速度控制回路

 

    一、調速回路

    調速回路是用來調節執行元件運動速度的。可從執行元件運動速度的表達式中尋找改變運動速度的方法。液壓缸的速度為v=q/A（q為流量，A為液壓缸的工作面積），液壓馬達的轉速為n_m=q/V_m(V_m為液壓馬達的排量)，那么改變運動速度（轉速）可通過改變q或A (V_m)來實現，而工作中面積A改變較難，故合理的調速途徑是改變流量g（流量閥或變量泵）和使用排量V_m可變的變量馬達。根據上述分析，調速回路有以下三種形式。

    節流調速——采用定量泵供油，依靠流量控制閥調節流人或流出執行元件的流量實現變速。

    容積調速——依靠改變變量泵或改變變量液壓馬達的排量來實現變速。

    容積節流調速（聯合調速）——依靠變量泵和流量控制闋的聯合調速。其特點是由流量控制閥改變輸入或流出執行元件的流量來調節速度，同時又通過變量泵的自身調節過程使其輸出的流量和流量閥所控制的流量相適應。

    調速回路的基本要求是：在一定的范圍內調節執行元件的速度，滿足要求的最大速比；提供驅動執行元件所需的力或轉矩；負載變化時，速度穩定不變或在允許的范圍內變化，即液壓系統具有足夠的速度剛性；功率損失要小。

    1．節流調速回路

    節流調速回路根據流量控制閥在回路的位置不同可分為進口節流、出口節流和旁路節流三種；根據流量控制閥的類型不同可分為普通節流閥的節流調速回路和調速閥的節流調速回路。

    (1)普通節流閥的節流調速回路

    ①進口節流調速回路

    a．油路組成及調速原理。進口節流調速回路主要由定量泵、溢流閥、節流閥、執行元件——液壓缸等組成，節流閥裝在液壓缸的進油路上，即串聯在定量泵和液壓缸之間，溢流閥與其并聯成一溢流支路，如圖X(a)所示。

    通過調節節流閥的閥口大小（即其通流面積），則改變了并聯支路的油流分配（如調小節流閥閥口時，將減小進口油路的流量，增大溢流支路的溢流量），也就改變了進入液壓缸的流量，從而調節執行元件的運動速度。必須注意，在這種調速回路，節流閥和溢流閥合在一起才起調速作用，因為定量泵多余的油液須通過溢流閥流回油箱。由于溢流閥有溢流，泵的出口壓力就是溢流閥的調整壓力，并基本保持定值。

    b．性能特點

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

    當液壓缸在穩定工作時（即液壓缸克服外負載力F作等速運動時），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、回油腔的壓力。

    由于回油腔通油箱，不計管路的壓力損失時，p2可視為零，則

                           p₁ =F/A₁                            (7-2)

    節流閥前后壓力差為

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

    液壓泵的供油壓力p_p由溢流閥調定后基本不變，因此節流閥前后壓差△p將隨負載F的變化而變化。

    根據節流閥的流量特性方程，通過節流閥的流量為

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

式中Av——節流閥閥口的通流面積。

    則活塞的運動速度為

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

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

    由圖X(b)和式(7-5)可知，當其他條件不變時，活塞的運動速度v與節流閥的通流面積A_v成正比，故調節A_v就可調節液壓缸的速度。由于薄壁小孔節流閥的最小穩定流量很小，故可得到較低的穩定速度。這種調速回路的調速范圍（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，當節流閥的通流面積A_v一定時，隨著負載F的增加，節流閥兩端壓差減小，活塞的運動速度v按拋物線規律下降。通常負載變化對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載特性曲線上某點切線斜率的倒數，斜率越小即曲線越平，速度剛度越大，負載變化對速度的影響越小，速度的穩定性就越好。

    根據速度剛度的定義，則有

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

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

    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，當節流閥通流面積A_v一定時，負載F越小，速度剛度越大；當負載F-定時，節流閥通流面積A_v越小，速度剛度越大；適當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，這種調速回路在低速小負載時的速度剛度較高，但在低速小負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軸上的一點，該點對應的F為最大負載，這說明在p_P調定的情況下，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節無關。因最大負載時缸停止運動，令式(7-5)等于零，得F_max值為

                            F_max=p_PA₁                         (7-8)

    故這種調速方式稱為恒推力調速（執行元件是液壓馬達時為恒扭矩調速）。

    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，這種調速回路的功率損失由溢流損失p_Pq2和節流損失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、負載小時更是如此。