1、平地铲液压系统设计学 生: 指导老师： （湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：平地机是土方工程中用于整形和平整作业的主要机械，广泛用于公路、机场、建设工地等大面积的地面平整作业。它可以完成公路重要内容场、农田等大面积的地面平整和挖沟、刮坡、推土、排雪、疏松、压实、布料、拌和、助装和开荒等工作。是国防工程、矿山建设、道路修筑、水利建设和农田改良等施工中的重要设备。激光平地技术在现代精细农业中的应用越来越广泛，农田经平地机平整后，能够达到节约农田用水，提高肥料利用率，抑制杂草生长的目的 18 。本文设计了一个平地铲机构，一套控制平地铲的液压系统。如果将二者安装在高速插秧机上，再安
2、上一套控制电路系统，就能够组成一台适应于在水田中进行平地作业的激光控制平地机。该型平地机以激光发射器发射的激光平面为基准，自动控制平地铲的高度与水平，在高速插秧机的带动下，达到平整土地的目的。关键词：农田；激光；平地铲，液压系统；控制电路全套图纸，加 153893706Design of Hydraulic Pressure System With Flat Shovel(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract ：The road grader
3、is an important machanism in earthworks for purposes of leveling andmass constraction. It is widely used in farmland and highway constracton operations doing worksnamely :earth-lifting ditching, building slopes, snow-moving, earth-loosening, tamping, stirring materialdistribution and opening barren
4、lands.the ground the shovel is defense engineering, mine construction,road construction, water conservancy construction and farmland improvement in the construction of vitalequipment. The flat farmland leveling machine, which can achieve saving agricultural water, improve thefertilizer utilization r
5、atio, inhibit the purpose of weeds.This graduation project has designed a flat shovelinstitutions, a set of control the ground of the shovel hydraulic system. If the two could be fitted to a1high-speed transplanter, and add another control circuit , we get a laser-controlled grader which performsthe
6、 task of ground operations in paddy fields. Base on the criterion set by the laser emission, and under thedrive of high-speed transplanter,this machine automatically controls the height and horizon of the shoveland performs the duty of earth leveling.Key words: farmland; Laser; the ground the shovel
7、, hydraulic system; control circuit1 前言1.1 激光平地铲的研究背景本文选择研究激光平地铲的目的，是为设计一个能够与2ZG630 型高速插秧机配套使用的平地铲机构，并为其设计一套液压控制系统，使其能够在激光控制下，进行水田平地作业。我国现有灌溉面积约9 亿亩，其中有效灌溉面积8.3 亿亩，林果牧草灌溉面积7千万亩，在这些灌溉面积中，95%以上采用地面灌溉。很多地方农田土地平整度较差，造成了用水浪费和灌溉不均匀，严重制约了农业节水的发展。因此，大力推进农田土地平整技术，提高田间灌溉水的利用率，已成为缓解我国农业用水短缺，建设节水型农业，促进高产优质高效农业发
8、展的重要措施。激光控制平地技术是目前世界上采用的一种先进成熟的土地平整技术。国家节水灌溉北京工程技术研究中心经过在北京、天津、宁夏、内蒙古等地的典型实验证明：应用激光控制平地节水技术，可为采用高效地面灌溉技术创造良好的基础条件，可节水30% 以上，与其他农业综合措施配套后，作物产量增产30%左右。水稻由于其特殊的生长要求，对水田的平整要求很高。精细平整的水田不仅能大幅度节约农田灌溉用水，还能有效地提高肥料的利用率和抑制杂草的生长。传统的平地技术（如耙、轧）都是仿形平整，很难达到精细平整的要求。针对这一现状，近年来，湖南农业大学在高速插秧机的基础上研究开发了自动控制系统、激光控制平地系统等配套系
9、统，本文研究的就是其中激光平地铲的结构设计与液压控制系统设计。1.2 平地铲在国内外的研究现状旱地激光平地铲在国内外的研究应用相对成熟，例如，自20 世纪80 年代开始，我国北方一些农场就已经引进国外激光控制平地系统进行平地实验，但由于价格昂贵一直未能大面积推广使用。2002 年初，中国农业大学与菲律宾国际水稻研究所（IRRI）开始合作，在我国北方旱地开展适合我国国情的激光控制平地技术的研究与实践。首先引进美国光谱精仪公司的激光发射、接收与控制系统。平地铲设备是由IRRI 和中国农业大学共同设计与制造，能够适应我国普遍使用的中等马力拖拉机做牵引动力和农2田作业实际其概况需求。如今已研发完善并投
10、入的市场有“拓普康” 牌激光平地机，“天宝”牌激光平地机等。早在八十年代中期，农业激光平地系统就已经广泛应用于美国、加拿大等发达国家和地区，近几年在我国也开始应用。而水田激光平地铲在国外已研究多年， 在国内的研究开发还处于初期阶段。近年来，湖南农业大学在2ZG630 型高速插秧机基础上研究开发的激光控制平地系统，就是探索研究适用于南方水田激光平地铲的典型。本文就是湖南农业大学激光平地铲项目的一部分，主要研究其平地铲机构和液压控制系统。1.3 水田平地铲的研究目的及意义水稻的生长对水田的平整要求很高，农谚中即有“寸水不过田” 之说。精细平整的水田，能大幅度地节约灌溉用水，提高肥料的利用率和抑制杂
11、草的生长。我国是一个水资源匮乏的国家，是世界人均水平的1/4 。2004 年全国总用水量5548亿立方米，农业用水占64.6%，农田实灌面积亩均用水量为450 立方米。为了减少农业用水，我国开展了多项节水技术，其中激光控制平地技术是目前国际上逐渐推广的节水技术之一，如澳大利亚的麦田一般都要进行激光平地作业。激光平地拘束在国外农田平整中应用达二十余年，也是比较成熟的节水技术。2 平地铲机构的设计2.1 平地机的系统介绍平地机的系统包括液压系统和电路信号控制系统两部分。液压系统有两个功能，一是控制平地铲的上下高度，二是控制平地铲的左右水平。平地铲的控制电路有两条：一条是平地铲的水平信号，由倾角传感
12、器传给微处理器（单片机），经过信号处理与转换，再向电磁换向阀发出指令，改变阀体方向，控制液压执行系统的运动，以控制平地铲的水平；另一条是平地铲的高度信号传送，由高度传感器传送给微处理器（单片机），经过信号处理与转换，再向电磁换向阀发出指令，改变阀体方向，控制液压执行系统的运动，以控制平地铲的高度。2.2 激光平地铲的组成激光平地铲由激光信号发射系统、信号接收系统、信号转换系统、液压控制系统、平地铲、拖拉机等部分组成，本文研究的重点是液压控制系统和平地铲结构。3图1 旱地激光平地机Fig l On the dry land use laser leveled machine图2 水田激光平地机F
13、ig 2 Use laser in paddy field flat machine2.3 激光平地铲的工作原理激光平地铲的工作原理示意图如图3：1-高速插秧机，2-激光信号接收器，3-激光信号发射器4-液压缸，5- 平地铲机构，6- 激光信号，7- 水田图 3 激光平地铲工作原理示意图1-High-speed transplanter，2-Laser receiver ，3-Laser signal transmitters4-Hydraulic cylinder，5-Flat shovel institutions ，6-Laser signals，7-Paddy fieldsFig 3
14、Laser flat shovel working principle diagram4激光平地铲的工作原理是：一方面由激光发射器旋转向四周发射激光，形成一个基准平面，平地铲上的信号接收器将基准平面上的激光信号处理后，发给微型处理器，再由其向液压系统中的电磁换向阀发出指令，控制液压缸推动平地铲做上下调整运动；另一方面由安装在平地铲上的斜度传感器检测平地铲的左右水平，将采集到得信号经微型处理器处理后，向液压系统的电磁换向阀发出指令，控制液压缸推动平地铲做水平调整运动15。3 平地铲机构的设计3.1 平地铲的功能概述平地机是对农田进行精确平整的机械，是实现精细农业的基础，也是精细农业的重要组成部分
15、。运用平地机平整土地时，需要保证平整度误差，由于平地作业面积大，因此需要激光在线测量与控制。激光扫描形成一个相对基准平面，通过激光接收与液压控制装置，使平地系统工作部件实时工作在一个平行于相对基准平面的平面内。3.2 平地铲的载体高速插秧机平地铲要实现移动，需要一个载体提供动力，本文采用的是2ZG630 型号的高速插秧机（如图4）。该型号的插秧机重量轻，行走轮采用水田橡胶轮，适宜在土质松软的水田中行走。高速插秧机是具有高科技含量的机型，与步行式机型相比有舒适、高效率的优势，且有驾乘汽车的趋势。高速插秧机有4、5、6、8、10 行等机型，行数越多，效率越高，但机器较笨重、价格偏高。一般使用6 行
16、机型，发动机在7-12 马力之间，性价比较为适宜。图 4 2ZG630 型高速插秧机Fig 4 2ZG630 type high-speed transplanter3.2.1 高速插秧机的机构分析连接平地铲的机构位于高速插秧机的后方，由两根矩形管焊接成一个H 型的连接5梁，连接平地铲后，向前拖动平地铲运动，实现土地平整作业。该梁是高速插秧机与平地铲连接的主要连接件，承受平地铲的自身重量和平整土地时产生的阻力，强度要求比较高。高速插秧机与平地铲连接的机构如图5：1- 高速插秧机，2-平地铲连接梁，3-平地铲升降调节液压缸，4-平地铲连接接头，5-平地铲连接梁，6-平地铲升降调节液压缸图 5 高
17、速插秧机与平地铲的连接机构1-High-speed transplanter，2-Connection beam，3- The hydraulic cylinder4-The ground shovel connector，5-Connection beam，6-The hydraulic cylinderFig5 High-speed transplanter flat shovel with the connecting mechanism3.2.2 高速插秧机的液压控制系统分析平地铲进行平地运动，需要两个液压缸分别对其上下高度和左右水平进行控制和调整。高速插秧机自带的液压系统能调控平地铲
18、的上下高度，其工作原理是，由激光发射器发射激光束，形成一个基准平面，高速插秧机上的激光接收器接收信号，向单片机发出指令，再由单片机控制液压缸的电磁换向阀，实现液压缸的伸缩运动，进而调节平地铲的高度15。3.3 平地铲的机构设计3.3.1 平地铲的运动分析在高速插秧机结构的基础上，设计出能够安装在图6 机构上的平地铲机构。平地铲的运动分为整体上下运动（缸1 控制）和平地铲左右水平调整运动（缸2 控制）。液压缸的运动参数，设置如表1。表1 液压缸的运动参数Table 1 Hydraulic cylinder of motion parameters缸11行程（mm）0.20.2速度（m/s ）0.
19、050.05负载（N）40649076平地铲机构的上下运动实现方式是，以平地铲连接梁的一端与高速插秧机用轴连接，以轴为圆心进行旋转，在液压缸1 的推动下，实现平地铲机构的上下运动；平地铲的水平运动实现方式是，以平地铲与夹板间的轴为圆心进行旋转，在液压缸2 的推动下，实现水平调整。根据表1 中设置的平地铲运动参数，进行平地铲的机构设计。3.3.2 平地铲的机构设计平地铲机构如图 61- 平地铲，2- 高速插秧连接平地铲的梁，3-控制平地铲升降的液压缸（缸1），4-控制平地铲水平的液压缸（缸2），5-拉杆图 6 平地铲机构的示意图1-Flat shovel，2-Connection beam，3-
20、Lift hydraulic cylinder（cylinder1）4-Level hydraulic cylinder（cylinder1），5-barsFig 6 The flat shovel institutions diagram前面已经提过，平地铲要实现两种运动，一是平地铲机构的上下运动；二是平地铲的左右水平调整。高度调整：连接平地铲机构的梁（由两根矩形钢组成）一端与载体（高速插秧机）用轴连接，可以实现旋转运动。控制平地铲升降的液压缸（缸1）一端与载体用轴连接，亦可实现旋转运动，可根据平地铲高度的不同，旋转至合适的角度。缸1 的伸缩调整平地铲机构的上下。水平调整：平地铲中间位置与夹
21、板之间用轴连接，夹板上端焊接一段长350mm的10 号（h=100mm ，b=48mm）槽钢，构成一个与平地铲垂直的支梁，在支梁与平地铲一端之间用液压缸（缸2）连接，液压缸长460mm，液压缸与支梁成45夹角，与平地铲也成45夹角。液压缸一端与支梁用轴连接，一端与平地铲用轴连接。缸2 的伸缩调整平地铲的水平。73.3.3 平地铲机构的主要参数在平地铲的初步设计过程中，发现需要平地铲的相关参数，比如平地铲的总宽、总高，平地铲的重量，以及进行平地作业时需要克服的泥土阻力等。平地铲的主要参数如表 2：表2 平地铲主要参数Table 2 Flat shovel main parameters项目 平地
22、铲宽/厚/高（mm） 平地铲重量（Kg） 1500mm 长的平地铲克服泥土阻力（N）参数3.3.43000/50/250平地铲机构的受力分析100 500高速插秧机连接平地铲的梁（如图 6 中的 2）的受力分析如图 7图 7 梁 2 的受力分析Fig7 Beam 2 stress analysis当平地铲横梁与水平面成15 夹角时，拉板与横梁的夹角为 22 ，平地铲与地面接触，同时可以进行平地作业。平地铲横梁主要有平地铲自身重力、液压缸对横梁的顶升力、拉板对横梁的拉力以及插秧机对横梁的拉力9 。液压缸作用在横梁上的顶升力在竖直方向上 分力与平地铲重力平衡，即有 F缸1 F重 1000N ；液压
23、缸作用在横梁上的水平分力 F缸 2 F缸1tan15 3732N ；平地铲在平地作业时受到泥土的阻力，使拉板承受拉力， F拉 1000N ；插秧机对横梁的拉力 F梁 在沿拉板方向的分力与拉板拉力大小相等、方向相反，在水平方向的分力与液压缸的水平分力大小相等、方向相反，可以根据矢量平移与矢量求和，求得 F梁 3956N 。4 平地铲液压控制系统的设计4.1 明确液压系统设计要求8平地铲对液压系统设计有两个要求：一是控制平地铲的上下高度；二是控制平地铲的左右水平。要使系统满足这两个要求，可以选择设计两个单杆双作用活塞式液压（缸1、缸2）分别控制的方案。缸1 控制平地铲的上下高度，缸1 的活塞杆做伸
24、出推进行程时，需克服的力 F1 伸出 包括拉回平地铲的弹簧向上的拉力、水田泥土向上的阻力、各种摩擦力等；做返回复位行程时，需克服的力 F1 缩进 包括平地铲及其附件向下的自身重力、各种摩擦力等。缸2 控制平地铲的左右水平，缸2 的活塞杆做伸出推进行程时，需克服的力 F2 伸出 包括平地铲及其附件向下的自身重力、水田泥土的阻力、各种摩擦力等；做返回复位行程时，需克服的力 F2 缩进 包括平地铲及其附件向下的自身重力、水田泥土的阻力、各种摩擦力等。4.1.1 确定液压执行元件的形式液压执行元件大体分为液压缸和液压马达。前者实现直线运动，后者完成回转运动。平地铲的两个执行元件都是需要实现直线运动，所
25、以都采用液压缸。4.1.2 选择液压缸的类型液压缸分为多种类型（如表3），平地铲的两个液压缸都采用双作用单活塞杆缸1 。表 3 液压缸的分类Table 3 Hydraulic cylinder of classification名称 说明单作用单活塞杆缸 活塞单向运动，依靠弹簧使活塞复位双作用单活塞杆缸 活塞双向运动，左、右移，动速度不等。差动连接时，可提高运动速度双出杆活塞缸单柱塞缸双柱塞缸单叶片缸双叶片缸增力液压缸增压液压缸伸缩液压缸活塞左、右运动速度相等柱塞单向运动，依靠外力使柱塞返回双柱塞双向运动输出轴摆角小于360输出轴摆角小于180当液压缸直径受到限制而长度不受限制时，可获得大的推
26、力由两种不同直径的液压缸组成，可提高B腔的压力由两层液压缸或多层液压缸组成，可增加活塞的形程4.2 液压系统的工况分析在上述工作的基础上，便可对主机工况负载分析和运动分析并编制负载和运动循环图。对于简单的机器，不必作工况分析，只需确定最大负载和最大速度点，根据经验设计。对于复杂的机器，则必须编制运动和负载循环图。平地铲的液压系统属于简单机器系统。94.2.1 液压缸负载分析及负载循环图负载分析即确定主机负载的变化规律，通常用负载-时间（F-t，T-t）或负载-位移（F-x，T-）曲线表示，称负载循环图。液压系统承受的负载可由主机规格或样机实测确定，也可由理论分析得出。当理论分析确定实际负载时，
27、应考虑工作负载、摩擦负载、惯性负载等。主机负载即液压缸负载、液压马达负载。液压缸带动主机工作结构作往复直线运动时2 ，其负载为Ft Flt F ft Fat （1）式中 Flt工作负载，N；Fft摩擦负载（摩擦阻力），N；Fat惯性负载，N。a).工作负载 Flt与主机工作性质有关，它可能是定值（如挤压过程），也可能是变值。一般情况下， Flt是时间t 的函数即 Flt ft。（1）控制平地铲升降的液压缸缸1 的受力分析：设平地铲及其附属机构总重量1000N，高速插秧机与平地铲的连接梁的最小水平角度为 15，缸1 的最小水平角度为15，此时缸 1 的受力最大，需要克服平地铲自重3864N 。缸
28、1： Fl1t 3864 N图:8 缸 1 的受力分析图Fig 8. The hydraulic cylinder 1 stress analysis（2）控制平地铲水平的液压缸缸2 的受力分析：平地铲两边的重量相互平衡，设两边平地铲总长为3000mm，一边长1500mm 克服水田泥土总阻力500N。缸2：Fl 2t 707 N。图 9 缸 2 的受力分析图Fig 9. The hydraulic cylinder 2 stress analysis10b).惯性负载 即启动或制动过程中的惯性力，即Fa ma Gugt (2)式中 m 运动部件质量， kg ；a 运动部件加速度， au /t
29、， m / s 2u 速度变化值， m / s ；t 启动或制动时间， s ；G 运动部件重量， G mg ， N ；g 重力加速度， g 10m / s 2 。（1）控制平地铲升降的液压缸缸1 的惯性负载分析：平地铲及其附属机构总重量m1 100kg ，因缸1 的运动属于点动，加速度可取 a1 1m / s 2 。由公式（2）算出缸1 的惯性负载为 Fa1 m1a1 1001N 100N 。（2）控制平地铲水平的液压缸缸2 的惯性负载分析：由图7 可知， m2 100kg ，缸2 也属于点动，加速度可取 a2 1m / s 2 。由公式（ 2）算出缸2 的惯性负载为Fa 2 m2a2 100
30、1N 100N 。c).摩擦负载 即液压缸驱动工作机构时所要克服的外部机械摩擦阻力，即nFf N i f ii1(3)式中 N i 作用在第 i 个支承面（如导轨面）上的法向力， Nfi 第 i 个支承面的摩擦因数； fi 与润滑条件、支承面类型、材料及运动状态有关，可从有关手册中查出。（1）控制平地铲升降的液压缸缸1 的摩擦负载分析：设 F f 1 100N 。（2）控制平地铲水平的液压缸缸 2 的摩擦负载分析：设 Ff 2 100N 。最后由公式（1）算出控制平地铲升降的液压缸缸1 的负载：F1t Fl1t Ff 1t Fa1t 3864 100 100N 4064N由公式（1）算出控制平
31、地铲水平的液压缸缸2 的负载：F2t Fl 2t Ff 2t Fa 2t 707 100 100N 907 N执行元件的内部摩擦力，详细计算比较繁琐，一般将它算在液压缸的机械效率 m 中11考虑，通常可取 m 0.90 0.97 。由上述各工况的负载与其相应时间或位移关系，便可绘制负载循环图F-t 或F-x。图10 为一部机器的液压缸负载循环图，其中：O-t1：启动过程；t1-t2：加速过程；t2-t3：匀速过程；t3-t4：制动过程。F-t 图清楚地表示了在循环内的负载变化规律。最大负载是初选液压缸工作压力和确定其结构尺寸的依据。图 10 液压缸负载循环图Fig10. Hydraulic c
32、ylinder of load circulation chart4.2.2 运动分析及运动循环图运动分析就是研究案预定工艺要求，执行元件以何种运动规律完成一个工作循环。为此必须绘制位移-时间循环图（x-t）、速度-时间循环图（ u-t）或速度-位移循环图（u-x）。某液压缸的x-t 图和u-t 图如图11（a ）、（b）所示。绘制u-t 图的目的是为了计算液压缸的惯性负载并进而绘制出负载循环图，某液压缸惯性负载循环图Fa-t 如图11（c）所示。绘制速度-负载图往往与绘制负载循环图同时进行，如图10 所示。对于多执行元件的系统，可根据速度循环图和负载循环图来调节各执行元件的动作时间及速度，使
33、系统最为经济合理。12a)x-t 图 b） u-t 图 c）a-t 图或 Fa-t 图图 11 工况分析图(a)x - t figure (b) u - t figure (c) a - t figure or Fa - t figureFig 11 On the analysis of the working condition drawing4.3 液压系统主要参数的确定压力和流量是液压系统的两个重要参数，是计算和选择液压元件、辅助元件和原动机规格型号的依据。系统压力选定后，液压缸尺寸或液压马达的排量可由其负载确定；液压缸速度一经确定，据此进一步初定液压泵的压力和流量。4.3.1 初选系统
34、压力目前初选液压系统的工作压力主要是经验法；一般根据机器的类型选择工作压力。表4 为几类主机的液压系统常用压力，可设计时参考。缸1 的负载为4064N ，缸2 的负载为907N，初选系统压力为 P1 1MPa ， P2 1MPa 。表4. 几类主机的液压系统常用压力Table 4 Several types of the host hydraulic system commonly used pressure负载 F / KN 5 510 1020 2030 3050 50工作压力 P / MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 54.3.2 确定执行元件容量执行元件的容量即液压缸尺
35、寸，这是执行元件的主要参数，对执行元件的刚度和承载能力有直接影响。通常做法是先按最大负载 Fmax 及执行元件的估计机械效率 m 和选定的工作压力p 计算液压缸的有效工作面积A，再进行速度稳定性检验。a）液压缸的有效工作面积为A Fmaxm p(4)式中 A 液压缸的有效工作面积， m 2 ；13Fmax 液压缸最大负载， N ；m 机械效率，一般取 m 0.90 0.97 ；P 液压缸工作压力（已初步选定，计算时可不考虑回液腔压力）， Pa 。（1）由公式（4）算出缸 1 的有效工作面积为：1 Fmax 1m1 p1 40640.91106 4.52103 m 2由式 1 D 24 3.14
36、 D 24 4.25103 m 2 ，得活塞直径 D1 76mm ，根据表5，圆整为 D1 80mm ，进而求出1 D 24 3.14 8024 5024mm 2 5.024103 m 2（2）由公式（4）算出缸 2 的有效工作面积为： 2 Fmax 2m 2 p2 9070.9110 6 1.01103 m 2由公式 2 D 24 3.14 D 24 1.01103 m 2 ,得活塞直径 D2 36mm ,根据表5，圆整为D2 40mm ，进而求出 2 D 24 3.14 4024 1256mm 2 1.256103 m 2表 5 常用液压缸内径 DTable 5 Commonly used
37、 hydraulic cylinder diameter D常用液压缸内径系列 mm4012550140631608018090200100220110250b）计算流量 QQ Av式中 A液压缸有效工作面积， m 2 ；v活塞与缸体的相对速度， m / s 。（1）对缸1：1 5.02410 3 m 2 , v1max 5102 m / s ,由公式（5）算出Q1max1v1max 5.024103 5102 2.512104 m3 / s 251.2ml / s14(5)（2）对缸2： 2 1.25610 3 m 2 , v2 max 5102 m / s ,由公式（5）算出Q2 max
38、A2v2 max 1.256103 5102 6.28105 m 2 / s 62.8ml / s综合以上计算得出：（1）缸1 的内径选择 80mm ；缸2 的内径选择 40mm 。 P1 P2 1MPa 。（2）参照表 6， P1 P2 1MPa ,算出缸 1 活塞杆的直径 d1 40mm ， d 2 20mm 。表 6.按工作压力选取 d/DTable 6 According to the working pressure selection d/D工作压力 MPad / D5.00.50.555.07.00.620.707.00.7（3）缸1 和缸2 均采用非标准件，行程均为 200mm
39、 。（4）最终确定液压缸的型号CDL1-80/40-200 和CDL1-40/20-200。4.3.3 绘制执行元件工况图执行元件工况图的依据是压力循环图（p-t）、流量循环图（ Q-t）和功率循环图（P-t）绘制的。根据负载循环图（F-t）,将相应负载除以液压缸面积A ，可绘制出压力循环图（p-t）。同样根据速度循环图（u-t），将各阶段速度乘以A，即可绘制出流量循环图（Q-t），再根据P=pQ 可绘制功率讯画图（P-t）。执行元件工况图是选择液压系统中其他液压元件和液压基本回路的依据，也是拟定液压系统图的依据，原因如下：（1）通过工况分析，找出最高压力点、最大流量和最大功率点，作为选择液压
40、泵、控制阀及原动机的形式和规格的依据。（2）利用工况图，验算各工况选定参数的合理性，以便进行合理调整。在分析液压缸系统时，当安装循环图要求叠加起来的功率图，其最大功率互相“重合” 、功率分布很不均衡时，可在工艺允许的条件下，适当调整参数，避开或消减功率“高峰” ，增加功率利用的合理性，提高整个系统的效率。另外可将所设计的工况图与调研来的各方案的工况图进行分析比较，以便借鉴和修改原设计的参数，使系统设计更加合理和经济。（3）通过工况图的分析，可合理选择系统的主回路和其他回路及液压源形式。例如在Q-t 图中，若Qmax 与Q min相差甚大（最大可达几十倍），而相应的时间相差也较大，对于这种系统，
41、其供液回路，既不适宜采用单定量泵，也不适宜采用蓄能器加单定量泵，而适宜采用“ 大小泵”双泵供液回路。相反，尽管 Qmax与Q min相差较大，但相应时间相差不大，则适宜采用蓄能器辅助供液回路。这时液压泵的流量按平均值选择。4.4 拟定液压系统原理图液压系统图是表示液压系统组成与工作原理的图形符号，确定液压系统方案和拟15定液压系统图是液压系统设计的关键。拟定一份比较完善的液压系统，必须对各种基本回路、典型液压系统有全面的了解，借鉴和参考同类液压系统的设计是非常重要的。拟定液压系统草图时应考虑如下问题。4.4.1 主回路设计主回路是液压系统的主干回路。主回路的多少与形式应该根据主机动作与性能选择
42、。对往复直线运动，采用液压泵液压缸回路，并优先选择单缸活塞式液压缸，而平地铲采用的是两个单杆双作用活塞式液压缸。拟定主回路后，再逐步添加其他辅助回路或元件（如控制右路、润滑油路及滤油器，压力表及测压点分布等），这样可组成一个完整的液压系统。4.4.2 确定调速方案液压系统的原动机不同，调速方式也不同。机床和压力机等以电动机为原动机，通常采用液压调速；变频调速是通过电动机的电频率来调节液压泵转速的，电动机变频调速适用于大功率机械；以内燃机为原动机的工程和农业机械可采用控制油门调速，也可采用液压调速。油门调速是通过调节发动机油门大小来调节液压泵的转速的。对速度变化范围大、负载变化小的系统，宜采用双
43、泵调速。平地铲液压控制系统宜采用油门调速。4.4.3 压力控制回路压力控制回路有多种，变量泵系统常使用溢流阀构成恒压（调压）阀回路，同时要考虑的卸载回路，提高回路效率；容积调速和容积调速回路，若是使用安全阀限制回路最高工作压力，溢流阀动作要灵敏；执行元件较多，而工作压力要求不同时，应设置减压回路，提升重物的回路要设置平衡阀等。平地铲的液压控制系统采用定量泵配溢流阀的压力控制回路的。4.4.4 防止液压冲击执行元件的速度、方向和负载的突然变化，往往会发生液压冲击。使用蓄能器和设计缓冲回路是防止液压冲击的有效方法。延长换向时间，可有效避免液压冲击。平地铲的液压系统采用了该种方案。4.4.5 防止系
44、统过热对中、低压液压系统，溢流和节流损失是发热的主要原因，对高压大功率的液压系统，串联在回路中的液压阀及油管、接头是发热的主要原因。回路的压力适当、功率匹配设计是减少发热和提高效率的根本方法。另外对于经常制动、停车和保压的系统，要设计卸载回路。对于大功率回路尽量减少串联液压元件，油箱要有足够的散热16面积，必要时需设计冷却回路。4.4.6 安全问题确保系统的安全可靠、确保操作人员的安全是最重要的，所以液压系统的设计要体现以人为本的理念。例如，为防止工件部位漂移、下滑。超速，应该设置锁紧、平衡、限速回路；为防止操作人员失误和液压元件的失灵而产生错误动作，应设置错误防止回路。在特别重要的场合下，应
45、设计沉余系统，确保系统连续安全可靠地工作。平地铲采用单向阀作为保压部件。4.4.7 其他问题液压系统的回路应避免回路之间的相互干扰，回路设计应力求简单，尽量采用标准液压元件。压力、温度和液位观测点的设置要便捷，考虑安装和检修方便等。根据以上思路，设计液压原理图如下：回路说明：(1) 平地铲液压系统分为两条分回路，一条控制升降（液压缸 1）的运动，一条控制水平（液压缸 2）的运动；(2) 升降控制回路的升回路：油箱过滤器齿轮泵液控单向阀节流阀三位四通电磁换向阀调速阀液压缸 1 左腔液压缸 1 右缸三位四通电磁换向阀油箱；(3) 升降控制回路的降回路：油箱过滤器齿轮泵液控单向阀节流阀三位四通电磁换
46、向阀液压缸 1 右腔液压缸 1 左缸调速阀三位四通电磁换向阀油箱；(4) 水平控制回路的正回路：油箱过滤器齿轮泵液控单向阀节流阀三位四通电磁换向阀调速阀液压缸 2 左腔液压缸 2 右缸三位四通电磁换向阀油箱；(5) 水平控制回路的反回路：油箱过滤器齿轮泵液控单向阀节流阀三位四通电磁换向阀液压缸 2 右腔液压缸 2 左腔调速阀三位四通电磁磁换向阀油箱；171控制平地铲升降的液压缸， 2控制平地铲水平的液压缸，3调速阀，4三位四通电磁换向阀，5节流阀，6液控单向阀，7溢流阀， 8齿轮泵， 9过滤器， 10油箱， 11油管图 12 液压回路草图1-Lift hydraulic cylinder, 2
47、-Level hydraulic cylinder3-Speed control valve,4-Three stone electromagnetic reversing valves5-Throttle valve, 6-Hydraulic controlled one-way7-Relief valve,8-Gear pump,9-Filter,10-Tank,11-TubingFig12. Hydraulic loop sketches4.5 液压系统的计算和选择液压元件4.5.1 液压泵的选择（1）工作压力的选择液压泵的工作压力为pB P1Pi （6）式中 P1执行元件入口处最大压力， Pa ;Pi 主回路压力损失之和，对管路简单流速不大的，取 Pi0.2 0.5MPa ，对管路复杂，进口有节流调速，取 Pi0.5 1.5MPa 。由公式（6）算出 pB p1pi 1 0.5MPa 1.5MPa（2）流量的选择液压泵的最大流量为18QB max K ( Q) max （7）式中 K 系统泄漏系数， K 1.1 1.3 ，大流量取小值，小流量取大值；QB max 液压泵最大流量（ QB max 取值要规范化）， l / min ；( Q) max 同时作用的执行元件所需要流量最大值， l / min 。由公式（7）算出QB max K ( Q) max
