速度控制回路
一、調(diào)速回路
調(diào)速回路是用來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運動速度的??蓮膱?zhí)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(zhuǎn)速為nm=q/Vm(Vm為液壓馬達的排量),那么改變運動速度(轉(zhuǎn)速)可通過改變q或A (Vm)來實現(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。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的排量來實現(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。其特點是由流量控制閥改變輸入或流出執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度,同時又通過變量泵的自身調(diào)節(jié)過程使其輸出的流量和流量閥所控制的流量相適應。
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,滿足要求的最大速比;提供驅(qū)動執(zhí)行元件所需的力或轉(zhuǎn)矩;負載變化時,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進口節(jié)流調(diào)速回路
a.油路組成及調(diào)速原理。進口節(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。
通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的閥口大?。雌渫髅娣e),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,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(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度。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(diào)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(zhí)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(wěn)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(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將隨負載F的變化而變化。
根據(jù)節(jié)流閥的流量特性方程,通過節(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。
則活塞的運動速度為
v=q1/A1=KAv/A1(pP-F/A1)m (7-5)
此為進口節(jié)流調(diào)速回路的速度一負載特性,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隨負載F的變化關(guān)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(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)流閥的最小穩(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(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(jié)流閥的通流面積Av一定時,隨著負載F的增加,節(jié)流閥兩端壓差減小,活塞的運動速度v按拋物線規(guī)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(shù),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(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(jié)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(jié)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(diào)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pP調(diào)定的情況下,不論Av如何變化,液壓缸的最大承載能力Fmax是不變的,即最大承載能力與速度調(diào)節(jié)無關(guān)。因最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(diào)速方式稱為恒推力調(diào)速(執(zhí)行元件是液壓馬達時為恒扭矩調(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、負載小時更是如此。