第7章 液压传动系统的设计和计算

1、教学要求教学要求 掌握液压系统设计步骤与计算方法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。统，并绘制出合理的液压回路图。重点难点重点难点 液压系统设计步骤与计算方法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；选取相应参数及合适的液压元件； 设计简单的液压系统，绘制出合理的设计简单的液压系统，绘制出合理的液压回路图。液压回路图。本

2、章目录本章目录第一节第一节 液压系统设计步骤和方法液压系统设计步骤和方法第二节液压系统设计计算实例第二节液压系统设计计算实例1. 1.系统原理图系统原理图2.2.元件明细表元件明细表3.3.系统计算书系统计算书 4. 4.非标准件结构设计非标准件结构设计 1 1 ）油缸参数设计）油缸参数设计 2 2）阀板设计）阀板设计 3 3）油箱及泵装置设计）油箱及泵装置设计设计任务设计任务第一节第一节 液压系统设计步骤和方法液压系统设计步骤和方法 1 1、明确要求，工况分析、明确要求，工况分析2 2、选择方案，确定参数、选择方案，确定参数3 3、拟定草图，选择元件、拟定草图，选择元件4 4、系统验算，元件

3、参数调节、系统验算，元件参数调节5 5、结构设计，编写技术文件、结构设计，编写技术文件设计步骤设计步骤1 1、设计要求：、设计要求：1 1）主机中对液压系统要求（动作）主机中对液压系统要求（动作）2 2）主机运动对液压系统性能要求：）主机运动对液压系统性能要求：调速、平稳性、温升、效率、自动化程度调速、平稳性、温升、效率、自动化程度3 3）主机各运动间运动关联要求）主机各运动间运动关联要求互锁、同步、连锁、顺序等要求互锁、同步、连锁、顺序等要求4 4）主机工作环境、温度、湿度、经济性和）主机工作环境、温度、湿度、经济性和外观尺寸外观尺寸明确要求，工况分析明确要求，工况分析2 2、工况分析：执行

4、元件负载分析与运动分析、工况分析：执行元件负载分析与运动分析 1 1）运动行程）运动行程工况要求工况要求2 2）负载分析：工作负载、惯性负载、摩擦负）负载分析：工作负载、惯性负载、摩擦负载和背压负载等载和背压负载等3 3）运动（速度）分析：运动速度（快）、工）运动（速度）分析：运动速度（快）、工进速度、速度差进速度、速度差4 4）分析法面：工况图）分析法面：工况图1 1、选择方案：、选择方案：根据系统对动作的要求及负载的性质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（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，工作形式，从而确定执行元件的工

5、作状态，为参数确定提供依据。为参数确定提供依据。选择方案，确定参数选择方案，确定参数 2 2、确定参数：、确定参数：系统参数主要是压力和流量，这是系统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要为前提的，因此，参数确定主要是执行元件的参数确定。元件的参数确定。1 1）系统的压力：）系统的压力：P P缸缸可用初步选取的方法；可参考同类设备选取，也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。可根据系统最大负

6、载选取。2 2）缸的直径：）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：力可以确定缸直径：例：无杆腔工作，以传力为主时例：无杆腔工作，以传力为主时以运动为主时要考虑以运动为主时要考虑D D的选取情况的选取情况但但d d、D D确定后要圆整为整数。确定后要圆整为整数。缸PDF24pFD43 3）马达排量：）马达排量：4 4）缸（马达）流量：）缸（马达）流量：缸：缸：q qx xAA v vminmin q qx xAAv vmaxmax马达：马达：q qx xVV n nminmin q qx xVVn nmaxmaxmxm

7、pTV21 1、选择回路：、选择回路：根据动作（速度或压力）要求及其他各根据动作（速度或压力）要求及其他各项要求，选择液压基本回路。项要求，选择液压基本回路。2 2、拟定草图：、拟定草图：将上述回路合并拟合后形成系统图，在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，拟合时注意：减少元件重复，防止干扰，分析性能，保证效率，发热少分析性能，保证效率，发热少拟定系统草图，选择基本回路拟定系统草图，选择基本回路1 1、液压泵选择：、液压泵选择：泵类型按工况要求及经济性选择泵类型按工况要求及经济性选择)3 . 11 . 1)()5 . 15 . 05 . 02 . 0(1kqk

8、qMPappppp缸动缸或动力源计算，选择元件动力源计算，选择元件 2 2、阀选择、阀选择按阀实际承载的压力和实际通过的流量来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规格；按阀的动作要求和性能要求选择阀的种类。选择阀的种类。 3 3、油箱容量确定、油箱容量确定按泵每分钟流量选择油箱容量：按泵每分钟流量选择油箱容量：一般一般V Vqq泵泵a aa:a:低压系统低压系统2424 中压系统中压系统5757 高压系统高压系统6126124 4、油管及管接头：、油管及管接头：油管按内径和壁厚选择：油管按内径和壁厚选择：v v：吸油：吸油 0.51.5m/s0.5

9、1.5m/s 压油压油 1.5 5m/s1.5 5m/s 回油回油 1.52.5m/s1.52.5m/s 管型按承压情况选择管型按承压情况选择 接头按管型选择接头按管型选择 vqd2 2pd1 1、压力损失验算、压力损失验算验算后确定泵规格是否合适，然后确定各验算后确定泵规格是否合适，然后确定各压力阀调整压力。压力阀调整压力。vpppp系统验算系统验算2 2、系统发热验算：、系统发热验算： 按系统散热计算发热是按系统散热计算发热是 H Hi i =P=Pi i -P-PO O =P=Pi i (1-(1-) ) 按油箱面积计算油箱散热是按油箱面积计算油箱散热是H H0 0 H H0 0=KA=

10、KA0 0t t(k(k为散热系数）为散热系数） 验算：验算：H H0 0HHi i合适合适 H H0 0H Hi i重新设计重新设计NjjNjjjijittppH110)(例：例：设计一台卧式单面钻镗两用组合机床，其工设计一台卧式单面钻镗两用组合机床，其工作循环是作循环是“快进快进工进工进快退快退原位停原位停止止”；工作时最大轴向力为；工作时最大轴向力为30kN30kN，运动部件重为，运动部件重为19.6kN19.6kN；快进、快退速度为；快进、快退速度为6m/min6m/min，工进速度为，工进速度为0.020.12m/min0.020.12m/min；最大行程；最大行程400mm400m

11、m，其中工进，其中工进行程行程200mm200mm；启动换向时间；启动换向时间t=0.2st=0.2s；采用平导；采用平导轨，其摩擦系数轨，其摩擦系数f=0.1f=0.1。第二节第二节 液压系统设计计算实例液压系统设计计算实例 1 1）负载分析）负载分析 由工作负载由工作负载F Fww =30kN =30kN，重力负载，重力负载F FG G=0=0，按启动换向，按启动换向时间和运动部件重量（时间和运动部件重量（F Ft t=m(v=m(v2 2-v-v1 1) )）计算得到惯性负）计算得到惯性负载载F Fa a=1000N=1000N，摩擦阻力，摩擦阻力F Ff f=1960N=1960N。

12、取液压缸机械效率取液压缸机械效率mm =0.9 =0.9，则液压缸工作阶段的负载，则液压缸工作阶段的负载值值见表见表。2 2）速度分析）速度分析 由快进、快退速度为由快进、快退速度为6m/min6m/min，工进速度范围为，工进速度范围为20120mm/min20120mm/min，按上述分析可绘制出负载循环图和速，按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图（略）。度循环图（略）。1 1、工况分析、工况分析表：液压缸在各工作阶段的负载值表：液压缸在各工作阶段的负载值 工作循环工作循环 计算公式计算公式 负载负载f f（NN） 启动加速启动加速 F=(FF=(Ff f+F+Fa a)/ )/ mm

13、 3289 3289 快快 进进 F= FF= Ff f/ / mm 2178 2178 工工 进进 F=(FF=(Ff f+ F+ Fww)/ )/ mm 35511 35511 快快 退退 F=FF=Ff f/ / mm 2178 2178 1 1）初选液压缸的工作压力）初选液压缸的工作压力 由最大负载值查表由最大负载值查表9-39-3，取液压缸工作压力为，取液压缸工作压力为4MPa4MPa。2 2）计算液压缸结构参数）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差动连接的方式实

14、现快进，设液压缸两有效面积为A A1 1和和A A2 2，且，且A A1 1=2 A=2 A2 2，即，即d=0.707Dd=0.707D。为防止钻通时发生前冲。为防止钻通时发生前冲现象，液压缸回油腔背压现象，液压缸回油腔背压p p2 2取取0.6MPa0.6MPa，而液压缸快退时，而液压缸快退时背压取背压取0.5MPa0.5MPa。 由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程p p1 1 A A1 1= p= p2 2 A A2 2+F+F，可得：可得：2 2、确定参数、确定参数 A A1 1=F/=F/（p p1 10.5p0.5p2 2）=35511/=3551

15、1/（4 410106 60.50.50.60.610106 6） 9696（cmcm2 2） 液压缸内径液压缸内径D D就为：就为：D= = =11.06D= = =11.06（cmcm） 对对D D圆整，取圆整，取D=110mmD=110mm。由。由d=0.707Dd=0.707D，经圆整得，经圆整得 d=80mmd=80mm。计算出液压缸的有效工作面积。计算出液压缸的有效工作面积A A1 1=95cm=95cm2 2， A A2 2=44.77 cm=44.77 cm2 2。 工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量 q qminmin=0.05L/min

16、=0.05L/min，设计要求最低工进速度，设计要求最低工进速度 v vminmin=20mm/min=20mm/min，经验算可知满足式（，经验算可知满足式（9-19-1）要求。）要求。A149643 3）计算液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和）计算液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和功率值功率值 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，取两腔间回路及阀上的压力损失为回路及阀上的压力损失为0.5MPa0.5MPa，则，则p p2 2= p= p1 1+0.5+0.5（MPaMPa）。计算结果）。计算结果见表见表。 由表由表9-59-5即可画出液压

17、缸的工况图（略）。即可画出液压缸的工况图（略）。1 1）选择基本回路）选择基本回路（1 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）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。选用调速阀调速，并在液压缸回路上设置背压。（2 2）泵供油回路：由于系统最大流量与最小流量比为）泵供油回路：由于系统最大流量与最小流量比为156156，且在整个，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，工作循环过程中

18、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。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 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，）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。回路来实现。（4 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）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。中位停止和差动连接，采用三

19、位五通阀。（5 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）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。流阀调整，同时用外控顺序阀实现低压大流量泵卸荷。 3 3、拟定液压系统图、拟定液压系统图2 2）回路合成）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。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：具体方法为：（1 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）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 7。（2 2）要实现差动快进，必须在回油路上设置液

20、控顺序阀）要实现差动快进，必须在回油路上设置液控顺序阀9 9，以阻止油，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。为一。（3 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。）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 4）设置压力表开关及压力表。）设置压力表开关及压力表。 合并后完整的液压系统合并后完整的液压系统如图如图所示。所示。1 1）液压泵及驱动电机功率的确定）液压泵及驱动电机功率的确定（1 1）液压泵的工作压力）液压泵的工作压力 已知液压缸最大工作压力为已知液压缸最大工作压力

21、为4.02MPa4.02MPa，取进油路上压力，取进油路上压力损失为损失为1MPa1MPa，则小流量泵最高工作压力为，则小流量泵最高工作压力为5.02MPa5.02MPa，选择泵的额定压力应为选择泵的额定压力应为p pn n=5.02+5.02=5.02+5.0225%=6.2725%=6.27（MPaMPa）。大流量泵在液压缸快退时工作压力较高，取）。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液压缸快退时进油路上压力损失为0.4MPa0.4MPa，则大流量，则大流量泵的最高工作压力为泵的最高工作压力为1.79+0.4=2.191.79+0.4=2.19（MPaMPa

22、），卸荷阀），卸荷阀的调整压力应高于此值。的调整压力应高于此值。4 4、液压元件的选择、液压元件的选择工作循环工作循环 计算公式计算公式 负载负载 回油背压回油背压 进油压力进油压力 输入流量输入流量 输入功率输入功率 F（KN） p2（MPa） p1（MPa） Q1(10-3 m3/s) P（kW）快快 启动加速启动加速 p1=F+A2(p2p1) 3289 1.10 A1 A2 q1=(A1 A2)v1 p2= p1+0.5 进进 恒恒 速速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012工工 进进 A1 q1=A1 v1 355

23、11 0.6 4.02 P= p1 q1 0.019 0.076快快 启动加速启动加速 p1= F+ A1p2 3289 1.79 A2 q1=A2 v1 0.5退退 恒恒 速速 P= p1 q1 2178 1.55 0.448 0.69表：液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率值表：液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率值（2 2）液压泵流量）液压泵流量 取系统的泄漏系数取系统的泄漏系数K=1.2K=1.2，则泵的最小供油量为：，则泵的最小供油量为： qpqp =Kq =Kq1max1max =1.2 =1.20.50.51010-3-3 =0.6 =0.61010-3-3（mm3 3/s /s

24、） =36L/min=36L/min 由于工进时所需要的最大流量是由于工进时所需要的最大流量是1.91.91010-5-5 m m3 3/s /s，溢流，溢流阀最小稳定流量为阀最小稳定流量为0.050.051010-3-3 m m3 3/s /s，小流量泵最小流量，小流量泵最小流量为：为： q qp1p1 =K =Kq1q1 +0.05 +0.051010-3 -3 =7.25 =7.251010-5-5（mm3 3/s /s） =4.4=4.4（L/minL/min）（3 3）确定液压泵规格）确定液压泵规格 对照产品样本可选用对照产品样本可选用YB1YB140/6.340/6.3双联叶片泵，

25、额定转速双联叶片泵，额定转速960r/min960r/min，容积效率，容积效率v v为为0.90.9，大小泵的额定流量分别为，大小泵的额定流量分别为34.5634.56和和5.43L/min5.43L/min，满足以上要求。，满足以上要求。（4 4）确定液压泵驱动功率）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失为0.5MPa0.5MPa，则液压泵输出压力为，则液压泵输出压力为2.05MPa2.05MPa。液压泵的总。液压泵的总效率效率p p=0.8=0.8，液压泵流量，液压泵流量40L/min40L/min，则液

26、压泵驱动调集所，则液压泵驱动调集所需的功率为：需的功率为： P=pP=pp pq qp p/p p=2.05=2.0510106 640401010-3-3=1708=1708（WW） 据此选用据此选用Y112MY112M6 6B5B5立式电动机，其额定功率为立式电动机，其额定功率为2.2KW2.2KW，转速为，转速为940r/min940r/min，液压泵输出流量为，液压泵输出流量为33.8433.84、5.33L/min5.33L/min，仍能满足系统要求。，仍能满足系统要求。2 2）元件、辅件选择）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、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辅件（略）。油箱容积取液压泵流量的6 6倍，管道由元倍，管道由元件连接尺寸确定。件连接尺寸确定。 系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段，所以可按工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。作状态来计算温升。 小流量泵工作状态压力为小流量泵工作状态压力为5.02