节流调速回路的调速性能分析

2022-09-11

在液压系统中, 执行元件通常会有几种运动速度。在定量泵供油的液压系统中, 可以通过改变流量控制阀节流口的通流截面面积来调节和控制输入或输出执行元件的流量实现速度的调节, 这种回路称为节流调速回路。节流调速回路具有结构简单、工作可靠、成本低、使用维修方便, 也可以获得很低的运动速度。但存在节流损失和溢流损失, 功率损耗较大, 效率低。通常节流调速多用于小功率的的液压系统中, 例如机床的进给系统[1]。按节流阀在回路中的安装位置不同, 分为进口节流调速回路、出口节流调速回路、旁路节流调速回路。

下面对三种回路调速性能进行分析, 为方便起见不考虑其他损失, 执行元件使用液压缸, 节流阀的阀口采用薄壁小孔。

1 进口节流调速回路

如图1将节流阀放置在定量泵与液压缸的进油口之间, 通过调节节流口的大小来调节通过阀口的流量, 从而调节液压缸的速度。定量泵输出的多余流量经溢流阀流回油箱。溢流阀在进口节流调速回路中起溢流作用, 处于常开状态, 泵的出口压力等于溢流阀的调定压力py。

活塞的运动速度决定于进入液压缸的流量q1和有效工作面积A1。即v=q1/A1, 进入液压缸的流量q1等于通过节流阀的流量qL, 而qL与系数K、通流面积AL、节流阀压差Δp有关, 即该回路中Δp是溢流阀调定的压力py与液压缸进油腔压力P1之差。P1与负载F有关, 活塞的运动速度v与负载F的关系, 称为速度负载特性。从上式中可以看出溢流阀调定值py和通流面积AL、无杆腔面积A1一定时, 负载加大, 液压缸运动速度降低;负载减小, 液压缸运动速度加快。负载的变化对运动速度影响较大, 速度刚性较差。改变节流口面积A L改变流量, 将开口调至最小, 可获得很低的速度, 调至最大可获得最高的速度, 调速范围较大, 可达1∶100。溢流阀调定压力应适当, 调得过小, 不能克服较大负载, 调得过大功率损失大, 因此要综合考虑最大负载时所需的压力, 节流阀压力差, 管路的压力损失等因素来调节溢流阀调定压力。此时液压缸的最大承载力Fmax=PyA1, 它不随节流口面积AL的改变而改变, 是恒定值。所用液压泵流量必须按液压缸最高速度所需流量选择, 这时泵输出的功率较大。但液压缸的速度和负载常常是变化的, 当系统以低速轻载工作时, 有效功率较小, 大量功率消耗在节流损失和溢流损失上, 使油温升高, 增加管路泄漏, 影响液压缸的运动速度。

2 出口节流调速回路

出口节流调速回路是将节流阀串联在液压缸的回油路上, 即安装在液压缸和油箱之间, 由节流阀控制与调节排出液压缸的流量来控制速度。见图2, 活塞的运动速度决定于进入液压缸的流量q 1和有效工作面积A1, 也取决于流出液压缸的流量 (等于流经节流阀的流量qL) 和A2。即v=qL/A2, 由前面知Δp是通过节流阀的压差, 即液压缸出油腔压力P2与油箱压力之差。油箱压力为零, Δp=P2, 活塞受向右、向左的力相等, 即P1A1=P2A2+F, P1=Py, 从上式中可以看出溢流阀调定值py和通流面积AL、液压缸有杆腔面积A2一定时, 负载加大, 液压缸运动速度降低;负载减小, 液压缸运动速度加快。负载的变化对运动速度影响较大, 速度刚性较差。基本原理与进口节流调速回路相似 (见图2) 。

出口节流调速回路和进口节流调速回路在性能上也有不同之处。

(1) 出口节流调速回路能承受一定的负负载 (与液压缸运动方向相同的负载) , 如铣床的顺铣时, 工作台受到一个与进给方向相同的铣削分力。出口节流阀放在液压缸的回油路上使液压缸回油腔产生一个背压, 并且运动速度越快, 背压也越高。受到负负载的作用也不会使液压缸发生前冲现象。进口节流调速由于节流阀安装在执行元件的进油路上, 回油路无背压, 负载消失时工作部件会产生前冲现象, 也不能承受负负载[2]。

(2) 低速平稳性出口节流调速优于进口节流调速。出口节流调速回路中液压缸回油腔的背压与运动速度的平方成正比, 是一种阻尼力。它不但有限速的作用, 且对运动部件的振动有抑制作用, 有利于提高执行元件的运动平稳性。

(3) 出口节流调速回路中回油压力高, 使得密封摩擦力增加, 密封件寿命减短, 并使泄漏增加, 效率降低。

(4) 出口节流调速回路中, 油液流经节流阀时产生的能量损失使油液发热后流回油箱, 通过油箱散热冷却后再重新进入泵和液压缸, 有效地进行降温。而进口节流调速回路中, 经节流阀后发热的油液直接进入液压缸, 油液的温度较高, 粘度降低, 液压缸泄漏增大, 速度稳定性降低。

(5) 出口节流调速回路中, 若停车时间较长, 液压缸回油腔会泄漏掉部分油液, 形成空隙。重新启动时, 液压缸全部流量进入液压缸, 使液压缸以较快的速度前冲, 直到空隙消除, 形成背压为止。前冲会损坏机件。对于进口节流调速回路, 在启动时调小节流阀口就能避免前冲, 启动冲击较小。

根据对进口、出口节流调速回路的调速性能分析可知, 工作部件的运动速度随外负载的增减而忽慢忽快, 难以得到稳定的的速度, 因而进、出口节流调速回路不适宜用在负载大、速度高或负载变化较大的场合, 适用于一般负载变化较小的小功率液压系统中, 如车床、磨床、钻床等机床的进给运动和一些辅助运动[1]。

3 旁路节流调速回路

旁路节流调速回路将节流阀安装在与液压缸并联的支路上, 泵输出的一部分油液进入液压缸, 其余经节流阀流回油箱 (见图3) 。

流经节流阀的流量越多, 执行元件的运动速度就越慢, 反之就越快。这里溢流阀不起溢流作用, 而起安全作用。其调定的压力大于克服最大负载所需压力, 系统正常工作时溢流阀处于关闭状态。运动速度为节流阀的进口压力P1决定于负载, 出口接油箱, 压力为零, Δp=P1=F/A1, 即从公式中可以看出节流阀通流面积越小, 流经的流量越少, 流入液压缸的流量就多, 液压缸的运动速度越快。当节流阀通流面积AL、无杆腔面积A1一定时, 负载增加活塞的运动速度显著减慢。反之亦然。旁路节流调速回路速度受负载变化的影响比进口、出口节流调速回路有明显的增大, 因而速度稳定性差。但运动速度越大, 负载越大, 速度刚性较高。这点与进出口节流调速相反。旁路节流调速回路的最大承载力随节流阀通流面积的增大而减小, 即低速时承载能力差, 只能用于高速范围。工作压力增加也会使泵的泄露增加, 但油液温升较小。因此旁路节流调速回路适用于动力较大, 速度较高, 而速度稳定性不高, 且调速范围小的液压系统中, 如牛头刨床的主运动传动系统等。

如上所述, 用节流阀组成的进、出油路和旁路节流阀调速回路都存在一个问题, 即负载变化引起节流阀两端的压力差变化, 使流经节流阀的流量发生变化, 从而导致执行元件的运动速度相应变化, 运动速度不稳定。通常为了稳定速度, 使用调速阀节流调速回路。调速阀一般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, 定差减压阀则自动补偿负载变化的影响, 使节流阀前后的压差为定值, 消除了负载变化对流量的影响。由于这种回路功率损失大, 效率低, 也只适用于功率较小的液压系统中。

总之, 我们了解了不同节流调速回路的特性, 为我们实际正确选用这些回路提供了理论依据和正确使用节流阀、调速阀提供帮助。

摘要：通过对几种节流调速回路的调速特性分析比较, 阐明它们的调速特性, 分析了它们在泄露、功率损失、速度刚性、承载力等方面的相同点和异同点。以此说明了它们适用范围, 为我们选用提供一些参考。

关键词：节流调速回路,节流损失,溢流损失,速度负载特性,速度刚性