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浅谈液压传动系统设计与分析的模块化思想

摘 要
　　提出了工程机械液压传动与控制系统分析与设计的模块化思想，分析了液压传动与控 制系统的各模块关系，包括能量关系，提出了利用模块化方法分析和设计液压传动与控制 系统的步骤和应注意的问题，并结合具体的实例，说明了模块化方法的具体应用方法。

　　关键词
　　工程机械 液压传动与控制 模块

　　1 前言
　　随着液压传动与控制技术的发展和液压元件制造水平的提高，目前工程机械已普遍采用液压传动与控制技术。
　　液压系统原理图是以液压符号为基本要素，由线段将这些液压符号连成一个整体而构成一个完整 的液压系统。由于液压符号是液压元件的图形表示，是一种非直观的表示方法，因此对工程机械的 驾驶与维修人员，若未经专业培训，如不很好地掌握液压传动与控制技术，则很难读懂液压原理图， 更谈不上正确设计液压系统。

　　2 液压传动与控制系统的模块化思想
　　用液压执行元件驱动一个机械装置运动，必须要有液压执行元件；液压执行元件的运动必须受到 某种必要的控制，因此其前级必须要有液压控制装置——液压阀；液压元件运动的必要条件是该元件要有液压油的供应，也就是该元件必须有动力输 入，因此液压系统必须有动力装置；除上述三部分之外，完整的液压系统还包括液压管、滤油器、蓄 能器、油箱等辅助元件。
　　因此，不管一个液压系统如何复杂，都是由四个基本的液压模块组成：
　　液压能源模块：液压泵（液压马达）；
　　液压执行模块：液压油缸、液压马达（包括液压制动器和蓄能器）；
　　液压控制模块：液压方向阀（阀组），流量控制阀，压力控制阀；
　　液压辅助模块：液压管，油箱，散热器，滤油器等。

　　3 工程机械液压系统模块化分析
　　现代工程机械功能越来越复杂，这样其液压系统也越来越复杂，给液压系统设计和分析造成了一定的困难，液压传动与控制系统的模块化思想尽管没有简化工程机械的液压系统，但由于强调了“逐 一功能分析与设计”的方法，或称之为“积木式分析与设计”方法，能使液压系统设计与分析人员思 路清晰，加快设计和分析的速度。
　　如图1所示，该液压系统可驱动两个工作机构，因此液压执行模块包含两个液压执行元件—— 液压执行机构Ⅰ和Ⅱ；由于液压执行模块中含有两个液压执行及元件，因此在液压控制模块中必须含 有两个液压控制阀Ⅰ和Ⅱ与之相对应，液压执行机构Ⅰ和Ⅱ与液压控制阀Ⅰ和Ⅱ是一一对应关系，相 互之间互不干扰。液压能源模块中可以是一个液压泵，也可以是两个液压泵。对于双泵（或多泵）系 统，液压执行元件Ⅰ和Ⅱ可能存在功率合流的问题，因此在液压控制模块中还需要在液压控制阀Ⅰ 和Ⅱ之前加入一个液压控制元件（液压分流阀），该元件起到液压油通、断和流向控制的作用。该图中没有非常明确地表明液压辅助模块，但液压辅助模 块对一个完整的液压系统是必不可少的。
　　如图1所示的这样一个液压系统，其模块化分析方法的步骤是：
　　(1)明确工程机械所有功能，即包含有哪些执行元件，按执行元件逐一分析；
　　图1所示液压系统包含两个功能Ⅰ和Ⅱ，即系统中有两个执行元件。


图1 液压系统的模块化分析示意图


图2 液压系统模块化分析次序示意图


图3 液压系统功率关系

　　(2)按功能分析其控制和液压能源装置
　　图1所示液压系统的执行元件Ⅰ的控制与能源装置是液压控制元件（方向阀）Ⅰ和液压能源装置， 执行元件Ⅱ的控制与能源装置是液压控制元件Ⅱ（方向阀）和液压能源装置。
按功能分析其控制模块和液压能源模块时要特别注意和明确如下问题：
　　(1)一个液压执行元件仅直接对应于一个液压控制元件（有时液压泵也可直接驱动液压执行元 件），即仅对应于一个液压方向阀，两者在关系上是“紧邻”关系，其间可以串入或并入也流量控制 阀、压力控制阀及液压辅助元件。
　　(2)一个液压执行元件的液压方向阀前如果还有一个液压方向阀，这个阀必然是液压分/合流阀， 这个系统必然涉及到功率合流问题。
　　(3)在涉及到功率合流时，系统必然是一个双泵（或多泵）系统。
　　(4)液压系统由电动机或其他原动机获得能源，通过液压能源模块，将机械能转化为液压能，（在这 个转化过程中存在机械损失和容积损失，液压泵的总效率为 ηmp）；液压油流经液压辅助模块和液压控 制模块（存在液压元件及管路损失ηe ）；液压能在液压执行模块以机械能形式输出（存在机械损失和 容积损失，即液压马达、油缸的总效率ηmm ）；
　　整个液压系统的效率η可表示为：
　　η＝ηmp•ηmmη e
　　式中：ηetc—液压元件及管路等的效率;
　　ηmp—液压泵的总效率；
　　ηmm—液压马达的总效率。
　　(5)根据功能要求设置液压辅助元件；液压辅助元件的设置原则是实用，以确保系统可靠地工作。
　　(6)有时与液压执行元件“紧邻”的方向阀设有液压控制阀，以实现该方向阀的电液控制。

　　4 基于模块化思想的液压系统分析举例
　　图4[1]为双吊杆式起货机液压系统图，该液压 系统有4个液压执行机构：2个液压马达，两个液压制动器。由于系统的左右两部分基本是对成结 构，因此本文仅分析左侧的液压系统。应当指出的是，该系统的4个液压执行元件的回油均没有经过 方向阀流回油箱，是闭式系统。
　　对于液压制动器8，按照模块化思想对该液压系统回路分析如下：
　　(1)液压制动器8由二位二通电磁阀3和液控二位二通方向阀7控制，阀3和7是串联关系。
　　(2)液压制动器8由单作用定量泵C驱动。
　　(3)该回路中在液压泵C的前后还有2个液压过滤器。
　　液压制动器8是常闭式的，阀3和7处于图示位置时，制动器8将液压马达b抱死。当液压阀3 通电，液压泵C提供的压力油同时经过单向阀2向上供应，该泵的压力使阀7换位，此时泵C的压力 油可以供给液压制动器8，使之松开液压马达b。
　　当液压制动器8松开液压马达b后，调节液压泵a的斜盘倾角，使液压泵a自B边吸油，向A边排油， 压力油进入液压马达的进油腔，使之顺时针方向旋转， A边压力高于B边，且此压力作用在三位三通方向阀的两端，并使该阀处于右位，液压马达b的回油 经过阀12、背压阀　　10、泵a的壳体，冷却后再经冷却器11流回油箱。此时重物被提升。调节液压泵a的 斜盘倾角，使液压泵a自进油口吸油，向排油口排油，压力油进入液压马达的进油腔，使之逆时针方向旋 转， B边压力高于A边，且此压力作用在三位三通方向阀的两端，并使该阀处于左位，液压马达b的回油 经过阀12、背压阀10、泵a的壳体，冷却后再经冷却器11流回油箱。此时重物被放下。


图4 双吊杆式起货机液压系统图
　　
　　调节变量泵a的斜盘倾角，使整个液压系统处由工作状态变为图示位置时，液压制动其将液压马 达b抱死，是重物停留在任意位置。此时即是由于变量泵的斜盘有零误差，系统也能通过阀4卸荷。
　　系统中，单向节流阀5、背压阀14和13均起背压作用。
　　参考文献[1]中，图8-6有一处错误需要指出，作者指出溢流阀9的作用是调定液压泵C的工作压力，按照液压系统设计的原则，在液压泵的侧面的确需要设置安全溢流阀来调定液压泵的工作压，保 证系统安全工作，但在液压系统图上，该阀串入在液压泵C的主油路中，起不到调定液压泵C的工作 压力的作用，而起到了为系统背压的作用。

　　5 结束语
　　通过上述实例的分析可见，本文所提出的液压系统模块化设计与分析的方法，由于抓住了工作机 构、控制方向阀和动力源这样一条主线，在这条主线的贯穿下，在相应的回路上按功能的需要加入必 要的辅助元件，思路十分清晰，给工程机械复杂液压系统的设计和分析提供了一种方便、有效、实用 的方法。

　　参考文献：
　　1、 贾明新.液压传动与控制.国防工业出版社[M].2001.01（第二版）：214
　　2、 王文深，谭小红.液压回路设计常见缺陷及排除[J]. 浙江工贸职业技术学院学报. 2005.04

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