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液压回路
第三节方向控制回路
液压执行元件除了在输出速度或转速、输出力或转矩方面有要求外,对其运动方向、停止及其停止后的定位等性能也有不同的要求。
通过控制进入执行元件液流的通、断或变向来实现液压系统执行元件的启动、停止或改变运动方向的回路称为方向控制回路。
常用的方向控制回路有换向回路、锁紧回路和制动回路。
(一)换向回路
1.1. 采用换向阀的换向回路
采用不同操纵形式的二位四通(五通)、三位四通(五通)换向阀都可以使执行元件直接实现换向。
二位换向阀只能使执行元件实现正、反向换向运动;三位阀除了能够实现正、反向换向运动,还有中位机能,不同的滑阀中位机能可使系统获得不同的控制特性,如锁紧、卸荷、浮动等。
对于利用重力或弹簧力回程的单作用液压缸,用二位三通阀就可使其换向,见图7-31所示;采用电磁阀换向最为方便,但电磁阀动作快,换向有冲击、换向定位精度低、换向操作力较小、可靠性相对较低,且交流电磁铁不宜作频繁切换,以免线圈烧坏;采用电液换向阀,可通过调节单向节流阀(阻尼器)来控制换向时间,其换向冲击较小,换向控制力较大,但换向定位精度低、换向时间长、不宜频繁切换;采用机动阀换向,可以通过工作机构的挡块和杠杆,直接控制换向阀换向,这样既省去了电磁阀换向的行程开关、继电器等中间环节,换向频率也不会受电磁铁的限制,换向过程平稳、准确、可靠,但机动阀必须安装在工作机构附近,且当工作机构运动速度很低时、行程挡块推动杠杆带动换向阀阀芯移至中间位置时,工作机构可能因失去动力而停止运动,出现换向死点,使执行机构停止不动,而当工作机构运动速度较高时,又可能因换向阀芯移动过快而引起换向冲击。
由此可见,采用任何单一换向阀控制的换向回路,都很难实现高性能、高精度、准确的换向控制。
单作用缸换向回路动画
2.2. 采用机——液复合换向阀的换向回路
对一些需要频繁连续往复运动、且对换向过程又有很多要求的工作机构(如磨床工作台),必须采用复合换向控制的方式,常用机动滑阀作先导阀,由它控制一个可调式液动换向阀实现换向。
图7-32、采用机液复合换向阀动画为采用机——液复合换向阀的换向回路,按照运动部件制动原理不同,机液换向阀的换向回路分为时间控制制动式换向和行程控制制动式换向两种控制方式。
它们的主要区别在于时间控制制动式换向的主油路只受主换向阀3的控制,液压缸的回油只经过主换向阀2(液动换向阀),不经过先导阀1(机动阀),换向过程中没有先导换向阀的预制动作用;而行程控制制动式换向的主油路不仅要经过主换向阀,其回油还受先导阀2的控制,换向时在挡铁和杠杆的作用下,先导阀阀芯上的制动锥可逐渐将液压缸的回油通道关小,使工作部件实现预制动,使工作台运动的速度变得很小的时候,主油路才开始换向。
当节流器J1、J2的开口调定后,不论工作台原来的速度快慢如何,前者工作台制动的时间基本不变,而后者工作台预先制动的行程基本不变。
采用时间控制制动式换向的换向冲击小、换向冲出量大、换向精度低,这种回路主要用于工作部件运动速度大、换向频率高、换向精度要求不高的场合,如平面磨床中的液压系统。
采用行程控制制动式换向的高速换向冲击大、换向冲出量小、换向精度高,这种回路适用于工作部件运动速度不大,但对换向精度要求很高的场合,如内、外圆磨床中的液压系统。
3.3. 采用双向变量泵的换向回路
在闭式回路中可用双向变量泵变更供油方向来直接实现液压缸(马达)换向。
如图7-33、采用双向变量泵的换向动画所示,执行元件是单杆双作用液压缸5,活塞向右运动时,其进油流量大于排油流量,双向变量泵1吸油侧流量不足,可用辅助泵2通过单向阀3来补充;变更双向变量泵1的供油方向,活塞向左运动时,排油流量大于进油流量,泵1吸油侧多余的油液通过由缸5进油侧压力控制的二位二通阀4和溢流阀6排回油箱;溢流阀6和8既使活塞向左或向右运动时泵吸油侧有一定的吸人压力,又可使活塞运动平稳。
溢流阀7是防止系统过载的安全阀。
这种回路适用于压力较高、流量较大的场合。
(二)锁紧回路
锁紧回路的功能是通过切断执行元件的进油、出油通道来使它停在任意位置,并防止停止运动后因外界因素而发生窜动、下滑现象。
使液压缸锁紧的最简单的方法是利用三位换向阀的M型或O型中位机能来封闭缸的两腔,使活塞在行程范围内任意位置停止。
但由于滑阀的内泄漏,不能长时间保持停止位置不动,锁紧精度不高。
最常用的方法是采用液控单向阀作锁紧元件,如图7-34、液控单向阀锁紧动画、制动器锁紧动画所示,在液压缸的两侧油路上都串接一液控单向阀(液压锁),活塞可以在行程的任何位置上长期锁紧,不会因外界原因而窜动,其锁紧精度只受液压缸的泄漏和油液压缩性的影响。
为了保证锁紧迅速、准确,换向阀应采用H型或Y型中位机能。
图7-34所示回路常用于汽车起重机的支腿油路和飞机起落架的收放油路上。
(三)制动回路
制动回路的功能在于使执行元件平稳地由运动状态转换成静止状态。
要求对油路中出现的异常高压和负压的情况能作出迅速反应,并应使制动时间尽可能短,冲击尽可能小。
图7-35a、采用溢流阀的制动动画为采用溢流阀的液压缸制动回路。
在液压缸两侧油路上设置反应灵敏的小型直动型溢流阀2和4,换向阀切换时,活塞在溢流阀2或4的调定压力值下实现制动。
如活塞向右运动换向阀突然切换时,活塞右侧油液压力由于运动部件的惯性而突然升高,当压力超过阀4的调定压力,阀4打开溢流,缓和管路中的液压冲击,同时液压缸左腔通过单向阀3补油。
活塞向左运动,由溢流阀2和单向阀5起缓冲和补油作用。
缓冲溢流阀2和4的调定压力一般比主油路溢流阀1的调定压力高5%—10%。
图7-35b、采用溢流阀的制动动画2为采用溢流阀的液压马达制动回路。
在液压马达的回油路上串接一溢流阀2。
换向阀4电磁铁得电时,马达由泵供油而旋转,马达排油通过背压阀3回油箱,背压阀调定压力一般为0.3—0.7MPa。
当电磁铁失电时,切断马达回油,马达制动。
由于惯性负载作用,马达将继续旋转为泵工况,马达的最大出口压力由溢流阀2限定,即出口压力超过阀2的调定压力时阀2打开溢流,缓和管路中的液压冲击。
泵在阀3调定的压力下低压卸载,并在马达制动时实现有压补油,使其不致吸空。
溢流阀2的调定压力不宜调得过高,一般等于系统的额定工作压力。
溢流阀1为系统的安全阀。
第四节多执行元件控制回路
机器设备的动作要求是由其特有的功能决定的,在许多情况下机器设备的运动动作复杂多变,往往需要多个运动部件的相互协调、配合与联动才能完成,这些机器设备中的液压系统一定要有多个相互有联系的液压执行件才能满足上述要求。
在一个液压系统中,如果由一个油源给多个执行元件供油,各执行元件会因回路中压力、流量的相互影响而在动作上受到牵制。
我们可以通过压力、流量、行程控制来实现多执行元件预定动作的要求,这种控制回路就称为多执行元件控制回路。
(一)顺序动作回路
顺序动作回路的功用在于使几个执行元件严格按照预定顺序依次动作。
按控制方式不同,顺序动作回路分为压力控制和行程控制两种。
1.1. 压力控制顺序动作回路
利用液压系统工作过程中运动状态变化引起的压力变化使执行元件按顺序先后动作,这种回路就是压力控制顺序动作回路。
如图7-36a、顺序阀控制动画所示。
假设机床工作时液压系统的动作顺序为:
①夹具夹紧工件——②工作台进给——③工作台退出——④夹具松开工件。
其控制回路的工作过程如下:
回路工作前,夹紧缸1和进给缸2均处于起点位置,当换向阀5左位接入回路时,夹紧缸1的活塞向右运动使夹具夹紧工件,夹紧工件后会使回路压力升高到顺序阀3的调定压力,阀3开启,此时缸2的活塞才能向右运动进行切削加工;加工完毕,通过手动或操纵装置使换向阀5右位接入回路,缸2活塞先退回到左端点后,引起回路压力升高,使阀4开启,缸1活塞退回原位将夹具松开,这样完成了一个完整的多缸顺序动作循环,如果要改变动作的先后顺序,就要对两个顺序阀在油路中的安装位置进行相应的调整。
图7-36b、压力继电器控制顺序动作是用压力继电器控制电磁换向阀来实现顺序动作的回路。
按启动按钮,电磁铁1Y得电,电磁换向阀3的左位接入回路,缸1活塞前进到右端点后,回路压力升高,压力继电器1K动作,使电磁铁3Y得电,电磁换向阀4的左位接入回路,缸2活塞向右运动;按返回按钮,1Y、3Y同时失电,且4Y得电,使阀3中位接入回路、阀4右位接入回路,导致缸1锁定在右端点位置、缸2活塞向左运动,当缸2活塞退回原位后,回路压力升高,压力继电器2K动作,使2Y得电,阀3右位接入回路,缸1活塞后退直至到起点。
在压力控制的顺序动作回路中,顺序阀或压力继电器的调定压力必须大于前一动作执行元件的最高工作压力的10%—15%,否则在管路中的压力冲击或波动下会造成误动作,引起事故。
这种回路只适用于系统中执行元件数目不多、负载变化不大的场合。
2.行程控制顺序动作回路
图7-37a、行程阀控制顺序动作动画是采用行程阀控制的多缸顺序动作回路。
图示位置两液压缸活塞均退至左端点。
当电磁阀3左位接入回路后,缸1活塞先向右运动,当活塞杆上的行程挡块压下行程阀4后,缸2活塞才开始向右运动,直至两个缸先后到达右端点;将电磁阀3右位接入回路,使缸1活塞先向左退回,在运动当中其行程挡块离开行程阀4后,行程阀4自动复位,其下位接入回路,这时缸2活塞才开始向左退回,直至两个缸都到达左端点。
这种回路动作可靠,但要改变动作顺序较为困难。
图7-37b、行程开关控制顺序动作动画是采用行程开关控制电磁换向阀的多缸顺序动作回路。
按启动按钮,电磁铁1Y得电,缸1活塞先向右运动,当活塞杆上的行程挡块压下行程开关2S后,使电磁铁2Y得电,缸2活塞才向右运动,直到压下3S,使1Y失电,缸1活塞向左退回,而后压下行程开关1S,使2Y失电,缸2活塞再退回。
在这种回路中,调整行程挡块位置,可调整液压缸的行程,通过电控系统可任意改变动作顺序,方便灵活,应用广泛。
(二)同步回路
同步回路的功用是使系统中多个执行元件克服负载、摩擦阻力、泄漏、制造质量和结构变形上的差异,而保证在运动上的同步。
同步运动分为速度同步和位置同步两类。
速度同步是指各执行元件的运动速度相等,而位置同步是指各执行元件在运动中或停止时都保持相同的位移量。
实现多缸同步动作的方式有多种,它们的控制精度和价格也相差很大,实际中根据系统的具体要求,进行合理的设计。
1.1. 用流量控制阀的同步回路
图7-38a、调速阀同步动画中,在两个并联液压缸的进(回)油路上分别串接一个单向调速阀,仔细调整两个调速阀的开口大小,控制进入两液压缸或自两液压缸流出的流量,可使它们在一个方向上实现速度同步。
这种回路结构简单,但调整比较麻烦,同步精度不高,不宜用于偏载或负载变化频繁的场合。
如图7-38b所示,采用分流集流阀3(同步阀)代替调速阀来控制两液压缸的进入或流出的流量,分流集流阀具有良好的偏载承受能力,可使两液压缸在承受不同负载时仍能实现速度同步。
回路中的单向节流阀2用来控制活塞的下降速度,液控单向阀4是防止活塞停止时的两缸负载不同而通过分流阀的内节流孔窜油。
由于同步作用靠分流阀自动调整,使用较为方便,但效率低,压力损失大,不宜用于低压系统。
2.用串联液压缸的同步回路
将有效工作面积相等的两个液压缸串联起来便可实现两缸同步,这种回路允许较大偏载,因偏载造成的压差不影响流量的改变,只导致微量的压缩和泄漏,因此同步精度较高,回路效率也较高。
这种情况下泵的供油压力至少是两缸工作压力之和。
由于制造误差、内泄漏及混入空气等因素的影响,经多次行程后,将积累为两缸显著的位置差别。
为此,回路中应具有位置补偿装置,如图7-39、带补偿装置同步动画所示。
当两缸活塞同时下行时,若缸5活塞先到达行程端点,则挡块压下行程开关1S,电磁铁3Y得电,换向阀3左位接人回路,压力油经换向阀3和液控单向阀4进入缸6上腔,进行补油,使其活塞继续下行到达行程端点。
如果缸6活塞先到达端点,行程开关2S使电磁铁4Y得电,换向阀3右位接人回路,压力油进入液控单向阀4的控制腔,打开阀4,缸5下腔与油箱接通,使其活塞继续下行到达行程端点,从而消除积累误差。
3.用同步缸或同步马达的同步回路
图7-40a、同步缸的同步动画是回路。
同步缸3是两个尺寸相同的缸体和两个活塞共用一个活塞杆的液压缸,活塞向左或向右运动时输出或接受相等容积的油液,在回路中起着配流的作用,使有效面积相等的两个液压缸实现双向同步运动。
同步缸的两个活塞上装有双作用单向阀4,可以在行程端点消除误差。
和同步缸一样,用两个同轴等排量双向液压马达3作配油环节,输出相同流量的油液亦可实现两缸双向同步。
如图7-40b、同步马达同步动画示,节流阀4用于行程端点消除两缸位置误差。
这种回路的同步精度比采用流量控制阀的同步回路高,但专用的配流元件使系统复杂、制作成本高。
4.4. 采用比例阀或伺服阀的同步回路
当液压系统有很高的同步精度要求时,必须采用比例阀或伺服阀的同步回路。
图7-41、伺服阀同步动画所示,伺服阀4根据两个位移传感器B、C的反馈信号,持续不断地调整阀口开度,控制两个液压缸的输入或输出流量,使它们获得双向同步运动。
(三)多执行元件互不干扰回路
这种回路的功用是使系统中几个执行元件在完成各自工作循环时彼此互不影响。
图7-42、多元件互不干涉动画是通过双泵供油来实现多缸快慢速互不干扰的回路。
液压缸1和2各自要完成“快进——工进——快退”的自动工作循环。
当电磁铁1Y、2Y得电,两缸均由大流量泵10供油,并作差动连接实现快进。
如果缸1先完成快进动作,挡块和行程开关使电磁铁3Y得电,1Y失电,大泵进入缸1的油路被切断,而改为小流量泵9供油,由调速阀7获得慢速工进,不受缸2快进的影响。
当两缸均转为工进、都由小泵9供油后,若缸1先完成了工进,挡块和行程开关使电磁铁1Y、3Y都得电,缸1改由大泵10供油,使活塞快速返回。
这时缸2仍由泵9供油继续完成工进,不受缸1影响。
当所有电磁铁都失电时,两缸都停止运动。
此回路采用快、慢速运动由大、小泵分别供油,并由相应的电磁阀进行控制的方案来保证两缸快慢速运动互不干扰。
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