液压与气压传动课件 第9章 液压系统的设计与计算

液压与气压传动任课教师：刘志民河北工程大学机械与装备工程学院液压与气压传动Hydraulic&PneumaticTransmission液压系统的设计与计算9.1明确设计要求和进行工况分析9.2确定液压系统主要参数9.3拟定液压系统原理图9.4设计或选择液压元件9.5验算液压系统性能9.6绘制工作图和编制技术文件9.7液压系统的设计与计算举例本章主要内容【本章教学目的与要求】01100掌握液压传动系统设计与计算的内容、方法和步骤。了解液压传动系统设计要求与工况分析、工作图绘制和技术文件编制。（一）了解主机的基本情况

主机的用途、主要结构、总体布局，对执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制；

主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围；（二）明确液压系统的任务与要求

主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求；

液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围；

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；

液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等；

其他方面的要求，如液压装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。明确设计要求19.1明确设计要求、进行工况分析

1.运动分析

按设备的工艺要求，把所研究的执行元件在完成一个工作循环时的运动规律用图表示出来，这个图称为速度图。图a是机床的动作循环图，工作循环为快进→工进→快退；图b是完成一个工作循环的速度——位移曲线，即速度图。工况分析29.1明确设计要求、进行工况分析以液压缸驱动的组合机床滑台为例进行说明。2.负载分析工况分析29.1明确设计要求、进行工况分析所受到的外负载为1）工作负载2）摩擦阻力负载 3）惯性负载 除此以外，液压缸的受力还有密封阻力（一般用效率

来表示）、背压力（可在最后计算时确定）等。若执行机构为液压马达，其负载力矩计算方法与液压缸相类似。选择工作压力19.2液压系统主要参数确定满足负载要求外，还要全面考虑液压装置的性能要求和经济性一般来说，对于固定的、尺寸不太受限制的设备，可以选择较低一些的压力，行走机械、重载设备压力要选得高一些。负载F/N＜50005000-1000010000-2000020000-3000030000-50000＞50000工作压力p/MPa＜0.8~1.01.5~2.02.5~3.03.0~4.04.0~5.0＞5.0~7.0主机类型机床农业机械、小型工程机械、建筑机械、液压凿岩机液压机、中、大型挖掘机、重型机械、起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/MPa0.8~2.03.0~5.02.0~8.08.0~10.010.0~18.020.0~32.0表9-1按负载选择执行元件工作压力表9-2按主机类型选择执行元件工作压力液压执行元件几何参数29.2液压系统主要参数确定1.液压缸主要结构尺寸确定液压缸主要结构尺寸是指缸的内径D和活塞杆直径d。它的几何参数就是有效工作面积A。在计算液压缸有效面积时，还要考虑往返行程的速比的要求、活塞受拉或受压的情况以及背压力的大小。系统类型背压/Pa系统类型背压/Pa回油路上有节流阀的调速系统2.0～5.0回油路上装有背压阀5.0～15.0回油路上有调速阀的调速系统5.0～8.0带补油泵的闭式回路8.0～15.0液压缸有效工作面积当执行元件的运动速度很低时，已算出的液压缸有效工作面积还应满足最低工作速度的要求液压缸参考背压液压执行元件几何参数29.2液压系统主要参数确定2.液压马达主要结构尺寸确定排量的计算：排量也必须满足液压马达最低稳定转速排量确定后，可从产品样本中选择液压马达的型号。确定执行元件最大流量39.2液压系统主要参数确定

对于液压缸，它所需的最大流量就等于液压缸有效工作面积A与液压缸最大移动速度的乘积，即

对于液压马达，它所需的最大流量应为马达的排量V与其最大转数的乘积，即绘制执行元件的工况图49.2液压系统主要参数确定执行元件主要参数确定之后，根据设计任务要求，就可以算出执行元件在工作循环中各阶段的工作压力、输入流量和功率，作出压力、流量和功率对时间（位移）的变化曲线，即工况图（包括压力图、流量图和功率图）。当系统中有多个执行元件同时工作时，必须把这些执行元件的流量图按系统总的动作循环组合成总流量图。19.3拟定液压原理图一般的方法是：先根据具体的动作性能要求选择液压基本回路，然后将基本回路加上必要的连接措施有机地组合成一个完整的液压系统。拟定液压系统原理图时，应考虑以下几个方面的问题：（1）所用液压执行元件的类型：液压缸或者液压马达。（2）液压回路的选择：主要回路→其他辅助回路。同时，也要考虑节省能源，减少发热，减少冲击，保证动作精度等问题。（3）液压回路的综合尽可能省去不必要的元件，以简化系统结构；应保证其工作循环中的每个动作都安全可靠，无相互干扰；尽可能提高系统的效率，防止系统过热；尽可能使系统经济合理，便于维修检测；尽可能采用标准元件，减少自行设计的专用件。19.4设计或选择液压元件液压泵的选择（1）确定液压泵的最高工作压力

液压泵的最高工作压力为（2）确定液压泵的最大供油量

液压泵的最大供油量为若系统中采用了蓄能器供油时，泵的流量按一个工作循环中的平均流量来选取，即（3）选择液压泵的规格型号液压泵的规格型号按计算值从产品样本中选取，为了使液压泵工作安全可靠，液压泵应有一定的压力储备量，通常液压泵的额定压力可比工作压力高25%～60%。液压泵的额定流量则宜与相当，不要超过太多，以免造成过大的功率损失。19.4设计或选择液压元件液压泵的选择（4）确定液压泵的驱动功率当在整个工作循环中，液压泵的功率变化较小时，可按下式计算液压泵所需驱动功率，即当在整个工作循环中，液压泵的功率变化较大，且在功率循环图中最高功率所持续的时间很短时，分别计算出工作循环各阶段的功率，然后计算液压泵所需驱动功率，即对于限压式变量系统来说，为了使所选择的电动机在经过点时不致停转，需进行验算，即19.4设计或选择液压元件阀类元件的选择各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系统工况提供的情况从产品样本中选取。即所选用的阀类元件的额定压力和额定流量要大于系统的最高工作压力及实际通过阀的最大流量。在条件不允许时，可适当增大通过阀的流量，但不得超过阀额定流量的20%，否则会引起压力损失过大。具体地讲，选择压力阀时应考虑调压范围，选择流量阀时应注意其最小稳定流量，选择换向阀时除考虑压力、流量外，还应考虑其中位机能及操纵方式。19.4设计或选择液压元件选择液压辅元件油箱、过滤器、蓄能器、油管、管接头、冷却器等液压辅助元件可按有关原则选取。对于固定式的液压设备，常将液压系统的动力源、阀类元件集中安装在主机外的液压站上，这样能使安装与维修方便，并消除了动力源的振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式，配置形式不同，液压系统的压力损失和元件的连接、安装结构也有所不同。液压元件配置形式9.5验算液压系统性能1）当执行元件为液压缸时计算时要注意，快速运动时液压缸上的外负载小，管路中流量大，压力损失也大；慢速运动时，外负载大，流量小，压力损失也小，所以应分别进行计算。计算出的系统压力值应小于泵额定压力的75%，因为应使泵有一定的压力储备。否则，就应另选额定压力较高的液压泵，或者采用其他方法降低系统的压力，如增大液压缸直径等方法。2）当液压执行元件为液压马达时液压系统压力损失验算19.5验算液压系统性能1）系统发热量的计算在单位时间内液压系统的发热量可按下式计算如在工作循环中泵所输出的功率不一样，则可按各阶段的发热量求出系统单位时间的平均发热量，即2）系统散热量的计算在单位时间内油箱的散热量可用下式计算，即3）系统热平衡温度的验算当液压系统达到热平衡时有，当油箱的三个边长之比在1:1:1到1:2:3范围内，且油位是油箱高度的80%时，其散热面积可近似计算为液压系统压力温升验算219.6绘制工作图和编制技术文件绘制工作图（1）液压系统原理图上除画出整个系统的回路之外，还应注明各元件的规格、型号、压力调整值，并给出各执行元件的工作循环图，列出电磁铁及压力继电器的动作顺序表。（2）集成油路装配图若选用油路板，应将各元件画在油路板上，便于装配；若采用集成块或叠加阀时，因有通用件，设计者只需选用，最后将选用的产品组合起来绘制成装配图。（3）泵站装配图将集成油路装置、泵、电动机与油箱组合在一起画成装配图，表明它们各自之间的相互位置、安装尺寸及总体外形。（4）画出非标准专用件的装配图及零件图。19.6绘制工作图和编制技术文件绘制工作图（5）管路装配图表示出油管的走向，注明管道的直径及长度，各种管接头的规格、管夹的安装位置和装配技术要求等。（6）电气线路图表示出电动机的控制线路、电磁阀的控制线路、压力继电器和行程开关等。1编制技术文件技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压系统的使用及维护技术说明书，零部件目录表，标准件、通用件及外购件总表等。9.7液压系统的设计与计算本节以一台卧式单面多轴钻孔组合机床为例，要求设计出驱动它的动力滑台的液压系统，以实现“快进→工进→快退→停止”的工作循环。已知：主轴16个，加工直径13.9mm的孔14个、直径8.5mm的孔2个；刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBW；机床工作部件总质量1000

kg；快进、快退速度分别为5.6m/min，快进行程长度100

mm，工进行程长度50

mm，往复运动的加速、减速时间不超过0.16s；动力滑台采用平导轨，其静摩擦参数0.2，动摩擦因数0.1；液压系统中的执行元件使用液压缸。9.7液压系统的设计与计算1）工作负载2）惯性负载3）摩擦阻力负载

静摩擦阻力

动摩擦阻力负载分析19.7液压系统的设计与计算负载分析1工况负载组成负载值F/N推力F/N起动19622180加速15641738快进9811090工进3144934943快退9811090液压缸在各工作阶段的负载9.7液压系统的设计与计算（a）负载图（b）速度图液压缸的速度图及负载图负载图和速度图的绘制29.7液压系统的设计与计算液压缸的速度图及负载图组合机床液压系统在最大负载约为35000N时宜取工作压力为4.0MPa。液压缸主要参数的确定31.初选液压缸的工作压力直径圆整成就近标准值时得：D=110mm；d=80mm2.计算液压缸的尺寸9.7液压系统的设计与计算液压缸主要参数的确定3工况

推力/N回油腔压力/MPa进油腔压力/MPa输入流量/（L/min）输入功率/kW计算公式快进（差动）启动2180（此时液压缸并未移动）0.434//加速1738

()0.791//恒速10900.66228.150.312工进349430.84.0540.50.034快退启动218000.487//加速17380.61.66//恒速10901.51725.070.6349.7液压系统的设计与计算液压缸主要参数的确定3组合机床液压缸的工况图9.7液压系统的设计与计算拟定液压原理图41-双联叶片泵；2-三位五通电液阀；3-行程阀；4-调速阀；5、6、10、13-单向阀；7-顺序阀；8-背压阀；9-溢流阀；11-过滤器；12-压力表开关；14-压力继电器9.7液压系统的设计与计算选择液压元件5小流量泵的最大工作压力大流量泵的最高工作压力为两个泵的总流量确定选取PV2R12-6/26型双联叶片泵。液压泵驱动电动机所需功率为根据此数值查阅电动机产品目录和产品样本，选取电动机的型号为Y100L-6，其额定功率功率为1.5kW，额定转速为940r/min。。1.确定液压泵的型号及电动机功率9.7液压系统的设计与计算选择液压元件52.阀类元件及辅助元件9.7液压系统的设计与计算选择液压元件53.油管流量、速度快进工进快退输入流量/(L/min)排出流量/(L/min)运动速度/(m/min)液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为按GB/T2351-2005选用外径为18mm、内径为15mm的无缝钢管。9.7液压系统的设计与计算选择液压元件54.油箱油箱容积按中、低压系统计算，取系数为7，求得其容积

按JB/T7938-2010的规定，取标准值