第9九章液压传动系统的设计

1 第九章液压系统的设计与计算 苏州大学机电工程学院 2 本章主要介绍液压传动系统设计计算的主要内容 步骤和方法 本章是本课程液压传动部分的综合章节 重点 拟定液压系统原理图 选用液压元件 难点 液压系统选用限压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路的功率计算 计划学时 2学时 3 设计一个液压传动系统 应按下列步骤进行 1 明确设计依据 进行工况分析2 初步确定液压系统参数3 拟定液压系统图4 计算 选择或设计液压元件5 液压系统的性能验算和绘制工作图 编写技术文件 4 第一节概述 在前几章中 对液压传动的基本原理 液压元件的结构 工作原理和基本回路等进行了分析 本章的任务是应用已学基本知识来讨论液压传动系统设计 计算的步骤和方法 液压系统的设计必须重视调查研究 注意借鉴前人的经验 液压系统设计应着重解决的主要问题是满足工作部件对力和运动两方面的要求 在满足工作性能和工作可靠性的前提下 应力求系统简单 经济且维修方便 5 性能验算包括系统压力损失验算和液压系统的发热与温升验算 正式工作图一般包括正式的液压系统工作原理图 系统管路装配图和各种非标准液压元件的装配图和零件图 应该指出 在实际设计过程中 根据所设计机器的用途和掌握的资料情况 上述步骤有的可以省略 有的可以合并 同时 各设计步骤是相互联系 相互影响的 设计中往往是互相穿插 交叉进行 有时还要经过多次反复才能完成 6 设计的基本内容和一般流程如下 明确系统设计要求 分析系统工况 确定主要参数 拟订液压系统草图 选择液压元件 验算液压系统性能 绘制工作图 编制技术文件 是否符合要求 否 是 7 第二节明确系统设计要求 进行工况分析 一 明确系统设计要求1 主机的用途 主要结构 总体布局 主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制 2 主机的工作循环 液压执行元件的运动方式 移动 摆动或转动 及其工作范围 3 液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围 8 4 主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求 5 对液压系统工作性能 如工作平稳性 转换精度等 工作效率 自动化程度等方面的要求 6 液压系统的工作环境和工作条件 7 其它方面的要求 9 二 执行元件工况分析 对液压系统进行工况分析 就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中的运动速度和负载的变化规律 这是满足主机规定的动作要求和承载能力所必需具备的 分析系统工况的重要性 10 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 可由理论分析确定 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 弹性塑性变形拉力 重力等 惯性负载和阻力负载 摩擦力 背压力 等 并把它们绘成图形 11 图9 2工作循环图 图9 3速度循环图 运动分析就是分析主机按其工艺要求 以何种运动规律完成一个工作循环 要求画出速度循环图 图9 2 9 3分别为一组合机床动力滑台的工作循环图和速度循环图 一 运动分析 12 二 动力分析 1 液压缸的负载分析 1 工作阻力Ft 沿液压缸运动方向的切削分力 重力 挤压力等 2 摩擦阻力Fm 液压缸工作机构工作时所要克服的机械摩擦力 对于机床来说 既导轨摩擦阻力 它与导轨形状 放置情况以及运动状态有关 13 选最常见的两种导轨型式 图9 4 为例 14 其摩擦阻力计算公式为 对平导轨 对V形导轨 式中 FG 运动部件的总重 N 对平导轨为垂直于导轨方向上的切削分力 对V型导轨为沿V形导轨横剖面中心线方向作用于导轨上的切削分力 V型导轨的夹角 一般为90 f 摩擦系数 它有静摩擦系数和动摩擦系数之分 在机床滑动导轨上 一般fj 0 2 0 3 fd 0 05 0 1 启动时按静摩擦系数计算 运动时按动摩擦系数计算 15 3 惯性阻力Fg 工作部件在启动和制动过程中的惯性力 式中 a 工作部件的加速度 t 启动加速或减速制动的时间 对一般机床主运动 t 0 25 0 5s 进给运动 t 0 1 0 5s 磨床 t 0 01 0 05s 低速轻载运动部件取较小值 反之取较大值 v 在 t时间内的速度变化量 惯性阻力有正有负 启动时为正 制动时为负 16 4 重力FG 垂直或倾斜放置的工作部件 5 密封阻力Fmm 密封件在相对运动中产生的摩擦阻力 6 背压阻力Fb 液压缸回油路上的阻力 17 1 启动阶段 2 加速阶段 3 快进阶段 4 工进阶段 5 制动阶段 2 机床液压缸在各工作阶段总外负载Ff 的计算 式中 Fmj 静摩擦阻力Fmd 动摩擦阻力 18 当液压执行元件为液压马达时 对其负载转矩M的分析和计算 思考方法与液压缸相同 图9 5液压缸负载图 3 绘液压缸负载图 19 第三节 执行元件主要参数的确定 一 确定执行元件的类型根据工作部件所需的运动形式 速度 负载的性质和工作环境参考表9 1 确定执行元件的类型 20 表9 1常用执行元件的应用 21 二 初选执行元件的工作压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定 此外 还需要考虑以下因素 1 各类设备的不同特点和使用场合 2 考虑经济和重量因素 压力选得低 则元件尺寸大 重量重 压力选得高一些 则元件尺寸小 重量轻 但对元件的制造精度 密封性能要求高 所以 液压缸的工作压力的选择有两种方式 一是根据机械类型选 二是根据切削负载选 22 表9 2按负载大小选择液压缸工作压力 表9 3设备常用的工作压力 23 三 执行元件主要结构参数的确定 1 液压缸主要结构尺寸的确定当液压缸工作速度很低时 尚须按速度要求验算缸的有效工作面积 以满足最低稳定速度的要求 即A应满足下式 式中 A 液压缸有效工作面积 qmin 流量阀或变量泵的最小稳定量 由产品样本查得 Vmin 主机要求的最低工作速度 24 式中AjG 液压缸进油腔的有效工作面积Vmax 液压缸的最大运动速度 液压缸所需的最大流量 25 2 执行元件的工况图工况图是在执行元件结构参数确定之后 根据设计任务要求 算出不同阶段中的实际工作压力 流量和功率之后作出的 26 图9 6执行元件工况图a 压力图b 流量图c 功率图t1 快进时间t2 共进时间t3 快退时间 27 工况图的作用是 1 通过工况图找出最大压力 最大流量点和最大功率点 分析各工作阶段中压力 流量变化的规律 作为选择液压泵和控制阀的依据 2 验算各工作阶段所确定参数的合理性 例如当功率图上各阶段的功率相差太大时 可在工艺情况允许的条件下 调整有关阶段的速度 以减小系统需用的功率 当系统有多个液压缸工作时 应把各液压缸的功率图按循环要求叠加后进行分析 若最大功率点互相重合 功率分布很不均衡 则同样应在工艺条件允许情况下 适当调整参数 避开或削减功率 高峰 增加功率利用的合理性 以提高系统的效率 28 3 通过对工况图的分析 可以合理地选择系统主要回路 油源形式和油路循环形式等 如果在一个循环内流量变化很大 则不适宜采用单定量泵 也不宜采用蓄能器 而适宜采用 大小泵 的双泵供油回路或限压式变量泵供油回 以上分析 计算和调整 有利于拟定出较为合理 完善的液压系统方案 29 第四节系统原理图的拟定 一 调速方案的确定1 在小压力 小功率 2 3kW以下 工作平稳性要求不高的系统 宜采用节流阀节流调速回路 2 负载变化较大 速度稳定性要求较高的系统 宜采用调速阀节流调速回路 3 中等功率 3 5kW 温升小的系统 可采用节流调速回路或容积调速回路或采用容积 节流调速回路 要求工作平稳性好 4 高压大功率 5kW以上 系统 宜采用容积调速回路 以提高液压系统效率 在调速回路确定后 油路的循环形式基本上也就确定了 30 二 快速回路和速度换接方式的选择三 油源的选择四 其它回路的选择 31 在拟定液压系统原理图时 应尽量避免回路之间互相干扰或采用防干扰回路 在液压基本回路中 尽可能去掉相同作用的元件 力求系统简单 工作可靠 元件品种规格要少 尽量选用标准件 力求提高液压系统的工作效率 防止系统过热 防止液压冲击 采用蓄能器消除液压冲击 或在油缸进口处安装过载溢流阀及设计缓冲装置 还可以增设缓冲回路等 为了调整和检修上的方便 拟定液压系统原理图时 应在泵源出口 系统中压力阀等处设置必要的测压点 可由测压点处压力表观察系统是否正常工作 五 液压系统的组合 32 第五节液压系统元件的选择 一 液压泵的选定 一 确定液压泵的最高工作压力pppp p1 p式中 p1 执行元件的最高工作压力 p 进油路上管路压力损失的总和 初算时 简单系统 p取 2 5 105Pa 复杂系统 p取 5 15 105Pa 33 二 确定液压泵的最大流量qp qp K q max式中 K 系统泄漏系数 一般K 1 1 1 3 q max 执行元件同时工作时 系统所需最大流量 当采用蓄能器的系统时 泵的最大流量qp 根据系统在一个工作循环中执行元件的平均流量与回路泄漏量之和 采用差动回路时 应按差动连接的最大流量进行计算 34 三 选择液压泵规格型号 液压泵的主要参数为额定压力和流量 选取额定压力比pp高25 50 流量与系统所需的qp相当的泵 35 四 确定液压泵电动机功率 36 二 液压控制阀的选择 根据系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量由产品样本选择液压控制阀的规格型号 特殊需要时才自行设计专用控制阀 37 三 液压辅件的选择 液压辅件如油箱 蓄能器 滤油器 管件和密封件的选择 可按照第六章中有关论述选用 38 板式配置 四 液压装置结构形式的选择 39 2集成块式配置3叠加阀式配置 40 第六节液压系统的验算及技术文件的编制 一 液压系统的验算 一 压力损失的计算和确定压力阀的调整压力1 管路系统的压力损失管路系统的压力损失计算 一般要根据管路装配草图的进油管路和回油管路分别进行 公式为 p pL pJ pF MPa 41 p pL pJ pF MPa 式中 p 油液流经管路时的总压力损失 pL 油液流经管路时的沿程压力损失 pJ 油液流经管接头 变径管等处的局部压力损失 pF 油液流经管路上阀类元件时的压力损失 主要是局部压力损失 42 沿程压力损失除可按液压流体力学中的公式计算外 还可在管流为层流时 用下式估算 pL 105 MPa 式中 油的运动粘度 cst q 通过管道的流量 1 min 1 管道长度 m d 管道内径 mm 43 管道上的局部压力损失可按 pJ 0 05 0 15 pL进行估算 阀类元件额定流量下的压力损失 Pe 可查产品样本 在实际流量不为阀的额定流量时 其压力损失可按下式估算 pF pe MPa 44 式中 pn 阀在额定流量下的压力损失 MPa q 通过阀的实际流量 m3 s qn 阀的额定流量 m3 s 2 确定溢流阀的调整压力pypy pjG pj MPa 式中 pjG 液压缸进口的压力 Pa pj 液压缸进油路上的总压力损失 Pa 45 二 系统发热量的估算各种液压机械油温升高的温度在允许值应在 表9 5 中的范围内 才能保证系统正常工作 表9 5各种机械允许油温 46 1 系统发热量的计算 油泵 油马达能量损失所转换的热量H1为H1 N 1 860 kcal h 式中 N 驱动油泵或油马达的功率 kw 油泵或油马达的总效率 其中 1kw 860kcal h 47 若在整个过程中有功率变化 则根据各工作阶段的发热量求出总的平均发热量 即 kcal h 式中 T 工作循环的周期 h t1 某一工作阶段所需时间 h i 在t1所对应的工作阶段中油泵或油马达的总效率 N1 t1所对应的工作阶段中油泵或油马达的驱动效率 kw 48 溢流阀溢流损失所转换的热量H2为 kcal h 式中 1kcal 427 10N mpy 溢流阀的调整压力 qy 溢流阀的溢流流量 49 同理 油液通过其他阀压力损失所产生的热量H3为 kcal h 式中 p 通过该阀的压力损失 q 通过该阀的流量 系统的总发热量H为 kcal h 50 kcal h 式中 K 油液的散热系数 kcal m2 h 见表11 6 A 油箱散热面积 m2 T1 允许的最高油温 T2 环境温度 T 油