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1、,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,液压与气压传动,Chapter 8 系统设计与计算 本章主要内容：8.1 概述 8.2 液压系统设计与计算8.3 液压系统设计计算举例 8.4 气动程序控制系统设计,第八章 系统设计与计算,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,液压与气压传动,目的任务:,重点难点:,第八章 系统设计与计算,学习典型液气压系统设计实例； 掌握液气压系统设计的一般步骤、注意事项、设计计算方法； 了解可编程序控制器在气动系统中的应用。,多气缸单往复程序控制系统的设计； 信号动作
2、（X-D）状态线图的画法； 根据X-D状态线图判别障碍信号并消除之； 多气缸多往复程序控制系统的设计； 气动系统中的常用电气电路。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,Part 8.1 概述,液压与气动系统有传动系统和控制系统之分，这里所说的系统设计则是指传动系统的设计。,从结构组成或工作原理上看： 传动系统：以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动主机的某个部件 。 控制系统：以实施控制为主，追求控制特性的完善，其执行元件用来驱动某个控制元件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、控
3、制阀的阀心等）。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,要求：系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。,出发点：可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两观点不同程度的组合，视具体要求不同而有所侧重。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,
4、液压与气压传动,Part 8.2 液压系统设计与计算,液压传动系统的设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。,液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，常常随着系统的繁简、借鉴的多寡、设计人员经验的不同而在具体做法上有所差异。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,图8-1液压传动系统的 一般设计流程,实际设计工作中，大体上可按图8-1所示的内容和流程来进行。这里除了最后一项外全部属于性能设计的范围。这些步骤是相互关联的，常须穿插进行，并经反复修改才能逐步完成。,School of
5、 Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,Part 8.2.1 液压系统使用要求和负载特性分析,1. 液压系统使用要求,主机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。因此设计开始，首先必须搞清下列问题：,（1）主机概况,1）主机的用途、总体布局、主要结构、技术参数与性能要求。 2）主机对液压装置在位置布置和空间尺寸以及质量上的限制。 3）主机的工艺流程或工作循环、作业环境等。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,（2） 液压系统的任
6、务与要求,1）液压系统应完成的动作，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。 2）液压执行元件的负载大小及负载性质，运动速度的大小及其变化范围。 3）液压执行元件的动作顺序及联锁关系，各动作的同步要求及同步精度。 4）对液压系统工作性能的要求，如运动平稳性、定位精度、转换精度、自动化程度、工作效率、温升、振动、冲击与噪声、安全性与可靠性等。 5）对液压系统的工作方式及控制方式的要求。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,（3） 液压系统的工作环境与条件,1）周围介质、环境温度、湿度大小、
7、风砂与尘埃情况、外界冲击振动等。 2）防火与防爆要求。,（4） 经济性与成本等方面的要求,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,2. 负载特性分析,负载特性分析是拟定液压系统方案、选择或设计液压元件的依据。 包括：动力参数分析和运动参数分析两部分。,液压系统承受的负载可由主机的规格规定，可由样机通过实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有的组成项目，例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、质量等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、背压力）等。,此外必须注意
8、负载的性质：是单向负载还是双向负载，是恒定负载还是变化负载；是否存在负值负载，是否有与液压缸轴线不重合的负载。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,对于复杂的液压系统，尤其是有多个液压执行元件同时动作的系统，通过动力参数分析，绘制出如图8-2a所示的负载图，以确定系统工作压力；通过运动参数分析，绘制出如图8-2b所示的速度图，以选定系统所需流量。,图8-2 液压系统执行元件的负载图和速度图 a）负载图 b）速度图,同时，根据系统负载图和速度图，可以绘制出液压系统的功率图，从中确定液压系统所需的功率。设计
9、简单的液压系统时，负载图和速度图均可省略不画。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,1. 动力参数分析,动力参数分析就是通过计算确定各液压执行元件的载荷大小和方向，并分析各执行元件在工作过程中可能产生的冲击、振动及过载等情况。 液压缸的外负载力F 和液压马达的外负载转矩T 可按表8-1计算。根据计算所得的外负载就可绘制出上述负载图。,2. 运动参数分析,运动参数分析就是研究主机依据工艺要求应以何种运动规律完成一个工作循环，即研究运动的形式（是平移、回转或摆动）、运动的速度大小和变化范围、运动行程长短、运
10、动变化规律（循环过程与周期）等。依据这些分析就可作出上述速度图。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,表8-1 液压缸的外负载力F及液压马达的外负载转矩T计算公式,Fg+Fnfd+,Tg+ Fnfdr+,Fg+Fnfd+m,Fg+Fnfd-m,Tg+ Fnfdr-,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,Part 8.2.2 液压系统方案设计,液压系统方案设计：根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、液压系统的
11、工作条件和环境条件以及成本、经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案。,内容包括： 执行元件形式的分析与选择 油路循环方式的分析与选择 油源类型的分析与选择 液压回路的分析、选择与合并,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,表8-2 摩擦因数,表8-3 背压压力,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,1. 执行元件形式的分析与选择,液压系统采用的执行元件
12、的形式，视主机所要实现的运动种类和性质而定，可按表8-4来选择。,表8-4 液压执行元件形式的选择,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,注：A1无杆腔活塞面积；A2有杆腔活塞面积。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,2.油路循环方式的分析与选择,液压系统油路循环方式为开式和闭式两种，它们各自的特点及其相互比较见表8-5。,表8-5 开式系统与闭式系统的比较,School of Mechanical Engine
13、ering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。,一般说来，凡备有较大空间可以存放油箱且不需另设散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统、采用节流调速或容积节流调速的系统，均宜采用开式系统。例如，泵向多个液压执行元件供油且功率较小的机器（如组合机床、磨床等）、内燃机驱动的机器（如铲车、高空作业车、液压汽车起重机、装载机及挖掘机等）以及固定机械。,凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求的系统、采用容积调速的系统，都宜采用闭式系统。例如，外负载惯性大且换向频繁的机构（如
14、一些起重机的旋转、运行机构及龙门刨床、拉床的工作台等）、重力下降机构（如不平衡类型的起升、动臂摆动机构等）、要求结构特别紧凑的运动式机械（如液压汽车平板车、拖拉机、矿车及飞机等）。大型货轮的舵机、工程船舶调距桨等系统也常用闭式系统。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,3. 开式系统油路组合方式的分析与选择,当系统有多个液压执行元件时，开式系统按油路的不同连接方式，分为串联、并联、独联以及它们的组合复联等。,串联,图8-3 串联连接,串联方式除第一个液压执行元件的进油口和最后一个执行元件的回油口分别与液
15、压泵和油箱连接外，其余液压执行元件的进、出口依次相连，如图8-3所示。,特点：多个液压执行元件同时动作时，其运动速度不随外负载而变，故轻载时可多个液压执行元件同时动作；但液压泵的压力负担重，受原动机功率限制，故重载时不宜多个液压执行元件同时动作。另外，系统的压力损失也较大。,串联连接方式适用于中小型工程机械液压系统、单泵供油的需保证行走直线性的工程机械。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,并联,图8-4 并联连接,在并联连接方式中，液压泵与所有液压执行元件的进油口相连，而其回油口都接油箱，如图8-4所
16、示。,特点：多个液压执行元件同时动作时，负载小的液压执行元件的速度会增大；但液压泵的压力负担轻，为任一液压执行元件的负载压力与其相应回路的压力损失之和。,并联连接方式适用于多个液压执行元件不要求同时动作；或要求同时动作但功率较小、或工作时间较短的，如机床、机械手等；也常用于大型工程机械的双液压泵双回路系统。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,独联,优点：能防止因换向阀误操作而引起的事故或超载。,适用于要求多个液压执行元件能逐个可靠动作的场合。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第八章 系统设计与计算,液压与气压传动,并联独联,这种连接方式兼有并联和独联两者的特点，适用于一个液压泵向多种作业装置供油的系统。例如图8-6中挖掘机和装载机共用一个液压泵，阀A控制挖掘机的液压执行元件，阀B控制装载机的液压执行元件，当系统在进行挖掘作业时即使误操作多路阀B，也不会使装载作业的机构动作。,
