节流调速回路的速度-负载特性分析
发布时间：2017-09-01
引 言
机械设备的液压系统中，调速回路占重要的地位。液压调速回路可对液压缸的运行速度进行控制。 采用节流阀的节流调速回路是一种常见形式， 分为进油节流、回油节流、旁路节流等类型。理论分析表明，节流调速回路的动静态特性， 受节流阀的特性及其安装位置等因素影响;当系统参数调整不当时，调速中的过渡过程易出现瞬时速度不稳定或爬行现象[1]。 因此，液压回路设计中， 应对节流调速回路的静态特性进行分析和预测，以便获得最优化的应用回路。
1 节流调速回路的速度负载特性
单泵节流调速回路中，进油节流与回油节流调速回路对于速度的调节范围、 运动平稳性及系统的最佳效率，会有较大差别。 分析比较二者的速度-负载特性，通过实验找出影响节流调速回路的动、静态特性的因素[2]，可改善和提高调速过程中的瞬时速度不稳定现象。 因此，本文对节流调速回路的静态特性进行分析研究。
1.1 进油节流调速回路
图1是典型的进油节流调速回路，油泵经节流阀向液压缸的无杆腔供油，油 缸 有 杆 腔 与 油 箱 相连。 忽略液压缸的内、外泄 漏 及 回 油 路 压 力 降时， 则油缸可以连续稳定工作， 进入液压缸的流量期 q1， 由节流阀的调节开口面积 a 确定,压力作用在活塞 A1上，克服负载 F， 推动活塞以速度v = q1/A1向右运动。通过实验并结合理论分析， 测出经过节流阀的流量q1：
q1=ka△pm=ka(pp-F/A1)
液压系统中,通过控制阀口的流量是按薄壁小孔流量公式计算的[3],因此,式(1) 中的指数 m =0.5 ， 其速度-负载特性方程为：
将式(2)按不同的截流口面积 a 作图， 可得到一组速度-负载特性曲线，见图2。分析式(2)并由图2，当 a 和 pp调定后，活塞的速度v随负载F增大而减小;当F=Fmax=pp・A1时，速度v降为0，活塞停止不动;负载 F 减小，活塞速度v增大。 这一特性在实验中得到证实。
由图2和式(4)可知：负载相同时，随着节流阀开口面积 a 的减小，该点的斜率(γ为该点的切线角)值随之减小， 速度刚度增大。 已调定的速度受负载波动的影响就越小，速度稳定性就越好。
1.2 回油节流调速回路
图3为回油节流调速系统，油泵向液压缸的无杆腔供油，油缸的有杆腔通过节流阀与油箱相连。 其速度-负载特性方程为：
q2为经过节流阀流回油箱的流量;其余符号同上。通过实验测定， 回油节流调速回路的速度-负载特性曲线与图2基本相同，这里不再累述。 把回油节流做类似于进油节流的分析， 可知两者的速度-负载特性以及速度刚度基本相同。 但实验中发现， 回油节流调速中， 压力表显示液压缸工作腔压力p1和回油腔压力p2，都比进油节流调速回路高， 这表明液压缸的两端都产生了液压阻尼， 这是回油节流调速回路优于进油节流调速回路的特点。
2 两种节流调速回路的速度品质分析
1) 节流阀的调速效果。 图3中将节流阀串联在回油路中，节流阀和溢流阀相当于并联的两个液阻，泵输出的流量 qp不变， 经节流阀流入液压缸的流量q1和经溢流阀流回油箱的流量△q的大小，由节流阀和溢流阀液阻的相对大小决定。 节流阀通过改变节流口的通流截面 a，可在较大范围内改变其液阻，从而改变进入液压缸的流量，调节液压缸的速度。 分析图2 回路的速度-负载特性曲线， 不难看出两种调速回路有较好的低速承载能力，调速范围较大。
2) 速度的平稳性。 由速度―负载特性曲线分析,进油节流与回油节流具有相似的调速特点。 但在回油节流中，节流阀具有背压作用，外界负载变化时可起缓冲作用,其速度平稳性要比进油节流调速回路好些。
3) 停车后的启动性能。 停车后液压缸油腔内的油液会流回油箱，当液压泵重新启动供油时，在回油节流中， 由于进油路上没有节流阀控制流量， 会使活塞前冲， 启动速度产生较大波动; 而在进油节流调速回路中，由于进油路上有节流阀控制流量，活塞前冲很小或没有前冲，启动速度性能相对稳定。
4) 提高速度刚度的措施。 分析式(3)可知，要提高回路速度的平稳性，必须提高速度刚度。适当增大液压缸的有效工作面积 A1和提高液压泵的供油压力pp，可以提高速度刚度，使速度受负载波动的影响降为最小。从调速范围和运动的平稳性看， 回油节流调速系统性能最好，只要该系统不在极低速度下运行,系统工作是很稳定的。
3 节流调速回路在机械手液压调速系统中的应用
图4 为自动卸料机械手液压系统图。 机械手是模仿人的手部动作，要求实现自动抓取、搬运和操作等动作。 这种机械于在高温、高压、易燃、易爆、放射等恶劣工作环境中能够代替人的工作[4]。 系统由单向定量泵供油，由行程阀发出信号给相应的电磁换向阀，控制机械手的动作。 在工作过程中，手臂前伸、缩回以及手臂上升、下降，直接影响着运送工件的安全可靠性。因此，系统采用了回油节流调速回路， 增加了手臂在运行中的速度刚度和运动平稳性。 经节流阀后因压力损耗而发热，导致温度升高的油液直接流回油箱，易于散热，减少了泄漏。
液压系统在机械设备传动系统中的应用非常广泛，节流调速系统常作为终端执行系统，其静态特性的好坏直接影响终端执行件的工作精度(包括位置精度、运动精度等)以及工作的稳定性、响应速度、动态刚度等。 尤其对于运动速度要求较精确的机械设备， 调速回路往往起着决定性作用。 在调速系统中节流调速回路结构简单，成本低廉，使用维护方便，是液压传动系统中的一种主要调速方法。
摘自：中国计量测控网
