液压与气动技术液压传动系统与气动系统设计

液压与气动技术液压传动系统与气动系统设计第一页，共88页。液压与气动技术液压传动系统与气动系统设计第二页，共88页。8.1液压传动系统设计液压传动系统设计主要包含液压传动系统的机械设计和电气控制设计。液压系统设计的步骤大体如下:①明确设计要求;②进行工况分析与初步确定系统的主要参数;③拟定液压系统原理图;④计算和选择液压元件;⑤估算液压系统性能;⑥绘制工作图和编写技术文件。下一页返回第三页，共88页。8.1液压传动系统设计1.明确液压系统的设计要求①主机的用途、主要结构、总体布局;主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。②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。③液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。上一页下一页返回第四页，共88页。8.1液压传动系统设计④主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。⑤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。⑥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。⑦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。上一页下一页返回第五页，共88页。8.1液压传动系统设计2.分析系统工况及确定主要参数(1)工况分析图8-1(a)所示的负载一位移(F-l)曲线表示.称为负载图。将各执行元件在各阶段的速度用图8-1(b)所示的速度一位移(v-l)曲线表示.称为速度图。设计简单的液压系统时.这两种图可省略不画。上一页下一页返回第六页，共88页。8.1液压传动系统设计(2)确定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。执行元件的工作压力.可以根据负载图中的最大负载来选取(见表8-1).也可以根据主机的类型来选取(见表8-2);而最大流量则由执行元件速度图中的最大速度计算出来。这两者都与执行元件的结构参数(指液压缸的有效工作面积八或液压马达的排量VMM.经过各种必要的验算、修正和圆整后定下这些结构参数.最后再算出最大流量qmax来。上一页下一页返回第七页，共88页。8.1液压传动系统设计3.拟定液压系统原理图选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图从众多的成熟方案中(参见本书第7章和有关的设计手册、资料)评比挑选出来的。选择时.既要考虑调速、调压、换向、顺序动作、动作互锁等要求.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。上一页下一页返回第八页，共88页。8.1液压传动系统设计4.液压元件的计算液压泵的最大工作压力必须不小于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。液压执行元件的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(见表8-3)。上一页下一页返回第九页，共88页。8.1液压传动系统设计液压泵的流量必须不小于几个同时工作的液压执行元件总流量的最大值以及回路中泄漏量这两者之和。液压执行元件总流量的最大值可以从工况图中找到(当系统中备有蓄能器时此值应为一个工作循环中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，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力高20%~60%.以便留有压力储备;额定流量则只须选得能满足上述最大流量需要即可。上一页下一页返回第十页，共88页。8.1液压传动系统设计阀类元件的规格按液压系统的最大压力和通过该阀的实际流量从产品样本上选定。选择节流阀和调速阀时.还要考虑它的最小稳定流量是否符合设计要求。各类阀都须选得使其实际通过流量最多不超过其公称流量的120%.以免引起发热、噪声和过大的压力损失。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多。油管规格的选定和油箱容量的估算见本书6.1.5小节。上一页下一页返回第十一页，共88页。8.1液压传动系统设计5.液压系统的性能验算液压系统性能验算的项目很多，常见的有回路压力损失验算和发热温升验算。(1)回路压力损失验算压力损失包括管道内的沿程损失和局部损失以及阀类元件处的局部损失3项。管道内的这两种损失可用第2章中的有关公式估算;阀类元件处的局部损失则须从产品样本中查出。当通过阀类元件的实际流量q不是其公称流量qn时.它的实际压力损失△p与其额定压力损失△pn间将呈如下的近似关系:计算液压系统的回路压力损失时.不同的工作阶段要分开来计算。上一页下一页返回（8.2）第十二页，共88页。8.1液压传动系统设计(2)发热温升验算这项验算是用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量Q(以W计)是液压泵输入功率P1和液压执行元件有效功率P02(m3)近似地表示成当验算出来的油液温升值超过允许数值时.系统中必须考虑设置适当的冷却器。上一页下一页返回（8.3）第十三页，共88页。8.1液压传动系统设计例8-1如图8-3图8-4所示.其工作循环步骤为:上一页下一页返回第十四页，共88页。8.1液压传动系统设计(1)负载分析根据工件材料查阅机械加工工艺手册.得出钻孔的较合适的表面切削速度为从而计算出主轴的转速为由加工直径查阅工艺手册.得出加工每转进给量为上一页下一页返回第十五页，共88页。8.1液压传动系统设计根据切削原理得出钻削力计算公式为查阅机械设计手册得上一页下一页返回第十六页，共88页。8.1液压传动系统设计故计算出在本工艺条件下的最大钻削扭矩及最大钻削轴向力为①计算钻削缸受力。钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量.应小于2946N。②计算夹紧缸受力。根据夹具结构画出受力简图，如图8-5所示，由理论力学分析进行计算得夹紧力为上一页下一页返回第十七页，共88页。8.1液压传动系统设计α表示V形块夹角.本结构为90°;D表示被夹工件直径.本工件直径为80mm。故计算出夹紧力为W=1219(N)W缸=1219X3=3657(N)上一页下一页返回第十八页，共88页。8.1液压传动系统设计故送料缸所受最大轴向力为摩擦阻力加工件重量.即为由于力很小.因此将送料缸的运动近似认为是空载运动上一页下一页返回第十九页，共88页。8.1液压传动系统设计(2)液压缸的选择本例工艺要求送料缸送料速度大于50mm/s.钻削缸快进速度大于50mm/s查阅液压传动设计手册得出:选内径X活塞杆径=40X20(mm)的液压缸作为夹紧缸.则当液压缸内油的压力达到p=W缸/A=4X3657/(3.14X402)=2.91(MPa)时.就可夹紧工件;选该液压缸行程不小于40mm上一页下一页返回第二十页，共88页。8.1液压传动系统设计(3)液压泵选择根据液压缸的最大工作压力和最大流量，再考虑相关损失，计算泵的额定流量和额定压力泵的额定流量泵的额定压力查阅产品目录.该泵的型号为YB1-2.5.额定压力为6.3MPa.排量为2.5Ml/r.转速为450r/min的定量叶片泵。该泵的输出流量为上一页下一页返回第二十一页，共88页。8.1液压传动系统设计(4)选择电动机参数因为液压泵的转速为1450r/min,所以选电机的转速为1450r/min.功率大于0.34Kw.(5)选择油箱油箱容量通常取泵的额定流量的2~4倍.故设计油箱的容量为7~14L。上一页下一页返回第二十二页，共88页。8.1液压传动系统设计综上应选内径活塞杆径d=50X32(mm)的液压缸作为钻削缸.则当液压缸内油的压力大于p=F/A=4X2946/(3.14X502)=1.55(MPa)时.就可钻削工件;由于钻削快进采用差动连接.因此当输入流量达到就能满足钻削缸快速进给的要求;选该液压缸的行程不小于35mm选内径X活塞杆径=32X16mm的液压缸作为送料缸，当输入流量达到就能满足送料速度要求;液压缸的行程根据具体结构确定。上一页下一页返回第二十三页，共88页。8.1液压传动系统设计(6)选择阀由于钻削缸垂直安装，因此，为使运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。上一页下一页返回第二十四页，共88页。8.1液压传动系统设计为节约能源.钻削缸快进采用差动回路。(7)液压回路设计图8-6所示。上一页下一页返回第二十五页，共88页。8.1液压传动系统设计8.1.2液压传动系统的电气控制部分设计1.液压回路的电气控制设计步骤图8-7所示。液压回路电气控制设计步骤如下:①画出动作顺序图。②根据动作顺序图设计液压回路。③根据液压回路设计电气控制回路。下面通过介绍从单缸回路到多缸回路电气控制设计.说明液压回路电气控制设计方法。上一页下一页返回第二十六页，共88页。8.1液压传动系统设计2.单缸液压传动电气控制回路设计①根据动作顺序画出动作顺序图.如图8-8所示。②设计液压回路。本例中采用图8-7所示的两种电磁阀各设计一液压回路.如图8-9所示。在图8-9中.通电后使A缸前进的线圈称为YA1;通电后使A缸后退的线圈称为YA0。上一页下一页返回第二十七页，共88页。8.1液压传动系统设计(3)设计电气回路若采用目视操作.则可得如图8-10图8-11上一页下一页返回第二十八页，共88页。8.1液压传动系统设计若要使A缸能连续地自动前进、后退.则用如图8-12图8-13图8-14所示。上一页下一页返回第二十九页，共88页。8.1液压传动系统设计3.多缸液压传动的电气控制回路设计例8-4一液压系统两个气缸的动作顺序为A+B+A+B-(“+”表示伸出.“-”表示缩回).设计其电气、液压回路。(1)画出两缸的动作顺序图.(2)根据两缸的动作顺序图设计液压回路.(3)设计电气控制回路。具体步骤如下。第一步.由动作顺序图(见图8-20(a))和液压回路决定各线圈应在何时通、断电.如图8-20(b)所示。上一页下一页返回第三十页，共88页。8.1液压传动系统设计0表示开关末被触动的状态;1表示开关被触动的状态。图8-20(c)上一页下一页返回第三十一页，共88页。8.1液压传动系统设计从此图中可发现有3种信号变化的情形:0→0或1→1表示液压缸静止不动;1→0表示液压缸刚刚离开原位.正在继续移动中;0→1表示液压缸刚好到达某一定位。第三步.根据下列法则画电路图:①接点使线圈通电。②b接点使线圈断电。上一页下一页返回第三十二页，共88页。8.1液压传动系统设计首先.根据法则①.线圈通、断电图及开关动作图画出如图8-21(a)所示的线圈通电图。图8-21(b)所示。上一页下一页返回第三十三页，共88页。8.1液压传动系统设计4.液压传动系统的电气控制设计下面以实例分析液压传动系统的电气控制设计。例8-6以例8-1的设计数据.设计它的电气控制部分。1.电气控制回路设计。①绘制各液压缸动作顺序图.如图8-27(a)图8-27(b)所示。上一页下一页返回第三十四页，共88页。8.1液压传动系统设计①以0图8-27(c)也可采用PLC控制.可将图8-28上一页返回第三十五页，共88页。8.2气动程序控制系统设计8.2.1行程程序控制系统的设计步骤行程程序控制系统在气压传动中被广泛采用.其设计步骤如下。1.明确工作任务与环境的要求①工作环境的要求.如温度、粉尘、易燃、易爆、冲击、及振动情况。②动力要求输出力和转矩的情况。③运动状态要求.执行元件的运动速度、行程和l回转角速度等。④工作要求.即完成工艺或生产过程的具体程序。⑤控制方式为手动、自动等控制方式。下一页返回第三十六页，共88页。8.2气动程序控制系统设计2.回路设计回路的设计是整个气动控制系统的核心.其设计步骤如下。②根据程序画出信号一动作(X-D)状态图或卡诺图等。③找出障碍并消除障碍。④画出逻辑原理图和气动回路图。上一页下一页返回第三十七页，共88页。8.2气动程序控制系统设计3.选择和计算执行元件①确定执行元件的类型及数目。②计算和选定各运动和结构参数.即运动速度、行程、角速度、输出力、转矩及气缸的缸径等。③计算耗气量。4.选择控制元件①确定控制元件的类型及数目。②确定控制方式及安全保护回路。上一页下一页返回第三十八页，共88页。8.2气动程序控制系统设计5.选择气动辅助元件①选择过滤器、油雾器、储气罐、干燥器等的形式及容量。②确定管径、管长及管接头的形式。③验算各种阻力损失包括沿程损失和局部损失。6.根据执行元件的耗气量、定出压缩机的容量及台数按上述步骤进行.便可设计出比较完整的气动控制系统。上一页下一页返回第三十九页，共88页。8.2气动程序控制系统设计为了说明什么是障碍信号.现举一简单地按回路的控制程序要求、动作和信号之间的顺序关系绘制出来的A1B1B0A0程序回路的例子.如图8-29所示。由于该回路没有考虑障碍信号的存在，所以它是不能正常工作的。如图8-29所示的回路一旦供气后.由于信号阀b0一直受压.信号b0就一直供给阀A的右侧(A0位).这样.即使操作启动阀q,向阀A左侧(A1位)供气.阀A也不能切换。由此可见.信号b0对q是个障碍信号。上一页下一页返回第四十页，共88页。8.2气动程序控制系统设计若没有b00阀通过q阀进入阀A的左侧.使A11给阀B的左侧(B11给阀B的左侧B1位.使b11也妨碍了b1信号的送入。0和a1上一页下一页返回第四十一页，共88页。8.2气动程序控制系统设计Ⅱ型障碍信号.这种障碍通常发生在多往复往路中。行程程序控制往路设计的关键.就是要找出这种障碍信号和设法排除它们。行程程序往路设计的目的主要是为了解决信号和执行元件动作之间的协调和连接问题。一般有以下几种设计方法。上一页下一页返回第四十二页，共88页。8.2气动程序控制系统设计(1)试凑法选用气动基本回路、常用回路试凑在一起组成控制回路.然后分析能否满足要求。(2)逻辑设计法③快速消障法:这是在图解法的基础上.找出了一些规律省去作图过程的快速设计方法。上一页下一页返回第四十三页，共88页。8.2气动程序控制系统设计①计算机辅助逻辑综合法:在变量多的情况下(如6个变量以上)采用卡诺图法、快速消障法来简化逻辑函数也很困难.因此可借助计算机简化逻辑函数、设计气控行程程序逻辑回路。③采用步进控制回路或程序器:此法当改变控制对象时.回路变换迅速、控制适应性好、机动性强.但成本较高。(3)分组供气法上一页下一页返回第四十四页，共88页。8.2气动程序控制系统设计8.2.4多缸单往复行程程序控制回路X-D线图法设计上一页下一页返回第四十五页，共88页。8.2气动程序控制系统设计1.常用的符号规定①把所用的气缸依次用大写字母A,B,C,D等表示;字母下标“1”或“0”表示气缸活塞杆的伸缩状态.如A1表示气缸A活塞杆的伸出状态.A0表示气缸A活塞杆的缩回状态。②用与各气缸对应的小写字母a,b,c,d等表示相应的行程阀发出的信号;其下标“1”表示活塞杆伸出时发出的信号.下标“0”表示活塞杆缩回时发出的信号。③控制气缸换向的主控阀.也用与其控制的气缸相应的文字符号表示。①经过逻辑处理而排除障碍后的执行信号在右上角加“*”号.如a1*、a0*等.而不带“*”号的信号则为原始信号.如a1,a0等。上一页下一页返回第四十六页，共88页。8.2气动程序控制系统设计2.X-D线图法设计行程程序控制回路的步骤用X-D线图法设计行程程序回路的步骤为:①根据生产自动化的工艺要求.列出工作程序或工作程序图;②绘制X-D线图;③寻找障碍信号并排除.列出所有执行元件控制信号的逻辑表达式;④绘制逻辑原理图;⑤绘制气动回路图。上一页下一页返回第四十七页，共88页。8.2气动程序控制系统设计3.X-D线图法介绍下面以攻螺纹机为例.对X-D线图设计法进行说明。(1)根据工艺要求列出工作程序攻螺纹机由A,B两个气缸组成.其中A为送料缸.B为攻螺纹缸.其自动循环动作要求为用字母简化后的工作程序为略去箭头和小写字母.可进一步简化工作程序为上一页下一页返回第四十八页，共88页。8.2气动程序控制系统设计(2)绘制X-D线圈①画方格图。如图8-301、B1、B0、A0上一页下一页返回第四十九页，共88页。8.2气动程序控制系统设计②画动作状态线(D线)。用横向粗实线画出各执行元件的动作状态线。动作状态线的起点是该动作程序的开始处.用符号“O”问出;动作状态线的终点处用符号“×”问出。动作状态线的终点是该动作状态变化的开始处.如缸A伸出状态小A1,变换成缩回状态A0,此时A1的动作线的终点必然是在A0的开始处。上一页下一页返回第五十页，共88页。8.2气动程序控制系统设计上一页下一页返回第五十一页，共88页。8.2气动程序控制系统设计(3)确定并排除障碍信号并找出执行信号1)障碍信号的确定图8-30上一页下一页返回第五十二页，共88页。8.2气动程序控制系统设计2)排除障碍段(消障)常用的消障方法有如下几种。脉冲回路法排障.就是利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号变为脉冲信号。图8-321和b0换成脉冲阀就可设计成无障的A1B1B0A0回路了.但其成本相对较高。上一页下一页返回第五十三页，共88页。8.2气动程序控制系统设计利用逻辑“‘与”排障法:如图8-33上一页下一页返回第五十四页，共88页。8.2气动程序控制系统设计图8-34所示。③辅助阀法:若在X-D线图中找不到可用来作为排除障碍的制约信号时.可采用增加一个辅助阀的方法来消除障碍上一页下一页返回第五十五页，共88页。8.2气动程序控制系统设计图8-35(a)所示为辅助阀排除障碍的逻辑原理.图8-35(b)a.t是使K阀通的信号.其起点应选在m信号起点之前(或同时).其终点应在m的无障碍段中;图8-36所示为记忆元件控制信号选择的示意图。上一页下一页返回第五十六页，共88页。8.2气动程序控制系统设计4.绘制逻辑原理图1)气动逻辑原理图的基本组成及符号上一页下一页返回第五十七页，共88页。8.2气动程序控制系统设计图8-38左侧所示。上一页下一页返回第五十八页，共88页。8.2气动程序控制系统设计2)气动逻辑原理图的画法根据X-D图中执行信号栏的逻辑表达式.使用上述符号按下列步骤绘制。①把系统中每个执行元件的两种状态与主控阀相联后.自上而下一个个地画在图的右侧。②把发信器(如行程阀)大致对应其所控制的元件一个个地列于图的左侧。③在图上要反映出执行信号逻辑表达式中的逻辑符号之间的关系.并画出为操作需要而增加的阀(如启动阀)。上一页下一页返回第五十九页，共88页。8.2气动程序控制系统设计(5)绘制气动回路图由图8-38所示的逻辑原理图可知.这一半自动程序需用一个启动阀、生个行程阀和3个双输出记忆元件(二位四通阀)3个与可由元件串联来实现.由此可绘出如图8-39所示的气动回路图。图中q为启动阀.K为辅助阀(中间记忆元件)。注意:哪个行程阀为有源元件(即直接与气源相接)