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速度控制器的調(diào)速回路
點(diǎn)擊次數(shù)：1041 發(fā)布時(shí)間：2016-11-22
一、調(diào)速回路
調(diào)速回路是用來(lái)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nm=q/Vm(Vm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(guò)改變q或A (Vm)來(lái)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Vm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(lái)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(lái)調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又通過(guò)變量泵的自身調(diào)節(jié)過(guò)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zui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(guò)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^(guò)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(lái)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(wú)桿腔、有桿腔的有效工作面積；
pl，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=pp-p1=pp-F/A1 (7-3)
液壓泵的供油壓力pp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(guò)節(jié)流閥的流量為
q1=KAv(△p)m=KAV（pP-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=KAv/A1(pP-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Av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Av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Av成正比，故調(diào)節(jié)Av就可調(diào)節(jié)液壓缸的速度。由于薄壁小孔節(jié)流閥的zui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（zui高速度和zui低速度之比）大，一般可大于100。威斯特
由圖X(b)和式(7-5)還可知，當(dāng)節(jié)流閥的通流面積Av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Tv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
Tv=-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Tv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
Tv=A²1/KAvm(pP-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Av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Av越小，速度剛度越大；適當(dāng)增加液壓缸的有效工作面積Av和提高液壓泵的供油壓力pP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．zui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zui大負(fù)載，這說(shuō)明在pP調(diào)定的情況下，不論Av如何變化，液壓缸的zui大承載能力Fmax是不變的，即zui大承載能力與速度調(diào)節(jié)無(wú)關(guān)。因zui大負(fù)載時(shí)缸停止運(yùn)動(dòng)，令式(7-5)等于零，得Fmax值為
Fmax=pPA1 (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 Pp =pPqP=常量
液壓缸輸出的有效功率為 Pl=Fv=F(ql/A1)=p1ql
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 =Pp-P1=pPqP-p1q1
=pP(ql+q3)-(pP-△p)q1
=pPq3+△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pPq2和節(jié)流損失Δpq1兩部分組成。
而回路的效率η為
η=P1/Pp =p1q1/pPqP (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。
②出口節(jié)流調(diào)速回路
a.油路組成及調(diào)速原理這種調(diào)速回路和進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路的組成相同，只是將節(jié)流閥串聯(lián)在液壓缸的回油路上，如圖Y所示，借助節(jié)流閥控制液壓缸的排油量q2實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。由于進(jìn)入液壓缸的流量q1受到回油路上排油量q2的限制，因此用節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)液壓缸排油量q2，也就調(diào)節(jié)了進(jìn)油量q1。定量泵多余的油液經(jīng)溢流閥流回油箱。
b.性能特點(diǎn)
i.速度-負(fù)載特性。如圖Y所示，其受力平衡方程式為
p1A1=p2A2+F (7-11)
節(jié)流閥前后壓差為
△p=p2=（pP-F/A1）=1/n（pP-F/A1） (7-12)
式中，n為活塞兩腔的工作面積比，n=A2/A1。
通過(guò)節(jié)流閥的流量為
q2 =KAv(△p)m=KAv-/nm（pP-F/A1）m (7-13)
則活塞的運(yùn)動(dòng)速度為
v=q2/A2=KAv/A2nm(pP-E/A1)m=KAv/A1nm+1(pP-F/A1)m (7-14)
速度剛度為
Tv=
(pP-F/A1)1-m (7-15)
比較式(7-7)與式(7-15)，出口節(jié)流調(diào)速比進(jìn)口節(jié)流調(diào)速僅多一個(gè)常系數(shù)nm+l，所以其速度一負(fù)載特性和速度剛度與進(jìn)口節(jié)流調(diào)速相似。如果都使用的是雙活塞桿液壓缸(n=1)，則兩種回路的速度一負(fù)載特性和速度剛度的公式*相同。
ii．通過(guò)以上分析可知，兩者在速度一負(fù)載特性、zui大承載能力及功率特性等方面是相同的，它們通常都適用于低壓、小流量和負(fù)載變化不大的液壓系統(tǒng)。
c．進(jìn)、出口節(jié)流調(diào)速回路的比較上述分析表明，進(jìn)、出口節(jié)流調(diào)速回路在速度一負(fù)載特性、承載能力和效率等方面性是相同的。但在選用這兩種回路時(shí)，應(yīng)注意兩者在以下幾方面的明顯差別。
i．承受負(fù)值負(fù)載的能力及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。所謂負(fù)值負(fù)載（即超越負(fù)載）是指負(fù)載作用力的方向和執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向相同，如銑床的順銑等工況下工作時(shí)均屬負(fù)值負(fù)載。出口節(jié)流調(diào)速回路中由于在回油路上有節(jié)流閥，形成局部阻力，使液壓缸回油腔產(chǎn)生背壓，而且運(yùn)動(dòng)速度越快，液壓缸的背壓也越高，背壓力就形成了一個(gè)阻尼力。由于這個(gè)阻尼力的存在，在負(fù)值負(fù)載作用下，液壓缸的速度仍受到限制；不會(huì)產(chǎn)生速度失控現(xiàn)象，即運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性較好；而進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中回油腔無(wú)背壓，在負(fù)值負(fù)載作用下，執(zhí)行元件被拉了向前運(yùn)動(dòng)，由予前腔中液體不能承受拉力，將使活塞運(yùn)動(dòng)速度失去控制，故進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路不能承受負(fù)值負(fù)載（如果要使進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路承受負(fù)值負(fù)載，需在回油路上加背壓閥），且當(dāng)負(fù)載突然減小時(shí)，因無(wú)背壓將產(chǎn)生突然快進(jìn)的前沖現(xiàn)象，所以這種回路的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差。
ii．回油腔壓力。出口節(jié)流調(diào)速回路中回油腔壓力較高，特別是在輕載時(shí)，回油腔壓力有可能比迸油腔壓力還要高。這樣就會(huì)使密封摩擦力增加，降低密封件壽命，并使泄漏增加、效率降低。
ii油液發(fā)熱對(duì)泄漏的影響。油液流經(jīng)節(jié)流閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損失并且發(fā)熱。在出日節(jié)流調(diào)速回路中油液是經(jīng)節(jié)流閥回油箱，通過(guò)油箱散熱冷卻后再重新進(jìn)入泵和液壓缸，因此對(duì)液壓缸的泄漏、穩(wěn)定性等無(wú)影響；而在進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中，經(jīng)節(jié)流閥后發(fā)熱的油液直接進(jìn)入液壓缸，因此會(huì)影響液壓缸的泄漏，從而影響容積效率和速度的穩(wěn)定性。
iv.啟動(dòng)時(shí)的前沖。在出口節(jié)流調(diào)速回路中，若停車時(shí)間較長(zhǎng)，液壓缸回油腔中要漏掉部分油液，形成空隙。重新啟動(dòng)時(shí)，液壓泵全部流量進(jìn)入液壓缸，使活塞以較快速度前沖一段距離，直到消除回油腔中的空隙并形成背壓為止。這種啟動(dòng)時(shí)的前沖現(xiàn)象可能會(huì)損壞機(jī)件。但對(duì)于進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路，只要在啟動(dòng)時(shí)關(guān)小節(jié)流閥，就能避免前沖。
V.實(shí)現(xiàn)壓力控制的難易。進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路較易實(shí)現(xiàn)壓力控制，因?yàn)楫?dāng)工作部件在行程終點(diǎn)碰到死擋塊（或壓緊工件）以后，缸的進(jìn)油腔油壓會(huì)上升到某一數(shù)值，利用這個(gè)壓力變化，可使并接于此處的壓力繼電器發(fā)出電氣信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的下一步動(dòng)作（例如另一液壓缸的運(yùn)動(dòng)）實(shí)現(xiàn)控制。而在出口節(jié)流調(diào)速時(shí)，進(jìn)油腔壓力沒(méi)有變化，不易實(shí)現(xiàn)壓力控制。雖然在工作部件碰死擋塊后，缸的回油腔壓力下降為零，可以利用這個(gè)變化值使壓力繼電器實(shí)現(xiàn)降壓發(fā)信，但電氣控制線路比較復(fù)雜，且可靠性也不高。
③旁路節(jié)流調(diào)速回路
a．油路組成及調(diào)速原理圖Z (a)所示為節(jié)流閥的旁路節(jié)流調(diào)速回路，這種回路與進(jìn)、出口節(jié)流調(diào)速回路的組成相同，主要區(qū)別是將節(jié)流閥安裝在與液壓缸并聯(lián)的迸油支路上，此時(shí)回路中的溢流閥作安全閥用，正常工作時(shí)處于常閉狀態(tài)。
其調(diào)速原理為：定量泵輸出的流量qP，其中一部分流量q3通過(guò)節(jié)流閥流回油箱，另一部分q1進(jìn)入液壓缸，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。如果流量q3增多，流量q1就減少，活塞的速度就慢；反之，活塞的速度就快。因此，調(diào)節(jié)通過(guò)節(jié)流閥的流量q3，就間接地調(diào)節(jié)了進(jìn)入液壓缸的流量q1，也就調(diào)節(jié)了活塞的運(yùn)動(dòng)速度v。這里，液壓泵的供油壓力pP(在不考慮路損失時(shí)）等于液壓缸進(jìn)油腔的工作壓力p1，其大小決定于負(fù)載F；安全閥的調(diào)定壓力應(yīng)大于zui大的工作壓力，它僅在回路過(guò)載時(shí)才打開(kāi)。
b．性能特點(diǎn)
i．速度-負(fù)載特性。這種回路的速度一負(fù)載特性用上述同樣的分析方法求得活塞的運(yùn)動(dòng)速度為
v=q1/A1=qpt/A1-kpF/A1²-KAv/A1(F/A1)m (7-16)
此為旁路節(jié)流調(diào)速回路的速度一負(fù)載特性，對(duì)應(yīng)的速度一負(fù)載特性曲線如圖Z(b)所示。
因而速度剛度為
Tv=
(7-17)
由圖Z(a)和式(7-17)可以得出：當(dāng)節(jié)流閥的通流面積Av一定而負(fù)載增加時(shí)，速度明顯下降；當(dāng)節(jié)流閥的通流面積一定時(shí)，負(fù)載越大，速度剛度越大；當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，節(jié)流閥的通流斷面積越小，速度剛度越大；增大活塞面積可提高速度剛度。
可見(jiàn)，旁路節(jié)流調(diào)速回路在速度較高、負(fù)載大時(shí)，速度剛度相對(duì)較高，這與前兩種調(diào)速回路正好相反。應(yīng)當(dāng)注意，在這種調(diào)速回路中，速度穩(wěn)定性除受液壓缸和閥的泄漏影響外，還受液壓泵泄漏的影響。當(dāng)負(fù)載增大，工作壓力增加時(shí)，泵的泄漏量增加，使進(jìn)入液壓缸的流量q1相對(duì)減少，活塞速度降低。由于泵的泄漏比液壓缸和閥的要大得多，所以它對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)速度的影響就不能忽略。因此旁路節(jié)流調(diào)速回路的速度穩(wěn)定性比前兩種回路還要差。
ii．zui大承載能力。由圖7-26(b)可看出，旁路節(jié)流調(diào)速回路能承受的zui大負(fù)載Fmax隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的降低而減少。zui大負(fù)載值可在式(7-16)中令v=o時(shí)得到。這時(shí)液壓泵的全部流量qp都經(jīng)節(jié)流閥流回油箱。著繼續(xù)增大節(jié)流閥的通流面積已不起調(diào)節(jié)作用，只能使系統(tǒng)壓力降低，其zui大承載能力也隨之下降。因此，這種調(diào)速回路的zui大承載能力在低速時(shí)低，調(diào)速范圍也較小。
叭功率和效率。旁路節(jié)流調(diào)速回路只有節(jié)流損失而無(wú)溢流損失，液壓泵的輸出功率隨著工作壓力P1的增減而增減。因而回路的效率比前兩種回路要高。
但是旁路節(jié)流調(diào)速回路速度一負(fù)載特性較差，一般只用在功率較大、對(duì)速度穩(wěn)定性要求很低的場(chǎng)合，如牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、輸送機(jī)械液壓系統(tǒng)等。
(2)采用調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路
由前面分析可知，采用節(jié)流閥的上述三種調(diào)速回路都存在著相同的問(wèn)題：由于負(fù)載的變化引起節(jié)流閥前、后壓差的變化，導(dǎo)致執(zhí)行元件的速度也相應(yīng)地發(fā)生變化，即速度穩(wěn)定性差。所以在負(fù)載變化較大而又要求速度穩(wěn)定時(shí)，這些調(diào)速回路就不能滿足要求。為使速度穩(wěn)定，就要使節(jié)流閥前、后壓差在負(fù)載變化的情況下保持不變。如果用調(diào)速閥代替回路中的節(jié)流閥，由于調(diào)速閥在其進(jìn)口或出口壓力變化的情況下，調(diào)速閥中的減壓閥能自動(dòng)調(diào)節(jié)其開(kāi)口的大小，使調(diào)速閥中的節(jié)流閥前后壓差不受負(fù)載變化的影響，基本保持不變。即在負(fù)載變化的情況下，通過(guò)調(diào)速閥的流量基本不變，因而可以大大提高回路的速度剛度、改善速度的穩(wěn)定性。這就是采用調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路。
圖7-27所示為采用調(diào)速閥的進(jìn)口、出口和旁路節(jié)流調(diào)速回路的速度一負(fù)載曲線，實(shí)線是采用調(diào)速閥的，點(diǎn)畫線是采用節(jié)流閥的。從速度一負(fù)載特性曲線來(lái)看，在調(diào)速閥正常工作范圍內(nèi)，速度剛度得到了極大的提高，其zui大承載能力也將不再受節(jié)流口變化的影響，速度的穩(wěn)定性也得以改善。
不過(guò)，這些性能上的改善是以加大整個(gè)流量控制閥的工作壓差為代價(jià)的，必須保證調(diào)速閥工作壓差zui少要為0.5MPa，否則調(diào)速閥的減壓閥不起作用，僅相當(dāng)于節(jié)流閥。從速度負(fù)載特性曲線上看，即實(shí)線與點(diǎn)畫線重合的部分。
在采用調(diào)速閥的調(diào)速回路中，雖然解決了速度穩(wěn)定性問(wèn)題，但由于調(diào)速閥中包含了減壓閥和節(jié)流閥的功率損失，并且同樣存在著溢流閥的功率損失，所以此回路的功率損失比采用節(jié)流閥的相應(yīng)的節(jié)流調(diào)速回路還要大些。調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路在機(jī)床的中、低壓小功率系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。