第六章液壓基本回路

第六章液壓基本回路

隨著工業(yè)現(xiàn)代化技術的發(fā)展，機械設備的液壓傳動系統(tǒng)為完成各種不同的控制功能有不同的組成形式,有些液壓傳動系統(tǒng)甚至很復雜。但無論何種機械設備的液壓傳動系統(tǒng)，都是由一些液壓基本回路組成的。所謂基本回路就是能夠完成某種特定控制功能的液壓元件和管道的組合。例如用來調節(jié)液壓泵供油壓力的調壓回路，改變液壓執(zhí)行元件工作速度的調速回路等都是常見的液壓基本回路，所謂全局為局部之總和，因而熟悉和掌握液壓基本回路的功能，有助于更好地分析使用和設計各種液壓傳動系統(tǒng)。

第一節(jié)壓力控制回路第二節(jié)速度控制回路第三節(jié)多缸工作控制回路第四節(jié)其它回路第一節(jié)壓力控制回路

壓力控制回路是利用壓力控制閥來控制系統(tǒng)整體或某一部分的壓力，以滿足液壓執(zhí)行元件對力或轉矩要求的回路，這類回路包括調壓、減壓、增壓、卸荷和平衡等多種回路。一.調壓回路

調壓回路的的功用是使用液壓系統(tǒng)整體或部分的壓力保持恒定或不超過某個數(shù)值。在定量泵系統(tǒng)中，液壓泵的供油壓力可以通過溢流閥來調節(jié)。在變量泵系統(tǒng)中，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力，防止系統(tǒng)過載。若系統(tǒng)中需要二種以上的壓力,則可采用多級調壓回路。（1）單級調壓回路

如圖4-15所示,在液壓泵出口設置并聯(lián)的溢流閥，即可組成單級調壓回路,從而控制了液壓系統(tǒng)的最高壓力值。（2）二級調壓回路

如右圖所示為二級調壓回路，可實現(xiàn)兩種不同的系統(tǒng)壓力控制。由先導溢流閥2和直動式溢流閥4各調一級，當二位二通電磁閥3處于圖示位置時，系統(tǒng)壓力由閥2調定，當閥3得電處于右位時，系統(tǒng)壓力由閥4調定，但要注意：閥4的調定壓力一定要小于閥2的調定壓力，否則不能實現(xiàn)；當系統(tǒng)壓力由閥4調定時，先導型溢流閥2的先導閥口關閉，但主閥開啟，液壓泵的溢流流量經主閥回油箱。（3）多級調壓回路

在多級液壓調壓回路（如右圖所示）中，液壓泵出口處并聯(lián)一個先導溢流閥，其遠程控制口串接二位二通電磁換向閥和遠程調壓閥。當先導溢流閥的調定壓力和遠程調壓閥的調定壓力符合p1p2時，系統(tǒng)可通過電磁換向閥的上位和下位分別得到p1和p2兩種系統(tǒng)調定壓力。在溢流閥的遠程控制口處通過接入多位換向閥的不同油口，并聯(lián)多個調壓閥,即可構成多級調壓回路。（4）連續(xù)、按比例進行壓力調節(jié)的回路

如右圖所示調節(jié)先導型比例電磁溢流閥1的輸入電流I，即可實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的無級調節(jié)，這樣不但回路結構簡單，壓力切換平穩(wěn)，而且更容易使系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離控制或程控。二.減壓回路

減壓回路是使系統(tǒng)中某一部分油路具有較低的穩(wěn)定壓力。最常見的減壓回路通過定值減壓閥與主油路相連，如右下圖所示，液壓缸5的工作壓力比液壓缸4的工作壓力高，為使液壓缸4能夠正常工作，在回路中并聯(lián)了一個減壓閥3，使液壓缸4得到一穩(wěn)定的、比液壓缸5壓力低的壓力。減壓閥如果采用前述溢流閥的類似安裝方法，可得到兩級或多級的減壓回路。為使減壓回路工作可靠，減壓閥的最低調整壓力不應低于0.5MPa，最高調整壓力至少比系統(tǒng)壓力低0.5MPa。當減壓回路中的執(zhí)行元件需要調速時，調速元件應放在減壓閥的后面，以免因減壓閥的泄漏影響調速。在回路中單向閥的作用是當液壓缸5的壓力小于減壓閥調定的壓力時阻止液壓缸4的壓力油液倒流，以保持減壓閥調定壓力。多級減壓回路

減壓回路中也可以采用類似兩級或多級調壓的方法獲得兩級或多級減壓，如右下圖所示為利用先導型減壓閥的遠控口接一遠控溢流閥，則可由先導型減壓閥和遠控溢流閥各調得一種低壓，但要注意，遠控溢流閥得調定壓力值一定要低于先導型減壓閥的調定壓力值。為了使減壓回路工作可靠起見，減壓閥的最低調整壓力不應小于0.5MPa，最高調整壓力值至少應比系統(tǒng)壓力小0.5MPa。當減壓回路中的執(zhí)行元件需要調速時，調速元件應放在減壓閥的后面，以避免減壓閥泄漏（指由減壓閥泄油口流回油箱的油液）對執(zhí)行元件的速度發(fā)生影響。三.增壓回路

當增壓系統(tǒng)中的某一支油路需要壓力較高但流量又不大的壓力油，若采用高壓泵又不經濟，或者根本就沒有這樣高壓力的液壓泵時，就要采用增壓回路。采用了增壓回路，系統(tǒng)的工作壓力仍然較低，因而節(jié)省能源，而且系統(tǒng)工作可靠、噪聲小。單作用增壓缸的增壓回路在液壓系統(tǒng)增壓回路中，壓力為p1的油液進入增壓缸的大活塞腔，這時在小活塞腔則可得到壓力為p2的高壓油液，增壓的倍數(shù)是大小活塞的工作面積之比。當二位四通換向閥左位接入系統(tǒng)時，增壓缸返回，輔助油箱中的油液經單向閥補入小活塞腔。因而該回路只能間歇增壓，所以稱之為單作用增壓回路。四.卸荷回路

卸荷回路的功用是在液壓泵驅動電動機補頻繁啟閉的情況下，使液壓泵在功率損耗接近于零的情況下運轉，以減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長泵和電機的壽命。因為液壓泵的輸出功率為其流量和壓力的乘積，因而，兩者任一近似為零，功率損耗即近似為零，因此液壓泵的卸荷有流量卸荷和壓力卸荷兩種，前者主要是使用變量泵，使泵僅為補償泄漏而以最小流量運轉，此方法比較簡單，但泵仍處在高壓狀態(tài)下運行，磨損比較嚴重，壓力卸荷的方法是使泵在接近零壓下運轉，常見的壓力卸荷方式有以下幾種：（1）換向閥卸荷回路

M、H和K型中位機能的三位換向閥處于中位時，泵即卸荷，如右圖為采用M型中位機能的換向閥的卸荷回路，三位四通M型換向閥處于中位時，液壓泵卸荷。這種回路切換時壓力沖擊小但回路必須設置單向閥，以使系統(tǒng)能保持0.3MPa左右的壓力，供操縱控制油路之用。（2）用先導型溢流閥卸荷的卸荷回路

如右下圖所示，使先導型溢流閥的遠程控制口直接與二位二通電磁閥相連，便構成一種用先導型溢流閥的卸荷回路，電磁溢流閥中的二位二通電磁換向閥得電時，溢流閥的遠程控制口接油箱，溢流閥打開溢流，液壓泵在低壓下（接近零壓）卸荷。這種卸荷回路卸荷壓力小，切換時沖擊也小。

（3）二通插裝閥卸荷回路

如右圖所示為一個二通插裝閥卸荷回路由于二通插裝閥通流能力大，因而這種卸荷回路適用于大流量的液壓系統(tǒng)。正常工作時，泵壓力由溢流閥調定。當二位四通電磁閥通電后，主閥上腔接通油箱，主閥口安全打開，泵即卸荷。五.保壓回路

有的機械設備在工作過程中，常常要求液壓執(zhí)行機構在其行程終止時，保持壓力一段時間，這是需要采用保壓回路。所謂保壓回路，也就是使系統(tǒng)在液壓缸補動或僅有工件變形所產生的微小位移下穩(wěn)定地維持住壓力，最簡單的保壓回路是使用密封性能較好的液控單向閥的回路，但是閥類元件處的泄漏使得這種回路的保壓時間不能維持太久。常用的保壓回路有以下幾種：（1）利用液壓泵保壓的保壓回路

利用液壓泵保壓的保壓回路當系統(tǒng)壓力較低時，低壓大流量液壓泵和高壓小流量液壓泵同時向系統(tǒng)供油。當系統(tǒng)壓力升高到卸荷閥外控內泄順序閥的調定壓力時，低壓液壓泵卸荷，高壓液壓泵起保壓作用，溢流閥用于調定系統(tǒng)壓力。若采用定量泵則壓力油幾乎全經溢流閥流回油箱，系統(tǒng)功率損失大，易發(fā)熱，故只在小功率的系統(tǒng)且保壓時間較短的場合下使用；若采用變量泵，在保壓時泵的壓力較高，但輸出流量幾乎等于零，因而，液壓系統(tǒng)的功率損失小，這種保壓方法且能隨泄漏量的變化而自動調整輸出流量，因而其效率也較高。（2）利用蓄能器的保壓回路

利用蓄能器的保壓回路如右圖所示在夾緊液壓缸工作回路中，主換向閥左位工作時，液壓缸向右移動進行夾緊工作，當壓力升至先導式外控順序閥調定值時，液壓泵卸荷，液壓缸由液壓蓄能器保壓。（3）自動補油保壓回路

如右圖所示為液控單向閥和電接觸式壓力表的自動補油式保壓回路，當液壓缸壓緊工件需要保壓時，電接點壓力表發(fā)出信號，使換向閥右電磁鐵斷電，液壓泵通過換向閥中位卸荷，液壓缸上腔壓力由液控單向閥保持。當液壓缸上腔壓力下降到預定下限值時，電接觸式壓力表又發(fā)出信號，使得電磁鐵得電，液壓泵在此向系統(tǒng)供油，使壓力上升，當壓力達到上限值時，上觸點又發(fā)出信號，使電磁鐵失電。因此，這一回路能自動地使液壓缸補充壓力油，使其壓力能長期保持在一定范圍內。六.平衡回路

為防止垂直或傾斜放置的液壓缸及其工作部件因自重自行下落或在下行運動中因自重造成的失控失速，可設平衡回路。平衡回路通常用平衡閥（單向順序閥）或液控單向閥來實現(xiàn)平衡控制。

由平衡閥（單向順序閥）組成的平衡回路如右圖所示，在此回路中，在液壓缸的下腔油路上加設一個平衡閥（單向順序閥），使液壓缸下腔形成一個與液壓缸運動部分重量相平衡的壓力，可防止其因自重下降。

由液控單向閥組成的平衡回路如右圖所示，在此回路中，當換向閥右位工作時，液壓缸下腔進油，液壓缸上升至終點；當換向閥處于中位時，液壓泵部分卸荷，液壓缸停止運動；當換向閥左位工作時，液壓缸上腔進油,液壓缸下腔的回油由節(jié)流閥限速，由液控單向閥鎖緊，當液壓缸上腔壓力足以打開液控單向閥時，液壓缸才能下行。第二節(jié)速度控制回路

在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中，速度控制回路有調節(jié)液壓執(zhí)行元件地速度的調速回路、使之獲得快速運動的快速回路、快速運動和工作進給速度以及工作進給速度之間的速度換接回路等，其中調速回路主運動和進給運動的調速回路對機床加工質量有著重要的影響,而且，它對其它液壓回路的選擇起著決定性的作用。一.調速回路

調速是為了滿足液壓執(zhí)行元件對工作速度的要求，在不考慮壓油的壓縮性和泄漏的情況下，缸的運動速度υ由進入（或流出）缸的流量q和有效工作面積A決定，即：

υ=q/A（6－1）馬達的轉速n由進入馬達的流量q和馬達的單轉排量V決定：

n=q/V（6－2）由上述兩式可知，改變流入（或流出）執(zhí)行元件的流量q，或改變缸的有效工作面積A、馬達的排量V，都可調節(jié)執(zhí)行元件的運動速度。一般來說，改變缸的有效工作面積比較困難，所以，常常通過改變流量q或排量V來調節(jié)執(zhí)行元件速度，并由此構成不同方式的調速回路。改變流量有兩種辦法，其一是在定量泵和流量閥組成的系統(tǒng)中用流量控制閥調節(jié)，其二是在變量泵或變量馬達組成的系統(tǒng)中用變量泵或變量馬達的排量調節(jié)。

調速回路按改變流量的方法不同可分為三類：節(jié)流調速回流、容積調速回路和容積節(jié)流調速回路。

（一）節(jié)流調速回路節(jié)流調速回路是由定量泵和流量閥組成的調速回路，它可以通過調節(jié)流量閥通流截面積的大小來控制流入或流出執(zhí)行元件的流量，以此來調節(jié)執(zhí)行元件的運動速度。節(jié)流調速回路有不同的分類方法。按流量閥在回路中位置的不同，可分為進油節(jié)流調速回路、回油節(jié)流調速回路和旁路節(jié)流調速回路；按流量閥的類型不同可分為普通節(jié)流閥節(jié)流調速回路和調速閥節(jié)流調速回路；按定量泵輸出的壓力是否隨負載變化，又可分為定壓式節(jié)流調速回路和變壓式節(jié)流調速回路。進油、回油節(jié)流調速回路就是定壓式節(jié)流調速回路；旁路節(jié)流調速回路就是變壓式節(jié)流調速回路。1.進油節(jié)流調速回路

回路結構如圖所示，節(jié)流閥串聯(lián)在泵與執(zhí)行元件之間的進油路上。它由定量泵、溢流閥、節(jié)流閥及液壓缸（或液壓馬達）組成。通過改變節(jié)流閥的開口量（即通流截面積AT）的大小，來調節(jié)進入液壓缸的流量q1，進而改變液壓缸的運動速度。定量泵輸出的多余流量由溢流閥溢流回油箱。為完成調速功能，不僅節(jié)流閥的開口量能夠調節(jié)，而且必須使溢流閥始終處于溢流狀態(tài)。在該調速回路中，溢流閥的作用一是調整并基本恒定系統(tǒng)壓力；二是將泵輸出的多余流量溢流回油箱。（1）速度負載特性缸在穩(wěn)定工作時，其受力平衡方程為p1A1=F+p2A2式中p1、p2分別為液壓缸進油腔和回油腔的壓力，由于回油腔通油箱，p2≈0；F為液壓缸的負載；A1、

A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效面積。所以p1＝F/A1因為某液壓泵的供油壓力pp為定值，則節(jié)流閥兩端的壓力差為△p＝pp－p1＝pp－F/A1由式（1－54）可知，經節(jié)流閥進入液壓缸的流量為q1=KAT△p^m=KAT(pp－F/A1)^m故液壓缸的運動速度為v=q/A1=KAT(pp－F/A1)^m/A1（6－3）式（6－3）即為進油路節(jié)流調速回路的負載特性方程，由該式可知，液壓缸的運動速度v和節(jié)流閥通流面AT成正比。調節(jié)AT可實現(xiàn)無級調速，這種回路的調速范圍較大（速比最高可達100）。當AT調定后，速度隨負載的增大而減小，故這種調速回路的速度負載特性較“軟”。

若按式（6－3）選用不同的AT值作V－F坐標曲線圖，可得一組曲線，即為該回路的速度負載特性曲線，如右圖所示。速度負載特性曲線表明液壓缸運動速度隨負載變化的規(guī)律，曲線越陡，說明負載變化對速度的影響較大，即速度剛性差。由式（6－3）和右圖還可看出，當節(jié)流閥通流面積AT一定時，重載區(qū)域比輕載區(qū)域的速度剛性差；在相同負載條件下，節(jié)流閥通流面積大的比小的速度剛性差，即速度高時速度剛性差。所以這種調速回路適用于低速輕載的場合。（2）最大承載能力

由式（6－3）可知，無論節(jié)流閥的通流面積AT為何值，當F=ppA1時，節(jié)流閥兩端壓差為△p為零，活塞運動也就停止，此時液壓泵輸出的流量全部經溢流閥流回油箱。所以該點的F值即為該回路的最大承載值即Fmax=ppA1。（3）功率和效率

調速回路的功率特性包括回路的輸入功率、輸出功率，效率特性包括損失功率和回路效率。進油節(jié)流調速回路中液壓泵的輸出功率為Pp=ppqp=常量；而液壓缸的輸出功率為所以該回路的功率損失為式中，△q為通過溢流閥的的溢流量，△q＝qp-q1。由上式可知該回路的損失功率由兩部分組成。一是溢流損失ΔP1=ppΔq

=pp（qp=vA1），它是在泵的輸出壓力pp下，流量Δq流經溢流閥產生的功率損失；二是節(jié)流損失

=，它是流量q1在壓差ΔpT下流經節(jié)流閥產生的功率損失，其值與速度u成正比。這兩部分損失都變成熱量使油溫升高?；芈返男师莄為：（6－4）由于存在兩部分的功率損失，故這種調速回路的效率較低。當負載恒定或變化很小時，η可達0.2~0.6；當負載變化時，ηmax＝0.385。

2.回油節(jié)流調速回路

在回油節(jié)流閥調速回路中，液壓泵輸出液壓油，溢流閥溢流，液壓泵向液壓缸左腔輸油，液壓缸右腔通過節(jié)流閥回油。通過改變節(jié)流閥的開口量（即通流截面積AT）的大小，來調節(jié)流出液壓缸的流量q1，進而改變液壓缸的運動速度。定量液壓泵輸出的多余流量由溢流閥溢回油箱。為了完成調速功能，不僅節(jié)流閥的開口量能夠調節(jié)，而且必須使溢流閥始終處于開啟溢流狀態(tài)。在該調速回路中，溢流閥的作用：一是調整并基本恒定系統(tǒng)的壓力；二是將液壓泵輸出的多余流量溢回油箱。（1）速度負載特性

類似于（6－3）的推導過程，由液壓缸的力平衡方程，(p2≠0）；流量閥的流量方程（△p=p2),進而可得液壓缸的速度負載特性為v=q2/A2=KAT(ppA1/A2－F/A2)^m/A2（6－5）式中A1、A2為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效面積；F為液壓缸的負載；pp為溢流閥調定壓力；AT為節(jié)流閥通流面積。比較式（6－5）和式（6－3）可以發(fā)現(xiàn)，回油路節(jié)流調速和進油路節(jié)流調速的速度負載特性以及速度剛性基本相同，若液壓缸兩腔有效面積相同（雙出桿液壓缸），那么兩種節(jié)流調速回路的速度負載特性和速度剛性就完全一樣。因此對進油路節(jié)流調速回路的一些分析對回油路節(jié)流調速回路完全適用。（2）最大承載能力回油路節(jié)流調速的最大承載能力與進油路節(jié)流調速相同，即Fmax＝ppA1。（3）功率和效率液壓泵的輸出功率與進油路節(jié)流調速相同，即常量液壓缸的輸出功率為損失功率Δp為：回路效率ηc為：（6－6）3.旁油路節(jié)流調速回路

如右圖所示的為采用節(jié)流閥的旁路節(jié)流調速回路，節(jié)流閥調節(jié)了液壓泵溢回油箱的流量，從而控制了進入液壓缸的流量，調節(jié)節(jié)流閥的通流面積，即可實現(xiàn)調速，由于溢流已由節(jié)流閥承擔，故溢流閥實際上是安全閥，常態(tài)時關閉，過載時打開，其調定壓力為最大工作壓力的1.1~1.2倍，故液壓泵工作過程中的壓力完全取決于負載而不恒定，所以這種調速方式又稱變壓式節(jié)流調速。（1）速度負載特性按照式（6－3）的推導過程，可得到