第7章液压基本回 7.1.6平衡回路 为了防止立式液压缸及其工作部件因自重而自行下落,或在下行运动中由于自重而造 成失控失速的不稳定运动,应使执行元件的回油路上保持一定的背压值,以平衡重力负载 这种回路称为平衡回路。如图712 采用单向顺序阀的平衡回路 图712(a)所示是采用单向顺序阀的平衡回路。调整顺序阀的开启压力,使液压缸向上 的液压作用力稍大于垂直运动部件的重力,即可防止活塞部件因自重而下滑。活塞下行时 由于回油路上存在背压支撑重力负载,因此运动平稳。当工作负载变小时,系统的功率损 失将增大。由于顺序阀存在泄漏,液压缸不能长时间停留在某一位置上,活塞会缓慢下降。 若在单向顺序阀和液压缸之间增加一个液控单向阀,由于液控单向阀密封性很好,可防止 活塞因单向顺序阀泄漏而下降 2.采用单向节流阀和液控单向阀的平衡回路 图712(b)所示是采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路。由于液控单向阀是锥面密 封,泄漏量小,故其闭锁性能好,活塞能够较长时间停止不动。回油路上串联单向节流阀, 以保证下行运动的平稳 如果回油路上没有节流阀,活塞下滑时液控单向阀被进油路上的控制油打开,回油腔 没有背压,运动部件因自重而加速下降,造成液压缸上腔供油不足而失压,液控单向阀因 控制油路失压而关闭。液控单向阀关闭后控制油路又产生压力,该阀再次被打开。液控单 向阀时开时闭,使活塞在向下运动过程中时走时停,从而会导致系统产生振动和冲击。 3.采用遥控单向平衡阀(限速阀)的平衡回路 图712(c)所示为采用遥控单向平衡阀的平衡回路。在背压不太高的情况下,活塞因自 重负载而加速下降,活塞上腔因供油不足,压力下降,从而平衡阀的控制压力下降,阀口 就关小,回油的背压相应上升,起支撑和平衡重力负载的作用增强,从而使阀口的大小能 自动适应不同负载对背压的要求,保证了活塞下降速度的稳定性。当换向阀处于中位时, 泵卸荷,平衡阀遥控口压力为零,阀口自动关闭,由于这种平衡阀的阀芯有很好的密封性, 故能起到长时间对活塞进行闭锁和定位作用。这种遥控平衡阀又称为限速阀。 什K H区k TH (a)采用单向顺序阀的(b)采用液控单向阀和单向节流阀的 (c)采用遥控单向平衡阀的 平衡回路 平衡回路 平衡回路 图7.12平衡回路
第 7 章 液压基本回路 ·193· ·193· 7.1.6 平衡回路 为了防止立式液压缸及其工作部件因自重而自行下落，或在下行运动中由于自重而造 成失控失速的不稳定运动，应使执行元件的回油路上保持一定的背压值，以平衡重力负载。 这种回路称为平衡回路。如图 7.12。 1. 采用单向顺序阀的平衡回路 图 7.12(a)所示是采用单向顺序阀的平衡回路。调整顺序阀的开启压力，使液压缸向上 的液压作用力稍大于垂直运动部件的重力，即可防止活塞部件因自重而下滑。活塞下行时， 由于回油路上存在背压支撑重力负载，因此运动平稳。当工作负载变小时，系统的功率损 失将增大。由于顺序阀存在泄漏，液压缸不能长时间停留在某一位置上，活塞会缓慢下降。 若在单向顺序阀和液压缸之间增加一个液控单向阀，由于液控单向阀密封性很好，可防止 活塞因单向顺序阀泄漏而下降。 2. 采用单向节流阀和液控单向阀的平衡回路 图 7.12(b)所示是采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路。由于液控单向阀是锥面密 封，泄漏量小，故其闭锁性能好，活塞能够较长时间停止不动。回油路上串联单向节流阀， 以保证下行运动的平稳。 如果回油路上没有节流阀，活塞下滑时液控单向阀被进油路上的控制油打开，回油腔 没有背压，运动部件因自重而加速下降，造成液压缸上腔供油不足而失压，液控单向阀因 控制油路失压而关闭。液控单向阀关闭后控制油路又产生压力，该阀再次被打开。液控单 向阀时开时闭，使活塞在向下运动过程中时走时停，从而会导致系统产生振动和冲击。 3. 采用遥控单向平衡阀(限速阀)的平衡回路 图 7.12(c)所示为采用遥控单向平衡阀的平衡回路。在背压不太高的情况下，活塞因自 重负载而加速下降，活塞上腔因供油不足，压力下降，从而平衡阀的控制压力下降，阀口 就关小，回油的背压相应上升，起支撑和平衡重力负载的作用增强，从而使阀口的大小能 自动适应不同负载对背压的要求，保证了活塞下降速度的稳定性。当换向阀处于中位时， 泵卸荷，平衡阀遥控口压力为零，阀口自动关闭，由于这种平衡阀的阀芯有很好的密封性， 故能起到长时间对活塞进行闭锁和定位作用。这种遥控平衡阀又称为限速阀。 (a) 采用单向顺序阀的 平衡回路 (b) 采用液控单向阀和单向节流阀的 平衡回路 (c) 采用遥控单向平衡阀的 平衡回路 图 7.12 平衡回路
194 液压传动 必须指出,无论是平衡回路还是背压回路,在回油管路上都存在背压,故都需要提高 供油压力。但这两种基本回路也有区别,主要表现在功用和背压的大小上。背压回路主要 用于提高进给系统的稳定性,提高加工精度,所以具有的背压不大。平衡回路通常是在立 式液压缸情况下用以平衡运动部件的自重,以防下滑发生事故,其背压应根据运动部件的 重力而定。 7.1.7增压回路 增压回路用以提高系统中局部油路的压力。它能使局部压力远高于油源的压力。当系 统中局部油路需要较高压力而流量较小时,采用低压大流量泵加上增压回路比选用高压大 流量泵要经济得多。如图713所示。 1.单作用增压缸的增压回路 如图713a所示,当压力为P1的油液进入增压缸的大活塞腔时,在小活塞腔即可得到 压力为P的高压油液,增压的倍数等于增压缸大小活塞的工作面积之比。当二位四通电磁 换向阀右位接入系统时,增压缸的活塞返回,补油箱中的油液经单向阀补入小活塞腔。这 种回路只能间断增压。 2.双作用增压缸的增压回路 如图7.13(b)所示,泵输出的压力油经换向阀5左位和单向阀1进入增压缸左端大、小 活塞腔,右端大活塞腔的回油通油箱,右端小活塞腔増压后的高压油经单向阀4输出,此 时单向阀2、3被关闭;当活塞移到右端时,换向阀5得电换向,活塞向左移动,左端小活 塞腔输出的高压液体经单向阀3输岀。这样増压缸的活塞不断往复运动,两端便交替输出 高压液体,实现了连续增压。 卜油缸 ▲液压源 (a)单作用增压缸的增压回路 (b)双作用增压缸的增压回路 图7.13增压回路 1,2,3,4-单向阀:5—换向阀
·194· 液压传动 ·194· 必须指出，无论是平衡回路还是背压回路，在回油管路上都存在背压，故都需要提高 供油压力。但这两种基本回路也有区别，主要表现在功用和背压的大小上。背压回路主要 用于提高进给系统的稳定性，提高加工精度，所以具有的背压不大。平衡回路通常是在立 式液压缸情况下用以平衡运动部件的自重，以防下滑发生事故，其背压应根据运动部件的 重力而定。 7.1.7 增压回路 增压回路用以提高系统中局部油路的压力。它能使局部压力远高于油源的压力。当系 统中局部油路需要较高压力而流量较小时，采用低压大流量泵加上增压回路比选用高压大 流量泵要经济得多。如图 7.13 所示。 1. 单作用增压缸的增压回路 如图 7.13(a)所示，当压力为 p1 的油液进入增压缸的大活塞腔时，在小活塞腔即可得到 压力为 p2 的高压油液，增压的倍数等于增压缸大小活塞的工作面积之比。当二位四通电磁 换向阀右位接入系统时，增压缸的活塞返回，补油箱中的油液经单向阀补入小活塞腔。这 种回路只能间断增压。 2. 双作用增压缸的增压回路 如图 7.13(b)所示，泵输出的压力油经换向阀 5 左位和单向阀 1 进入增压缸左端大、小 活塞腔，右端大活塞腔的回油通油箱，右端小活塞腔增压后的高压油经单向阀 4 输出，此 时单向阀 2、3 被关闭；当活塞移到右端时，换向阀 5 得电换向，活塞向左移动，左端小活 塞腔输出的高压液体经单向阀 3 输出。这样增压缸的活塞不断往复运动，两端便交替输出 高压液体，实现了连续增压。 (a) 单作用增压缸的增压回路 (b) 双作用增压缸的增压回路 图 7.13 增压回路 1，2，3，4—单向阀；5—换向阀
第7章液压基本回 7.2调速回路 在液压传动系统中,调速是为了满足执行元件对工作速度的要求,因此是系统的核心 问题。调速回路不仅对系统的工作性能起着决定性的影响,而且对其他基本回路的选择也 起着决定性的作用,因此在液压系统中占有极其重要的地位。 7.2.1概述 1.基本调速方式 在不考虑液压油的压缩性和元件泄漏的情况下,液压缸的运动速度ν取决于流入或流 出液压缸的流量及相应的有效工作面积, y=9= (7.1) 式中q,q2—流入、流出液压缸的流量 A,A—液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积。 液压马达的转速mM由进入马达的流量q和马达的排量M决定,即 由上述两式可知,改变流入或流出执行元件的流量q,或改变液压缸的有效工作面积A 和马达的排量I均可以达到控制执行元件速度的目的。一般来说,在设计计算时,液压缸 的有效工作面积主要由负载与系统压力确定,改变比较困难,而在实际系统中已经不可能 改变。因此,通常用改变流量q或改变变量马达排量Ⅷ来控制执行元件的速度。 为了改变进入执行元件的流量,可采用定量泵和溢流阀构成的恒压源与流量控制阀的 方法,也可以采用变量泵供油的方法。因此,调速回路有以下三种基本调速方式 (1)节流调速。采用定量泵供油,溢流阀溢流恒压,通过改变流量控制阀通流面积的 大小,来调节流入或流出执行元件的流量实现调速。 (2)容积调速。通过改变变量泵或变量马达的排量来实现调速。 (3)容积节流调速,又称联合调速。采用压力反馈式变量泵供油,配合流量控制阀进 行调速 2.调速回路的基本特性 调速回路的调速特性、机械特性和功率特性实际上就是系统的静态特性,它们基本上 决定了系统的性能、特点和用途。 1)调速特性 回路的调速特性用回路的调速范围来表征。所谓调速范围是指执行元件在某负载下可 能得到的最高工作速度与最低工作速度之比 R=-max
第 7 章 液压基本回路 ·195· ·195· 7.2 调 速 回 路 在液压传动系统中，调速是为了满足执行元件对工作速度的要求，因此是系统的核心 问题。调速回路不仅对系统的工作性能起着决定性的影响，而且对其他基本回路的选择也 起着决定性的作用，因此在液压系统中占有极其重要的地位。 7.2.1 概述 1. 基本调速方式 在不考虑液压油的压缩性和元件泄漏的情况下，液压缸的运动速度 v 取决于流入或流 出液压缸的流量及相应的有效工作面积，即 1 2 1 2 q q v A A = = (7.1) 式中 1 q ， 2 q ——流入、流出液压缸的流量； A1，A2 ——液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积。 液压马达的转速 nM由进入马达的流量 q 和马达的排量 VM决定，即 M M q n V = (7.2) 由上述两式可知，改变流入或流出执行元件的流量 q，或改变液压缸的有效工作面积 A 和马达的排量 VM均可以达到控制执行元件速度的目的。一般来说，在设计计算时，液压缸 的有效工作面积主要由负载与系统压力确定，改变比较困难，而在实际系统中已经不可能 改变。因此，通常用改变流量 q 或改变变量马达排量 VM来控制执行元件的速度。 为了改变进入执行元件的流量，可采用定量泵和溢流阀构成的恒压源与流量控制阀的 方法，也可以采用变量泵供油的方法。因此，调速回路有以下三种基本调速方式： (1) 节流调速。采用定量泵供油，溢流阀溢流恒压，通过改变流量控制阀通流面积的 大小，来调节流入或流出执行元件的流量实现调速。 (2) 容积调速。通过改变变量泵或变量马达的排量来实现调速。 (3) 容积节流调速，又称联合调速。采用压力反馈式变量泵供油，配合流量控制阀进 行调速。 2. 调速回路的基本特性 调速回路的调速特性、机械特性和功率特性实际上就是系统的静态特性，它们基本上 决定了系统的性能、特点和用途。 1) 调速特性 回路的调速特性用回路的调速范围来表征。所谓调速范围是指执行元件在某负载下可 能得到的最高工作速度与最低工作速度之比。 max min v R v = (7.3)
液压传动 各种调速回路可能的调速范围是不同的,人们希望能在较大的范围内调节执行元件的 速度,在调速范围内能灵敏、平稳地实现无级调速。 2)机械特性 机械特性即速度-负载特性,它是调速回路中执行元件运动速度随负载而变化的性能 般来说,执行元件运动速度随负载增大而降低。如图7.14所示为某调速回路中执行元件 的速度一负载特性曲线。速度受负载影响的程度,常用速度刚度来描述。 理想的速度负载持性曲线 图714速度一负载特性曲线 速度刚度定义为负载对速度的变化率的负值,即 de 速度刚度的物理意义是:负载变化时,调速回路抵抗速度变化的能力,亦即引起单位 速度变化时负载力的变化量。从图7.14可知,速度刚度是速度一负载特性曲线上某点处斜 率的倒数。在特性曲线上某处的斜率越小,速度刚度就越大,亦即机械特性就硬,执行元 件工作速度受负载变化的影响就越小,运动平稳性越好。 3)功率特性 调速回路的功率特性包括回路的输入功率、输出功率、功率损失和回路效率,一般不 考虑执行元件和管路中的功率损失。这样便于从理论上对各种调速回路进行比较。功率特 性好,即能量损失小、效率高、发热少。 7.22节流调速回路 节流调速回路是靠节流原理工作的,根据所用流量控制阀的不同,分为采用节流阀的 节流调速回路和采用调速阀的节流调速回路:根据流量阀在回路中的位置不同,分为进油 节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种回路。此外,根据在工作中供油压力是否随 负载变化,分为定压式节流调速回路(进油节流、回油节流)和变压式节流调速回路(旁路 节流) 1.进油节流调速回路 1)回路结构和工作原理 进油节流调速回路如图7.15所示,将节流阀串联在液压缸的进油路上,用定量泵供油, 且并联一个溢流阀。泵输出的油液一部分经节流阀进入液压缸的工作腔,推动活塞运动
·196· 液压传动 ·196· 各种调速回路可能的调速范围是不同的，人们希望能在较大的范围内调节执行元件的 速度，在调速范围内能灵敏、平稳地实现无级调速。 2) 机械特性 机械特性即速度―负载特性，它是调速回路中执行元件运动速度随负载而变化的性能。 一般来说，执行元件运动速度随负载增大而降低。如图 7.14 所示为某调速回路中执行元件 的速度―负载特性曲线。速度受负载影响的程度，常用速度刚度来描述。 图 7.14 速度―负载特性曲线 速度刚度定义为负载对速度的变化率的负值，即 v 1 tan F k v α ∂ =− =− ∂ (7.4) 速度刚度的物理意义是：负载变化时，调速回路抵抗速度变化的能力，亦即引起单位 速度变化时负载力的变化量。从图 7.14 可知，速度刚度是速度―负载特性曲线上某点处斜 率的倒数。在特性曲线上某处的斜率越小，速度刚度就越大，亦即机械特性就硬，执行元 件工作速度受负载变化的影响就越小，运动平稳性越好。 3) 功率特性 调速回路的功率特性包括回路的输入功率、输出功率、功率损失和回路效率，一般不 考虑执行元件和管路中的功率损失。这样便于从理论上对各种调速回路进行比较。功率特 性好，即能量损失小、效率高、发热少。 7.2.2 节流调速回路 节流调速回路是靠节流原理工作的，根据所用流量控制阀的不同，分为采用节流阀的 节流调速回路和采用调速阀的节流调速回路；根据流量阀在回路中的位置不同，分为进油 节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种回路。此外，根据在工作中供油压力是否随 负载变化，分为定压式节流调速回路(进油节流、回油节流)和变压式节流调速回路(旁路 节流)。 1. 进油节流调速回路 1) 回路结构和工作原理 进油节流调速回路如图 7.15 所示，将节流阀串联在液压缸的进油路上，用定量泵供油， 且并联一个溢流阀。泵输出的油液一部分经节流阀进入液压缸的工作腔，推动活塞运动
第7章液压基本回 197 多余的油液经溢流阀流回油箱。由于溢流阀处于溢流状态,因此泵的出口压力保持恒定 调节节流阀的通流面积即可调节通过节流阀的流量,从而调节液压缸的工作速度 该节流调速回路的工作原理如下, ①液压缸要克服负载F而运动,其工作腔的油液必须具有一定的工作压力,即稳定工 作时活塞的受力平衡方程为 A=p2A+F 式中F—液压缸的负载 A,A2A2—分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积 ,P2—分别为液压缸进油腔、回油腔的压力 当回油腔直接通油箱时,可设p,≈0,故液压缸无杆腔压力为 F 这说明液压缸工作压力P取决于负载,随负载变化。 ②为了保证油液通过节流阀进入执行元件,节流阀上必须存在一个压力差△p,即泵 的出口压力P必须大于液压缸工作压力p1,即 Pp=p,+A ③调节通过节流阀的流量q,才能调节液压缸的工作速度。因此定量泵多余的油液 Φ必须经溢流阀流回油箱。必须指岀,溢流阀溢流是该回路能调速的必要条件。注意,如 果溢流阀不能溢流,定量泵的流量q只能全部进入液压缸,而不能实现调速功能。根据连 续性方程,有 qp=q+q,=常数 进入液压缸的流量q越小,液压缸的工作速度就越低,溢流量φ也就越大。 ④溢流阀工作在溢流状态,因此泵的出口压力p保持恒定。 ⑤经节流阀进入液压缸的流量q1为 4"=K4(Pp-) 式中A一节流阀的通流面积 △P节流阀两端的压力差,Ap=Pp-P; K——节流系数,对薄壁孔K=C√21p,对细长孔K=d(32L),其中,C4为流 量系数;p、4分别为液体密度和动力黏度;d、L为细长孔直径和长度 m由孔口形状决定的指数,0.5<m<1,对薄壁孔m=0.5,对细长孔m=1。 调节节流阀通流面积Ar,即可改变通过节流阀的流量q,从而调节液压缸的工作速度。 根据上述讨论,液压缸的运动速度为 9=k4(n-F AA 式(78)称为进油节流调速回路的速度-负载特性方程。由此式可知,液压缸的工作速度 是节流阀通流面积A和液压缸负载F的函数,当A不变时,活塞的运动速度v受负载F 变化影响:液压缸的运动速度ν与节流阀的通流面积Ar成正比,调节Ar就可调节液压缸
第 7 章 液压基本回路 ·197· ·197· 多余的油液经溢流阀流回油箱。由于溢流阀处于溢流状态，因此泵的出口压力保持恒定。 调节节流阀的通流面积即可调节通过节流阀的流量，从而调节液压缸的工作速度。 该节流调速回路的工作原理如下。 ① 液压缸要克服负载 F 而运动，其工作腔的油液必须具有一定的工作压力，即稳定工 作时活塞的受力平衡方程为 11 2 2 p A pA = + F (7.5) 式中 F——液压缸的负载； A1，A2 A2——分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积； 1 p ， 2 p ——分别为液压缸进油腔、回油腔的压力。 当回油腔直接通油箱时，可设 2 p ≈0，故液压缸无杆腔压力为 1 1 F p A = (7.6) 这说明液压缸工作压力 1 p 取决于负载，随负载变化。 ② 为了保证油液通过节流阀进入执行元件，节流阀上必须存在一个压力差Δp，即泵 的出口压力 pp 必须大于液压缸工作压力 1 p ，即 P 1 p = +Δ p p ③ 调节通过节流阀的流量 q1，才能调节液压缸的工作速度。因此定量泵多余的油液 qy 必须经溢流阀流回油箱。必须指出，溢流阀溢流是该回路能调速的必要条件。注意，如 果溢流阀不能溢流，定量泵的流量 p q 只能全部进入液压缸，而不能实现调速功能。根据连 续性方程，有 P 1 y q =+ = q q 常数 进入液压缸的流量 q1 越小，液压缸的工作速度就越低，溢流量 qy 也就越大。 ④ 溢流阀工作在溢流状态，因此泵的出口压力 pp 保持恒定。 ⑤ 经节流阀进入液压缸的流量 q1 为 1T T P 1 ( ) m F m q KA p KA p A = Δ= − (7.7) 式中 AT——节流阀的通流面积； Δp——节流阀两端的压力差， P 1 Δ= − p p p ； K——节流系数，对薄壁孔 d K C= 2 / ρ ，对细长孔 K＝d2 /(32 μ L)，其中，Cd 为流 量系数； ρ 、 μ 分别为液体密度和动力黏度；d、L 为细长孔直径和长度； m——由孔口形状决定的指数，0.5＜m＜1，对薄壁孔 m＝0.5，对细长孔 m＝1。 调节节流阀通流面积 AT，即可改变通过节流阀的流量 q1，从而调节液压缸的工作速度。 根据上述讨论，液压缸的运动速度为 1 T P 11 1 ( ) q KA F m v p A A A == − (7.8) 式(7.8)称为进油节流调速回路的速度―负载特性方程。由此式可知，液压缸的工作速度 是节流阀通流面积 AT和液压缸负载 F 的函数，当 AT不变时，活塞的运动速度 v 受负载 F 变化影响；液压缸的运动速度 v 与节流阀的通流面积 AT成正比，调节 AT就可调节液压缸