第七章液压基本回路 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。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 第一节速度控制回路 速度控制回路是研究液压系统的速度调节和变换问题,常用的速度控制回路有调速回 路、快速回路、速度换接回路等,本节中分别对上述三种回路进行介绍。 调速回路 调速回路的基本原理从液压马达的工作原理可知,液压马达的转速n由输入流量和 液压马达的排量V决定,即n=q/n,液压缸的运动速度v由输入流量和液压缸的有效作用 面积A决定,即v=q/A 通过上面的关系可以知道,要想调节液压马达的转速n或液压缸的运动速度v,可通 过改变输入流量q、改变液压马达的排量V,和改变缸的有效作用面积A等方法来实现。由 于液压缸的有效面积A是定值,只有改变流量q的大小来调速,而改变输入流量q,可以通 过采用流量阀或变量泵来实现,改变液压马达的排量V,可通过采用变量液压马达来实现 因此,调速回路主要有以下三种方式 1)节流调速回路:由定量泵供油,用流量阀调节进入或流岀执行机构的流量来实现调速 2)容积调速回路:用调节变量泵或变量马达的排量来调速; 3)容积节流调速回路:用限压变量泵供油,由流量阀调节进入执行机构的流量,并使变 量泵的流量与调节阀的调节流量相适应来实现调速。此外还可采用几个定量泵并联,按不同 速度需要,启动一个泵或几个泵供油实现分级调速。 1、节流调速回路 节流调速原理。节流调速回路是通过调节流量阀的通流截面积大小来改变进入执行机 构的流量,从而实现运动速度的调节 如图7一1所示,如果调节回路里只有节流阀,则液压泵输出的油液全部经节流阀流进 液压缸。改变节流阀节流口的大小,只能改变油液流经节流阀速度的大小,而总的流量不会 改变,在这种情况下节流阀不能起调节流量的作用,液压缸的速度不会改变。 1)进油节流调速回路 进油调速回路是将节流阀装在执行机构的进油路上,起调速原理如图7-2所示
第七章 液压基本回路 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。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。 第一节 速度控制回路 速度控制回路是研究液压系统的速度调节和变换问题，常用的速度控制回路有调速回 路、快速回路、速度换接回路等，本节中分别对上述三种回路进行介绍。 一、调速回路 调速回路的基本原理 从液压马达的工作原理可知，液压马达的转速 nm 由输入流量和 液压马达的排量 Vm 决定，即 nm=q/V m，液压缸的运动速度 v 由输入流量和液压缸的有效作用 面积 A 决定，即 v=q/A。 通过上面的关系可以知道，要想调节液压马达的转速 n m 或液压缸的运动速度 v，可通 过改变输入流量 q、改变液压马达的排量 V m 和改变缸的有效作用面积 A 等方法来实现。由 于液压缸的有效面积 A 是定值，只有改变流量 q 的大小来调速，而改变输入流量 q，可以通 过采用流量阀或变量泵来实现，改变液压马达的排量 V m，可通过采用变量液压马达来实现， 因此，调速回路主要有以下三种方式： 1）节流调速回路：由定量泵供油，用流量阀调节进入或流出执行机构的流量来实现调速； 2）容积调速回路：用调节变量泵或变量马达的排量来调速； 3）容积节流调速回路：用限压变量泵供油，由流量阀调节进入执行机构的流量，并使变 量泵的流量与调节阀的调节流量相适应来实现调速。此外还可采用几个定量泵并联，按不同 速度需要，启动一个泵或几个泵供油实现分级调速。 1、节流调速回路 图 7—1 节流调速原理。 节流调速回路是通过调节流量阀的通流截面积大小来改变进入执行机 构的流量，从而实现运动速度的调节。 如图 7—1 所示，如果调节回路里只有节流阀，则液压泵输出的油液全部经节流阀流进 液压缸。改变节流阀节流口的大小，只能改变油液流经节流阀速度的大小，而总的流量不会 改变，在这种情况下节流阀不能起调节流量的作用，液压缸的速度不会改变。 1)进油节流调速回路 进油调速回路是将节流阀装在执行机构的进油路上，起调速原理如图 7-2 所示
图7—2(a)进油节流调速回路 A.回路的特点 因为是定量泵供油,流量恒定,溢流阀调定压力为p,泵的供油压力p,进入液压缸的 流量q由节流阀的调节开口面积a确定,压力作用在活塞A上,克服负载F,推动活塞以速 度v=q1/A向右运动。因为定量泵供油,q小于,所以po=溢流阀调定供油压力 Pe-cons 活塞受力平衡方程 pi A1= F +p2 A2 进入油缸的流量 =Ka vp Vp= pb-F/A q1=Ka(pb-F/A) B进油节流调速回路的速度一负载特性方程为 F (7-1) A A 式中:k为与节流口形式、液流状态、油液性质等有关的节流阀的系数:a为节流口的通流面积:m为节流 阀口指数(薄壁小孔,m=0.5) 由式(7-1)可知,当F增大,a一定时,速度v减小 C进油节流调速回路的速度一负载特性曲线 图7-2(c)速度负载特性 D.进油节流调遠回路的优点是:液压缸回油腔和回油管中压力较低,当采用单杆活塞杆液 压缸,使油液进入无杆腔中,其有效工作面积较大,可以得到较大的推力和较低的运动速度 这种回路多用于要求冲击小、负载变动小的液压系统中。 E回路效率 m=Fv/gepo qBpo= poqltpoqY p1q1+Vp g1 +pogr 如图
图 7—2 (a)进油节流调速回路 A.回路的特点 因为是定量泵供油，流量恒定，溢流阀调定压力为 pt，泵的供油压力 p0，进入液压缸的 流量 q1 由节流阀的调节开口面积 a 确定,压力作用在活塞 A1 上，克服负载 F，推动活塞以速 度 v=q1/A1 向右运动。因为定量泵供油， q1 小于 qB ，所以 p0=溢流阀调定供油压力 pt=const 活塞受力平衡方程： p1 A1 = F +p2 A2 进入油缸的流量 q1=Ka▽pm ▽p= pb-F/A1 q1=Ka (pb -F/A1) m B.进油节流调速回路的速度-负载特性方程为 m b A F p A ka A q v ( ) 1 1 1 1 = = − （7-1） 式中：k 为与节流口形式、液流状态、油液性质等有关的节流阀的系数；a 为节流口的通流面积；m 为节流 阀口指数（薄壁小孔，m=0.5）。 由式（7-1）可知，当 F 增大,a 一定时，速度 v 减小。 C.进油节流调速回路的速度-负载特性曲线 图 7-2(c)速度负载特性 D.进油节流调速回路的优点是：液压缸回油腔和回油管中压力较低，当采用单杆活塞杆液 压缸，使油液进入无杆腔中，其有效工作面积较大，可以得到较大的推力和较低的运动速度， 这种回路多用于要求冲击小、负载变动小的液压系统中。 E.回路效率 η=FV/qBp0 qBp0= p0q1+p0qY = p1 q1+▽p q1 +p0qY 如图：
VvVvYVVVvv冒 9, bD DI( 9 pq1=FV有用功率 节流损失 pbgc 溢流损失 所以在20%左右 2)回油节流调速回路: 回油节流调速回路将节流阀安装在液压缸的回油路上,其调速原理如图7-2(b)所示。 A2 图7-2(b)回油节 A.回路的特点 因为是定量泵供油,流量恒定,溢流阀调定压力为p,泵的供油压力p,进入液压缸的 流量q,液压缸输出的流量q,q由节流阀的调节开口面积a确定,压力p作用在活塞A上, 压力p2作用在活塞A2上,推动活塞以速度v=q/A向右运动,克服负载F做功。 因v=q/A1=q2/A2 q1=g2A1/A q1小于qB.所以p=溢流阀调定供油压力 pr-const=p1 活塞受力平衡方程 p1 A1=F+p2 Az p2=(p1A1-F)/A2 F=0时p2=p1A1/A2>p1 g2=Ka Vp Vp=p2=(plA1-F)/A2 q2=Ka[ (p1Al-F)/A2]
p1 q1= FV 有用功率 ▽p q1 节流损失 pb qY 溢流损失 所以在 20%左右 2)回油节流调速回路： 回油节流调速回路将节流阀安装在液压缸的回油路上，其调速原理如图 7-2（b）所示。 图 7-2（b）回油节 A.回路的特点 因为是定量泵供油，流量恒定，溢流阀调定压力为 pt，泵的供油压力 p0，进入液压缸的 流量 q1，液压缸输出的流量 q2，q2 由节流阀的调节开口面积 a 确定,压力 p1 作用在活塞 A1 上， 压力 p２作用在活塞 A２上，推动活塞以速度 v=q1/A1 向右运动，克服负载 F 做功。 因ｖ＝q１／A１＝q２／A２ q1＝q２A１／A２ q1小于 qB， 所以 p0=溢流阀调定供油压力 pt=const＝p1 活塞受力平衡方程： p1 A1= F +p2 A2 p2 =（p1 A1 –F）/ A2 F=0 时 p2 =p1 A1 / A2＞p1 q２=Ka▽pm ▽p＝p２= （p1A1－F）/ A２ q２=Ka[（p1A1－F）/ A２] m
B.回油节流调速回路的速度负载特性方程为: q2 ka pA -Fy A2A242 式中:k为与节流口形式、液流状态、油液性质等有关的节流阀的系数:a为节流口的通流面积:m为节流 阀口指数(薄壁小孔,m=0.5) 由式(7-1)可知,当F增大,a一定时,速度v减小。 C.回油节流调速回路的速度一负载特性曲线如图7-2 图7-2(c)速度负载特性 D.回油节流调速回路的优点 节流阀在回油路上可以产生背压,相对进油调速而言,运动比较平稳,常用于负载 变化较大,要求运动平稳的液压系统中。而且在a一定时,速度v随负载F增加而减小 E.回路效率 n=FV/gsp b qBpb= pbq1tppqr qI(FtA2 P2)/A1+vp q +psgr ⅴF+十q2p2+pbqy 如图: a P p1q1=FV 有用功率 qzpz=Vpqx节流损失 Pbg 流损失 所以在20%左右 如图7—2(a)、(b)所示,将节流阀串联在回路中,节流阀和溢流阀相当于并联的两 个液阻,定量泵输岀的流量qε不变,经节流阀流入液压缸的流量q:和经溢流阀流回油箱 的流量Δq的大小,由节流阀和溢流阀液阻的相对大小决定。节流阀通过改变节流口的通流 截面,可以在较大范围内改变其液阻,从而改变进入液压缸的流量,调节液压缸的速度
B. 回油节流调速回路的速度-负载特性方程为： m A p A F A ka A q v ( ) 2 1 1 2 2 2 − = = (7—2) 式中：k 为与节流口形式、液流状态、油液性质等有关的节流阀的系数；a 为节流口的通流面积；m 为节流 阀口指数（薄壁小孔，m=0.5）。 由式（7-1）可知，当 F 增大,a 一定时，速度 v 减小。 C.回油节流调速回路的速度-负载特性曲线如图 7—2c 图 7-2(c)速度负载特性 D.回油节流调速回路的优点： 节流阀在回油路上可以产生背压，相对进油调速而言，运动比较平稳，常用于负载 变化较大，要求运动平稳的液压系统中。而且在 a 一定时，速度 v 随负载 F 增加而减小。 E.回路效率 η=FV/qBpb qBpb= pbq1+pbqY = q1（Ｆ＋A２ p２）／Ａ１+▽p q1 +pbqY ＝ｖＦ＋ｑ２ｐ２＋ｐｂｑｙ 如图： p1 q1= FV 有用功率 ｑ２ｐ２＝▽p q２ 节流损失 pb qY 溢流损失 所以在 20%左右 如图 7—2（a）、（b）所示，将节流阀串联在回路中，节流阀和溢流阀相当于并联的两 个液阻，定量泵输出的流量 q B 不变，经节流阀流入液压缸的流量 q 1 和经溢流阀流回油箱 的流量 q 的大小，由节流阀和溢流阀液阻的相对大小决定。节流阀通过改变节流口的通流 截面，可以在较大范围内改变其液阻，从而改变进入液压缸的流量，调节液压缸的速度
3)旁路节流调速回路 这种回路由定量泵、安全阀、液压缸和节流阀组成,节流阀安装在与液压缸并联的旁油 路上,其调速原理如图7-3所示 图7—3旁路节流调速回路 a)回路简图(b)速度负载特性 定油泵输出的流量qs,一部分(q)进入液压缸,一部分(q2)通过节流阀流回油箱。 溢流阀在这里起安全作用,回路正常工作时,溢流阀不打开,当供油压力超过正常工作压力 时,溢流阀才打开,以防过载。溢流阀的调节压力应大于回路正常工作压力,在这种回路中 缸的进油压力p等于泵的供油压力ps,溢流阀的调节压力一般为缸克服最大负载所需的工 作压力的pa1.11.3倍。 4)采用调遠阀的节流调速回路 前面介绍的三种基本回路其速度的稳定性均随负载的变化而变化,对于一些负载变化较 大,对速度稳定性要求较高的液压系统,可采用调速阀来改善起速度-负载特性 图7—4调速阀进油节流调速回路
3)旁路节流调速回路 这种回路由定量泵、安全阀、液压缸和节流阀组成，节流阀安装在与液压缸并联的旁油 路上，其调速原理如图 7-3 所示。 图 7—3 旁路节流调速回路 (a)回路简图 (b)速度负载特性 定油泵输出的流量 q B，一部分（q1） 进入液压缸，一部分（q2）通过节流阀流回油箱。 溢流阀在这里起安全作用，回路正常工作时，溢流阀不打开，当供油压力超过正常工作压力 时，溢流阀才打开，以防过载。溢流阀的调节压力应大于回路正常工作压力，在这种回路中， 缸的进油压力 p1 等于泵的供油压力 p B，溢流阀的调节压力一般为缸克服最大负载所需的工 作压力的 p1max1.1~1.3 倍。 4）采用调速阀的节流调速回路 前面介绍的三种基本回路其速度的稳定性均随负载的变化而变化，对于一些负载变化较 大，对速度稳定性要求较高的液压系统，可采用调速阀来改善起速度-负载特性。 图 7—4 调速阀进油节流调速回路
采用调速阀也可按其安装位置不同,分为进油节流、回油节流、旁路节流三种基本调速 回路 图7-4为调速阀进油调速回路。图7-4(a)为回路简图,图7-4(b)为其速度一负载特性 曲线图 其工作原理与采用节流的进油节流阀调速回路相似。在这里当负载F变化而使p1变 化时,由于调速阀中的定差输出减压阀的调节作用,使调速阀中的节流阀的前后压差△p 保持不变,从而使流经调速阀的流量q不变,所以活塞的运动速度ⅴ也不变 其速度一负载特性曲线如图7-4(b)所示。由于泄漏的影响,实际上随负载F的增加, 速度v有所减小。 在此回路中,调速阀上的压差Δp包括两部分:节流口的压差和定差输出减压口上的压 所以调速阀的调节压差比采用节流阀时要大,一般△p≥5×10Pa,高压调速阀则达 10×10°Pa。这样泵的供油压力p相应地比采用节流阀时也要调得高些,故其功率损失也要 大些 这种回路其他调速性能的分析方法与采用节流阀时基本相同。 综上所述,采用调速阀的节流调速回路的低速稳定性、回路刚度、调速范围等,要比采 用节流阀的节流调速回路都好,所以它在机床液压系统中获得广泛的应用。 2.容积调速回路 容积调速回路是通过改变回路中液压泵或液压马达的排量来实现调速的。其主要优点是 功率损失小(没有溢流损失和节流损失)且其工作压力随负载变化,所以效率高、油的温度低, 适用于高速、大功率系统。 按油路循环方式不同,容积调速回路有开式回路和闭式回路两种。开式回路中泵从油箱 吸油,执行机构的回油直接回到油箱,油箱容积大,油液能得到较充分冷却,但空气和脏物 易进入回路。闭式回路中,液压泵将油输出进入执行机构的进油腔,又从执行机构的回油腔 吸油。闭式回路结构紧凑,只需很小的补油箱,但冷却条件差。为了补偿工作中油液的泄漏, 般设补油泵,补油泵的流量为主泵流量的10%~15%。压力调节为3×10~10×10Pa。容 积调速回路通常有三种基本形式:变量泵和定量液动机的容积调速回路:定量泵和变量马达 的容积调速回路;变量泵和变量马达的容积调速回路。 (1)变量泵和定量液动机的容积调速回路 这种调速回路可由变量泵与液压缸或变量泵与定量液压马达组成。其回路原理图如图 -5所示,图7-5(a)为变量泵与液压缸所组成的开式容积调速回路:图7-5(b)为变量泵与 定量液压马达组成的闭式容积调速回路。 理想的 实际的 死区 图7-5变量泵定量液动机容积调速回路 (a)开式回路(b)闭式回路(c)闭式回路的特性曲线 其工作原理是:图7-5(a)中活塞5的运动速度v由变量泵1调节,2为安全阀,4为换 向阀,6为背压阀。图7-5(b)所示为采用变量泵3来调节液压马达5的转速,安全阀4用以
采用调速阀也可按其安装位置不同，分为进油节流、回油节流、旁路节流三种基本调速 回路。 图 7-4 为调速阀进油调速回路。图 7-4(a)为回路简图，图 7-4(b)为其速度—负载特性 曲线图。 其工作原理与采用节流的进油节流阀调速回路相似。在这里当负载 F 变化而使 p 1 变 化时，由于调速阀中的定差输出减压阀的调节作用，使调速阀中的节流阀的前后压差 Δp 保持不变，从而使流经调速阀的流量 q1 不变，所以活塞的运动速度 v 也不变。 其速度—负载特性曲线如图 7-4(b)所示。由于泄漏的影响，实际上随负载 F 的增加， 速度 v 有所减小。 在此回路中，调速阀上的压差Δp 包括两部分：节流口的压差和定差输出减压口上的压 差。 所以调速阀的调节压差比采用节流阀时要大，一般 Δp≥5×105 Pa，高压调速阀则达 10×105 Pa。这样泵的供油压力 pB 相应地比采用节流阀时也要调得高些，故其功率损失也要 大些。 这种回路其他调速性能的分析方法与采用节流阀时基本相同。 综上所述，采用调速阀的节流调速回路的低速稳定性、回路刚度、调速范围等，要比采 用节流阀的节流调速回路都好，所以它在机床液压系统中获得广泛的应用。 2.容积调速回路 容积调速回路是通过改变回路中液压泵或液压马达的排量来实现调速的。其主要优点是 功率损失小(没有溢流损失和节流损失)且其工作压力随负载变化，所以效率高、油的温度低， 适用于高速、大功率系统。 按油路循环方式不同，容积调速回路有开式回路和闭式回路两种。开式回路中泵从油箱 吸油，执行机构的回油直接回到油箱，油箱容积大，油液能得到较充分冷却，但空气和脏物 易进入回路。闭式回路中，液压泵将油输出进入执行机构的进油腔，又从执行机构的回油腔 吸油。闭式回路结构紧凑，只需很小的补油箱，但冷却条件差。为了补偿工作中油液的泄漏， 一般设补油泵，补油泵的流量为主泵流量的 10%～15%。压力调节为 3×105～10×105 Pa。容 积调速回路通常有三种基本形式：变量泵和定量液动机的容积调速回路；定量泵和变量马达 的容积调速回路；变量泵和变量马达的容积调速回路。 (1)变量泵和定量液动机的容积调速回路 这种调速回路可由变量泵与液压缸或变量泵与定量液压马达组成。其回路原理图如图 7-5 所示，图 7-5(a)为变量泵与液压缸所组成的开式容积调速回路；图 7-5(b)为变量泵与 定量液压马达组成的闭式容积调速回路。 图 7-5 变量泵定量液动机容积调速回路 (a)开式回路 (b)闭式回路 (c)闭式回路的特性曲线 其工作原理是：图 7-5(a)中活塞 5 的运动速度 v 由变量泵 1 调节，2 为安全阀，4 为换 向阀，6 为背压阀。图 7-5(b)所示为采用变量泵 3 来调节液压马达 5 的转速，安全阀 4 用以
防止过载,低压辅助泵1用以补油,其补油压力由低压溢流阀6来调节 其主要工作特性 ①速度特性:当不考虑回路的容积效率时,执行机构的速度n或(V与变量泵的排量 V的关系为 n=n/V或vnV/A 上式表明:因马达的排量V和缸的有效工作面积A是不变的,当变量泵的转速nB不变 则马达的转速n(或活塞的运动速度)与变量泵的排量成正比,是一条通过坐标原点的直线 如图7-5(c)中虚线所示。实际上回路的泄漏是不可避免的,在一定负载下,需要一定流量 才能启动和带动负载。所以其实际的n(或V)与V的关系如实线所示。这种回路在低速下 承载能力差,速度不稳定 ②转矩特性、功率特性:当不考虑回路的损失时,液压马达的输出转矩T(或缸的输出 推力F)为T=Vm△p/2或F=A(p-p)。它表明当泵的输出压力p和吸油路(也即马达或缸的 排油)压力p不变,马达的输出转矩T或缸的输出推力F理论上是恒定的,与变量泵的VB 无关。但实际上由于泄漏和机械摩擦等的影响,也存在一个“死区”,如图7-5(c)所示。 此回路中执行机构的输出功率: P=(pB"Po)qB=(pe-po)nBVB X P=.T=VenBT/V. 式(7-6)表明:马达或缸的输出功率P随变量泵的排量V的增减而线性地增减。其理论与实 际的功率特性亦见图7-6(c)。 ③调速范围:这种回路的调速范围,主要决定于变量泵的变量范围,其次是受回路的泄 漏和负载的影响。采用变量叶片泵可达10,变量柱塞泵可达20 综上所述,变量泵和定量液动机所组成的容积调速回路为恒转矩输出,可正反向实现无 级调速,调速范围较大。适用于调速范围较大,要求恒扭矩输出的场合,如大型机床的主运 动或进给系统中。 (2)定量泵和变量马达容积调速回路 定量泵与变量马达容积调速回路如图7-6所示。图7-6(a)为开式回路:由定量泵1、变 量马达2、安全阀3、换向阀4组成;图7-6(b)为闭式回路:1、2为定量泵和变量马达,3 为安全阀,4为低压溢流阀,5为补油泵。此回路是由调节变量马达的排量Ⅷ来实现调速 理想17m 3 实际 凸 图7-6定量泵变量马达容积调速回路 a)开式回路(b)闭式回路(c)工作特性 ①速度特性:在不考虑回路泄漏时,液压马达的转速nn为 n,=gB/V. 式中q为定量泵的输出流量。可见变量马达的转速n与其排量Vm成正比,当排量 最小时,马达的转速nm最高。其理论与实际的特性曲线如图7-6(c)中虚、实线所示 由上述分析和调速特性可知:此种用调节变量马达的排量的调速回路,如果用变量马达 来换向,在换向的瞬间要经过“高转速一零转速一反向高转速”的突变过程,所以,不宜用 变量马达来实现平稳换向。 ②转矩与功率特性 液压马达的输出转矩:Tm=Vm(p-p)/2x 液压马达的输出功率:Pm=nTm=q(pp) 上式表明:马达的输出转矩Tm与其排量Vm成正比;而马达的输出功率Pm与其排量Vm
防止过载，低压辅助泵 1 用以补油，其补油压力由低压溢流阀 6 来调节。 其主要工作特性： ①速度特性：当不考虑回路的容积效率时，执行机构的速度 nm 或(Vm)与变量泵的排量 VB 的关系为： nm =nBVB/Vm 或 vm=nBVB/A (7-5) 上式表明：因马达的排量 Vm 和缸的有效工作面积 A 是不变的，当变量泵的转速 nB 不变， 则马达的转速 nm(或活塞的运动速度)与变量泵的排量成正比，是一条通过坐标原点的直线， 如图 7-5(c)中虚线所示。实际上回路的泄漏是不可避免的，在一定负载下，需要一定流量 才能启动和带动负载。所以其实际的 nm(或 Vm)与 VB 的关系如实线所示。这种回路在低速下 承载能力差，速度不稳定。 ②转矩特性、功率特性：当不考虑回路的损失时，液压马达的输出转矩 Tm(或缸的输出 推力 F)为 Tm=VmΔp/2π 或 F=A(pB-p0)。它表明当泵的输出压力 pB 和吸油路(也即马达或缸的 排油)压力 p0 不变，马达的输出转矩 Tm 或缸的输出推力 F 理论上是恒定的，与变量泵的 VB 无关。但实际上由于泄漏和机械摩擦等的影响，也存在一个“死区”，如图 7-5(c)所示。 此回路中执行机构的输出功率： Pm=(pB-p0)qB=(pB-p0)nBvB 或 Pm=nmTm=VBnBTm/Vm (7-6) 式(7-6)表明：马达或缸的输出功率 Pm 随变量泵的排量 VB 的增减而线性地增减。其理论与实 际的功率特性亦见图 7-6(c)。 ③调速范围：这种回路的调速范围，主要决定于变量泵的变量范围，其次是受回路的泄 漏和负载的影响。采用变量叶片泵可达 10，变量柱塞泵可达 20。 综上所述，变量泵和定量液动机所组成的容积调速回路为恒转矩输出，可正反向实现无 级调速，调速范围较大。适用于调速范围较大，要求恒扭矩输出的场合，如大型机床的主运 动或进给系统中。 (2)定量泵和变量马达容积调速回路 定量泵与变量马达容积调速回路如图 7-6 所示。图 7-6(a)为开式回路：由定量泵 1、变 量马达 2、安全阀 3、换向阀 4 组成；图 7-6(b)为闭式回路：1、2 为定量泵和变量马达，3 为安全阀，4 为低压溢流阀，5 为补油泵。此回路是由调节变量马达的排量 Vm 来实现调速。 图 7-6 定量泵变量马达容积调速回路 (a)开式回路(b)闭式回路(c)工作特性 ①速度特性：在不考虑回路泄漏时，液压马达的转速 nm为： nm =qB/Vm 式中 qB 为定量泵的输出流量。可见变量马达的转速 nm 与其排量 Vm 成正比，当排量 Vm 最小时，马达的转速 nm 最高。其理论与实际的特性曲线如图 7-6(c)中虚、实线所示。 由上述分析和调速特性可知：此种用调节变量马达的排量的调速回路，如果用变量马达 来换向，在换向的瞬间要经过“高转速—零转速—反向高转速”的突变过程，所以，不宜用 变量马达来实现平稳换向。 ②转矩与功率特性： 液压马达的输出转矩：Tm=Vm(pB-p0)/2π 液压马达的输出功率：Pm=nmTm=qB(pB-p0) 上式表明：马达的输出转矩 Tm 与其排量 Vm 成正比；而马达的输出功率 Pm 与其排量 Vm
无关,若进油压力p与回油压力p不变时,PmC,故此种回路属恒功率调速。其转矩特性 和功率特性见图7-6(c)所示。 综上所述,定量泵变量马达容积调速回路,由于不能用改变马达的排量来实现平稳换向, 调速范围比较小(一般为3~4),因而较少单独应用。 (3)变量泵和变量马达的容积调速回路 这种调速回路是上述两种调速回路的组合,其调速特性也具有两者之特点 P2 qu BB 图7-7变量泵变量马达的容积调速回路 (a)工作原理(b)调速特性 图7-7所示为其工作原理与调速特性,由双向变量泵2和双向变量马达9等组成闭式容 积调速回路 该回路的工作原理:调节变量泵2的排量V和变量马达9的排量Vm,都可调节马达的 转速n;补油泵1通过单向阀3和4向低压腔补油,其补油压力由溢流阀10来调节:安全 阀5和6分别用以防止正反两个方向的高压过载。液控换向阀7和溢流阀8用于改善回路工 作性能,当高、低压油路压差(p-po)大于一定值时,液动滑阀7处于上位或下位,使低压油 路与溢流阀8接通,部分低压热油经7、8流回油箱。因此溢流阀8的调节压力应比溢流阀 10的调节压力低些。为合理地利用变量泵和变量马达调速中各自的优点,克服其缺点,在 实际应用时,一般采用分段调速的方法 第一阶段将变量马达的排量Ⅷm调到最大值并使之恒定,然后调节变量泵的排量V从最 小逐渐加大到最大值,则马达的转速nm便从最小逐渐升高到相应的最大值(变量马达的输出 转矩m不变,输出功率Pm逐渐加大)。这一阶段相当于变量泵定量马达的容积调速回路 第二阶段将已调到最大值的变量泵的排量V固定不变,然后调节变量马达的排量Vm, 之从最大逐渐调到最小,此时马达的转速n便进一步逐渐升高到最高值(在此阶段中,马达 的输出转矩Im逐渐减小,而输出功率Pm不变)。这一阶段相当于定量泵变量马达的容积调 速回路。 上述分段调速的特性曲线如图7-7(b)所示。 这样,就可使马达的换向平稳,且第一阶段为恒转矩调速,第二阶段为恒功率调速。这 种容积调速回路的调速范围是变量泵调节范围和变量马达调节范围之乘积,所以其调速范围 大(可达100),并且有较高的效率,它适用于大功率的场合,如矿山机械、起重机械以及大 型机床的主运动液压系统 3.容积节流调速回路 容积节流调速回路的基本工作原理是采用压力补偿式变量泵供油、调速阀(或节流阀) 调节进入液压缸的流量并使泵的输出流量自动地与液压缸所需流量相适应。 常用的容积节流调速回路有:限压式变量泵与调速阀等组成的容积节流调速回路:变压 式变量泵与节流阀等组成的容积调速回路
无关，若进油压力 pB 与回油压力 p0 不变时，Pm=C，故此种回路属恒功率调速。其转矩特性 和功率特性见图 7-6(c)所示。 综上所述，定量泵变量马达容积调速回路，由于不能用改变马达的排量来实现平稳换向， 调速范围比较小(一般为 3～4)，因而较少单独应用。 (3)变量泵和变量马达的容积调速回路 这种调速回路是上述两种调速回路的组合，其调速特性也具有两者之特点。 图 7-7 变量泵变量马达的容积调速回路 (a)工作原理 (b)调速特性 图 7-7 所示为其工作原理与调速特性，由双向变量泵 2 和双向变量马达 9 等组成闭式容 积调速回路。 该回路的工作原理：调节变量泵 2 的排量 VB 和变量马达 9 的排量 Vm，都可调节马达的 转速 nm；补油泵 1 通过单向阀 3 和 4 向低压腔补油，其补油压力由溢流阀 10 来调节；安全 阀 5 和 6 分别用以防止正反两个方向的高压过载。液控换向阀 7 和溢流阀 8 用于改善回路工 作性能，当高、低压油路压差(pB-p0)大于一定值时，液动滑阀 7 处于上位或下位，使低压油 路与溢流阀 8 接通，部分低压热油经 7、8 流回油箱。因此溢流阀 8 的调节压力应比溢流阀 10 的调节压力低些。为合理地利用变量泵和变量马达调速中各自的优点，克服其缺点，在 实际应用时，一般采用分段调速的方法。 第一阶段将变量马达的排量 Vm 调到最大值并使之恒定，然后调节变量泵的排量 VB 从最 小逐渐加大到最大值，则马达的转速 nm 便从最小逐渐升高到相应的最大值(变量马达的输出 转矩 Tm 不变，输出功率 Pm 逐渐加大)。这一阶段相当于变量泵定量马达的容积调速回路。 第二阶段将已调到最大值的变量泵的排量 VB 固定不变，然后调节变量马达的排量 Vm， 之从最大逐渐调到最小，此时马达的转速 nm 便进一步逐渐升高到最高值(在此阶段中，马达 的输出转矩 Tm 逐渐减小，而输出功率 Pm 不变)。这一阶段相当于定量泵变量马达的容积调 速回路。 上述分段调速的特性曲线如图 7-7(b)所示。 这样，就可使马达的换向平稳，且第一阶段为恒转矩调速，第二阶段为恒功率调速。这 种容积调速回路的调速范围是变量泵调节范围和变量马达调节范围之乘积，所以其调速范围 大(可达 100)，并且有较高的效率，它适用于大功率的场合，如矿山机械、起重机械以及大 型机床的主运动液压系统。 3.容积节流调速回路 容积节流调速回路的基本工作原理是采用压力补偿式变量泵供油、调速阀(或节流阀) 调节进入液压缸的流量并使泵的输出流量自动地与液压缸所需流量相适应。 常用的容积节流调速回路有：限压式变量泵与调速阀等组成的容积节流调速回路；变压 式变量泵与节流阀等组成的容积调速回路
AliMi p. p, cpp c 图7-8限压式变量泵调速阀容积节流调速回路 (a)调速原理图(b)调速特性图 图7-8所示为限压式变量泵与调速阀组成的调速回路工作原理和工作特性图。在图示 位置,活塞4快速向右运动,泵1按快速运动要求调节其输出流量q,同时调节限压式变 量泵的压力调节螺钉,使泵的限定压力p大于快速运动所需压力〔图7-8(b)中AB段)。当 换向阀3通电,泵输出的压力油经调速阀2进入缸4,其回油经背压阀5回油箱。调节调速 阀2的流量q就可调节活塞的运动速度v,由于q1<q,压力油迫使泵的出口与调速阀进口 之间的油压憋高,即泵的供油压力升高,泵的流量便自动减小到qB≈q1为止 这种调速回路的运动稳定性、速度负载特性、承载能力和调速范围均与采用调速阀的节 流调速回路相同。图γ-8(b)所示为其调速特性,由图可知,此回路只有节流损失而无溢流 损失。 当不考虑回路中泵和管路的泄漏损失时,回路的效率为 A4))q/p1=[pp2(A2/A)]/p 上式表明:泵的输油压力p调得低一些,回路效率就可高一些,但为了保证调速阀的正常 工作压差,泵的压力应比负载压力p至少大5×10°Pa。当此回路用于“死档铁停留”、压 力继电器发讯实现快退时,泵的压力还应调高些,以保证压力继电器可靠发讯,故此时的实 际工作特性曲线如图7-8(b)中AB'′C′所示。此外,当D不变时,负载越小,p便越小,回 路效率越低。 综上所述:限压式变量泵与调速阀等组成的容积节流调速回路,具有效率较高、调速较 稳定、结构较简单等优点。目前已广泛应用于负载变化不大的中、小功率组合机床的液压系 统中。 4.调速回路的比较和选用 (1)调速回路的比较。见表7-1 (2)调速回路的选用。调速回路的选用主要考虑以下问题: ①执行机构的负载性质、运动速度、速度稳定性等要求:负载小,且工作中负载变化也 小的系统可采用节流阀节流调速:在工作中负载变化较大且要求低速稳定性好的系统,宜采 用调速阀的节流调速或容积节流调速:负载大、运动速度高、油的温升要求小的系统,宜采 用容积调速回路。 一般来说,功率在3kW以下的液压系统宜采用节流调速;3~5kW范围宜采用容积节流 调速:功率在5kW以上的宜采用容积调速回路 ②工作环境要求:处于温度较高的环境下工作,且要求整个液压装置体积小、重量轻的 情况,宜采用闭式回路的容积调速 ③经济性要求:节流调速回路的成本低,功率损失大,效率也低;容积调速回路因变量 泵、变量马达的结构较复杂,所以价钱高,但其效率高、功率损失小;而容积节流调速则介 于两者之间。所以需综合分析选用哪种回路
图 7-8 限压式变量泵调速阀容积节流调速回路 (a)调速原理图(b)调速特性图 图 7-8 所示为限压式变量泵与调速阀组成的调速回路工作原理和工作特性图。在图示 位置，活塞 4 快速向右运动，泵 1 按快速运动要求调节其输出流量 qmax，同时调节限压式变 量泵的压力调节螺钉，使泵的限定压力 pC 大于快速运动所需压力〔图 7-8(b)中 AB 段〕。当 换向阀 3 通电，泵输出的压力油经调速阀 2 进入缸 4，其回油经背压阀 5 回油箱。调节调速 阀 2 的流量 q1 就可调节活塞的运动速度 v，由于 q1＜qB，压力油迫使泵的出口与调速阀进口 之间的油压憋高，即泵的供油压力升高，泵的流量便自动减小到 qB≈q1 为止。 这种调速回路的运动稳定性、速度负载特性、承载能力和调速范围均与采用调速阀的节 流调速回路相同。图 7-8(b)所示为其调速特性，由图可知，此回路只有节流损失而无溢流 损失。 当不考虑回路中泵和管路的泄漏损失时，回路的效率为： ηc =〔p1-p2(A2/A1)〕q1/pBq1=[p1-p2(A2/A1)]/pB 上式表明：泵的输油压力 pB 调得低一些，回路效率就可高一些，但为了保证调速阀的正常 工作压差，泵的压力应比负载压力 p1 至少大 5×105 Pa。当此回路用于“死档铁停留”、压 力继电器发讯实现快退时，泵的压力还应调高些，以保证压力继电器可靠发讯，故此时的实 际工作特性曲线如图 7-8(b)中 AB′C′所示。此外，当 pC 不变时，负载越小，p1 便越小，回 路效率越低。 综上所述：限压式变量泵与调速阀等组成的容积节流调速回路，具有效率较高、调速较 稳定、结构较简单等优点。目前已广泛应用于负载变化不大的中、小功率组合机床的液压系 统中。 4.调速回路的比较和选用 (1) 调速回路的比较。见表 7-1。 (2)调速回路的选用。调速回路的选用主要考虑以下问题： ①执行机构的负载性质、运动速度、速度稳定性等要求：负载小，且工作中负载变化也 小的系统可采用节流阀节流调速；在工作中负载变化较大且要求低速稳定性好的系统，宜采 用调速阀的节流调速或容积节流调速；负载大、运动速度高、油的温升要求小的系统，宜采 用容积调速回路。 一般来说，功率在 3kW 以下的液压系统宜采用节流调速；3～5kW 范围宜采用容积节流 调速；功率在 5kW 以上的宜采用容积调速回路。 ②工作环境要求：处于温度较高的环境下工作，且要求整个液压装置体积小、重量轻的 情况，宜采用闭式回路的容积调速。 ③经济性要求：节流调速回路的成本低，功率损失大，效率也低；容积调速回路因变量 泵、变量马达的结构较复杂，所以价钱高，但其效率高、功率损失小；而容积节流调速则介 于两者之间。所以需综合分析选用哪种回路
表7-1 调速回路的比较 节流调速回路 容积节流调速回路 回路类 用节流阀 用调速阀 容积调速回路 限压式稳流式 主要性能 进回油旁路|进园油/旁 速度较差 差 好 较好 好 机械特定性 承载能较好 较差 较好 调速范围 较大 较大 功率特效率 较高 较小 较小 大功率、重载 中、小功率的中压系 适用范围 小功率、轻载的中、低压系统 高速的中、高压 系统 、快速运动回路 为了提高生产效率,机床工作部件常常要求实现空行程(或空载)的快速运动。这时要求 液压系统流量大而压力低。这和工作运动时一般需要的流量较小和压力较高的情况正好相 反。对快速运动回路的要求主要是在快速运动时,尽量减小需要液压泵输出的流量,或者在 加大液压泵的输出流量后,但在工作运动时又不致于引起过多的能量消耗。以下介绍几种机 床上常用的快速运动回路 1.差动连接回路这是在不增加液压泵输出流量的情况下,来提高工作部件运动速度的 种快速回路,其实质是改变了液压缸的有效作用面积 凶NZ 图7-9能实现差动连接工作进给回路 图7-9是用于快、慢速转换的,其中快速运动采用差动连接的回路。当换向阀3左端的 电磁铁通电时,阀3左位进入系统,液压泵1输出的压力油同缸右腔的油经3左位、5下位 (此时外控顺序阀7关闭)也进入缸4的左腔,进入液压缸4的左腔,实现了差动连接,使活 塞快速向右运动。当快速运动结束,工作部件上的挡铁压下机动换向阀5时,泵的压力升高, 阀7打开,液压缸4右腔的回油只能经调速阀6流回油箱,这时是工作进给。当换向阀3 右端的电磁铁通电时,活塞向左快速退回(非差动连接)。采用差动连接的快速回路方法简单 较经济,但快、慢速度的换接不够平稳。必须注意,差动油路的换向阀和油管通道应按差动 时的流量选择,不然流动液阻过大,会使液压泵的部分油从溢流阀流回油箱,速度减慢,甚
表 7-1 调速回路的比较 回路类 主要性能 节流调速回路 容积调速回路 容积节流调速回路 用节流阀 用调速阀 限压式 稳流式 进回油 旁路 进回油 旁 路 机械特 性 速度稳 定性 较差 差 好 较好 好 承载能 力 较好 较差 好 较好 好 调速范围 较大 小 较大 大 较大 功率特 性 效率 低 较高 低 较高 最高 较高 高 发热 大 较小 大 较小 最小 较小 小 适用范围 小功率、轻载的中、低压系统 大功率、重载 高速的中、高压 系统 中、小功率的中压系 统 二、快速运动回路 为了提高生产效率，机床工作部件常常要求实现空行程(或空载)的快速运动。这时要求 液压系统流量大而压力低。这和工作运动时一般需要的流量较小和压力较高的情况正好相 反。对快速运动回路的要求主要是在快速运动时，尽量减小需要液压泵输出的流量，或者在 加大液压泵的输出流量后，但在工作运动时又不致于引起过多的能量消耗。以下介绍几种机 床上常用的快速运动回路。 1.差动连接回路 这是在不增加液压泵输出流量的情况下，来提高工作部件运动速度的 一种快速回路，其实质是改变了液压缸的有效作用面积。 图 7-9 能实现差动连接工作进给回路 图 7-9 是用于快、慢速转换的，其中快速运动采用差动连接的回路。当换向阀 3 左端的 电磁铁通电时，阀 3 左位进入系统，液压泵 1 输出的压力油同缸右腔的油经 3 左位、5 下位 (此时外控顺序阀 7 关闭)也进入缸 4 的左腔，进入液压缸 4 的左腔，实现了差动连接，使活 塞快速向右运动。当快速运动结束，工作部件上的挡铁压下机动换向阀 5 时，泵的压力升高， 阀 7 打开，液压缸 4 右腔的回油只能经调速阀 6 流回油箱，这时是工作进给。当换向阀 3 右端的电磁铁通电时，活塞向左快速退回(非差动连接)。采用差动连接的快速回路方法简单， 较经济，但快、慢速度的换接不够平稳。必须注意，差动油路的换向阀和油管通道应按差动 时的流量选择，不然流动液阻过大，会使液压泵的部分油从溢流阀流回油箱，速度减慢，甚
