调速回路设计及优点分析

调速回路的作用是调节执行元件的运动速度。对于液压缸，只能靠改变输入流量来调速；对于液压马达，靠改变输入流量或马达排量均可达到调速目的。改变流量的方法可使用流量阀或变量泵，改变排量可使用变量马达。因此，常用的调速回路有节流调速、容积调速和容积节流调速3种。

1.节流调速回路

节流调速回路是采用定量泵和节流阀（或调速阀）来调节进入液压缸或液压马达的流量，从而调节其速度的回路。按节流阀在油路中安装位置的不同可分为进油路节流调速回路、回油路节流调速回路、旁油路节流调速回路3种。

1）进油路节流调速回路

图6.3.1中，节流阀串联在进油路上，液压泵排出的压力油经节流阀进入液压缸左腔，推动活塞右移。改变节流阀的开口面积，可改变液压缸活塞的运动速度。定量泵输出的多余油液通过溢流阀回油箱，溢流阀起稳压、溢流作用。

图6.3.1　进油路节流调速回路

当采用调速阀或溢流节流阀作为节流调速元件时，执行元件的运动速度与阀的通流面积近似成正比，不受负载变化的影响，表现出较高的速度刚度。如果采用普通节流阀作为调速元件，则在阀通流面积不变的情况下，执行元件的运动速度会随负载的变化而变化，速度刚度较差，这是由元件本身的特性决定的。

由于这种调速回路在节流阀处存在节流损失，在溢流阀处存在溢流损失，损失的能量转变为热能，同时使系统油温升高，所以节流调速回路效率不高，只适用于小功率的场合。

2）回油路节流调速回路

图6.3.2中，节流阀串联在回油路上，泵排出的压力油经换向阀直接进入液压缸左腔，推动活塞右移。通过改变节流阀的开度，可改变液压缸右腔的回油速度。定量泵输出的多余油液也通过溢流阀回油箱，溢流阀同样起稳压、溢流作用。

回油路节流调速回路与进油路节流调速回路特性相似，但它们在以下几方面的性能有明显差别，在设计液压系统时应加以注意。

（1）承受负值负载的能力。所谓负值负载，就是作用力的方向与执行元件的运动方向相同的负载。回油节流调速的节流阀在液压缸的回油腔能形成一定的背压，能承受一定的负值负载。对于进油路节流调速回路，要使其能承受负值负载就必须在执行元件的回油路上增加背压阀，这样会导致功率损失增加，使油液温度升高。

图6.3.2　回油路节流调速回路

（2）运动平稳性。回油路节流调速回路由于回油路上存在背压，可以有效地防止空气从回油路吸入，因而低速运动时不易爬行，高速运动时不易颤振，即运动平稳性好。进油路节流调速回路在不加背压阀时不具备这种特点。

（3）油液发热对回路的影响。进油路节流调速回路中，通过节流阀产生的节流功率损失转变为热量，一部分由元件表面散发到空气中，另一部分使油液温度升高，高温油液进入执行元件，会使执行元件的内外泄漏增加，速度稳定性变差。但是，回油路节流调速回路中油液经节流阀温升后，直接回油箱，经冷却后再进入系统，对系统泄漏影响较小。

（4）起动性能。回油路节流调速回路中若停车时间较长，液压缸回油路到油箱的管路中的油液会泄漏回油箱，重新起动时背压不能立即建立，会引起瞬间工作机构的前冲现象。对于进油路节流调速，只要在开车时关小节流阀即可避免起动冲击。

综上所述，进油路、回油路节流调速回路结构简单，价格低廉，但效率较低，只宜用在负载变化不大、低速、小功率场合，如某些机床的进给系统中。

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，使其兼具二者的优点。

回油节流调速回路：节流阀在回油路中，所以这种回路多用在功率不大，但载荷变化较大、运动平稳性要求较高的液压系统中，如磨削和精镗的组合机床等。

3）旁油路节流调速回路

在图6.3.3中，节流阀并联在旁路上，定量泵输出的压力油一路经节流阀回油箱，另一路经换向阀进入液压缸左腔，推动活塞右移。节流阀的开度越大，则进入液压缸的压力油流量越小，活塞带动负载的运动速度越低；反之，节流阀的开度越小，则进入液压缸的压力油流量越大，活塞带动负载的运动速度越高。在这个回路中，并联的溢流阀起安全保护作用，泵的出口压力随负载的变化而变化。

旁油路节流调速回路的速度-负载特性较软，低速承载能力差，故应用比前两种回路少。由于其效率相对较高，系统的功率可以比前两种稍大。

旁路节流调速回路与前两种回路的调速方法不同，它的节流阀和执行元件是并联关系，节流阀开得越大，活塞运行越慢。这种回路适用于负载变化小，对运动平稳性要求不高的高速大功率的场合，如牛头刨床的主传动系统，有时候也可用在随着负载增大，要求进给速度自动减小的场合。

图6.3.3　旁油路节流调速回路

（a）原理图；（b）速度-负载特性曲线

2.容积调速回路

容积调速回路是通过改变变量泵和（或）变量马达的排量来调节执行元件运动速度的回路。在容积调速回路中，液压泵输出的压力油直接进入液压缸或液压马达，系统无溢流损失和节流损失，且供油压力随负载的变化而变化。因此，容积调速回路效率高、发热小，适用于特种车辆、工程机械、矿山机械、农业机械及大型机床等大功率液压系统。

按液压执行元件的不同，容积调速回路可分为泵-缸式和泵-马达式两类。

1）变量泵-液压缸调速回路（图6.3.4）(www.xing528.com)

图6.3.4（a）所示的容积调速回路原理图，它由变量泵、双活塞杆液压缸和起安全作用的溢流阀组成。通过改变液压泵的排量Vp，便可调节液压缸的运动速度v。

当不考虑管路、液压缸的泄漏和压力损失时，液压缸的速度为

根据式（6.3.1）可知，液压缸的速度等于泵的输出流量乘以系统的容积效率再除以液压缸活塞的有效作用面积。按不同Vp值作图，可得一组速度-负载特性曲线，如图6.3.4（b）所示。由于液压系统存在泄漏，且其泄漏量随压力的升高而增大。因此，当负载F增大时，液压缸的速度按线性规律下降。当液压泵以小排量（低速）工作时，这种回路的承载能力较差。

图6.3.4　变量泵-液压缸容积调速回路

（a）原理图；（b）速度-负载特性曲线

2）泵-马达式调速回路

泵-马达式容积调速回路有变量泵-定量马达、定量泵-变量马达和变量泵-变量马达3种组合形式。它们普遍用于工程机械、行走机构、矿山机械以及静压无级变速装置中，在机床等设备上应用较少。

（1）变量泵-定量马达调速回路（图6.3.5）。

图6.3.5（a）所示为变量泵-定量马达调速回路原理图。回路中高压管路上设有安全阀4，用以防止回路过载；低压管路上连接一小流量的辅助泵1，用以补充主变量泵3和马达5的泄漏，其供油压力由溢流阀6调定。辅助泵与溢流阀使低压管路始终保持一定压力，不仅改善了主泵的吸油条件，而且可置换部分发热油液，降低系统温升。

在这种回路中，液压泵的转速np和液压马达的排量Vm视为常量，改变泵的排量Vp可使马达转速nM和输出功率PM随之成比例地变化。马达的输出转矩TM和回路的工作压力Δp取决于负载转矩，不会因调速而发生变化，因此这种回路常称为恒转矩调速回路。其回路特性曲线如图6.3.5（b）所示。需要注意的是，这种回路的速度刚性受负载变化影响的原因与节流调速回路有根本的不同，即随着负载转矩的增加，因泵和马达的泄漏增加，致使马达输出转速下降。这种回路的调速范围一般为Rc=nMmax/nMmin≈40，多用于液压驱动车辆的主传动、两栖车辆水上驱动、风扇传动、履带式车辆转向、液压起重机、船用绞车等。

图6.3.5　变量泵-定量马达调速回路

（a）原理图；（b）回路特性曲线
1—辅助泵；2—单向阀；3—主变量泵；4—安全阀；5—马达；6—溢流阀

（2）定量泵-变量马达调速回路（图6.3.6）。

定量泵-变量马达容积调速回路原理图如图6.3.6（a）所示。当泵的转速不变时，其输出流量为定值，故调节变量马达的排量VM，便可对其自身的转速nM进行调节。在该调速回路中，液压马达能输出的转矩随马达排量的变化而变化，但回路能输出的最大功率是恒定的，故这种调速方法称为恒功率调速回路。其回路特性曲线如图6.3.6（b）所示。

在这种调速回路中，液压泵的转速和排量一定，通过改变马达的排量就可以改变马达的转速，实现无级调速。但是，变量马达的排量不能调得过小，若排量过小，使输出转矩过小而不能带动负载，并且排量很小时转速很高，这时液压马达换向容易发生事故，故该回路调速范围较小。以上缺点限制了这种调速回路的应用。

图6.3.6　定量泵-变量马达调速回路

（a）原理图；（b）回路特性曲线
1—定量主泵；2—变量马达；3—安全阀；4—辅助泵；5—溢流阀

这种回路主要用于需要恒功率输出，但是输出转速和扭矩要实时调节的系统，如造纸、纺织、轧钢生产线等。

（3）变量泵-变量马达调速回路（图6.3.7）。

在图6.3.7（a）所示由变量泵和变量马达组成的容积调速回路原理图中，实际上是上述两种调速回路的组合，由于液压泵和马达的排量都可改变，扩大了调速范围，也扩大了对马达转矩和功率输出特性的选择，即工作部件对转矩和功率上的要求可通过对二者排量的适当调节来达到。例如，一般机械设备起动时，需较大转矩；高速时，要求有恒功率输出，以不同的转矩和转速组合进行工作。这时可分两步调节转速：第一步，把马达排量固定在最大值上（相当于定量马达），由小到大调节泵的排量，使马达转速升高，此时属恒转矩调速；第二步，把泵的排量固定在调好的最大值上（相当于定量泵），由大到小调节马达的排量，使马达转速进一步升高，达到所需转速要求，此时属恒功率调速。其特性曲线如图6.3.7（b）所示。由于泵和马达的排量都可改变，扩大了回路的调速范围，一般为Rc≤100。此种调速回路可用于车辆传动系统等需要较大调速范围的场合。

3.容积节流调速回路

容积节流调速回路是利用变量泵供油，用调速阀或节流阀（流量控制阀）改变进入执行元件的流量，以实现工作速度的调节。液压泵的供油量与液压缸所需的流量相适应，无溢流损失（但有一定的节流损失）。因此，这种调速回路具有效率较高、低速稳定性好的特点，常用在速度调节范围大、中小功率的场合，如组合机床的进给系统。图6.3.8所示即为一种由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路原理图。

4.调速回路比较

上述调速回路中，节流调速回路结构简单、调速范围大、调节方便，具有较好的微调性，但节流调速能量损失大、油温升高快。容积调速回路效率高、能量利用合理、不存在节流溢流能量损失，但因变量泵和变量马达均存在死区，所以低速时调节困难，同时也存在速度随负载增加而降低及成本高等缺点。用节流阀（或手动换向阀）配合变量泵来进行的容积节流调速回路，综合了节流调速和容积调速的优点，具有效率高、调速方便、工作稳定等优点。

图6.3.7　变量泵-变量马达调速回路

（a）原理图；（b）回路特性曲线
1—变量主泵；2—变量马达；3，5—溢流阀；4—辅助泵；6，7，8，9—单向阀

图6.3.8　限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路原理图

1—变量泵；2—调速阀；3—二位二通换向阀；4—二位四通换向阀；5—压力继电器；6—溢流阀