液压差动回路的应用分析

郑庆强 韩 波 韩玉勇

（1.枣庄职业学院，枣庄 277100；2.枣庄技师学院，枣庄 277100；3.枣庄科技职业学院，枣庄 277599）

在机械加工中，为了减少加工空行程运行时间，往往在工件定位夹紧工作完成的同时，让刀具快速靠近工件，以提高劳动生产率，并合理利用机床功率。

1 执行元件实现快速运动的方法

1.1 快速运动实现的路径

液压缸速度计算公式为：

式中：q 为进入液压缸的流量；A 为液压缸有效工作面积；v 为活塞的运动速度。可知，要想使执行元件获得比较高的运行速度，可以通过增大进入液压缸的流量q（如采用高压小流量泵和低压大流量泵组合的双泵供油快速运动回路）或者减小液压缸有效工作面积A（液压缸采用差动连接快速运动回路、增速缸的增速回路）来实现，也可以将两种方法联合 使用。

1.1.1 增大流量

快进动作是指执行元件的运行速度比正常工作过程表现的速度高一些。这个快进动作可以通过增加流量来实现。比如，若正常工作过程中，液压系统执行元件的工作运行速度并不高，但其快速进给时的速度与工作进给速度相差很大，就可以考虑采用高压小流量泵和低压大流量泵组合的双联泵作为系统动力源的快速运动回路。在此回路中，高压小流量泵能够满足正常工作压力和工作进给要求。在执行快速运动时，由于系统压力的降低，一直在进行卸荷动作的低压大流量泵因卸荷阀关闭，其供应的油液连同高压小流量泵供应的油液会一同进入液压工作系统，满足快进动作所需的大流量油液需求。该回路的优点是回路简单。低压大流量泵的卸荷减少了动力消耗，回路效率较高，在机床中得到了广泛应用。需要注意的是，在两泵之间需要安装一个单向阀，且其进油口须确保与低压大流量泵连接而不能反向连接。

采用蓄能器作为增大流量的补油回路也可实现快速运动。比如，间歇运转的液压机械只是在某一工作阶段需要快速运动，蓄能器将其所储存的液压油释放出来补充到执行元件，满足其快速运动所需的总体油液需求。这样系统就可选用流量较小的液压泵和功率较小的电机，节约能源，并可有效降低油温。

1.1.2 减小有效工作面积

减小液压缸有效工作面积也可实现快进动作，如常见的起重机伸缩臂缸、自卸汽车的举升缸等，往往将其称为伸缩缸。缸体由两级或多级活塞缸套装在一起，且前一级的活塞与后一级的缸筒连为一体。这种结构活塞杆伸出时行程大，收缩后结构尺寸小，能够实现在有限的长度空间内满足更大伸出长度的需求，常用于起重运输车辆和消防云梯。工作过程中，先伸出的是结构尺寸最大的活塞，再按结构尺寸由大到小的顺序依次伸出。此时，每个阶段对应的有效工作面积逐渐减小，所以其产生的推力也会由大到小，伸出的速度由慢到快。工作结束时，活塞缩回的先是结构尺寸最小的，后按结构尺寸由小到大的顺序依次缩回，缩回速度由快到慢。

1.1.3 增大流量的同时减小有效工作面积

对于一般的立式液压机而言，液压机的快速下行动作往往是利用液压机下行部分机械自身重量来带动液压缸活塞实现快速运动。快速运动所需补充的油液一般用充液阀充液的方法。若是一台液压缸水平放置的液压机，快速冲压动作则可以采用减小有效工作面积技术的增速液压缸来实现。而在液压缸空载快速回程时，可以设计为由蓄能器补油功能的差动连接快速回路，实现液压机双向的快速运动。这是增大流量q的同时减小有效工作面积A 综合方法的实际应用。

1.2 差动回路的工作原理

单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，这种连接称为差动连接。图1 的回路就是利用二位三通电磁换向阀5 实现液压缸差动连接的回路。当换向阀5 处于弹簧位时，液压泵1 输出的液压油同时与单杆液压缸4的左右两腔相通，此时两腔压力相等。由于液压缸无杆腔的有效工作面积比有杆腔的有效工作面积大，活塞向右的推力大于向左的作用力，导致活塞向右移动[1]。

液压缸4 无杆腔排出的油液与液压泵1 输出的油液共同流入无杆腔，即在不增加液压泵流量的情况下增加了供给无杆腔的油液量q，相应提高了活塞向右伸出的运动速度v。

2 液压差动回路设计需要注意的问题

实际应用中，液压系统的设计好坏需要看其是否能合理避免各种故障来作为判断。

2.1 要全面考虑液压元件的设计影响因子

注意液压元件的设计要综合考虑变化因子的影响。比如，图1 采用的差动连接回路中，泵的流量和有杆腔排出的流量合在一起流过的阀和管路应按合成流量选择设计，因为流量的增大必然会造成液压系统阻力增大，而压力损失也会随之增大。若设计时疏忽流量改变因素造成的影响，往往无法得到正常需要的液压缸运行速度[2]。

2.2 液压缸的快进推力要足够

当液压缸快进工作时，一般不需要产生推力。但是，当有推力存在的时候，有效工作面积仅为活塞杆的截面面积，在压力一定的情况下所产生的推力较小。要满足相应推力的需求，必须在充分满足机械要求功率的条件下选择液压缸尺寸及工作压力，而不是一味提高液压泵1 的供油压力，否则将导致泵的部分压力油从溢流阀溢回油箱而引起供油量达不到差动快进的目的。

2.3 注意油液发热问题

差动回路中的液压油由于工作时油液不能排回油箱冷却，只能长时间在液压缸两个工作腔之间来回流动，导致油液会因工作循环次数高及回路阻力的存在造成油温升高发热，引起液压系统工作效率下降、运动部件磨损加剧等危害[3]。

3 差动连接的应用实例

图1 的液压缸差动连接回路在设计原理上是可行的，能够实现的工作循环为“快进→工进→快退→停止”。系统中电磁铁和液压阀的工作情况见表1。

表1 液压回路电磁铁和液压阀的工作情况

液压缸快进工作动作油液的进油流动路线，如图2 所示。实际运行中发现，在液压缸快退停止动作时，液压缸会出现反向前冲现象。经分析可知，液压缸快退结束进行停止工作时，需要将二位三通电磁换向阀5 由通电状态调整为断电状态，此时不可避免电磁阀将连通液压缸的两个工作腔，从而造成液压缸在两腔压差的作用下产生一个反向运动造成液压缸 前冲。

为了解决该故障，在油路改进设计时可以调整二位三通电磁换向阀5 的工作状态，即将油路的快进状态设计为如图3 所示的电磁换向阀5 的通电状态。调整后液压系统中电磁铁和液压阀的工作情况如表2 所示，避免了快退停止时液压缸前冲现象，同时电磁阀5 只是快进动作时处于通电状态，延长了使用寿命[4]。

表2 调整后液压回路电磁铁和液压阀的工作情况

4 差动液压回路的优点

图2 调整后液压缸差动连接回路，当三位四通电磁换向阀3 和二位三通电磁换向阀5 左位接入时，液压缸差动连接作快进运动。当电磁换向阀5 电磁铁断电，差动连接即被切断，液压缸回油经过单向调速阀6，实现工作进给。三位四通电磁换向阀3 右位接入后，液压缸实现快退动作。

该液压系统采用由单向定量泵1 和单向调速阀6组成的回油路节流调速回路。这种回路装置简单，可以获得比较大的调速范围。单向调速阀6 在工作进给过程中起到背压作用，使液压缸工作趋于平稳。液压系统采用溢流阀2 与单向定量泵1 控制的调压溢流回路，控制了液压缸所能产生的最大工作压力。液压系统采用中位机能为M 形的三位四通电磁换向阀3 的卸荷功能，换向阀中位时可节省能量消耗，降低系统发热，延长液压泵和电动机的寿命[5]。

5 结语

差动回路是一种节能型回路，但需要利用设计原理和技巧，最大限度发挥回路的优势。