液壓氣動技術及創新應用項目六液壓基本回路任務三液壓速度控制回路

【任務描述】液壓速度控制回路是液壓系統中用來控制調節執行元件運動的回路。【技能目標】1.通過對回路的組裝調試，進一步熟悉各種方向基本回路的組成，加深對回路性能的理解。2.加深認識各種液壓元件的工作原理、基本結構、使用方法和在回路中的作用。3.培養安裝、聯接和調試液壓系統回路的實踐能力。4．能夠排除實驗過程中出現的故障。項目六液壓基本回路任務三液壓速度控制回路

【學習目標】1．了解和掌握油缸，三位四通換向閥，二位三通換向閥，調速閥，節流閥，單向閥，三通接頭，二位二通換向閥的工作原理、基本結構、使用方法和在回路中的作用。2．學會利用調速閥，節流閥和換向閥的結構特點設計回路和回路。3．通過實驗加深對回路和回路性能的理解。4．培養安裝、聯接和調試液壓系統回路的實踐能力。【所需設備、工具和材料】表6-3-1名稱規格數量名稱規格數量液壓實驗臺YYG_P_206臺活口扳手19-222液壓元件及總成ZY37701A16套螺絲刀2#*200mm2泵站定量葉片泵-電機6臺尖嘴鉗6寸2調速回路快速運動回路速度換接回路速度控制回路

在液壓系統中，通過調速回路解決各執行機構不同的速度要求。調速回路是液壓系統的核心。速度控制通過改變進入執行機構的液體流量實現的。控制方式有節流控制和液壓泵控制或液壓馬達控制，液壓泵控制和液壓馬達控制又稱為容積式速度控制。一、調速回路

在不考慮液壓油的壓縮性和元件泄漏的情況下，液壓缸的運動速度v取決于流入或流出液壓缸的流量及相應的有效工作面積，即

q1,q2——流入、流出液壓缸的流量；

A1,A2——液壓缸無桿腔、有桿腔的有效工作面積。

液壓馬達的轉速nM由進入馬達的流量q和馬達的排量VM決定，即

改變流入或流出執行元件的流量q，或改變液壓缸的有效工作面積A和馬達的排量VM均可以達到控制執行元件速度的目的。通常用改變流量q或改變變量馬達排量VM來控制執行元件的速度。調速回路有以下三種基本調速方式：

(1)節流調速。(2)容積調速。(3)容積節流調速1.基本調速方式一、調速回路一、調速回路

1)調速特性回路的調速特性用回路的調速范圍來表征。所謂調速范圍是指執行元件在某負載下可能得到的最高工作速度與最低工作速度之比。

2)功率特性調速回路的功率特性包括回路的輸入功率、輸出功率、功率損失和回路效率，功率特性好，即能量損失小、效率高、發熱少。2.調速回路的基本特性3)機械特性即速度―負載特性，它是調速回路中執行元件運動速度隨負載而變化的性能。一般來說，執行元件運動速度隨負載增大而降低。速度受負載影響的程度，常用速度剛度來描述。速度剛度定義為負載對速度的變化率的負值，即

速度剛度的物理意義是：負載變化時，調速回路抵抗速度變化的能力，亦即引起單位速度變化時負載力的變化量。它是速度―負載特性曲線上某點處斜率的倒數。在特性曲線上某處的斜率越小，速度剛度就越大，亦即機械特性就硬，執行元件工作速度受負載變化的影響就越小，運動平穩性越好。一、調速回路2.調速回路的基本特性

根據所用流量控制閥的不同，分為采用節流閥的節流調速回路和采用調速閥的節流調速回路

根據流量閥在回路中的位置不同，分為進油節流調速、回油節流調速和旁路節流調速三種回路

根據在工作中供油壓力是否隨負載變化，分為定壓式節流調速回路(進油節流、回油節流)和變壓式節流調速回路(旁路節流)。分類（一）節流調速回路1)回路結構（一）節流調速回路

1.進油節流調速回路液壓缸要克服負載F而運動，其工作腔的油液必須具有一定的工作壓力，即穩定工作時活塞的受力平衡方程為

A1,A2——分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效面積；

p1,p2——分別為液壓缸進油腔、回油腔的壓力。

F——液壓缸的負載；當回油腔直接通油箱時，可設p2≈0，故液壓缸無桿腔壓力為：

這說明液壓缸工作壓力p1取決于負載，隨負載變化。②節流閥上必須存在壓力差Δp，泵的出口壓力pp大于液壓缸工作壓力p1③定量泵多余的油液qy必須經溢流閥流回油箱

根據連續性方程

進入液壓缸的流量q1越小，液壓缸的工作速度就越低，溢流量qy也就越大。2)工作原理常數（一）節流調速回路

1.進油節流調速回路④溢流閥工作在溢流狀態，因此泵的出口壓力pp保持恒定。⑤經節流閥進入液壓缸的流量q1為

AT——節流閥的通流面積；

Δp——節流閥兩端的壓力差，；

K——節流系數

m——由孔口形狀決定的指數，0.5＜m＜1

調節節流閥通流面積AT，即可改變通過節流閥的流量q1，從而調節液壓缸的工作速度。根據上述討論，液壓缸的運動速度為稱為進油節流調速回路的速度―負載特性方程。

由此式可知，液壓缸的工作速度是節流閥通流面積AT和液壓缸負載F的函數，當AT不變時，活塞的運動速度v受負載F變化影響；液壓缸的運動速度v與節流閥的通流面積AT成正比，調節AT就可調節液壓缸的速度。（一）節流調速回路

1.進油節流調速回路2)工作原理3)性能分析①速度―負載特性

這組曲線表示液壓缸運動速度隨負載變化的規律，曲線越陡，說明負載變化對速度的影響越大，即速度剛度越差。1.當節流閥通流面積AT一定時，負載F大的區域，曲線陡，速度剛度差，而負載F越小，曲線越平緩，速度剛度越好；2.在相同負載下工作時，AT越大，速度剛度越小，即速度高時速度剛度差；3.多條特性曲線交匯于橫坐標軸上的一點，該點對應的F值即為最大負載．最大承載能力為進油節流調速回路的速度剛度為Fmax＝ppA1（一）節流調速回路

1.進油節流調速回路②功率特性液壓泵的輸出功率，即回路輸入功率為

回路輸出功率，即液壓缸輸出的有效功率為：回路的功率損失ΔP為回路效率為由于回路中存在溢流損失和節流損失這樣兩種功率損失，所以回路效率比較低。進油節流調速回路適用于輕載、低速、負載變化不大和對速度穩定性要求不高的小功率場合。（一）節流調速回路

1.進油節流調速回路3)性能分析2.回油節流調速回路這種調速回路是將節流閥串接在液壓缸的回油路上，定量泵的供油壓力由溢流閥調定并基本上保持恒定不變。該回路的調節原理是：借助節流閥控制液壓缸的回油量q2，實現速度的調節。由連續性原理可得用節流閥調節流出液壓缸的流量q2，也就調節了流入液壓缸的流量q1。定量泵多余的油液經溢流閥流回油箱。速度―負載特性方程為：進油節流調速回路與回油節流調速回路的比較上述兩種回路相同點：

速度―負載特性基本相同，若缸兩腔的有效面積相同(雙出桿缸)，則兩種節流閥調速回路的速度―負載特性就完全一樣．上述兩種回路不同點：①承受負負載的能力。②實現壓力控制的難易程度。③調速性能。④停車后的啟動性能。⑤發熱及泄漏。

為了提高回路的綜合性能，一般常采用進油節流閥調速，并在回油路上加背壓閥，使其兼有二者的優點。3.旁路節流調速回路這種回路把節流閥接在與執行元件并聯的旁油路上。通過調節節流閥的通流面積AT，控制定量泵流回油箱的流量，即可實現調速。

本回路比前兩種回路效率高，但速度―負載特性很軟，低速承載能力差，主要用于高速、重載、對速度平穩性要求不高的較大功率的系統。缸的運動速度為4.采用調速閥的節流調速回路采用節流閥的節流調速回路，節流閥兩端的壓差和液壓缸工作速度隨負載的變化而變化，故速度剛度差，速度平穩性差。若用調速閥代替節流閥，由于調速閥中的定差減壓閥能在負載變化的條件下保證節流閥兩端的壓差基本不變，通過的流量也基本不變，所以回路的速度―負載特性得到很大改善。調速閥進油路調速回路速度―負載特性如圖：

液壓傳動系統中，為了達到液壓泵輸出流量與負載流量相一致而無溢流損失的目的，往往采用改變液壓泵或液壓馬達（同時改變）的有效工作容積進行調速。這種調速回路稱為容積式調速回路。這類回路無節流和溢流損失，所以系統不易發熱，效率高，在大功率的液壓系統中得到廣泛應用。但這種調速回路要求制造精度高，結構復雜，造價較高。容積式調速回路有：變量泵-定量馬達（或液壓缸）、定量泵-變量馬達、變量泵-變量達。按油路的循環形式有：開式調速回路、閉式調速回路。（二）容積式調速回路（二）容積式調速回路

1.變量泵及定量執行元件調速回路

變量泵和液壓缸組成的開式回路變量泵和定量馬達組成的閉式回路

（二）容積式調速回路

1.變量泵及定量執行元件調速回路

容積調速回路的主要性能有速度―負載特性、轉速特性、轉矩特性和功率特性，這里重點討論變量泵和定量馬達容積調速回路。

1)速度―負載特性

速度―負載特性方程

速度剛度

由于變量泵、液壓馬達有泄漏，馬達的輸出轉速nM會隨負載TM的加大而減小,負載增大到某值時，馬達停止運動,表明這種回路在低速下的承載能力很差。

（二）容積式調速回路

1.變量泵及定量執行元件調速回路3)轉矩特性

馬達的輸出轉速nM與變量泵排量VP的關系為

改變泵排量VP，可使馬達的輸出轉速nM成比例地變化

2)轉速特性

馬達的輸出轉矩TM與馬達的排量VM的關系為

馬達的輸出轉矩TM與泵的排量Vp無關，不會因調速而發生變化。若系統的負載轉矩恒定，則回路的工作壓力p恒定不變(即ΔpM不變)，此時馬達的輸出轉矩TM恒定，故此回路又稱為“等轉矩調速回路”。

馬達的輸出功率PM與變量泵排量Vp的關系為

4)功率特性

或者

馬達的輸出功率PM與馬達的轉速成正比，亦即與泵的排量Vp成正比

上述的三個特性曲線如圖,由于泵和馬達存在泄漏，所以當Vp還未調到零值時，nM、TM和PM已都為零值。這種回路若采用高質量的軸向柱塞變量泵，其調速范圍Rp可達40，當采用變量葉片泵時，Rp僅為5～10。

2.定量泵和變量馬達調速回路

該回路泵的排量VP和轉速nP均為常數，輸出流量不變。通過改變變量馬達的排量VM來改變馬達的輸出轉速nM。當負載恒定時，回路的工作壓力p和馬達輸出功率PM都恒定不變，而馬達的輸出轉矩TM與馬達的排量VM成正比變化，馬達的轉速nM與其排量VM成反比(按雙曲線規律)變化。從圖中可知，輸出功率PM不變，故此回路又稱“恒功率調速回路”

.3.變量泵和變量馬達調速回路

在此回路中，單向閥6和8用于使輔助泵4能雙向補油，而單向閥7和9使安全閥3在兩個方向都能起過載保護作用。這種調速回路實際上是上述兩種容積調速回路的組合。由于泵和馬達的排量均可改變，故增大了調速范圍，其調速特性曲線如圖。

(三)容積節流調速回路

容積節流調速回路的工作原理是用壓力補償變量泵供油，用流量控制閥調定進入或流出液壓缸的流量來調節活塞運動速度，并使變量泵的輸出流量自動與液壓缸所需流量相適應。這種調速回路沒有溢流損失，效率較高，速度穩定性也比單純的容積調速回路好。

限壓式變量泵與調速閥組成的容積節流調速回路

該回路由限壓式變量泵1供油，空載時泵以最大流量進入液壓缸使其快進，進入工作進給(簡稱工進)時，電磁閥3應通電使其所在油路斷開，壓力油經調速閥2流入缸內。工進結束后，壓力繼電器5發出信號，使閥3和閥4換向，調速閥再被短接，缸快退。回油經背壓閥6返回油箱。

由變量泵與流量控制閥（節流閥或調速閥）配合進行調速的回路。

工作原理:

通過改變回路中變量泵的排量和調節流量控制閥的流量來調節執行元件的運動速度。

類型:

限壓式變量葉片泵-調速閥式容積節流調速回路工作過程：調速閥不僅能保證進入液壓缸的流量穩定，而且可以使泵的供油流量自動地和液壓缸所需的流量相適應。特點：調速范圍大，效率較高。

限壓式變量泵壓力—流量特性曲線上的點a是泵的工作點，泵的供油壓力為pP，流量為q1。調速閥在某一開度下的壓力—流量特性曲線上的點b

是調速閥(液壓缸)的工作點，壓力為p1，流量為q1。當改變調速閥的開口量，使調速閥壓力—流量特性曲線上下移動時，回路的工作狀態便相應改變。限壓式變量泵與調速閥組成的容積節流調速回路

1.限壓式變量泵與調速閥組成的容積節流調速回路限壓式變量泵的供油壓力應調節為限壓式變量泵的供油壓力應調節為≥≥

當負載F變化，p1發生變化時，調速閥的自動調節作用使調速閥內節流閥上的壓差Δp保持不變，流過此節流閥的流量q1也不變，從而使泵的輸出壓力pP和流量qP也不變，回路就能保持在原工作狀態下工作，速度穩定性好。回路效率為如果無背壓p2＝0，則

如果負載較小時，p1減小，使調速閥的壓差ΔpT增大，造成節流損失增大。低速時，泵的供油流量較小，而對應的供油壓力很大，泄漏增加，回路效率嚴重下降。因此，這種回路不宜用在低速、變載且輕載的場合。

≥2.差壓式變量泵和節流閥組成的調速回路

當電磁閥4的電磁鐵1YA通電時，節流閥5控制進入液壓缸6的流量q1，并使變量泵3輸出的流量qP自動和q1相適應。閥7為背壓閥，閥9為安全閥。阻尼孔8用以增加變量泵定子移動阻尼，改善動態特性，避免定子發生振蕩。

泵的變量機構由定子兩側的控制缸1、2組成，配油盤上的油腔對稱于垂直軸，定子的移動(即偏心量的調節)靠控制缸兩腔的液壓力之差與彈簧力的平衡來實現。調節節流閥的開口量，即改變其兩端壓力差，也改變了泵的偏心量，使其輸油量與通過節流閥進入液壓缸的流量相適應。

作用在泵定子上的力平衡方程式為：

節流閥前后壓差為：

由于彈簧剛度小，工作中伸縮量也很小(≤e)，所以Fs基本恒定，節流閥前后壓差Δp基本上不隨外負載而變化，經過節流閥的流量也近似等于常數。當外負載F增大(或減小)時，缸6工作壓力p1就增大(或減小)，則泵的工作壓力pp也相應增大(或減小)，故又稱此回路為變壓式容積節流調速回路。由于泵的供油壓力隨負載而變化，回路中又只有節流損失，沒有溢流損失，因而其效率比限壓式變量泵和調速閥組成的調速回路要高。這種回路適用于負載變化大，速度較低的中、小功率場合，如某些組合機床進給系統。

2.差壓式變量泵和節流閥組成的調速回路

三種調速回路的比較

快速運動回路又稱增速回路，其功用在于使液壓執行元件在空載時獲得所需的高速，以提高系統的工作效率或充分利用功率。實現快速運動有多種運動回路。常用的快速運動回路有：差動回路采用蓄能器的快速補油回路利用雙泵供油的快速運動回路補油回路二、快速運動回路

當閥1和閥3在左位工作時，液壓缸差動連接，實現快速運動；當閥3通電右位工作時，差動連接即被切除，液壓缸回油經過調速閥2，實現工進；當閥1在右位工作時，液壓缸快退。當液壓缸差動前進時，從液壓缸右側排出的油再從左側進入液壓缸，增加進油口處的油量，可使液壓缸快速前進，但同時也使液壓缸的推力變小。二、快速運動回路（一）差動連接快速運動回路

圖6—3—8液壓缸差動連接快速運動回路

1—

液壓缸；2—

調速閥；3，5—換向閥4—溢流閥；6—

單向閥；7—液壓泵二、快速運動回路（二）雙泵供油的快速運動回路元件名稱：1為大流量泵、2為小流量泵、3為順序閥(作卸荷閥)、5為溢流閥。工作過程：在快速運動時，系統壓力較低，閥3關閉，泵1輸出的油液經單向閥4與泵2輸出的油液共同向系統供油；工作行程時，系統壓力升高，打開卸荷閥3使大流量泵1卸荷，由泵2向系統單獨供油。這種回路的功率損耗小，系統效率高，目前使用的較廣泛。圖6—3—9雙泵供油的快速運動回路1—低壓大流量泵；2—高壓小流量泵；3—順序閥；4—單向閥；5—溢流閥

當泵在工作行程，由于壓力高，泵向蓄能器充油。當快速回程時，由于系統壓力低，蓄能器作為泵的輔助動力源，可與泵同時向系統提供壓力油，提高液壓缸的回程速度。（三）采用蓄能器的快速補油回路7.3.5快速運動回路圖6—3—10采用蓄能器的快速運動回路1—蓄能器；2—卸荷閥；3—液壓缸4—換向閥；5—單向閥；6—定量泵

速度換接回路的功能是使液壓執行機構在一個工作循環中從一種運動速度變換到另一種運動速度，因而這個轉換：液壓執行元件快速到慢速的換接；兩個慢速之間的換接。實現這些功能的回路應該具有較高的速度換接平穩性。三、速度換接回路1.快速與慢速的換接回路

如圖5-13所示為用行程閥來實現快速與慢速換接的回路。在圖5-13所示的狀態下，液壓缸快進，當活塞所連接的擋塊壓下行程閥6時，行程閥關閉，液壓缸右腔的油液必須通過節流閥5才能流回油箱，活塞運動速度轉變為慢速工進；當換向閥左位接入回路時，壓力油經單向閥4進入液壓缸右腔，活塞快速向右返回。

7.3.6速度換接回路

這種回路的優點是快、慢速換接過程比較平穩，換接點的位置比較準確。其缺點是行程閥的安裝位置不能任意布置，管路連接較為復雜。若將行程閥改為電磁閥，則安裝連接將比較方便，但速度換接的平穩性、可靠性以及換向精度將變得較差。

三、速度換接回路1.快速與慢速的換接回路圖6—3—11采用行程閥的快慢度速換接回路1—定量泵；2—

換向閥；3—液壓缸；4—行程閥；5—單向閥；6—節流閥；7—溢流閥；請操作電磁鐵啟動開關請操作電磁鐵斷開開關圖5-14為用兩個調速閥來實現不同工進速度的換接回路。圖5-14(a)中的兩個調速閥并聯，由換向閥實現換接。只可用于速度預選的場合。5-14(b)為兩調速閥串聯的速度換接回路。當主換向閥D左位接入系統時，調速閥B被換向閥C短接；輸入液壓缸的流量由調速閥A控制。當閥C右位接入回路時，由于通過調速閥B的流量調得比A小，因此輸入液壓缸的流量由調速閥B控制。在這種回路中，調速閥A一直處于工作狀態，它在速度換接時限制著進入調速閥B的流量，速度換接平穩性比較好，能量損失比較大。三、速度換接回路（二）兩種慢速的換接回路DABC電磁鐵不得電1.兩調速閥串聯的二工進換接回路三、速度換接回路（二）兩種慢速的換接回路