液压与气压传动--第09章 液压系统设计与计算

1、Chapter 9 Design and calculation of Hydraulic Transmission Systems 液压系统的设计与计算液压系统的设计与计算一、一、The Approach for Design of Hydraulic Systems 液压系统的设计步骤液压系统的设计步骤二、二、A Design Example of Hydraulic Systems 液压系统设计计算举例液压系统设计计算举例一、一、The Approach for Design of Hydraulic Systems 液压系统的设计计算液压系统的设计计算液压系统的设计步骤：液压系统的设计

2、步骤： 1. 明确设计要求，进行工况分析；明确设计要求，进行工况分析； 2. 拟定液压系统原理图；拟定液压系统原理图； 3. 计算和选择液压元件；计算和选择液压元件； 4. 液压系统性能的验算；液压系统性能的验算； 5. 绘制工作图，编写技术文件。绘制工作图，编写技术文件。1. 明确设计要求，进行工况分析明确设计要求，进行工况分析明确设计要求和工作环境明确设计要求和工作环境液压系统的动作和性能要求液压系统的动作和性能要求 包括运动方式、行程和速度范围、包括运动方式、行程和速度范围、负载条件、运动平稳性和精度、同步或联负载条件、运动平稳性和精度、同步或联锁要求等。锁要求等。液压系统的工作环境要求

3、液压系统的工作环境要求 有环境温度与湿度、粉尘、防火有环境温度与湿度、粉尘、防火要求、安装空间的大小等。要求、安装空间的大小等。 工况分析工况分析 查明每个执行元件在各自工作过程中查明每个执行元件在各自工作过程中速度速度和负载的变化规律和负载的变化规律。 运动分析运动分析 对执行元件一个工作循环中各阶段的运动对执行元件一个工作循环中各阶段的运动速度变化情况进行分析，画出速度变化情况进行分析，画出速度循环图速度循环图。 负载分析负载分析 把液压执行元件工作的各个阶段所需克服把液压执行元件工作的各个阶段所需克服的负载，用负载位移曲线表示（称的负载，用负载位移曲线表示（称负载循环负载循环图图）。（如

4、）。（如P196图图9-4）2. 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 确定油路类型确定油路类型 开式与闭式系统、定量与变量系统、串联与开式与闭式系统、定量与变量系统、串联与并联油路等。并联油路等。 开式系统与闭式系统开式系统与闭式系统 开式系统开式系统：简单，散热、杂质沉淀好，但：简单，散热、杂质沉淀好，但 空气易侵入；空气易侵入； 闭式系统：紧凑，闭式系统：紧凑，油不易污染。但结构复油不易污染。但结构复 杂，散热差。杂，散热差。 定量系统与变量系统定量系统与变量系统定量系统：定量系统：简单、可靠、价廉，泵本身效率简单、可靠、价廉，泵本身效率 高，但组成系统的效率可能低。高，但组成系统的效率

5、可能低。变量系统：系统效率高，调速范围大，价格变量系统：系统效率高，调速范围大，价格 高，可靠性差。高，可靠性差。 ( (常用于中、大功率常用于中、大功率) ) 串联油路与并联油路串联油路与并联油路串联油路：既可单独动作又可同时动作，油串联油路：既可单独动作又可同时动作，油 泵供油压力高。泵供油压力高。 并联油路：很难同步动作，但供油压力低。并联油路：很难同步动作，但供油压力低。 选定基本回路选定基本回路 先确定主要回路，再考虑其它辅助回路。先确定主要回路，再考虑其它辅助回路。 组成系统简图组成系统简图 将所需要的各个回路综合起来，并增加必将所需要的各个回路综合起来，并增加必要的元件或辅助油路

6、，组成完整的液压系统。要的元件或辅助油路，组成完整的液压系统。 检查、完善方案检查、完善方案 拟定的液压系统原理图一方面满足主机工作拟定的液压系统原理图一方面满足主机工作部件的部件的动力、速度和性能要求动力、速度和性能要求，同时尽可能使系，同时尽可能使系统统效率高、发热少、油路简单可靠、使用寿命长效率高、发热少、油路简单可靠、使用寿命长和造价低和造价低。3. 计算和选择液压元件计算和选择液压元件 确定系统的工作压力等级确定系统的工作压力等级 压力高压力高：系统元件体积小、重量轻，但元件：系统元件体积小、重量轻，但元件 价格高，可靠性差。价格高，可靠性差。 压力低压力低：可靠、价廉，但是笨重。：

7、可靠、价廉，但是笨重。 系统的工作压力应根据实际情况适当选取，系统的工作压力应根据实际情况适当选取，一般固定设备压力低，行走机械压力高。一般固定设备压力低，行走机械压力高。 （可根据手册上的推荐压力选定可根据手册上的推荐压力选定） 执行元件参数确定执行元件参数确定液压缸液压缸参数确定：见液压缸设计部分（参数确定：见液压缸设计部分（P87）。）。液压缸流量：液压缸流量：q vmaxA/ /v 液压马达液压马达马达工作阻力矩马达工作阻力矩 T = Tn + Tf + Ti 式中：式中：Tn 有用力矩（有用力矩（负载力矩负载力矩）；）； Tf 摩擦力矩；摩擦力矩； Ti 惯性力矩。惯性力矩。 马达所

8、需流量马达所需流量 q确定马达排量确定马达排量 其中：其中：pm pm1- - pm2 pm1 事先确定的系统压力事先确定的系统压力 pm2 背压力（背压力（一般机床取一般机床取 0.3 0.5 MPa， 工程机械取工程机械取 0.5 0.8 MPa）马达所需最大流量马达所需最大流量 mmmmpTV2vmmnVqmaxmax 液压泵参数确定液压泵参数确定油泵的最高工作压力油泵的最高工作压力 pp pp pA+p 其中：其中：pA 执行元件的最高工作压力；执行元件的最高工作压力； p 泵到执行元件之间的压力损泵到执行元件之间的压力损 失之和。失之和。油泵最大供油量油泵最大供油量 qp 若一个工作

9、循环中有几个液动机同时若一个工作循环中有几个液动机同时工作，则：工作，则： qp kqi max 式中：式中：k 系统的泄漏修正系数，一般取系统的泄漏修正系数，一般取 k 1.1 1.3； （高压小流量取大值，反之取小值高压小流量取大值，反之取小值） qi max 一个工作循环中同时工作的一个工作循环中同时工作的 第第 i 个液动机所需最大流量。个液动机所需最大流量。 泵输入功率的计算泵输入功率的计算opppipqpP 选定标准元件，设计非标元件选定标准元件，设计非标元件 回路中应尽量采用标准液压元件，以缩短回路中应尽量采用标准液压元件，以缩短设计与制造周期，降低成本，只有在不得已的设计与制造

10、周期，降低成本，只有在不得已的情况下自行设计。情况下自行设计。 标准件选用原则：标准件选用原则： 元件额定压力元件额定压力元件在系统中承受的压力元件在系统中承受的压力 元件额定流量元件额定流量系统中流过元件的流量系统中流过元件的流量 为了具有一定的富裕量，可使额定值稍大为了具有一定的富裕量，可使额定值稍大于实际需要值于实际需要值。4. 液压系统主要性能的验算液压系统主要性能的验算 系统压力损失的验算系统压力损失的验算 管路总压力损失为管路总压力损失为 ppppv 式中：式中： p 管路系统沿程压力损失之和；管路系统沿程压力损失之和； p 管路系统局部压力损失之和；管路系统局部压力损失之和； p

11、v 液流经过阀类元件的局部压力液流经过阀类元件的局部压力 损失之和。损失之和。 计算所得的管路总压力损失如与初步设计假计算所得的管路总压力损失如与初步设计假定的压力损失相差较大，应对设计进行修改，重定的压力损失相差较大，应对设计进行修改，重新选择管道尺寸、阀的规格，降低压力损失。新选择管道尺寸、阀的规格，降低压力损失。 系统发热温升的验算系统发热温升的验算 液压系统一个工作循环的平均发热量为各液压系统一个工作循环的平均发热量为各个工作阶段发热量的时均值：个工作阶段发热量的时均值： 式中：式中：T 一个工作循环周期时间；一个工作循环周期时间； Pii 第第 i 个工作阶段系统的输入功率；个工作阶

12、段系统的输入功率； Poi 第第 i 个工作阶段系统的输出功率；个工作阶段系统的输出功率； ti 第第 i 个工作阶段的持续时间；个工作阶段的持续时间； n 一个工作循环中总的工作阶段数。一个工作循环中总的工作阶段数。inioiiitPPT1)(1 油箱单位时间内的散热量：油箱单位时间内的散热量：式中：式中：Kh 油箱散热系数（油箱散热系数（可查表确定可查表确定）；）； A 油箱散热面积；油箱散热面积； T 系统温升。（系统温升。（T油温油温环境温度环境温度） 达到热平衡时有：达到热平衡时有： 得：得： 计算出的计算出的T加上环境温度应不超过油液的加上环境温度应不超过油液的最高允许温度。最高允

13、许温度。TAKhAKTh5. 绘制工作图，编写技术文件绘制工作图，编写技术文件 绘制正式工作图绘制正式工作图 液压系统原理图液压系统原理图 液压系统装配图（安装施工图）液压系统装配图（安装施工图） 非标元件装配图与零件图非标元件装配图与零件图 编制技术文件编制技术文件 液压系统设计计算说明书液压系统设计计算说明书 液压系统使用及维护技术说明书液压系统使用及维护技术说明书 零、部件目录表零、部件目录表 标准件、通用件、外购件总表标准件、通用件、外购件总表二、二、A Design Example of Hydraulic Systems 液压系统设计计算举例液压系统设计计算举例 某厂要设计制造一台

14、双头车床，加工压缩机拖某厂要设计制造一台双头车床，加工压缩机拖车上的一根长轴两端轴颈。由于零件较长，拟采用车上的一根长轴两端轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定、刀具旋转和进给的加工方式。机床加工零件固定、刀具旋转和进给的加工方式。机床加工动作循环是动作循环是“快进快进工进工进快退快退停止停止”，其最大，其最大切削力在导轨中心线方向，估计为切削力在导轨中心线方向，估计为12000N，所要移，所要移动的总重量估计为动的总重量估计为15000N。工作进给要求能在。工作进给要求能在0.020 1.2m/ /min范围内进行无级调速，快速进、范围内进行无级调速，快速进、退速度一致，均为退速度一致，均为4

15、m/ /min，试设计该液压传动系，试设计该液压传动系统。统。1. 确定对液压系统的工作要求确定对液压系统的工作要求 根据加工要求，刀具旋转由机械传动来实现，根据加工要求，刀具旋转由机械传动来实现，主轴头沿导轨中心线方向的主轴头沿导轨中心线方向的“快进快进工进工进快退快退停止停止”工作循环拟采用液压传动方式来实现，工作循环拟采用液压传动方式来实现，故选液压缸作执行元件。故选液压缸作执行元件。 考虑到车削进给系统传动功率不大，且要求考虑到车削进给系统传动功率不大，且要求低速稳定性好，粗加工时负载有较大的变化，故低速稳定性好，粗加工时负载有较大的变化，故拟选用拟选用调速阀、变量泵组成的联合调速方式

16、调速阀、变量泵组成的联合调速方式。 为自动实现上述工作循环，并保证零件的加为自动实现上述工作循环，并保证零件的加工长度，拟采用工长度，拟采用行程开关及电磁换向阀实现顺序行程开关及电磁换向阀实现顺序动作动作。2. 拟定液压系统工作原理图拟定液压系统工作原理图 系统同时驱动两个车削头，且动作循环完全系统同时驱动两个车削头，且动作循环完全相同，为保证相同，为保证快速进、退速度相等快速进、退速度相等，并减小泵的，并减小泵的流量规格，选用流量规格，选用差动连接回路差动连接回路。 在行程控制中，由在行程控制中，由快进转工进快进转工进时，采用时，采用机动机动滑阀，使速度转换平稳，且安全可靠滑阀，使速度转换平

17、稳，且安全可靠。工进结束。工进结束时，压下电气行程开关返回。时，压下电气行程开关返回。快退到终点，压下快退到终点，压下行程开关，运动停止。行程开关，运动停止。 两个车削头的进给速度可分别进行调节，调两个车削头的进给速度可分别进行调节，调节一个时，另一个应停止。节一个时，另一个应停止。拟定的液压系统原理拟定的液压系统原理图如下图所示。图如下图所示。3. 计算和选择液压元件计算和选择液压元件 液压缸的计算液压缸的计算 液压缸的总机械载荷液压缸的总机械载荷 F 液压缸的受力如下图所示。液压缸的受力如下图所示。 总机械载荷总机械载荷 式中式中 FW 工作负载，按题目给定为工作负载，按题目给定为 120

18、00 N； Fa 活塞上所受惯性力；活塞上所受惯性力； Fs 密封阻力；密封阻力； Ff 导轨摩擦阻力；导轨摩擦阻力； Fb 回油背压形成的阻力。回油背压形成的阻力。 bfsaWFFFFFF Fa 的计算的计算 按下式计算：按下式计算： 式中式中 G 液压缸所要移动的总重量，题中给液压缸所要移动的总重量，题中给 定为定为 15000 N； g 重力加速度，重力加速度，9.81 m/ /s2； v 速度变化量，由题意知工进时速度变化量，由题意知工进时 t 启动或制动时间，一般为启动或制动时间，一般为0.01 0.5 s， 因移动较重的重物，取因移动较重的重物，取 t = 0.2 s。)(GNtv

19、gFasmmv/02. 0min/2 . 1)(1532 . 002. 081. 915000NFa将各值代入上式得将各值代入上式得 Fs 的计算的计算 Fs = ps A1（N） 式中式中 ps 克服液压缸密封件摩擦阻力所需的克服液压缸密封件摩擦阻力所需的 空载压力（空载压力（Pa）; A1 进油工作腔有效面积（进油工作腔有效面积（m2） 若选用中压液压缸，且密封结构为若选用中压液压缸，且密封结构为Y型密封圈，型密封圈，查表可得查表可得 ps 0.3 MPa，取，取 ps = 0.2 MPa 。面积。面积 A1初估值为初估值为80 cm2，则密封阻力为，则密封阻力为)(1600008. 01

20、02 . 06NFs)(800%50008. 0102 . 06NFs启动时：启动时：运动时：运动时： Ff 的计算的计算 导轨的结构受力情况如下图所示。导轨的结构受力情况如下图所示。 若该机床材料选用铸铁，铸铁件之间的若该机床材料选用铸铁，铸铁件之间的摩擦力为摩擦力为2sin)2()2(zzfFGFGF式中式中 G 液压缸所要移动的总重量，液压缸所要移动的总重量，G15000 N； Fz 切削力在导轨垂直方向的分力；切削力在导轨垂直方向的分力； 摩擦系数，选摩擦系数，选= 0.1 ； V型导轨夹角，型导轨夹角，= 90 。 按切削原理，一般有按切削原理，一般有 Fz : Fy : Fx 1

21、: 0.4 : 0.3 ， 本题给定本题给定 Fx FW 12000 N ，则，则 将各值代入得：将各值代入得：)(400003 . 012000NFz)(664045sin1 . 0240000150001 . 024000015000NFf 回油背压形成的阻力按下式计算回油背压形成的阻力按下式计算 Fb = pb A2 式中式中 pb 回油背压，一般为回油背压，一般为0.3 0.5 MPa ， 取取 pb= 0.3 MPa； A2 有杆腔活塞面积。根据快进与快有杆腔活塞面积。根据快进与快 退速度相等可知液压缸大小两腔退速度相等可知液压缸大小两腔 面积之比为面积之比为2:1, A1已初估已初

22、估80 cm2， 故故 A2= 40 cm2 。 Fb 的计算的计算 将将 pb 和和 A2 值代入公式得：值代入公式得： 分析液压缸各工作阶段受力情况，得知在分析液压缸各工作阶段受力情况，得知在工进阶段受力最大，作用在活塞上的总机械载工进阶段受力最大，作用在活塞上的总机械载荷为荷为)(1200004. 0103 . 062NApFbb)(207931200664080015312000NFFFFFFbfsaW 确定液压缸的结构尺寸和工作压力确定液压缸的结构尺寸和工作压力 根据经验确定系统工作压力为根据经验确定系统工作压力为 p = 3 MPa。 液压缸工作腔有效工作面积液压缸工作腔有效工作面

23、积 活塞直径活塞直径 因两腔面积比为因两腔面积比为 2 : 1，所以活塞杆直径，所以活塞杆直径 )(00693. 0100 . 320793261mpFA)(094. 000693. 0441mAD)(066. 0094. 07 . 07 . 0mDd 根据液压技术行业标准，选取标准直径根据液压技术行业标准，选取标准直径 D = 0.09 m = 90 mm，d = 0.063 m = 63 mm 则液压缸实际工作压力为则液压缸实际工作压力为 选取选取 p = 3.3 MPa。 由于两个切削头工作时需做低速进给运动，在由于两个切削头工作时需做低速进给运动，在确定油缸活塞面积之后，还必须按最低进

24、给速度验确定油缸活塞面积之后，还必须按最低进给速度验算液压缸尺寸，即应保证油缸有效工作面积算液压缸尺寸，即应保证油缸有效工作面积A1满足满足 )(27. 309. 014. 3207934422MPaDFpminmin1vqA 式中式中 qmin 流量阀最小稳定流量，取调速阀的最流量阀最小稳定流量，取调速阀的最 小稳定流量为小稳定流量为 50 mL/ /min； vmin 活塞最低进给速度，本例为活塞最低进给速度，本例为 20 mm/ /min. 根据上面确定的液压缸直径，油缸有效工作面积根据上面确定的液压缸直径，油缸有效工作面积 又又 验算说明液压缸尺寸满足活塞最小稳定速度要求。验算说明液压

25、缸尺寸满足活塞最小稳定速度要求。)(1036. 609. 04423221mDA)(105 . 2102010502336minminmvql 液压泵的计算液压泵的计算确定液压泵的实际工作压力确定液压泵的实际工作压力 pp pp = p +p 式中式中 p 液压缸的工作压力，液压缸的工作压力， 已选定为已选定为3.3 MPa； p 进油路上总的压力损失进油路上总的压力损失。 对于采用调速阀的进油路节流调速系统，对于采用调速阀的进油路节流调速系统，压力压力 损失损失p 一般为一般为( (0.5 1.5) )MPa，取，取p =1 MPa。 因此，可确定液压泵的实际工作压力为：因此，可确定液压泵的

26、实际工作压力为： pp = 3.3 + 1= 4.3（MPa） 确定液压泵的流量确定液压泵的流量 qp qp kqmax 式中式中 k 泄漏系数，取泄漏系数，取 1.1； qmax 两切削头快进时所需的最大流量两切削头快进时所需的最大流量 之和。采用差动连接实现快进时：之和。采用差动连接实现快进时： 代入上式得：代入上式得： qp 1.125 27.5 （L/ /min) 按压力为按压力为4.3 MPa，流量为，流量为27.5 L/ /min，又要，又要 求泵能变量，选择求泵能变量，选择 YBN40MJB 型叶片泵。型叶片泵。min)/(254063. 0424222maxLvdq快 确定液压

27、泵电机的功率确定液压泵电机的功率 该系统选用变量泵，故应分别计算快速空载该系统选用变量泵，故应分别计算快速空载与工进速度最大时所需的功率，按两者中的较大与工进速度最大时所需的功率，按两者中的较大值选取电机功率。值选取电机功率。工进速度最大时所需的功率工进速度最大时所需的功率PW max 式中式中 pp 液压泵的液压泵的实际实际工作压力，工作压力，4.3 MPa； op 液压泵总效率，取液压泵总效率，取op 0.8；opWpWqpPmaxmax2 qW max 一个液压缸最大工进速度下所需流量；一个液压缸最大工进速度下所需流量；qW max的计算如下：的计算如下：将以上各值代入公式中，可得：将以

28、上各值代入公式中，可得： min)/(6 . 7129 . 0442max2maxLvDqWW)(13628 . 060106 . 7103 . 42236maxmaxWqpPopWpW 快速空载时所需的功率快速空载时所需的功率 P 此时液压缸的受力为此时液压缸的受力为 F = Fa + Fs + Ff ，其中，其中各量计算如下：各量计算如下： 惯性力：惯性力： 密封阻力：密封阻力：)(5102 . 060481. 915000GNtvgFa）（NdpFss155%50063. 04102 . 04262 导轨摩擦力：导轨摩擦力： 空载条件下液压缸的总负载空载条件下液压缸的总负载 F 510

29、+ 155 + 1800 2465 （N） 空载快速时，选取压力损失空载快速时，选取压力损失p 0.5 MPa， 则液压泵的工作压力为：则液压泵的工作压力为：)(180045sin1 . 02150001 . 02150002sin22NGGFf)(3 . 15 . 06314. 324654422MPapdFpp 前面已求出，在快速工况下液压泵的输出流前面已求出，在快速工况下液压泵的输出流量量 qp 27.5 L/ /min，因此空载快速时液压泵的驱，因此空载快速时液压泵的驱动功率为：动功率为： 故应按最大工进速度时所需功率选取电机。故应按最大工进速度时所需功率选取电机。max36)(7458 . 060105 .27103 .