第二章工程机械液压系统分析课件

第二章 液压系统的分析方法 液压系统的分类 液压系统的评价 液压系统分析方法 第二章 液压系统的分析方法 液压系统的分类 1 11 液压系统的分类 开式系统与闭式系统 单泵系统和多泵系统 定量系统和变量系统 串联系统与并联系统 1 液压系统的分类 开式系统与闭式系统 2 2开式系统与闭式系统 根据油液循环的方式不同 液压泵自油箱吸油，经换向阀供给液压缸或马达对外作功；液压缸或马达的回油流回油箱。在该系统中，油箱是工作介质的吞吐及贮存场所，这种系统称之为开式系统。液压泵和液压马达的进出油管首尾相接，形成一个闭合回路。当操纵泵的变量机构时，便可调节马达的速度或使马达换向，这就是闭式系统。开式系统与闭式系统 根据油液循环的方式不同 液压泵自油3 3第二章工程机械液压系统分析课件4 4开式系统的特点：结构简单 需要有较大容积的油箱需要在系统的回油路上设置背压阀，从而引起附加的能量损失，使油温升高。一般采用定量泵或单向变量泵，对泵的自吸能力要求高。通过换向阀使执行元件换向在换向及制动过程中惯性运动的能量消耗在节流发热中，造成大量的能量损失并使油液发热。开式系统的特点：结构简单 5 5闭式系统的特点：结构复杂采用双向变量泵，成本较高。油液仅在闭合回路内循环，因而温升较高。补油系统的油箱容积较小，结构紧凑。闭式系统回油有背压，空气不易渗入，系统运转平稳。对泵的自吸能力要求低。通过改变液压泵的变量机构来实现换向和调速 调速和制动比较平缓，且调速与制动中能耗小。执行元件一般为液压马达 闭式系统的特点：结构复杂6 6“半闭式循环”系统“半闭式循环”系统 7 7单泵系统和多泵系统由一台液压泵向一个或多个执行元件供油的液压系统 用于1）不需要进行多种复合动作的工程机械。2）功率较小，工作变动不太频繁的工程机械。在工作中既需要两个执行元件实现复合动作，又要能够对这两个执行元件进行单独调节 按照主机的工况，把不同的回路组合在一起，以获得主机最佳的工作性能。单泵系统和多泵系统由一台液压泵向一个或多个执行元件供油的液压8 8单泵系统单泵系统 9 9双泵双回路系统 双泵双回路系统 1010定量系统和变量系统 采用定量泵的液压系统 定量系统对发动机的功率的利用率不高。结构简单，造价低廉，所以应用广泛。采用变量泵的系统 系统复杂，价格高。操纵方式多样化，使液压系统流量和功率的调节更加方便、准确。按需供油，系统的效率较高。定量系统和变量系统 采用定量泵的液压系统 采用变量泵的系统 1111定量系统与变量系统功率利用对比 定量系统与变量系统功率利用对比 1212恒力率控制变量泵的功率特性曲线 恒力率控制变量泵的功率特性曲线 1313串联系统与并联系统 在液压系统中当一台液压泵给两个或两个以上执行元件供油时，就会出现：串联并联串并联 三种不同的组合方式。串联系统与并联系统 在液压系统中当一台液压泵1414串联系统当液压泵输出流量Q不变时，串联系统中各执行元件的运动速度与外载荷的变化无关，能够实现同时动作。液压泵的出口压力约等于整个管路系统的压力损失与各串联执行元件内有效工作压力的总和。在外载荷较小时，各执行元件可以同时动作，且能保持较高的运动速度。但当外载荷较大时，由于供油压力的限制，要各串联液压缸同时动作就较困难。一般用在高压、小流量的单泵供油系统中。串联系统当液压泵输出流量Q不变时，串联系统中各执行元件的运动1515串联系统，即前一个液压缸的回油路通过换向阀与后一个液压缸的进油路相连接。因此，后一个液压缸的进油就是前一个液压缸的回油。串联系统，即前一个液压缸的回油路通过换向阀与后一个液压缸的进1616并联系统并联系统中的流量的分配是随各执行元件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件。只有当各执行元件的外荷载相等时，才能实现同步动作。并联系统的优点是分支油路中只有一次压力降，因此执行元件能克服较大的外载荷。并联系统仅能用于对工作机构运动同步性没有要求的地方。并联系统并联系统中的流量的分配是随各执行元件上外载荷的不同而1717并联系统：各液压缸的进油路经过换向阀直接和液压泵的供油路相通，而各液压缸另一腔的回油又经过换向阀和系统总回油相通，因此液压泵输出的压力油可以同时供给各并联液压缸工作。并联系统：各液压缸的进油路经过换向阀直接和液压泵的供油路相通1818串并联系统串并联系统 在任何时候只能有一个液压缸动作，不能进行复合动作。前一换向阀动作，就切断了后面各换向阀的进油，各液压缸只能按照顺序单个运动，故又称这种系统为顺序单动系统或优先系统。装载机工作装置液压系统就采用这种串并联系统，可防止由于误操作产生不必要的复合动作，以保证操作安全。串并联系统 在任何时候只能有一个液压缸动作，不能进行复合动作1919多缸串并联系统顺序单动 多缸串并联系统顺序单动 20202 液压系统的评价 表明液压系统性能的主要指标表明液压系统性能的主要指标：液压系统的效率 功率的利用 调速范围及微调特性 操纵性能 冲击、振动和噪声 安全性 经济性2 液压系统的评价 表明液压系统性能的主要指标：2121液压系统的效率 对输入液压系统的能量的利用程度，反映了液压系统本身能量损失的多少。液压系统的效率是一个综合性指标，不能单单按某一局部回路的设置是否合理来评价，必须把整个回路设置与工艺循环过程结合起来考虑，才能做出最后的正确评价。其主要影响因素：液压系统的传动方案 调速方案 元件、管路本身的特性 液压系统的效率 对输入液压系统的能量的利用程度，反映了2222功率的利用 指液压系统在工作循环中对发动机功率的利用程度，也就是整机效率问题。不仅与各回路的设置及其相互间的配合有关，而且与液压泵的数目及其控制方式有直接关系 功率利用不仅反映了液压系统对发动机功率利用的好坏，而且对节省能源也具有很大的现实意义。功率的利用 指液压系统在工作循环中对发动机功率的利用程2323调速范围及微调特性 调速范围大小可以用速比i衡量 液压系统的调速范围与液压泵及执行元件的性能有关，或者说与系统的流量调节范围及系统压力有关。液压缸节流调速系统中，液压缸的最大速度受到摩擦副最大运动速度的限制，一般0.40.5m/s。因此，液压缸的最大调速范围就取决于最小速度。而又受到节流元件的最小稳定流量的限制，节流元件的最小稳定流量又受负载压力的影响。调速范围及微调特性 调速范围大小可以用速比i衡量 2424液压系统的调速范围，不仅与调速方案有关（容积调速系统的调速范围大于节流调速系统的调速范围），而且与调节元件本身及执行元件的结构性能有关。在容积调速系统中，液压马达最高转速由液压泵所能提供的最大流量决定。但是，液压马达的最小稳定转速却与马达的结构有关，对低速大扭矩马达，其最低转速取决于变量泵所能提供的最小稳定流量。所谓微调性能，是反映执行元件速度调节灵敏度的一项指标。它除取决于调节元件本身的特性及其控制方式外，还与系统的动态特性有关。不同的工程机械对微调特性有不同的要求。如铲土运动机械、挖掘机对微调特性的要求不高；而有的工程机械如吊装用工程起重机对微调特性则有严格的要求。液压系统的调速范围，不仅与调速方案有关（容积调速系统的调速范2525操纵性能 指机械的一个复杂的动作能否用简单的操纵来完成操纵过程中是否省力是否能减轻操纵者精神上和体力上的疲劳。这项指标除与回路设计有关外，主要取决于操纵控制回路的设计是否先进、合理，或者说，控制信号的输入是否简单、省力。这对大型工程机械来讲，是非常重要的一项指标。操纵性能 指机械的一个复杂的动作能否用简单的操纵来完成2626冲击、振动和噪声 液压系统的冲击和噪声主要与回路设计及所选液压元件间的匹配有关。但有时安装不合理或缓冲回路设置不合理，也会造成振动和噪声。液压系统的振动和噪声是由组成系统各元件的振动和噪声引起，其中以泵和阀最严重。振动与噪声应予以控制。减少液压系统振动和噪声的关键是控制系统中各元件的振动和噪声，减少液压泵的流量脉动和压力脉动以及减少液压油在管路中的冲击。冲击、振动和噪声 液压系统的冲击和噪声主要与回路设计及所选液2727安全性 所谓安全性，是指在满足工作性能要求的前提下，保证系统正常工作的措施及应急措施是否完备。这项指标对各种不同的工程机械有不同的要求。对大型工程机械尤为重要，例如大型液压起重机，液压系统能否安全可靠的工作，不仅是保证生产进度的问题，同时还是直接影响到人的生命安全的重要问题。因而是极为重要的评价指标之一。安全性 所谓安全性，是指在满足工作性能要求的前提下，保证系统28283 液压系统分析方法 对液压系统工作原理的分析 对液压系统性能的分析 3 液压系统分析方法 对液压系统工作原理的分析 2929对液压系统工作原理的分析 了解该机械的工况特点及要求，了解每一工作循环的主要动作，以及各动作之间的相互关系。了解整机及液压系统的主要技术参数，如发动机的型号、功率；液压泵的型式规格，系统的工作压力，额定流量等；液压缸、液压马达的型式规格等。了解液压系统的形式、特点包括回路组合方式等。在此基础上，根据所掌握的各种液压元件的工作原理和液压基本回路的知识，对液压系统的工作原理进行细致、深入的分析。对液压系统工作原理的分析 了解该机械的工况特点及要求，了解每3030对液压系统性能的分析 系统工作压力 液压系统的类型 变量及功率调节方式 液压泵及执行元件的型式 回路的组合及合流方式 操纵控制方式 以上6点是影响液压系统性能的主要因素，也是分析液压系统性能的基本出发点。对液压系统性能的分析 系统工作压力 3131液压系统工作压力对系统性能的影响 液压系统的工作压力是由负载决定的 当外负载一定时，若系统采用低压，则元件尺寸增大，即消耗材料增多。若采用高压则降低材料消耗、减少空间占用尺寸。当系统压力增高时，由于油液的压缩性将对系统工作的稳定性产生影响，不易获得平稳的运动和准确的定位。由于系统工作压力的提高，对密封及管路接头都提出了较高的要求由于系统工作压力的提高，对密封及管路接头都提出了较高的要求 液压系统工作压力对系统性能的影响 液压系统的工作压力是由负载3232一般负载较小的设备，宜采用低压系统；负载较大的则采用中高压系统。对要求调速及换向频繁的液压系统，采用低压时虽然会使执行元件尺寸增大，但是却给扩大速度调节范围带来方便，并且由于压力较低使系统冲击和振动小，噪音小，因而运动平稳。一般负载较小的设备，宜采用低压系统；负载较大的则采用中高压系3333液压泵的数目对系统性能的影响 单泵系统单泵系统 通往各执行元件的油路通往各执行元件的油路可以采用并联、串联、可以采用并联、串联、串并联等方式。不同的串并联等方式。不同的联接方式将有不同的系联接方式将有不同的系统特性，并且都要求操统特性，并且都要求操作者有较高、较熟练的作者有较高、较熟练的操作技能。操作技能。单泵系统结构简单，造单泵系统结构简单，造价低，但其操纵性能不价低，但其操纵性能不好，特别是采用定量泵好，特别是采用定量泵时，效率低，发动机的时，效率低，发动机的功率不能充分利用功率不能充分利用 多泵系统多泵系统 多泵定量系统中，虽然多泵定量系统中，虽然各执行元件的协调动作各执行元件的协调动作性能得到改善，但系统性能得到改善，但系统效率及发动机功率的利效率及发动机功率的利用仍未能得到很好的改用仍未能得到很好的改善。善。各泵的功率之和不能超各泵的功率之和不能超过发动机的功率。当某过发动机的功率。当某执行元件单独动作时，执行元件单独动作时，功率的利用及系统效率功率的利用及系统效率将会大大下降，泵的数将会大大下降，泵的数目愈多，下降的越严重目愈多，下降的越严重 液压泵的数目对系统性能的影响 单泵系统 多泵系统 3434由于选择驱动功率时是由于选择驱动功率时是按最不利的工况确定的，按最不利的工况确定的，因而平均功率总是低于因而平均功率总是低于最高功率的，因此在低最高功率的，因此在低于最大负载工况工作时，于最大负载工况工作时，将有大量的溢流损失或将有大量的溢流损失或节流损失，便系统效率节流损失，便系统效率降低，并且发动机的功降低，并且发动机的功率也未得到充分利用。率也未得到充分利用。双泵变量系统双泵变量系统 ，当两台当两台变量泵采用总功率调节变量泵采用总功率调节时，负载力达到某一设时，负载力达到某一设定值，便可自动完成恒定值，便可自动完成恒功率控制，并且可根据功率控制，并且可根据各回路负载的不同，实各回路负载的不同，实现对发动机功率的自动现对发动机功率的自动匹配。因而，从功率利匹配。因而，从功率利用、效率及调速范围来用、效率及调速范围来看，都有了大幅度的改看，都有了大幅度的改善。善。由于选择驱动功率时是按最不利的工况确定的，因而平均功率总是低3535单泵系统功率曲线 单泵系统功率曲线 3636双泵定量系统功率曲线 双泵定量系统功率曲线 3737三泵系统压力流量特性曲线 三泵系统压力流量特性曲线 3838液压泵的型式及其控制方式的影响 液压泵的控制方式是指变量泵的变量机构根据什么信号、按什么规律变化。按控制信号的来源可分为：机械式（手动、脚踏、凸轮及杠杆等）、系统压力（包括控制压力）、系统流量等。按变化规律分有恒压控制、恒功率控制，系统流量控制等。也可以是它们的组合，构成复合的多功能控制。液压泵的型式及其控制方式的影响 液压泵的控制方式是指变量泵的3939流量控制（速度控制）压力控制 功率控制 多泵系统的控制 多功能控制 流量控制（速度控制）4040根据输入指令控制变量泵的斜盘摆角，进而控制泵的排量。为了节省能源，减少油液发热、提高系统效率，这种控制在系统无负荷时（换向阀处于中位时），构成旁通卸荷回路。根据输入指令控制变量泵的斜盘摆角，进而控制泵的排量。为了节省4141以系统压力为信号，当系统压力达到设定值时，通过压力调节元件的作用，使液压泵的排量迅速减小。这对溢流阀动作频繁的系统，具有显著的节能效果 以系统压力为信号，当系统压力达到设定值时，通过压力调节元件的4242若将压力控制与恒功率控制同时使用，在超载时可迅速减少泵的排量，使功率损失减少若将压力控制与恒功率控制同时使用，在超载时可迅速减少泵的排量4343根据压力信号使使泵的流量和压力的乘积按恒功率规律变化，故亦称恒功率控制（或称压力补偿控制）。如果系统设计合理，工程机械的大部分作业都可在设定的起调压力以下完成，即在定量泵状态下完成，只在重载时才在设定压力以上的恒功率范围工作，压力和流量按近似恒功率规律变化。从而减少油液通过溢流阀的损失，提高了系统的效率。根据压力信号使使泵的流量和压力的乘积按恒功率规律变化，故亦称4444多泵系统的控制分功率调节分功率调节 两台变量泵由一台发动两台变量泵由一台发动机驱动，每台变量泵各机驱动，每台变量泵各有一台独立的恒功率调有一台独立的恒功率调节器。即各泵的流量只节器。即各泵的流量只受泵所在回路的负载压受泵所在回路的负载压力的控制，与另一回路力的控制，与另一回路的负载压力无关。的负载压力无关。这种系统控制简单，但这种系统控制简单，但由于两台变量泵的功率由于两台变量泵的功率之和不能超过发动机功之和不能超过发动机功率，一般是两台变量泵率，一般是两台变量泵的功率各为发动机功率的功率各为发动机功率的的50%50%。总功率调节总功率调节 两台变量泵共用一个调两台变量泵共用一个调节器，通过杠杆将两台节器，通过杠杆将两台泵的变量机构连接起来，泵的变量机构连接起来，按两台变量泵的压力之按两台变量泵的压力之和和P1+P2P1+P2进行流量调节。进行流量调节。两台变量泵斜盘摆角相两台变量泵斜盘摆角相等，输出流量相等，并等，输出流量相等，并与（与（P1+P2P1+P2）/2/2成反比。成反比。每台变量泵的功率与其每台变量泵的功率与其负载压力成比例负载压力成比例 多泵系统的控制分功率调节 总功率调节 4545只有在两回路的负载压只有在两回路的负载压力均在力均在P0P0（起调压力）（起调压力）及及PmaxPmax之间时，才能利之间时，才能利用发动机的全部功率。用发动机的全部功率。两回路的负载压力和可两回路的负载压力和可以不同，因而两台泵的以不同，因而两台泵的流量也可以不相等。即流量也可以不相等。即两个回路的执行元件不两个回路的执行元件不能保证协调动作的关系。能保证协调动作的关系。当一个回路无负载，另当一个回路无负载，另一个回路满载工作时，一个回路满载工作时，只能利用发动机功率的只能利用发动机功率的一半。一半。只要满足只要满足PsPs在在2P02P0（起调（起调压力）及压力）及2Pmax2Pmax之间时，之间时，两台泵的功率之总和始两台泵的功率之总和始终保持与发动机的功率终保持与发动机的功率相匹配，而不会超出相匹配，而不会超出 只有在两回路的负载压力均在P0（起调压力）及Pmax之间时4646分功率调节 分功率调节 4747(a)单调节器同步调节 (b)双调节器调节图2-23 总功率调节(a)单调节器同步调节 (b)双调节器调节4848分功率调节与总功率调节的比较 分功率调节时，两泵流分功率调节时，两泵流量是不同的，随各自的量是不同的，随各自的外负载而变化。因此，外负载而变化。因此，两个回路的执行元件的两个回路的执行元件的动作协调性受外负载的动作协调性受外负载的影响。影响。只有当每台泵的负载压只有当每台泵的负载压力都处于力都处于P0P0（起调压力）（起调压力）及及PmaxPmax之间时，才能有之间时，才能有效利用发动机的全部功效利用发动机的全部功率，且各为发动机功率率，且各为发动机功率的一半。的一半。总功率调节时，由于两总功率调节时，由于两泵流量始终保持一致，泵流量始终保持一致，因而执行元件动作的协因而执行元件动作的协调性不受负载的影响。调性不受负载的影响。总功率调节比分功率调总功率调节比分功率调节能更有效的利用发动节能更有效的利用发动机功率。机功率。总功率调节虽然对发动总功率调节虽然对发动机功率利用充分，但当机功率利用充分，但当一台泵无负载时，另一一台泵无负载时，另一台泵将传递发动机的全台泵将传递发动机的全部功率，会降低泵的寿部功率，会降低泵的寿命命 分功率调节与总功率调节的比较 分功率调节时，两泵流量是不同的4949总功率调节特性曲线 总功率调节特性曲线 5050(a)正常情况 (b)极端情况图2-25 分功率调节特性曲线(a)正常情况 (b)极端5151(a)正常情况 (b)极端情况图2-26 总功率调节特性曲线(a)正常情况 (b)极5252多功能控制总功率及恒压控制，可减少在超载下的溢流损失。多功能控制总功率及恒压控制，可减少在超载下的溢流损失。5353功率匹配 使液压泵消耗的功率与发动机的功率保持平衡。功率分配的问题，也就是执行元件所消耗的功率与液压泵输出功率的平衡问题。设计的原则是使各台液压泵所承担的负载尽可能均衡，并且其中某个执行元件不能利用的功率，有被其它执行元件利用的可能。采取的措施：分组与合流 功率匹配 使液压泵消耗的功率与发动机的功率保持平衡。54541号泵2号泵 1号泵55551号泵2号泵3号泵 1号泵5656合流 采用合流供油后可使作业循环时间缩短采用合流供油后可使作业循环时间缩短202050%50%。对双泵系统，可采用手控与自控两种合流方式。对双泵系统，可采用手控与自控两种合流方式。手控合流方式就是增加一个手控合流阀。这种合流手控合流方式就是增加一个手控合流阀。这种合流方式工作可靠、灵活性大，缺点是增加一个操作动方式工作可靠、灵活性大，缺点是增加一个操作动作，若利用电磁阀控制可减轻司机的操作强度。作，若利用电磁阀控制可减轻司机的操作强度。自控合流方式不需独立的合流阀，而是当换向阀换自控合流方式不需独立的合流阀，而是当换向阀换向时，由机械联动或液压控制使两台泵的压力油自向时，由机械联动或液压控制使两台泵的压力油自动合流。这种合流方式省去了一个操作动作，减轻动合流。这种合流方式省去了一个操作动作，减轻了司机的操作强度。但是，只要实现单一动作，液了司机的操作强度。但是，只要实现单一动作，液压系统就会双泵合流，无法保证单一动作的单泵供压系统就会双泵合流，无法保证单一动作的单泵供油，操作的灵活性较差。油，操作的灵活性较差。合流 采用合流供油后可使作业循环时间缩短2050%。对双泵5757操纵性能 自动化、智能化、机器人化 减轻驾驶员劳动强度、提高操作性以及提高在危险场地或特殊环境的作业安全性 手动换向阀 手动比例减压式先导阀控制主阀 电液动换向阀 电液比例阀相应的控制系统操纵性能 自动化、智能化、机器人化 5858