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1、第7章 液压基本回路,引言,基本回路是由有关的液压元件组成，用来完成特定功能的典型油路 例如用来调节执行元件运动速度的调速回路； 用来控制系统中液体压力的调压回路； 用来改变执行元件运动方向的换向回路等。 熟悉基本回路是分析和设计液压传动系统的重要基础。 本章重点介绍常用的压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路和多缸工作回路。学习液压基本回路时，应注意掌握基本回路的构成、工作原理、性能和应用等四个方面。,目录,7.1 压力控制回路 7.2 调 速 回 路 7.3 速度换接回路 7.4 方向控制回路 7.5 多缸动作回路,7.1 压力控制回路,压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统中液体的压力
2、，以满足执行元件对力或转矩的要求。这类回路包括调压、减压、卸荷、保压、背压、平衡、增压等回路。,定义,7.1.1 调压回路 7.1.2 减压回路 7.1.3 卸荷回路 7.1.4 保压回路 7.1.5 背压回路 7.1.6 平衡回路 7.1.7 增压回路,目录,7.1.1 调压回路,调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个限定值。,1.单级调压回路,2.多级调压回路,3. 无级调压,7.1.2 减压回路,减压回路的作用是使系统中的某一部分油路或某个执行元件获得比系统压 力低的稳定压力。,7.1.3 卸荷回路,所谓卸荷就是使液压泵在输出压力接近为零的状态下工作。卸荷回路
3、的功用是使执行元件在短时停止工作时，减小功率损失和发热，避免液压泵频繁启停，损坏油泵和驱动电机，以延长泵和电机的使用寿命。,1. 利用换向阀机能的卸荷回路,2. 先导式溢流阀卸荷回路,(a) 采用电磁换向阀的卸荷回路 (b) 采用电液换向阀的卸荷回路,7.1.4 保压回路,执行元件在工作循环中的某一阶段内，若需要保持规定的压力，应采用保压回路。,1. 利用蓄能器保压的回路,2. 用高压补油泵的保压回路,用蓄能器保压的回路 (b)多缸系统一缸保压回路,3. 用液控单向阀保压的回路,7.1.5 背压回路,在液压系统中设置背压回路，是为了提高执行元件的运动平稳性或减少爬行现象。所谓背压就是作用在压力
4、作用面反方向上的压力或回油路中的压力。背压回路就是在回油路上设置背压阀，以形成一定的回油阻力，用以产生背压，一般背压为0.3MPa0.8MPa。,7.1.6 平衡回路,为了防止立式液压缸及其工作部件因自重而自行下落，或在下行运动中 由于自重而造成失控失速的不稳定运动，应使执行元件的回油路上保持一定的背压值，以平衡重力负载。这种回路称为平衡回路。,1. 采用单向顺序阀的平衡回路,2. 单向节流阀和液控单向阀的平衡回路,3. 采用遥控单向平衡阀(限速阀)的平衡回路,7.1.7 增压回路,增压回路用以提高系统中局部油路的压力，它能使局部压力远高于油源的压力。,1. 单作用增压缸的增压回路,2. 双作
5、用增压缸的增压回路,7.2 调 速 回 路,在液压传动系统中，调速是为了满足执行元件对工作速度的要求，因此是系统的核心问题。调速回路不仅对系统的工作性能起着决定性的影响，而且对其他基本回路的选择也起着决定性的作用，因此在液压系统中占有极其重要的地位。,引言,7.2.1 概述 7.2.2 节流调速回路 7.2.3 容积调速回路 7.2.4 容积节流调速回路 7.2.5 三种调速回路的比较,目录,7.2.1 概述,在不考虑液压油的压缩性和元件泄漏的情况下，液压缸的运动速度v取决于流入或流出液压缸的流量及相应的有效工作面积，即 q1,q2流入、流出液压缸的流量； A1,A2液压缸无杆腔、有杆腔的有效
6、工作面积。 液压马达的转速nM由进入马达的流量q和马达的排量VM决定，即 改变流入或流出执行元件的流量q，或改变液压缸的有效工作面积A和马达的排量VM均可以达到控制执行元件速度的目的。通常用改变流量q或改变变量马达排量VM来控制执行元件的速度。 调速回路有以下三种基本调速方式： (1) 节流调速。 (2) 容积调速。 (3) 容积节流调速,1. 基本调速方式,1) 调速特性 回路的调速特性用回路的调速范围来表征。 所谓调速范围是指执行元件在某负载下可能得到的最高工作速度与最低工作速度之比。 2) 功率特性 调速回路的功率特性包括回路的输入功率、输出功率、功率损失和回路效率，功率特性好，即能量损
7、失小、效率高、发热少。,2. 调速回路的基本特性,3)机械特性 即速度负载特性，它是调速回路中执行元件运动速度随负载而变化的性能。一般来说，执行元件运动速度随负载增大而降低。速度受负载影响的程度，常用速度刚度来描述。速度刚度定义为负载对速度的变化率的负值，即,速度刚度的物理意义是：负载变化时，调速回路抵抗速度变化的能力，亦即引起单位速度变化时负载力的变化量。 它是速度负载特性曲线上某点处斜率的倒数。在特性曲线上某处的斜率越小，速度刚度就越大，亦即机械特性就硬，执行元件工作速度受负载变化的影响就越小，运动平稳性越好。,7.2.2 节流调速回路,根据所用流量控制阀的不同，分为采用节流阀的节流调速回
8、路和采用调速阀的节流调速回路 根据流量阀在回路中的位置不同，分为进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速三种回路 根据在工作中供油压力是否随负载变化，分为定压式节流调速回路(进油节流、回油节流)和变压式节流调速回路(旁路节流)。,分类,1. 进油节流调速回路,1) 回路结构,液压缸要克服负载F而运动，其工作腔的油液必须具有一定的工作压力，即稳定工作时活塞的受力平衡方程为 A1,A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积； p1,p2 分别为液压缸进油腔、回油腔的压力。 F液压缸的负载； 当回油腔直接通油箱时，可设p20，故液压缸无杆腔压力为 这说明液压缸工作压力p1取决于负载，随负载变化。 节流
9、阀上必须存在压力差p，泵的出口压力pp大于液压缸工作压力p1 定量泵多余的油液qy必须经溢流阀流回油箱 根据连续性方程 进入液压缸的流量q1越小，液压缸的工作速度就越低，溢流量qy也就越大。,2) 工作原理,常数, 溢流阀工作在溢流状态，因此泵的出口压力pp保持恒定。 经节流阀进入液压缸的流量q1为 AT节流阀的通流面积； p节流阀两端的压力差，； K节流系数 m由孔口形状决定的指数，0.5m1 调节节流阀通流面积AT，即可改变通过节流阀的流量q1，从而调节液 压缸的工作速度。,根据上述讨论，液压缸的运动速度为 称为进油节流调速回路的速度负载特性方程。 由此式可知，液压缸的工作速度是节流阀通流
10、面积AT和液压缸负载F的函数，当AT不变时，活塞的运动速度v受负载F变化影响；液压缸的运动速度v与节流阀的通流面积AT成正比，调节AT就可调节液压缸的速度。,3) 性能分析, 速度负载特性,这组曲线表示液压缸运动速度随负载变化的规律，曲线越陡，说明负载变化对速度的影响越大，即速度刚度越差。 1.当节流阀通流面积AT一定时，负载F大的区 域，曲线陡，速度刚度差，而负载F越小， 曲线越平缓，速度刚度越好； 2.在相同负载下工作时，AT越大，速度刚度 越小，即速度高时速度刚度差； 3.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 最大承载能力为 进油节流调速回路的速度刚度为,Fma
11、xppA1, 功率特性,液压泵的输出功率，即回路输入功率为,回路输出功率，即液压缸输出的有效功率为,回路的功率损失P为,回路效率为,由于回路中存在溢流损失和节流损失这样两种功率损失，所以回路效率比较低。进油节流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. 回油节流调速回路,这种调速回路是将节流阀串接在液压缸的回油路上，定量泵的供油压力由溢流阀调定并基本上保持恒定不变。该回路的调节原理是：借助节流阀控制液压缸的回油量q2，实现速度的调节。由连续性原理可得,用节流阀调节流出液压缸的流量q2，也就调节了流入液压缸的流量q1。定量泵多余的油液经溢流阀流回油箱。,速度
12、负载特性方程为：,上述两种回路相同点： 速度负载特性基本相同，若缸两腔的有效面积相同(双出杆缸)，则两种节流阀调速回路的速度负载特性就完全一样 上述两种回路不同点：, 承受负负载的能力。 实现压力控制的难易程度。 调速性能。 停车后的启动性能。 发热及泄漏。 为了提高回路的综合性能，一般常采用进油节流阀调速，并在回油路上加背压阀，使其兼有二者的优点。,3. 旁路节流调速回路,这种回路把节流阀接在与执行元件并联的旁油路上。通过调节节流阀的 通流面积AT，控制定量泵流回油箱的流量，即可实现调速。,本回路比前两种回路效率高，但速度负载特性很软，低速承载能力差，主要用于高速、重载、对速度平稳性要求不高
13、的较大功率的系统。,缸的运动速度为,4. 采用调速阀的节流调速回路,采用节流阀的节流调速回路，节流阀两端的压差和液压缸工作速度随负载的变化而变化，故速度刚度差，速度平稳性差。若用调速阀代替节流阀，由于调速阀中的定差减压阀能在负载变化的条件下保证节流阀两端的压差基本不变，通过的流量也基本不变，所以回路的速度负载特性得到很大改善。 调速阀进油路调速回路速度负载特性如图：,5. 采用溢流节流阀的 进油节流调速回路,这种回路是在进油节流调速回路中用溢流节流阀替代节流阀(或调速阀)而构成。泵不在恒压下工作(属变压系统)，泵压随负载的大小而变，故效率比用节流阀(或调速阀)的进油节流调速回路高。 此回路适用
14、于运动平稳性要求较高、功率较大的节流调速系统。,6. 采用换向阀的节流调速回路,采用M形三位四通手动换向阀控制进油节流和回油节流的调速回路，此回路兼顾有进油节流和回油节流调速的特性。,采用M形三位四通手动换向的旁路节流和进油、回油节流调速回路，这种调速回路具有旁路节流和进油、回油节流调速的特性。,采用先导远程控制的换向阀节流调速回路。通过操纵先导远程控制阀的手柄，不仅能控制执行元件的运动方向，还可以实现执行元件的无级调速。,1,2远程控制阀 3,4换向阀,7.2.3 容积调速回路,节流调速回路由于有节流损失和溢流损失，所以只适用于小功率系统。通过改变泵或马达的排量来进行调速的方法称为容积调速，
15、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，适用于大功率系统。,定义,分类,容积调速回路根据油液的循环方式有开式回路和闭式回路两种。 在开式回路中，液压泵从油箱吸油，执行元件的回油直接回油箱，油液能得到较好的冷却，便于沉淀杂质和析出气体，但油箱体积大，空气和污染物侵入油液的机会增加，侵入后影响系统正常工作； 在闭式回路中，执行元件的回油直接与泵的吸油腔相连，结构紧凑，只需较小的补油箱，空气和脏物不易混入回路，但油液的散热条件差，为了补偿回路中的泄漏、并进行换油和冷却，需附设补油泵。,1. 变量泵及定量执行元件调速回路,变量泵和液压缸组成的开式回路,变量泵和定量马达组成的闭式回路
16、,容积调速回路的主要性能有速度负载特性、转速特性、转矩特性和功率特性 ，这里重点讨论变量泵和定量马达容积调速回路。,1) 速度负载特性,速度负载特性方程,速度刚度,由于变量泵、液压马达有泄漏，马达的输出转速nM会随负载TM的加大而减小,负载增大到某值时，马达停止运动,表明这种回路在低速下的承载能力很差。,3) 转矩特性,马达的输出转速nM与变量泵排量VP的关系为,改变泵排量VP，可使马达的输出转速nM成比例地变化,2) 转速特性,马达的输出转矩TM与马达的排量VM的关系为,马达的输出转矩TM与泵的排量Vp无关，不会因调速而发生变化。若系统的负载转矩恒定，则回路的工作压力p恒定不变(即pM不变)
17、，此时马达的输出转矩TM恒定，故此回路又称为“等转矩调速回路”。,马达的输出功率PM与变量泵排量Vp的关系为,4) 功率特性,或者,马达的输出功率PM与马达的转速成正比，亦即与泵的排量Vp成正比,上述的三个特性曲线如图,由于泵和马达存在泄漏，所以当Vp还未调到零值时，nM、TM和PM已都为零值。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，当采用变量叶片泵时，Rp仅为510。,2. 定量泵和变量马达调速回路,该回路泵的排量VP和转速nP均为常数，输出流量不变。通过改变变量马达的排量VM来改变马达的输出转速nM。当负载恒定时，回路的工作压力p和马达输出功率PM都恒定不变，而马达的
18、输出转矩TM与马达的排量VM成正比变化，马达的转速nM与其排量VM成反比(按双曲线规律)变化。从图中可知，输出功率PM不变，故此回路又称“恒功率调速回路” .,3. 变量泵和变量马达调速回路,在此回路中，单向阀6和8用于使辅助泵4能双向补油，而单向阀7和9使安全阀3在两个方向都能起过载保护作用。这种调速回路实际上是上述两种容积调速回路的组合。由于泵和马达的排量均可改变，故增大了调速范围，其调速特性曲线如图。,7.2.4 容积节流调速回路,容积节流调速回路的工作原理是用压力补偿变量泵供油，用流量控制阀调定进入或流出液压缸的流量来调节活塞运动速度，并使变量泵的输出流量自动与液压缸所需流量相适应。
19、这种调速回路没有溢流损失，效率较高，速度稳定性也比单纯的容积调速回路好。,限压式变量泵与调速阀组成的容积节流调速回路,该回路由限压式变量泵1供油，空载时泵以最大流量进入液压缸使其快进，进入工作进给(简称工进)时，电磁阀3应通电使其所在油路断开，压力油经调速阀2流入缸内。工进结束后，压力继电器5发出信号，使阀3和阀4换向，调速阀再被短接，缸快退。回油经背压阀6返回油箱。,限压式变量泵压力流量特性曲线上的点a是泵的工作点，泵的供油压力为pP，流量为q1。调速阀在某一开度下的压力流量特性曲线上的点b 是调速阀(液压缸)的工作点，压力为p1，流量为q1。当改变调速阀的开口量，使调速阀压力流量特性曲线上
20、下移动时，回路的工作状态便相应改变。,限压式变量泵的供油压力应调节为,限压式变量泵的供油压力应调节为,当负载F变化，p1发生变化时，调速阀的自动调节作用使调速阀内节流阀上的压差p保持不变，流过此节流阀的流量q1也不变，从而使泵的输出压力pP和流量qP也不变，回路就能保持在原工作状态下工作，速度稳定性好。,回路效率为,如果无背压p20，则,如果负载较小时，p1减小，使调速阀的压差pT增大，造成节流损失增大。低速时，泵的供油流量较小，而对应的供油压力很大，泄漏增加，回路效率严重下降。因此，这种回路不宜用在低速、变载且轻载的场合。,2. 差压式变量泵和节流阀组成的调速回路,当电磁阀4的电磁铁1YA通
21、电时，节流阀5控制进入液压缸6的流量q1，并使变量泵3输出的流量qP自动和q1相适应。阀7为背压阀，阀9为安全阀。阻尼孔8用以增加变量泵定子移动阻尼，改善动态特性，避免定子发生振荡。 泵的变量机构由定子两侧的控制缸1、2组成，配油盘上的油腔对称于垂直轴，定子的移动(即偏心量的调节)靠控制缸两腔的液压力之差与弹簧力的平衡来实现。调节节流阀的开口量，即改变其两端压力差，也改变了泵的偏心量，使其输油量与通过节流阀进入液压缸的流量相适应。,作用在泵定子上的力平衡方程式为,节流阀前后压差为,由于弹簧刚度小，工作中伸缩量也很小(e)，所以Fs基本恒定，节流阀前后压差p基本上不随外负载而变化，经过节流阀的流
22、量也近似等于常数。 当外负载F增大(或减小)时，缸6工作压力p1就增大(或减小)，则泵的工作压力pp也相应增大(或减小)，故又称此回路为变压式容积节流调速回路。由于泵的供油压力随负载而变化，回路中又只有节流损失，没有溢流损失，因而其效率比限压式变量泵和调速阀组成的调速回路要高。这种回路适用于负载变化大，速度较低的中、小功率场合，如某些组合机床进给系统。,7.2.5 三种调速回路的比较,7.3 速度换接回路,速度换接回路的功用是使液压执行元件在一个工作循环中，从一种运动速度换成另一种运动速度。如快速进给变换到慢速工作进给；从第一种工作进给速度变换到第二种工作进给速度等等。,定义,7.3.1 采用
23、行程阀(或电磁换向阀)的速度换接回路 7.3.2 采用差动连接的速度换接回路 7.3.3 采用双泵供油的速度换接回路 7.3.4 两种工作速度的换接回路,目录,7.3.1 采用行程阀(或电磁换向阀)的速度换接回路,7.3.2 采用差动连接的速度换接回路,7.3.3 采用双泵供油的速度换接回路,该回路的回路效率为 F,v液压缸的工作负载、工进速度； qp,q1小流量泵10、大流量泵1输出流量； pT溢流阀8的调整压力； p1大流量泵1卸荷压力损失。 这种回路的效率得到提高，应用较多。,7.3.4 两种工作速度的换接回路,1. 两个调速阀并联式速度换接回路,2. 两个调速阀串联式速度换接回路,7.
24、4 方向控制回路,方向控制回路的作用是利用各种方向控制阀来控制液压系统中各油路油液的通、断及变向，实现执行元件的启动、停止或改变运动方向。方向控制回路主要有换向回路和锁紧回路两类。,定义,7.4.1 换向回路 7.4.2 锁紧回路,目录,7.4.1 换向回路,换向回路的作用是变换执行元件的运动方向。系统对换向回路的基本要求是：换向可靠、灵敏、平稳、换向精度合适。执行元件的换向过程一般包括执行元件的制动、停留和启动三个阶段。,1. 简单换向回路,采用双向变量泵的换向回路,1) 时间控制制动式连续换向回路,2. 连续换向回路,主要优点：其制动时间可通过节流阀J1和J2进行调节，提高工作效率；换向阀
25、中位机能采用H形，对减小冲击量和提高换向平稳性都有利。 主要缺点：换向过程中的冲击量受运动部件的速度和其他一些因素的影响，换向精度不高。 应用场合:工作部件运动速度较高，要求换向平稳，无冲击，但换向精度要求不高的场合。,2) 行程控制制动式连续换向回路,主要优点：这种换向回路的换向精度较高，冲出量较小 主要缺点：由于先导阀的制动行程恒定不变，制动时间的长短和换向冲击的大小将受运动部件速度的影响 应用场合:这种换向回路主要用在主机工作部件运动速度不大，但换向精度要求较高的场合，如内、外圆磨床的液压系统中。,3) 压力控制的连续换向回路,这种回路只适用于在执行元件终端处换向，由于它通过顺序阀直接控
26、制液动换向阀，所以它比用压力继电器来控制电磁换向阀更为精确可靠。,7.4.2 锁紧回路,锁紧回路的作用是在液压执行元件不工作时，切断其进、出油路，使之不因外力的作用而发生位移或窜动，能准确地停留在原定位置上。,1. 用换向阀中位机能锁紧,采用三位换向阀的O形或M形中位机能可以构成锁紧回路。这种回路结构简单，但由于换向滑阀的环形间隙泄漏较大，故一般只用于锁紧要求不太高或只需短暂锁紧的场合。,2.用液控单向阀锁紧回路,这种回路广泛应用于工程机械、起重运输机械等有较高锁紧要求的场合。,3. 用制动器锁紧,单作用制动液压缸,双作用制动液压缸,制动液压缸通过梭阀与马达的进出油路连通,7.5 多缸动作回路
27、,在液压系统中，如果用一个液压源驱动多个液压执行元件按一定的要求工作时，称这种回路为多缸控制回路。,定义,7.5.1 顺序动作回路 7.5.2 同步回路 7.5.3 多缸工作时互不干涉回路,目录,7.5.1 顺序动作回路,顺序动作回路的功用是使多个执行元件按预计顺序依次动作。按控制方式可分为行程控制、压力控制和时间控制三种。,1. 行程控制顺序动作回路,1) 用行程阀的行程控制顺序动作回路,2) 用行程开关的行程控制顺序动作回路,1) 采用顺序阀的压力控制顺序动作回路,2) 采用压力继电器的压力控制顺序动作回路,2. 压力控制顺序动作回路,3. 时间控制顺序动作回路,用延时阀的时间控制顺序动作回路,7.5.2 同步回路,同步回路的功用是保证系统中的两个或多个液压缸(马达)在运动中以相同的位移或相同的速度(或固定的速比)运动。同步运动分速度同步和位置同步两类.,1. 采用同步缸和同步马达的容积式同步回路,同步马达的同步回路 同步缸的同步回路,2. 采用带补偿装置的串联缸同步回路,3. 采用流量阀控制的同步回路,4. 采用分流集流阀控制的同步回路,5. 采用电液比例调速阀或电液伺服阀的同步回路,用比例调速阀的同步回路,用电液伺服阀的同步回路,7.5.3 多缸工作时互不干涉回路,这种回路的功能是使系统中几个液压执行元件在完成各自工作循环时，彼此互不影响。,