西职院液压传动教案第9章 液压传动系统设计

PAGEPAGE1PAGE2课时分配：16节编写日期：2010年2月20日课题第九章液压传动系统的设计和计算目的和要求1.掌握如何分析液压传动系统设计中的工况、主要参数等并进行计算。2.掌握如何液压系统主要性能的验算。3.了解液压系统CAD。难点重点液压系统的工况分析。液压系统性能的计算和验算组织教学（包括教学环节，内容提纲，时间分配，教具等）一、复习旧课二、讲授内容1、液压系统的设计步骤和设计计算2、工况分析和确定执行元件主要参数3、拟定液压系统原理图3、选择液压元件并确定安装连接形式4、液压系统主要性能的验算5、绘制工作图和编制技术文件6、液压系统设计计算举例7、液压系统计算机辅助设计概述课外作业8-1课时授课计划讲授内容作业与补充第一节液压系统的设计步骤和设计计算一设计步骤讲授内容作业与补充二液压系统的设计要求1、系统的动作和性能要求液压传动系统的动作和性能要求，主要包括有：运动方式、行程和速度范围、载荷情况、运动平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁要求、工作可靠性等。2、系统的工作环境。液压传动系统的工作环境，主要是指：环境温度、湿度、尘埃、是否易燃、外界冲击振动的情况以及安装空间的大小等。3、其它方面的要求，如：液压装置的重量、外观造型、外观尺寸及经济性。讲授内容作业与补充第二节工况分析和确定执行元件主要参数对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的大小、方向及其变化规律。并将此规律用曲线表示出来，作为拟定液压系统方案确定系统主要参数（压力和流量）的依据。一、运动分析运动分析即对液压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，并画出速度循环图二、负载分析把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，称为负载循环图。绘制负载循环图时，应先分析执行元件的受力情况。F=FW+Ff+Fb+FS+Fi（8-1）F-液压缸总负载（N）FW-液压缸工作负载（N）Ff–导轨摩擦负载（N）Fb–背压负载（N）Fs–密封摩擦阻力（N）Fi–惯性负载（N）讲授内容作业与补充1、工作负载FW不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工作的压制抗力即为工作负载。工作负载FW与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值（如顺铣加工的切削力）。工作负载可能为恒值，也可能为变值，其大小要根据具体情况进行计算，有时还要由样机实测确定。2、导轨摩擦负载Ff导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨型式、放置情况及运动状态有关。各种型式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式（导轨水平放置时）为：平导轨Ff=f(G+FN)V形导轨式中：f——摩擦系数；G——运动部件的重力；FN——垂直于导轨的工作负载；a——V形导轨面的夹角，一般a=90°。3、背压负载Fb背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，Fb也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。4、密封负载Fs密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，Fs的计算公式详见有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，Fs无法计算，一般用液压缸的机械效率hm加以考虑，常取hm=0.90～0.97。5、惯性负载Fi惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出。在加速时取+Fi；减速时取-Fi；恒速时Fi=0。三、液压缸的主要参数液压缸的主要结构尺寸是指缸的内径D和活塞杆的直径d（第四章已介绍过）。对有低速运动要求的系统（如精镗机床的进给液压系统），尚需对液讲授内容作业与补充压缸的有效工作面积A进行验算，即应保证式中：qmin——控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量；umin——液压缸要求达到的最低工作速度。验算结果若不能满足式（8.2），则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需的低速，必须修改设计。四、绘制执行元件工况图各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算液压执行元件在工作循环各阶段内的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即液压执行元件在一个工作循环中的压力、流量和功率随时间（或位移）的变化曲线图（如图8-5）。讲授内容作业与补充第三节、拟定液压系统原理图液压传动系统原理图是表示液压传动系统的组成和工作原理的图样。一、确定油路类型一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式油路；凡允许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式油路。通常节流调速系统采用开式油路，容积调速系统采用闭式回路。二、选择液压回路在拟订液压传动系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。三、确定控制方式四、组成液压系统讲授内容作业与补充第四节选择液压元件并确定安装连接形式一、选择液压泵1、确定液压泵的最高供油压力pp对于执行元件在行程终了才需要最高压力的工况（此时执行元件本身只需要压力不需要流量，但液压泵仍需向系统提供一定的流量，以满足泄漏流量的需要），可取执行元件的最高压力作为泵的最大工作压力。对于执行元件在工作过程中需要最大工作压力的情况，可按下式确定pp≥p＋SΔp（8-3）式中：pp——液压泵的最高工作压力；p——液压缸工况图中所示的最高工作压力；SΔp——系统压力损失2、确定液压泵的最大供油量一般情况：qp=KSqmax采用节流调速：qp=KSqmax+Δq采用许能器：qp=Kq式中：qp——液压泵最大供油量（m3/s）Sqmax——同时动作的各液压缸所需流量之间的最大值（m3/s）Δq——溢流阀最小溢流量，Δq=（3.3～5）×105（m3/s）k——系统的泄漏修正系数，一般取k=（1.1～1.3），大流量取小值，小流量取大值；q——采用蓄能器时的液压缸平均流量（m3/s）为保证液压泵的正常工作，所选液压泵的公称压力可比系统的最高压力高出25%～40%。液压泵的流量则与系统所需流量相当，不宜超过太大。液压泵电动机的功率按下式计算p=ppqp×10-3/ηp式中：p——电动机功率（m3/s）ηp——液压泵的总效率，见液压泵产品说明书二、选择阀类元件各种阀类元件的规格型号，按液压传动系统原理图和系统工况图中提供的该阀所在支路最大工作压力和通过的最大流量从产品样本中选取。各种阀的额定压力和额定流量，一般应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量的20%。三、选择液压辅助元件1、油管；讲授内容作业与补充2、油箱；3、其他辅助四、液压元件安装连接形式的确定对于机床等固定式的液压设备，常将液压传动系统的动力源、阀类元件（包括某些辅助元件）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可供选择。配置形式不同，液压系统元件的连接安装结构和压力损失也有所不同。第五节液压系统的主要性能的验算1、系统压力损失即泵的工作压力通过系统压力损失的计算，我们可以把整个系统的各段压力折合到液压泵出口处，以便于确切地算出液压泵出口、液压缸进、出口的实际工作压力，从而确定各压力阀的调整压力。2、液压系统的总效率η讲授内容作业与补充第五节液压系统的主要性能的验算一、系统压力损失即泵的工作压力通过系统压力损失的计算，我们可以把整个系统的各段压力折合到液压泵出口处，以便于确切地算出液压泵出口、液压缸进、出口的实际工作压力，从而确定各压力阀的调整压力。1、单杠液压缸一般连接时SΔp的计算P1A1=F1+P2A2PP=P1+SΔp1由于系统油管通油箱，故P2=SΔp1，带入上式，解得泵的工作压力PP和SΔp为：P1——液压缸工作压力（MPa);P1=F1/AΔp1——进油路上的总压力损失（MPa);Δp2——回油路上的总压力损失（MPa);讲授内容作业与补充2、液压缸差动时SΔp的计算P1A1=F3+P2A2PP=P1+SΔp1+SΔp3由于液压缸两腔相连通，其两缸的液压关系为P2-SΔp2=P1。代入两式可解得：式中P3—液压缸差动时工作压力（MPa）SΔp1—进油路上的总压力损失（MPa）SΔp2—回油路上的总压力损失（MPa）SΔp3—合流路上的总压力损失（MPa）二液压系统的总效率η在液压系统中，执行机构（如液压缸）输出的有效功率PCO=(PCO=FV)与输入动力装置（如液压泵）功率PPi(PPi=ppqq/η）的比值，称为系统总效率，即：η=PCO/PPi=ηPFV/ppqq三、液压系统发热及温升校核功率损失使系统发热，则单位时间的发热量φ（kW）为：Δ Q1=PPi-PCO（8-17）ΔQ1=PPi(1-η)（8-18）式中：ΔQ1——油箱单位时间散热量（KW）P1——系统的输入功率（KW）；P2——系统的输出功率（KW）;功率损失使系统发热，则单位时间的发热量φ（kW）为：ΔQ2=ΚAΔΤ（8-17）式中：ΔQ——油箱单位时间散热量（KW）ΔΤ——油箱中油液温度与周围空气温度的温差（℃）；Κ——油箱的散热系数（KW/m2×℃）;讲授内容作业与补充A——油箱的散热面积（m2），若油面的高度为油箱高度的80%时，已知油箱的有效容积是V（m3），则散热面积近似为A≈6.66V2/3。表8-2油箱散热系数散热条件散热系数Κ（KW/m2×℃）周围通风较差周围通风较好用风扇冷却用循环水强制冷却（8~9）×10-315×10-323×10-3（110~175）×10-3当液压系统产生的热量和油箱散热相等时（ΔQ2=ΔQ1），油温不再上升，在热平衡状态下油液所达到的温度为：t1=t2+ppi（1-η）/KA（8-20）t1——热平衡状态时油液温度（℃）t2——环境温度（℃）由式（8-14）计算出的油液温度t1若超过表8-3中规定的允许最高温度时，系统中就必须考虑添设冷却装置或采取适当措施，提高液压系统的效率表8-3某些液压系统中规定的油温允许值主机类型正常工作温度允许温升允许最高温度普通机床数控机床粗加工机械工程机械30~5530~5040~7050~8025~30≤2535~4035~4055~6555~6560~9570~90讲授内容作业与补充第六节绘制工作图和编制技术文件正式工作图包括液压传动系统原理图、液压传动系统装配图、液压缸等非标准元件装配图及零件图。液压传动系统原理图中各元件应按国家标准规定的图形符号绘制（见附录），另外应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的规格、型号和压力、流量调整值。一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表。液压传动系统装配图是液压传动系统的安装施工图，包括油箱装配图、液压泵站装配图、集成油路装配图和管路安装图等。在管路安装图中应画出各油管的走向、固定装置结构、各种管接头的形式和规格等。讲授内容作业与补充第七节液压系统设计计算举例略讲