流體機(jī)械調(diào)節(jié)與控制技術(shù)5

1、主講主講 吳曉明吳曉明24學(xué)時(shí)機(jī)電控制工程（24學(xué)時(shí)） Dr. 吳曉明3.7 液壓變量馬達(dá)變量調(diào)節(jié) 目前只有幾種液壓馬達(dá)既能達(dá)到很低的轉(zhuǎn)速，又能達(dá)到1000r/min以上的高速。液壓馬達(dá)可分為高速液壓馬達(dá)（50010000r/min）及低速液壓馬達(dá)（0.51000r/min）。液壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩，取決于馬達(dá)的排和壓差。低速大扭矩液壓馬達(dá)（LSHT）在低速時(shí)產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩。液壓馬達(dá)的功輸出，取決于馬達(dá)的和壓差。液壓馬達(dá)的功直接地正比于轉(zhuǎn)速，在需要高功輸出的場(chǎng)合，適宜選用高速馬達(dá)。而采用變量馬達(dá)，可以達(dá)到功率匹配節(jié)能降耗的目的。3.7.1 HD型液壓控制 圖3-89 HD液控變量職能原理圖1伺

2、服閥 2，3單向閥 4調(diào)壓彈簧 5反饋彈簧 6反饋桿 7變量缸 VgmaxVgmin3.7.1 HD型液壓控制 液壓馬達(dá)起始排量為最大排量 向液壓馬達(dá)的A、B工作油口的任一油口提供壓力油時(shí)，壓力油都能通過單向閥2或3進(jìn)入變量缸7的有桿腔，即變量缸小腔常通高壓。 當(dāng)X口先導(dǎo)控制壓力升高，先導(dǎo)控制壓力油作用在先導(dǎo)壓力控制伺服閥1的閥芯上的力將克服調(diào)壓彈簧4和反饋彈簧5的合力，推動(dòng)先導(dǎo)壓力控制伺服閥閥芯向右移動(dòng)，當(dāng)先導(dǎo)控制壓力升高至液壓馬達(dá)變量起始?jí)毫r(shí)，閥1將處于中位。3.7.1 HD型液壓控制 如果先導(dǎo)控制壓力繼續(xù)升高，伺服閥芯將進(jìn)一步右移，伺服閥1處于左位機(jī)能，液壓馬達(dá)工作壓力油經(jīng)伺服閥1進(jìn)入

3、變量缸無桿腔。 由于變量活塞7兩端面積不相等，當(dāng)兩端都受壓力油作用時(shí)，變量活塞7將向左運(yùn)動(dòng)，固定在變量活塞上的反饋桿6將帶動(dòng)配流盤及缸體擺動(dòng)，使缸體與主軸之間的夾角減小，從而使液壓馬達(dá)排量減小。 同時(shí)，反饋桿6壓縮反饋彈簧5，迫使伺服閥1的閥芯向左移動(dòng)直到伺服閥1回到中位，變量缸無桿腔的油道被封閉，液壓馬達(dá)停止變量將處于一個(gè)與先導(dǎo)控制壓力相對(duì)應(yīng)的排量位置。這屬于位移力反饋，利用變量活塞的位移，通過彈簧反饋使控制閥芯在力平衡條件下關(guān)閉閥口，從而使變量活塞定位。3.7.1 HD型液壓控制 當(dāng)X口的控制壓力降低，伺服閥芯上的力平衡被打破，彈簧力大于液壓力，伺服閥1將由中位機(jī)能變?yōu)橛椅粰C(jī)能，變量缸無桿

4、腔變?yōu)榈蛪海谟袟U腔壓力油的作用下，變量活塞將向右運(yùn)動(dòng)，固定在變量活塞上的反饋桿6將帶動(dòng)配流盤及缸體擺動(dòng)，使缸體與主軸之間的夾角增大，從而使液壓馬達(dá)排量增大。 同時(shí)，由于反饋桿6隨變量活塞向右移動(dòng)，反饋彈簧5壓縮量將減少，反饋彈簧作用在伺服閥1閥芯上的力將減小，伺服閥芯向右移動(dòng)直到伺服閥1處于中位（在圖3-89中未畫出），變量缸7大腔的油道被封閉，液壓馬達(dá)停止變量。 綜上所述，當(dāng)先導(dǎo)控制壓力在變量起始?jí)毫妥兞拷K止壓力之間變化時(shí)，液壓馬達(dá)排量將在最大和最小之間相應(yīng)變化。3.7.1 HD型液壓控制圖3-90 HD控制特性曲線3.7.2 HD1D型液壓控制+壓力切斷控制圖3-91 HD1D液壓控制

5、職能原理圖1伺服閥 2調(diào)壓彈簧 3反饋彈簧 4反饋桿 5變量缸 6變量缸活塞 7壓力切斷閥 8，9單向閥VgmaxVgmin3.7.2 HD1D型液壓控制+壓力切斷控制 HD1D型控制是在HD型控制基礎(chǔ)上增加了一臺(tái)壓力切斷閥7而成的。 當(dāng)液壓馬達(dá)工作壓力低于切斷壓力設(shè)定值時(shí)，壓力切斷閥7處于右位機(jī)能，此時(shí)壓力切斷閥7僅相當(dāng)于是伺服閥1與變量缸6大腔之間的一段油液通道，液壓馬達(dá)完全受先導(dǎo)壓力的控制。 當(dāng)液壓馬達(dá)工作壓力升高，達(dá)到切斷壓力設(shè)定值時(shí)，壓力切斷閥7將處于中位機(jī)能位置，此時(shí)，變量缸無桿腔油路被封閉，液壓馬達(dá)將保持當(dāng)前的排量。 當(dāng)液壓馬達(dá)工作壓力繼續(xù)升高，壓力切斷閥7將處于左位機(jī)能位置，使

6、變量缸無桿腔與低壓油路接通，變量缸6活塞將在小腔壓力油的作用下向右移動(dòng)，使液壓馬達(dá)排量增大。3.7.2 HD1D型液壓控制+壓力切斷控制 眾所周知，如果由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的緣故或由于液壓馬達(dá)擺角減小而造成系統(tǒng)壓力升高，在達(dá)到恒壓控制的設(shè)定值時(shí)，液壓馬達(dá)擺向較大的擺角。由于增大排量導(dǎo)致壓力減小，控制器偏差消失。隨著排量的增加，液壓馬達(dá)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，而壓力保持常值，此壓力設(shè)定值的大小可通過改變壓力控制閥7上彈簧的預(yù)壓縮值確定。 液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩是根據(jù)負(fù)載的需要而決定的，即對(duì)于一個(gè)確定的負(fù)載來說，所需的馬達(dá)扭矩也是確定的，而液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩是其排量與進(jìn)出口壓差的乘積，在液壓馬達(dá)工作壓力高于切斷壓力設(shè)定

7、值的情況下，壓力控制閥7一直處于左位機(jī)能，液壓馬達(dá)排量持續(xù)增大，直到液壓馬達(dá)工作壓力下降到與切斷壓力設(shè)定值相等，壓力控制閥7回到中位機(jī)能位置，液壓馬達(dá)停止變量。 總之，液壓馬達(dá)的壓力切斷控制功能就是根據(jù)外部負(fù)載的變化自動(dòng)改變液壓馬達(dá)排量，從而使液壓馬達(dá)的工作壓力保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。 3.7.2 HD1D型液壓控制+壓力切斷控制先導(dǎo)壓力控制與壓力切斷控制之間的關(guān)系是：先導(dǎo)壓力控制和壓力切斷控制不能同時(shí)對(duì)液壓馬達(dá)起控制作用，在液壓馬達(dá)工作壓力低于切斷壓力設(shè)定值時(shí)，液壓馬達(dá)將完全由先導(dǎo)壓力來控制；當(dāng)液壓馬達(dá)工作壓力達(dá)到切斷壓力設(shè)定值后，液壓馬達(dá)將由壓力切斷控制閥自動(dòng)控制。這種具有壓力切斷功能的先導(dǎo)壓

8、力控制變量柱塞液壓馬達(dá)，將人工控制和自動(dòng)控制有機(jī)地結(jié)合起來，克服了傳統(tǒng)變量液壓馬達(dá)單一控制方式的缺點(diǎn)，大大地提升了主機(jī)系統(tǒng)的操控性能和安全性能，從而提高了工作效率。3.7.2 HD1D型液壓控制+壓力切斷控制圖3-91 HD1D液壓控制職能原理圖1伺服閥 2調(diào)壓彈簧 3反饋彈簧 4反饋桿 5變量缸 6變量缸活塞 7壓力切斷閥 8，9單向閥3.7.3 HS型液壓兩點(diǎn)變量控制 圖3-92 液壓兩點(diǎn)控制職能原理圖和特性曲線a) 控制職能原理圖 b）先導(dǎo)壓力與排量之間的關(guān)系曲線 3.7.3 HS型液壓兩點(diǎn)變量控制 這種控制方式與HD控制方式的區(qū)別在于后者沒有反饋彈簧，只按外控油的先導(dǎo)壓力來兩點(diǎn)式控制液

9、壓馬達(dá)排量，變量控制的原理以及先導(dǎo)壓力與排量之間的關(guān)系曲線見圖3-92。 這種變量方式，就是從X油口通入先導(dǎo)控制壓力油，只要先導(dǎo)油壓力超過調(diào)壓彈簧的設(shè)定壓力，就會(huì)推動(dòng)控制滑閥在左位工作，從負(fù)載口來的壓力油進(jìn)入變量缸活塞的右腔，推動(dòng)液壓馬達(dá)斜盤傾角減小，由于無反饋彈簧的控制作用，變量活塞將一直向左運(yùn)動(dòng)到排量限定位置，液壓馬達(dá)將處在最小排量工作模式。而當(dāng)先導(dǎo)壓力油卸載，控制滑閥在彈簧的作用下回到右位，變量缸活塞右腔回油箱，在高壓油的作用下，液壓馬達(dá)處在最大排量模式，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)式控制。3.7.4 HA型高壓自動(dòng)變量控制 a) b) 圖 3-93 高壓自動(dòng)變量控制職能原理圖a) HA1型高壓自動(dòng)變量 b

10、) HA2型高壓自動(dòng)變量3.7.4 HA型高壓自動(dòng)變量控制在與高壓有關(guān)的自動(dòng)控制中（見圖3-93），排量的設(shè)定值隨工作壓力的變化而自動(dòng)改變。此種變量方式，當(dāng)A或B口的內(nèi)部工作壓力一旦達(dá)到控制閥調(diào)壓彈簧的設(shè)定壓力值時(shí)，液壓馬達(dá)的排量由最小排量Vgmin向最大排量Vgmax轉(zhuǎn)變?？刂破瘘c(diǎn)在最小排量Vgmin（最小轉(zhuǎn)矩，最高轉(zhuǎn)速），控制終點(diǎn)在最大排量Vgmax(最大轉(zhuǎn)矩，最低轉(zhuǎn)速)。有兩種方式供選用，無壓力增量HA1型和壓力增量p為10MPa的HA2型。3.7.4 HA型高壓自動(dòng)變量控制a) b) 圖3-94 HA高壓自動(dòng)變量特性曲線a) HA1型工作壓力和排量的關(guān)系 b) HA2型工作壓力和排量的

11、關(guān)系 3.7.5 ES型電動(dòng)雙速兩點(diǎn)排量控制 圖3-95 電動(dòng)雙速兩點(diǎn)控制3.7.5 ES型電動(dòng)雙速兩點(diǎn)排量控制液壓馬達(dá)排量處于Vgmin或Vgmax是由控制電磁鐵通斷來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖3-95所示結(jié)構(gòu)，電磁鐵斷電時(shí)，在壓力油的作用下，變量缸有桿腔通壓力油，無桿腔接回油，此時(shí)液壓馬達(dá)的排量最大，液壓馬達(dá)輸出最大轉(zhuǎn)矩和最低轉(zhuǎn)速。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，控制滑閥左位工作，變量缸無桿腔進(jìn)油，由于變量缸的作用面積不一樣，在油壓的作用下，變量活塞向左移動(dòng)，馬達(dá)排量最小，此時(shí)液壓馬達(dá)輸出最小轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速。有兩種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)， 控制起點(diǎn)在Vgmax（最大轉(zhuǎn)矩、最低轉(zhuǎn)速）和控制起點(diǎn)在Vgmin（最小轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速）有兩種控

12、制方案供選用，ES1（控制電壓DC12V）和ES2（控制電壓DC24V）。 3.7.6 EP型電液比例控制 圖3-96 EP型電液比例變量控制職能原理圖 3.7.6 EP型電液比例控制圖3-97 EP型電液比例變量控制特性曲線 3.7.6 EP型電液比例控制 其工作原理是向液壓馬達(dá)的A、B工作油口的任一口提供壓力油時(shí)，壓力油都能通過單向閥進(jìn)入變量缸的有桿腔，即變量缸有桿腔常通高壓。當(dāng)比例電磁鐵的電流增加時(shí)，電磁力作用在比例閥閥芯上，克服調(diào)壓彈簧和反饋彈簧的合力，推動(dòng)比例閥閥芯向右移動(dòng)，比例閥處于左位機(jī)能，液壓馬達(dá)工作壓力油經(jīng)比例閥進(jìn)入變量缸無桿腔。由于變量活塞兩端面積不相等，當(dāng)兩端都受壓力油作

13、用時(shí)，變量活塞將向左運(yùn)動(dòng)，固定在變量活塞上的反饋桿將帶動(dòng)配流盤及缸體擺動(dòng)，使缸體與主軸之間的夾角減小，從而使馬達(dá)排量減小。同時(shí)，反饋桿將壓縮反饋彈簧，反饋彈簧作用在比例閥閥芯上的力增大，迫使閥芯向左移動(dòng)，直到與電磁力平衡，比例閥回到中位，變量缸無桿腔的油道被封閉，液壓馬達(dá)停止變量。 3.7.6 EP型電液比例控制此時(shí)，液壓馬達(dá)將處于比例閥電流相對(duì)應(yīng)的排量位置；當(dāng)控制電流降低，比例閥芯上的力平衡被打破，彈簧力大于電磁力，比例閥將由中位機(jī)能變?yōu)橛椅粰C(jī)能，變量缸無桿腔變?yōu)榈蛪海谟袟U腔壓力油的作用下，變量活塞將向右運(yùn)動(dòng)，固定在變量活塞上的反饋桿將帶動(dòng)配流盤及缸體擺動(dòng)，使缸體與主軸之間的夾角增大，從而

14、使液壓馬達(dá)排量增大。同時(shí)，由于反饋桿隨變量活塞向右移動(dòng)，反饋彈簧壓縮量減小，反饋彈簧作用在比例閥閥芯上的力減小，比例閥芯向右移動(dòng)直到比例閥處于中位，變量缸大腔的油道被封閉，液壓馬達(dá)停止變量。綜上所述，當(dāng)控制電流在變量起始?jí)毫妥兞拷K止壓力之間變化時(shí)，液壓馬達(dá)排量將在最大和最小之間相應(yīng)變化?？刂齐娏骱洼敵雠帕康奶匦郧€見圖3-97。電控方式EPD液壓比例控制圖3-98 EPD控制方式職能原理圖 電控方式EPD液壓比例控制恒壓控制覆蓋EP液壓比例控制功能，如果系統(tǒng)壓力由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩（例如負(fù)載瞬變）的緣故或由于液壓馬達(dá)擺角減小而升高，當(dāng)壓力達(dá)到了壓力控制閥3的恒壓設(shè)定值時(shí)，圖3-98中壓力控制閥3上位

15、工作，壓力油推動(dòng)變量活塞6使液壓馬達(dá)開始擺動(dòng)到一個(gè)較大的排量角度。排量增加導(dǎo)致系統(tǒng)壓力的減小，從而引起控制器偏差增加。當(dāng)壓力保持常數(shù)值時(shí)，隨著排量的增加馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩也在增大。壓力控制閥的設(shè)定范圍：當(dāng)排量在28200mL/r 時(shí)為840MPa；當(dāng)排量在2501000 mL/r時(shí)為8035MPa。3.7.7 DA型轉(zhuǎn)速液壓控制1行駛方向閥 2伺服滑閥圖3-99 DA轉(zhuǎn)速液控變量職能原理圖及輸出特性曲線a) 控制職能原理圖 b）轉(zhuǎn)速與排量之間的關(guān)系曲線3.7.7 DA型轉(zhuǎn)速液壓控制 具有速度依賴于液壓控制的變量液壓馬達(dá)，其與A4VG帶有DA控制的變量泵一起用于靜液傳動(dòng)。來自于A4VG變量泵的驅(qū)動(dòng)速度的

16、先導(dǎo)壓力與工作壓力一起，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量。若按先導(dǎo)壓力，變量起點(diǎn)是在最大排量Vgmax處（到Vgmin）；若按工作壓力，變量起點(diǎn)是在最小排量Vgmin處（到Vgmax）。由A4VG變量泵的輸出的轉(zhuǎn)速和工作壓力確定的液控先導(dǎo)壓力（提高原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速=提高泵的轉(zhuǎn)速=提高先導(dǎo)壓力）可控制液壓馬達(dá)的變量擺角。加載油口X1和X2上的液控先導(dǎo)壓力依靠行駛方向而定。泵的輸入轉(zhuǎn)速增高時(shí)，引起液控先導(dǎo)壓力升高，同時(shí)也使工作壓力升高。將A4VG變量泵確定的先導(dǎo)壓力引到X1或X2油口，如圖-99所示。 3.7.7 DA型轉(zhuǎn)速液壓控制例如，X2接通，行駛方向閥1左位工作，先導(dǎo)液壓油通過行駛方向閥1作用在圖3-99中下

17、面的伺服滑閥2閥芯左腔，克服彈簧力伺服滑閥2左位工作，壓力油推動(dòng)變量活塞使馬達(dá)向減小排量方向轉(zhuǎn)變（轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速增加）。假如工作壓力升高到超過變量機(jī)構(gòu)壓力控制設(shè)定的壓力值，則液壓馬達(dá)向增大排量方向轉(zhuǎn)變（轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速降低）。先導(dǎo)壓力pst與高壓pH的比保持定值的比為3/100。先導(dǎo)壓力變化0.3MPa（升或降）相應(yīng)使工作壓力升、降10MPa。設(shè)計(jì)帶DA變量的驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，必須考慮A4VDA變量泵的技術(shù)數(shù)據(jù)。3.7.7 DA型轉(zhuǎn)速液壓控制DA控制主要實(shí)現(xiàn)以下功能：自動(dòng)無級(jí)變速的車輛控制、怠速無排量、發(fā)動(dòng)機(jī)升速（車提速）和爬坡自動(dòng)降速；自動(dòng)功率匹配（高負(fù)載時(shí)自動(dòng)降速）和合理的功率分配（行走與工作機(jī)構(gòu)

18、）；極限載荷調(diào)節(jié)（最大載荷限制）；人工功率分配；其他如最佳油耗等。 3.7.8 MO型轉(zhuǎn)矩變量控制 圖3-100 MO轉(zhuǎn)矩變量控制職能原理圖3.7.8 MO型轉(zhuǎn)矩變量控制 轉(zhuǎn)矩變量控制主要用來驅(qū)動(dòng)絞車，產(chǎn)生恒定的牽引力，控制起點(diǎn)在Vgmin（最小轉(zhuǎn)矩，最高轉(zhuǎn)速）。這種變量控制方式通過改變液壓馬達(dá)的排量而得到恒定的轉(zhuǎn)矩。如圖3-100所示，工作原理是，若工作壓力比較低，那么滑閥左腔的控制壓力也比較低，在控制滑閥彈簧的作用下，使得變量缸無桿腔接通油箱，此時(shí)變量活塞有桿腔在工作壓力的作用下使液壓馬達(dá)排量增大，壓力減小，可以保持轉(zhuǎn)矩不變。3.6.6與轉(zhuǎn)速有關(guān)的DA控制（速度敏感控制）當(dāng)工作壓力增加時(shí)，壓力油會(huì)克服彈簧力推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，使來自于A或B的壓力油進(jìn)入變量缸的無桿腔，推動(dòng)變量機(jī)構(gòu)向減小排量的方向變化，與變量活塞桿連接的反饋桿壓縮反饋彈簧形成力反饋，同時(shí)，閥芯位移增加使滑閥左腔通過滑閥閥口與回油相通，控制