液压与气压传动-第8章

8.1液压系统使用要求及速度负载分析8.1.1明确系统设计要求主机的技术要求是设计液压系统的依据和出发点。设计前应通过讨论并辅以调查研究，以求把主机对液压系统的设计要求和与设计相关的情况了解清楚。液压传动系统的设计通常要考虑以下几方面的问题:(1)主机的用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等;(2)液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何;(3)液压驱动机构的运动形式，运动速度;(4)各动作机构的载荷大小及其性质;(5)对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求;(6)自动化程序、操作控制方式的要求;下一页返回8.1液压系统使用要求及速度负载分析(7)对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求;(8)对效率、经济性与成本等方面的要求。只有明确了设计要求及工作环境，才能使设计的系统不仅满足性能要求，且具有较高的可靠性、良好的空间布局及造型。8.1.2工况分析工况分析是指对执行元件的工作过程进行运动分析和动力分析，以便了解其运动规律和负载特性。其中运动分析是分析主机在完成一个工作循环过程中，各执行元件是以怎样的规律运动的。如果执行元件作直线运动，要分析位移、速度随时间变化的规律;如果执行元件作旋转运动，要分析角位移、角速度随时间变化的规律。上一页下一页返回8.1液压系统使用要求及速度负载分析根据运动分析结果绘制速度循环图(或角速度循环图)，如图8-4(a)所示。动力分析是指分析执行元件在运动过程中的负载情况。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，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须从工作负载(切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等)、惯性负载和阻力负载(摩擦力、背压力)等方面分析，并把它们绘制成负载循环图，如图8-4(b)所示。设计简单液压系统时，速度循环图和负载循环图可以省略不画。上一页返回8.2液压系统方案设计8.2.1确定液压系统的主要参数这里是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。压力和流量是液压系统中最主要的两个参数，其他参数的确定及液压元件的选择都依赖于这两个参数。液压系统执行元件的形式，视主机所要实现的运动种类和性质而定，见表8-1。执行元件的工作压力可以根据最大负载(见负载循环图)来选取(见表8-2)，也可以根据主机的类型来选取(见表8-3)。最大流量则由执行元件速度循环图中的最大速度计算出来。这两个参数都与执行元件的结构参数(液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量VM)有关。下一页返回8.2液压系统方案设计一般的做法是先选定执行元件的形式及其工作压力p，再按最大负载(或负载转矩)和预估的执行元件机械效率求出A或VM，并通过各种必要的验算、修正和圆整后定下这些结构参数，最后再计算出最大流量qmax。如机床等的有些主机的液压系统对执行元件的最低稳定速度有较高的要求，这时所确定的执行元件的结构参数A或VM还必须符合下述条件液压缸液压马达上一页下一页返回8.2液压系统方案设计此外，有时还需对液压缸的活塞杆进行稳定性验算，验算工作常常和这里的参数确定下作交叉进行。以上的计算结果如不能满足有关规定要求时，A或VM的量值就必须进行修改。通过以上计算得到的液压缸有效工作面积或液压马达的排量，结合速度循环图和负载循环图可以算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率，将这三个参数在整个工作循环过程中的变化情况绘制成图就得到了液压系统执行元件的工况图，如图8-5所示。液压执行元件的工况图是选择系统中其他液压元件和液压基本回路的依据，也是拟定液压系统方案的依据。上一页下一页返回8.2液压系统方案设计这是因为:首先，工况图中的最大压力和最大流量直接影响着液压泵和各种控制阀等液压元件的最大工作压力和最大工作流量;其次，工况图中不同阶段内压力和流量的变化情况决定着液压回路的油源形式;最后，工况图所确定的液压系统主要参数的量值反映着原来设计参数的合理性，为主参数的修改或最后确定提供了依据。8.2.2液压系统原理图的拟定拟定系统原理图是液压系统设计中最重要的一步，它从工作原理和结构组成上来具体体现设计任务中的各项要求，不需精确计算和选择元件规格，只需选择功能合适的元件和原理合理的基本回路组合成系统。上一页下一页返回8.2液压系统方案设计液压系统原理图的拟定是从结构组成和作用原理上具体体现设计任务中提出的各项要求。它包含三项内容:确定系统类型、选择液压回路和集成液压系统。

1.确定系统类型液压系统在类型上有开式和闭式两种，其选择主要取决于它的调速方式和散热要求。一般说来，油箱存放空间大且无散热装置的系统，要求结构尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积一节流调速的系统，都宜采用开式;允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求或采用容积调速的系统，都宜采用闭式。开式系统和闭式系统的比较如表8-4所示。上一页下一页返回8.2液压系统方案设计

2.选择液压回路液压回路的选择是根据系统的设计要求和工况图从众多的成熟方案中(参见相关的设计手册等资料)对比挑选出来的。挑选时首先要保证满足各项主机要求，同时也要符合节省能源、减少发热、减少冲击等原则。首先挑选对主机主要性能起决定性作用的调速回路开始;然后再根据需要添加其他辅助回路:例如，对有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有快速运动部件的系统要考虑缓冲和制动回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步或互不干扰回路，有空运转要求的系统要考虑卸荷回路等等。挑选回路出现多种可能方案时，宜反复进行对比，不要轻易做出取舍决定。上一页下一页返回8.2液压系统方案设计

3.集成液压系统集成液压系统是把挑选出来的各种液压回路综合在一起，并增添必要的元件或辅助油路，使之组成完整的系统，并在最后检查一下:该系统是否完满地实现主机所要求的各项功能;是否要再进行修正和优化;有无作用相近的元件或油路可以合并等通过这样的处理使得到的液压系统结构简单、紧凑、动作平稳、效率高、工作安全可靠、使用和维护方便。综合得好的系统方案应全由标准元件组成，至少亦应使自行设计的专用件减少到最低限度。可靠性要求高的系统，要应用可靠性设计理论，对液压系统进行可靠性设计，以确保整个系统运行安全可靠。因为液压系统往往是主机系统的薄弱环节。上一页下一页返回8.2液压系统方案设计最重要的是实现给定任务有多种多样的系统方案，因此进行方案论证是十分必要的，对多个方案从结构、技术、操作、维护、成本等方面进行反复对比，最后组成一个结构完整、技术先进合理、性能优良的液压系统。上一页返回8.3液压系统的参数计算8.3.1液压执行元件的选择与计算选择液压元件时，先要分析或计算出该元件在工作中承受的最大工作压力和通过的最大流量，以便确定元件的规格和型号。1.液压泵液压泵的最大工作压力等于或超过液压执行元件最大工作压力及进油路上总压力损失这两者之和。最大工作压力可以从工况图中找到;进油路上的总压力损失可以通过估算求得，也可以按经验资料估计，如表8-5所示。液压泵的流量必须等于或超过几个同时工作的液压执行元件总流量的最大值与回路中泄漏量之和。下一页返回8.3液压系统的参数计算液压执行元件总流量的最大值可以从工况图中找到(当系统中配备有蓄能器时此值应为一个工作循环中同时工作的液压执行元件的平均流量);而回路中的泄漏量则可按总流量最大值的10%~30%估算。在参照产品样本选取液压泵时，泵的额定压力应选比上述最大工作压力高25%~60%，以便留有压力储备;额定流量则只需选能满足上述最大流量需要即可。2.阀类元件阀类元件的规格按其最大工作压力和通过的实际流量从产品样本上选定。选择节流阀和调速阀时要考虑它的最小稳定流量是否符合系统要求。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算压力阀和流量阀都须选其实际通过流量最多不超过其公称流量的110%，以免引起噪声、发热和过大的压力损失，还应注意换向阀允许通过的流量受其功率特性的限制。对于可靠性要求特别高的系统来说，阀类元件的额定压力应高出其工作压力较大。除液压泵和阀类元件的选择和计算之外，液压系统元件的选择和计算还包括辅助元件、管路的选择，油箱的设计与计算，相关选择方法和设计过程可以参见液压设计手册。8.3.2液压系统性能验算在液压系统设计完成后，需要对它的技术性能进行验算，以便判断设计质量。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算液压系统性能的验算主要是计算系统压力损失、调整压力、泄漏量、系统效率、系统温升、运动平稳性等。

1.液压系统压力损失验算在选定了液压元件的规格及管道、滤油器等辅件，确定了安装方式，绘制出管路安装图之后，就可以对管路系统的总压力损失进行验算。总压力损失包括管道的沿程压力损失、局部压力损失和各种液压控制阀的局部压力损失。验算压力损失的目的之一是为了正确确定系统的调整压力，即系统溢流阀的调整压力，以便指导系统的调试。当系统执行元件的工作压力已确定时，系统的调整压力可根据管路中的压力损失进行计算。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算系统的调整压力为液压泵应有一定的压力储备量，如果计算出的系统调整压力大于液压泵额定压力的75，则应该重新选择元件规格和管道尺寸以减小压力损失，或者另选额定压力较高的液压泵。2.液压系统发热和温升验算液压系统中各种能量损失都转化为热量，使油温升高。在系统连续工作一段时间后，当系统所产生的热量和散发到空气中的热量平衡时，系统油温不再升高，此时的油温应不超过允许值。当油温超过允许值时，必须采取适当的冷却措施或修改液压系统的设计。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算

(1)液压系统的发热功率液压系统发热的原因主要来自于液压泵和执行元件的功率损失、管道的压力损失及溢流阀的溢流损失。管道的发热较少，与它自身的散热基本平衡，可以忽略不计。1)液压泵的损失功率2)液压执行元件的损失功率上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算3)溢流阀的损失功率4)节流功率损失5)液压系统的发热功率液压系统的发热功率也可以用下面的公式进行估算上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算

(2)液压系统的散热功率液压系统中产生的热量由系统中的各散热面散发到空气中去，其中油箱是最主要的散热面。当只考虑油箱的散热时，则液压系统的散热功率为K-散热系数，其值按表8-6选择。

(3)系统温升计算当液压系统的发热功率△P与油箱的散热功率Pc相等时，系统处于热平衡状态。此时系统温升为按上式计算出的温升不应超过允许的温升值。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算8.3.3绘制正式工作图、编制技术文件设计的液压系统经过稳定性校核后，即可对初步拟定的液压系统进行修改，并绘制正式的工作图和编制技术文件。正式工作图一般包括液压系统工作原理图、液压系统装配图、各种非标准元件(如油箱、液压缸等)的装配图及零件图。液压系统原理图是对初步拟定的系统经反复修改完善，所绘制的液压系统图。图中应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的规格、型号和参数调整值;对于复杂的系统应按照各执行元件的动作顺序绘制工作循环图和电气元件动作顺序表。上一页下一页返回8.3液压系统的参数计算液压系统的装配图是液压系统的安装施工图，应包括液压泵装置图、集成油路装配图和管路安装图。在管路安装图上应表示出各液压部件和元件在设备和工作地的位置和固定方式，油管的规格和分布位置，各种管接头的形式和规格等。在绘制装配图时应考虑安装、使用、调整和维修方便，管道尽量短，弯头和管接头尽量少。编制技术文件一般包括设计计算说明书、零部件目录表、标准件、通用件及外购件总表等。上一页返回8.4液压系统设计计算实例

1.负载分析

(1)工作负载由切削原理可知，高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力Ft与钻头直径D(mm)、每转进给量、(mm/r)和铸件硬度HB之间的经验计算式为(2)惯性负载(3)阻力负载液压缸的机械效率取ηm=0.9，由此得出液压缸在各工作阶段的负载如表8-7所示。下一页返回8.4液压系统设计计算实例

2.液压缸主要参数的确定由表8-2(按负载选定工作压力)及表8-3(按主机类型选择系统压力)可知，组合机床液压系统在最大负载约为35000N时宜取p1=4Mpa。鉴于动力滑台要求快进、快退速度相等，这里的液压缸可选用单杆式的，并在快进时做差动连接。在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压P2，以防孔被钻通时滑台突然前冲。工进时的推力计算液压缸面积上一页下一页返回8.4液压系统设计计算实例根据上述D与d的值可估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，如表8-8所示，并据此绘出工况图如图8-7所示。3.液压系统图的拟定(1)液压回路的选择首先选择调速回路。由图8-6中的一些曲线得知，这台机床液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，可采用进口节流的调速形式。为了解决进口节流调速回路在孔钻通时的滑台突然前冲现象，回油路上要设置背压阀。其次是选择快速运动和换向回路。系统中采用节流调速回路后，不管采用什么油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔，以实现快速运动。上一页下一页返回8.4液压系统设计计算实例再次是选择速度换接回路。最后再考虑压力控制回路。系统的调压问题已在油源中解决。卸荷问题如采用中位机能为H形的三位换向阀来实现，因此就不需再设置专用的元件或油路。

(2)液压回路的综合把上面选择的各种回路组合画在一起就可以得到如图8-9所示的、未设置虚线圆框内元件时的系统原理图。将此图仔细检查一遍，可以发现，这个原理图在工作中还存在问题，必须进行如下的修改和整理:上一页下一页返回8.4液压系统设计计算实例1)为了解决滑台工进时图中进油路、回油路相互接通，无法建立压力的问题，必须在液动换向回路中串接一个单向阀a，将工进时的进油路、回油路隔断。

2)为了解决滑台快速前进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀b，以阻止油液在快进阶段返回油箱。3)为了解决机床停止工作时系统中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动平稳性的问题，另外考虑到电液换向阀的启动问题，必须在电液换向阀的出口处增设一个单向阀c。在泵卸荷时，使电液换向阀的控制油路中保持一个满足换向要求的压力。上一页下一页返回8.4液压系统设计计算实例4)为了便于系统自动发出快速退回信号，在调速阀输出端需增设一个压力继电器d。5)如果将顺序阀b和背压阀的位置对调一下，就可以将顺序阀与油源处的卸荷阀合并。经过修改、整理后的液压系统原理图如图8-10所示。上一页返回8.5液压系统CAD技术简介

1.液压系统CAD技术介绍伴随着计算机技术的快速发展，计算机辅助设计(CAD)技术已应用于诸多专业领域并发挥着重要作用，产生显著的社会效益和经济效益。目前，液压系统CAD技术主要在绘制液压系统原理图、系统参数计算和元件选型、液压元件和装置的自动绘制、有限元分析和液压系统动态、静态特性仿真分析等方面发挥重要作用。液压系统CAD技术也从早期(20世纪80年代)单一功能逐步向功能完善、性能优良和系统化、智能化方向发展，不断丰富液压传动系统设计技术，有效提高液压系统设计效率和优化液压系统设计性能。下一页返回8.5液压系统CAD技术简介液压系统CAD技术发展至今已经形成多种成熟的软件，如:AMESim,Hopsan液压仿真软件、美国波音公司的EASYS液压仿真软件和浙江大学流体传动及控制实验室开发的SIMUL-ZD液压仿真软件等。目前国内外较为普遍应用的液压CAD软件之一是AMESim。AMESim—系统工程高级建模和仿真平台(AdvancedModelingEnvironmentforSimulationsofEngineeringSystems)—是法国Imagine公司于1995年推出的基于键合图的液压机械系统建模、仿真及动力学分析软件。上一页下一页返回8.5液压系统CAD技术简介它能够从元件设计出发，可以考虑摩擦、油液和气体的本身特性、环境温度等非常难以建模的部分，直到组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，并能够联合其他优秀软件进行联合仿真和优化，还可以考虑控制器构成闭环系统进行仿真，使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。AMESim软件共由四个功能模块组成:AMESim,AMESet,AMECustom,AMERun，另外还有软件帮助模块AMEHeIp。其中，AMESim用于面向对象的系统建模、参数设置、仿真运行和结果分析，是该工具软件的主功能模块，主要工作模式为:按系统原理图建模—确定元件子模型—设定元件参数—仿真运行—结果观测和分析。该软件系统具有功能特点如下:上一页下一页返回8.5液压系统CAD技术简介(1)多学科的建模平台(2)图形化物理建模方式(3)强大的二次开发能力(4)鲁棒性极强的智能求解器(5)探究及优化功能(6)齐次的分析工具(7)与其他软件接口虽然AMESim是一个比较成熟的软件，但它目前也有部分缺点:1)元件模型需要设置许多参数，很多参数不好确定;上一页下一页返回8.5液压系统CAD技术简介2)仿真元件比较固定，当系统仿真人员需要一个比较特殊的元件时，需要拥有非常专业的编程技巧和经验，不利于普通技术人员的使用。目前还不能应用到更为广泛的领域;3)仿真过程过于理想化，对实际的泄漏、摩擦、流体特性等还有待做出更多探究。2.AMESim在液压系统中的应用AMESim专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库，如图8-11所示(部分元件):鉴于液压系统的元件多式多样，标准库无法满足所有的建模要求，AMESim提供了一个基本元件库设计HCD(HydraulicComponentDesign)。上一页下一页返回8.5液压系统CAD技术简介利用HCD，用户可以建立标准库中没有的液压模型，当然也可以建立标准库中已提供的模型，如图8-12所示(部分元件)。下面以一个具体的液压系统来说明AMESim在液压系统仿真中的应用。例:阀控液压缸系统仿真一个典型的带位置反馈的阀