液压基本回路

液压基本回路学习要点:本章主要介绍构成液压系统的基本回路·包括调速回路，调压回路、方向控制回路等。熟悉和掌握这些回路的构成、工作原理和性能，对于正确分析和合理设计液压系统是很重要的。本章所涉及到的基本回路包括速度控制回路、调压回路、同步回路、顺序回路、平衡回路、卸荷回路等。熟悉和掌握这些基本回路的组成、工作原理及应用，是分析、设计和使用液压系统的基础。任何一个液压系统，无论它所要完成的动作有多么复杂，总是由一些基本回路组成的。所谓基本回路，就是由一些液压元件组成，用来完成特定功能的油路结构。如用来调节液压执行元件工作速度的调速回路、用来控制全局或局部压力的调压回路、用来改变执行元件运动方向的换向回路等，这些都是液压系统中常见的基本回路。调速回路调速方法概述在液压系统中往往需要调节液压执行元件的运动速度，以适应主机的工作循环需要。液压系统中的执行元件主要是液压缸和液压马达，其运动速度或转速与输入的流量及自身的几何参数有关。在不考虑油液压缩性和泄漏的情况下，液压缸的速度v=q/A液压马达的转速n=q/VM式中q——输入液压缸或液压马达的流量；A——液压缸的有效面积；VM——液压马达的排量。速度v=q/A液压马达的转速n=q/VM由以上两式可以看出，要调节或控制液压缸和液压马达的工作速度，可以通过改变进入执行元件的流量来实现，也可以通过改变执行元件的几何参数来实现。对于确定的液压缸来说，通过改变其有效作用面积A来调速是不现实的，一般只能用改变输入液压缸流量的方法来调速。对变量马达来说，既可以用改变输入流量的办法来调速，也可以通过改变马达排量的方法来调速。目前常用的调速回路主要有以下几种：(1)节流调速回路,(2)容积调速回路,(3)容积节流调速回路(联合调速)。节流调速回路节流调速回路的工作原理是用定量泵供油，通过改变回路中流量控制元件(节流阀和调速阀)通流截面积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量，以调节其运动速度。根据流量阀在回路中的位置不同，分为进油节流调速回路、回油节流调速回路和旁路节流调速三种。进油路节流调速回路如图，将节流阀串联在液压泵和液压缸之间，用它来控制进入液压缸的流量，从而达到调速的目的，称为进油路节流调速回路。在这种回路中，定量泵输出的多余流量通过溢流阀流回油箱。由于溢流阀有溢流，泵的出口压力pP为溢流阀的调定压力并保持定值，这是进油节流调速回路能够正常工作的条件。进油路节流调速回路(1)速度负载特性•于是活塞受力方程为:式中F——外负载力；p2—液压缸回油腔压力，当回油腔通油箱时，p2=0。•于是进油路上通过节流阀的流量方程为：由该式可知，液压缸活塞的运动速度和节流阀节流口的通流面积AT成正比。调节AT可实现无级调速，这种回路的调速范围较大(速比最高可达100)。当AT调定后，速度随负载的增大而减小。选用不同的AT值，可做出一组速度-负载(V-F)特性曲线图，如图所示。速度-负载特性曲线表明液压缸运动速度随负载变化的规律，曲线越陡，说明负载变化对速度的影响越大，即速度刚性差。由式和图还可看出，当节流阀通流面积AT一定时，重载区域比轻载区域的速度刚性差;在相同负载条件下，节流阀通流面积大的比小的速度刚性差，即速度高时速度刚性差。所以这种调速回路适用于低速、轻载的场合。•不论节流阀通流面积如何变化，当F=pPAT时，节流阀两端压差为零，没有流体通过节流阀，活塞也就停止运动，此时液压泵的全部流量经溢流阀流回油箱。回路的最大承载能力即为Fmax=pPA1。(2)最大承载能力(3)功率特性液压泵的输出功率为而液压缸输出的有效功率为所以该回路的功率损失为式中，qy为通过溢流阀的溢流量。•由式可知，进油路节流调速回路的功率损失由两部分组成：溢流功率损失和节流功率损失。回路的输出功率与回路的输入功率之比定义为回路的效率。进油路节流调速回路的回路效率为：在工作中液压泵的输出流量和供油压力不变。而液压泵的流量必须按执行元件的最高速度所需流量选择，供油压力按最大负载情况下所需压力考虑，因此泵的输出功率较大。但液压缸的速度和负载却常常是变化的，当系统以低速、轻载工作时，液压缸输出的有效功率很小，而相当大的功率消耗在节流损失和溢流损失上。故这种调速回路的效率较低，当负载恒定或变化很小时，η可达0.2一0.6;当负载变化时，回路的效率η0.385。低效率导致温升和泄漏增加，进一步影响了速度的稳定性和效率。2·回油节流调速回路将节流阀串联在液压缸的回油路上，由节流阀控制液压缸的排油量来实现速度调节。进入液压缸的流量受到回油路上排出流量的限制，因此用节流阀来调节液压缸的排油量，也就调节了进入液压缸的流量。定量泵输出的多余油液仍经溢流阀流回油箱，溢流阀的调整压力基本稳定(定压)。(1)速度-负载特性。类似于进油节流调速的推导过程，由液压缸活塞的力平衡万程和节流阀的流量方程，进而可得液压缸的速度-负载特性方程为回油节流调速和进油节流调速的速度-负载特性及速度刚性基本相同。若液压缸两腔的有效面积相同(双出杆液压缸)，即A1=A2，那么两种节流调速回路的速度-负载特性和速度刚度完全一样。进油节流调速的速度负载方程(2)最大承载能力回油节流调速的最大承载能力与进油节流调速相同，即FMAX=PPA1。(3)功率和效率。液压泵的输出功率与进油节流调速相同，即Pp=ppqp，且等于常数;液压缸的输出功率为:所以该回路的功率损失为:式中，ppqy溢流功率损失;Δpq2为节流功率损失;回路的效率为当使用同一个液压缸和同一个节流阀，而负载F和活塞运动速度V相同时,进油节流调速回路的效率和回油节流调速回路的效率相同。但是，在回油节流调速回路中，液压缸工作腔和回油腔的压力都比进油节流调速路高，特别是在负载变化大(尤其是当F=0)时，回轴腔的背压有可能比液压泵的供油压力还要高，这样会使节流功率损失大大提高，且加大泄漏，因而其效率实际上比进油调速回路低。•虽然进油路和回油路节流调速的速度负载特性公式形式相似，功率特性相同，但它们在以下几方面的性能有明显差别，在选用时应加以注意。•(1)承受负值负载的能力所谓负值负载就是作用力的方向与执行元件的运动方向相同的负载。回油节流调速的节流阀在液压缸的回油腔能形成一定的背压，能承受一定的负值负载；对于进油节流调速回路，要使其能承受负值负载就必须在执行元件的回油路上加上背压阀、这必然会导致增加功率消耗，增大油液发热量。•(2)运动平稳性回油节流调速回路由于回油路上存在背压，运动平稳性好。进油节流调速回路在不加背压阀时不具备这种特点。•(3)油液发热对回路的影响进油节流调速回路中，通过节流阀产生的节流功率损失转变为热量，一部分由元件散发出去，另一部分使油液温度升高，直接进入液压缸，会使缸的内外泄漏增加，速度稳定性不好，而回油节流调速回路油液经节流阀温升后，直接回油箱，经冷却后再进入系统，对系统泄漏影响较小。•(4)启动性能回油节流调速回路中若停车时间较长，液压缸回油腔的油液会泄漏回油箱，重新启动时背压不能立即建立，会引起瞬间工作机构的前冲现象。对于进油节流调速，只要在开车时关小节流阀即可避免启动冲击。•综上所述，进油路、回油路节流调速回路结构简单，价格低廉，但效率较低，只宜用在负载变化不大，低速、小功率场合，。•注意：进、回油节流调速回路中溢流阀常开，起溢流作用8.2.2.3旁油路节流调速回路•把节流阀装在与液压缸并联的支路上，利用节流阀把液压泵供油的一部分排回油箱实现速度调节的回路，称为旁油路节流调速回路。•在这个回路中，由于溢流功能由节流阀来完成，故正常工作时，溢流阀处于关闭状态，溢流阀作安全阀用，其调定压力为最大负载压力的1.1～~1.2倍，液压泵的供油压力pP取决于负载。进入液压缸的流量q1:(1)速度-负载特性式中，qt为泵的理论流量;kl为泵的泄漏系数;其他符号意义同前。所以液压缸的速度-负载特性方程为选取不同的F值可作出一组速度-负载特性曲线，如图所示当节流阀通流面积一定而负载增加时，速度显著下降:但当负载一定时，节流阀通流面积越小(即活塞运动速度高)，速度刚度越大，因而该回路适用于高速、重载的场合。(2)最大承载能力。由图可知，其最大承载能力随节流阀通流面积的增加而减小，即旁路节流调速回路的低速承载能力很差，调速范围也小。(3)功率与效率旁路节流调速回路只有节流损失而无溢流损失，泵的输出压力随负载而变化，即节流损失和输入功率随负载而变化，所以比前两种调速回路的效率高。旁路节流调速回路只适用于高速、重载和对速度平稳性要求不高的较大功率的系统中，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。•使用节流阀的节流调速回路，速度受负载变化的影响比较大，亦即速度负载特性比较软，变载荷下的运动平稳性比较差。为了克服这个缺点，回路中的节流阀可用调速阀来代替。由于调速阀本身能在负载变化的条件下保证节流阀进出油口间的压强差基本不变，因而使用调速阀后，节流调速回路的速度负载特性将得到改善。但所有性能上的改进都是以加大流量控制阀的工作压差，亦即增加泵的供油压力为代价的。调速阀的工作压差一般最小需0.5MPa，高压调速阀需1.0MPa左右。8.2.3容积调速回路•容积调速回路可用变量泵供油，根据需要调节泵的输出流量，或应用变量液压马达，调节其每转排量以进行调速，也可以采用变量泵和变量液压马达联合调速。容积调速回路的主要优点是没有节流调速时通过溢流阀和节流阀的溢流功率损失和节流功率损失。所以发热少，效率高，适用于功率较大，并需要有一定调速范围的液压系统中。•容积调速回路按所用执行元件的不同，分为泵—缸式回路(一般为开式回路)和泵—马达式回路（可做成闭式回路）。这里主要介绍泵—马达式容积调速回路。按油路的循环方式不同:可以分为开式回路和闭式回路。开式回路:液压泵从油箱吸油后输入执行元件，执行元件排出的油液直接回油箱，油液在油箱中能得到充分冷却，但油箱体积较大，空气和脏物易侵入回路。闭式回路:执行元件的回油直接与泵的吸油腔相连，结构紧凑，只需很小的补油箱，空气和脏物不易侵入回路，但油液的冷却条件差，需附设辅助泵补油、冷却和换油。回路的分类按所用执行元件的不同:变量泵和定量液压执行元件定量泵和变量马达变量泵和变量马达回路的分类左图执行元件为液压缸。变量泵和定量液压执行元件的容积调速回路式中：qt为变量泵的理论流量;kl为变量泵的泄漏系数;其余符号的意义同前。活塞运动速度为：将上式按不同的qt值作图，可得一组平行直线，如图所示。这种回路在低速下的承载能力是很差的。执行元件为液压马达该回路是闭式回路。液压泵转速np和液压马达排量qM均为定值，故调节变量泵的排量qp即可对马达的转速nM和输出功率PM进行调节。当负载转矩恒定时，马达的输出转矩和回路的工作压力p都恒定不变，不会因调速而发生变化，故又称为恒转矩调速，而马达的输出功率与转速成正比例关系变化。调速特性溢流阀在这种调速回路中，由于液压泵的输出流量为常数，当负载功率恒定时，马达输出功率PM和回路工作压力p都由负载功率决定，也都恒定不变，不会因调速而发生变化，所以这种回路为恒功率调速回路。定量泵和变量马达的容积调速回路回路调速范围很小，且不能用来使马达实现平稳的反向,所以这种回路目前已很少单独使用;调节补油压力的溢流阀变量泵和变量马达的容积调速回路如图是双向变量泵和双向变量马达的容积调速回路。变量泵1正向或反向供油，马达即正向或反向旋转。单向阀6和8用于使辅助泵4能双向补油，单向阀7和9使安全阀3在两个方向都能起过载保护作用。由于泵和马达的排量均可改变，故扩大了调速范围，并扩大了液压马达转矩和功率输出的选择余地。变量泵和变量马达的容积调速回路在低速范围内调速时;先将液压马达的排量调为最大(使马达能获得最大输出转矩);然后改变泵的排量，使其从小到大逐渐增加，直至达到最大排量，液压马达转速也随之升高。在此过程中，马达的最大转矩不变，而输出功率随之线性增加，这一阶段为恒转矩调速。调速一般分为两段进行变量泵和变量马达的容积调速回路高速阶段，若要进一步加大液压马达的转速，将泵的排量固定在最大