第九章 液压系统的设计与计算.ppt

2020 2 20 机械工程学院机自教研室 1 第九章液压系统的设计与计算 液压传动及控制 9 1液压系统的设计原则和依据 概述 液压系统设计是整机设计的重要组成部分 是实现整个系统液压控制部分的关键 设计主要包括液压系统工况分析和系统的确定 液压系统参数的确定 液压系统图的拟定 液压元件的计算和选取等 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 9 1液压系统的设计原则和依据 设计原则 资源最佳利用率原则能量损耗最少原则环保原则 1 尽量不用有毒有害的原材料 2 工作介质污染控制 3 液压系统噪声控制 技术先进性原则集成化 模块化原则 9 1液压系统的设计原则和依据 设计依据 设计要求是进行工程设计的主要依据 设计前必须把主机对液压系统的设计要求和与设计相关的情况了解清楚 一般要明确下列主要问题 1 主机用途 总体布局与结构 主要技术参数与性能要求 工艺流程或工作循环 作业环境与条件等 2 液压系统应完成哪些动作 各个动作的工作循环及循环时间 负载大小及性质 运动形式及速度快慢 各动作的顺序要求及互锁关系 各动作的同步要求及同步精度 液压系统的工作性能要求 如运动平稳性 调速范围 定位精度 转换精度 自动化程度 效率与温升 振动与噪声 安全性与可靠性等 3 液压系统的工作温度及其变化范围 湿度大小 风沙与粉尘情况 防火与防爆要求 安装空间的大小 外廓尺寸与质量限制等 4 节能 环保方面的要求 如油液污染 系统噪声污染等 5 经济性与成本等方面的要求 只有明确了设计要求及工作环境 才能使设计的系统不仅满足性能要求 并且具有较高的可靠性 良好的空间布局及造型 9 2设计步骤和方法 概述 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 实际设计工作中 大体上可按右图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 9 2设计步骤和方法 明确设计要求 设备对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据 因此设计开始 首先必须搞清下列问题 1 设备概况1 设备的用途 总体布局 主要结构 技术参数与性能要求 2 设备对液压装置在位置布置和空间尺寸以及质量上的限制 3 设备的工艺流程或工作循环 作业环境等 9 2设计步骤和方法 明确设计要求 2 液压系统的任务与要求1 液压系统应完成的动作 液压执行元件的运动方式 移动 转动或摆动 及其工作范围 2 液压执行元件的负载大小及负载性质 运动速度的大小及其变化范围 3 液压执行元件的动作顺序及联锁关系 各动作的同步要求及同步精度 4 对液压系统工作性能的要求 如运动平稳性 定位精度 转换精度 自动化程度 工作效率 温升 振动 冲击与噪声 安全性与可靠性等 5 对液压系统的工作方式及控制方式的要求 9 2设计步骤和方法 明确设计要求 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 9 2设计步骤和方法 执行元件的工况分析 指执行元件负载分析与运动分析 1 负载分析是拟定液压系统方案 选择或设计液压元件的依据 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 9 2设计步骤和方法 执行元件的工况分析 2 运动分析即对液压执行件一个工作循环中各阶段的运动速度变化情况进行分析 并画出速度循环图 9 2设计步骤和方法 执行元件主要参数 执行元件主要参数是指压力和流量 这是系统计算 元件选择 系统验算的依据 初选执行元件的工作压力确定执行元件的主要结构参数复算执行元件的工作压力执行元件的工况图 9 2设计步骤和方法 系统原理图的拟定 液压系统原理图设计 根据主机的工作情况 主机对液压系统的技术要求 液压系统的工作条件和环境条件以及成本 经济性 供货情况等诸多因素 进行全面 综合的设计 从而拟定出一个各方面比较合理的 可实现的液压系统的方案 内容包括 执行元件形式的分析与选择油路循环方式的分析与选择油源类型的分析与选择液压回路的分析 选择与合并 9 2设计步骤和方法 执行元件的形式 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 可按下表来选择 9 2设计步骤和方法 执行元件的形式 9 2设计步骤和方法 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下表 9 2设计步骤和方法 油源类型的分析与选择 液压系统油源类型的选择 应在分析下列因素后确定 1 根据系统工作压力的高低 选择液压泵的压力等级和结构形式 2 根据油源输出流量变化的大小和系统节能的要求 选择用定量泵还是变量泵 3 根据执行元件的多寡和系统工作循环中压力 流量的变化情况 选择单泵供油还是多泵供油 4 根据系统对油源综合性能的要求 选择泵的控制方式 是限压式 恒压式 恒流量式 还是恒功率式等等 9 2设计步骤和方法 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 参考下表进行分析比较 最后选出合适的调速方案 9 2设计步骤和方法 液压基本回路的分析与选择 这里是指除调速回路以外的液压基本回路 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经过分析 评比挑选出来的 选择液压回路一般可按如下步骤进行 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 9 2设计步骤和方法 液压基本回路的分析与选择 选择一些主要液压回路时 还需注意以下几点 1 调压回路的选择主要决定于系统的调速方案 在节流调速系统中 一般采用调压回路 在容积调速和容积节流调速或旁路节流调速系统中 则均采用限压回路 一个油源同时提供两种不同工作压力时 可以采用减压回路 对于工作时间相对辅助时间较短而功率又较大的系统 可以考虑增加一个卸荷回路 2 速度换接回路的选择主要依据换接时位置精度和平稳性的要求 同时还应结构简单 调整方便 控制灵活 3 多个液压缸顺序动作回路的选择主要考虑顺序动作的可变换性 行程的可调性 顺序动作的可靠性等 4 多个液压缸同步动作回路的选择主要考虑同步精度 系统调整 控制和维护的难易程度等 9 2设计步骤和方法 动力元件的选择 9 2设计步骤和方法 阀类元件的选择 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 选择液压控制元件的主要依据和应考虑的问题见下表 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 9 2设计步骤和方法 辅助元件的选择 蓄能器的选择过滤器的选择油箱的设计冷却器的选择加热器的选择管件的选择 9 2设计步骤和方法 阀类元件配置形式的选择 目前 阀类元件的配置形式广泛采用集成式配置的形式 9 2设计步骤和方法 系统性能验算 1 系统压力损失的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 2 系统发热与温升的验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 9 2设计步骤和方法 绘制工作图 一 绘制工作图 一 绘制液压系统图在图上应注明各元件的规格 型号以及压力 流量调整值 并附有执行元件的工作循环图 控制元件的动作顺序表和简要说明 二 绘制液压系统装配图液压系统的装配图是正式安装 施工的图样 包括油箱装配图 液压泵装置图 油路装配图和管路装配图等 在管路装配图中要标明液压元 部件的位置和固定方式 油管的规格尺寸和布管情况以及各种管接头的形式和规格等 液压专用件或阀块须画出装配图和专用零件图 二 编制技术文件 9 2设计步骤和方法 绘制工作图 完成液压系统设计时 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 5 控制油路是否可靠 当直接从主油路上引出控制油路时 应保证控制油路始终具有一定的压力 包括系统卸荷时 9 2设计步骤和方法 绘制工作图 6 系统测压点的分布是否合理 正确 通常 测压点应设在 液压泵的出口 溢流阀的入口油路上 减压阀或增压器的出口油路上 顺序阀或背压阀入口油路上 压力继电器或过滤器的前油路上 液压执行元件的进 出油口处 润滑油路 控制油路上 7 系统是否有工作介质的净化装置 液压系统中都应设置一般的粗 精过滤器或磁性过滤器 对要求特别高的系统 还需设置旁路净化系统 8 系统工作的可靠性如何 对可靠性要求特别高的系统 需设置备用元件或备用回路 9 系统是否需要设置冷却 加热装置 9 3液压系统设计计算实例 系统设计计算举例 大型塑料注射机目前都是全液压控制 其基本工作原理是 粒状塑料通过料斗进入螺旋推进器中 螺杆转动