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速度控制器的調速回路
點擊次數：1042 發布時間：2016-11-22
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nm=q/Vm(Vm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 (Vm)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Vm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zui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；
pl，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=pp-p1=pp-F/A1 (7-3)
液壓泵的供油壓力pp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=KAv(△p)m=KAV（pP-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=KAv/A1(pP-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Av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Av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Av成正比，故調節Av就可調節液壓缸的速度。由于薄壁小孔節流閥的zui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（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，當節流閥的通流面積Av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Tv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
Tv=-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Tv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
Tv=A²1/KAvm(pP-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Av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Av越小，速度剛度越大；適當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．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軸上的一點，該點對應的F為zui大負載，這說明在pP調定的情況下，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節無關。因zui大負載時缸停止運動，令式(7-5)等于零，得Fmax值為
Fmax=pPA1 (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 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，這種調速回路的功率損失由溢流損失pPq2和節流損失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、負載小時更是如此。
②出口節流調速回路
a.油路組成及調速原理這種調速回路和進口節流調速回路的組成相同，只是將節流閥串聯在液壓缸的回油路上，如圖Y所示，借助節流閥控制液壓缸的排油量q2實現速度調節。由于進入液壓缸的流量q1受到回油路上排油量q2的限制，因此用節流閥來調節液壓缸排油量q2，也就調節了進油量q1。定量泵多余的油液經溢流閥流回油箱。
b.性能特點
i.速度-負載特性。如圖Y所示，其受力平衡方程式為
p1A1=p2A2+F (7-11)
節流閥前后壓差為
△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。
通過節流閥的流量為
q2 =KAv(△p)m=KAv-/nm（pP-F/A1）m (7-13)
則活塞的運動速度為
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)，出口節流調速比進口節流調速僅多一個常系數nm+l，所以其速度一負載特性和速度剛度與進口節流調速相似。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載特性和速度剛度的公式*相同。
ii．通過以上分析可知，兩者在速度一負載特性、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、小流量和負載變化不大的液壓系統。
c．進、出口節流調速回路的比較上述分析表明，進、出口節流調速回路在速度一負載特性、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，應注意兩者在以下幾方面的明顯差別。
i．承受負值負載的能力及運動平穩性。所謂負值負載（即超越負載）是指負載作用力的方向和執行元件運動方向相同，如銑床的順銑等工況下工作時均屬負值負載。出口節流調速回路中由于在回油路上有節流閥，形成局部阻力，使液壓缸回油腔產生背壓，而且運動速度越快，液壓缸的背壓也越高，背壓力就形成了一個阻尼力。由于這個阻尼力的存在，在負值負載作用下，液壓缸的速度仍受到限制；不會產生速度失控現象，即運動的平穩性較好；而進口節流調速回路中回油腔無背壓，在負值負載作用下，執行元件被拉了向前運動，由予前腔中液體不能承受拉力，將使活塞運動速度失去控制，故進口節流調速回路不能承受負值負載（如果要使進口節流調速回路承受負值負載，需在回油路上加背壓閥），且當負載突然減小時，因無背壓將產生突然快進的前沖現象，所以這種回路的運動平穩性差。
ii．回油腔壓力。出口節流調速回路中回油腔壓力較高，特別是在輕載時，回油腔壓力有可能比迸油腔壓力還要高。這樣就會使密封摩擦力增加，降低密封件壽命，并使泄漏增加、效率降低。
ii油液發熱對泄漏的影響。油液流經節流閥時會產生能量損失并且發熱。在出日節流調速回路中油液是經節流閥回油箱，通過油箱散熱冷卻后再重新進入泵和液壓缸，因此對液壓缸的泄漏、穩定性等無影響；而在進口節流調速回路中，經節流閥后發熱的油液直接進入液壓缸，因此會影響液壓缸的泄漏，從而影響容積效率和速度的穩定性。
iv.啟動時的前沖。在出口節流調速回路中，若停車時間較長，液壓缸回油腔中要漏掉部分油液，形成空隙。重新啟動時，液壓泵全部流量進入液壓缸，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。這種啟動時的前沖現象可能會損壞機件。但對于進口節流調速回路，只要在啟動時關小節流閥，就能避免前沖。
V.實現壓力控制的難易。進口節流調速回路較易實現壓力控制，因為當工作部件在行程終點碰到死擋塊（或壓緊工件）以后，缸的進油腔油壓會上升到某一數值，利用這個壓力變化，可使并接于此處的壓力繼電器發出電氣信號，對系統的下一步動作（例如另一液壓缸的運動）實現控制。而在出口節流調速時，進油腔壓力沒有變化，不易實現壓力控制。雖然在工作部件碰死擋塊后，缸的回油腔壓力下降為零，可以利用這個變化值使壓力繼電器實現降壓發信，但電氣控制線路比較復雜，且可靠性也不高。
③旁路節流調速回路
a．油路組成及調速原理圖Z (a)所示為節流閥的旁路節流調速回路，這種回路與進、出口節流調速回路的組成相同，主要區別是將節流閥安裝在與液壓缸并聯的迸油支路上，此時回路中的溢流閥作安全閥用，正常工作時處于常閉狀態。
其調速原理為：定量泵輸出的流量qP，其中一部分流量q3通過節流閥流回油箱，另一部分q1進入液壓缸，推動活塞運動。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，調節通過節流閥的流量q3，就間接地調節了進入液壓缸的流量q1，也就調節了活塞的運動速度v。這里，液壓泵的供油壓力pP(在不考慮路損失時）等于液壓缸進油腔的工作壓力p1，其大小決定于負載F；安全閥的調定壓力應大于zui大的工作壓力，它僅在回路過載時才打開。
b．性能特點
i．速度-負載特性。這種回路的速度一負載特性用上述同樣的分析方法求得活塞的運動速度為
v=q1/A1=qpt/A1-kpF/A1²-KAv/A1(F/A1)m (7-16)
此為旁路節流調速回路的速度一負載特性，對應的速度一負載特性曲線如圖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：當節流閥的通流面積Av一定而負載增加時，速度明顯下降；當節流閥的通流面積一定時，負載越大，速度剛度越大；當負載一定時，節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，旁路節流調速回路在速度較高、負載大時，速度剛度相對較高，這與前兩種調速回路正好相反。應當注意，在這種調速回路中，速度穩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。當負載增大，工作壓力增加時，泵的泄漏量增加，使進入液壓缸的流量q1相對減少，活塞速度降低。由于泵的泄漏比液壓缸和閥的要大得多，所以它對活塞運動速度的影響就不能忽略。因此旁路節流調速回路的速度穩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，旁路節流調速回路能承受的zui大負載Fmax隨著活塞運動速度的降低而減少。zui大負載值可在式(7-16)中令v=o時得到。這時液壓泵的全部流量qp都經節流閥流回油箱。著繼續增大節流閥的通流面積已不起調節作用，只能使系統壓力降低，其zui大承載能力也隨之下降。因此，這種調速回路的zui大承載能力在低速時低，調速范圍也較小。
叭功率和效率。旁路節流調速回路只有節流損失而無溢流損失，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。
但是旁路節流調速回路速度一負載特性較差，一般只用在功率較大、對速度穩定性要求很低的場合，如牛頭刨床主運動系統、輸送機械液壓系統等。
(2)采用調速閥的節流調速回路
由前面分析可知，采用節流閥的上述三種調速回路都存在著相同的問題：由于負載的變化引起節流閥前、后壓差的變化，導致執行元件的速度也相應地發生變化，即速度穩定性差。所以在負載變化較大而又要求速度穩定時，這些調速回路就不能滿足要求。為使速度穩定，就要使節流閥前、后壓差在負載變化的情況下保持不變。如果用調速閥代替回路中的節流閥，由于調速閥在其進口或出口壓力變化的情況下，調速閥中的減壓閥能自動調節其開口的大小，使調速閥中的節流閥前后壓差不受負載變化的影響，基本保持不變。即在負載變化的情況下，通過調速閥的流量基本不變，因而可以大大提高回路的速度剛度、改善速度的穩定性。這就是采用調速閥的節流調速回路。
圖7-27所示為采用調速閥的進口、出口和旁路節流調速回路的速度一負載曲線，實線是采用調速閥的，點畫線是采用節流閥的。從速度一負載特性曲線來看，在調速閥正常工作范圍內，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流口變化的影響，速度的穩定性也得以改善。
不過，這些性能上的改善是以加大整個流量控制閥的工作壓差為代價的，必須保證調速閥工作壓差zui少要為0.5MPa，否則調速閥的減壓閥不起作用，僅相當于節流閥。從速度負載特性曲線上看，即實線與點畫線重合的部分。
在采用調速閥的調速回路中，雖然解決了速度穩定性問題，但由于調速閥中包含了減壓閥和節流閥的功率損失，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流閥的相應的節流調速回路還要大些。調速閥的節流調速回路在機床的中、低壓小功率系統中有廣泛的應用。