第1章　液压源回路

液压源回路也称为动力源回路，是液压系统中最基本的不可缺少的部分。液压源回路的功能是向液压系统提供一定压力和流量的传动介质，以满足执行机构的工作需要。液压源回路是由油箱、油箱附件、液压泵、电动机、压力阀、过滤器、单向阀等组成的。在选择和使用液压源时要考虑系统所需的流量和压力，使用的工况、作业的环境以及液压油的污染控制和温度控制等。

因此，设计和选择油源时，要综合考虑系统压力的稳定性、流量的均匀性、工作的可靠性、传动介质的温度和污染度以及节能等因素。要选择合理的油源供油系统，使之非常接近负载的要求，提供刚好能满足液压系统所必需的流量、压力及功率，以节约能量，提高经济效益，这是液压源回路的设计目标，也是现代液压装备发展的方向之一。

1.1　液压系统中的基本液压源回路（图1-1和表1-1）

1.2　定量泵溢流阀液压源回路（图1-2和表1-2）

1.3　变量泵安全阀液压源回路（图1-3和表1-3）

1.4　高低压双泵液压源回路（图1-4和表1-4）

1.5　采用插装阀的双泵液压源回路（图1-5和表1-5）

1.6　多泵并联供油液压源回路（图1-6和表1-6）

1.7　液压泵并联同时供油液压源回路（图1-7和表1-7）

1.8　液压泵并联交替供油液压源回路（图1-8和表1-8）

1.9　液压泵串联供油液压源回路（图1-9和表1-9）

1.10　阀控液压源回路

1.10.1　阀控液压源回路Ⅰ（图1-10和表1-10）

1.10.2　阀控液压源回路Ⅱ（图1-11和表1-11）

1.10.3　阀控液压源回路Ⅲ（图1-12和表1-12）

1.10.4　阀控液压源回路Ⅳ（图1-13和表1-13）

1.11　闭式液压系统的液压源回路（图1-14和表1-14）

1.12　充压油箱液压源回路（图1-15和表1-15）

1.13　液压泵补油回路

1.13.1　液压泵补油回路Ⅰ（图1-16和表1-16）

1.13.2　液压泵补油回路Ⅱ（图1-17和表1-17）

1.14　液压源滤油回路

1.14.1　吸油管滤油回路（图1-18和表1-18）

1.14.2　压油管滤油回路（图1-19和表1-19）

1.14.3　回油管滤油回路（图1-20和表1-20）

1.14.4　支油管滤油回路（图1-21和表1-21）

1.14.5　独立的滤油回路（图1-22和表1-22）

1.15　液压源油液冷却回路

1.15.1　溢流冷却回路（图1-23和表1-23）

1.15.2　闭式系统冷却回路（图1-24和表1-24）

1.15.3　油温自动调节的回路（图1-25和表1-25）

1.15.4　油温自动调节的伺服回路（图1-26和表1-26）

1.16　应急液压源回路

1.16.1　用备用泵的应急液压源回路（图1-27和表1-27）

1.16.2　用手动泵的应急液压源回路Ⅰ（图1-28和表1-28）

1.16.3　用手动泵的应急液压源回路Ⅱ（图1-29和表1-29）

1.16.4　用蓄能器的应急液压源回路Ⅰ（图1-30和表1-30）

1.16.5　用蓄能器的应急液压源回路Ⅱ（图1-31和表1-31）

1.17　液压源回路应用实例

1.17.1　闭环控制轴向柱塞泵

在液压系统中，常常要求系统压力、速度在工作过程中能进行无级调节，以适应生产工艺的需求。对于比例压力调节，传统方法一般是使用比例调压阀（图1-32）来实现；对于比例速度调节，一般使用比例方向阀、比例流量阀或比例泵来实现（图1-32）。图1-32中的比例泵为电控变量泵，该泵的排量允许无级和可编程设定，排量大小与2Y2（比例流量控制阀）的比例电磁铁中的电流大小成正比。当电动机功率选定后，为了防止电动机过载，在泵出口增加了压力传感器，通过设定值和传感器实测比较，由电气控制保证系统功率小于电动机功率。如果一个液压系统既要比例调速又要比例调压，则需要将多个元件进行叠加。这既增加了液压系统的复杂性，也增加了电气控制的复杂性。

（1）系统特点

电闭环控制轴向柱塞泵可对压力、流量、功率进行连续闭环控制，控制精度小于0.2％（传统比例阀控制精度为2％），并具有很好的动态特性。对于复杂的液压系统，如果采用新型电子闭环控制柱塞泵，只要一个泵就可替代原有多个元件，不仅可实现比例调速、比例调压，还能实现比例功率调节。对于小流量、小功率的工艺，应用常规的元件，需要通过溢流阀溢掉多余的油液，这不仅造成能源浪费，还会带来系统发热，降低泵的容积效率，增加泄漏，对系统是非常不利的。若改用这种新型的电子闭环控制轴向柱塞泵，则可实现恒功率控制。

电闭环控制轴向柱塞泵是由多种元件叠加复合在轴向柱塞泵上形成的组合体。根据使用环境、使用方法不同，有多种控制系统，但一般由轴向柱塞泵、压力传感器、放大器、预加载阀等元件组成。

压力传感器测量值为压力实测值，与放大器的设定值比较后，输出信号控制泵。位置控制与压力控制相同。预加载阀为可选项，主要功用是在泵口建立2MPa以上的控制压力，控制泵的斜盘倾角改变，以达到变量的目的。如果没有选择预加载阀，则需要有大于2MPa的外部控制油压，或在泵出口增加一个2MPa以上的外控顺序阀。如果既没有预加载阀，也没有在泵口建立2MPa以上压力，泵将无法正常运行，这是设计中需要注意的问题。

（2）闭环控制在液压机中的应用

某50t专用液压机（简称50t压机）。该压机有上下两个滑块，上滑块由一个缸径160mm活塞缸驱动，下滑块由两个缸径125mm活塞缸驱动。

当两滑块同时空载运行时，速度快，需要的流量大（图1-33），而此时不带负载，系统压力较低；当两滑块同时加压慢速运行时，流量较大、压力高；当一个滑块加压慢速运行时，流量小、压力高；当一个滑块慢速退回时，则为小流量、低压力。由于压机需要多级流量、压力和功率控制，为此选用了电闭环控制轴向柱塞泵，并且没有选择预加载阀，而是在泵口增加了外控顺序阀，建立大于2MPa的系统控制压力，如图1-34所示。虽然系统要求有多级变化，但只要改变输入的电信号量，就可轻易实现，现在液压设备多数都为PLC控制，这就使得输入信号大小的改变非常容易。另外还在程序中设定了功率控制，让泵的功率随着工艺要求的改变而改变。

对于小流量、低压力的工况，功率要求低，采用这种电闭环控制轴向柱塞泵既节省了电能，也无需将多余的油液进行溢流，油箱尺寸减小了，也改善了系统性能。

电控泵也可运用在其他液压系统中，要求越复杂的系统，越能体现它的优越性，并且精度高，动态特性好，节能降耗，在高精尖系统中的运用必将越来越多。

1.17.2　履带拖拉机闭式液压行走系统

如图1-35所示，该液压行走系统采用单泵驱动双马达的闭式驱动，变量马达输出的动力通过减速器驱动行走装置的驱动轮，来实现动力的传递。其主要特点是结构简单，操纵控制灵活，过载保护能力强，防止汽蚀和减少油耗，与发动机有良好的匹配特性，比任何机械传动响应速度都快，动力性能好。

变量泵不仅是液压能源，也是主要的控制部件。通过调整变量泵斜盘的倾斜角度和倾斜方向，来改变液压马达输出速度的大小和方向，从而实现拖拉机的前进、后退、调速和转向的目的。

通过调节变量马达的倾斜角，来改变马达的排量。变量马达在大排量时，输出扭矩大，主要用于低速作业工况；在小排量时，输出速度较大，用于道路行驶等非作业工况。

冲洗阀的作用是防止由闭式回路导致液压油油温的升高，同时也具有清洗作用。

补油泵的作用主要是补充系统泄漏和冲洗阀排出而损失的油液，同时供给变量泵伺服控制系统所需的压力油，防止空气进入系统而产生汽蚀现象。

油泵出口压力的最大值由安全阀来调定，从而能够在超载的情况下起到保护系统的目的。

由于拖拉机行驶速度较慢，当变量泵处于中位时，主油泵不再输出液压油，液压马达也不再转动，系统内的油液起到了很好的制动作用。

1.17.3　液压系统的变频容积调速

（1）系统结构

图1-36为变频液压容积调速系统结构示意图，图1-37为其电气原理框图。用光电编码器采集液压马达的转速信号，经A/D卡进行脉冲计数和定时后反馈给计算机，与给定输入值进行比较，再通过控制器、变频器等改变主油泵的转速，最终达到精确控制液压马达转速的目的。溢流阀3对系统起安全保护作用；比例溢流阀6对液压马达进行背压加载，其调定值由控制器通过D/A卡和放大器输出的信号决定。

系统采用转速反馈的闭环控制，以提高系统响应速度。压力传感器采集系统压力值并传递给控制器，对输出控制参数进行调整，补偿系统的容积损失。

①工控机与变频器通信　系统采用DANFOSS公司VLT2875型变频器。被控电动机的最大转矩随着频率降低而下降。变频器具有低频补偿功能，适当提高输入电压，以补偿定子电阻的电压降。在工控机IPC-6606和变频器VLT2875之间，增加RS232/485电平转换器（图1-38）。转换器的内部采用光电隔离技术，使工控机的各串口隔离，从而提高系统安全性。工控机通信查询程序如图1-39所示。

②系统压力控制和检测　控制器通过D/A卡PCL726输出0～10V电压，经过比例压力放大器（BOSCH1M45-2.5A）放大，控制比例溢流阀（BOSCHNG6），实现液压马达背压加载。接线如图1-40所示。压力传感器（BOSCH，p=0～35MPa）安装在集成阀块上，用来检测液压泵出口压力并转换成电信号，经A/D卡PS2129传送至控制器。

③液压马达速度检测　系统选用LEC-120BM-G05E光电编码器和M/T测量方法。该编码器采用圆光栅，经光电转换，将轴的角位移转换成电脉冲信号1200p/r。液压马达转速方波信号由PCL836计数卡采集并输入控制器。图1-41是液压马达速度信号检测电路图。

（2）实验

变频液压容积调速系统实验台溢流阀的调定压力在20MPa左右，当安全阀使用。实验采用程序控制方式，由工控机输出控制信号，分别控制变频器及比例溢流阀。给变频器输入2.2V阶跃控制电压信号（对应电机同步转速660r/min），液压马达转速、系统压力及加载回路压力，分别由转矩转速仪、系统压力传感器及加载回路的压力传感器测得，通过测试回路进入工控机。

①阶跃响应　图1-42中A为阶跃响应曲线，B为系统压力响应曲线。因为液压油流过较长的软管，系统中高压回路的体积弹性模量较低，导致转速与压力响应曲线都有约2s的延时；压力油通过流量计，使系统流量压力产生一定的滞后，管道中的溢流阀等液压元件的泄漏，也对压力和流量的延迟有影响。在系统压力达到14MPa左右时，系统压力上升曲线的斜率急速下降，而马达转速上升曲线也有所下降，这时溢流阀开始起作用。由实验曲线发现流量和压力的振荡频率和振荡幅度都比较大，要在25s后才稳定。

②液压马达转动惯量影响　液压马达转动轴上装三个相同的飞轮，改变安装飞轮的个数，液压马达转动惯量分别为8.33kg·m2、16.66kg·m2和25kg·m2。

图1-43和图1-44分别对应系统的转速和压力阶跃响应曲线。系统模拟负载给定为零。可以看出，随着转动惯量的减小，液压马达转速响应曲线上升斜率变陡，响应速度加快，超调量有所增大，平稳性有所下降；而系统压力响应随着转动惯量的减小，超调量减小，平稳性增强，响应的快速性没有什么变化。

③负载扰动影响实验　负载影响实验条件与以上实验类似。开始没有加载，在36～40s系统基本稳定运行时，给比例溢流阀加一阶跃信号，使系统有一个负载扰动信号。

图1-45和图1-46是负载扰动时的流量和压力曲线。由图中可以看出，增大负载转动惯量，有利于吸收系统扰动，运行过程更为稳定。

④负载大小影响实验　实验马达只带一个飞轮负载，转动惯量为8.33kg·m2。实验中依次给比例溢流阀的控制加载D/A端子信号，对应为大负载、小负载和空载，然后给变频器相同的阶跃控制信号，进行实验。

图1-47、图1-48分别是液压马达转速和系统压力响应曲线。可以看出，负载大小影响很大。不加载时，液压马达转速响应和系统压力响应都有超调和振荡，液压马达转速响应较快。随着加载的增大，液压马达转速响应变慢，超调量减小，平稳性逐渐变好；压力响应速度变化很小，但稳定性明显变好。另外负载大小对液压马达转速和系统压力的稳定值影响很大。当负载由2MPa增加到13MPa时，系统压力的稳态值从3.8MPa增加到14.2MPa，液压马达转速的稳态值由620r/min减小到320r/min，损失48.4％。这说明系统压力较高时，存在较大的泄漏。

1.17.4　机载智能泵源系统

一种智能泵源系统，可根据飞行任务进行工作模式的管理和输入量的设置，并在工作模式和输入不变的情况下使输出按照设定的工作模式跟随所设定的输入值，以满足机载液压系统的需要。

（1）结构组成与工作原理

机载智能泵源系统组成如图1-49所示。它由公管液压子系统的计算机、微控制器、电液伺服变量机构、液压泵、集成式传感器5部分组成，其中微控制器、电液伺服变量机构、轴向柱塞液压泵、集成式传感器4部分构成智能泵。

图1-49中，智能泵的工作模式和控制器的输入由机载公共设备液压子系统的计算机根据飞机的工作任务确定，微控制器接受公管液压计算机的指令，选择与指令工作模式相对应的被调节量进行采集和反馈，并与参考输入比较求得误差信号，对误差信号按规定的控制算法进行计算获得控制量，并通过D/A转换器送给伺服放大器去控制电液伺服变量泵按选定工作模式和设定的希望输入运转。

智能泵源系统的特点是：按照要求选择工作模式和被调节量，然后采集对应的被调量实现反馈控制。因此，它表现了非常强的柔性和适应性。

（2）智能泵结构原理样机

原理样机是在A4V泵基础上改制的。改制方法对其他航空液压泵也有参考价值。对A4V泵进行改装，将双向变量方式改成了单向方式，取消了双向安全阀，增加了电液伺服变量机构，改造后的智能泵的结构原理如图1-50所示。采用电液伺服变量机构的好处是其快速性和可控性比电液比例控制机构好。

此外，考虑到机载泵源系统可靠性要求较高，设置了固定恒压变量功能，当电液伺服变量机构发生故障时退化为固定恒压变量模式运行。系统的压力通过集成一体化传感器测量，理论流量通过排量和转速的乘积求得，压差通过两个压力传感器的差获得。样机改装后，对其进行了内漏系数、变流量和变压力测试，具体指标为：泄漏系数K1=3.4×10-12m5/（N·s）。变流量阶跃试验：阶跃为75％的额定流量时调整时间不大于200ms。变压力阶跃试验：1～20MPa阶跃调整时间不大于50ms。

（3）工作模式管理

与定量泵加溢流阀所组成的恒压源相比，恒压变量泵（压力补偿泵）加安全阀组成的恒压油源消除了溢流损失，因而提高了系统的效率。但对高压系统来说，当负载甚小或运动速度要求不高时，将有较大的节流压降。美国的研究结果表明，对于一架典型的战斗机来讲，飞机对机载液压泵源要求工作压力为55.2MPa的时间还不到飞行时间的10％，在其余时间内，包括起飞、飞行到战斗位置、返航和着陆，20.7MPa的机载液压系统已能完全满足要求，表1-32是在Rockwell实施的军用飞机某项研究所得到的统计结果。

从表1-32可以看出，工作模式管理对智能泵来说是非常重要的，如果仅有智能泵但没有对其进行有效的运转模式管理不能称之为真正意义上的智能泵。必须根据飞行任务制定工作模式和输入设定程序，才能使智能泵发挥应有的作用。所制定的工作模式和输入设定如表1-33所示。

工作模式的管理和输入设定由机载公共设备智能管理计算机完成，已与智能泵的微控制器通过1553B总线构成递阶控制。

（4）能量利用情况分析

图1-51是负载敏感泵与负载连接情况，图1-52～图1-54给出了3种泵源的功率利用情况。图1-51～图1-54各图中pP为泵的输出压力；pS为出口压力；pL为负载压力；pLS为所有支路油负载压力的最大值；LS为负载敏感；SV为伺服阀；QL为泵的负载流量；QP为泵的输出流量；Δp为设定工作压差；i为控制电流。

从图1-52～图1-54可以看出，负载敏感变量泵功率利用情况最好但动态特性较差，可调恒压变量泵的功率利用情况较好。值得提出的是，可调恒压是指供油压力随任务不同可以控制，不是像负载敏感泵那样供油压力随负载压力变化；负载敏感泵供油时，由于供油压力随负载压力变化，所以伺服机构的负载压力与负载流量间的抛物线关系已不再成立。图1-52和图1-53中，COAB相当于90％左右的工作区。A1B1C1相当于10％左右的大机动工作区。从图1-54可以看出，如果负载敏感泵驱动多执行元件，当负载相差悬殊时，节流损失仍很大，同时动态特性也不好。如果采用功率电传，末端以泵驱动单执行元件的模式比采用负载敏感泵有一定优越性，但随着电机调速性能的改善，此方案的可用性已经受到质疑。

（5）智能泵微控制器

智能泵微控制器基于89C51单片机实现，可以通过1553B（GJB498）总线与机载公共设备管理系统液压子系统的计算机相连。所研制的智能泵微控制器的结构组成如图1-55所示，由89C51单片机、AD574A、TLC5620、调理电路、电流负反馈放大电路和显示电路等组成，控制程序固化在89C51单片机的EEPROM中。对于智能泵来说，无论是流量控制、压力控制还是负载敏感控制，最终均可归结为对变量泵排量的控制，而排量的控制采用电液位置伺服系统通过单片型微机控制系统来调节变量泵的斜盘摆角实现。电液伺服变量装置微机控制系统负责实现用微机控制智能泵的流量探力特性，并选择与运转方式相对应的反馈量与设定量比较获得误差信号进而通过计算求得控制量。图1-55中，2路频率信号分别是转速信号和扭矩信号，2路数字输出信号分别用于驱动流量检测/加载阀组的两个电磁阀，1路模拟输出信号用于控制电液伺服变量装置的电液伺服阀。通过串口，可实现上位机与其微控制器通讯，实现从上位机向下位机传送变量方式、控制给定和控制律的参数等。微控制器可以实现模糊PID和常规PID两种控制算法。

通过智能泵微控制器的测试，其模出、模入和定时精度如下。

①模出　单通道，精度优于0.1％。

②模入　4通道，精度优于0.1％。

③转速测试精度　优于0.5％。

④定时精度　优于采样周期的0.05％，采样周期可以在2～50ms之间设定。