液压与气动技术(第四版)课件：液压回路及系统设计

液压回路及系统设计7．1液压顺序动作控制回路的设计

7．2液压系统设计思考题与习题

在自动化机械设备中，有许多动作需按一定顺序自动完成，而控制顺序动作通常是通过电气控制来完成的，作为一名从事液压与气动工作的现代技术人员，一定要能设计电气控制回路。本章重点介绍液压顺序动作回路的电气控制回路设计。

在学习本章前，要求读者学过有关电气方面的知识，否则，建议在学完本书的第二篇气动技术后再学习本章的内容。

另外，本章还将用工作中的具体实例来介绍液压系统的设计。

在液压系统中，当执行元件做功时，除考虑其输出力和速度外，还需根据动作顺序图要求的顺序动作。第5章中讲到了多缸顺序动作的压力控制法和行程控制法，本节主要简单介绍顺序动作回路电气控制的设计方法。7.1液压顺序动作控制回路的设计7．1．1电气控制液压回路的设计步骤

在电气控制液压回路中，液压缸的位置是由行程开关来控制的，方向控制阀则一律采用电磁阀，可用的电磁阀如图7－1所示。

电气液压回路设计步骤如下：

(1)画出位移—步骤图。

(2)设计液压回路。

(3)根据液压回路设计电气回路。

下面将从单缸回路到多缸回路一一介绍顺序动作回路电气控制的设计方法。图7－1各种电磁阀7．1．2单缸液压电气控制回路设计

【例7－1】

有一液压缸A，其动作为伸出→缩回，试设计其电气液压回路。

(1)根据动作顺序画出位移—步骤图，如图7－2所示。

(2)设计液压回路。本例采用图7－1所示的三种电磁阀各设计一液压回路，如图73所示。在图7－3中，通电后使A缸前进的线圈称为YA1；通电后使A缸后退的线圈称为YA0。

图7－2位移—步骤图

图7－3采用各种电磁阀的液压回路

(3)设计电气回路。若采用目视操作，则可得如图7－4(a)所示的电路图。因为图7－4(b)所示的电磁阀一端有弹簧，如不加中间继电器，当手放开前进按钮时，A缸就会立即后退，所以需用K1继电器自保持回路来确保A缸的继续前进。图7－4(c)所示的情况与图7－4(b)所示的类似，K1和K2分别作YA1、YA0线圈的自保持继电器。当前进、后退按钮同时按下时，YA1、YA0线圈会同时通电而使电磁阀无法控制，所以特别在电路中加上中间继电器K1、K2的常闭接点，以防止该现象的发生。

图7－4电路图一若要使按钮按下后A缸能自动前进、后退一次，此时就要用装在液压缸A进到底和退到底位置上的行程开关a1、a0来通知电路，A缸是否已进到底或退到底，依此设计出图75所示的电路图。因为在电路设计中，当所有的动作完成时，需将电全部切断，所以，图75(c)中需用a0来切掉YA0的电。

图7－5电路图二若要使A缸能连续地自动前进、后退，则用如图7－6所示的电路图即可。但在使用这种电路时，若要使A缸停止，就得切掉电源，若要使A缸动作，就得再把电源接上，因此操作非常不便。此时就需用主控继电器来作电源控制，如图7－7所示就是依此设计的电路图；或仅用继电器来作第一步动作的电源控制，其电路如图7－8所示。

图7－6电路图三

图7－7电路图四

图7－8电路图五

讨论：

(1)电路如图7－7(a)所示时，若在第一步按OFF按钮，则A缸在继续前进到底后才不再动作；若在第二步按OFF按钮，则A缸会后退到底才不再动作。

(2)当电路如图7－7(b)所示时，不论在任何情况下按OFF按钮，A缸将立即后退。操作没有如图7－7(a)所示的方便，但却具有紧急时立即后退的功能。

(3)当电路如图7－7(c)所示时，不论在何种情况下按OFF按钮，A缸将立即就地停止。

(4)当电路如图7－8所示时，不论在何种情况下，只要按OFF按钮，

A缸将当次的循环做完后就不再动作了，操作起来非常方便。

图7－9位移—步骤

【例7－2】A缸动作顺序为伸出→停留→退回，试用单向电控换向阀设计电气液压回路。

(1)绘制油缸的位移—步骤图，如图7－9所示。

(2)设计液压回路，如图7－10(a)所示。

(3)设计电气控制回路，如图7－10(b)所示。

图7－10例7－2的液压、电气控制回路(a)液压回路；(b)电气控制回路

图7－11位移—步骤图

【例7－3】A缸动作顺序为伸出停留，试使用双向电控换向阀设计电气和液压回路。

(1)绘制气缸的位移—步骤图，如图7－11所示。

(2)设计液压回路，如图7－12(a)所示。

(3)设计电气控制回路，如图7－12(b)所示。

图7－12例7－3的液压和电气控制回路图(a)液压回路；(b)电气控制回路7．1．3多缸液压电气控制回路设计

【例7－4】

一液压系统两个油缸的动作顺序为A＋B＋A－B－(“＋”表示伸出，“－”表示缩回)，设计其电气、液压回路。

(1)画出两油缸的位移—步骤图，如图7－13所示。

(2)设计液压回路，如图7－14所示。

(3)设计电气控制回路。多缸回路动作较单缸回路复杂很多，设计的方法有很多种，下面介绍一种适合于初学者的方法，具体步骤如下：图7－13例7－4的位移—步骤图图7－14例7－4的液压回路图

图7－15例7－4的电路设计步骤图(a)位移—步骤图；(b)线圈通、断电图；(c)开关信号图；(d)开关动作图第一步，由位移—步骤图(见图7－15(a))和液压回路决定各线圈应在何时通、断电，如图7－15(b)所示。

第二步，每当一动作完成时，必会引起液压缸位置的改变，因而产生不同的行程开关信号。下面就根据位移—步骤图和液压回路来研究行程开关信号，在研究之前先对行程开关信号加以定义：

0表示开关未被触动的状态；

1表示开关被触动的状态。

图7－15(c)给出了在整个动作过程中，行程开关变化的情形，每一步完成时必会产生一组新的开关信号。从此图中可发现有三种信号变化的情形：

0→0或1→1表示液压缸静止不动；

1→0表示液压缸刚刚离开原位，正在继续移动中；

0→1表示液压缸刚好到达某一定位。

真正有意义的是0→1这一个信号，因为只有它才能告诉我们某一动作已完成，可进行下一动作了。

从图7－15(c)中可以很清楚地发现，每当一动作完成时，都会产生一特定的行程开关信号，依此就可将启动每一步的开关信号列出，而得到如图7－15(d)所示的开关动作图。由于任何设备都需启动按钮，因此第一个信号一定是由启动按钮ON所产生的。

第三步，根据下列法则画电路图：

①a接点使线圈通电。

②b接点使线圈断电。

③因为行程开关所有的a、b接点均不独立，所以若其接点需用两次以上时，得用一中间继电器作接点扩充。

④若线圈另一侧有弹簧，则需用自保持电路，但若接点接通时间大于线圈通电时间，则不必用之。

首先，根据法则①，线圈通、断电图及开关动作图画出如图7－16(a)所示的线圈通电图。

其次，根据开关信号图及线圈通、断电图，在图7－16(a)上标出接点接通时间、线圈通电时间。若接点接通时间大于等于线圈通电时间，就不用自保持，反之，则需要使用继电器产生自保持线路，如图7－16(b)所示。

根据法则②，线圈通、断电图及开关动作图来设计如何断电。若接点接通时间等于线圈通电时间，就不用考虑断电了。最后就可得到完整的电路图，如图7－16(c)所示。

图7－16各种电路图

【例7－5】

一液压系统两个油缸的动作顺序为A＋B＋B－A－，试设计其电气－液压回路。

(1)绘制位移—步骤图，如图7－17所示。

(2)设计液压回路，如图7－14所示。

图7－17例7－5的位移—步骤图

(3)设计电气控制回路。

第一步，由位移—步骤图(见图7－18(a))和液压回路绘制线圈通、断电图，如图718(b)所示。

第二步，绘制开关信号图，如图7－18(c)所示。从图中可知第2步和第4步有相同的一组行程开关信号。虽然我们用a1来代表第2步并和第4步的开关信号相同，但实际上还是一样的。换句话说，此例中我们只有三组不同的信号，却要进行四个不同的动作，这是绝对办不到的。解决的办法是分级。

分级的原则如下：

①用信号分级——同级中不可有两组相同的信号。

用液压缸动作分级——每级中每个液压缸的符号只可出现一次，如：

A＋B＋/B－A－

ⅠⅡ

A＋B＋/B－C＋/C－A－

ⅠⅡⅢ

A＋B＋/B－A－C＋/A－

ⅠⅡⅢ

②级数变换按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ…的顺序依次进行。

③每一级被前一级设置(SET)。

④每一级被下一级复位(RESET)。

分级完成后再用继电器来处理级数的变换。处理原则如下：

①用继电器线圈的通、断电来表示级数，继电器值为0表示线圈未通电，为1表示线圈通电。

②若级数为n，所需继电器个数为m，则m为使2m≥n的最小整数。

③在第一级时，所有的继电器值都为0。图7－18例7－5的电路设计步骤图

(a)位移—步骤图；

(b)线圈通、断电图；

(c)开关信号图；

(d)开关信号图；

(e)开关动作图；

(f)线圈通、断电图因此，若分成两级，则用一个继电器，且第一级继电器值为0，第二级继电器值为1。

若分为三级，则用两个继电器，且第一级两个继电器值为00，第二级两个继电器值为01，第三级两个继电器值为10。

若分成四级，则用两个继电器，且第一级两个继电器值为00，第二级两个继电器值为01，第三级两个继电器值为11，第四级两个继电器值为10。

若分成五级，则用三个继电器，且第一级三个继电器值为000，第二级三个继电器值为001，第三级三个继电器值为011，第四级三个继电器值为010，第五级三个继电器值为110。

根据以上方法将信号分成两级，可得如图７－１８(d)所示的开关信号图，即得到了四组不同的开关信号，接着绘制开关动作图。注意，此时是以a0、a1、b0、b1、K1这五个信号为一组来表示液压缸的位置的，所以用b0和K1来代表第4步，如图7－18(e)所示。

现在又发现电路中多了一个K1的线圈需要通、断电，因此，要重新绘制线圈通、断电图，如图7－18(f)所示。

第三步，绘制电路图：

①由图7－18(e)、(f)画出通电图，如图7－19(a)所示。

②由图7－18(d)、(f)画出线圈自保持电路图，如图7－19(b)所示。

③由图7－18(e)、(f)加上断电用的常闭接点，画出完整的电路图，如图719(c)所示，因b0的接点要用两次，故用接点扩充电路。

图7－19例7－5的电路图(a)线圈通电图；(b)线圈自保持电路图；(c)完整的电路图

【例7－6】

一液压系统三个油缸的动作顺序为A＋B＋C＋C－B－A－，设计其电气控制回路。

(1)绘制位移—步骤图，如图7－20(a)所示。

(2)设计液压回路图，如图7－21所示。图7－20例7－6的电路设计步骤图(a)位移—步骤图；(b)开关信号图；(c)开关动作图；(d)线圈通、断电图

图7－21例7－6的液压回路图

(3)设计电气控制回路：

第一步，检查是否有相同的信号组，若有则分级。

绘出如图7－20(b)所示的开关信号图，从图7－20(b)中可知，第2步和第6步、第3步和第5步有相同的信号，故可分成两级。

第二步，绘制开关动作图，如图7－20(c)所示。

第三步，绘制线圈通、断电图，如图7－20(d)所示。

第四步，绘制电路图如下：

①绘制线圈通电图，如图7－22(a)所示。

②绘制线圈自保持电路图，如图7－22(b)所示。

③加上断电的接点，绘制出完整的电路图，如图7－22(c)所示。

图7－22例7－6的各种电路图(a)线圈通电图；(b)线圈自保持电路图；(c)完整电路图

【例7－7】

一液压系统三油缸的动作顺序为A＋B＋B－C＋C－A－，设计其电气控制回路。

(1)绘制位移—步骤图，如图7－23(a)所示。

(2)设计液压回路图，如图7－21所示。

(3)设计电气控制回路：

第一步，检查是否有相同的信号组，若有则分级。

绘出如图7－23(b)所示的开关信号图，从图7－23(b)中可知，第2步、第4步、第6步有相同的信号，故可分成三级。

第二步，绘制开关动作图，如图7－23(c)所示。

第三步，绘制线圈通、断电图，如图7－23(d)所示。

图7－23例7－7的电路设计步骤图(a)位移—步骤图；(b)开关信号图；(c)开关动作图；(d)线圈通、断电图第四步，绘制电路图如下：

①绘制线圈通电图，如图7－24(a)所示。

②绘制线圈自保持电路图，如图7－24(b)所示。

③加上断电的接点，绘制出完整的电路图，如图7－24(c)所示。

图7－24例7－7的各种电路图(a)线圈通电图；(b)线圈自保持电路图；(c)完整电路图

【例7－8】

一液压系统三油缸的动作顺序为A＋B＋B－A－C＋C－，设计其电气控制回路。

(1)绘制位移—步骤图，如图7－25(a)所示。

(2)设计液压回路图，如图7－21所示。

(3)设计电气控制回路：

图7－25例7－8的电路设计步骤图(a)位移—步骤图；(b)开关信号图；(c)开关动作图；(d)线圈通、断电图

第一步，检查是否有相同的信号组，若有则分级。

绘出图7－25(b)所示的开关信号图，从图7－25(b)中可知，第2步和第4步、第1步和第5步有相同的信号，故分成两级。

第二步，绘制开关动作图，如图7－25(c)所示。

第三步，绘制线圈通、断电图，如图7－25(d)所示。

第四步，绘制电路图如下：

①绘制线圈通电图，如图7－26(a)所示。

②绘制线圈自保持电路图，如图7－26(b)所示。

③加上断电的接点，绘制出完整的电路图，如图7－26(c)所示。

图7－26例7－8的各种电路图(a)线圈通电图；(b)线圈自保持电路图；(c)完整电路图

液压系统设计包括液压元件的选用和液压回路的设计。本节将用具体实例说明以下设计步骤的执行过程：

(1)设备工况负荷分析。

(2)根据最大压力和行程选择液压缸。

(3)根据计算出的流量选择泵和油箱。

(4)选择电机参数。

(5)选择阀。

(6)设计液压传动回路。

(7)设计电气控制回路。7.2液压系统设计

图7－27工件图

【例7－9】

如图7－27所示的工件，需要大批量生产，本工序钻削工件上有一

15偏心孔，工件材料为铸铁，材料硬度HB为220，为此，设计一全自动专用钻床，只要将工件堆积在料仓里，一按开关就可重复自动完成从送料、加工到结束这一全部过程，设计该钻床的液压系统及电气控制回路。

图7－28为按题目要求设计的专用钻床的加工工位结构简图。其工作循环步骤为

按钮→送料缸进→送料缸初始退→送料缸全退，同时夹紧缸进→钻削缸快进

钻削缸工进→钻削缸快退→夹紧缸退

图7－28自动钻床加工工位结构简图

(1)负载分析。

根据工件材料查机械加工工艺手册，得出钻孔的较合适的表面切削速度为

v＝21～30m/min

从而计算出主轴的转速为

由加工直径查工艺手册，得出加工每转进给量为

f＝0.18～0.38mm/r从而计算出钻削缸的轴向进给速度为

vf＝80～242mm/min

根据切削原理得出钻削力计算公式为

扭矩：M＝CM·dXM·fYM·KM·10－3(N·m)

轴向力：F＝CF·dXF·fYF·KF(N)

根据工件材料查有关手册得

CM＝210，XM＝2，YM＝0.8，CF＝427，XF＝1，YF＝0.8

故计算出在本工艺条件下的最大钻削扭矩及最大钻削轴向力为

M＝23.69(N·m)

F＝2946(N)

①计算钻削缸受力。钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量，应小于2946N。

②计算夹紧缸受力。根据夹具结构画出受力简图，如图7－29所示，根据理论力学分析进行计算。

夹紧力为

图7－29工件受力分析图其中，f表示摩擦系数，本例取0.2；α表示“V”型块夹角，本结构为90°；D表示被夹工件直径，本工件直径为80mm。

故计算出夹紧力为

W＝1219(N)

考虑到安全系数应为2.5～3，取其为3。所以夹紧缸应承受负载为

W缸＝1219×3＝3657(N)

③计算送料缸的受力。送料缸在推进工件时，工件受料仓中所堆积工件重量的压力，从而在所推进工件的上、下两面产生摩擦阻力，每个工件的重量为0.6kg，最多堆积20个，故摩擦阻力为

Ff＝2Q总·f＝2×(20－1)×6×0.2＝45.6(N)

故送料缸所受最大轴向力为摩擦阻力加工件重量，即为

F缸＝45.6＋6＝51.6(N)

由于力很小，因此将送料缸的运动近似认为是空载运动。

(2)液压缸的选择。

本例工艺要求送料缸送料速度大于50mm/s，钻削缸快进速度大于50mm/s。

查液压传动产品手册得出：选内径×活塞杆径＝40mm×20mm的液压缸作为夹紧缸，则当液压缸内油的压力达到p＝W缸/A＝4×3657/(3.14×402)＝2.91MPa时，就可夹紧工件。选该液压缸行程不小于40mm。

因为钻削缸要支承动力头，又双向受力，所以选直径大一点的液压缸。另外由于有差动连接，因此使得快进和退回的速度较接近，因而选活塞杆直径较粗的液压缸。综上，应选内径×活塞杆径＝50mm×32mm的液压缸作为钻削缸，则当液压缸内油的压力大于p＝F/A＝4×2946/(3.14×502)＝1.55MPa时，就可钻削工件。由于钻削快进采用差动连接，因此当输入流量达到

就能满足钻削缸快速进给要求。选该液压缸的行程不小于35mm。

选内径×活塞杆径＝32mm×16mm的液压缸作为送料缸，当输入流量达到

就能满足送料速度要求。液压缸的行程根据具体结构确定。

(3)选择液压泵。

根据以上所需的最大压力及最大流量，并考虑一定的损耗，故泵的额定流量应选为

Q泵≥K漏Q缸＝1.1×2.41＝2.65(L/min)

泵的额定压力应选为

p泵≥K压p缸＝1.3×2.91＝3.78(MPa)

查液压产品目录，选泵型号为YB1－2.5；额定压力为6.3MPa；排量为2.5mL/r；转速为1450r/min的定量叶片泵。

该泵的输出流量为

Q＝2.5×1450＝3.6(L/min)

(4)选择电动机参数：

因为液压泵的转速为1450r/min，所以选电机的转速为1450r/min，功率大于0.34kW。

(5)选择油箱。

油箱容量通常取泵的额定流量的2～4倍，故设计油箱的容量为7～14L。

(6)选择阀。

送料缸换向选用二位四通电磁阀，能满足送料要求；夹紧缸换向选用二位四通电磁阀，在夹紧工件时，能一直保持一定的压力；钻削缸换向选用三位四通电磁阀。

由于钻削缸的压力小于夹紧缸的压力，因此在钻削支路上接一个减压阀，以保证夹紧力在切削过程中不下降。

由于钻削缸垂直安装，因此，为使运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。

以泵的额定压力为6.3MPa，流量为3.6L/min为基准，选择各种电磁换向阀、溢流阀、减压阀、调速阀等元件，元件的具体型号不一一叙述。

为节约能源，钻削缸快进采用差动回路。

(7)液压回路设计。具体设计的液压回路如图7－30所示。

(8)电气控制回路设计。

该自动钻床工作循环过程如前所述，由于送料杆和夹紧杆同时伸出到位时会产生干涉，因此要等送料缸退回才能夹紧。但为了节约时间，在送料缸刚好退出干涉位置时，夹紧缸就动作，使得夹紧缸与送料缸后退同步。

图7－30液压传动系统图

控制回路的具体设计步骤如下：

①绘制各液压缸位移—步骤图，如图7－31(a)所示，其中A为送料缸，B为夹紧缸，C为钻削缸。

②以行程开关压下为1，弹起为0，绘制开关信号图，如图7－31(b)所示。

③由于在第4步和第7步有两组相同的信号，因