速度控制回路

 

    一、調(diào)速回路

    調(diào)速回路是用來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的。可從執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的表達(dá)式中尋找改變運(yùn)動(dòng)速度的方法。液壓缸的速度為v=q/A（q為流量，A為液壓缸的工作面積），液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為n_m=q/V_m(V_m為液壓馬達(dá)的排量)，那么改變運(yùn)動(dòng)速度（轉(zhuǎn)速）可通過改變q或A (V_m)來實(shí)現(xiàn)，而工作中面積A改變較難，故合理的調(diào)速途徑是改變流量g（流量閥或變量泵）和使用排量V_m可變的變量馬達(dá)。根據(jù)上述分析，調(diào)速回路有以下三種形式。

    節(jié)流調(diào)速——采用定量泵供油，依靠流量控制閥調(diào)節(jié)流人或流出執(zhí)行元件的流量實(shí)現(xiàn)變速。

    容積調(diào)速——依靠改變變量泵或改變變量液壓馬達(dá)的排量來實(shí)現(xiàn)變速。

    容積節(jié)流調(diào)速（聯(lián)合調(diào)速）——依靠變量泵和流量控制闋的聯(lián)合調(diào)速。其特點(diǎn)是由流量控制閥改變輸入或流出執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又通過變量泵的自身調(diào)節(jié)過程使其輸出的流量和流量閥所控制的流量相適應(yīng)。

    調(diào)速回路的基本要求是：在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的速度，滿足要求的最大速比；提供驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的力或轉(zhuǎn)矩；負(fù)載變化時(shí)，速度穩(wěn)定不變或在允許的范圍內(nèi)變化，即液壓系統(tǒng)具有足夠的速度剛性；功率損失要小。

    1．節(jié)流調(diào)速回路

    節(jié)流調(diào)速回路根據(jù)流量控制閥在回路的位置不同可分為進(jìn)口節(jié)流、出口節(jié)流和旁路節(jié)流三種；根據(jù)流量控制閥的類型不同可分為普通節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路和調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路。

    (1)普通節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路

    ①進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路

    a．油路組成及調(diào)速原理。進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路主要由定量泵、溢流閥、節(jié)流閥、執(zhí)行元件——液壓缸等組成，節(jié)流閥裝在液壓缸的進(jìn)油路上，即串聯(lián)在定量泵和液壓缸之間，溢流閥與其并聯(lián)成一溢流支路，如圖X(a)所示。

    通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的閥口大小（即其通流面積），則改變了并聯(lián)支路的油流分配（如調(diào)小節(jié)流閥閥口時(shí)，將減小進(jìn)口油路的流量，增大溢流支路的溢流量），也就改變了進(jìn)入液壓缸的流量，從而調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。必須注意，在這種調(diào)速回路，節(jié)流閥和溢流閥合在一起才起調(diào)速作用，因?yàn)槎勘枚嘤嗟挠鸵喉毻ㄟ^溢流閥流回油箱。由于溢流閥有溢流，泵的出口壓力就是溢流閥的調(diào)整壓力，并基本保持定值。

    b．性能特點(diǎn)

    1．速度一負(fù)載特性。速度一負(fù)載特性是指執(zhí)行元件的速度隨負(fù)載變化而變化的性能。這一性能可用速度一負(fù)載特性曲線來描述。

    當(dāng)液壓缸在穩(wěn)定工作時(shí)（即液壓缸克服外負(fù)載力F作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)），其受力平衡方程式為

                           p₁A₁=p₂A₂+F                         (7-1)

式中  A₁，A₂——液壓缸無桿腔、有桿腔的有效工作面積；

      p_l，p₂——液壓缸進(jìn)、回油腔的壓力。

    由于回油腔通油箱，不計(jì)管路的壓力損失時(shí)，p2可視為零，則

                           p₁ =F/A₁                            (7-2)

    節(jié)流閥前后壓力差為

                         △p=p_p-p₁=p_p-F/A₁                      (7-3)

    液壓泵的供油壓力p_p由溢流閥調(diào)定后基本不變，因此節(jié)流閥前后壓差△p將隨負(fù)載F的變化而變化。

    根據(jù)節(jié)流閥的流量特性方程，通過節(jié)流閥的流量為

                      q₁=KA_v(△p)m=KA_V（p_P-F/A₁）^m               (7-4)

式中Av——節(jié)流閥閥口的通流面積。

    則活塞的運(yùn)動(dòng)速度為

                      v=q₁/A₁=KA_v/A₁(p_P-F/A₁)^m                 (7-5)

    此為進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路的速度一負(fù)載特性，它反映了在節(jié)流閥通流面積A_v一定的情況下，活塞速度v隨負(fù)載F的變化關(guān)系。若以v為縱坐標(biāo)，以F為橫坐標(biāo)，以A_v為參變量，則可繪出如圖X(b)所示的速度一負(fù)載特性曲線。

    由圖X(b)和式(7-5)可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度v與節(jié)流閥的通流面積A_v成正比，故調(diào)節(jié)A_v就可調(diào)節(jié)液壓缸的速度。由于薄壁小孔節(jié)流閥的最小穩(wěn)定流量很小，故可得到較低的穩(wěn)定速度。這種調(diào)速回路的調(diào)速范圍（最高速度和最低速度之比）大，一般可大于100。

    由圖X(b)和式(7-5)還可知，當(dāng)節(jié)流閥的通流面積A_v一定時(shí)，隨著負(fù)載F的增加，節(jié)流閥兩端壓差減小，活塞的運(yùn)動(dòng)速度v按拋物線規(guī)律下降。通常負(fù)載變化對(duì)速度的影響程度用速度剛度T_v表示。所謂速度剛度就是速度負(fù)載特性曲線上某點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)，斜率越小即曲線越平，速度剛度越大，負(fù)載變化對(duì)速度的影響越小，速度的穩(wěn)定性就越好。

    根據(jù)速度剛度的定義，則有

       T_v=-ρF/ρv=-1/ρv/ρF=-tanα                 (7-6)

    式中，α表示速度一負(fù)載特性曲線上某一點(diǎn)的切線角。因隨著負(fù)載的增加，速度將下降。為保持T_v為正值，在式(7-6)前加一負(fù)號(hào)。

    由式(7-5)、式(7-6)可求得速度剛度為

                      T_v=A2₁/KA_vm(p_P-F/A₁)^1-m                  (7-7)

    由式(7-7)及圖X可以看出，當(dāng)節(jié)流閥通流面積A_v一定時(shí)，負(fù)載F越小，速度剛度越大；當(dāng)負(fù)載F-定時(shí)，節(jié)流閥通流面積A_v越小，速度剛度越大；適當(dāng)增加液壓缸的有效工作面積A_v和提高液壓泵的供油壓力p_P可提高速度剛度。

    由上述分析可知，這種調(diào)速回路在低速小負(fù)載時(shí)的速度剛度較高，但在低速小負(fù)載的情況下功率損失較大，效率較低。

    ii．最大承載能力。由圖X(b)可以看出，三條（多條也一樣）特性曲線交于橫坐標(biāo)軸上的一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的F為最大負(fù)載，這說明在p_P調(diào)定的情況下，不論A_v如何變化，液壓缸的最大承載能力F_max是不變的，即最大承載能力與速度調(diào)節(jié)無關(guān)。因最大負(fù)載時(shí)缸停止運(yùn)動(dòng)，令式(7-5)等于零，得F_max值為

                            F_max=p_PA₁                         (7-8)

    故這種調(diào)速方式稱為恒推力調(diào)速（執(zhí)行元件是液壓馬達(dá)時(shí)為恒扭矩調(diào)速）。

    iii功率和效率。液壓泵的輸出功率為  P_p =p_Pq_P=常量

    液壓缸輸出的有效功率為  P_l=F_v=F(q_l/A₁)=p₁q_l

    回路的功率損失（不考慮液壓缸、管路和液壓泵上的功率損失）為

△P =P_p-P₁=p_Pq_P-p₁q₁

=p_P(q_l+q₃)-(p_P-△p)q₁

=p_Pq₃+△pq₁                            (7-9)

    從式(7-9)可知，這種調(diào)速回路的功率損失由溢流損失p_Pq2和節(jié)流損失Δpq₁兩部分組成。

    而回路的效率η為

                          η=P₁/P_p =p₁q₁/p_Pq_P                 (7-10)

    由于兩種損失的存在，故回路效率較低，特別是速度低、負(fù)載小時(shí)更是如此。