液壓調速系統的分析與改進設計

□ 徐成東

四川建筑職業技術學院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

液壓傳動系統可以方便地實現大范圍調速，調速方法為改變進入執行元件的流量，或者改變液壓泵和液壓馬達的排量。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

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

圖1所示為有級調速系統中的兩級調速系統，換向閥3作為合流閥使用。當換向閥3處于右位時，兩臺液壓泵獨立工作，分別向對應換向閥控制的執行元件供油，此時回路處于低速狀態。當換向閥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控制的執行元件供油，此時回路處于高速狀態。調速范圍的大小由兩臺液壓泵的流量決定。

2 無級調速系統

圖1 兩級調速系統

無論是采用流量控制閥調節流量，還是采用改變液壓泵或液壓馬達排量的方法，均能在一定范圍內實現無級調速。無級調速一般分為節流調速、容積調速、容積節流調速三種。

2.1 節流調速

在定量泵供油的液壓系統中，用流量控制閥對執行元件的運動速度進行調節，這種回路稱為節流調速回路。節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]。節流調速回路按流量控制閥位置的不同，可分為進油路節流調速回路、回油路節流調速回路和旁油路節流調速回路三種[3]。

圖2所示為進油路節流調速回路。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入執行元件的流量，進而改變執行元件的速度。定量泵輸出的多余油液通過溢流閥流回油箱，這是進油路與回油路節流調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定壓力，并基本保持定值[4]。

圖2 進油路節流調速回路

定量泵的出口壓力設為pP，液壓缸無桿腔進油

由式（7）、式（8）可以看出，當節流閥小孔通流面壓力p1取決于負載F，進油腔面積為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，對液壓缸活塞進行受力分析，得：

轉換得：

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

通過節流閥各類小孔的流量q為：

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

將式（2）、式（3）代入式（4），解得：

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

將式（5）代入式（6），得：

由于液壓缸進油腔面積A1是定值，流量因數k、壓差指數m被近似認為是常數，因此當溢流閥的調定壓力不變時，泵的出油壓力pP基本不變。由式（7）可以看出：①當節流閥小孔的通流面積AT不變時，進油路節流調速回路的執行元件運動速度v隨著負載F的增大而減小；②當負載F不變時，調節節流閥小孔的通流面積AT，可改變執行元件的運動速度v，實現無級調速。

在其它參數不變的前提下，執行元件運動速度v可視為節流閥小孔通流面積AT和負載F的二元函數，偏導數δv/δF反映了節流閥小孔通流面積AT不變時，運動速度v受負載F的影響程度。由式（7）求得：積AT較小、負載F較大時，執行元件運動速度v較小，此時液壓系統處于低速運行狀態。當負載F不變、節流閥小孔通流面積AT減小時，執行元件運動速度v降低，δv/δF的絕對值減小，說明在低速狀態下系統的速度穩定性較好。

假設定量泵的輸出流量為qP,在進油路節流調速回路中，流量qP分為兩股：一股通過節流閥進入液壓缸，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生的功率損失Py為：

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

由上述各式可得，執行元件運動速度v較小時，進入液壓缸的流量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。可見，對于定量泵工作壓力pP較大且流量qP較大的液壓系統，能量損失是比較嚴重的。此時，液壓系統在傳遞運動和動力過程中的無功損耗都變為熱能，使系統溫度升高，產生很多不良影響，如加速工作油液老化、影響液壓元件使用壽命、誘發各種故障、降低系統穩定性等[5]。

總之，節流調速系統由于結構簡單可靠、成本低、使用與維修方便、調速范圍大及低速微動性能佳等優點，在各類型機械，尤其是工程機械上應用廣泛。

2.2 容積調速

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[6]。圖3所示為由變量泵與定量馬達組成的容積調速回路。與節流調速回路相比，容積調速回路動力元件所輸出的油液直接進入執行元件，既沒有節流損失，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應用[7]。容積調速回路的缺點是變量機構結構復雜，成本較高。

圖3 容積調速回路

2.3 容積節流調速

容積節流調速利用變量泵供油，利用流量控制閥調節進入液壓缸或由液壓缸流出的流量來調節執行元件運動的速度，并使變量泵的輸出流量自動與液壓缸所需流量相適應[8]。這一回路無溢流損失，效率較高；進入液壓缸的流量與負載變化無關，且能自動補償泵的泄漏，因此速度穩定性高。但這一回路有節流損失，因此效率相比容積調速回路要低一些，且由于變量泵的原因，同樣存在結構復雜、油液對污染物比較敏感等問題。

3 改進后的液壓調速系統

將有級調速、無級調速組合在一起，從而使液壓系統獲得所需要的各種速度，滿足各種性能要求，這一調速系統稱為復合調速系統。需要指出的是，有級調速和容積調速結合在一起，可形成復合調速系統，但是容積調速系統結構復雜，成本高，維護維修不便。使用變量泵來調速，當負載大、壓力高時，漏油量大，運動速度不平穩，對介質要求較高，噪聲也大[9]。此外，這種調速系統應用于大慣量、低轉速、變負載系統時，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，采用有級調速和容積調速組合的復合調速系統未必是理想的選擇。

對于中小功率液壓系統，速度調節范圍較大時，可采用一種新型復合調速系統——有級調速和節流調速的組合。圖4所示為這一新型復合調速系統。

圖4 新型復合調速系統

通過前文對節流調速回路的分析可知，執行元件運動速度較低時，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重的問題。圖4中，兩臺液壓泵通過換向閥可以合流向執行元件供油，此時換向閥處于左位。也可以由液壓泵1單獨向執行元件供油，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，安全閥常態下閥芯處于閉合狀態，調定壓力高于溢流閥的調定壓力。

顯然，對于改進后的復合調速系統而言，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。

當液壓缸運動速度較低時，可采用液壓泵1單獨供油，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，這一新型復合調速系統有效利用了節流調速速度調節范圍廣、低速性能好、結構簡單、維護方便等優點，克服了容積調速與容積節流調速結構復雜、對介質要求高等一系列缺點，同時采用了有級調速，在執行元件速度較低時，最大限度減少了能量損失，提高了系統效率。

4 結束語

大范圍內實現無級調速是液壓傳動的一大優點。大多數情況下，液壓調速時流量的變化不是跳躍式的，可以實現無級變速，因此液壓調速技術現已廣泛應用于現代工業的各個領域[10]。液壓系統調速方案的制訂和選擇要從調速范圍、速度穩定性、系統效率、液壓設備投入成本等各方面綜合考慮。在能源短缺日益嚴重的今天，在滿足調速要求的同時提高液壓系統效率，并降低功率損失是十分必要的[11-12]。

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