuǎn)矩（力）和輸出功率與變量泵調(diào)節(jié)參數(shù)（排量）之間的關(guān)系。當(dāng)不考慮回路的損失時，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩（或缸的輸出推力）為MPMPGMPnvq1當(dāng)考慮機(jī)械效率時，輸出轉(zhuǎn)矩（或缸輸出推力）為執(zhí)行元件的輸出功率為

MPM

PGMPnvq12．定量泵和變量馬達(dá)組成的容積調(diào)速回路（略講）主要工作特性如下：(1)速度特性及調(diào)速范圍當(dāng)不考慮回路容積效率時，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為(2)轉(zhuǎn)矩和功率特性。當(dāng)不考慮回路的損失時，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為液壓馬達(dá)的輸出功率為3.變量泵和變量馬達(dá)容積調(diào)速回路（略講）

由于此回路中，既可用變量泵調(diào)速，又可用變量馬達(dá)調(diào)速，可擴(kuò)大調(diào)速范圍，一般采用分段調(diào)速的方法。

在第一階段將變量馬達(dá)的排量調(diào)到最大并使之恒定，然后調(diào)節(jié)變量泵的排量從最小逐漸加大到最大值，則馬達(dá)的轉(zhuǎn)速便從最小逐漸升高到相應(yīng)的最大值。這一階段相當(dāng)于變量泵定量馬達(dá)的調(diào)速回路，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在第二階段將變量泵的排量固定在上述已調(diào)好最大值，然后調(diào)節(jié)變量馬達(dá)的排量使之由最大值逐漸減小，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步逐漸升高，直到允許的最大轉(zhuǎn)速。這一階段相當(dāng)于定量泵變量馬達(dá)調(diào)速回路，屬于功率調(diào)節(jié)。（三）容積節(jié)流調(diào)速回路－－（略講）目前為止，我們講述了兩種調(diào)速方法，即節(jié)流調(diào)速和容積調(diào)速，其中，（1）節(jié)流調(diào)速回路因有節(jié)流損失，因而效率低、溫升大；但結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能獲得較低的穩(wěn)定速度。（2）容積調(diào)速回路具有效率高（因無節(jié)流損失和溢流損失），溫升小，可以接成閉式回路，因而大大減輕整個系統(tǒng)的重量；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)載變化時引起泄漏等因素的變化，影響低速穩(wěn)定性。而容積

節(jié)流調(diào)速回路由是采用特定的變量泵和調(diào)速閥（或節(jié)流閥）所組成，它兼有上述兩種調(diào)速回路的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)所采用變量泵的形式不同，常用的容積節(jié)流調(diào)速回路有：限壓式變量泵和調(diào)速閥組成的回路；穩(wěn)流式變量泵和節(jié)流閥組成的回路。1.限壓式變量泵和調(diào)速閥的調(diào)速回路

特點(diǎn)：（1）沒有溢流損失，但有節(jié)流損失。回路效率高于節(jié)流調(diào)速回路，但低于容積調(diào)速回路。（2）節(jié)流損失與液壓缸的工作壓力p1有關(guān)。負(fù)載小，p1低，節(jié)流損失越大。（3）該回路是以增加節(jié)流損失為代價，換取低速穩(wěn)定的。2.差壓式變量泵和節(jié)流閥調(diào)速回路（略講）

變量泵定子的受力情況為：特點(diǎn)：（1）節(jié)流閥控制著進(jìn)入油缸的流量，并使泵的輸出流量自動與液壓缸的需要流量適應(yīng)。（2）變量泵能自動補(bǔ)償由負(fù)載變化引起的泵泄漏量變化，使泵的輸出流量基本保持穩(wěn)定。（3）速度穩(wěn)定性好。尤其是在小流量和負(fù)載變化的液壓系統(tǒng)中，穩(wěn)定性特別明顯。（4）只有節(jié)流損失，發(fā)熱少，效率高。二、快速運(yùn)動回路液壓裝置的工作機(jī)構(gòu)在一個工作循環(huán)的過程中，常常在不同的工作階段，要求不同的運(yùn)動速度和承受不同的負(fù)載。例如，許多機(jī)構(gòu)的空行程要求快速運(yùn)動，而負(fù)載輕；工作行程要求慢速運(yùn)動，而負(fù)載重。因此，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的設(shè)計時，通常是根據(jù)工作進(jìn)程要求的運(yùn)動速度和所承受的負(fù)載，決定主油泵的流量和壓力，然后在不增加功率消耗的情況下，采用快速運(yùn)動回路來提高工作機(jī)構(gòu)空行程速度。常見的快速運(yùn)動回路有以下幾種。(一)雙泵并聯(lián)快速運(yùn)動回路（二）用蓄能器的快速運(yùn)動回路當(dāng)換向閥處于左位或右位時，蓄能器和泵同時向缸供油，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動。當(dāng)換向閥處于中位時缸停止工作，泵經(jīng)單向閥向蓄能器充液，蓄能器壓力升高到液控順序閥的調(diào)定壓力時，泵卸荷。（三）用增速缸的快速運(yùn)動回路快速前進(jìn)，回油同時進(jìn)入大腔快速后退壓力達(dá)到一定值后，閥4打開，慢速前進(jìn)

三、速度換接回路速度換節(jié)回路的功用就是使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在一個工作循環(huán)中，從一種工作運(yùn)動變換為另外一種運(yùn)動速度。例如，機(jī)床切削加工過程中，刀架在完成一個自動工作循環(huán)時，需要不同的運(yùn)動速度，如快速接近工件換接為慢速工作進(jìn)給，第一種工作進(jìn)給速度換接為第二種工作進(jìn)給速度等。速度換接回路就是為了滿足這個要求的。對加工精度要求較高的機(jī)床，不允許速度換接過程中出現(xiàn)前沖現(xiàn)象。因此，對這種回路提出了速度換接平穩(wěn)性的要求。（一）快速運(yùn)動和工作進(jìn)給運(yùn)動的換接回路快速前進(jìn)慢速前進(jìn)快速退回（二）兩種工作進(jìn)給速度的換接回路1.調(diào)速閥串聯(lián)的速度控制回路（注意：qA>qB，V2<V1）調(diào)速閥A工作，工進(jìn)V1調(diào)速閥A，B串聯(lián)，B起作用，工進(jìn)V22.調(diào)速閥并聯(lián)的速度控制回路（注意：AT<BT）BT起作用，工進(jìn)速度V1AT起作用，工進(jìn)速度V2

盡管是兩個不同節(jié)流面積的調(diào)速閥并聯(lián)，實(shí)質(zhì)是分別接入液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并滿足不同的工作速度。例如：第四節(jié)多缸控制一、順序動作回路１．壓力順序閥控制的順序回路

利用壓力順序閥，可控制液壓系統(tǒng)的動作回路，如圖所示。工作原理：（１）當(dāng)換向閥５處于左位時，加緊缸１向右運(yùn)動。（２）加緊工件后，進(jìn)油腔壓力升高到順序閥３的設(shè)定值而打開，鉆孔油缸２向右運(yùn)動。（３）鉆孔完畢，換向閥５處于右位，鉆孔缸左退到左端點(diǎn)。（４）隨后壓力升高，達(dá)到順序閥４設(shè)定值，加緊缸１向左退回原位。過程動畫２．壓力繼電器控制的順序回路

利用壓力繼電器，可控制液壓系統(tǒng)的動作回路，如圖所示。工作原理：（１）按啟動按鈕，電磁鐵1Y得電，缸1活塞前進(jìn)到右端點(diǎn)后。（２）回路壓力升高，壓力繼電器1K動作，使電磁鐵3Y得電，缸2活塞前進(jìn)；（３）按返回按鈕，1Y、3Y失電，4Y得電，缸2活塞先退回原位后。（４）回路壓力升高，壓力繼電器2K動作，使2Y得電，缸1活塞后退，完成依次順序動作。過程動畫二、同步回路（速度同步、位置同步兩種）用途：實(shí)現(xiàn)幾個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同步動作，即外負(fù)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，制造的誤差，對同步的精度會有影響，但在機(jī)械工程中使用一般是能滿足要求的。1．并聯(lián)油缸加機(jī)械固結(jié)這種回路是用剛性梁、齒輪及齒條等機(jī)械零件，使兩缸活塞桿間建立剛性的運(yùn)動聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)位移同步。如圖所示。ABPo注意：調(diào)速閥正常工作時，流過的流量只與調(diào)速閥開口有關(guān)，同步精度低，精度在5~10%左右，調(diào)速很麻煩。調(diào)速前進(jìn)2．并聯(lián)油缸分別串聯(lián)流量閥（調(diào)速閥同步)結(jié)構(gòu)：在兩并聯(lián)油缸進(jìn)（回）油路上，分別串聯(lián)一個調(diào)速閥。如圖所示。原理:

(1)通過調(diào)整兩個調(diào)速閥開口大小，控制進(jìn)（回）油液的流量相等，從而實(shí)現(xiàn)