节流阀调速回路性能注意事项

速度控制回路是调节和变换执行元件速度的回路。速度控制回路包括调速回路、快速回路和速度换接回路三种。调速回路是调节执行元件运动速度的回路，包括节流调速回路、容积调速回路和容积节流调速回路。快速回路是使执行元件快速运动的回路。速度换接回路是变换执行元件运动速度的回路。

液压缸的速度v＝q/A，液压马达的转速n＝q/Vm，节流调速回路是用定量泵供油系统，调节流量控制阀来改变输入或输出执行元件的流量q来调速的回路。

容积调速回路是改变液压泵（马达）的排量Vm来调速的回路。

容积节流调速回路是同时调节泵的排量和流量控制阀来调速的回路。

1．节流调速回路

节流调速回路按流量控制阀安放位置的不同，分为进油节流阀调速回路、回油节流阀调速回路和旁路节流阀调速回路三种。

1）进油节流阀调速回路

进油节流阀调速回路将节流阀串联在泵与缸之间，即构成进油节流阀调速回路，如图7－13（a）所示。泵输出的油液一部分经节流阀进入缸的工作腔A1，多余的油液经溢流阀流回油箱，泵的出口压力pp保持恒定。调节节流阀的通流面积A，即可改变通过节流阀的流量，从而调节液压缸的运动速度。

选常用的单活塞杆液压缸分析，稳定时，流量连续性方程

qp＝q1＋Δq

活塞缸受力平衡方程

p1A1＝F

节流阀压力流量方程

图7－13 进油节流阀调速回路

速度－负载特性方程

式中：p1、p2分别为缸的进油腔和回油腔压力（由于回油通油箱，p2≈0）；A1、A2分别为缸的进油腔和回油腔有效工作面积；Δp为节流阀两端的压差＝pp－p1＝pp－F/A1；F为缸的负载；q1为通过节流阀的流量；pp为泵的出口压力；A为节流阀孔口截面面积；C为系数，C＝。

（1）按式（7－1）选用不同的A值，可作出一组速度－负载特性曲线〔见图7－13（b）〕，无级调速范围大，速比可达100。

（2）速度随负载变化的程度称为速度刚度，其值等于该点的斜率。曲线越陡，负载变化对速度的影响越大，即速度刚度越小，该点的速度稳定性差。节流阀流通面积A一定时，重载区比轻载区的速度刚度小；在相同负载下工作时，节流阀通流面积大的比面积小的速度刚度小，即速度高时速度刚度差。

（3）最大负载为Fmax＝ppA1。多条特性曲线交汇于横坐标轴上的一点，该点对应的F值即为最大负载，此时缸停止运动（v＝0）。

（4）回路的效率η＝较低，有溢流和节流损失，效率一般为0．2～0．6。负载变化大时，最大效率为0．385。

（5）进油节流阀调速回路适用于轻载、低速、负载变化不大和对速度稳定性要求不高的小功率场合。

2）回油节流阀调速回路

如图7－14所示，将节流阀串联在缸的回油路上，即构成回油调速回路。

流量连续性方程

qp＝q1＋Δq

活塞缸受力平衡方程

ppA1＝p2A2＋F

节流阀压力流量方程

图7－14 回油节流阀调速回路

速度－负载特性方程

式中，q2为通过节流阀的流量；其他符号意义与式（7－1）相同。

回油与进油节流阀调速的速度－负载特性及速度刚度基本相同，若缸两腔有效面积相同（双出杆腔），则速度－负载特性和速度刚度就完全一样。进油和回油两种调速回路不同之处如下。

（1）速度平稳性 回油调节回路的节流阀使缸的回油腔形成一定的背压（p2≠0），因而能承受负值负载，并提高了缸的速度平稳性。

（2）发热及泄漏 发热及泄漏对进油节流阀调速的影响均大于回油节流阀调速的影响。进油节流阀发热后的油液进入缸的进油腔，回油节流阀发热后的油液直接流回油箱冷却。

（3）低速稳定性 若回路使用单杆缸，无杆腔进油流量大于有杆腔回油流量。故在缸径、缸速相同的情况下，进油节流阀调速回路的节流阀开口较大，低速时不易堵塞，能获得更低的稳定速度。

（4）启动性能 长期停车后缸内油液会流回油箱，当泵重新向缸供油时，在回油节流阀调速回路中，由于进油路上没有节流阀控制流量，会使活塞向前冲；而在进油节流阀调速回路中，一般活塞不会前冲。

（5）压力控制 进油调速回路容易实现压力控制。当工作部件在行程终点碰到死挡铁后，缸的进油腔油压会上升到调定压力，利用这个压力变化，可使并联于此处的压力继电器发出信号，对系统的下步动作实现控制。

（6）为了提高回路的综合性能，一般采用进油节流阀调速，并在回油路上加背压阀，使其兼具两者的优点。

3）旁路节流阀调速回路

把节流阀接在溢流阀与执行元件并联的旁油路上可构成旁路调速回路，如图7－15（a）所示。通过调节节流阀的通流面积A来控制流回油箱的流量Δq，即可实现调速。由于溢流已由节流阀承担，故溢流阀实为安全阀，常态时关闭，过载才打开，其调定压力为最大工作压力的1．1～1．2倍，故泵工作过程中压力随负载的变化而变化，须考虑内泄漏Δqp。

设泵的理论流量为qpt，泵的泄漏系数为KL，其他符号意义同前，则缸的运动速度为

按式（7－3）选取不同的A值可作出一组速度－负载特性曲线〔见图7－15（b）〕。由速度－负载特性曲线可见，当节流阀通流面积A一定而负载F增加时，速度v下降较前两种回路更为严重，即特性很软，速度稳定性很差；在重载高速时，速度刚度较好，这与前两种回路恰好相反。其最大承载能力随节流阀通流面积A的增加而减小。即旁路节流调速回路的低速承载能力很差，调速范围也小。故其应用比前两种回路少，只用于高速、重载、对速度平稳性要求不高的较大功率的系统中，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。

图7－15 旁油节流阀调速回路

旁路节流阀调速回路只有节流损失而无溢流损失；泵压随负载变化，即节流损失和输入功率随负载而增减，因此，旁路节流阀调速回路比前两种回路的效率高。

4）采用调速阀的节流调速回路

节流阀调速回路中节流阀两端的压差随负载的变化而变化，故速度刚度、速度平稳性差。

用调速阀代替节流阀，由于调速阀本身能在负载变化的条件下保证节流阀进、出油口间的压差基本不变，通过的流量也基本不变，所以，回路的速度－负载特性得到了改善，旁路节流调速回路的承载能力也不因活塞速度降低而减小，但压差应大于0．5MPa，如图7－13和图7－15所示。

2．容积调速回路

通过改变泵或马达的流量来进行调速的方法称为容积调速。其主要优点是没有节流损失和溢流损失，因而效率高，系统温升小，适用于高速大功率调速系统。容积调速回路根据油液的循环方式可分为开式回路和闭式回路两种。在开式回路中，从油箱吸油，执行元件的回油直接回油箱，油液能得到较好的冷却，但油箱体积大，空气和脏物容易混入回路，影响正常工作。

在闭式回路中，执行元件的回油腔直接与泵的吸油腔相连，结构紧凑，只需很小的补油箱，空气和脏物不易混入回路，但油液的散热条件差，为了补充泄漏，并进行换油和冷却，需设补油泵（其流量为主泵的10％～15％，压力为0．3～0．5MPa）。

1）变量泵－缸容积调速回路

图7－16（a）所示为变量泵－缸容积调速回路，改变单向变量液压泵1的油液压力可实现对单活塞杆缸的无级调速。单向阀3用来防止停机时油液倒流入油箱和空气进入系统。油缸活塞速度为

各参数符号意义同前，调节单向变量液压泵的输出流量qpt，得到不同的活塞速度，如图7－16（b）所示，由于泵泄漏量随负载F的增大而增大，速度刚度仍较差。

图7－16 变量泵－缸容积调速回路

1—单向变量液压泵；2、6—溢流阀；3—单向阀；4—二位四通换向阀；5—单活塞杆缸

2）变量泵－定量马达回路

图7－17所示为变量泵－定量马达容积调速回路，此回路为闭式回路。单向定量液压泵（补油泵）1将冷油送入回路，而从溢流阀3流入回路为多余的热油。

图7－17 变量泵－马达容积调速回路

1—单向定量液压泵；2—单向阀；3、5—溢液阀；

4—单向变量液压泵；6—单向定量马达

不计损失时，马达输出的转速、转矩、功率为

改变单向变量液压泵4排量qpt，可使单向定量马达6的转速n M和功率PM成比例变化。单向定量马达的转矩TM和回路的工作压力p都由负载转矩决定，不因调速的改变而发生变化，故称这种回路为等转矩调速回路。

由于泵和执行元件都有泄漏，速度刚度要受负载变化的影响。所以，当qpt还未调到零值时，实际的n M、TM和PM都已为零值。这种回路若采用高质量的轴向柱塞变量泵，其调速范围Rp可达40，当采用变量叶片泵，Rp仅为5～10。

3）定量泵－变量马达回路

如图7－18所示，这种回路的n M和VM均为常数，改变VM时，TM与VM成正比变化，n M与VM成反比（按双曲线规律）变化。当VM减小到一定程度，TM不足以克服负载时，单向变量马达便停止转动。不仅不能在运转过程中用改变VM的办法使单向变量马达通过VM＝0来实现反向，而且其调速范围RM也很小，即使采用了高效率的轴向柱塞马达，RM也只有4左右。在不考虑定量泵和变量马达效率变化的情况下，由于定量泵的最大输出功率不变，故在改变VM时，变量马达的输出功率PM也不变，故称这种回路为恒功率调速回路。这种回路能最大限度发挥原动机的作用，要保证输出功率为常数，变量马达的调节系统应是一个自动的恒功率装置，其原理就是保证变量马达的进、出口压差Δp M为常数。

图7－18 定量泵－变量马达容积调速回路

1、4—单向定量液压泵；2—单向阀；3、5—溢流阀；6—单向变量马达

4）变量泵－变量马达回路

图7－19所示为双向变量液压泵和双向变量马达的容积调速回路。双向变量液压泵1正、反向供油，双向变量马达6就正、反向旋转。单向阀2、3的作用是始终保证单向定量液压泵（做补油泵）8的油液只能进入双向变量液压泵的低压腔，单向阀4、5使溢流阀（做安全阀）9在两个方向都起过载保护作用。

图7－19 变量泵－变量马达容积调速回路

1—双向变量液压泵；2、3、4、5—单向阀；6—双向变量马达；7—低压溢流阀；8—单向定量泵；9—溢流阀（安全阀）

该回路中，变量泵的排量Vp和变量马达的排量VM都可调节，马达的调速范围得到扩大。

变量马达的转速n M由低速向高速调节时，低速阶段应将VM固定在最大值上，改变Vp使其从小到大逐渐增加，n M也由低向高增大，直到Vp达到最大值。在此过程中，变量马达最大转矩TM不变，而PM逐渐增大，这一阶段为等转矩调速，调速范围为Rp。

高速阶段时，应将Vp固定在最大值上，VM由大变小，而n M继续升高，直至达到变量马达允许的最高转速为止。在此过程中，TM由大变小，而PM不变，这一阶段为恒功率调节，调节范围为RM。这样的调节顺序，可以满足大多数机械在低速时能保持较大转矩，高速时能输出较大功率的要求。这种调速回路，实际上是上述两种调速回路的组合，其总调速范围为上述两种回路调速范围之乘积，即R＝Rp×RM。

另有由多泵组合或由多马达组合（起重机的起升机构上，两马达轴固联）的容积式分级调速回路。

3．容积节流调速回路

容积节流调速回路是变量泵和流量控制阀组合而成的调速回路。这种调速回路没有溢流损失，效率高，发热少，速度稳定性也比单纯的容积调速回路得到提高。

图7－20（a）所示为单向变量泵（做限压）1与调速阀2组成的容积节流调速回路。为获得更低的稳定速度，调速阀常放在进油路上，空载时单向变量泵以最大流量进入缸6使其快进。进入工进时，二位二通换向阀3应通电使其所在油路断开，压力油经调速阀2流入缸内。缸6的运动速度由调速阀中节流阀的通流面积A来控制。单向变量泵的输出流量qp和出口压力pp自动与缸6所需流量q1相适应匹配。工进结束后，压力继电器5发出信号，使二位二通换向阀3和二位四通换向阀4换向，调速阀再被短接，缸6快退。溢流阀7起背压作用，Δp＝pp－p1。

图7－20（b）中的ABC为限压式变量叶片泵的压力流量特性曲线，CDE为调速阀某一开度流量q1与两端压差Δp的关系曲线，交点F为回路的工作点。此回路速度刚性好，速度稳定性高，因变量泵的压力为一定值pp，故称此回路为定压式容积节流调速回路。

图7－20 限压式变量泵与调速阀调速回路

1—单向变量液压泵；2—调速阀；3—二位二通换向阀；4—二位四通换向阀；

5—压力继电器；6—单活塞杆缸；7—溢流阀

4．速度换接回路

速度换接回路的功用是使执行元件在一个工作循环中，从一种运动速度变换到另一种运动速度。

1）快速与慢速的换接回路

图7－21所示为用行程阀的快慢速度换接回路。在图示状态下，单活塞杆缸7快进，当活塞杆上的挡块压下行程阀6时，单活塞杆缸右腔油液经可调节流阀4流回油箱，活塞转为慢速工进；当二位二通换向阀2右位接入回路时，活塞快速返回。该回路的优点是速度换接过程比较平稳，换接点位置精度高；缺点是行程阀的安装位置不能任意布置。若将行程阀改为电磁阀，通过挡块压下电气行程开关来操纵，则其平稳性和换接精度均不如行程阀好。多级调压回路的动作循环表如表7－3所示。

图7－21 行程阀速度换接回路

1—单向定量液压泵；2—二位四通换向阀；3—溢流阀；4—可调节流阀；5—单向阀；6—行程阀；7—单活塞杆缸

表7－3 多级调压回路的动作循环表

2）两种不同慢速的换接回路

图7－22所示为两调速阀串联的速度换接回路，调速阀5调速比调速阀4要小。

图7－22 两调速阀串联的速度换接回路

1—三位四通电磁阀；2、3—二位电磁阀常断；4、5—调速阀

图7－23（a）中两调速阀并联的速度换接回路，由二位电磁阀常断3换接，两调速阀各自独立调节流量，互不影响；但一个调速阀工作时，另一个调速阀无油液通过，其减压阀在最大开口位置，速度换接时大量油液通过该处使执行元件突然向前冲。

图7－23（b）所示回路的速度换接平稳性较好。

另外，快速回路的功用是加快执行元件的空载运行速度，以提高系统的工作效率，常用差动缸、蓄能器、双泵供油的方法。

图7－23 两调速阀串联的速度换接回路

1—三位四通电磁换向阀；2、3—二位电磁阀常断；4、5—调速阀