速度控制回路之调速回路

速度控制回路

    一、调速回路

    调速回路是用来调节执行元件运动速度的。可从执行元件运动速度的表达式中寻找改变运动速度的方法。液压缸的速度为v=q/A（q为流量，A为液压缸的工作面积），液压马达的转速为n_m=q/V_m(V_m为液压马达的排量)，那么改变运动速度（转速）可通过改变q或A (V_m)来实现，而工作中面积A改变较难，故合理的调速途径是改变流量g（流量阀或变量泵）和使用排量V_m可变的变量马达。根据上述分析，调速回路有以下三种形式。

    节流调速——采用定量泵供油，依靠流量控制阀调节流人或流出执行元件的流量实现变速。

    容积调速——依靠改变变量泵或改变变量液压马达的排量来实现变速。

    容积节流调速（联合调速）——依靠变量泵和流量控制阕的联合调速。其特点是由流量控制阀改变输入或流出执行元件的流量来调节速度，同时又通过变量泵的自身调节过程使其输出的流量和流量阀所控制的流量相适应。

    调速回路的基本要求是：在一定的范围内调节执行元件的速度，满足要求的最大速比；提供驱动执行元件所需的力或转矩；负载变化时，速度稳定不变或在允许的范围内变化，即液压系统具有足够的速度刚性；功率损失要小。

    1．节流调速回路

    节流调速回路根据流量控制阀在回路的位置不同可分为进口节流、出口节流和旁路节流三种；根据流量控制阀的类型不同可分为普通节流阀的节流调速回路和调速阀的节流调速回路。

    (1)普通节流阀的节流调速回路

    ①进口节流调速回路

    a．油路组成及调速原理。进口节流调速回路主要由定量泵、溢流阀、节流阀、执行元件——液压缸等组成，节流阀装在液压缸的进油路上，即串联在定量泵和液压缸之间，溢流阀与其并联成一溢流支路，如图X(a)所示。

    通过调节节流阀的阀口大小（即其通流面积），则改变了并联支路的油流分配（如调小节流阀阀口时，将减小进口油路的流量，增大溢流支路的溢流量），也就改变了进入液压缸的流量，从而调节执行元件的运动速度。必须注意，在这种调速回路，节流阀和溢流阀合在一起才起调速作用，因为定量泵多余的油液须通过溢流阀流回油箱。由于溢流阀有溢流，泵的出口压力就是溢流阀的调整压力，并基本保持定值。

    b．性能特点

    1．速度一负载特性。速度一负载特性是指执行元件的速度随负载变化而变化的性能。这一性能可用速度一负载特性曲线来描述。

    当液压缸在稳定工作时（即液压缸克服外负载力F作等速运动时），其受力平衡方程式为

                           p₁A₁=p₂A₂+F                         (7-1)

式中  A₁，A₂——液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积；

      p_l，p₂——液压缸进、回油腔的压力。

    由于回油腔通油箱，不计管路的压力损失时，p2可视为零，则

                           p₁ =F/A₁                            (7-2)

    节流阀前后压力差为

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

    液压泵的供油压力p_p由溢流阀调定后基本不变，因此节流阀前后压差△p将随负载F的变化而变化。

    根据节流阀的流量特性方程，通过节流阀的流量为

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

式中Av——节流阀阀口的通流面积。

    则活塞的运动速度为

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

    此为进口节流调速回路的速度一负载特性，它反映了在节流阀通流面积A_v一定的情况下，活塞速度v随负载F的变化关系。若以v为纵坐标，以F为横坐标，以A_v为参变量，则可绘出如图X(b)所示的速度一负载特性曲线。

    由图X(b)和式(7-5)可知，当其他条件不变时，活塞的运动速度v与节流阀的通流面积A_v成正比，故调节A_v就可调节液压缸的速度。由于薄壁小孔节流阀的最小稳定流量很小，故可得到较低的稳定速度。这种调速回路的调速范围（最高速度和最低速度之比）大，一般可大于100。

    由图X(b)和式(7-5)还可知，当节流阀的通流面积A_v一定时，随着负载F的增加，节流阀两端压差减小，活塞的运动速度v按抛物线规律下降。通常负载变化对速度的影响程度用速度刚度T_v表示。所谓速度刚度就是速度负载特性曲线上某点切线斜率的倒数，斜率越小即曲线越平，速度刚度越大，负载变化对速度的影响越小，速度的稳定性就越好。

    根据速度刚度的定义，则有

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

    式中，α表示速度一负载特性曲线上某一点的切线角。因随着负载的增加，速度将下降。为保持T_v为正值，在式(7-6)前加一负号。

    由式(7-5)、式(7-6)可求得速度刚度为

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

    由式(7-7)及图X可以看出，当节流阀通流面积A_v一定时，负载F越小，速度刚度越大；当负载F-定时，节流阀通流面积A_v越小，速度刚度越大；适当增加液压缸的有效工作面积A_v和提高液压泵的供油压力p_P可提高速度刚度。

    由上述分析可知，这种调速回路在低速小负载时的速度刚度较高，但在低速小负载的情况下功率损失较大，效率较低。

    ii．最大承载能力。由图X(b)可以看出，三条（多条也一样）特性曲线交于横坐标轴上的一点，该点对应的F为最大负载，这说明在p_P调定的情况下，不论A_v如何变化，液压缸的最大承载能力F_max是不变的，即最大承载能力与速度调节无关。因最大负载时缸停止运动，令式(7-5)等于零，得F_max值为

                            F_max=p_PA₁                         (7-8)

    故这种调速方式称为恒推力调速（执行元件是液压马达时为恒扭矩调速）。

    iii功率和效率。液压泵的输出功率为  P_p =p_Pq_P=常量

    液压缸输出的有效功率为  P_l=F_v=F(q_l/A₁)=p₁q_l

    回路的功率损失（不考虑液压缸、管路和液压泵上的功率损失）为

△P =P_p-P₁=p_Pq_P-p₁q₁

=p_P(q_l+q₃)-(p_P-△p)q₁

=p_Pq₃+△pq₁                            (7-9)

    从式(7-9)可知，这种调速回路的功率损失由溢流损失p_Pq2和节流损失Δpq₁两部分组成。

    而回路的效率η为

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

    由于两种损失的存在，故回路效率较低，特别是速度低、负载小时更是如此。