節流調速回路的速度-負載特性分析
發布時間：2017-09-01
引 言
機械設備的液壓系統中，調速回路占重要的地位。液壓調速回路可對液壓缸的運行速度進行控制。 采用節流閥的節流調速回路是一種常見形式， 分為進油節流、回油節流、旁路節流等類型。理論分析表明，節流調速回路的動靜態特性， 受節流閥的特性及其安裝位置等因素影響;當系統參數調整不當時，調速中的過渡過程易出現瞬時速度不穩定或爬行現象[1]。 因此，液壓回路設計中， 應對節流調速回路的靜態特性進行分析和預測，以便獲得最優化的應用回路。
1 節流調速回路的速度負載特性
單泵節流調速回路中，進油節流與回油節流調速回路對于速度的調節范圍、 運動平穩性及系統的最佳效率，會有較大差別。 分析比較二者的速度-負載特性，通過實驗找出影響節流調速回路的動、靜態特性的因素[2]，可改善和提高調速過程中的瞬時速度不穩定現象。 因此，本文對節流調速回路的靜態特性進行分析研究。
1.1 進油節流調速回路
圖1是典型的進油節流調速回路，油泵經節流閥向液壓缸的無桿腔供油，油 缸 有 桿 腔 與 油 箱 相連。 忽略液壓缸的內、外泄 漏 及 回 油 路 壓 力 降時， 則油缸可以連續穩定工作， 進入液壓缸的流量期 q1， 由節流閥的調節開口面積 a 確定,壓力作用在活塞 A1上，克服負載 F， 推動活塞以速度v = q1/A1向右運動。通過實驗并結合理論分析， 測出經過節流閥的流量q1：
q1=ka△pm=ka(pp-F/A1)
液壓系統中,通過控制閥口的流量是按薄壁小孔流量公式計算的[3],因此,式(1) 中的指數 m =0.5 ， 其速度-負載特性方程為：
將式(2)按不同的截流口面積 a 作圖， 可得到一組速度-負載特性曲線，見圖2。分析式(2)并由圖2，當 a 和 pp調定后，活塞的速度v隨負載F增大而減小;當F=Fmax=pp?A1時，速度v降為0，活塞停止不動;負載 F 減小，活塞速度v增大。 這一特性在實驗中得到證實。
由圖2和式(4)可知：負載相同時，隨著節流閥開口面積 a 的減小，該點的斜率(γ為該點的切線角)值隨之減小， 速度剛度增大。 已調定的速度受負載波動的影響就越小，速度穩定性就越好。
1.2 回油節流調速回路
圖3為回油節流調速系統，油泵向液壓缸的無桿腔供油，油缸的有桿腔通過節流閥與油箱相連。 其速度-負載特性方程為：
q2為經過節流閥流回油箱的流量;其余符號同上。通過實驗測定， 回油節流調速回路的速度-負載特性曲線與圖2基本相同，這里不再累述。 把回油節流做類似于進油節流的分析， 可知兩者的速度-負載特性以及速度剛度基本相同。 但實驗中發現， 回油節流調速中， 壓力表顯示液壓缸工作腔壓力p1和回油腔壓力p2，都比進油節流調速回路高， 這表明液壓缸的兩端都產生了液壓阻尼， 這是回油節流調速回路優于進油節流調速回路的特點。
2 兩種節流調速回路的速度品質分析
1) 節流閥的調速效果。 圖3中將節流閥串聯在回油路中，節流閥和溢流閥相當于并聯的兩個液阻，泵輸出的流量 qp不變， 經節流閥流入液壓缸的流量q1和經溢流閥流回油箱的流量△q的大小，由節流閥和溢流閥液阻的相對大小決定。 節流閥通過改變節流口的通流截面 a，可在較大范圍內改變其液阻，從而改變進入液壓缸的流量，調節液壓缸的速度。 分析圖2 回路的速度-負載特性曲線， 不難看出兩種調速回路有較好的低速承載能力，調速范圍較大。
2) 速度的平穩性。 由速度―負載特性曲線分析,進油節流與回油節流具有相似的調速特點。 但在回油節流中，節流閥具有背壓作用，外界負載變化時可起緩沖作用,其速度平穩性要比進油節流調速回路好些。
3) 停車后的啟動性能。 停車后液壓缸油腔內的油液會流回油箱，當液壓泵重新啟動供油時，在回油節流中， 由于進油路上沒有節流閥控制流量， 會使活塞前沖， 啟動速度產生較大波動; 而在進油節流調速回路中，由于進油路上有節流閥控制流量，活塞前沖很小或沒有前沖，啟動速度性能相對穩定。
4) 提高速度剛度的措施。 分析式(3)可知，要提高回路速度的平穩性，必須提高速度剛度。適當增大液壓缸的有效工作面積 A1和提高液壓泵的供油壓力pp，可以提高速度剛度，使速度受負載波動的影響降為最小。從調速范圍和運動的平穩性看， 回油節流調速系統性能最好，只要該系統不在極低速度下運行,系統工作是很穩定的。
3 節流調速回路在機械手液壓調速系統中的應用
圖4 為自動卸料機械手液壓系統圖。 機械手是模仿人的手部動作，要求實現自動抓取、搬運和操作等動作。 這種機械于在高溫、高壓、易燃、易爆、放射等惡劣工作環境中能夠代替人的工作[4]。 系統由單向定量泵供油，由行程閥發出信號給相應的電磁換向閥，控制機械手的動作。 在工作過程中，手臂前伸、縮回以及手臂上升、下降，直接影響著運送工件的安全可靠性。因此，系統采用了回油節流調速回路， 增加了手臂在運行中的速度剛度和運動平穩性。 經節流閥后因壓力損耗而發熱，導致溫度升高的油液直接流回油箱，易于散熱，減少了泄漏。
液壓系統在機械設備傳動系統中的應用非常廣泛，節流調速系統常作為終端執行系統，其靜態特性的好壞直接影響終端執行件的工作精度(包括位置精度、運動精度等)以及工作的穩定性、響應速度、動態剛度等。 尤其對于運動速度要求較精確的機械設備， 調速回路往往起著決定性作用。 在調速系統中節流調速回路結構簡單，成本低廉，使用維護方便，是液壓傳動系統中的一種主要調速方法。
摘自：中國計量測控網
