流體機(jī)械調(diào)節(jié)與控制技術(shù)1.

1、主講主講 吳曉明吳曉明24學(xué)時機(jī)電控制工程（24學(xué)時） Dr. 吳曉明 3.23.2比例控制壓力調(diào)節(jié)泵 壓力調(diào)節(jié)泵通常稱為恒壓泵，其基本含義是，變量泵所維持的泵的出口壓力(系統(tǒng)壓力)能隨輸入信號的變化而變化。 (1)變量泵所維持的泵出口壓力(系統(tǒng)壓力)能隨輸入信號的變化而變化；(2)在系統(tǒng)壓力未選到壓力調(diào)節(jié)泵的調(diào)定壓力之前，壓力調(diào)節(jié)泵是一個定量泵，向系統(tǒng)提供泵的最大流量；(3)當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到調(diào)定值時，不論負(fù)載所要求的流量(在泵最大流量范圍內(nèi))如何變化，壓力調(diào)節(jié)泵始終能保持與輸入信號相對應(yīng)的泵出口壓力值不變。3.2壓力調(diào)節(jié)泵的主要常見用途 (1)用于液壓系統(tǒng)保壓，保壓時其輸出流量只補(bǔ)償泵的內(nèi)泄漏

2、和系統(tǒng)泄漏； (2)用作電液伺服系統(tǒng)的恒壓源，具有動態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)； (3)用于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)； (4)用于負(fù)載按所需流量變化，而要求壓力保持不變的系統(tǒng)； (5)對于電液比例壓力調(diào)節(jié)變量泵，更經(jīng)常用于壓力流量都需要變化的負(fù)載適應(yīng)系統(tǒng)等等。3.2.1 限壓式變量葉片泵的工作原理 限壓式內(nèi)反饋?zhàn)兞咳~片泵 1最大流量調(diào)節(jié)螺釘 2彈簧預(yù)壓縮量調(diào)節(jié)螺釘 3葉片 4轉(zhuǎn)子 5定子 圖3-19變量特特性曲線排油腔吸油腔e3.3.2限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵 圖3-20 外反饋限壓式變量葉片泵1轉(zhuǎn)子 2 彈簧3定子 4 滑塊滾針支承 5 反饋柱塞 6流量調(diào)節(jié)螺釘 3.2.3 DR恒壓變量控制機(jī)構(gòu)3.2.3 DR控制

3、B壓力油口 S進(jìn)油口 L、 L1殼體泄油口（L1堵死）圖3-22 DR恒壓控制職能原理圖圖3-23 恒壓控制特性曲線 3.2.3 DR控制 圖3-22所示的變量控制油路與常規(guī)油路（圖3-21）不同，即在最靠近變量缸敏感腔(大腔)的恒壓控制閥A-T通路之間，并聯(lián)了一個帶液阻R1的通路，以及相應(yīng)的液阻R2和R3。這種布局，將給變量控制及系統(tǒng)運(yùn)行在快速性、穩(wěn)定性等方面帶來有利影響。例如，僅在恒壓控制情況下，當(dāng)P-A溝通，即排量減小的控制過程，變量控制油進(jìn)入變量缸敏感腔可視為C型半橋(先經(jīng)變量控制閥口可變液阻，并聯(lián)一個由R1、R2和R3三者串并聯(lián)形成的固定液阻)的控制，適當(dāng)?shù)亟档土丝刂圃鲆?，提高了穩(wěn)定

4、性，當(dāng)A-T溝通，即排量增大的控制過程，變量缸敏感腔排出的油液經(jīng)閥口與R1、R2和R3三者串并聯(lián)形成的液阻，提高了快速性和穩(wěn)定性。3.2.3 DR控制 （1）在系統(tǒng)壓力未達(dá)到恒壓泵的恒壓調(diào)定值時，一定是以最大流量向系統(tǒng)提供流量，也就是說，它起定量泵的作用。 （2）恒壓泵在進(jìn)入恒壓工況之前，排量（乘轉(zhuǎn)速就是流量）已經(jīng)是最大了，所以，要變量的話，流量只會向減小方向進(jìn)行，也就是說恒壓泵在恒壓工況下運(yùn)行時，其流量只能等于或小于最大流量。 （3）當(dāng)系統(tǒng)速度減慢，即要求的流量減小時，恒壓變量泵的變量機(jī)構(gòu)會自動將斜盤角度減小，達(dá)到系統(tǒng)需要的流量，并保持系統(tǒng)壓力基本不變。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入不再需要流量的保壓階段，則恒

5、壓泵就輸出只維持內(nèi)部泄漏所需要的流量，不再向系統(tǒng)供油。 （4）恒壓泵要能正常工作，除了系統(tǒng)壓力要達(dá)到調(diào)定值這個基本條件外，還要求這個基本條件要有實現(xiàn)的可能性，如果系統(tǒng)的溢流閥調(diào)定壓力低于恒壓泵的調(diào)定值，則恒壓泵始終不可能進(jìn)入恒壓工況，成了始終是一臺排量最大的定量泵了。 3.2.4 DRG控制堵死 這種DRG型遠(yuǎn)程恒壓控制也屬于壓力控制范疇，實際上是在壓力流量復(fù)合控制變量的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。原本上面的差壓閥是用于恒流量（負(fù)載敏感）控制的，現(xiàn)在用液阻將X口與泵出口相連，X外控口所接遠(yuǎn)程溢流閥，其設(shè)定的壓力必須在泵的最大壓力以下，如圖3-24所示。并將上面的差壓閥彈簧腔與回油之間的液阻堵死。這樣一來，就

6、形成了固定液阻在前可變液阻（遠(yuǎn)程調(diào)壓閥）在后的B型半橋，用來設(shè)定上面那臺差壓閥的設(shè)定壓力（遠(yuǎn)程可調(diào)），也就是恒壓壓力。而下面那臺原本的壓力閥起遠(yuǎn)調(diào)安全閥作用。就是說，下面那個壓力閥調(diào)定了泵的最高壓力。 其工作原理是，當(dāng)泵的出口壓力未達(dá)到遠(yuǎn)程溢流的設(shè)定值時，差壓閥不動，泵的排量保持最大值；與泵出口壓力相比較的是固定液阻和可調(diào)壓力閥閥口構(gòu)成的B型液壓半橋的輸出壓力，配用的彈簧僅起復(fù)位作用，不再是調(diào)壓彈簧，剛度可大大降低。當(dāng)泵的出口壓力達(dá)到遠(yuǎn)程溢流閥的設(shè)定值時，溢流閥卸荷，差壓閥因上面的阻尼瞬間在左右出現(xiàn)壓差而右移，則泵的出口壓力通向泵的排量控制缸，推動缸使泵降到最小排量，泵保持恒壓狀態(tài)，即恒定在遠(yuǎn)

7、程溢流閥設(shè)定的壓力之下。所以DRG型為遠(yuǎn)程控制恒壓變量泵。3.2.5限壓式變量控制(POR) 圖 3-26 壓力切斷控制變量泵a）輸出特性 b）典型實現(xiàn)形式 3.2.5限壓式變量控制(POR) 壓力切斷控制是對系統(tǒng)壓力限制的控制方式，屬于壓力控制范疇，有時也簡稱為壓力控制。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到切斷壓力值時，排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過減小排量使系統(tǒng)的壓力限制在切斷壓力值以下。 如果切斷壓力值在工作中可以調(diào)節(jié)則稱為變壓力控制，否則稱為恒壓力控制。 當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到切斷壓力時，變量控制閥閥芯左移，推動變量機(jī)構(gòu)使排量減小，從而實現(xiàn)壓力切斷控制。閥芯上的液控口可以對切斷壓力進(jìn)行液壓遠(yuǎn)程控制和電比例控制。 3.3 流量

8、調(diào)節(jié)變量泵（FR） 一般概念上的恒流泵，以及所謂的功率適應(yīng)泵，負(fù)載敏感泵等，都應(yīng)屬于流量調(diào)節(jié)泵的范疇，這類泵的基本特征是： 泵輸給系統(tǒng)的流量只與輸入控制信號有關(guān)，而不受負(fù)載壓力變化(泵內(nèi)部泄漏流量與負(fù)載壓力有關(guān)，油液的壓縮性與負(fù)載壓力有關(guān))或原動機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響（流量是排量與轉(zhuǎn)速的乘積） 同樣重要的是，泵的排油口壓力僅比負(fù)載壓力高出一個定值(用于調(diào)節(jié)流量的節(jié)流閥定壓差)，在最高限壓范圍內(nèi)泵始終能自動地適應(yīng)負(fù)載的變化。也就是泵始終能工作在與負(fù)載功率(負(fù)載壓力與所控制流量的乘積)匹配的工狀，具有明顯的節(jié)能效果。 3.3 流量調(diào)節(jié)變量泵（FR） 對恒流泵而言，引起其變量機(jī)構(gòu)動作主要來自兩個方面的干擾

9、。負(fù)載壓力變化與原動機(jī)轉(zhuǎn)速波動。前者表現(xiàn)為泵容積效率的變化和油液壓縮性的變化影響，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，就回歸到排量調(diào)節(jié)泵。后者的干擾量要有一定的限制，應(yīng)盡量避免原動機(jī)轉(zhuǎn)速變化過大對液壓泵性能的影響。 實現(xiàn)流量泵上述基本功能的機(jī)制，與壓力調(diào)節(jié)泵一樣，是在干擾作用下，泵排油口流量的變化，將引起泵排油口壓力的變化，從而自動使變量機(jī)構(gòu)動作，最終也是通過改變泵的排量，來達(dá)到恒流效果。 3.3 流量調(diào)節(jié)變量泵（FR）圖3-27 恒排量泵與恒流量泵圖3-28 恒壓恒流復(fù)合控制泵3.3.1傳統(tǒng)壓差控制型a） b）圖 3-29 節(jié)流檢測壓差反饋型流量調(diào)節(jié)泵a）實現(xiàn)方式 b）特性曲線3.3.1傳統(tǒng)壓差控制型 傳統(tǒng)壓差

10、控制型流量調(diào)節(jié)泵的基本特征是，在泵的排油口到負(fù)載之間設(shè)置一個節(jié)流閥，用節(jié)流閥兩端的壓差來控制變量控制閥，進(jìn)而推動變量機(jī)構(gòu)(參見圖3-29a)，改變節(jié)流閥的輸入信號，就可以改變泵的調(diào)定流量。 節(jié)流閥兩端的正常壓差就等于變量控制閥一端彈簧力所對應(yīng)的液壓力。在一定的輸入信號下，節(jié)流閥有對應(yīng)的過流面積，當(dāng)泵的輸出流量與輸入信號對應(yīng)時，變量控制閥處于中位。 如果出現(xiàn)干擾，例如，當(dāng)負(fù)載壓力升高，使實際輸給負(fù)載的流量減少時，則在與輸入信號對應(yīng)的節(jié)流閥口過流面積不變情況下，在節(jié)流閥處產(chǎn)生的壓降就要比正常壓差小，造成變量控制閥兩端受力不平衡而使閥芯右移。即變量控制閥右位工作，變量缸大腔油液流出一部分，使泵的排量

11、增大，直至通過節(jié)流閥的流量重新與輸入信號對應(yīng)，變量控制閥重新回到中位。3.31FR型流量控制 a） b）圖3-30 FR型流量控制原理職能圖和其輸出特性曲線a）控制原理職能圖 b）輸出特性曲線3.31FR型流量控制 節(jié)流閥出口的壓力通過油口X連接至控制閥的右腔，泵排油口的壓力則連接至控制閥的左腔，節(jié)流閥和控制閥右端的固定阻尼孔構(gòu)成了C型半橋，用于調(diào)節(jié)控制閥右腔的壓力。 作用在閥芯上的力與節(jié)流閥的壓差有關(guān)，當(dāng)壓差發(fā)生變化時，如節(jié)流閥出口負(fù)載壓力增加，造成流量調(diào)節(jié)閥右端壓力增加，節(jié)流閥的壓差減小，流量減小，此時流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)泵的排量，使輸出流量增加并維持設(shè)定值保持不變。3.3.2電反饋型 通常的電

12、反饋流量泵，是在泵排油口的上油路上串入流量傳感器，此時有一定的壓力損失。 目前有不少的產(chǎn)品，名義上是流量控制泵，而實際上是排量控制泵，即檢測變量缸位移作為電反饋信號，實際只是一個位置控制系統(tǒng)，并未在泵排油口主油路上設(shè)置流量傳感器。 如果按這種流量用變量缸的位移量代表的這種處理方式，即流量用變量缸的位移量代表，加上泵出口設(shè)置壓力傳感器，則可形成全新概念的復(fù)合控制。3.3.3壓力流量控制DFR（DFR1） 圖3-32液壓職能原理圖1-流量控制閥 2-壓力切斷閥 3-復(fù)位油缸 4-控制油缸 B-壓力油口 S-進(jìn)油口 L、，L1-殼體泄漏口（L1堵死；X-先導(dǎo)壓力油）圖3-34 靜態(tài)工作曲線（在 n1

13、=1500 r/min；t=50C）3.3.3壓力流量控制DFR（DFR1） 壓力調(diào)節(jié)閥2，通過手動調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定最大工作壓力，當(dāng)負(fù)載達(dá)到此壓力時，閥芯右移，負(fù)載壓力進(jìn)入控制缸，使斜盤角度最小，輸出流量為零。 流量控制閥1，用于控制流量調(diào)整，或者說是用于待命壓力調(diào)整或壓差設(shè)定，使通過串接在泵排出口的節(jié)流閥與裝在泵裝置上的流量調(diào)節(jié)閥一起可以實現(xiàn)泵的流量控制。 這是因為節(jié)流閥兩端壓差=進(jìn)口壓力-負(fù)載壓力。進(jìn)口壓力作用在流量閥左側(cè)，負(fù)載壓力作用在流量閥右側(cè)，當(dāng)流量閥受力平衡時，彈簧力=進(jìn)口壓力-負(fù)載壓力=節(jié)流閥兩端壓差，這個壓差是由流量閥右端的彈簧預(yù)先設(shè)定好的，是一個常數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為1.4 MPa）。

14、3.3.3壓力流量控制DFR（DFR1） 主泵輸出適合負(fù)載需要的穩(wěn)定的流量。當(dāng)節(jié)流閥的開度調(diào)定后，節(jié)流閥兩端的壓差若不變，表示泵輸出的流量與輸入閥口開度信號相對應(yīng)且恒定不變。 當(dāng)負(fù)載壓力變化等干擾作用時，節(jié)流閥口兩端壓差減小(或增大)，說明泵的輸出流量低于(或高于)輸入信號的對應(yīng)值，則變量控制系統(tǒng)起作用，增大(或減小)泵的排量，使泵輸往負(fù)載的流量增大(或減小)直到與期望值相等，其只提供能維持恒定壓差所需的排量，而壓力調(diào)節(jié)閥優(yōu)先于流量閥。3.3.3壓力流量控制DFR（DFR1）圖3-33 實際連接圖 3.3.4 壓力流量控制DFR（DFR1） 圖3-32液壓職能原理圖1-流量控制閥 2-壓力切斷

15、閥 3-復(fù)位油缸 4-控制油缸 B-壓力油口 S-進(jìn)油口 L、，L1-殼體泄漏口（L1堵死；X-先導(dǎo)壓力油）3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS） 圖3-35 DRS控制調(diào)節(jié)職能原理圖3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS）理想的方法就是在需要的壓力條件下提供需要的流量，負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)變可實現(xiàn)這種要求。在液壓系統(tǒng)中，負(fù)載感應(yīng)是一種拾取或“感應(yīng)”負(fù)載壓力，然后反饋控制負(fù)載回路的流量，且不受負(fù)載變化的影響。簡而言之，負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種感受系統(tǒng)壓力和流量需求，且僅提供所需求的流量和壓力的液壓回路。在開式液壓系統(tǒng)中，定量泵僅提供恒流量，排油口壓力由系統(tǒng)負(fù)載決定。這樣需要設(shè)置一個高壓溢流閥，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到溢流閥調(diào)定

16、壓力時，泵輸出的流量從該閥流回油箱，但這種系統(tǒng)浪費(fèi)了大量的功率并產(chǎn)生了過多的熱量。閉式變量泵液壓系統(tǒng)按負(fù)載需要提供變化的流量，省掉了溢流閥，但缺點(diǎn)是在任何工況下，泵總是保持在最高壓力。當(dāng)系統(tǒng)為大流量低壓力的工情況時，同樣耗能過多。 3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS）在負(fù)載感應(yīng)系統(tǒng)中所使用的方向控制閥要求為中位常閉型 。同一負(fù)載敏感系統(tǒng)中可以有多個方向控制閥和多個執(zhí)行元件，方向控制閥采用了一種中位封閉的、油口正遮蓋的型式。這意味著一旦滑閥處于中位，液壓泵向系統(tǒng)提供流量的入口將被關(guān)閉；同時，接通油缸的兩個油口也被關(guān)閉。 當(dāng)系統(tǒng)具有多個執(zhí)行元件、多個方向控制閥時，還需有一些梭閥的組合。梭閥組的作用

17、是使補(bǔ)償器能檢測出系統(tǒng)中最高壓力回路，然后進(jìn)行壓力-流量調(diào)節(jié)過程。3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS）(1)即將起動狀態(tài)。由于系統(tǒng)中未建立起壓力，調(diào)定壓力為1.4MPa的彈簧迫使壓力流量補(bǔ)償器滑閥推至左端。在此位置，液壓泵將在最大排量下工作，可向系統(tǒng)提供最大的流量。當(dāng)機(jī)器起動、液壓油缸或馬達(dá)即將運(yùn)轉(zhuǎn)時，液壓泵的流量提供給方向控制閥，但是由于控制閥為中位閉式的，流量被封閉在泵的出口與控制閥的進(jìn)口之間。液壓泵的流量同樣提供給補(bǔ)償器。油液的壓力作用于壓力流量補(bǔ)償器滑閥的左端，當(dāng)油液壓力達(dá)到1.4MPa時，壓力克服彈簧的預(yù)緊力使閥芯向右移動。在其右移過程中，滑閥打開了一個通道，于是在液壓泵輸出的壓力油

18、進(jìn)入斜盤傾角控制活塞，克服控制活塞復(fù)位彈簧力使液壓泵內(nèi)斜盤回程至一個零排量附近的傾角。系統(tǒng)處于低壓待機(jī)工況。3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS）(2)正常工作狀態(tài)。在方向控制閥滑閥移動，液壓泵通過該閥口向執(zhí)行元件供油時，無論閥的開度如何變化，壓力-流量補(bǔ)償器滑閥均會通過自身的調(diào)節(jié)功能，維持1.4MPa的恒定壓差。泵自動把輸出壓力調(diào)整為負(fù)載壓力加補(bǔ)償器中的彈簧預(yù)緊力，同時流量剛好滿足負(fù)載要求?；谶@樣一種原理，可以獲得一個效率很高的液壓系統(tǒng)。這種液壓系統(tǒng)僅提供必要的流量保持系統(tǒng)泵的輸出壓力高于系統(tǒng)工作壓力1.4MPa。液壓泵將自動調(diào)節(jié)排量及工作壓力，滿足系統(tǒng)對不同壓力和流量的需求。3.3.5恒壓

19、負(fù)載敏感控制（DRS）(3)高壓待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)液壓缸的活塞運(yùn)動至行程終端位置時，進(jìn)入方向控制滑閥環(huán)槽的液流被阻止?？刂苹y兩側(cè)的壓力趨于相等，作用于壓力-流量補(bǔ)償器控制滑閥兩端的壓力也相等。預(yù)調(diào)定的1.4MPa彈簧力將壓力流量補(bǔ)償器控制閥芯推至左端。此時液壓泵的輸出液流再次處于封閉狀態(tài)，導(dǎo)致泵壓迅速升至最高壓力閥調(diào)定的限定值，致使高壓補(bǔ)償器滑閥克服預(yù)調(diào)定的最高壓力彈簧力移至右端，高壓油通過該閥通路作用于斜盤傾角控制活塞。活塞的運(yùn)動使斜盤傾角轉(zhuǎn)至排量近乎為零的位置。這種工況稱液壓泵的高壓待機(jī)狀態(tài),直到高壓負(fù)載力消除或方向控制閥回到中位。 3.3.5恒壓負(fù)載敏感控制（DRS）圖3-37 DRS控制實

20、例1DRS變量泵 2（2.1、2.2和2.3）梭閥 3中間封閉型方向閥 4安全閥 5液壓馬達(dá) 6液壓缸 3.3.6 同步控制變量機(jī)構(gòu)DP 圖3-38 DP控制職能原理圖1變量泵 2補(bǔ)償器 3節(jié)流閥 4溢流閥 3.3.6 同步控制變量機(jī)構(gòu)DP（1）所有的泵同步變量；（2）一個先導(dǎo)控制閥設(shè)定所有泵的恒壓點(diǎn)；（3）所有的泵都是同樣的結(jié)構(gòu)、同樣的設(shè)定、同樣的參數(shù)；（4）均勻的負(fù)載分布，提高泵的使用壽命；（5）使用切斷閥，可以從主系統(tǒng)中任意切斷或接通任何一個泵；泵主油路上的單向閥可以將該泵從系統(tǒng)中隔離開。3.3.6 同步控制變量機(jī)構(gòu)DP（1）多臺泵采用一臺溢流閥，作為可變液阻，見圖3-38（這與常規(guī)液壓

21、泵并聯(lián)合流后，必須用一個溢流閥來統(tǒng)一控制壓力，各泵原來的溢流閥改為安全閥是一致的）。并要求從油口X到溢流閥4之間的管子應(yīng)大致一樣長，保證各泵的變量控制壓力盡量一致。3.3.6 同步控制變量機(jī)構(gòu)DP（2）節(jié)流閥3應(yīng)該是個取壓液阻，節(jié)流產(chǎn)生的壓力被引到恒壓閥的彈簧腔，與彈簧一起構(gòu)成恒壓閥的開啟阻力，以增大泵進(jìn)入恒壓區(qū)運(yùn)行后的壓力差p。隨著泵斜盤擺角的逐漸減小，節(jié)流閥3的節(jié)流開口也逐漸變小，液阻增大，取壓壓力即作用于恒壓閥彈簧腔的液壓力逐漸增大?？梢姡?jié)流閥3的作用及其所產(chǎn)生的液壓力的變化規(guī)律與在恒壓閥彈簧腔再增加一個彈簧等效。節(jié)流閥3的作用，用來保證壓力補(bǔ)償器2彈簧端控制力的變化，實際上與泵的排量成比例。直徑0.7mm的液阻和節(jié)流閥可變液阻并聯(lián)形成壓差p1，在泵排量變化的時候，能夠改變節(jié)流面積。即改變p1。排量大，p1減小