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1、第四章 电液比例容积控制,41 容积泵的基本控制方法 42 比例排量变量泵和变量马达 43 电液比例压力调节型变量泵 44 电液比例流量调节型变量泵 45 电液比例压力和流量调节型变量泵 46 二次调节,41 容积泵的基本控制方法,液压泵和液压马达都是液压系统中不可缺少的能源转换元件，为了节能的需要发展了变量泵和变量马达。但由于通常的手动变量泵和马达只能适应一两种设定的工况，不能或很难适应在负载状态下进行连续比例变量或调压。在这些场合下会导致能量损失或性能下降，尤其是在大功率及控制复杂、要求高的场合更是如此。而比例式和伺服式容积控制的变量泵和马达能适应各种场合的要求，能够在工作状态下使液压参数
2、作快速而频繁的变化，从而使节能效果和控制水平大大提高。更重要的是采用了比例容积控制以后，可以通过电气技术进行各种补偿、校正、协调和适应控制，从而获得最大限度的性能提高和节能效果。,比例变量泵和马达按其控制方式可分为比例排量、比例压力、比例流量和比例功率控制四大类。这四种类型都是在其相应的手动控制的基础上发展起来的，所以有必要先来考察一下变量泵的各种控制方式。在液压控制系统中，节流控制，或称流阻控制是实现各种控制功能的基本手段。它具有结构简单、成本低廉、容易调节及控制精度高等优点，但会产生压力降并导致能耗。对节流调速控制系统的功率损失研究表明，该系统的主要能量损失由两部分组成：即节流损失和溢流损
3、失。上述能量损耗的原因究其本质有两个：流量不适应过多的流量输入系统；压力不适应供油压力大于工作压力，以补偿节流压降。解决这一问题的办法是采用容积调速控制。为此，设计出了各种变量泵，变量机构及控制策略。,41 容积泵的基本控制方法,4.1.1 流量适应控制由于节流调速系统既有节流损失，又存在溢流损失，用数学式可表示为 PpQl + ppQ 式中：P液压回路总损失。流量适应控制是指泵供给系统的流量自动地与系统的需要相适应，它完全消除溢流损失。这种流量供给系统由于消除了过剩的流量，没有溢流损失，提高了效率。流量适应控制的基本办法是采用变量泵。以下是几种较常见的流量适应拄制变量泵。,41 容积泵的基本
4、控制方法,（1）限压式变量泵下图所示为限压式变量泵，它的出口接有调速阀，构成了容积节流调速回路。该泵的工作原理是利用输出压力与参比弹簧反力的合力来推动定子移动，使偏心距改变，即排量改变，并使排量总在与反馈压力相应的平衡位置上。其输出的流量特性曲线 l 以及调速阀流量特性曲线 2 如图所示。最大输出流量Qmax可由限制定子的最大偏心距来给定。泵的工作点由曲线 1与曲线 2 的交点确定，在轻载时处于接近水平的一段上(拐点c之前) ，重载时处在斜线段上。图中斜线段的斜率由参比弹簧刚度决定。,41 容积泵的基本控制方法,41 容积泵的基本控制方法,（2）流量敏感型变量泵流量敏感变量泵的工作原理如下图所
5、示。它与限压式变量泵的区别仅仅是它以流量检测信号代替了压力直接反馈信号。当没有过剩流量时，流过液阻 R 的流量为零，控制压力 Po 也为零。这时泵的输出流量最大，作定量泵供油。当有过剩流量流过时，流量信号转为压力信号Po ，然后和弹簧反力比较来确定偏心距。适当选择液阻 R 可以把控制压力限制在低压范围，从而使弹簧的刚度减小。由于过剩的流量先经过溢流阀，而溢流阀的微小变动就能引起调节作用，故这种流量敏感型变量泵同时具有恒压泵的特性。其压力流量特性曲线如图所示，显然这种泵的拐点压力及最大压力均由溢流阀的手调机构调节确定。,41 容积泵的基本控制方法,流量敏感型变量泵原理图及其压力流量曲线,41 容
6、积泵的基本控制方法,（3）恒压变量泵恒压变量泵是指当流量作适应调节时压力变动十分微小的变量泵。从前两节的分析中可知，要获得恒压的性质，必须要尽量采用弱刚度的弹簧来作参比对象。正加先导式溢流阀一样，用压差来与弹簧力平衡，其恒压性能就较直动式的好得多。恒压变量泵也是利用这一原理来获得压力浮动很小的恒压性能的。下图给出了这种泵的工作原理和性能曲线。在恒压变量泵中设置两个控制腔，利用两端的压力差来推动变量机构作恢复平衡位置的运动，这样弹簧刚度就可以较小。只要求弹簧能够克服摩擦力，使泵在无压时能处于最大排量的状态即可。,41 容积泵的基本控制方法,恒压变量泵原理图及其特性曲线 1调压弹簧 2三通减压阀
7、3变量机构,41 容积泵的基本控制方法,泵的工作原理是：当输出压力比减压阀2的调定压力小时，减压阀全开不起减压作用。这时，变量机构 3 液压力平衡，在复位弹簧作用下处在排量最大位置。当泵的输出压力等于或超过调定压力时，减压阀阀芯向左移动，使供油压力和变量机构下腔部分与油箱接通。因此下腔压力降低，使变量机构失去平衡。上腔液压力推动变量机构下移压缩复位弹簧，直至重新取得力平衡。与此同时，由于变量机构的移动使流量作适应变化。,41 容积泵的基本控制方法,4.1.2 压力适应控制压力适应控制是指泵供给系统的压力自动地与系统的负载相适应，完全消除多余的压力。压力适应控制可以由定量泵供油系统来实现。这对于
8、负载速度变化不大，而负载变化幅度大且频繁的工况，具有很好的节能效果。在定量泵压力适应系统中，当供油量超过需要量时，多余的流量不象定压系统那样从溢流阀中排走，也不象限压变量泵那样会迫使系统压力升高来减少输出流量，而是从非恒定的流阻排出。此流阻的阻值随着执行机构的负载和速度不同而变化。常见的压力适应控制系统有恒流源系统、旁路节流系统和负载压力反馈回路。下面只介绍与比例变量泵关系最为密切的负载压力反馈压力适应控制回路。,41 容积泵的基本控制方法,（1）定差溢流型压力适应控制这种回路只需使溢流阀的弹簧腔接受负载压力反馈信息，构成压差控制溢流阀，或称定差溢流阀（如下图左侧），就能使溢流阀失去恒阻抗流阻
9、的性质，成为一种与负载压力相适应的非恒定流阻，从而使系统供油压力与负载需要相适应，实现节能。,若将节流阀的出口压力作为反馈压力，实质上就构成了一个溢流节流型调速阀(图b)。,41 容积泵的基本控制方法,（2）流量敏感型稳流量变量泵把定差溢流阀用于变量泵时可以解决由于压力追随内泄漏和容性引起的不稳定问题。把定差溢流节流阀的溢流信息，作为变量泵的变量信号，向减小流量方向变化，就可以完全消除溢流量，又能保证输出流量不受外载的影响，构成所谓稳流量变量泵。下图所示为流量敏感型稳流量变量泵的工作原理图。它的特点是以流量检测信号代替原来的压力直接反馈。在工作压力适应调节时，过剩的流量从溢流阀流走，溢流量的微
10、小变化就能引起泵的动作，所以这种泵是流量敏感型的。实质上此泵同时具有压力适应与流量适应的性质。,41 容积泵的基本控制方法,流量敏感型稳流量变量泵,41 容积泵的基本控制方法,4.1.3 功率适应控制液压功率由压力与流量的乘积来决定。无论是流量适应或压力适应系统，都只能做到单参数适应，因而都是不够理想的能耗控制系统。功率适应动力源系统，即压力与流量两参数同时正好满足负载要求的系统才是理想的能耗控制系统。它能把能耗限制在最低的限度内。事实上，上一节中介绍的流量敏感型稳流量变量泵就具有压力与流量的适应能力。采用这种泵的系统具有功率适应性。下图所示为一种差压式稳流量变量叶片泵。泵的变量机构由在定子两
11、边的两个柱塞缸组成。定子的移动靠两个柱塞缸上的液压作用力之差克服弹簧4的作用力来实现。所以这种泵称之为差压式变量泵。,41 容积泵的基本控制方法,采用此泵的系统既有压力适应的性质，又有流量适应的性质。,41 容积泵的基本控制方法,下图所示为一种较完善的功率适应动力源。其特点是泵的变量机构不是靠负载反馈信号直接控制，而是通过一个三通减压阀作为先导阀来控制，因而具有先导控制的许多优点，特别是灵敏度高，动特性好。主节流阀的压差被减压阀的参比弹簧固定，因此，通过主节流阀的流量仅由其开口面积决定。改变开口面积可使流量压力特性曲线上下平移。调节减压阀的弹簧预压缩量可以改变拐点的压力，即可使垂直段左右移动，
12、这样便可适应不同的工况要求。,41 容积泵的基本控制方法,功率适应变量泵 （a）原理图 （b）流量压力特性曲线,41 容积泵的基本控制方法,4.1.4 恒功率控制恒功率控制是使泵的总输出功率具有与负载无关，维持恒定的性质。因液压功率 P 为压力 p 与流量 Q 的乘积，即Pp*Q。所以精确的恒功率控制中，流量与压力的关系是压力升高时，流量随压力呈双曲线规律减小。如下图所示曲线。 下图所示为一种恒功率控制器的结构原理图。控制器中有两根套在一起的弹簧，低压时一根较软的弹簧起作用，这时泵的输出对应于bc段，高压时两根弹簧同时接触变量活塞。这时弹簧刚度变大，其特件曲线对应cd段。两段合起来就能近似实现
13、恒功率控制。,41 容积泵的基本控制方法,恒功率控制变量泵,原理图,特性曲线,41 容积泵的基本控制方法,在一定转速下，变量泵和马达输出或吸入的流量正比于排量。而排量是由变量机构的位置来决定的，因此电液比例排量控制本质上是个电液比例位置控制系统。它利用适当的电机转换装置，通过液压放大级对变量泵或马达的变量机构进行位置控制，使其排量与输入信号成正比。这样的控制称为电液比例排量控制。虽然比例容积控制只是用比例电磁铁和先导阀来取代手调变量机构，但这不仅是操作方式的不同，更重要的是能够利用电气控制来进行各种压力补偿、流量补偿以及功率的适应控制，从而使控制水平大大提高。,42 比例排量变量泵和变量马达,
14、下图所示的是几种常见的比例排量调节方案。比例排量调节的方式按反馈信号的类型分为三种，即位移直接反馈式，位移力反馈式和位移电反馈式。图中压力油输入处 p 可以接内部或外部的压力油。围中的比例阀可以是直动式的，有时需要先导式的，使获得足够大的推力。也可用机械力代替控制力，必要时可以用手动，这时就相当于手动变量式定量泵。变量缸内设有对中弹簧，以便在无信号时回到无流量状态，图 a 所示为一种单向变量机构，图 b 和 c 可以用于双向变量。,42 比例排量变量泵和变量马达,电液比例排量调节 a) 位移直接反馈式 b) 位移力反馈式 c) 位移电反馈式,A图,B图,C图,42 比例排量变量泵和变量马达,4
15、.2.1 位移直接反馈式比例排量调节位移直接反馈式比例变量泵是在手动伺服变量泵的基础上增设比例控制电机械转换部件而构成的。 在这种变量方式中，变量活塞跟踪先导阀芯的位移而定位。可见变量活塞的行程与先导阀芯的行程相等。 （1） 伺服电机驱动比例排量调节伺服电动机输出的是转角，而伺服滑阀需要的是直线位移。因此，利用伺服电动机作电机械转换元件时需要加上一个螺旋机构。下图就是这样的一种控制方式。这种变量泵控制精度很高，工作可靠，能与电气自动化系统共同工作，实现遥控比例变量。实际上这种泵就是电液伺服变量泵。,42 比例排量变量泵和变量马达,42 比例排量变量泵和变量马达,（2） 比例减压阀控制的比例排量
16、调节变量泵采用比例减压阀输出的液压油来推动伺服阀的阀芯，实现电液比例排量调节，这样比例电磁铁的行程就不受变量活塞的行程限剧。下图所示比例排量变量泵使用的就是这种形式的比例排量调节机构。它是在手动伺服变量泵上增设电液比例减压阀 2，操纵缸 3 而构成的。其控制精度及灵敏度虽不如电液伺服变量泵，但其抗污染力强，价格低廉，工作可靠，对许多机械的远程控制是很理想的。,42 比例排量变量泵和变量马达,42 比例排量变量泵和变量马达,（3）位移直接反馈型比例排量变量泵的特性分析位移直接反馈比例排量调节泵的特性是指输入信号电流或当量电流I变化时，流量Q的响应特性。从上面比例排量泵的结构原理分析中可知，它的结构由三个主要环节组成，就是电机械位移转换机构、伺服变量机构及泵主体机构。在简化的条件下，除伺服变量机构外，都简化为比例环节，则泵的特性可由以下的基本方程来描述。a. 电机械转换机构方程,
