页数：214页文件大小：2.96 MB来源： 液压与气压传动ppt课件
本课件可查阅液压与气动传动系统的设计步骤与计算方法，含工况分析、执行元件参数确定、系统方案拟定与元件选型，液压系统设计计算举例，以及气动程序控制系统设计中的信号—动作状态线图绘制、障碍信号判别与消除方法。
本章主要内容：8.1概述8.2液压系统设计与计算8.3液压系统设计计算举例8.4气动程序控制系统设计
学习典型液气压系统设计实例；掌握液气压系统设计的一般步骤、注意事项、设计计算方法；了解可编程序控制器在气动系统中的应用。多气缸单往复程序控制系统的设计；信号——动作（X-D）状态线图的画法；根据X-D状态线图判别障碍信号并消除之；多气缸多往复程序控制系统的设计；气动系统中的常用电气电路。
要求：系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。出发点：可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两观点不同程度的组合，视具体要求不同而有所侧重。
液压系统设计与计算液压传动系统的设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，常常随着系统的繁简、借鉴的多寡、设计人员经验的不同而在具体做法上有所差异。
液压传动系统的一般设计流程实际设计工作中，大体上可按所示的内容和流程来进行。这里除了最后一项外全部属于性能设计的范围。这些步骤是相互关联的，常须穿插进行，并经反复修改才能逐步完成。
（3）液压系统的工作环境与条件1）周围介质、环境温度、湿度大小、风砂与尘埃情况、外界冲击振动等。2）防火与防爆要求。（4）经济性与成本等方面的要求
2.负载特性分析负载特性分析是拟定液压系统方案、选择或设计液压元件的依据。包括：动力参数分析和运动参数分析两部分。液压系统承受的负载可由主机的规格规定，可由样机通过实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有的组成项目，例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、质量等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、背压力）等。
此外必须注意负载的性质：是单向负载还是双向负载，是恒定负载还是变化负载；是否存在负值负载，是否有与液压缸轴线不重合的负载。
对于复杂的液压系统，尤其是有多个液压执行元件同时动作的系统，通过动力参数分析，绘制出如所示的负载图，以确定系统工作压力；通过运动参数分析，绘制出如所示的速度图，以选定系统所需流量。图8-2液压系统执行元件的负载图和速度图a）负载图b）速度图同时，根据系统负载图和速度图，可以绘制出液压系统的功率图，从中确定液压系统所需的功率。设计简单的液压系统时，负载图和速度图均可省略不画。
计算
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1.动力参数分析动力参数分析就是通过计算确定各液压执行元件的载荷大小和方向，并分析各执行元件在工作过程中可能产生的冲击、振动及过载等情况。液压缸的外负载力F和液压马达的外负载转矩T可按计算。根据计算所得的外负载就可绘制出上述负载图。
2.运动参数分析运动参数分析就是研究主机依据工艺要求应以何种运动规律完成一个工作循环，即研究运动的形式（是平移、回转或摆动）、运动的速度大小和变化范围、运动行程长短、运动变化规律（循环过程与周期）等。依据这些分析就可作出上述速度图。
液压缸的外负载力F及液压马达
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液压缸的外负载力F及液压马达的外负载转矩T计算公式±Fg+Fnfd+±Tg+Fnfdr+±Fg+Fnfd+m±Fg+Fnfd-m±Tg+Fnfdr-备注F/N、T/（N·m）工况Fg、Tg——外负载，其前负号指负值负截Fn——法向力r——回转半径fs、fd——分别为外负载与支承面间的静、动摩擦因数，表8-2m、I——分别为运动部件的质量及转动惯量Δv、Δω——分别为运动部件的速度、角速度变化量Δt——加速或减速时间，一般机械Δt=0.1~0.5s磨床取Δt=0.01~0.05s行走机械Δv/Δt=0.5~1.5m/s2B＇、B——粘性阻尼系数v、ω——分别为运动部件的速度及角速度k——弹性元件的刚度kg——弹性元件的扭转刚度S——弹性元件的线位移θ——弹性元件的角位移Fb——回油背压阻力，Fb=p2A，p2为背压压力见表8-3Tb——排油腔的背压转矩，Tb=pbV/(2π),其中V为液压马达排量，为背压压力，见起动±Tg±Fnfsr+Bω±kgθ加速匀速±Tg+Fnfdr+Bω+kgθ+Tb制动
摩擦因数摩擦因数运动状态导轨
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摩擦因数摩擦因数运动状态导轨材料导轨类型0.15~0.20.1~0.120.05~0.08起动时低速（v<0.16m/s）高速（v>0.16m/s）铸铁对铸铁滑动导轨0.005~0.020.003~0.006铸铁对滚柱（珠）淬火钢导轨对滚柱滚动导轨0.0005铸铁静压导轨背压压力背压压力/MPa系统类型背压压力/MPa系统类型1~1.5采用辅助泵补油的闭式油路系统0.2~0.5中低压系统或轻载节流调速系统1.2~3采用多路阀的复杂的中高压系统（工程机械）0.5~1.5回油路带调速阀或背压阀的系统
液压执行元件形式的选择适用场
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1.执行元件形式的分析与选择液压系统采用的执行元件的形式，视主机所要实现的运动种类和性质而定，可按来选择。
表8-4液压执行元件形式的选择适用场合特点执行元件运动形式双向工作的往复运动双向对称双活塞杆液压缸短行程往复直线运动往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A1=2A2往返速度相等有效工作面积大、双向不对称单活塞杆液压缸单向工作，靠重力或其他外力返回，长行程直线运动结构简单柱塞缸长行程双向工作的往复运动，长行程直线运动结构复杂液压马达与齿轮齿条液压马达与丝杆螺母
适用场合特点执行元件运动形式高转速，低扭矩的旋转运动结构简单、价格便宜齿轮马达高速旋转运动高速低扭矩，动作灵敏的旋转运动体积小，转动惯量小叶片马达低速、小功率、大扭矩的旋转运动体积小，输出转矩大摆线齿轮马达低速大扭矩旋转运动运动平衡、转矩大、转速范围宽轴向柱塞马达低速大扭矩旋转运动转速低，结构复杂，输出转矩大径向柱塞马达低速旋转运动转速低，结构复杂，输出转矩与减速比有关高速马达与减速机构小于300°的摆动运动小于150°的摆动运动单叶片式转角小于300°双叶片式转角小于150°摆动马达往复摆动注：A1—无杆腔活塞面积；
A2—有杆腔活塞面积。
开式系统与闭式系统的比较
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2.油路循环方式的分析与选择液压系统油路循环方式为开式和闭式两种，它们各自的特点及其相互比较见表8-5。
表8-5开式系统与闭式系统的比较闭式系统开式系统内容较复杂，须用辅助泵换油冷却较方便，但油箱较大散热条件较好，但油液过滤要求较高较差，但可采用压力油箱或油箱呼吸器来改善抗污染性管路压力损失较小，容积调速时效率较高管路压力损失较大，用节流调速时效率低系统效率液压泵由电动机驱动时，限速及制动过程中驱动电机能向电网输电，回收部分能量，即是再生限速（可省去平衡）及再生制动用平衡阀进行能耗限速，用制动阀进行能耗制动，引起油液发热限速、制动形式对泵的自吸性能要求低对泵的自吸性能要求高其他
油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。一般说来，凡备有较大空间可以存放油箱且不需另设散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统、采用节流调速或容积－节流调速的系统，均宜采用开式系统。例如，泵向多个液压执行元件供油且功率较小的机器（如组合机床、磨床等）、内燃机驱动的机器（如铲车、高空作业车、液压汽车起重机、装载机及挖掘机等）以及固定机械。
凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求的系统、采用容积调速的系统，都宜采用闭式系统。例如，外负载惯性大且换向频繁的机构（如一些起重机的旋转、运行机构及龙门刨床、拉床的工作台等）、重力下降机构（如不平衡类型的起升、动臂摆动机构等）、要求结构特别紧凑的运动式机械（如液压汽车平板车、拖拉机、矿车及飞机等）。大型货轮的舵机、工程船舶调距桨等系统也常用闭式系统。
3.开式系统油路组合方式的分析与选择当系统有多个液压执行元件时，开式系统按油路的不同连接方式，分为串联、并联、独联以及它们的组合——复联等。串联串联连接串联方式除第一个液压执行元件的进油口和最后一个执行元件的回油口分别与液压泵和油箱连接外，其余液压执行元件的进、出口依次相连，如所示。特点：多个液压执行元件同时动作时，其运动速度不随外负载而变，故轻载时可多个液压执行元件同时动作；
但液压泵的压力负担重，受原动机功率限制，故重载时不宜多个液压执行元件同时动作。另外，系统的压力损失也较大。串联连接方式适用于中小型工程机械液压系统、单泵供油的需保证行走直线性的工程机械。
并联并联连接在并联连接方式中，液压泵与所有液压执行元件的进油口相连，而其回油口都接油箱，如所示。特点：多个液压执行元件同时动作时，负载小的液压执行元件的速度会增大；但液压泵的压力负担轻，为任一液压执行元件的负载压力与其相应回路的压力损失之和。并联连接方式适用于多个液压执行元件不要求同时动作；或要求同时动作但功率较小、或工作时间较短的，如机床、机械手等；也常用于大型工程机械的双液压泵双回路系统。
优点：能防止因换向阀误操作而引起的事故或超载。
适用于要求多个液压执行元件能逐个可靠动作的场合。
并联—独联这种连接方式兼有并联和独联两者的特点，适用于一个液压泵向多种作业装置供油的系统。例如中挖掘机和装载机共用一个液压泵，阀A控制挖掘机的液压执行元件，阀B控制装载机的液压执行元件，当系统在进行挖掘作业时即使误操作多路阀B，也不会使装载作业的机构动作。图8-6并联—独联的复合连接并联和独联复合连接时，由多路阀A控制的几个液压执行元件是并联连接的；由多路阀B控制的几个液压执行元件也是并联连接的。
而多路阀A、B分别控制的液压执行元件间则是相独联的，见图8-6。
串联—独联这种连接方式兼有串联、独联两者的特点，操作的互锁性能更好，常用于中小型汽车起重机和高空作业车的液压系统中。图8-7串联—独联连接串联和独联复合连接时，由多路阀A控制的几个液压执行元件是串联的；由多路阀B控制的几个液压执行元件也是串联的。而阀A、B分别控制的液压执行元件间则是独联的，见图8-7。
进行分析比较
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5.调速方案的分析与选择调速方案对主机主要性能起决定性的作用。选择调速方案时，应依据液压执行元件的负载特性和调速范围以及经济性等因素，参考进行分析比较，最后选出合适的调速方案。调速方案与油路循环方式、液压泵和液压执行元件的类型等密切相关。由它们构成的系统主回路的应用实例列于附录C，可供选择调速方案时参考。
三种调速回路主要性能比较容积
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三种调速回路主要性能比较容积节流调速回路容积调速回路节流调速回路主要性能功率适应流量适应变量泵定量马达带压力补偿阀的节流调速回路简式节流调速回路调速阀在旁油路及溢流节流调速回路调速阀在进油路旁路节流进油节流及回油节流好较好好很差差速度刚度负载特性好较好好较差好承载能力大较大大小大调速范围高较高最高较低低较低低效率功率特性小较小最小较大大较大大发热最高高较低低成本负载变化较大、速度刚度要大的大中功率的中、高压系统负载变化小、速度刚度要大的中小功率、中压系统大功率、高速、中、高压系统小功率、轻载或低速的中、低压系统及工程机械的非经常性调速场合适用范围
选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图，从众多成熟的方案中（参见第六章和有关设计手册）经过分析、评比挑选出来的。
（1）选择系统一般都必须设置的基本回路通常液压系统都必须设置调压回路、调速回路、换向回路、卸荷回路及安全回路等。（2）根据系统负载性质选择基本回路液压执行元件存在外负载对系统作功的工况（例如有垂直运动部件的系统）时，要设置平衡回路，以防止外负载使液压执行元件超速运动。在外负载惯性较大的系统中，为防止产生液压冲击，要设置制动回路。
对有快速运动部件的系统或要求精确换向的系统，要设置减速回路或缓冲回路，等等。（3）根据系统特殊要求选择基本回路如有多个液压执行元件的系统，根据需要设置顺序回路、同步回路或互不干扰回路。有些系统还要设置速度换接回路、增速回路、增压回路、锁紧回路等。对液压机而言，释压回路是必不可少的。对闭式系统而言，必须有补油冷却回路。选择液压回路一般可按如下步骤进行：
液压系统原理图的拟定选定执行元件、油源类型、调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，并对回路进行归并和整理，就可将液压回路合成为液压系统。系统合成时，应考虑以下几个问题：1）这个系统能否完满地实现所要求的各项功能？是否要进行补充或修正？2）有无多余或重复的元件和油路可以去掉或合并？3）各液压回路之间是否会产生干扰？
4）系统会不会产生液压冲击？有没有防止液压冲击的措施？
液压执行元件的工作压力可以根据负载图中的最大负载来选取，见表8-7；
也可以根据主机的类型来选取，见表8-8。
最大流量则由液压执行元件速度图中的最大速度计算出来。
工作压力和最大流量的确定都与液压执行元件的结构参数（指液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量VM）有关。
按负载选择液压执行元件的工作
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按负载选择液压执行元件的工作压力（适用于中、低压液压系统）>5030~5020~3010~205~10<5载荷/kN≥5~74~53~42.5~31.5~2<0.8~1工作压力/MPa表8-8按主机类型选择液压执行元件的工作压力船用系统工程机械重型机械锻压设备液压支架等农业机械汽车工业小型工程机械及辅助机构机床设备类型拉床龙门刨床珩磨机床车床铣床镗床组合机床齿轮加工机床牛头创床插床磨床14~2516~3210~16<102~52~4<6.3≤1.2工作压力/MPa
一般的做法是先选定液压执行元件的类型及其工作压力p，再按最大负载和预估的液压执行元件的机械效率求出A或者VM，并通过各种必要的验算、修正和圆整成标准值后定下这些结构参数，最后再算出最大流量qmax来。
有些主机（例如机床）的液压系统对液压执行元件的最低稳定速度有较高的要求，这时所确定的液压执行元件的结构参数A或VM还必须符合下述条件：液压缸（8-1）液压马达式中，qmin为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量，由产品性能表查出。
执行元件的工况图液压系统执行元件的工况图是在液压执行元件结构参数确定之后，根据主机工作循环，算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率之后作出的，见图8-8。工况图显示液压系统在实现整个工作循环时三个参数的变化情况。当系统中有多个液压执行元件时，其工况图应是各个执行元件工况图的综合。
和表8-10
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液压执行元件的设计计算与选用1.液压缸的设计计算液压缸的主要技术参数及所需流量计算公式见表8-9，计算公式中所需数据分别见和表8-10。液压缸空载起动压力及效率见表8-10。
液压缸的主要技术参数及理论流
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液压缸的主要技术参数及理论流量计算公式备注液压缸最大理论流量qmax液压缸的几何参数A1、A2图类型F——缸的最大外负载p1——缸最大工作压力p2——缸的背压见表8-3pmin——缸空载起动压力见表8-10ηm——缸的机械效率，见表8-10φ——缸往返速比(差动连接时φ=A1/A2）A1——缸无杆腔有效面积A2——缸有杆腔有效面积qmax=A1vmaxp1=(F+p2A2+pminA1)/A1A2=F/[(p1-pmin)φ-p2]p1=[(F/ηm)+p2A2]/A1A2=F/[ηm(p1-p2)]A1=φA2单活塞杆缸qmax=A2vmaxp1=(F+p2A1+pminA2)/A2A2=F/[(p1-pmin-p2φ)]p1=[(F/ηm)+p2A1]/A2A2=F/[ηm(p1-p2φ)]A1=φA2qmax=(A1–A2)vmax差动：p1=(F+pminA2)/(A1-A2)A2=F/[(p1-(φ-1)-pmin]p1=F/[ηm(A1-A2)]A2=F/[ηmp1(φ-1)]单活塞杆缸qmax=A2vmaxp1=(F/A2)+p2+pminA2=F/(p1-p2-pmin)p1=(F/A2ηm)+p2A2=F/[ηm(p1-p2)]A1=A2双活塞杆缸
液压缸空载起动压力及效率ηm
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液压缸空载起动压力及效率ηmpmin/MPa活塞密封圈形式0.960.3O、L、U、X、Y0.940.5V0.9850.1活塞环密封注：活塞杆密封圈也采用V形时，表中值要增大50%
查得
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2.液压马达的计算与选择液压马达的排量:V=2πT/（p1-p2）ηm（8-2）式中T——液压马达外负载转矩；p1——液压马达最高工作压力；p2——液压马达的背压，由查得；ηm——液压马达的机械效率，叶片马达取0.80~0.90；齿轮马达取0.85~0.95；轴向柱塞马达取0.92~0.99低速马达取0.93~0.96。
液压马达最大理论流量:qmax=Vnmax（8-3）式中V——液压马达的排量；nmax——液压马达的最高转速。由以上计算所得的液压缸活塞直径D、活塞杆直径d，液压马达的排量V都需要按照有关标准圆整成标准值。然后，液压缸可按D、d、L（活塞行程）和工作压力选择标准产品或定做；而液压马达则可根据其工作压力、转速和排量选择合适的液压马达产品。
液压能源装置设计液压能源装置是液压系统的重要组成部分。通常有两种形式：一种是液压装置与主机分离的液压泵站；一种是液压装置与主机合为一体的液压泵组（包括单个液压泵）。1.液压泵站的类型及其组件的选择液压泵站的类型如所示。上置式液压泵站（见图8-9）结构紧凑，占地小，被广泛应用于中、小功率液压系统中。
非上置式液压泵站（见图8-10）的液压泵组置于油箱液面以下，有效地改善了液压泵的吸入性能，且装置高度低，便于维修，适用于功率较大的液压系统。上置式与非上置式液压泵站的比较见表8-12。
液压泵站的类型
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液压泵站的类型
上置式液压泵站a）立式液压泵站1—电动机2—联轴器3—油箱4—液压泵b）卧式液压泵站1—油箱2—电动机3—液压泵
整体式液压泵站a）旁置式b）下置式1—油箱2—电动机3—液压泵4—过滤器
上置式与非上置式液压泵站的比
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上置式与非上置式液压泵站的比较非上置式上置卧式上置立式项目小较大振动较大小占地面积容易较麻烦清洗油箱好一般泵浸在油中，吸油条件好噪声低，泵的散热条件差，维修不方便液压泵工作条件1.泵与电动机有同轴度要求2.吸油管与泵的联接处密封要求严格1.泵与电动机有同轴度要求2.应考虑液压泵的吸油高度3.吸油管与泵的联接处密封要求严格泵与电动机有同轴度要求对液压泵安装的要求较大型液压泵站中、小型液压泵站中、小型液压泵站应用
柜式液压泵站是将液压泵组和油箱整体置于封闭的柜体内。这种液压泵站一般都将显示仪表和电控按钮布置在面板上，外形整齐美观；又因液压泵体被封闭在柜体内，故不易受外界污染，但维修不大方便，热散条件较差，且一般需设有冷却装置。另外，在工作时液压泵和管道的振动会引起柜体和面板的振动，噪声很大。因此，通常仅被应用于中、小功率的系统。
就液压泵站的规模而言，单机型液压泵站规模较小，通常将控制阀组一并置于油箱面板上，组成较完整的液压系统总成，这种液压泵站应用较广。机组型液压泵站是一个或多个控制阀组集中安装在一个或几个专用阀台上，然后两端与液压泵组和液压执行元件相连接，这种液压泵站适用于中等规模的液压系统中。
中央型液压泵站常被安置在地下室内，以利于安装配管、降低噪声，保持稳定的环境温度和清洁度，这种液压泵站规模最大，适用于大型液压系统，如轧钢设备的液压系统中。根据上述分析，按系统的工作特点选择合适的液压泵站类型。
液压泵站组件的选择液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件、蓄能器组件和温控组件等组成。应根据系统的实际需要，经深入分析计算后加以选择、组合。液压泵组由液压泵、原动机、联轴器、底座及管路附件等组成，输出所需压力和流量的工作介质。油箱组件由油箱、面板、空气过滤器、液位显示器等组成，用以储存系统所需的工作介质，散发系统工作时产生的一部分热量，分离介质中的气体并沉淀污物。
过滤器组件是保持工作介质清洁度必备的辅件，可根据系统介质清洁度的不同要求，设置不同等级的粗过滤器、精过滤器。蓄能器组件通常由蓄能器、控制装置、支承台架等部件组成。它可用于储存能量、吸收流量脉动、缓和压力冲击，故应按系统的需求而设置，并计算其合理的容量（见第二章第四节），然后选用之。温控组件由传感器和温控仪组成。
当液压系统自身的热平衡不能使工作介质处于合适的温度范围内时，应设置温控组件，以控制加热器和冷却器，使介质温度始终工作在设定的范围内。根据主机的要求、工作条件和环境条件，设计出与工况相适应的液压泵站方案后，就可计算液压泵站中主要元件的工作参数。
2.液压泵的计算与选择（8-4）液压泵的最大工作压力pp为：式中p——液压执行元件工作腔的最大工作压力：ΣΔp——从液压泵出口到液压执行元件入口处的总管路损失；ΣΔp=ΣΔpλ+ΣΔpζ+ΣΔpVΣΔpλ——进油路上管中的总沿程损失；ΣΔpζ——进油路上管路的总局部损失；ΣΔpV——进油路上阀的总压力损失。ΣΔp的准确计算须在选定液压元件并绘制出管路布置图后才能进行。
初算时，可按经验数据选取：当管路简单或有节流阀调速时，取ΣΔp=0.2~0.5MPa；当管路复杂或有调速阀调速时，取ΣΔp=0.5~1.5MPa。
单个液压泵和单个液压执行元件的系统（8-5）式中qp——液压泵的流量；KL——考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，通常取KL=1.1~1.3；qmax——液压执行元件所需最大流量：对于液压缸，qmax=Avmax，其中A为液压缸有效工作面积，vmax为液压缸最大输出速度；对于液压马达，qmax=Vnmax，其中V为液压马达排量nmax为液压马达最大输出转速。
单个液压泵和多个液压执行元件的系统（8-6）式中（Σqi）max——多个液压执行元件同时工作时所需的最大流量。该值可从液压执行元件工况图中查得。差动回路系统（8-7）式中Ad——液压缸活塞杆面积。
采用蓄能器作辅助能源的系统（8-8）式中Vi——每个液压执行元件在一个工作周期中总耗液量；T——系统工作周期；n——液压执行元件数量。根据液压泵的最大工作压力pp选择液压泵的类型，根据液压泵的流量确定液压泵的规格。在参照产品样本或技术手册选取液压泵时，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力pp高20%~60%，以留有压力储备；额定流量则只须选得满足上述最大流量qmax需要即可。
选取
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液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电动机的功率一般可以直接从产品样本或技术手册中查到，但其数值在实际使用中往往偏大。因此，也可以根据具体工况用下述方法计算出来。当液压执行元件的工况图曲线比较平稳时，电动机功率：（8-9）式中Δpp——液压泵的进、出口压力之差，对于开式系统即为液压泵的最大工作压力pp；qp——液压泵的实际流量；ηp——液压泵的总效率。初算时，可按选取。
8-13液压泵的总效率螺杆泵柱塞泵叶片泵齿轮泵液压泵类型0.65~0.80.8~0.850.6~0.750.6~0.7总效率
当液压执行元件的工况图曲线变化较大时，电动机功率：（8-10）式中Pi——整个工作周期中第i动作阶段内所需的功率；ti——整个工作周期中第i动作所需的时间；n——整个工作周期中需用功率的阶段数。按式（8-10）计算得到电动机功率后，还应验算每个阶段内电动机的超载量是否在允许范围内。一般电动机允许的短期超载量为25%。
限压式变量叶片泵驱动电动机的功率Pp可按液压泵的流量—压力特性曲线拐点处的流量qc和压力pc计算。一般情况下，可以qc=qn和pc=0.8pp代入式（8-9）得到。qn和pp分别变量泵的额定流量和最大工作压力。
3.油箱的设计与计算油箱容积的计算初步设计时，油箱的有效容积可按经验公式（2-19）确定；或根据油箱允许的温升和系统的功率，利用所示的图表查得。（2-19）图2-28油箱容量确定图油箱设计完成后，还应按散热要求验算油箱的容积。
4.过滤器的选择选择过滤器时，主要考虑过滤器的通流能力、过滤精度和承压能力。过滤器的通流能力，一般应为液压泵流量的两倍以上。过滤器的过滤精度，主要取决于液压系统所用元件的类型、系统工作压力的高低以及过滤器的安装位置。过滤器的承压能力与过滤器的结构形式、滤心材质等有关。
液压系统压力对过滤精度要求
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液压元件的过滤精度要求（单位：μm）过滤精度元件类型过滤精度元件类型10~1510105调速阀比例阀低增益伺服阀高增益伺服阀5030205010~15齿轮泵、齿轮马达叶片泵、叶片马达柱塞泵、柱塞马达液压缸溢流阀液压系统压力对过滤精度要求（单位：μm）伺服系统一般系统系统压力/MPa21>3514~35<4<5<1010~2520~50过滤精度安装部位对过滤精度要求（单位：μm）回油管路压力管路液压泵吸入口安装部位高压中高压中低压低压50~10010~1515~2520~4030~5080~120过滤精度
式中kv——粘度变换系数。（8-11）v和v’分别为实际工作介质的粘度和试验介质标准粘度（一般为32mm2/s）。3）根据标准粘度下的流量值、过滤精度以及给定的极限压差，从产品的压差流量特性曲线确定所需过滤器的尺寸。
5.液压辅件的计算与选用热交换器的计算与选用如果经验算，液压系统依靠油箱、管道等自然冷却不能使油温控制在工作所要求的范围时，系统应设置冷却器。冷却器的散热面积可按式（8-27）算得。然后，根据所需之散热面积查阅有关技术手册或产品样本选择其形式。管件的计算与选用油管的内径和壁厚按式（2-30）和式（2-31）计算后，根据有关标准圆整后选取。
管接头的名义尺寸与油管相同，其规格和品种可查阅有关技术手册或产品样本得到。若因环境温度过低而不能起动液压泵或液压系统无法正常工作时，须安装加热器。加热器可设在油箱内，也可串联在油路上。加热所需的功率应按照系统油液的面积、工作温度与环境温度之差、加热时间等进行计算。
液压控制元件选用与设计一个设计得好的液压系统应尽可能多地由标准液压控制元件组成，使自行设计的专用液压控制元件减少到最低限度。但是，有时因某种特殊需要，必须自行设计专用液压控制元件时，可参阅有关液压元件设计的书籍或资料。这里主要介绍液压控制元件的选用。选择液压控制元件的主要依据和应考虑的问题见表8-17。
其中最大流量必要时允许短期超过额定流量的20%，否则会引起发热、噪声、压力损失等增大和阀性能的下降。选择阀时还应注意下列的问题：结构形式、特性、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等。
选择液压控制元件的主要依据和
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选择液压控制元件的主要依据和应考虑的问题应考虑的问题主要依据液压控制元件压力调节范围，流量变化范围，所要求的压力灵敏度和平稳性等阀所在油路的最大工作压力和通过该阀的最大实际流量压力控制阀流量调节范围，流量一压力特性，最小稳定流量，压力与温度的补偿要求，对工作介质清洁度的要求，阀进出口压差的大小以及阀的内泄漏大小等流量控制阀性能特点，换向频率，响应时间，阀口压力损失的大小以及阀的内泄漏大小等方向控制阀
1.溢流阀的选择直动式溢流阀的响应快，一般宜作制动阀、安全阀用；先导式溢流阀的启闭特性好，宜作调压阀、背压阀用。二级同心的先导式溢流阀的泄漏量比三级同心的要小，故在保压回路中常被选用。先导式溢流阀的最低调定压力一般只能在0.5~1MPa范围内。溢流阀的流量应按液压泵的最大流量选取，并应注意其允许的最小稳定流量，一般来说，最小稳定流量为额定流量的15%以上。
2.流量阀的选择一般中、低压流量阀的最小稳定流量为50~100mL/min；高压流量阀为2.5~20L/min。流量阀的进出口需要有一定的压差，高精度流量控制阀约需1MPa的压差。要求工作介质温度变化对液压执行元件运动速度影响小的系统，可选用温度补偿型调速阀。
~表4-9
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3.换向阀的选择（1）按通过阀的流量来选择结构形式，一般来说，流量在190L/min以上时宜用插装阀；190L/min以下时可采用滑阀型换向阀。70L/min以下时可用电磁换向阀，否则需用电液换向阀。（2）按换向性能等来选择电磁铁类型直流湿式电磁铁寿命长，可靠性高，故应尽可能选用直流湿式电磁换向阀。在某些特殊场合，还要选用安全防爆型、耐压防爆型、无冲击型以及节能型等电磁铁。
（3）按系统要求来选择滑阀机能换向阀的滑阀机能及其性能特点见表4-7~表4-9。
4.单向阀及液控单向阀的选择应选择开启压力小的单向阀；开启压力较大（0.3~0.5MPa）的单向阀可作背压阀用。外泄式液控单向阀与内泄式相比，其控制压力低，工作可靠，选用时可优先考虑。
液压系统性能估算目的：评估设计质量，或从几种方案中评选最佳设计方案。内容：系统压力损失、系统效率、系统发热与温升、液压冲击等。对于要求高的系统，还要进行动态性能验算或计算机仿真。目前对于大多数液压系统，通常只是采用一些简化公式进行近似估算，以便定性地说明情况。
1.系统压力损失验算液压系统压力损失包括管道内的沿程损失和局部损失以及阀类元件的局部损失三项。计算系统压力损失时，不同的工作阶段要分开来计算。回油路上的压力损失要折算到进油路上去。某一工作阶段液压系统总的压力损失为：（8-13）
式中ΣΔp1——系统进油路的总压力损失，即ΣΔp1λ——进油路总的沿程损失；ΣΔp1ζ——进油路总的局部损失；ΣΔp1v——进油路上阀的总损失，即Δpn——阀的额定压力损失，由产品样本中查到；qn——阀的额定流量；q——通过阀的实际流量。
ΣΔp2——系统回油路的总压力损失，即ΣΔp2λ——回油路总的沿程损失；ΣΔp2ζ——回油路总的局部损失；ΣΔp2v——回油路上阀的总损失，计算方法同进油路；A1——液压缸进油腔有效工作面积；A2——液压缸回油腔有效工作面积。由此得出液压系统的调整压力（即泵的出口压力）pT应为（8-14）式中p1——液压缸工作腔压力。
2.系统总效率估算液压系统的总效率η与液压泵的效率ηp、回路效率ηc及液压执行元件的效率ηm有关，其计算式为液压系统的总效率η=ηpηcηm（8—15）回路效率ηc（8-16）式中Σp1q1——同时动作的液压执行元件的工作压力与输入流量乘积之总和；Σppqp——同时供液的液压泵的工作压力与输出流量乘积之总和。
系统在一个工作循环周期内的平均回路效率ηc（8-17）式中ηci——各个工作阶段的回路效率；ti——各个工作阶段的持续时间；T——整个工作循环的周期。
3.系统发热与温升估算液压系统的各种能量损失都将转化为热量，使系统工作温度升高，从而产生一系列不利影响。系统中的发热功率主要来自于液压泵、液压执行元件和溢流阀等功率损失。管路的功率损失一般较小，通常可以忽略不计。
系统的发热功率计算方法之一液压泵的功率损失ΔPp（8-18）式中Pp——液压泵的输入功率；ηp——液压泵的总效率。液压执行元的功率损失ΔPm式中Pm——液压执行元件的输入功率；ηm——液压执行元件的总效率。
溢流阀的功率损失ΔPy式中py——溢流阀的调定压力；qy——溢流阀的溢流量。（8-19）系统的总发热功率ΔP（8-20）
系统的发热功率计算方法之二对于回路复杂的系统，功率损失的环节很多，按上述方法计算较烦琐，系统的总发热功率ΔP通常采用以下简化方法进行估算。（8-21）（8-22）式中Pp——液压泵的输入功率；Pe——液压执行元件的有效功率；ηp——液压泵的效率；ηc——液压回路的效率；ηm——液压执行元件的效率；η——液压系统的总效率。
系统的散热功率液压系统中产生的热量，一部分使工作介质的温度升高；一部分经冷却表面散发到周围空气中去。因管路的散热量与其发热量基本持平。所以，一般认为系统产生的热量全部由油箱表面散发。（8-23）系统的散热功率式中ΔP0——系统的散热功率，单位为kW；K——油箱散热系数，单位为W/(m2·℃)见表8-18；A——油箱散热面积，单位为m2；t1——系统中工作介质的温度，单位为℃；
t2——环境温度，单位为℃。
给出各种机械允许的温升值
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系统的温升当系统的发热功率ΔP等于系统的散热功率ΔP0时，即达到平衡。此时，系统的温升Δt为（8-24）式中符号意义同前，Δt=t1-t2。表8-19给出各种机械允许的温升值。当按上式计算出的系统温升超过表中数值时，就要设法增大油箱散热面积或增设冷却装置。
各种机械的允许温升
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各种机械的允许温升（单位：℃）油和油箱允许温升最高允许温度正常工作温度设备类型≤2555~7030~50数控机床≤30~3555~7030~55一般机床≤35~4080~9030~60船舶70~8040~60机车车辆60~9040~70冶金机械、液压机70~9050~80工程机械、矿山机械油箱散热系数（单位：W/（m2·℃）散热系数散热条件散热系数散热条件23风扇冷却8~9通风很差110~175循环水冷却15~17.5通风良好
散热面积计算（8-25）由式（8-24）可计算油箱散热面积A为当油箱三个边的尺寸比例在1∶1∶1到1∶2∶3之间、液面高度为油箱高度的80%、且油箱通风情况良好时，油箱散热面积A（单位为m2）还可用下式估算（8-26）式中V——油箱有效体积，单位为m3。
当系统需要设置冷却装置时，冷却器的散热面积Ac（单位为m2）按下式计算（8-27）式中Kc——冷却器的散热系数，单位为W/(m2·℃)，由产品样本查出；Δtm——平均温升，单位为℃，tj1——工作介质进口温度，单位为℃；tj2——工作介质出口温度，单位为℃；tw1——冷却水（或风）的进口温度，单位为℃；tw2——冷却水（或风）的出口温度，单位为℃。
4.液压冲击验算液压冲击不仅会使系统产生振动和噪声，而且会使液压元件、密封装置等损坏而造成事故。因此，需验算系统中有无产生液压冲击的部位、产生的冲击压力会不会超过允许值以及所采取的减小液压冲击的措施是否奏效等。详细内容和方法参见第一章第九节。
液压系统设计计算举例本节以一台卧式单面多轴钻孔组合机床为例，设计出驱动动力滑台的液压系统。设计要求滑台实现“快进→工进→快退→停止”的工作循环。已知：机床上有主轴16个，加工φ13.9的孔14个、φ8.5mm的孔2个。刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBS，机床工作部件总质量m=1000kg；
快进、快退v1、v3均为5.5m/min，快进行程长l1=100mm，工进行程长l2=500mm，往复运动的加速、减速时间不希望超过0.157s；动力滑台采用平导轨，其静摩擦因数fs=0.2，动摩擦因数fd=0.1；液压系统中的执行元件使用液压缸。
分析负载1.外负载高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力Ft（单位为N）为（8-28）式中D——钻头直径，单位为mm；s——每转进给量，单位为mm/r；HBS——铸件硬度，HBS=240。
代入式（8-28），得外负载Fg为根据组合机床加工特点，钻孔时主轴转速n和每转进给量s按“组合机床设计手册”取——对φ13.9mm的孔：n1=360r/min，s1=0.147mm/r；对φ8.5mm的孔：n2=550r/min，s2=0.096mm/r。2.惯性负载机床工作部件的总质量m=1000kg，取Δt=0.157s
液压缸在各工作阶段的负载
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3.阻力负载机床工作部件对动力滑台导轨的法向力为Fn=mg=9810N静摩擦阻力：Ffs=fsFn=0.2×9810N=1962N动摩擦阻力：Ffd=fdFn=0.1×9810N=981N由此得出液压缸在各工作阶段的负载如所示。
表8-20液压缸在各工作阶段的负载F（单位：N）负载值F负载组成工况负载值F负载组成工况31449F=Fnfd+Fg工进1962F=Fnfs启动981F=Fnfd快退1564F=Fnfd+mΔv/Δt加速981F=Fnfd快进注：不考虑动力滑台上颠复力矩的作用。
组合机床液压缸负载图和速度图a）负载图b）速度图按上表数值绘制负载图如所示。由于是v1=v3=5.5m/min、l1=100mm、l2=50mm、快退行程l3=l1+l2=150mm，工进速度v2=n1s1=n2s2≈53mm/min，由此可绘出速度图如所示。
取p2=0.6MPa
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确定执行元件主要参数由和可知，组合机床在最大负载约为32000N时液压系统宜取压力p1=4MPa。鉴于动力滑台要求快进、快退速度相等，这里的液压缸可选用单活塞杆式的，并在快进时作差动连接。这种情况下液压缸无杆腔的工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，即φ=A1/A2=2，而活塞杆直径d与缸筒直径D成d=0.707D的关系。
在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压p2，以防止孔钻通时滑台突然前冲。按取p2=0.6MPa。快进时液压缸作差动连接，管路中有压力损失，有杆腔的压力应略大于无杆腔，但其差值较小，可先按0.3MPa考虑。快退时回油腔中是有背压的，这时p2也可按0.6MPa估算。
中的公式计算液压缸
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由工进时的负载值按中的公式计算液压缸面积将这些直径按GB/T2348—2001圆整成就近标准值得D=0.11m、d=0.08m
由此求得液压缸两腔的实际有效面积为A1=πD2/4=95.03×10-4m2,A2=π(D2-d2)/4=44.77×10-4m2。经验算，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。根据上述D和d的值，可估算出液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，如所示，并据此绘出工况图如所示。图8-12液压缸工况图
液压缸在不同工作阶段的压力、
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液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值计算式输入功率P/kW输入流量q×10-3/m3·s-1进油腔压力p1/MPa回油腔压力p2/MPa负载F/N工况p1=[(F/ηm)+A2Δp]/(A1-A2)q=(A1-A2)v1P=p1q——0.40701962起动快进（差动）——0.591p1+Δp(Δp=0.3MPa)1564加速0.2170.46070.471981恒速p1=[(F/ηm)+p2A2]/A1q=A1v2P=p1q0.0310.00843.730.631449工进p1=[(F/ηm)+p2A1]/A2q=A2v3P=p1q——0.45701962起动快退——1.640.61564加速0.6160.41041.50981恒速注：液压缸的机械效率取ηm=0.96。
、表8-6该液压系统以采用节
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设计液压系统方案和拟定系统原理图1.设计液压系统方案由于该机床是固定式机械，且不存在外负载对系统作功的工况，并由知，这台机床液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小。根据表8-5、表8-6该液压系统以采用节流调速方式和开式循环为宜。现采用进油路节流调速回路，为解决孔钻通时滑台突然前冲的问题，回油路上要设置背压阀。
从工况图中可以清楚地看到，在这个液压系统的工作循环内，液压缸要求油源交替地提供低压大流量和高压小流量的油液。最大流量约为最小流量的55倍，而快进加快退所需的时间t1和工进所需的时间t2分别为
亦即是t1/t2≈21。因此从提高系统效率、节省能量的角度来看，采用单个定量液压泵作为油源显然是不合适的，而宜采用大、小两个液压泵自动两级并联供油的油源方案（图8-13a）。图8-13油源及液压回路的选择a）液压源
2.选择基本回路由于不存在负载对系统作功的工况，也不存在负载制动过程，故不需要设置平衡及制动回路。但必须具有快速运动、换向、速度换接以及调压、卸荷等回路。选择快速运动和换向回路系统中采用节流调速回路后，不论采用何种油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔，以实现快速运动。在本系统中，快进、快退换向回路应采用所示的形式。图8-13油源及液压回路的选择b）换向回路
选择调压和卸荷回路油源中有溢流阀（见图8-13a），调定系统工作压力，因此调压问题已在油源中解决，无须另外再设置调压回路。而且，系统采用进油节流调速，故溢流阀常开，即使滑台被卡住，系统压力也不会超过溢流阀的调定值，所以又起安全作用。图8-13油源及液压回路的选择a）液压源b）换向回路c)速度换接回路
选择调压和卸荷回路在所示的双液压泵自动两级供油的油源中设有卸荷阀，当滑台工进和停止时，低压、大流量液压泵都可经此阀卸荷。由于工进在整个工作循环周期中占了绝大部分时间，且高压、小流量液压泵的功率较小，故可以认为卸荷问题已基本解决，就不需要再设置卸荷回路。图8-13油源及液压回路的选择a）液压源b）换向回路c)速度换接回路
3.将液压回路综合成液压系统把上面选出的各种液压回路组合画在一起，就可以得到一张所示的液压系统原理图（不包括点划线圆框内的元件）。将此图仔细检查一遍，可以发现，该图所示系统在工作中还存在问题。
为了防止干扰、简化系统并使其功能更加完善，必须对所示系统进行如下修整：图8-14液压回路的综合和整理1—双联叶片泵1A—小流量液压泵1B—大流量液压泵2—三位五通电液阀3—行程阀4—调速阀5—单向阀6—液压缸7—卸荷阀8—背压阀9—溢流阀10—单向阀11—过滤器12—压力表接点a—单向阀b—顺序阀c—单向阀d—压力继电器
3.将液压回路综合成液压系统1）为了解决滑台工进（阀2在左位）时图中进、回油路相互接通，系统无法建立压力的问题，必须在换向回路中串接一个单向阀a，将进、回油路隔断。
图8-14液压回路的综合和整理1—双联叶片泵1A—小流量液压泵1B—大流量液压泵2—三位五通电液阀3—行程阀4—调速阀5—单向阀6—液压缸7—卸荷阀8—背压阀9—溢流阀10—单向阀11—过滤器12—压力表接点a—单向阀b—顺序阀c—单向阀d—压力继电器2）为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀b。
这样，滑台快进时因负载较小而系统压力较低，使阀b关闭，便阻止了油液返回油箱。
3.将液压回路综合成液压系统3）为了解决机床停止工作后回路中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动平稳性的问题，必须在电液换向阀的回油口增设一个单向阀c。
图8-14液压回路的综合和整理1—双联叶片泵1A—小流量液压泵1B—大流量液压泵2—三位五通电液阀3—行程阀4—调速阀5—单向阀6—液压缸7—卸荷阀8—背压阀9—溢流阀10—单向阀11—过滤器12—压力表接点a—单向阀b—顺序阀c—单向阀d—压力继电器4）为了在滑台工进后系统能自动发出快退信号，须在调速阀输出端增设一个压力继电器d。
5）若将顺序阀b和背压阀8的位置对调一下，就可以将顺序阀与油源处的卸荷阀合并，从而省去一个阀。
整理后的液压系统原理图1—双联叶片液压泵2—三位五通电液阀3—行程阀4—调速阀5—单向阀6—单向阀7—顺序阀8—背压阀9—溢流阀10—单向阀11—过滤器12—压力表接点13—单向阀14—压力继电器经过修改、整理后的液压系统原理图如所示。
选择液压元件1.液压泵液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为3.73MPa，如取进油路上的压力损失为0.8MPa，为使压力继电器能可靠地工作，取其调整压力高出系统最大工作压力0.5MPa，则小流量液压泵的最大工作压力应为：pp1=(3.73+0.8+0.5)MPa=5.03MPa大流量液压泵在快进、快速运动时才向液压缸输油，由可知，快退时液压缸的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为0.5MPa（因为此时进油不经调速阀故压力损失减小），则大流量液压泵的最高工作压力为：pp2=(1.5+0.5)MPa=2MPa
由可知，两个液压泵应向液压缸提供的最大流量为27.64L/min，因系统较简单，取泄漏系数KL=1.05，则两个液压泵的实际流量应为：qp=1.05×27.64L/min=29.02L/min由于溢流阀的最小稳定溢流量为3L/min，而工进时输入液压缸的流量为0.5L/min，由小流量液压泵单独供油，所以小液压泵的流量规格最少应为3.5L/min。
根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取PV2R12-6/26型双联叶片液压泵，其小液压泵和大液压泵的排量分别为6mL/r和26mL/r，当液压泵的转速np=940r/min时该液压泵的理论流量为30.08L/min，若取液压泵的容积效率ηv=0.9，则液压泵的实际输出流量为：qp=[(6+26)×940×0.9/1000]L/min=(5.1+22)L/min=27.1L/min
取液压泵的总效率ηp=0.7
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由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2MPa、流量为27.1L/min。按取液压泵的总效率ηp=0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为根据此数值查阅电动机产品样本选取Y100L-6型电动机，其额定功率Pn=1.5kW，额定转速nn=940r/min。
2.阀类元件及辅助元件根据阀类及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可选出这些液压元件的型号及规格见表8-22。表中序号与的元件相同。3.油管各元件连接管道的规格按液压元件接口处的尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、排出的最大流量计算。由于液压泵选定之后液压缸在各个工作阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算如所示。
由上表可以看出，液压缸在各个工作阶段的实际运动速度符合设计要求。
元件的型号及规格
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液压缸的进、出流量快退工进快
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液压缸的进、出流量快退工进快进q1=qp=27.1q1=0.5q1=(A1qp)/(A1-A2)=(95×27.1)/(95-44.77)=51.25输入流量/L·min-1q2=(A1q1)/A2=(95×27.1)/44.77=57.51q2=(A2q1)/A1=(44.77×0.5)/95=0.24q2=(A2q1)/A1=(44.77×51.25)/95=24.15排出流量/L·min-1v3=q1/A2=27.1×10/44.77=6.05v2=q1/A1=(0.5×10)/ 95=0.053v1=qp/(A1-A2)=(27.1×10)/(95-44.77)=5.4运动速度/m·min-1
中数值
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根据中数值，并按第二章第七节推荐取油液在压油管的速度v=3m/s，按式（2-30）算得与液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管内径分别为这两根油管都按GB/T2351——1993选用内径Φ15、外径Φ18的冷拔无缝钢管。
4.油箱油箱容积按式（2-19）估算，取经验数据ζ=7，故其容积为V=ζqp=7×27.1L=189.7L按JB/T7938-1999规定，取最靠近的标准值V=250L。
验算液压系统性能1.验算系统压力损失并确定压力阀的调整值由于系统的管路布置尚未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先按式（8-13）估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。但对于中小型液压系统，管路的压力损失甚微，可以不予考虑。压力损失的验算应按一个工作循环中不同阶段分别进行。
和表8-23可知
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快进滑台快进时，液压缸差动连接，由和可知，进油路上油液通过单向阀10的流量是22L/min、通过电液换向阀2的流量是27.1L/min，然后与液压缸有杆腔的回油汇合，以流量51.25L/min通过行程阀3并进入无杆腔。因此进油路上的总压降为：此值不大，不会使压力阀开启，故能确保两个泵的流量全部进入液压缸。
回油路上，液压缸有杆腔中的油液通过电液换向阀2和单向阀6的流量都是24.15L/min，然后与液压泵的供油合并，经行程阀3流入无杆腔。由此可算出快进时有杆腔压力p2与无杆腔压力p1之差。此值与原估计值0.3MPa（见表8-21）基本相符。
工进工进时，油液在进油路上通过电液换向阀2的流量为0.5L/min，在调速阀4处的压力损失为0.5MPa；油液在回油路上通过换向阀2的流量是0.24L/min，在背压阀8处的压力损失为0.6MPa，通过顺序阀7的流量为（0.24+22）L/min=22.24L/min，因此这时液压缸回油腔的压力p2为：
中公式重新计算工进时液压缸
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可见此值略大于原估计值0.6MPa。故可按中公式重新计算工进时液压缸进油腔压力p1，即：此值略高于中数值。考虑到压力继电器可靠动作需要压差Δpe=0.5MPa，故溢流阀9的调压pplA应为：
快退快退时，油液在进油路上通过单向阀10的流量为22L/min、通过换向阀2的流量为27.11L/min；油液在回油路上通过单向阀5、换向阀2和单向阀13的流量都是57.51L/min。因此进油路上总压降为：
中的估计值相近
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此值与中的估计值相近，故不必重算。所以，快退时液压泵的工作压力pp应为：此值较小，所以液压泵驱动电动机功率是足够的。回油路上总压降为：因此大流量液压泵卸荷的顺序阀7的调压应大于1.582MPa。
2.验算油液温升工进在整个工作循环过程中所占的时间比例达95%（见前），所以系统发热和油液温升可按工进时的工况来计算。为简便起见，本例采用上述“系统的发热功率计算方法之二”来进行计算。工进时液压缸的有效功率：
查得该阀在额定流量qn=63
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这时大流量液压泵经顺序阀7卸荷，小流量液压泵在高压下供油。大液压泵通过顺序阀7的流量为q2=22L/min，由查得该阀在额定流量qn=63L/min时的压力损失Δpn=0.3MPa，故此阀在工进时的压力损失小液压泵工进时的工作压力pp1=4.75MPa，流量q1=5.1L/min，所以两个液压泵的总输入功率为：
查得油箱的散热系数K=9W/
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式（8-21）算得液压系统的发热功率为:按式（8-26）可算出油箱的散热面积为:由查得油箱的散热系数K=9W/（m2·℃)，则按式（8-24）求出油液温升为:由知，此温升值没有超出允许范围，故该液压系统不必设置冷却器。
绘制工作图和编制技术文件液压系统设计的最后一项工作是绘制工作图和编制技术文件。工作图的绘制必须在仔细查阅产品样本、手册和资料，选定元件的结构和配置形式的基础上，才能布局绘图。系统工作图包括液压系统图、各种装配图和各种非标准液压元件装配图及零件图等。液压系统图由上述液压系统原理图经补充、完善而成。
图中要有明细表，注明液压元件的型号、规格、数量、生产厂家等，并要注明系统的技术条件、液压执行元件的动作循环图、电磁铁、压力继电器及电气开关的动作顺序表等等。液压系统图必须采用国家标准规定的图形符号（见附录B）绘制。
气动程序控制系统设计生产实践中，各种自动生产线，大多是按程序工作的。程序控制：根据生产过程中的位移、压力、时间、温度、液位等物理量的变化，使被控制的执行元件，按预先规定的顺序协调动作的一种自动控制方式。程序控制方式能在一定范围内满足各种不同程序的需要，实现一机多用。根据控制方式的不同，程序控制可分为时间程序控制、行程程序控制和混合程序控制三种。
时间程序控制：各执行元件的动作顺序按时间顺序进行。时间程序控制系统中，各时间信号通过控制线路，按一定的时间间隔分配给相应的执行元件，令其产生有序的动作。时间程序控制系统是一种开环控制系统。
执行元件完成某一种动作后，由行程发信器发出相应信号，此信号输入逻辑控制回路中，经放大、转换回路处理后成为主控阀可以接受的信号，控制主控阀换向，再驱动执行元件，实现对被控对象的控制。
执行元件的运动状态经行程发信器检测后，反馈至逻辑控制回路，经运算处理并确信上一动作已经完成后，再发出开始下一个动作的控制信号。
如此循环往复，直至完成全部预定动作为止。
图8-16所示为行程程序控制框图。
从框图可看出，行程程序控制主要包括行程发信装置、执行元件、逻辑控制回路、放大转换回路、主控阀和动力源等部分。
行程发信装置是一种位置传感器，其作用是把由执行机构接收来的信号转发给逻辑控制回路，常用的有行程阀、行程开关、逻辑“非门”等，此外，液位、压力、流量、温度等传感器也可看作行程发信装置；
常用的执行元件有气缸、气液缸、气动马达等；
主控阀为气动换向阀；
逻辑控制回路、放大转换回路一般由各种气动控制元件组成，也可以由各种气动逻辑元件等组成；
动力源主要包括气压发生装置和气源处理设备。
行程程序控制的优点：结构简单、维修方便、动作稳定，特别是当程序中某节拍出现故障时，通过运行停止程序可以实现自动保护。
为此，行程程序控制方式在气压传动系统中得到广泛应用。
行程程序控制系统中包含时间控制信号的控制方式通常被视为混合程序控制。
若将时间信号也视为行程信号的一种，则其实际上亦属于行程程序控制。
电控行程程序控制气动系统及其常用电气电路随着电气技术的发展，以气动设备提供机械能量、用电子/电气设备作为控制装置的综合系统得到越来越多的应用。这种电控行程程序控制气动系统的执行元件和主气路部分与上述全气控行程程序控制气动系统没有差别，但其逻辑控制回路、放大转换回路、行程发信器全部由电气元件组成。
逻辑控制回路的输入、输出及处理的信号全部都是电信号，行程发信器多为行程开关、光电管、各种传感器，主控阀采用电磁换向阀。由于是电气逻辑，其设计、安装、调试、检修都比较方便，还可通过更改电气元件的接线较方便地改变控制程序。若采用可编程序控制器或计算机来构成逻辑控制回路，则可以在不改变电气元件接线和气动系统物理配置的情况下改变控制程序。
中
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由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在电-气传动系统中应用得最为广泛，约有90%以上的继电器是电磁式的。电—气传动系统中常用电器元件的文字符号和图形符号列于中。在气动程序控制系统中，利用上述电器元件构成的控制电路是多种多样的。但不管系统多么复杂，其电路都是由一些基本的控制电路组成。电-气传动系统中常用的控制电路见表8-25。
电器元件的符号触头符号线圈符
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电器元件的符号触头符号线圈符号文字符号电器名称动断（常闭）动合（常开）K继电器KT时间继电器YV电磁阀线圈SB按钮开关ST行程开关
电—气传动系统常用控制电路说
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电—气传动系统常用控制电路说明电路图电路名称串联电路也就是罗辑“与”电路。
如一台设备为了防止误操作，保证安全生产，安装了两个起动按钮。
只有操作者将两个起动按钮同时按下时，设备才能开始运行。
如左图所示，只有SB1、SB2均被按下闭合，电磁阀线圈YV才能通电励磁串联电路并联电路又称逻辑“或”电路。
如一条自动化生产线上有多个操作者同时作业。
为了确保安全，要求只要其中任何一个操作者按下停止开关，生产线即应停止运行。
这种控制功能可由并联电路（几个常开触头并联后）实现，如左图所示，按钮开关SB1、SB2、SB3中任何一个开关被按下时，电磁阀线圈YV在动断触点的作用下，因不能继续得电而断开并联电路
左图所示电路中，由于常用的按钮通常是即开按钮，即其产生的是一个短时间信号，欲使电路保持通电信号，需要有保持电路来维持。
图中，当维电器K的动合触点K和按钮开关SB1并联后，即使松开按钮SB1，继电器K也将通过动合触点K继续保持得电状态，使继电器K获得记忆。
放开SB，时间继电器触点KT立刻断开，电灯EL熄灭延时闭合电路延时电路
说明电路图电路名称当按下起动按钮SB，时间继电器触点KT同时接通，电灯EL亮。放开SB，时间继电器开始计数，到规定时间后，时间继电器触点KT才断开，电灯EL熄灭延时断开电路延时电路若设备中存在相互矛盾的动作，如电动机的正转与反转、气缸的伸出与缩回等，为了防止同时输入相互矛盾的动作信号，使电路短路或线圈烧坏，控制电路应具有联锁的功能，即电机正转时不能使反转接触器动作；
气缸伸出时不能使控制气缸缩回的电磁铁通电。左图中，将继电器K1的动断触点加到行3上，将继电器K2的动断触点加到行1上，这样就保证了继电器K1被励磁时继电器K2不会被励磁，反之亦然联锁电路
气动程序控制回路的画法气动程序控制回路主要体现的是行程信号与主控阀控制端之间的连接，在工业控制系统中经常采用直观习惯画法。画法特点是：把系统中全部执行元件（如气缸、气动马达等）水平或垂直排列，在执行元件的下面或左侧画上相对应的主控阀。而把行程阀直观地画在各气缸活塞杆伸缩状态对应的水平位置上。这种表示方法虽然连接线规律性较差，交叉点亦多，但较直观，便于设计。
但最终的回路图必须按国际标准ISO1219—2：1995的要求绘制。
无障A1B1B0A0气动回路图是能够实现A1B1B0A0工作程序的气动控制原理图。图中q为起动阀，VK为辅助阀（中间记忆元件），另有执行元件A、B，主控阀VA、VB以及相应的行程阀a1、a0和b1、b0。显然，整个工作程序动作和信号之间的顺序关系表达得一目了然。
9）“与”、“或”、“非”、“记忆”等逻辑关系的连接可按第四章第十节所述内容选取，行程阀与起动阀常采用二位三通阀。10）最终的回路图应按国际标准ISO1219-2：1995要求绘制。标准规定：元件的气动符号原则上应按以下次序从下到上和从左到右布置：——能源：左下；——按顺序的控制元件：往上从左到右；——执行器：上部从左到右。
元件代号应该用以下代号清楚地标注每个元件：泵和压缩机：P执行器：A原动机：M传感器：S阀：V其他元件：Z，或除了以上所示的另一字母原理图上应写明工作顺序或对操作要求的必要说明。
电控行程程序控制线路的画法是当两个气缸都采用双电控换向阀时，实现A1B1B0A0工作程序的梯形图。图8-18实现A1B1B0A0工作程序的梯形图电控行程程序控制系统设计最常采用的一种方法是绘制梯形图（为有别于后述的PLC梯形图，又可称之为继电器梯形图），其特点是电/气控制原理图相互呼应，形象直观。
基本单元及障碍信号如前所述，气动程序控制回路主要是根据回路的控制程序要求、动作和信号之间的顺序关系绘制而成的（见图8-17），故任何一个程序回路均主要由气动执行元件、气动控制元件与行程发信装置等基本单元组成。
这些信号通常存在着各种形式的干扰，如一个信号妨碍另一个信号的输出，两个信号同时控制一个动作等。
有障碍信号的A1B1B0A0回路如所示，一旦供气，由于行程阀（又称信号阀）b0一直受压，信号b0就一直供气给VA的右侧（A0位），这样，即使操作起动阀q向VA左侧（A1位）供气，VA也难以切换。这里，信号b0对q而言即为障碍信号。
若没有b0信号，则按q后，气流经q阀通过a0阀进入VA的左侧，使A1位工作，活塞A伸出，发出信号a1给VB的左侧（B1位），使VB切换，活塞B伸出，再发出信号b1给VB的右侧（B0位）。此时，由于活塞A仍在发出信号a1给VB的左侧B1位，使b1向VB的B0位信号输送不进，也就是说，信号a1妨碍了b1信号的送入，成为b1的障碍信号。
障碍信号的判别程序控制回路的设计方法很多，常用的有分组供气法（也称级联法）、信号-动作状态图法（简称X-D线图法）、扩展卡诺图图解法和步进回路法等。X-D线图法是根据已知工作程序，将各行程信号及各执行元件在整个动作过程中的工作状态全部用图线的方法表示出来。此图可直接展示各种障碍信号以及排除障碍信号的各种可能，设计人员据此可确定执行信号，画出气动控制回路。
此法不仅能较快地找出设计方案，解决控制回路的逻辑设计问题，同时也便于检查回路的正确性及合理性。为了阐明障碍信号的判别方法，这里以A1B1B0A0气动程序控制回路的X-D线图设计法为例进行具体说明。
1.画方格图图8-20A1B1B0A0的X-D线图根据给定的动作顺序，由左至右画方格，并在方格图上方从左至右填入程序号1、2、3、4等。
在其下面填上相应的动作状态A1、B1、B0、A0，最右边留一栏作为“执行信号表示式”栏。
在方格图最左边纵栏里，自上至下进行分格，填上控制信号及控制动作状态组（简称X-D组）的序号1、2、3、4等。
例如，a0（A1）表示控制A1动作的信号是a0；
a1（B1）表示控制B1动作的信号是a1等。
下面的备用格可根据具体情况填入中间记忆元件（辅助阀）的输出信号、消障信号与连锁信号等。
2.画动作线（D线）方格图画出后，用横向粗实线画出各执行元件的动作状态线。作图方法是：以纵横动作状态字母相同，下角标“1”或“0”也相同的方格左端纵线为起点（用小圆圈“○”表示）；以纵横动作状态字母相同，但下角标“1”或“0”相异的方格左端纵线为终点（用符号“×”表示）；由起点至终点用粗实线连接起来。按此方法可画出所有动作的状态线（如中A1，从第1节拍开始，到第4节拍前结束）。
图8-20A1B1B0A0的X-D线图
障碍信号的排除为使程序控制回路中各执行元件能按规定的动作顺序正常工作，设计时必须把有障碍信号的障碍段排除，即把有障碍的信号，通过一定逻辑变换后变成无障碍信号（又称派生信号），再去控制主控阀。
执行信号可用一定的逻辑式（执行信号表示式）列出，填在X-D线图的“执行信号表示式”栏内。
对瞬时障碍，一般情况下可以不必采取措施而能自行消除，由此产生的结果仅使某行程的开始比预定的程序产生稍微的时间滞后。
但在要求比较严格的场合，则同样要设法排除，以免发生信号的竞争冒险。
有障信号障碍段的排除方法主要有以下几种。注意：对于某个有障控制信号，不同排障方法产生的逻辑式不同（见图8-20、图8-21执行信号表示式一栏），但它们的作用是等效的，设计时只要选择其中一个即可。
1.缩短信号存在时间法排除Ⅰ型障碍在X-D图中，Ⅰ型障碍信号表现为控制信号线长于其控制的动作线的长度，所以常用的排除障碍的办法就是缩短信号线长度，使其短于此信号所控制的动作线长度，其实质就是要使障碍段失效或消失。缩短信号存在时间的具体方法有以下几种。
脉冲信号法将有障碍的原始信号变为脉冲信号，使其在命令主控阀完成换向后立即消失。脉冲信号法可排除所有Ⅰ型障碍。下面以A1B1B0A0程序为例，说明采用脉冲信号法排障的具体实现过程。由和可知，若将信号a1和b0都变成脉冲信号，即a1→△a1、b0→△b0，则其成为无障碍信号a1*与b0*。△a1和△b0代表a1和b0的脉冲形式。信号a1的执行信号表示式为：a1*(B1)=△a1；
信号b0为b0*（A0）=△b0。将它们填入X-D图的相应栏内，就成为的形式。图8-21脉冲信号法排障后A1B1B0A0的X-D线图
脉冲信号法脉冲信号△a1和△b0，可以采用机械法，也可采用脉冲回路法产生。机械法排障利用机械式活络挡块或可通过式行程阀，使之只能在挡块单方向通过时发出脉冲信号的排障方法。图8-22机械式脉冲排障a）活络挡块b）通过式行程阀为利用活络挡块使行程阀发出的信号变成脉冲信号的示意图，当活塞杆伸出时，活络挡块压下行程阀发出脉冲信号；活塞杆收回时，活络挡块绕销轴转动通过行程阀，此时，行程阀不发信号。
图8-22b为采用可通过式行程阀发出脉冲信号的示意图。当活塞杆前进时压下行程阀发出脉冲信号；活塞杆返回时因行程阀的头部具有可折性，因而没有把阀压下，这样行程自然不发信号。特点：排除障碍简单易行，可节省气动元件及管路。但安装行程阀时必须注意：不可把行程阀装在行程的末端，而应留一段距离，以便挡块或凸轮能通过。显然，这种消障方法仅适用于定位精度要求不高，活塞运动速度不太大的场合。
脉冲信号法脉冲回路法排障利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号变为脉冲信号。图8-23为脉冲回路原理图。当有障信号a发出后，阀K立即有信号输出。同时，a信号经气阻进入气容C与K阀控制端，当气容内的压力经延时上升到K阀的切换压力后，输出信号a即被切断，从而使信号a变为脉冲信号。特点：此法用于定位精度要求较高或不便于安装机械式脉冲行程开关的场合。
但需注意，对于安装在初始位置的脉冲阀，每当接通一次气源都将产生假脉冲信号，若这一信号又与另一主控阀的置“1”控制端连接，则在回路起动时将会产生误动作。对安装在这种位置上的脉冲阀必须采取起动保护措施。图8-23脉冲回路原理
逻辑回路法逻辑回路法排障，即在程序回路中引入各种逻辑门，利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，排除障碍信号。
但原始信号作为制约信号x时，其起点应在障碍信号m开始之前，终点应在障碍信号m的无障碍段中。
逻辑“与”运算，可以用一个单独的逻辑“与”元件实现，也可用一个行程阀两个信号的串联或两个行程阀的串联实现（见图8-24）。
逻辑回路法逻辑回路法排障，即在程序回路中引入各种逻辑门，利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，排除障碍信号。图8-25逻辑“非”排障（2）逻辑“非”排障原始信号经逻辑非运算得到反信号排除障碍的方法，即为逻辑“非”运算排障法。原始信号作逻辑“非”（即制约信号x）的条件是其起始点要在有障信号m的执行段之后、m的障碍段之前，终点则要在m的障碍段之后，如所示。
辅助阀法若在X-D线图上找不到直接满足上述逻辑运算要求的制约信号时，可采用增加一个辅助阀的方法来排除障碍。这里的辅助阀又称中间记忆元件，一般为双稳元件或单记忆元件。其方法是用中间记忆元件的输出信号作为制约信号，用它和有障碍信号m相“与”以排除掉m中的障碍。排障表示式为m*=m*Ktd（8-25）式中m——障碍信号；m*——排障后的执行信号（即派生信号）；K——辅助阀（中间记忆元件）输出信号；
t、d——辅助阀VK的两个控制信号。
采用中间记忆元件排障a）逻辑原理图b）有记忆元件的回路图图中VK为双气控二位三通阀。当t有气时VK阀有输出，而当d有气时VK阀无输出。很明显t与d不能同时存在，只能一先一后存在。反映在X-D线图上，则为t与d二者不能重合。其逻辑代数式需满足下列制约关系：t·d=0。图8-26a所示为辅助排除障碍的逻辑原理图，图8-26b为其回路原理图。
消除Ⅱ型障碍的根本方法是采用中间记忆元件（双稳计数触发单元）及双与门对重复信号进行正确的分配，再将每个与门的输出信号送往不同的控制端。
例如，已知工作程序A1B1B0B1B0A0，其中B连续往复两次，第一个b0信号是动作B1控制信号，而第二个b0信号是动作A0的控制信号。
为了正确分配重复信号b0，需要在两个b0信号之前确定两个辅助信号作为制约信号。
这里可选取a0、b1信号，因为，a0信号是出现在第一个b0信号前的独立信号，而b1虽然是非独立信号，它却是两重复信号间的惟一信号。
借助这些信号组成的分配回路如所示。
图中“与”门Y3和单输出记忆元件R1是为提取第二个b1信号作制约信号而设置的元件。
2.信号分配法排除Ⅱ型障碍
信号的分配原理是：a0信号首先输入，使双输出记忆元件R2置零，为第一个b0信号提供制约信号，同时也使单输出记忆元件R1置零，使它无输出。当第一个b1输入后，因“与”门Y3无输出（R1置零），这样第一个b0输入后，只有“与”门Y2有输出，其执行信号b0*（B1）控制B1动作，同时使R1置1，为第二个b1提供制约信号。
在第二个b1到来时，“与”门Y3有输出使R2置1，为第二个b0提供制约信号，这样第二个b0输入后，“与”门Y1即可输出执行信号b0*（A0）去控制A0动作。至此完成了重复信号b0的分配。图8-28重复信号b0的分配回路a）逻辑框图b）有记忆元件的信号二路分配回路是有记忆元件的信号分配回路图。
又如，已知工作程序A1B1B0C1B1B0A0，其中B往复两次，回路设计要解决b0信号先后两次分别控制C1及C0的分配问题。它可采用或的方法解决。按上述原理可组成多次重复信号分配原理图，但气功回路将变得复杂。
此时，可采用辅助机构如辅助行程阀或定时发信装置完成多气缸多次重复信号的分配，它们的特点是在多往复气缸行程终点设置多个行程阀或定时发信装置，使每个行程阀只指挥一个动作或根据程序定时给出信号，这样就排除了Ⅱ型障碍。图8-29信号二路分配图a）逻辑框图b）用二位四通阀分配
气动逻辑原理图的绘制气控逻辑原理图是根据X-D线图的执行信号表示式及考虑手动、起动、复位等所画出的逻辑方框图。当画出逻辑原理图后，再按它就可以较快地画出气动回路原理图，因此它是由X-D图画出回路原理图的桥梁。
程序A1B1B0A0的逻辑原理图是根据所示的X-D线图，选择采用辅助阀的输出作制约信号而作出的实现A1B1B0A0工作程序的逻辑原理图。图中，起动信号q对控制信号a0起着开关作用，通过它可实现系统的半自动和全自动控制。在气动行程程序控制系统中，总是将q设计成与第一节拍的控制信号成逻辑“与”关系。
现利用上述X-D线图法介绍多气缸单往复程序控制系统的设计方法及步骤。
1.确定工作程序图了解控制对象执行元件数目、动作顺序、动作速度、连锁保护及自动—手动控制等工作要求，确定工作程序。
将上述行程程序加以编号（节拍），并用字母及符号表示，如所示。某专用气动控制机械手的工作程序为：图8-31工作程序图各动作状态之间用带箭头的连线连接，箭头方向表示工作顺序，箭头线上小写字母表示该动作结束时所发出的行程信号（如A1完成后发出信号a1等），表示一个信号同时控制两个动作（如a1同时控制B1、C1），表示两个信号有连锁要求（b1与c1同时有信号时，才控制C0动作）。
2.绘制X-D线图，找出障碍信号画方格图根据的工作程序，画出方格图，如所示。其中第二组a1信号同时控制两个动作，故被分成了四小格；第三组b1、c1两信号有连锁要求，可以在备用空格中先求得逻辑输出信号而后引入信号格。为简化图线，在一组内的分格线可以省去。图8-32多气缸单往复系统X-D线图
2.绘制X-D线图，找出障碍信号画动作线（D线）按8.4.5.2中所述的动作线绘制方法，画出所有动作的状态线（如中A1从第1节拍开始，到第4节拍前结束）。图8-32多气缸单往复系统X-D线图
多气缸单往复系统X-D线图画信号线（X线）按8.4.5.3中所述的信号线的绘制方法，画出工作程序的信号线示于图8-32。找出障碍信号按8.4.5.3中所述的方法分析图8-32，发现其中的d0（A1）、a1（C1）、c0（A0）及a0（D1)分别为有障碍信号，且均为Ⅰ型障碍信号。
3.排除有障碍信号的障碍段按8.4.6.1中所述逻辑回路法排除本例中的Ⅰ型障碍。如为了排除中的d0信号的障碍，可引入“与”门逻辑，这里选b0作为制约信号，即d0* =d0·b0，因为b0在d0的执行段（第1节拍）存在，而在d0的障碍段（第4节拍）不存在。同样，要排除a0、c0及a1的障碍，可分别选b1及b1，作制约信号，即a0*=b1·a0、c0*=c0·b1、a1*=a1·b1（见图8-32）。
4.绘制逻辑原理图在执行信号确定之后，可根据X-D线图作逻辑原理图如所示。
5.绘制气动程序控制系统图由逻辑原理图可知，这一半自动程序需用一个起动阀、八个行程阀和四个双输出记忆元件（二位四通阀）。五个与门可由元件串联来实现，由此可绘出如所示的气动控制回路图。图8-33逻辑原理图
的气动程序控制系统图在具体画气动回路原理图时，特别要注意的是哪个行程阀为有源元件（即直接与气源相接），哪个行程阀为无源元件（即不能与气源相连）。其一般规律是无障碍的原始信号为有源元件，如中的b0、d1信号；而有障碍的原始信号，若用逻辑回路法排障，则为无源元件，如中的a0、a1、c0、d0信号，若用辅助阀排障，则只需使它们与辅助阀、气源串接即可，如中的a1、b0信号。
6.绘制电控行程程序线路图程序的电控行程程序线路图如所示。图8-35电控行程程序线路图
1.画X-D线图根据8.4.5中所述的X-D图的绘制方法，把在不同节拍内出现的同一动作线画在X-D线图的同一组内，如B1的动作线都画在第二组内，同时把控制同一动作的不同信号线也错落地画在动作线的上方，如a1(B1)、b0(B1)分别画在被控制动作状态线B1的上方。此外把控制不同动作的同名信号线在相对应的格内补齐，如b0（B1）要在第二组补齐，b0（A0）要在第四组补齐。
这样就得到了A1B1B0B1B0A0的X-D线图，如所示。图8-36A1B1B0B1B0A0的X-D线图
2.判断和排除障碍由8.4.4知，凡是信号线长于动作线的信号为Ⅰ型障碍信号，而有信号线无动作线或信号线重复出现而引起的障碍则为Ⅱ型障碍信号。因此，在中，a1信号存在Ⅰ型障碍，b0信号既存在Ⅰ型障碍又存在Ⅱ型障碍。因而在多气缸多往复程序控制系统的设计中，其障碍信号有其本身的特点，排除障碍信号的方法可综合利用8.4.6中介绍的内容。
3.绘制逻辑原理图根据工作程序A1B1B0B1B0A0、图8-36的X-D线图和的重复b0的分配回路，可画出A1B1B0B1B0A0的逻辑图，如所示。图8-37A1B1B0B1B0A0的逻辑原理图
根据的A1B1B0B1B0A0程序的逻辑原理图，综合利用Ⅰ型、Ⅱ型障碍信号的排障碍方法，就可绘出A1B1B0B1B0A0的气动程序控制系统图（见图8-38），A1B1B0B1B0A0的动作程序利用该系统可准确地得以实现。4.绘制气动程序控制系统图图8-38A1B1B0B1B0A0气动程序控制系统图若本例中两个气缸都是用双电控换向阀，则相应的电气控制线路图如所示。
程序A1B1B0B1B0A0的电控行程程序线路图a）电路图b）电控气动回路图
分组供气法多气缸程序控制系统设计从障碍信号概念可知，要使主控阀正常换向，只需在加入信号a的前一时刻将发出障碍信号e的行程阀气源切断，信号a就能使主控阀换向。这就是用分组供气法设计程序控制系统的原理，如所示。若按此原理设计，只要将所有的行程阀依次按照动作顺序供气，以保证主控阀换向时无障碍存在即可。但用这种方法势必造成回路连接复杂，程序动作周期变长。
因此，用分组供气法设计程序控制系统，首先把程序中发生原始信号的行程阀按照一定规律进行分组，并且在任何时刻都只对其中的一组供气，那么，如果任何主控阀两侧的原始信号不在同一组，则障碍就不存在了。1.分组供气原理分组供气原理
1）程序分组时，每个气缸的动作在每组中仅出现一次，以保证任何一个主控阀两侧的原始信号不在同一组内。2）应尽可能使分组数目最少，以得到最少元件的供气回路。分组时，首先在相邻的两个相同字母中间分组，然后再向前或向后划分程序的其余部分，并使每一组尽可能地包含更多的气缸。例如，可将下列程序按虚线划分成若干组：2.分组规则A1┆B1A0C1┆C0B0A1B1┆B0C1┆C0A0Ⅰ组Ⅱ组Ⅰ组Ⅱ组Ⅲ组
分组供气回路由具有记忆功能的换向阀构成，并规定每组最后一个行程阀发出的原始信号作为下组的换组信号。图8-41所示为二组（图a）或三组（图b）的供气回路。分组供气时，只要将上一组供气源给下一组换组行程阀供气就能保证各组的换组信号是脉冲信号。因此，分组供气回路可以消除程序控制的所有障碍。3.分组供气回路分组供气回路a）二组b）三组
用分组供气法设计A1B1C1C0B0A0的气动程序控制系统。第一步，程序分组A1B1C1┆C0B0A0Ⅰ组Ⅱ组4.设计举例把程序分为两组，换组信号x1=a0,x2=c1。第一组气源y1供气给行程阀a1、b1、c1；第二组气源y2供气给行程阀c0、b0、a0。但是，由于a0是程序的第一个执行信号，为了保证起动时有信号，a0与q串联后由公共汽源供气。第二步，绘制气动控制回路，如所示。
绘制原则同前规定，这里把供气回路画在控制回路的下方，便于画管路，连接清楚。在供气回路和控制回路之间画供气管路，并标上组号y1、y2。按程序要求a1(B1)、b1(C1)、c1(C0)、…、b0(A0)，把各行程阀的输出与相应的主控阀口相连。行程阀的气源与所在的分组供气相连，a1、b1接y1，c0、b0接y2。换组信号a0、c1分别接在供气阀V的两侧。
A1B1C1C0B0A0的气动程序控制系统图
1.可编程控制器简介
1.可编程控制器简介图8-43PLC基本结构框图PLC主要由中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、输入输出接口电路、编程单元、电源及一些其他电路组成，基本结构如所示，各部件间均通过总线连接。
PLC按其功能和输入、输出总点数大致可分为低、中、高三个档次。低档的可编程控制器以开关量控制为主，即以逻辑控制为主，其输入、输出总点数在256点以内，具备逻辑运算与控制、计时计数、移位寄存、步进控制等功能。输入、输出点可用继电器、接触器控制或直接驱动电磁阀等元件动作。此类PLC价格低廉、体积小、适用于行程程序控制，在气动程序控制系统中得到广泛的应用。
中档可编程控制器输入、输出总点数256~2048点，除具有开关量的逻辑运算和控制功能外，还具有数值运算、模拟量输入输出和控制以及通信联网等功能，适用于开关逻辑控制和过程参数检测与调节。高档可编程控制器输入、输出总点数一般在2048点以上，具有多功能、高速度的特点，性能与工控机相近。
高档可编程控制器一般采用多处理器，并配置各种智能模块和远程I/O，网络通信功能很强，是可编程逻辑控制器和可编程过程控制器的结合。
目前，PLC已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、Robot）之一，被广泛地应用于机械、化工、石油、冶金、电力、轻纺、电子、食品、交通等领域。PLC不仅提高了生产率和自动化程度，而且推动了工业革命的进程，成为衡量一个国家工业先进水平的重要标志之一。
2. PLC工作原理及编程元件与普通微型计算机类似，PLC也由硬件和软件两大部分组成。
在软件的控制下，PLC才能正常地工作。
如果从用户的角度观察，可以这样来理解PLC的工作过程：PLC将从输入单元得到的信号，按程序要求作一系列处理运算，将运算结果转换成所需的控制信号，经输出单元去驱动执行元件，实现对被控对象的控制。
上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。
PLC的扫描周期通常为几十毫秒。
为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成采集信号——逻辑运算——输出控制三步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器的通信等。因此，完整的PLC工作过程如所示，此过程不断反复循环，直到接收到停机命令，或因停电、出现故障等才停止工作。
图8-44PLC工作过程如前所述，PLC是一种专用微机，但用它来实现继电器-接触器控制系统的功能时，就不必从计算机的角度去研究，而可以将PLC的内部结构等效为一个继电器系统。在这个系统中有很多存储器，每个存储器单元由8位触发器组成，一个触发器等效为一个继电器，这种等效继电器的通断由软件控制，故也可称作软继电器。用户使用这些软继电器，通过编程可以实现所需要的逻辑控制功能。
PLC常用编程元件
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为了使用方便，把各种软继电器按功能分类，并赋予其固定的代号，将所有的软继电器，统称为编程元件。不同系列的PLC所含的编程元件种类、代号、地址不一样，等效继电器的数目不等，地址编号也不尽相同，同一个系列不同型号的PLC所含的编程元件种类、代号、地址也各不相同，但就总体上来说是类似的。为叙述问题简便起见，这里规定了一些PLC常用编程元件的功能及地址编号如表8-26。
工程实践中，当采用的是某一特定型号的PLC时，只需作相应的变动即可。表8-26PLC常用编程元件功能及编号地址编号功能编程元件代号X000，X001，X002，X003，…PLC与输入设备的接口单元，其线圈与输入端子相连，通断电取决于输入信号，不受程序指令的控制输入继电器XY000，Y001，Y002，Y003，…输出控制信号驱动执行元件。
有一对主触点与输出端子相连，其余触点供内部编程用输出继电器YM000，M001，M002，M003，…存放逻辑运算的中间结果，只能用于内部编程，不对外辅助继电器MS000，S001，S002，S003，…均为断电保护继电器状态继电器ST000，T001，T002，T003，…用于产生一个延时的通/断电信号定时器TC000，C001，C002，C003，…具有自动统计计数器线圈通断电次数的功能。
计数器可串联使用以增大计数范围计数器C
3. PLC基本逻辑指令及编程方法PLC指令系统由基本逻辑指令和功能指令（或称应用指令）组成。基本逻辑指令主要用于逻辑运算和控制，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法；功能指令则用于数据高速处理、数据传送、算术运算、高速计数及模拟量数据处理等。这里主要介绍在气动行程程序控制系统设计中用得较多的基本逻辑指令。基本逻辑指令基本逻辑指令其编程示例见表8-27。
示例中采用了梯形图和指令语句表两种编程语言，因为，用助记符形式表示机器的操作命令，也是PLC编程常用的方法。
基本逻辑指令编程示例逻辑功能
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基本逻辑指令编程示例逻辑功能说明逻辑功能图形符号指令LD X000；取X000的状态OR X001；动合触点并联OUT Y010；从Y010输出LD X001；取X001的状态AND X001；动合触点串联联ORI X002；动断触点并联OUT Y020；从Y020输出LDI X000；取动断触点X000的状态ANI Y010；动断触点串联OUT Y030；
从Y030输出将动合触点与母线串联取指令LD将动断触点与母线串联取反指令LDI在原电路上串联一个动合触点与指令AND在原电路上并联一个动断触点与非指令ANI在原电路上并联一个动合触点或指令OR在原电路上并联一个动断触点或非指令ORI驱动Y、M、T等编程元件的线圈输出指令OUT
LD X000；组成第一个电路块OR M000LD X001；组成第二个电路块OR M0001ANB；两电路块串联LD X002；组成第三个电路块OR M0002ANB；串联到前面电路上LD X003；组成第四个电路块OR M0003ANB；串联到前面电路上OUT Y010在原电路上串联一个电路块，该指令是独立指令，无目标器件电路块与指令ANBLD X000R M000；
当X000导通时，M0000复位并保持LD X001S M000；当X001导通时，M0000置位并保持令编程元件断开并保持断态不变复位指令R令编程元件接通并保持通态不变置位指令S
编程示例逻辑功能说明逻辑功能图形符号指令LD X000；第一条支路AND M0000LD X001；第二条支路AND M0001ORB；两条支路并联LD X002；第三条支路AND M0002ORB；并联到前面电路上LD X003；第四条支路AND M003ORB；并联到前面电路上OUT Y010在原电路上并联一个电路块，该指令是独立指令，无目标器件电路块或指令ORB
LD X000OUT T000；起动定时器K 20；预置延迟时间LD T000OUT Y010；
延时输出通电延时：输入接通，延时一段时间后输出才接通定时器指令，在T的OUT指令后，必须紧跟设定常数K，常数也占一条指令OUT TLD X000 LD Y010OR Y010 ANI X000ANI T000 OUT T000OUT Y010 K 10断电延时：输入断开，延时一段时间后输出才断开LD X000 PLS M000将辅助继电器M的长信号转变成一个脉冲信号脉冲输出指令，又称微分输出指令PLS结束程序重新从头开始扫描结束程序END
步进功能指令及其编程对于控制要求比较高的场合，一般采用状态转移图方法设计PLC用户程序。即将整个控制过程划分为若干状态步，每步实现相应的局部操作，并为顺序转换到下一步创造条件。这样，PLC就按步进方式执行整个用户程序。状态转移图如所示。图中主干框为“状态A”，右边的“操作A”为该状态中所规定的操作。
“条件A”为进入状态A的条件，“条件B”为顺序进入下一状态的转换条件，它们分别用在顺序指向竖线中加一短横线及文字说明表示。PLC就按步进方式状态A转移到状态B再转移到状态C等。图8-45状态转移图示例
状态转移图示例步进梯形图是根据状态转移图设计的一种梯形图，采用所示图形符号表示，另外用表示步进接点，其指令用STL表示。对应步进梯形图的指令为步进指令，即STL指令。STL后的接点用LD/LDI指令连接，即STL具有主控功能，当状态从某一状态转移到另一状态时，前一状态自动复位，也就是STL提供了转移源自动复位功能。与步进接点指令相对应的是步进返回指令RET。
STL/RET指令用于步进接点的驱动和步进返回。STL步进接点的通断由其对应的状态继电器决定。STL步进接点只有动合接点，无动断接点。步进指令用法如所示。
步进指令示例a）状态图b）梯形图
与对应的控制程序为：地址号所对应的等效继电器指令程序步号地址号所对应的等效继电器指令程序步号S001S10X000LD0S001STL11S000S1Y011OUT12S000STL2X003LD13Y010OUT3S002S14X100LD4RET15X101OR5X004LD16T000OUT6Y012OUT1710K7S002STL18X001LD8ENDT000AND9
4. PLC控制系统的开发步骤用可编程控制器完成对行程程序的自动控制，可以采用如所示的设计步骤进行。从可看出，应用可编程控制器的设计任务分为硬件设计和软件设计两部分。图8-47PLC控制系统设计流程框图
5. PLC控制系统设计举例——钻孔动力头的控制所示流程表示某机械加工自动线中一个钻孔动力头的工艺流程。图中，ST1~ST3为限位开关，SB为起动按钮，YV1~YV3为电磁阀，KT为延时继电器。工艺流程图与动作顺序表开始时，动力头在原位，压着限位开关原点ST1，即ST1闭合。图8-48钻孔动力头工艺流程图当按下起动按钮SB后，电磁阀YV1动作，动力头快进；
接近工件时，碰上限位开关ST2，ST2闭合，电磁阀YV2得电动作，动力头转为工进；工进到位，碰上限位开关ST3，则YV1、YV2断电，动力头停止前进；延时继电器KT接通，设延时ls，延时到电磁阀YV3得电，动力头退回，当退回到原位时，碰着ST1，此时，YV3断电，动力头停止在原位上。每按一下起动按钮，重复一次上述循环过程。
钻孔动力头的动作顺序
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钻孔动力头的动作顺序如所示。输入条件中，ST1·SB表示ST1与SB同时闭合；在输出栏中，“+”表示电磁阀通电，“-”表示电磁阀断电。表8-28钻孔动力头的动作顺序表输出输入条件步序YV3YV2YV1---ST1原位--+ST1·SB快进-++ST2工进---ST3延时+--ST3·KT退回---ST1原位
现场器件与PLC内部等效继电
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根据动作顺序表选定与各开关、电磁阀等现场器件相对应的PLC内部等效继电器地址编号，其对照表如所示。现场器件与PLC内部等效继电器地址编号的对照表继电器K1、K2、K3、K4、K5对应于内部辅助继电器M001~M005，延时继电器KT对应于时间继电器T000。
表8-29现场器件与PLC内部等效继电器对照表说明内部等效继电器地址编号说明现场器件动力头原位X001ST1输入动力头快进到位X002ST2动力头工进到位X003ST3起动按钮X004SB动力头快进、工进X011YV1输出动力头工进X012YV2动力头退回X013YV3
画出钻孔动力头强电控制梯形图
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根据画出钻孔动力头强电控制梯形图如所示。钻孔动力头强电控制梯形图钻孔动力头强电控制梯形图钻孔动力头可编程控制梯形图梯形图根据钻孔动力头强电控制梯形图，可以作出适于编程的可编程控制梯形图如所示。系统控制程序根据可编程控制梯形图写出系统控制程序，其指令语句表如所示。
钻孔动力头控制程序指令语句表
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钻孔动力头控制程序指令语句表地址号所对应的等效继电器指令程序步号地址号所对应的等效继电器指令程序步号M0005OUT14X001LD1T000OUT15M0001OUT21K16X004LD3T000LD17M0001AND4M0004OR18M0002OR5M0001ANI19M0005ANI6M0002LD20M0002OUT7Y011OUT21X002LD8M0003LD22M0003OR9Y012OUT23M0005ANI10M0004LD24M0003OUT11Y013OUT25C003LD12END26M0004ANI13
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