液压与气压传动第10周教案

教师课堂教学备课纸

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第四节流量控制阀及速度控制回路

一、节流阀

1．节流特性

（1）流量特性节流阀的流量特性取决于节流口的结构形式，节流口通常有三种基本形式：薄壁小孔、细长小孔和厚壁小孔，可用小孔的流量公式来q=KAΔp m表示。

（2）流量稳定性当节流阀的通流截面积调定后，要求流量q能保持稳定不变，以使执行元件获得稳定的速度。实际上通过节流口的流量q还受其他因素的影响。

1)压差对流量的影响。节流阀两端压差Δp变化时,三种结构形式的节流口中,通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。

2)温度对流量的影响。油温影响到油液粘度,对于细长小孔,油温变化时,流量也会随之改变。

3)节流口的堵塞。节流阀的节流口可能因油液中的杂质或由于油液氧化后析出的胶质、沥青等引起局部堵塞，严重时会完全堵塞而出现断流现象。

2．节流阀

图5-28所示为一种普通节流阀，这种节流阀的节流口为轴向三角槽式。阀的进出油口可互换,节流阀能正常工作的最小流量限定值称为节流阀的最小稳定流量。轴向三角槽式节流口的最小稳定流量为30～50ml/min。它影响执行元件的最低速度值。

图5－28 节流阀

二、调速阀

调速阀是由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀。节流阀调节通过的流量，定差减压阀能自动保持节流阀前后的压力差为定值，使通过节流阀的流量不受负载变化的影响。

图5-29所示为调速阀的工作原理图，调速阀的进口压力p1由溢流阀调节，工作时基本保持恒定。压力油由P1进入调速阀后，先经过定差减压阀的阀口后压力降为p2，然后经节流阀流出，其压力为p3。节流阀前后的压力油分别作用在定差减压阀阀芯的两端。

图5－29 调速阀工作原理

若调速阀出口压力p3因负载增大而增大时，作用在减压阀右端的力随之增加，阀芯失去平衡而左移，于是开口增大，液阻减小，减压阀的减压作用减小，使p2也随之增加，直到阀芯在新的位置上得到平衡为止。因此，压力差基本保持不变。同理，当p3减小时，p2也随之减小，故压力差仍保持不变。由于定差减压阀的自动调节作用，使节流阀前后的压力差保持不变，从而保持了流量的稳定。

图5－30 调速阀和节流阀特性比较

调速阀和节流阀特性比较如图5-30所示。节流阀的流量随压差的变化较大，而调速阀在进出口压力差Δp大于一定数值后，流量保持基本恒定。

三、速度控制回路

速度控制回路是控制执行元件运动速度的回路，包括调速回路、快速运动回路、速度换接回路。

1．调速回路

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从液压马达的工作原理可知，液压马达的转速n M由输入流量和液压马达的排量V m决定，即n M=q/V m。

调速回路主要有以下三种方式： 1）节流调速回路 2）容积调速回路 3）容积节流调速回路

（1）节流调速回路 能量损失大，效率低，发热大，故一般只用于小功率的场合。根据流量阀的位置的不同，可分为进油路节流调速回路、回进油路节流调速回路和旁油路节流调速回路三种形式。

1）进油节流调速回路:进油节流调速回路是将节流阀装在执行元件的进油路上，调速原理如图5-31所示,油路中有溢流损失，又有节流损失，功率损失大。

图5－31 进油节流调速回路

○

1速度负载特性 液压缸在稳定工作时，其受力平衡方程式为 p 1A=F+p 2A

式中 p 1 、p 2——缸的进油压力和回油压力，由于回油腔通油箱，p 2=0； F 、A ——缸的负载和有效工作面积。

p 1=

A

F

泵的供油压力p p 由溢流阀调定为恒定，故节流阀两端的压力差为

Δp=p p -p 1=p p -

A

F 经节流阀进入液压缸的流量为

q 1=KA T Δp m

=KA T (p p -

A

F )m

v=

m p T A

F

p A KA A q )(1-= （5- 1） 上式为本回路的速度负载特性方程，故这种调速回路的速度负载特性较软。

● 当节流阀开口A T 不变时，活塞的运动速度v 随负载F 的增加而降低，速度刚度较小。 ● 当节流阀开口A T 一定时，负载较小的区段曲线较平缓，速度刚度高，负载较大的区段

曲线较陡，速度刚度较差。

● 在相同负载下工作时，当节流阀开口较小，活塞的速度v 较低，曲线较平缓，速度刚度

好；节流阀开口较大，活塞的速度v 较高，曲线较陡，速度刚度差。 ○

2最大承载能力 由图5-31b 还可以见到 F max =p p A （5-2）

○

3功率和效率 液压泵的输出功率为 P p = p p q p =常量 液压缸的输出功率为 P 1=Fv=F

A

q 1

=p 1q 1 （5-3） 回路的功率损失为-

ΔP=P p -P 1= p p q p -p 1q 1= p p q y +Δpq 1 （5-4）

由上式可知，这种调速回路的功率损失由两部分组成，即溢流阀损失和节流损失。 回路的效率为 η=

p

p p q p q

p P P 111= （5-5） 由于存在两部分功率损失，节流调速回路的效率较低。

2）回油节流调速回路: 回油节流调速回路是将节流阀装在执行元件的回油路上，如图5-32所示。用节流阀调节液压缸输出的流量，控制进入液压缸的流量。

图5－32回油节流调速回路

回油节流调速回路由于液压缸的回油腔存在背压，因而能承受一定的负值负载，故其运动平稳性较好；回油节流调速回路，经过节流阀发热后的油液直接流回油箱冷却，对液压缸泄漏影响较小；在停车后，液压缸回油腔中的油液会由于泄漏而形成空隙，重新启动时由于进油路上没有节流阀控制流量度，会使活塞产生前冲。

图5－33旁路节流调速回路

3）旁路节流调速回路:这种节流调速回路是将节流阀装在与液压缸并联的支路上，节流阀分流了油泵的流量，从而控制了进入液压缸的流量，即可实现调速。

图5-33b为旁路节流调速回路的速度负载特性曲线，由图可知该回路的特点：

●增大节流阀开度，活塞运动速度减小；当节流阀的开度不变时，负载增加活塞运动速度

下降很快，其速度刚度比进、回油节流调速低。

●在负载一定时，节流阀的开度越小，其速度刚度越高，能承受的最大负载就越大。

●液压泵的工作压力随负载变化而变化，回路中只有节流损失而无溢流损失，因此这种回

路的效率较高。

●因液压缸的回油腔无背压力，所以其运动平稳性较差，不能承受负值负载。

（2）容积调速回路 根据油路的循环方式不同，容积调速回路分为开式和闭式回路两种。在开式回路中，泵从油箱吸油，执行元件的回油返回油箱。闭式回路中，液压泵的吸油口与执行元件的回油口直接连接，油液在系统内循环。根据液压泵和液压马达或液压缸组合方式不同，容积调速回路分三种形式：

1）变量泵和定量液压马达的容积调速回路:图5-34a 所示为变量泵和液压缸组成的容积调速回路，图5-34b 所示为变量泵和定量液压马达组成的容积调速回路。这两种回路均采用改变变量泵1的输出流量q p 来调速的。

图5－34变量泵和定量执行元件容积调速回路

变量泵和定量马达容积调速回路

这种回路特性如下：

○1液压缸活塞的运动速度 v=A

q

，液压马达的转速n m =

M

V q

，调节变量泵的排量，即改变了泵的流量 q 便可调节活塞的运动速度或马达的转速，且调速范围大。 ○2液压马达的输出转矩T M =

2M

p V p ，液压缸的推力F=p p A ，液压马达（或液压缸）输

出的最大转矩（或推力）不变，故这种调速为恒转矩（恒推力）调速。

○

3液压马达（或液压缸）输出的功率等于液压泵的输入功率，即P M =P P =p p V p n p =p p V M n m 。因此马达的输出功率随转速n m 呈线性变化。

2）定量泵和变量液压马达的容积调速回路:图5-35所示回路中，调节变量液压马达3排量V m ，便可改变其转速。

图5－35定量泵和变量液压马达调速回路

这种回路的特性如下: ○

1根据 n m =M

p V q 可知，马达输出与排量V M 成反比，V M 过小则马达的输出转矩将减小，故

这种调速回路的调速范围较小。 ○

2由液压马达的转矩公式T M =

2M p V p 可知，若V M 减小，n m 增加，则T M 下降。

○

3定量泵输出流量是不变的，泵的压力由安全阀2调定，则马达输出的最大功率是不变的，故这种调速为恒功率调速。

图5－36变量泵和变量马达调速回路

3）变量泵和变量马达的容积调速回路:图5-36所示的回路中，这种调速回路是前面两种调速回路的组合，调速时将液压泵和液压马达的排量分阶段调节，即在低速阶段由q p 调节（此时V m 保持在最大），在高速阶段由V m 调节（此时q p 保持在最大），这样就扩大了调速范围。

这种回路在低速段将马达的排量固定在最大值上，由小到大调节泵的排量来调速，其最大输出转矩不变；在高速段将泵的排量固定在最大值上，由大到小调节马达的排量来调速。其最大输出功率不变。回路总的调速范围等于泵调速范围与马达调速范围的乘积，所以它适用于机床主运动等大功率的液压系统。其特性曲线如图5-36b所示。

（3）容积节流调速回路这种回路的特点是效率高，发热小，速度稳定性比容积调速好。

图5-37所示为限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路,限压式变量泵的输出流量q p和液压缸所需流量q c相适应。若q p﹥q c，则泵的出口压力上升，使泵的偏心量自动减小；若q p﹤q c，则泵的出口压力会降低，使泵的偏心量自动增大，使q p增加，直至q p=q c。这种回路无溢流损失，系统发热小，速度刚性也比较好。一般调速阀保持最小稳定压差Δp 为0.5Mpa。

图5－37 限压式变量泵和调速阀容积节流调速回路

2．快速运动回路

快速运动回路的功用在于使执行元件获得所需要的高速，以提高系统的工作效率，常见有以下几种。

（1）液压缸差动连接快速回路图5-38所示回路，阀3和阀4在左位工作时，液压缸差动连接快速运动；当3YA通电时，差动连接即被切断，液压缸回油经调速阀，实现工进；阀3切换至右位后，液压缸有杆腔进油，即快退。

图5－38液压缸差动连接快速运动回路

（2）双泵供油快速运动回路图5-39所示回路，图中2为低压大流量泵，1为高压小流量泵。在快速时，泵1和泵2同时向液压系统供油；工进时，系统压力升高，液控顺序阀3开启，使泵2卸荷，此时单向阀4关闭，由泵1单独向系统供油。

图5－39双泵供油快速回路

（3）蓄能器快速运动回路图5-40所示回路中，系统短期需要大流量时，换向阀5处于左位或右位，由泵1和蓄能器4共同时向流压缸6供油；当系统停止工作时，换向阀5处在中间位置，这时泵便经单向阀3向蓄能器充液，蓄能器压力升高后，达到液控顺序阀2调定压力后，阀口打开，使泵卸荷。

图5－40蓄能器快速运动回路图5－41 快慢速转换回路

3．速度换接回路

速度换接回路的功用是使液压执行元件在实现工作循环的过程中，进行速度转换，且具有较高的速度换接平稳性。

（1）快速与慢速的换接回路图5-41所示为用行程阀的快慢速转换回路。

（2）两种慢速的转换回路图5-42所示为用两个调速阀来实现不同的工进速度的换接回路。

图5－39两种工进速度的换接回路