第二章工程機械液壓系統(tǒng)分析課件

1、第二章 液壓系統(tǒng)的分析方法 液壓系統(tǒng)的分類 液壓系統(tǒng)的評價 液壓系統(tǒng)分析方法 1 液壓系統(tǒng)的分類 開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng) 單泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng) 定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng) 串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng) 開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng) 根據(jù)油液循環(huán)的方式不同 液壓泵自油箱吸油，經(jīng)換向閥供給液壓缸或馬達對外作功；液壓缸或馬達的回油流回油箱。在該系統(tǒng)中，油箱是工作介質(zhì)的吞吐及貯存場所 ，這種系統(tǒng)稱之為開式系統(tǒng)。 液壓泵和液壓馬達的進出油管首尾相接，形成一個閉合回路。當操縱泵的變量機構(gòu)時，便可調(diào)節(jié)馬達的速度或使馬達換向，這就是閉式系統(tǒng)。 開式系統(tǒng)的特點：結(jié)構(gòu)簡單 需要有較大容積的油箱需要在系統(tǒng)的回油路上設(shè)置背壓閥，從而引起附加的能量損失

2、，使油溫升高。一般采用定量泵或單向變量泵，對泵的自吸能力要求高。 通過換向閥使執(zhí)行元件換向在換向及制動過程中慣性運動的能量消耗在節(jié)流發(fā)熱中，造成大量的能量損失并使油液發(fā)熱。 閉式系統(tǒng)的特點：結(jié)構(gòu)復雜采用雙向變量泵，成本較高。油液僅在閉合回路內(nèi)循環(huán)，因而溫升較高。補油系統(tǒng)的油箱容積較小，結(jié)構(gòu)緊湊 。閉式系統(tǒng)回油有背壓，空氣不易滲入，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。對泵的自吸能力要求低。 通過改變液壓泵的變量機構(gòu)來實現(xiàn)換向和調(diào)速 調(diào)速和制動比較平緩，且調(diào)速與制動中能耗小。執(zhí)行元件一般為液壓馬達 “半閉式循環(huán)”系統(tǒng) 單泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)由一臺液壓泵向一個或多個執(zhí)行元件供油的液壓系統(tǒng) 用于1）不需要進行多種復合動作的工程

3、機械。 2）功率較小，工作變動不太頻繁的工程機械。 在工作中既需要兩個執(zhí)行元件實現(xiàn)復合動作，又要能夠?qū)@兩個執(zhí)行元件進行單獨調(diào)節(jié) 按照主機的工況，把不同的回路組合在一起，以獲得主機最佳的工作性能。 單泵系統(tǒng) 雙泵雙回路系統(tǒng) 定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng) 采用定量泵的液壓系統(tǒng) 定量系統(tǒng)對發(fā)動機的功率的利用率不高。結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，所以應(yīng)用廣泛。 采用變量泵的系統(tǒng) 系統(tǒng)復雜，價格高。操縱方式多樣化，使液壓系統(tǒng)流量和功率的調(diào)節(jié)更加方便、準確。按需供油，系統(tǒng)的效率較高。定量系統(tǒng)與變量系統(tǒng)功率利用對比 恒力率控制變量泵的功率特性曲線 串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng) 在液壓系統(tǒng)中當一臺液壓泵給兩個或兩個以上執(zhí)行元件供油時，就

4、會出現(xiàn)：串聯(lián)并聯(lián)串并聯(lián) 三種不同的組合方式。串聯(lián)系統(tǒng)當液壓泵輸出流量Q不變時，串聯(lián)系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的運動速度與外載荷的變化無關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)同時動作。 液壓泵的出口壓力約等于整個管路系統(tǒng)的壓力損失與各串聯(lián)執(zhí)行元件內(nèi)有效工作壓力的總和。在外載荷較小時，各執(zhí)行元件可以同時動作，且能保持較高的運動速度。但當外載荷較大時，由于供油壓力的限制，要各串聯(lián)液壓缸同時動作就較困難。一般用在高壓、小流量的單泵供油系統(tǒng)中。 串聯(lián)系統(tǒng)，即前一個液壓缸的回油路通過換向閥與后一個液壓缸的進油路相連接。因此，后一個液壓缸的進油就是前一個液壓缸的回油。 并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)中的流量的分配是隨各執(zhí)行元件上外載荷的不同而變化，首先進入

5、外載荷較小的執(zhí)行元件。只有當各執(zhí)行元件的外荷載相等時，才能實現(xiàn)同步動作。 并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是分支油路中只有一次壓力降，因此執(zhí)行元件能克服較大的外載荷。并聯(lián)系統(tǒng)僅能用于對工作機構(gòu)運動同步性沒有要求的地方。并聯(lián)系統(tǒng)：各液壓缸的進油路經(jīng)過換向閥直接和液壓泵的供油路相通，而各液壓缸另一腔的回油又經(jīng)過換向閥和系統(tǒng)總回油相通，因此液壓泵輸出的壓力油可以同時供給各并聯(lián)液壓缸工作。 串并聯(lián)系統(tǒng) 在任何時候只能有一個液壓缸動作，不能進行復合動作。前一換向閥動作，就切斷了后面各換向閥的進油，各液壓缸只能按照順序單個運動，故又稱這種系統(tǒng)為順序單動系統(tǒng)或優(yōu)先系統(tǒng)。裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)就采用這種串并聯(lián)系統(tǒng)，可防止由于誤

6、操作產(chǎn)生不必要的復合動作，以保證操作安全。 多缸串并聯(lián)系統(tǒng)順序單動 2 液壓系統(tǒng)的評價 表明液壓系統(tǒng)性能的主要指標： 液壓系統(tǒng)的效率 功率的利用 調(diào)速范圍及微調(diào)特性 操縱性能 沖擊、振動和噪聲 安全性 經(jīng)濟性液壓系統(tǒng)的效率 對輸入液壓系統(tǒng)的能量的利用程度，反映了液壓系統(tǒng)本身能量損失的多少。 液壓系統(tǒng)的效率是一個綜合性指標，不能單單按某一局部回路的設(shè)置是否合理來評價，必須把整個回路設(shè)置與工藝循環(huán)過程結(jié)合起來考慮，才能做出最后的正確評價。其主要影響因素：液壓系統(tǒng)的傳動方案 調(diào)速方案 元件、管路本身的特性 功率的利用 指液壓系統(tǒng)在工作循環(huán)中對發(fā)動機功率的利用程度，也就是整機效率問題。 不僅與各回路的

7、設(shè)置及其相互間的配合有關(guān)，而且與液壓泵的數(shù)目及其控制方式有直接關(guān)系 功率利用不僅反映了液壓系統(tǒng)對發(fā)動機功率利用的好壞，而且對節(jié)省能源也具有很大的現(xiàn)實意義。 調(diào)速范圍及微調(diào)特性 調(diào)速范圍大小可以用速比i衡量 液壓系統(tǒng)的調(diào)速范圍與液壓泵及執(zhí)行元件的性能有關(guān)，或者說與系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍及系統(tǒng)壓力有關(guān)。 液壓缸節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，液壓缸的最大速度受到摩擦副最大運動速度的限制，一般0.40.5m/s。因此，液壓缸的最大調(diào)速范圍就取決于最小速度。而又受到節(jié)流元件的最小穩(wěn)定流量的限制，節(jié)流元件的最小穩(wěn)定流量又受負載壓力的影響。液壓系統(tǒng)的調(diào)速范圍，不僅與調(diào)速方案有關(guān)（容積調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍大于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范

8、圍），而且與調(diào)節(jié)元件本身及執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，液壓馬達最高轉(zhuǎn)速由液壓泵所能提供的最大流量決定。但是，液壓馬達的最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速卻與馬達的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對低速大扭矩馬達，其最低轉(zhuǎn)速取決于變量泵所能提供的最小穩(wěn)定流量。 所謂微調(diào)性能，是反映執(zhí)行元件速度調(diào)節(jié)靈敏度的一項指標。它除取決于調(diào)節(jié)元件本身的特性及其控制方式外，還與系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)。不同的工程機械對微調(diào)特性有不同的要求。如鏟土運動機械、挖掘機對微調(diào)特性的要求不高；而有的工程機械如吊裝用工程起重機對微調(diào)特性則有嚴格的要求。 操縱性能 指機械的一個復雜的動作能否用簡單的操縱來完成操縱過程中是否省力是否能減輕操縱者精神上和體力上的疲

9、勞。這項指標除與回路設(shè)計有關(guān)外，主要取決于操縱控制回路的設(shè)計是否先進、合理，或者說，控制信號的輸入是否簡單、省力。這對大型工程機械來講，是非常重要的一項指標。 沖擊、振動和噪聲 液壓系統(tǒng)的沖擊和噪聲主要與回路設(shè)計及所選液壓元件間的匹配有關(guān)。但有時安裝不合理或緩沖回路設(shè)置不合理，也會造成振動和噪聲。 液壓系統(tǒng)的振動和噪聲是由組成系統(tǒng)各元件的振動和噪聲引起，其中以泵和閥最嚴重。振動與噪聲應(yīng)予以控制。減少液壓系統(tǒng)振動和噪聲的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)中各元件的振動和噪聲，減少液壓泵的流量脈動和壓力脈動以及減少液壓油在管路中的沖擊。 安全性 所謂安全性，是指在滿足工作性能要求的前提下，保證系統(tǒng)正常工作的措施及應(yīng)急

10、措施是否完備。這項指標對各種不同的工程機械有不同的要求。對大型工程機械尤為重要，例如大型液壓起重機，液壓系統(tǒng)能否安全可靠的工作，不僅是保證生產(chǎn)進度的問題，同時還是直接影響到人的生命安全的重要問題。因而是極為重要的評價指標之一。 3 液壓系統(tǒng)分析方法 對液壓系統(tǒng)工作原理的分析 對液壓系統(tǒng)性能的分析 對液壓系統(tǒng)工作原理的分析 了解該機械的工況特點及要求，了解每一工作循環(huán)的主要動作，以及各動作之間的相互關(guān)系。了解整機及液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，如發(fā)動機的型號、功率；液壓泵的型式規(guī)格，系統(tǒng)的工作壓力，額定流量等；液壓缸、液壓馬達的型式規(guī)格等。了解液壓系統(tǒng)的形式、特點包括回路組合方式等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)所

11、掌握的各種液壓元件的工作原理和液壓基本回路的知識，對液壓系統(tǒng)的工作原理進行細致、深入的分析。 對液壓系統(tǒng)性能的分析 系統(tǒng)工作壓力 液壓系統(tǒng)的類型 變量及功率調(diào)節(jié)方式 液壓泵及執(zhí)行元件的型式 回路的組合及合流方式 操縱控制方式 以上6點是影響液壓系統(tǒng)性能的主要因素，也是分析液壓系統(tǒng)性能的基本出發(fā)點。 液壓系統(tǒng)工作壓力對系統(tǒng)性能的影響 液壓系統(tǒng)的工作壓力是由負載決定的 當外負載一定時，若系統(tǒng)采用低壓，則元件尺寸增大，即消耗材料增多。若采用高壓則降低材料消耗、減少空間占用尺寸。 當系統(tǒng)壓力增高時，由于油液的壓縮性將對系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，不易獲得平穩(wěn)的運動和準確的定位。由于系統(tǒng)工作壓力的提高，對

12、密封及管路接頭都提出了較高的要求由于系統(tǒng)工作壓力的提高，對密封及管路接頭都提出了較高的要求 一般負載較小的設(shè)備，宜采用低壓系統(tǒng)；負載較大的則采用中高壓系統(tǒng)。 對要求調(diào)速及換向頻繁的液壓系統(tǒng)，采用低壓時雖然會使執(zhí)行元件尺寸增大，但是卻給擴大速度調(diào)節(jié)范圍帶來方便，并且由于壓力較低使系統(tǒng)沖擊和振動小，噪音小，因而運動平穩(wěn)。 液壓泵的數(shù)目對系統(tǒng)性能的影響 單泵系統(tǒng) 通往各執(zhí)行元件的油路可以采用并聯(lián)、串聯(lián)、串并聯(lián)等方式。不同的聯(lián)接方式將有不同的系統(tǒng)特性，并且都要求操作者有較高、較熟練的操作技能。單泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但其操縱性能不好，特別是采用定量泵時，效率低，發(fā)動機的功率不能充分利用 多泵系統(tǒng) 多

13、泵定量系統(tǒng)中，雖然各執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動作性能得到改善，但系統(tǒng)效率及發(fā)動機功率的利用仍未能得到很好的改善。 各泵的功率之和不能超過發(fā)動機的功率。當某執(zhí)行元件單獨動作時，功率的利用及系統(tǒng)效率將會大大下降，泵的數(shù)目愈多，下降的越嚴重 由于選擇驅(qū)動功率時是按最不利的工況確定的，因而平均功率總是低于最高功率的，因此在低于最大負載工況工作時，將有大量的溢流損失或節(jié)流損失，便系統(tǒng)效率降低，并且發(fā)動機的功率也未得到充分利用。 雙泵變量系統(tǒng) ，當兩臺變量泵采用總功率調(diào)節(jié)時，負載力達到某一設(shè)定值，便可自動完成恒功率控制，并且可根據(jù)各回路負載的不同，實現(xiàn)對發(fā)動機功率的自動匹配。因而，從功率利用、效率及調(diào)速范圍來看，都

14、有了大幅度的改善。 單泵系統(tǒng)功率曲線 雙泵定量系統(tǒng)功率曲線 三泵系統(tǒng)壓力流量特性曲線 液壓泵的型式及其控制方式的影響 液壓泵的控制方式是指變量泵的變量機構(gòu)根據(jù)什么信號、按什么規(guī)律變化。按控制信號的來源可分為：機械式（手動、腳踏、凸輪及杠桿等）、系統(tǒng)壓力（包括控制壓力）、系統(tǒng)流量等。按變化規(guī)律分有恒壓控制、恒功率控制，系統(tǒng)流量控制等。也可以是它們的組合，構(gòu)成復合的多功能控制。 流量控制（速度控制） 壓力控制 功率控制 多泵系統(tǒng)的控制 多功能控制 根據(jù)輸入指令控制變量泵的斜盤擺角，進而控制泵的排量。為了節(jié)省能源，減少油液發(fā)熱、提高系統(tǒng)效率，這種控制在系統(tǒng)無負荷時（換向閥處于中位時），構(gòu)成旁通卸荷回

15、路。 以系統(tǒng)壓力為信號，當系統(tǒng)壓力達到設(shè)定值時，通過壓力調(diào)節(jié)元件的作用，使液壓泵的排量迅速減小。這對溢流閥動作頻繁的系統(tǒng)，具有顯著的節(jié)能效果 若將壓力控制與恒功率控制同時使用，在超載時可迅速減少泵的排量，使功率損失減少根據(jù)壓力信號使使泵的流量和壓力的乘積按恒功率規(guī)律變化，故亦稱恒功率控制（或稱壓力補償控制）。如果系統(tǒng)設(shè)計合理，工程機械的大部分作業(yè)都可在設(shè)定的起調(diào)壓力以下完成，即在定量泵狀態(tài)下完成，只在重載時才在設(shè)定壓力以上的恒功率范圍工作，壓力和流量按近似恒功率規(guī)律變化。從而減少油液通過溢流閥的損失，提高了系統(tǒng)的效率。 多泵系統(tǒng)的控制分功率調(diào)節(jié) 兩臺變量泵由一臺發(fā)動機驅(qū)動，每臺變量泵各有一臺獨

16、立的恒功率調(diào)節(jié)器。即各泵的流量只受泵所在回路的負載壓力的控制，與另一回路的負載壓力無關(guān)。這種系統(tǒng)控制簡單，但由于兩臺變量泵的功率之和不能超過發(fā)動機功率，一般是兩臺變量泵的功率各為發(fā)動機功率的50%。總功率調(diào)節(jié) 兩臺變量泵共用一個調(diào)節(jié)器，通過杠桿將兩臺泵的變量機構(gòu)連接起來，按兩臺變量泵的壓力之和P1+P2進行流量調(diào)節(jié)。 兩臺變量泵斜盤擺角相等，輸出流量相等，并與（P1+P2）/2成反比。每臺變量泵的功率與其負載壓力成比例 只有在兩回路的負載壓力均在P0（起調(diào)壓力） 及Pmax之間時，才能利用發(fā)動機的全部功率。兩回路的負載壓力和可以不同，因而兩臺泵的流量也可以不相等。即兩個回路的執(zhí)行元件不能保證協(xié)

17、調(diào)動作的關(guān)系。當一個回路無負載，另一個回路滿載工作時，只能利用發(fā)動機功率的一半。 只要滿足Ps在2P0（起調(diào)壓力）及2Pmax之間時，兩臺泵的功率之總和始終保持與發(fā)動機的功率相匹配，而不會超出 分功率調(diào)節(jié) (a) 單調(diào)節(jié)器同步調(diào)節(jié) (b)雙調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)圖2-23 總功率調(diào)節(jié) 分功率調(diào)節(jié)與總功率調(diào)節(jié)的比較 分功率調(diào)節(jié)時，兩泵流量是不同的，隨各自的外負載而變化。因此，兩個回路的執(zhí)行元件的動作協(xié)調(diào)性受外負載的影響。只有當每臺泵的負載壓力都處于P0（起調(diào)壓力） 及Pmax之間時，才能有效利用發(fā)動機的全部功率，且各為發(fā)動機功率的一半。 總功率調(diào)節(jié)時，由于兩泵流量始終保持一致，因而執(zhí)行元件動作的協(xié)調(diào)性不受負

18、載的影響。 總功率調(diào)節(jié)比分功率調(diào)節(jié)能更有效的利用發(fā)動機功率。 總功率調(diào)節(jié)雖然對發(fā)動機功率利用充分，但當一臺泵無負載時，另一臺泵將傳遞發(fā)動機的全部功率，會降低泵的壽命 總功率調(diào)節(jié)特性曲線 (a) 正常情況 (b)極端情況圖2-25 分功率調(diào)節(jié)特性曲線 (a) 正常情況 (b)極端情況圖2-26 總功率調(diào)節(jié)特性曲線 多功能控制總功率及恒壓控制，可減少在超載下的溢流損失 。 功率匹配 使液壓泵消耗的功率與發(fā)動機的功率保持平衡。 功率分配的問題，也就是執(zhí)行元件所消耗的功率與液壓泵輸出功率的平衡問題。 設(shè)計的原則是使各臺液壓泵所承擔的負載盡可能均衡，并且其中某個執(zhí)行元件不能利用的功率，有被其它執(zhí)行元件利用的可能。采取的措施：分組與合流 1號泵2號泵 1號泵2號泵3號泵 合流 采用合流供油后可使作業(yè)循環(huán)時間縮短2050%。對雙泵系統(tǒng)，可采用手控與自控兩種