第二节 速度控制回路
液压传动系统中速度控制回路包括调节液压执行元件的速度的调速回路、使之获得快速运动的快速回路、快速运动和工作进给速度以及工作进给速度之间的速度换接回路。
一、调速回路
调速是为了满足液压执行元件对工作速度的要求，在不考虑液压油的压缩性和泄漏的情况下，液压缸的运动速度为
液压马达的转速：
由以上两式可知，改变输入液压执行元件的流量q或改变液压缸的有效面积A（或液压马 达的排量VM）均可以达到改变速度的目的。但改变液压缸工作面积的方法在实际中是不现实的，因此，只能用改变进入液压执行元件的流量或用改变变量液压马达排量的方法来调速。为了改变进入液压执行元件的流量，可采用变量液压泵来供油，也可采用定量泵和流量控制阀，以改变通过流量阀流量的方法。用定量泵和流量问阀来调速时，称为节流拥速；用改变变量泵或变量液压马达的排量调速时，称为容积调速；用变量泵和流量阀来达到调速目的时，则称为容积节流调速。
（－）节流调速回路
节流调速回路的工作原理是通过改变回路中流量控制元件（节流阀和调速阀）通流截面积的大小来控制流入执行元件或自执行元件流出的流量，以调节其运动速度。根根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。前两种回路称为定压式节流调速回路，后一种由于回路的供油压力随负载的变化而变化又称为变压式节流调速回路。
1、 进油节流调速回路
（1）速度负载特性
缸稳定工作时有
式中，P1为进油腔压力；P2为出油腔压力，P2=0；F为液压缸的负载；A1为液压缸无杆腔面积；A2为液压缸有杆腔面积，AT为节流阀通流面积。故
节流阀两端的压差为
节流阀进入液压缸的流量为
液压缸的运动速度为
这种回路的调速范围较大，当AT调定后，速度随负载的增大而减小，故负载特性软。适用于低速轻载场合。
（2）最大承载能力
（3）功率和效率
在节流阀进油节流调速回路中，液压泵的输出功率为
＝常量，而液压缸的输出功率为
，所以该回路的功率损失为
式中，qy为通过溢流阀的溢流量，qy=qp-q1
由上式可以看出，功率损失由两部分组成，即溢流损失功率和节流损失功率。
（4）回路效率为
由于存在两部分的功率损失，故这种调速回路的效率较低。当负载恒定或变化很小时，η可达0.2-0.6；当负载变化时，回路的最大效率为0.385。
2、回油节流调速回路
（1）速度负载特性
式中，P1为进油腔压力；P2为出油腔压力，P2=0；F为液压缸的负载；A1为液压缸无杆腔面积；A2为液压缸有杆腔面积，AT为节流阀通流面积。
比较式(6-5)和式(6-3)可以发现，回油路节流调速和进油路节流调速的速度负载特性以及速度刚性基本相同，若液压缸两腔有效面积相同(双出杆液压缸)，那么两种节流调速回路的速度负载特性和速度刚度就完全一样。因此对进油路节流调速回路的一些分析对回油路节流调速回路完全适用。
（2）最大承载能力
回油路节流调速的最大承载能力与进油路节流调速相同，即
（3）功率和效率
（4）回路效率为
液压泵的输出功率与进油路节流调速相同，即
＝常量，液压缸的输出功率为
回路的功率损失为
因此可以认为进油节流调速回路的效率和回油节流调速回路的效率相同。但是，应当指出，在回油节流调速回路中，液压缸工作腔和回油腔的压力都比进油节流调速回路高，特别是在负载变化大，尤其是当F=0时，回油腔的背压有可能比液压泵的供油压力还要高，这样会使节流功率损失大大提高，且加大泄漏，因而其效率实际上比进油调速回路要低。
进油与回油路节流调速回路不同之处：
(1)承受负值负载的能力 回油节流调速回路的节流阀使液压缸回油腔形成一定的背压，在负值负载时，背压能阻止工作部件的前冲，而进油节流调速由于回油腔没有背压力，因而不能在负值负载下工作。
(2)停车后的启动性能 长期停车后液压缸油腔内的油液会流回油箱，当液压泵重新向液压缸供油时，在回油节流调速回路中，由于进油路上没有节流阀控制流量，会使活塞前冲；而在进油节流调速回路中，由于进油路上有节流阀控制流量，故活塞前冲很小，甚至没有前冲。
(3)实现压力控制的方便性 进油节流调速回路中，进油腔的压力将随负载而变化，当工作部件碰到止挡块而停止后，其压力将升到溢流阀的调定压力，利用这一压力变化来实现压力控制是很方便的；但在回油节流调速回路中，只有回油腔的压力才会随负载而变化，当工作部件碰到止挡块后，其压力将降至零，虽然也可以利用这一压力变化来实现压力控制，但其可靠性差，一般均不采用。
(4)发热及泄漏的影响 在进油节流调速回路中，经过节流阀发热后的液压油将直接进入液压缸的进油腔；而在回油节流调速回路中，经过节流阀发热后的液压油将直接流回油箱冷却。因此，发热和泄漏对进油节流调速的影响均大于对回油节流调速的影响。
(5)运动平稳性 在回油节流调速回路中，由于有背压力存在，它可以起到阻尼作用，同时空气也不易渗入，而在进油节流调速回路中则没有背压力存在，因此，可以认为回油节流调速回路的运动平稳性好一些；但是，从另一个方面讲，在使用单出杆液压缸的场合，无杆腔的进油量大于有杆腔的回油量。故在缸径、缸速均相同的情况下，进油节流调速回路的节流阀通流面积较大,低速时不易堵塞。因此，进油节流调速回路能获得更低的稳定速度。
为了提高回路的综合性能，一般常采用进油节流调速，并在回油路上加背压阀的回路，使其兼具两者的优点。
3．旁油路节流调速回路
如图6-10a所示的为采用节流阀的旁路节流调速回路，节流阀调节了液压泵溢回油箱的流量，从而控制了进入液压缸的流量，调节节流阀的通流面积，即可实现调速，由于溢流已由节流阀承担，故溢流阀实际上是安全阀，常态时关闭，过载时打开，其调定压力为最大工作压力的1.1-1.2倍，故液压泵工作过程中的压力完全取决于负载而不恒定，所以这种凋速方式又称变压式节流调速。
(1) 速度负载特性
(2) 最大承载能力
由图6-10b可知，速度负载特性曲线在横坐标上并不汇交，其最大承载能力随节流阀通流面积AT的增加而减小，即旁路节流调速回路的低速承载能力很差，调速范围也小。
(3) 功率和效率
旁路节流调速回路只有节流损失而无溢流损失，泵的输出压力随负载而变化，即节流损失和输入功率随负载而变化，所以比前两种调速回路效率高。
旁油路节流调速回路负载特性很软，低速承载能力又差，故其应用比前两种回路少，只用于高速、重载，对速度平稳性要求不高的较大功率系统中，如牛头刨床主运动系统、输送机械液压系统等。
4. 采用调速阀的节流调速回路
使用节流阀的节流调速回路，速度负载特性都比较"软"，变载荷下的运动平稳性都比较差，为了克服这个缺点，回路中的节流阀可用调速阀来代替，由于调速阀本身能在负载变化的条件下保证节流阀进出油口间的压差基本不变，因而使用调速阀后，节流调速回路的速度负载特性将得到改善。调速阀的工作压差一般最小须0．5MPa，高压调速阀需1.0MPa左右。
（二）容积调速回路
容积调速回路是用改变泵或马达的排量来实现调速的。主要优点是没有节流损失和回流损失，因而效率高，油液温升小，适用于高速、大功率调速系统。缺点是变量泵和变量马达的结构较复杂，成本较高。
根据油路的循环方式，容积调速回路可以分为开式回路或闭式回路。在开式回路中液压泵从油箱吸油，液压执行元件的回油直接回油箱，这种回路结构简单，油液在油箱中能得到充分冷却，但油箱体积较大，空气和赃物易进入回路。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，只需很小的补油箱，空气和赃物不易进入回路，但油液的冷却条件差，先附设辅助泵补油、冷却和换油。补油泵的流量一般为主泵流量的10%～15%。
容积调速回路通常有三种基本形式：变量泵和定量液压执行元件组成的容积调速回路；定量泵和变量马达组成的容积调速回路；变量泵和变量马达组成的容积调速回路。
1． 变量泵和定量液压执行元件的容积调速回路
图6－11a的执行元件为液压缸，图6－11b中的执行元件为液压马达。
在图6-11a中，改变变量泵的排量即可调节活塞的运动速度v，2为安全阀，限制回路中的最大压力。若不考虑液压泵以外的元件和管道的泄漏，这种回路的活塞运动速度为
式中，qt为变量泵的理论流量；kl为变量泵的泄漏系数；其余符号意义同前。
将上式按不同的qt值作图，可得一组平行直线，如图6-12a所示。
由于变量泵有泄漏，活塞运动速度会随负载的加大而减小。负载增大至某值时，在低速下会出现活塞停止运动的现象(图6-12a中，F’点)，这时变量泵的理论流量等于泄漏量，可见这种回路在低速下的承载能力是很差的。
在图6-11b所示的变量泵定量液压马达的调速回路中，若不计损失，调节变量泵的流量qp即可对马达的转速进行调节，同样当负载转矩恒定时，马达的输出转矩T和回路工作压力p都恒定不变，所以马达的输出功率P与转速成正比关系变化，故本回路的调速方式又称为恒转矩调速，回路的调速特性见图6-12b所示。
2．定量泵和变量马达的容积调速回路
如图6-13a所示的为由定量泵和变量马达组成的容积调速回路。
由于液压泵的转速和排量均为常数，当负载功率恒定时，马达输出功率PM和回路工作压力p都恒定不变，因为马达的输出转矩TM与马达的排量VM成正比，马达的转速则与VM成反比。所以这种回路称为恒功率调速回路，其调速特性如图6-13b所示。
3.变量泵和变量马达容积调速回路
如图6-14a所示为采用双向变量泵和双向变量马达的容积调速回路。
一般工作部件都在低速时要求有较大的转矩，因此，这种系统在低速范围内调速时，先将液压马达的排量调为最大(使马达能获得最大输出转矩)，然后改变泵的输油量，当变量泵的排量由小变大，直至达到最大输油量时，液压马达转速亦随之升高，输出功率随之线性增加，此时液压马达处于恒转矩状态；若要进一步加大液压马达转速，则可将变量马达的排量由大调小，此时输出转矩随之降低，而泵则处于最大功率输出状态不变，故液压马达亦处于恒功率输出状态。
(三)容积节流调速回路
容积节流调速回路的工作原理是采用压力补偿型变量泵供油，用流量控制阀调定进入液压缸或由液压缸流出的流量来调节液压缸的运动速度，并使变量泵的输油量自动地与液压缸所需的流量相适应，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，常用在速度范围大，中小功率的场合，例如组合机床的进给系统等。
1． 限压式变量泵和调速阀的容积节流调速回路
如图6-15a所示为由限压式变量泵和调速阀组成的容积节流联合调速回路。
图6-15b所示为调速回路的调速特性，由图可见，这种回路虽无溢流损失，但仍有节流损失，其大小与液压缸工作腔压力p1有关。液压缸工作腔压力的正常工作范围是
式中，Δp为保持调速阀正常工作所需的压差，一般应在0.5MPa以上。
当p1=p1max时，回路中的节流损失为最小。调速回路的效率为
泵的输出流量愈小，泵的压力就愈高；负载愈小，则上式中的压力p1便愈小。因而在速度小(qp小)、负载小(p1小)的场合下，这种调速回路效率就很低。
2．差压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路
图6-16所示为差压式变量泵和节流阀组成的容积节流调速回路，该回路的工作原理与上述回路基本相似。
作用在液压泵定子上的力的平衡方程为
式中，A1、A2分别为控制缸无柱塞腔的面积和柱塞的面积；pp、p1分别为液压泵供油压力和液压缸工作腔压力；Fs为控制缸中的弹簧力。
节流阀前后压差Δp基本上由作用在泵控制柱塞上的弹簧力来确定的，由于弹簧刚度小，工作中伸缩量也很小，所以Fs基本恒定，则Δp也近似为常数，所以通过节流阀的流量就不会随负载而变化，这和调速阀的工作原理相似。因此，这种调速回路的性能和上述回路不相上下，它的调速范围也是只受节流阀调节范围的限制。此外，这种回路因能补偿由负载变化引起的泵的泄漏变化，因此它在低速小流量的场合使用性能尤佳。在这种调速回路中，不但没有溢流损失，而且泵的供油压力随负载而变化，回路中的功率损失也只有节流处压降Δp所造成的节流损失一项，因而它的效率较限压式变量泵和调速阀的调速回路要高，且发热少，这种回路的效率表达式为
这种回路宜用在负载变化大，速度较低的中、小功率场合，如某些组合机床的进给系统中。
