东北大学液压-第九章.ppt

液压传动系统的设计是整机设计的一部分 它除了应符合主机动作循环和静 动态性能等方面的要求外 还应当满足结构简单 工作安全可靠 效率高 寿命长 经济性好 使用维护方便等条件 液压传动系统的设计没有固定的统一步骤 根据系统的简繁 借鉴的多寡和设计人员经验的不同 在做法上有所差异 各部分的设计有时还要交替进行 甚至要经过多次反复才能完成 第九章液压系统的设计计算 目录 9 1明确设计要求和进行工况分析 一 明确液压系统的任务与要求 1 液压系统应该完成的运动方式 移动 转动或摆动 2 液压执行元件承受负载的大小和性质 运动速度的大小和变化范围 3 液压执行元件的动作顺序和联锁关系 各动作的同步要求 4 液压系统的自动化程度 运动平稳性 定位精度 工作效率 安全性和可维护性等 5 液压系统的工作环境 如环境的温度 湿度 尘埃和外界振动等 6 液压系统的成本核算 液压缸承受的负载由六部分组成 1 工作负载Fw 2 导轨摩擦负载Ff 3 惯性负载Fi 4 重力负载Fg 5 密封负载Fs 6 背压负载Fb 二 动力参数分析 不同的机器有不同的工作负载 工作负载与液压缸运动方向相反时为正值 方向相同时为负值 导向摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力 惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力 其值可按牛顿第二定律求出 1 工作负载Fw 2 导轨摩擦负载Ff 3 惯性负载Fi 密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力 一般通过液压缸的机械效率加以考虑 常取机械效率值为0 90 0 97 背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力 4 重力负载Fg 5 密封负载Fs 6 背压负载Fb 液压缸上行时重力取正直 反之取负值 液压缸各个主要工作阶段的机械负载F可按下列公式计算 空载启动加速阶段 快速阶段 工进阶段 制动减速 三 运动参数分析 结构参数的确定是指根据执行元件工作压力和最大流量确定执行元件的排量或油缸面积 9 2执行元件主要参数的确定 确定执行元件的主要结构参数 以缸为例 主要结构尺寸指缸的内径D和活塞杆的直径d 计算后按系列标准值确定D和d 对有低速运动要求的系统 尚需对液压缸有效工作面积进行验算 即应保证 9 1 验算结果若不能满足式 9 1 则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需要的最低速度 必须修改设计 式中 A 液压缸工作腔的有效工作面积 控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量 液压缸要求达到的最低工作速度 复算执行元件的工作压力 当液压缸的主要尺寸D d计算出来以后 要按系列标准圆整 有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算 在按上述方法确定的工作压力还没有计算回油路的背压 所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需要的那部分压力 在结构参数D d确定之后 取适当的背压估算值 即可求出执行元件工作腔的压力 对于单杆液压缸 其工作压力P可按下列公式复算 有杆腔进油阶段 式中 F 液压缸在各工作阶段的最大机械总负载 分别为缸无杆腔和有杆腔的有效面积 液压缸回油路的背压 无杆腔进油工进阶段 9 3系统原理图的拟定 在上述工作的基础上可以考虑拟定液压系统 其内容包括 油路循环方式的选择 调速方案的选择 液压基本回路的选择与合成 液压系统原理图的拟定 这项工作是设计过程中的重要一步 它涉及到设计者对液压传动基础知识的掌握程度和经验的多少 是液压系统的结构 功能 行为与最终设计要求之间的综合 因此应该明确下列问题 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 一般来说 凡可安放较大油箱 要求系统结构简单 采用节流调速或容积 节流调速的系统 均宜采用开式系统 凡允许采用辅助泵进行补油对工作效率有较高要求 采用容积调速的系统 均宜采用闭式系统 依据液压执行元件的负载特性 调速范围和经济性选择调速方案 调速方案对主机性能起着决定性的作用 3 根据液压系统的工况分析选择液压基本回路 1 液压系统普遍具有的基本回路 调压回路 换向回路 卸荷回路和安全回路 2 根据负载性质考虑设置平衡回路 制动回路和缓冲回路等 3 如果有多个执行元件 要考虑设置顺序动作回路 同步回路 互锁回路 4 有些系统还需要设置速度换接回路 增速回路 增 减 压回路 锁紧回路 卸压回路等 5 辅助油路是必要的 如控制油回路 润滑油回路 测压回路等 4 拟定液压系统原理图时应该考虑下面一些问题 1 整个系统合成后 各液压回路之间是否会产生干扰 2 合成后有无重复的元件或回路可以去掉或合并 3 拟定的系统能否实现所要求的各项功能 4 液压系统是否有工作介质的净化装置 5 液压系统是否需要冗余技术来提高可靠性 6 液压系统是否需要设置加热 冷却装置 9 4元件的计算和选择 1 动力元件的选择 1 确定液压泵的最大工作压力pp式中 p1 执行元件的最高工作压力 p 从液压泵的出口到执行元件入口总的管路损失 简单系统可取 p 0 2 0 5 MPa 复杂系统可取 p 0 5 1 5 MPa 2 确定液压泵的最大流量qp式中 K 考虑系统泄漏和溢流阀保留最小溢流量 约为额定流量的15 的系数 一般取K 1 1 1 3 qmax 同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值 当系统中有蓄能器时 泵的最大供油量为一个工作循环中执行元件的平均流量与回路泄漏量之和 3 确定液压泵的规格型号和驱动电机功率液压泵的类型可以根据实际工况和液压泵的最大工作压力选取 然后根据液压泵的最大流量确定其型号 值得注意的是 泵的额定压力应该比上述最大工作压力高25 50 以留有压力储备 额定流量则只需满足上述最大流量即可 液压泵的规格型号确定以后 驱动液压泵的电机功率可以按下式计算 式中 pp 液压泵的进 出口压力之差 qp 液压泵的实际流量 p 液压泵的总效率 限压式变量叶片泵驱动电机的功率可按该泵流量 压力曲线拐点处的流量和压力计算 应该注意 驱动液压泵的电机除了在功率上要满足泵的需要以外 电机的转速也要与泵的额定转速相符合 即泵的实际转速不应高于其额定转速 2 控制调节元件的选择 1 溢流阀的选择直动式溢流阀的响应快 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 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 并注意其最小稳定流量 一般来说 溢流阀的最小稳定流量为额定流量的15 以上 2 流量阀的选择中 低压流量阀的最小稳定流量一般为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 高精度流量阀约需1MPa的压差 要求速度稳定性高的系统 可选用温度补偿型调速阀 3 单向阀的选择选择开启压力小的作为单向阀 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 可优先选用 4 换向阀的选择按通过阀的流量来选择换向阀类型 一般来说 流量在190L min以上时宜用二通插装阀 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 换向平稳 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 尽可能选用直流湿式电磁换向阀 此外 在某些场合还应考虑选用安全防爆型 无冲击型等电磁铁 3 辅助元件的选择 1 蓄能器的选择蓄能器是依据其容量和工作压力来选用的 在液压系统中 蓄能器可用作辅助动力源以及贮存压力能 减小压力冲击或压力脉动 可以根据其不同作用来确定其工作容积 蓄能器的选择可以参阅相关手册 2 过滤器的选择过滤器是保持工作介质清洁 使液压系统正常工作所不可缺少的辅助元件 过滤器是依据其通流能力 过滤精度 承压能力等性能来选择的 选择时应注意以下问题 1 过滤器的通流能力应为液压泵流量的两倍 过滤器应在较长时间内保持这种通流能力 当通流能力过低时能自动显示或报警 2 滤心要有足够的耐压强度和抗腐蚀性 要方便清洗和更换 3 热交换器的选择热交换器指的是冷却器和加热器 它们的作用是把油温控制在规定范围之内 冷却器 加热器分别根据其散热面积和加热功率来选择 选择时可参阅有关技术手册和产品样本 值得注意的是 单个加热器的功率不能选的太大 防止局部油温上升太快造成变质 如果功率不够 可以多装几个加热器 加热管部分应全部浸入液压油中 4 管件的选择管件包括油管和管接头 它们关系到液压系统的工作性能和能量损失的大小 管件的选择要考虑强度和允许流速两方面的问题 一般情况下 油管的直径多由所连接的液压元件接口处尺寸决定 强度校核只用于一些重要管路 选择管接头时 除了要求有合适的通流能力和较小的压力损失外 还应考虑便于装卸 连接牢固 密封可靠等问题 5 密封件的选择密封元件是用来防止工作介质泄漏及外界灰尘和异物的侵入 对于提高液压系统的工作性能和使用寿命具有重要作用 由于影响密封性能的因素很多 致使在选择密封件时要考虑很多问题 比如工作介质的温度 压力 种类 粘度 密封结合面的相对运动速度 密封部位的加工质量和装配质量等 密封装置的设计和密封件选择的基本要求如下 1 能随着工作压力的增大自动提高其密封性能 2 密封件物性稳定 耐磨 使用寿命长 3 动密封的动 静摩擦系数小且稳定 4 密封装置工艺性好 维护方便 6 压力检测元件的选择压力表和压力表开关是常用的压力检测元件 可以提供系统工作状态信息和压力指令信号 压力表按工作压力和精度选择 实际压力在压力表满量程的2 3处比较合适 精度根据实际需要确定 压力表开关的选择除了考虑工作压力范围以外还应考虑灵敏度 重复精度等 7 油箱的设计油箱在液压系统中起着重要作用 它不仅贮存供液压系统循环使用的油液 还有散热 释放混在油液中的气体 为液压元件的安装提供位置等功能 油箱的结构和容积计算在已做过说明 这里只说明设计过程中值得注意的一些问题 1 油箱容积是指油面高度为油箱高度80 时的油箱有效容积 2 油箱中的最低液面应高于泵的吸油口75mm或1 5倍管径 取二者中的最大值 油箱中的最高液面不应超过油箱高度的80 3 在吸油管和回油管之间设置隔板 以增加油液循环距离 使油液有足够的时间和空间来分离气泡和散热 隔板高度约为油箱中最低液面的2 3 吸油管离油箱底的距离应大于其管径的二倍 距油箱壁不小于其管径的三倍 回油管切成450 且面向箱壁 4 为防止油液污染 油箱上的盖板 管口都要妥善密封 注油器上要加过滤网 通气口上要加空气滤清器 其容量至少为液压泵额定流量的2倍 5 为了便于散热和搬移 油箱底部离地面至少有150mm 箱底要适当倾斜 在最底部设置放油阀排放污油 要考虑便于各部件的更换 维护 便于油箱的清洗 6 油箱内壁应涂防锈涂料 4 阀类元件的配置 9 5系统性能验算 1 压力损失验算 式中 p1 p2 分别为系统进 回油路上总的压力损失 A1 A2 分别为液压缸进 回油腔的有效工作面积 其中 pi pi 和 piv i 1 2 分别为进 回油路上的沿程损失 局部损失和阀口损失 式中 pin i 1 2 分别为进 回油路上阀的额定压力损失 由产品样本中查到 qi qin i 1 2 分别为进 回油路上阀的实际流量和额定流量 阀口上的压力损失为 由此得出系统压力 泵的出口压力 为 式中 p1 液压缸工作腔压力 2 总效率的验算 液压系统的总效率 是液压泵的效率 p 回路效率 c和液压执行元件效率 m的乘积 即液压泵和液压执行元件的效率可从手册中查到 回路效率计算如下 式中 p1 q1 同时动作的液压执行元件的工作压力和输入流量 pp qp 同时供油的液压泵的工作压力和输出流量 3 发热升温的验算 液压系统中的各种能量损失都将转化为热量 使系统工作温度升高 从而产生很多不利影响 系统中的热源主要来自液压泵 液压执行元件和一些阀口 管路的功率损失通常可以忽略不计 液压系统总的发热功率 P为或式中 Pp Pe 分别为液压泵的输入功率和液压执行元件的有效功率 式中 K 油箱的散热系数 A 油箱的散热面积 t1 t2 分别为工作介质温度和环境温度 由于管路的发热量与其散热量基本平衡 所以 液压系统的自然散热主要由油箱表面实现 因此 散热功率可以计算如下 当上式的计算结果高出表中数值时 就要设法增大油箱散热面积或增设冷却装置 当系统的发热功率等于其散热功率时 系统达到热平衡 此时系统的温升为 油箱的散热面积A为当油箱三个边的比例在1 1 1到1 2 3之间 液面高度为油箱高度的80 且油箱通风良好时 油箱散热面积还可以估算如下 式中 V 油箱的有效容积 当系统需要设置冷却装置时 冷却器的散热面积Ac为式中 Kc 冷却器的散热系数 由产品样本查出 tm 平均温升 tj1 tj2 工作介质的进 出口温度 tw1 tw2 冷却水 或风 的进 出口温度 9 6绘制正式工作图和编制技术 所设计的液压系统经过验算和修改后 可以绘制正式的工程图和编制技术文件 工程图包括按国家标准绘制的液压系统原理图 液压系统装配图 非标准件的装配图和零件图 在液压系统原理图中应有液压元件明细表 表中表明各液压元件的规格 型号和相应的调整值 一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表 液压系统装配图关系到整个系统的布置和管路施工 要有油箱的装配图 液压泵站的装配图和管路安装图等 在管路安装图中应标明油管走向 固定装置结构 各管接头的形式和规格等 标准件 工作介质的品牌和数量等通常以表格形式给出 液压系统对其它配置的要求 如厂房 电线布置和基础施工条件等 也应明确说明 技术文件包括设计任务书 液压系统设计计算说明书 液压系统安装与调试规程 液压系统使用与维护说明书 标准件与非标准件明细表 液压系统有关的其它注意事项等 9 7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 13 9mm的孔14个 8 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 v2均为5 5m min 快进行程长度l1 100mm 工进行程长度l2 50mm 往复运动的加速度 速度时间不希望超过0 2s 动力滑台采用平导轨 其静摩擦系数fo 0 2 动摩擦系数fd 0 1 液压系统中的执行元件使用液压缸 液压系统的设计过程如下 1 分析负载 2 确定执行元件主要参数 3 确定液压系统方案和拟定液压系统原理图 4 选择液压元件 5 验算液压系统性能 6 绘制工作图和编制技术文件 1 分析负载1 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 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 13 9mm的孔 n1 360r min s1 0 147mm r 对 8 5mm的孔 n2 550r min s2 0 096mm r 代入式 9 18 得外负载Fg为 1 2惯性负载机床工作部件的总质量m 1000kg 1 3阻力负载机床工作部件对动力滑台导轨的法向力为静摩擦阻力动摩擦阻力 2 确定执行元件的主要参数由相关表可知 组合机床在最大负载约为32000N时液压系统压力取p1 4MPa比较合适 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 A1 A2 2 而活塞杆直径d与缸筒直径D成d 0 707D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 根据要求可取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 由工进时的负载值按公式计算液压缸面积 将这些直径按GB2348 80圆整成就近标准值得 D 0 11mm d 0 08mm由此求得液压缸两腔的实际有效面积为经验算 活塞杆的强度和稳定性均符合要求 3 确定液压系统方案和拟定液压系统原理图3 1确定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 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 该液压系统以采用节流调速方式和开式循环为佳 现采用节流调速回路 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 即t2 t1 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 而应采用大 小两个液压泵自动两级并联供油的油源方案 3 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 1 选择快速运动和换向回路系统中采用节流调速回路后 不管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b所示的形式 2 选择速度换接回路当滑台从快进转为工进时 输入液压缸的流量由27 64L min降至0 5L min 滑台的速度变化较大 可选用行程阀来控制速度的换接 以减少液压冲击 如c所示 当滑台由工进转为快退时 回路中通过的流量很大 为了保证换向平稳起见 应采用换向时间可调的电液换向阀式换接回路 如b所示 由于这一回路还要实现液压缸的差动连接 所以换向阀必须是五通的 3 选择调压和卸荷回路油源中的溢流阀可以调定系统工作压力 无须另设调压回路 由于系统采用进油节流调速 故溢流阀常开 同时也起到安全作用 在a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 3 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 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 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 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 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 经过修改 整理后的液压系统原理图如下所示 4选择液压元件4 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 大流量液压泵在快进 快速运动时才向液压缸输油 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 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 v 0 9 则液压泵的实际输出流量为 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 按照要求取液压泵的总效率 p 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np 940r min 4 2油管各元件间连接管道的规格按液压元件借口处的尺寸决定 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 取油液在压油管的流速v 3m s 计算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YB231 70选用内径 15mm 外径 18 2mm的15号冷拔无缝钢管 4 3油箱计算油箱容积 取经验数据 7 故其容积为按GB2876 81规定 取最靠近的标准值V 250L 5 验算液压系统性能5 1验算系统压力损失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 压力损失的验算应按一个工作循环中不同阶段分别进行 1 快进滑台快进时 液压缸差动连接 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 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 此值与原估计值基本相符 2 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 因此这时折算