液壓調(diào)速系統(tǒng)的分析與改進(jìn)設(shè)計

□ 徐成東

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

液壓傳動系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速，調(diào)速方法為改變進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，或者改變液壓泵和液壓馬達(dá)的排量。按改變流量與改變排量的方法不同，液壓系統(tǒng)可分為有級調(diào)速系統(tǒng)、無級調(diào)速系統(tǒng)及復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)[1]。

1 有級調(diào)速系統(tǒng)

在一些具有較大功率且要求具有大調(diào)速范圍的液壓工程機(jī)械上，常采用有級調(diào)速系統(tǒng)。

圖1所示為有級調(diào)速系統(tǒng)中的兩級調(diào)速系統(tǒng)，換向閥3作為合流閥使用。當(dāng)換向閥3處于右位時，兩臺液壓泵獨(dú)立工作，分別向?qū)?yīng)換向閥控制的執(zhí)行元件供油，此時回路處于低速狀態(tài)。當(dāng)換向閥3處于左位，換向閥1處于中位時，換向閥1控制的執(zhí)行元件不工作，兩臺液壓泵輸出的油液合流，共同向換向閥2控制的執(zhí)行元件供油，此時回路處于高速狀態(tài)。調(diào)速范圍的大小由兩臺液壓泵的流量決定。

2 無級調(diào)速系統(tǒng)

圖1 兩級調(diào)速系統(tǒng)

無論是采用流量控制閥調(diào)節(jié)流量，還是采用改變液壓泵或液壓馬達(dá)排量的方法，均能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。無級調(diào)速一般分為節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速、容積節(jié)流調(diào)速三種。

2.1 節(jié)流調(diào)速

在定量泵供油的液壓系統(tǒng)中，用流量控制閥對執(zhí)行元件的運(yùn)動速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種回路稱為節(jié)流調(diào)速回路。節(jié)流調(diào)速回路是在工程機(jī)械、礦山機(jī)械、組合機(jī)床、壓力加工等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種調(diào)速回路[2]。節(jié)流調(diào)速回路按流量控制閥位置的不同，可分為進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路、回油路節(jié)流調(diào)速回路和旁油路節(jié)流調(diào)速回路三種[3]。

圖2所示為進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路。這種回路使用定量泵作為動力元件，通過改變流量控制閥開度的大小來改變進(jìn)入執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而改變執(zhí)行元件的速度。定量泵輸出的多余油液通過溢流閥流回油箱，這是進(jìn)油路與回油路節(jié)流調(diào)速回路能夠正常工作的必要條件。由于溢流閥有溢流，泵的出口壓力為溢流閥的調(diào)定壓力，并基本保持定值[4]。

圖2 進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路

定量泵的出口壓力設(shè)為pP，液壓缸無桿腔進(jìn)油

由式（7）、式（8）可以看出，當(dāng)節(jié)流閥小孔通流面壓力p1取決于負(fù)載F，進(jìn)油腔面積為A1，回油腔在無背壓的情況下壓力近似為0。不考慮液壓缸摩擦阻力等因素，對液壓缸活塞進(jìn)行受力分析，得：

轉(zhuǎn)換得：

在圖2中，不考慮管道的壓力損失，節(jié)流閥入口壓力即為泵的出口壓力pP，節(jié)流閥出口壓力即為液壓缸的進(jìn)油腔壓力p1，因而節(jié)流閥的入出口壓力差Δp為：

通過節(jié)流閥各類小孔的流量q為：

式中：k為節(jié)流閥小孔流量因數(shù)，取決于小孔的結(jié)構(gòu)、尺寸和流體特性等，一般為常數(shù)；AT為節(jié)流閥小孔通流面積；m為壓差指數(shù)，取決于節(jié)流閥小孔的長徑比，一般取m=1/2～1。

將式（2）、式（3）代入式（4），解得：

式（5）即為節(jié)流閥的流量公式，q就是進(jìn)入液壓缸的輸入流量。對于液壓缸而言，其輸入流量q、進(jìn)油腔面積A1和執(zhí)行元件運(yùn)動速度v三者之間的關(guān)系為：

將式（5）代入式（6），得：

由于液壓缸進(jìn)油腔面積A1是定值，流量因數(shù)k、壓差指數(shù)m被近似認(rèn)為是常數(shù)，因此當(dāng)溢流閥的調(diào)定壓力不變時，泵的出油壓力pP基本不變。由式（7）可以看出：①當(dāng)節(jié)流閥小孔的通流面積AT不變時，進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路的執(zhí)行元件運(yùn)動速度v隨著負(fù)載F的增大而減??；②當(dāng)負(fù)載F不變時，調(diào)節(jié)節(jié)流閥小孔的通流面積AT，可改變執(zhí)行元件的運(yùn)動速度v，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

在其它參數(shù)不變的前提下，執(zhí)行元件運(yùn)動速度v可視為節(jié)流閥小孔通流面積AT和負(fù)載F的二元函數(shù)，偏導(dǎo)數(shù)δv/δF反映了節(jié)流閥小孔通流面積AT不變時，運(yùn)動速度v受負(fù)載F的影響程度。由式（7）求得：積AT較小、負(fù)載F較大時，執(zhí)行元件運(yùn)動速度v較小，此時液壓系統(tǒng)處于低速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載F不變、節(jié)流閥小孔通流面積AT減小時，執(zhí)行元件運(yùn)動速度v降低，δv/δF的絕對值減小，說明在低速狀態(tài)下系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性較好。

假設(shè)定量泵的輸出流量為qP,在進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速回路中，流量qP分為兩股：一股通過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸，大小為q；另一股通過溢流閥溢出，大小為q′。顯然 qP=q+q′，即q′=qP-q。

溢流閥溢出油液時產(chǎn)生的功率損失Py為：

定量泵的工作壓力pP要滿足最大負(fù)載要求，其流量qP要滿足液壓缸的速度、溢流損失及系統(tǒng)泄漏要求。

由上述各式可得，執(zhí)行元件運(yùn)動速度v較小時，進(jìn)入液壓缸的流量q較小，通過溢流閥流出的油液流量q′較大，功率損失Py較大?？梢姡瑢τ诙勘霉ぷ鲏毫P較大且流量qP較大的液壓系統(tǒng)，能量損失是比較嚴(yán)重的。此時，液壓系統(tǒng)在傳遞運(yùn)動和動力過程中的無功損耗都變?yōu)闊崮?，使系統(tǒng)溫度升高，產(chǎn)生很多不良影響，如加速工作油液老化、影響液壓元件使用壽命、誘發(fā)各種故障、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等[5]。

總之，節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本低、使用與維修方便、調(diào)速范圍大及低速微動性能佳等優(yōu)點(diǎn)，在各類型機(jī)械，尤其是工程機(jī)械上應(yīng)用廣泛。

2.2 容積調(diào)速

容積調(diào)速回路是利用變量泵或變量馬達(dá)的排量變化來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的一種回路[6]。圖3所示為由變量泵與定量馬達(dá)組成的容積調(diào)速回路。與節(jié)流調(diào)速回路相比，容積調(diào)速回路動力元件所輸出的油液直接進(jìn)入執(zhí)行元件，既沒有節(jié)流損失，也沒有溢流損失，因此回路效率較高，且調(diào)速方便，在大功率、大負(fù)載液壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7]。容積調(diào)速回路的缺點(diǎn)是變量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

圖3 容積調(diào)速回路

2.3 容積節(jié)流調(diào)速

容積節(jié)流調(diào)速利用變量泵供油，利用流量控制閥調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸或由液壓缸流出的流量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)動的速度，并使變量泵的輸出流量自動與液壓缸所需流量相適應(yīng)[8]。這一回路無溢流損失，效率較高；進(jìn)入液壓缸的流量與負(fù)載變化無關(guān)，且能自動補(bǔ)償泵的泄漏，因此速度穩(wěn)定性高。但這一回路有節(jié)流損失，因此效率相比容積調(diào)速回路要低一些，且由于變量泵的原因，同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、油液對污染物比較敏感等問題。

3 改進(jìn)后的液壓調(diào)速系統(tǒng)

將有級調(diào)速、無級調(diào)速組合在一起，從而使液壓系統(tǒng)獲得所需要的各種速度，滿足各種性能要求，這一調(diào)速系統(tǒng)稱為復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)。需要指出的是，有級調(diào)速和容積調(diào)速結(jié)合在一起，可形成復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)，但是容積調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)維修不便。使用變量泵來調(diào)速，當(dāng)負(fù)載大、壓力高時，漏油量大，運(yùn)動速度不平穩(wěn)，對介質(zhì)要求較高，噪聲也大[9]。此外，這種調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于大慣量、低轉(zhuǎn)速、變負(fù)載系統(tǒng)時，低速控制性能較差，速度控制精度較低。因此，在一些對低速精度要求較高的場合，采用有級調(diào)速和容積調(diào)速組合的復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)未必是理想的選擇。

對于中小功率液壓系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)范圍較大時，可采用一種新型復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)——有級調(diào)速和節(jié)流調(diào)速的組合。圖4所示為這一新型復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)。

圖4 新型復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)

通過前文對節(jié)流調(diào)速回路的分析可知，執(zhí)行元件運(yùn)動速度較低時，存在較大的溢流損失。如果采用兩臺定量泵合流供油，則可在很大程度上解決能量損失較嚴(yán)重的問題。圖4中，兩臺液壓泵通過換向閥可以合流向執(zhí)行元件供油，此時換向閥處于左位。也可以由液壓泵1單獨(dú)向執(zhí)行元件供油，此時換向閥處于右位，液壓泵2卸荷，幾乎沒有能量損失。需要指出的是，安全閥常態(tài)下閥芯處于閉合狀態(tài)，調(diào)定壓力高于溢流閥的調(diào)定壓力。

顯然，對于改進(jìn)后的復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)而言，兩臺液壓泵的流量分配要考慮液壓缸的速度取值范圍及不同速度下的工作時間等因素，且滿足：

式中：qP1為液壓泵1的流量；qP2為液壓泵2的流量。

當(dāng)液壓缸運(yùn)動速度較低時，可采用液壓泵1單獨(dú)供油，此時的溢流損失相比于同等速度下圖2所示供油方式有所減小，功率損失自然也會減小。當(dāng)液壓缸速度較高時，需要兩臺液壓泵合流供油。

綜上所述，這一新型復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)有效利用了節(jié)流調(diào)速速度調(diào)節(jié)范圍廣、低速性能好、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，克服了容積調(diào)速與容積節(jié)流調(diào)速結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對介質(zhì)要求高等一系列缺點(diǎn)，同時采用了有級調(diào)速，在執(zhí)行元件速度較低時，最大限度減少了能量損失，提高了系統(tǒng)效率。

4 結(jié)束語

大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速是液壓傳動的一大優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)情況下，液壓調(diào)速時流量的變化不是跳躍式的，可以實(shí)現(xiàn)無級變速，因此液壓調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域[10]。液壓系統(tǒng)調(diào)速方案的制訂和選擇要從調(diào)速范圍、速度穩(wěn)定性、系統(tǒng)效率、液壓設(shè)備投入成本等各方面綜合考慮。在能源短缺日益嚴(yán)重的今天，在滿足調(diào)速要求的同時提高液壓系統(tǒng)效率，并降低功率損失是十分必要的[11-12]。

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