第九章 设计与计算

液压系统的设计步骤 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 教学要求 本章目录 重点难点 教学要求 掌握液压系统设计步骤与计算方法 能够使用液压手册及相应参数表选取参数 能够根据工况要求选取合适的液压元件 能够根据系统工况要求设计出简单的液压系统 并绘制出合理的液压回路图 重点难点 液压系统设计步骤与计算方法 选取相应参数及合适的液压元件 设计简单的液压系统 绘制出合理的液压回路图 本章目录 第一节液压系统设计步骤和方法 第二节液压系统设计计算实例 1 系统原理图2 元件明细表3 系统计算书 4 非标准件结构设计1 油缸参数设计2 阀板设计3 油箱及泵装置设计 设计任务 第一节液压系统设计步骤和方法 1 明确要求工况分析2 选择方案确定参数3 拟定草图选择元件4 系统验算元件参数调节5 结构设计编写技术文件 设计步骤 1 设计要求1 主机中对液压系统要求 动作 2 主机运动对液压系统运动要求 调速 平稳性 温升 效率 自动化程度 3 主机各运动间关联要求 互锁 同步 连锁 顺序等要求 4 主机工作环境 温度 湿度 经济性和外观尺寸 明确要求工况分析 2 工况分析执行元件负载分析与运动分析1 运动行程 工况要求 2 负载分析 工作负载 惯性负载 摩擦负载和背压负载等 3 运动 速度 分析 运动速度 快 工进速度 速度差 4 分析方面 工况图 1 选择方案根据系统对动作的要求及负载的性质 输出力或转矩 确定执行元件种类及工作形式 从而确定执行元件的工作状态 为参数确定提供依据 选择方案确定参数 2 确定参数系统参数主要是压力和流量 这是系统计算 元件选择 系统验算的依据 而无论哪种参数均以保证执行元件输出工况需要为前提的 因此 参数确定主要是执行元件的参数确定 1 系统的压力p缸可用初步选取的方法 可参考同类设备选取 也可根据系统最大负载选取 2 缸的直径由结构分析确定缸工作腔和缸的形式 按选取的压力可以确定缸直径 例 无杆腔工作 以传力为主时以运动为主时要考虑D的选取情况但d D确定后要圆整为整数 3 马达排量4 缸 马达 流量缸 qx Avminqx Avmax马达 qx Vnminqx Vnmax 1 选择回路根据动作 速度或压力 要求及其他各项要求 选择液压基本回路 2 拟定草图将上述回路合并拟合后形成系统图 在拟合时注意 减少元件重复 防止干扰 分析性能 保证效率 发热少 拟定系统草图 选择基本回路 1 液压泵选择泵类型按工况要求及经济性选择 动力源计算选择元件 2 阀选择按阀实际承载的压力和实际通过的流量来选择阀的规格 按阀的动作要求和性能要求选择阀的种类 3 油箱容量确定按泵每分钟流量选择油箱容量 一般V q泵aa 低压系统 2 4中压系统 5 7高压系统 6 12 4 油管及管接头 油管按内径和壁厚选择 v 吸油0 5 1 5m s压油1 5 5m s回油1 5 2 5m s管型按承压情况选择接头按管型选择 1 压力损失验算验算后确定泵规格是否合适 然后确定各压力阀调整压力 系统验算 2 系统发热验算 按系统散热计算发热是Hi Pi PO Pi 1 按油箱面积计算油箱散热是H0H0 kA0t k为散热系数 验算 H0 Hi 合适H0 Hi 重新设计 例 设计一台卧式单面钻镗两用组合机床 其工作循环是 快进 工进 快退 原位停止 工作时最大轴向力为30kN 运动部件重为19 6kN 快进 快退速度为6m min 工进速度为0 02 0 12m min 最大行程400mm 其中工进行程200mm 起动换向时间 t 0 2s 采用平导轨 其摩擦系数f 0 1 第二节液压系统设计计算实例 1 工况分析 1 负载分析由工作负载Fw 30kN 重力负载FG 0 按启动换向时间和运动部件重量 F t m v2 v1 计算得到惯性负载Fa 1000N 摩擦阻力Ff 1960N 取液压缸机械效率 m 0 9 则液压缸工作阶段的负载值见表 2 速度分析由快进 快退速度为6m min 工进速度范围为20mm min 120mm min 按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图 略 表 液压缸在各工作阶段的负载值工作循环计算公式负载f N 起动加速F Ff Fa m3289快进F Ff m2178工进F Ff Fw m35511快退F Ff m2178 2 确定参数 1 初选液压缸的工作压力由最大负载值查教材中表9 3 取液压缸工作压力为4MPa 2 计算液压缸结构参数为使液压缸快进与快退速度相等 选用单出杆活塞缸差动连接的方式实现快进 设液压缸两有效面积为A1和A2 且A1 2A2 即d 0 707D 为防止钻通时发生前冲现象 液压缸回油腔背压p2取0 6MPa 而液压缸快退时背压取0 5MPa 由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程p1A1 p2A2 F 可得 A1 F p1 0 5p2 35511 4 106 0 5 0 6 106 cm2 96cm2液压缸内径D就为 D 11 06cm对D圆整 取D 110mm 由d 0 707D 经圆整得d 80mm 计算出液压缸的有效工作面积A1 95cm2 A2 44 77cm2 工进时采用调速阀调速 其最小稳定流量qmin 0 05L min 设计要求最低工进速度vmin 20mm min 经验算可知满足教材中式 9 1 要求 3 计算液压缸在工作循环各阶段的压力 流量和功率值差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔压力 取两腔间回路及阀的压力损失为0 5MPa 则p2 p1 0 5MPa 计算结果见表 由教材中9 5表即可画出液压缸的工况图 略 3 拟定液压系统图 1 选择基本回路 1 调速回路 因为液压系统功率较小 且只有正值负载 所以选用进油节流调速回路 为有较好的低速平稳性和速度负载特性 可选用调速阀调速 并在液压缸回路上设置背压 2 泵供油回路 由于系统最大流量与最小流量比为156 且在整个工作循环过程中的绝大部分时间里泵在高压小流量状态下工作 为此应采用双联泵 或限压式变量泵 以节省能源提高效率 3 速度换接回路和快速回路 由于快进速度与工进速度相差很大 为了换接平稳 选用行程阀控制的换接回路 快速运动通过差动回路来实现 4 换向回路 为了换向平稳 选用电液换向阀 为便于实现液压缸中位停止和差动连接 采用三位五通阀 5 压力控制回路 系统在工作状态时高压小流量泵的工作压力由溢流阀调整 同时用外控顺序阀实现低压大流量泵卸荷 2 回路合成对选定的基本回路在合成时 有必要进行整理 修改和归并 具体方法为 1 防止工作进给时液压缸进油路 回油路相通 需接入单向阀7 2 要实现差动快进 必须在回油路上设置液控顺序阀9 以阻止油液流回油箱 此阀通过位置调整后与低压大流量泵的卸荷阀合二为一 3 为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱 应增设单向阀 4 设置压力表开关及压力表 合并后完整的液压系统如图所示 4 液压元件的选择 1 液压泵及驱动电机功率的确定 1 液压泵的工作压力已知液压缸最大工作压力为4 02MPa 取进油路上压力损失为1MPa 则小流量泵最高工作压力为5 02MPa 选择泵的额定压力应为pn 5 02 5 02 25 6 27MPa 大流量泵在液压缸快退时工作压力较高 取液压缸快退时进油路上压力损失为0 4MPa 则大流量泵的最高工作压力为1 79 0 4 2 19MPa 卸荷阀的调整压力应高于此值 工作循环计算公式负载回油背压进油压力输入流量输入功率FkNp2MPap1MPaq110 3m3 sPkW快启动加速p1 F A2 p2 p1 32891 10 A1 A2q1 A1 A2 v1p2 p1 0 5进恒速P p1q121780 880 500 44p1 F A2p20 00310 012工进A1q1 A1v1355110 64 02P p1q1 0 019 0 076快启动加速p1 F A1p232891 79 A2q1 A2v10 5退恒速P p1q121781 550 4480 69 表 液压缸工作循环各阶段压力 流量和功率值 2 液压泵流量取系统的泄漏系数K 1 2 则泵的最小供油量为 qp Kq1max 1 2 0 5 10 3m3 s 0 6 10 3m3 s 36L min由于工进时所需要的最大流量是1 9 10 5m3 s 溢流阀最小稳定流量为0 05 10 3m3 s 小流量泵最小流量为 qp1 Kq1 0 05 10 3m3 s 7 25 10 5m3 s 4 4L min 3 确定液压泵规格对照产品样本可选用YB1 40 6 3双联叶片泵 额定转速960r min 容积效率 v为0 9 大小泵的额定流量分别为34 56和5 43L min 满足以上要求 4 确定液压泵驱动功率液压泵在快退阶段功率最大 取液压缸进油路上压力损失为0 5MPa 则液压泵输出压力为2 05MPa 液压泵的总效率 p 0 8 液压泵流量40L min 则液压泵驱动调集所需的功率为 P ppqp p 2 05 106 40 10 3W 1708W据此选用Y112M 6 B5立式电动机 其额定功率为2 2kW 转速为940r min 液压泵输出流量为33 84L min 5 33L min 仍能满足系统要求 2 元件 辅件选择根据实际工作压力以及流量大小即可选择液压元 辅件 略 油箱容积取液压泵流量的6倍 管道由元件连接尺寸确定 5 系统油液温升验算 系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段 所以可按工作状态来计算温升 小流量泵工作状态压力为5 02MPa 流量为0 33L min 经计算其输入功率为557W 大流量泵经外控顺序阀卸荷 其工作压力等于阀上的局部压力损失数值 pv 阀额定流量为63L min 额定压力损失为0 3MPa 大流量泵流量为33 84L min 则 pv 0 3 106 Pa 0 1 106Pa大流量泵的输入功率经计算为70 5W 液压缸的最小有