淺析液壓調速系統

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術學院交通與市政工程系，四川618000)

液壓傳動系統可以方便地實現大范圍的調速。調速的方法是，只要改變進入執(zhí)行元件的流量或者改變液壓泵和液壓馬達的排量即可。按改變流量與改變排量的方法不同，液壓系統可分為有級調速系統、無級調速系統及復合調速系統[1]。

1 有級調速系統

通過有級調速執(zhí)行元件可以輸出兩種或以上不同的速度(轉速)。實現有級調速的方法有多種，通過改變動力元件的供油方式或執(zhí)行元件的油液輸入方式均可實現。

1.1 用換向閥改變動力元件的供油方式

1—液壓泵 2—輔助泵 3—單向閥 4—換向閥圖 5—液壓馬達 6—溢流閥 7—換向閥圖1 振動液壓回路Figure 1 Vibration hydraulic circuit

圖1所示為YZ14型振動壓路機改進型振動液壓回路。該回路改進前不含有輔助泵、單向閥和電磁換向閥。換向閥得電工作時，振動液壓泵向振動液壓馬達供油。由于液壓泵為定量泵，因此振動馬達的運轉速度是不變的，此時回路為單頻振動液壓回路。改進后的回路增加了輔助泵、單向閥和換向閥，振動液壓泵為主泵。換向閥處于上位時，輔助泵卸荷，油液流回油箱，振動液壓泵單獨向液壓馬達供油；換向閥處于下位時，輔助泵和液壓泵合流向液壓馬達供油，馬達的轉速有所提高，振動頻率加快。改進后的機型可使振動液壓馬達獲得兩種不同的流量和轉速，繼而獲得兩種不同的振動頻率。該雙頻振動液壓回路本質為二級調速回路。

1.2 用換向閥改變執(zhí)行元件的油液輸入方式

1—油源 2—換向閥 3—液壓馬達 4—換向閥 5—液壓馬達圖2 二級調速回路Figure 2 Two step speed regulation circuit

換向閥不僅可用于改變動力元件的供油方式，形成有級調速回路，還可用于改變執(zhí)行元件的油液輸入方式，獲得不同的轉速。圖2所示為含有兩個同規(guī)格液壓馬達的二級調速回路。兩個液壓馬達通過二位四通電磁換向閥形成不同的連接方式，共同驅動某一側的行走機構。二位三通電磁換向閥處于上位時，液壓馬達3和5為并聯方式，輸出低速；換向閥4處于下位時，馬達3和5為串聯方式，此時每個馬達理論上的輸入流量為全部供油量，輸出高速?；芈份敵龅退贂r馬達的轉矩為高速時的兩倍。

2 無級調速系統

不管是采用流量控制閥調節(jié)流量，還是采用改變液壓泵或液壓馬達的排量，均能在一定范圍內實現無級調速。無級調速系統分為節(jié)流調速系統、容積調速系統以及容積節(jié)流調速系統，本文重點討論前兩種。

2.1 節(jié)流調速

在定量泵供油的液壓系統中，用流量控制閥對執(zhí)行元件的運動速度進行調節(jié)，這種回路稱為節(jié)流調速回路。節(jié)流調速回路是在工程機械、礦山機械、組合機床、壓力加工等領域應用較為廣泛的一種調速回路[2]。節(jié)流調速回路按流量控制閥的位置不同可分為進油路節(jié)流調速回路、回油路節(jié)流調速回路和旁油路節(jié)流調速回路三種[3]。

1—液壓泵 2—節(jié)流閥 3—液壓缸 4—溢流閥 5—油箱圖3 回油路節(jié)流調速回路Figure 3 Throttle speed regulation of oil circuit

圖3所示為回油路節(jié)流調速回路。這種回路使用定量泵作為動力元件，依靠改變流量控制閥開口度的大小來改變進入執(zhí)行元件的流量，進而改變執(zhí)行元件的速度。由于溢流閥始終處于開啟狀態(tài)，起穩(wěn)壓溢流作用，泵的出口壓力為溢流閥的調定壓力，并保持定值。

液壓泵的出口壓力為pP，在溢流閥的調定作用下可視為定值；液壓缸所承受的負載大小為F，且方向與活塞桿運動方向相反。如圖3所示，液壓缸無桿腔進油壓力設為p1，進油腔面積設為A1，有桿腔回油壓力設為p2，回油腔面積設為A2，不考慮液壓缸摩擦阻力等因素，對液壓缸活塞進行受力分析得：

p1A1=F+p2A2

如圖3所示，不考慮管路的壓力損失，則液壓缸無桿腔的壓力p1的大小即為泵的出口壓力pP。于是得：

(1)

不考慮管路的壓力損失，節(jié)流閥入口壓力即為液壓缸有桿腔的壓力p2，出口壓力為零，因而節(jié)流閥的入出口壓力差Δp為：

Δp=p2

(2)

通過各類小孔的流量公式為：

q=kATΔpm

(3)

式中，q為通過小孔的流量；k指的是小孔流量系數，取決于小孔的結構、尺寸和流體特性等，一般認為是常數；AT指的是小孔的通流面積；m為壓差指數，取決于小孔的長徑比，一般在0.5～1之間取值。

將式(1)代入式(2)然后代入式(3)得：

(4)

式(4)即為節(jié)流閥的流量公式，q為通過節(jié)流閥的流量，也就是液壓缸回油腔(有桿腔)的流量。對于液壓缸而言，其回油腔流量為q，回油腔面積為A2，活塞運動速度為v，三者之間的關系為：

q=A2v

(5)

將式(4)代入式(5)，得出：

(6)

液壓缸進油腔面積為A1，回油腔面積A2是定值，流量系數為k，壓差指數為m，近似認為是常數，溢流閥的調定壓力不變時，泵的出油壓力pP基本不變，從式(6)可以看出：

(1)當節(jié)流閥的通流面積AT不變時，回油路節(jié)流調速回路的執(zhí)行元件運動速度v隨著負載F的增大而減?。?/p>

(2)當負載F不變時，調節(jié)節(jié)流閥通流面積AT可改變執(zhí)行元件的運動速度v，實現無級調速，這種回路調速范圍較廣。

(7)

進、回油路節(jié)流調速回路工作時，溢流閥始終處于穩(wěn)壓溢流狀態(tài)，也就是說總有一部分壓力油通過溢流閥流回油箱，造成較大的能量損失。此外，節(jié)流閥工作時也會造成一定的節(jié)流損失。液壓系統在傳遞運動和動力過程中的無功損耗都變?yōu)闊崮?，使系統溫度升高，引起很多不良影響，例如加速工作油液的老化，影響液壓元件的使用壽命，誘發(fā)各種故障和降低系統的穩(wěn)定性等[4]。

總之，由于節(jié)流調速系統結構簡單可靠、維護方便、調速范圍較大，低速穩(wěn)定性好，所以應用廣泛。

2.2 容積調速

1—變量泵 2—定量馬達圖4 容積調速回路Figure 4 Volume speed regulation circuit

容積調速回路是利用變量泵或變量馬達的排量變化來實現調速的一種回路[5]。圖4所示為由變量泵與定量馬達組成的容積調速回路。容積調速回路動力元件所輸出的油液直接進入執(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，且調速方便，在大功率、大負載液壓控制系統中得到了廣泛的應用[6]。但是變量泵或變量馬達的變量機構結構復雜，成本較高，出現故障的概率較大，且診斷排除不易。此外，容積調速回路一般多為閉式回路，由于液壓油的泄露，必須配置相應的補油油路；而且在大功率系統中，油液的發(fā)熱比較嚴重，油液溫升過高會引發(fā)一系列問題，例如油液的劣化變質、粘度下降引起的流動阻力增大等，因而有時候需要單獨設計置換油路，以滿足液壓油的冷卻要求。

3 復合調速系統

將有級調速、無級調速組合在一起應用，從而使液壓系統獲得所需要的各種速度及性能要求的調速系統稱為復合調速系統。復合調速系統已在許多大型工程機械的液壓系統中廣泛應用。

4 結論

調速范圍廣是液壓傳動的一大優(yōu)點。大多數情況下，液壓調速時流量的變化不是跳躍式的，而是連續(xù)可變的，因此液壓調速技術現已廣泛地應用于現代工業(yè)的各個領域。每一種調速系統和調速方式都有著各自的特點。在設計和使用液壓系統時，根據系統的功能性要求合理選擇調速方案是十分必要的。液壓系統調速方案的制定和選擇要從調速范圍、系統效率、液壓設備投入成本等各個方面綜合考慮。