第九章液压系统的设计与计算

1、第九章 液压系统的设计与计算,主讲 陈本德,感谢同学们的配合！祝你们进步！,液压传动系统的设计是整机设计的一部分，在目前液压系统的设计主要还是经验法，即使使用计算机辅助设计，也是在专家的经验指导下进行的。 因而就其设计步骤而言，往往随设计的实际情况，设计者的经验不同而各有差异，但是，从总体上看，其基本内容是一致的，具体为：,基本步骤,l）明确设计要求、进行工况分析。2）拟定液压系统原理图。3）计算和选择液压元件。4）验算液压系统的性能。5）绘制工作图，编制技术文件。,第一节 明确设计要求、进行工况分析,一、明确设计要求 1明确液压系统的动作和性能要求，例如，执行元件的运动方式(平动还是转动)、

2、行程和速度范围等。2明确液压系统的工作环境，例如，环境温度、湿度、尘埃、通风情况、是否易燃等。,二、工况分析 主要指对液压执行元件的工作情况的分析，目的是了解在工作过程中执行元件的速度、负载变化的规律，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。 如果液压执行元件动作比较简单，也可不作图，只需找出最大负载和最大速度。,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，即作速度图。 2、负载分析 确定设备在运行各个过程中可能遇到的各种负载和大小。做出负载图。 包括工作负载、摩擦负载、惯性负载等。,第二节 拟定液压

3、系统的原理图,液压系统图是整个液压系统设计中最重要的一环，它的好坏从根本上影响整个液压系统。拟定液压系统原理图所需的知识面较广，要综合应用前面的各章内容，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，拟定液压系统图时，应考虑以下几个方面的问题：,一、 所用液压执行元件的类型 往复直线运动的液压缸？往复摆动的液压缸？连续回转运动的液压马达？ 二、 液压回路的选择 根据系统的设计要求和工况图从众多的成熟方案中选择，既能保证各项运动要求的实现，也要考虑符合节省能源、减少发热、减少冲击等原则。 1、首先确定对主机主要性能起决定性

4、作用的回路。,例如：机床液压系统、调速和速度换接是主要回路。 2 然后再考虑其它辅助回路。 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。 3 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。 挑选回路有多种选择时，应平行展开，反复对比，不要轻易做出取舍决定。参考同类型液压系统中成熟的回路。,三、液压回路的综合 液压回路的综合是把选出来的各种液压回路放在一起，进行归并、整理、再增加一些必要的元件或辅助油路，使之成为完整的液压传动系统。进行这项工作时还必须

5、注意以下几点：,（1）尽可能省去不必要的元件，以简化系统结构。（2）最终综合出来的液压系统应保证其工作循环中的每个动作都安全可靠，无相互干扰。 （3）尽可能提高系统的效率，防止系统过热。（4）尽可能使系统经济合理，便于维修检测。（5）尽可能采用标准元件，减少自行设计的专用件。,第三节 液压元件的计算和选择,所谓液压元件的计算，是要计算该元件在工作中承受的压力和通过的流量，以便确定元件的规格和型号。 一、液压泵的选择 先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型，然后根据液压泵的最高供油压力和最大供油量来选择液压泵的规格。,1.确定液压泵的最高工作压力pP 液压泵的最高工作压力系统正常工作时泵所能提

6、供的最高压力。 液压泵的最高工作压力pP必须大于液压执行元件最大工作压力p1和进油路上总压力损失p1之和。 pP p1 p1 执行元件的最大工作压力可由负载图中查到。进油路上的总压力损失可按经验资料选取： 节流调速及简单系统取p10.20.5MPa，对于进油路上有调速阀及管路复杂的系统取p10.51.5MPa。,2、确定液压泵的最大供油量qp 液压泵的最大供油量不得小于几个同时工作的液压执行元件总流量的最大值，以及回路中泄漏量之和。 qPKqmax K考虑系统泄漏等因素的修正系数，K=1.11.3,小流量取大值，大流量取小值。,若系统中采用了蓄能器辅助供油，泵的流量按一个工作循环中的平均流量来

7、选取，,T工作循环的周期时间； qi工作循环中第i个阶段所需的流量； ti第i阶段持续的时间； n循环中的阶段数。,3.确定泵的规格 泵的额定压力应比pP高2560，泵的额定流量应与qP相当，不要超过太多，以免造成过大的功率损失。,确定液压泵的驱动功率 当系统采用定量泵时，工况不同其驱动功率计算方法不同 1）在整个工作循环中，液压泵的功率变化较小时，为：,2）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，则有平均功率：,求出平均功率后，还要验算每一个阶段电动机的超载量是否在允许的范围内，一般电动即允许短期超载量为25。如果在允许超载范围内，即可根据平均功

8、率与泵的转速n选取电动机。,对于限压式变量系统，先求出快速和慢速所需驱动功率，取两者中最大值选择电动机。,为使限压式变量泵在快速与慢速转换中经过拐点时电动机不至于停转，应验算：,二、阀类元件的选择阀类元件的选择是根据阀的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择控制阀的规格。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。,三、 液压辅助元件的选择油箱、过滤器、蓄能器、油管、管接头、冷却器等液压辅助元件可按第五章的有关原则选取。,第四节 液压系统的性能验算,一、液压系统压力损失的验算 液压系统压力损失发生在多处，需验算一下管路系统的总压力损失。,1.当执行元件为

9、液压缸时,cm液压缸的机械效率,2.当执行元件为液压马达时,二、液压系统发热温升的验算液压系统在工作时由于存在着各种各样的机械损失、压力损失和流量损失，这些损失大都转变为热能，使系统发热，油温升高，导致系统泄漏增加，运动部件动作失灵等不良后果。,1.系统发热量的计算 在单位时间内液压系统的发热量为：,若工作循环中泵所输出的功率不一样，则可有平均发热量，为：,2.系统散热量的计算 在单位时间内油箱的散热量为：,h 为散热系数,单位： kW/（m2 ）。 当通风较差，h =（89）103kW/（m2 ）； 当自然通风良好时， h=15103 kW/（m2 ）； 当风扇冷却时， h=23103kW

10、/（m2 ） 当采用循环水冷却时， h=（110 170）103 kW/（m2 ）,3.系统热平衡时有：H=H0，即,当油箱的三个边长之比为1 : 1 : 1到1: 2:3范围内，且油位是油箱高度的0.8时，其散热面积可近似计算为,式中，V油箱有效容积（L）； A散热面积（m2),第五节 绘制工作图和编制技术文件,一、绘制工作图（1）液压系统原理图 图上除画出整个系统的回路外，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

11、只需选用，最后将选用的产品组合起来给制成装配图。,（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。 （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。,二、编写技术文件技术文件一般包括 1)液压系统设计计算说明书 2)液压系统的使用及维护技术说明书 3)零部件目录表 4)标准件通用件及外购件总表,第六节液压系统设计计算举例,教材P200，9

12、1设计卧式单面多轴钻孔组合机床动力滑台的液压系统，动力滑台的工作循环是：快进工进快退停止。液压系统的主要参数与性能要求如下：轴向切削力为21000N，移动部件总重力为10000N，快进行程为100mm，快进与快退速度均为4.2m/min，工进行程为20mm，工进速度为0.05m/min，加速、减速时间为0.2s，利用平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，动力滑台可以随时在中途停止运动，试设计该组合机床的液压传动系统。,解：一、负载分析 1.切削力为Fr21000N； 2.摩擦阻力 静摩擦力为Fj0.2100002000N； 动摩擦力为Fd0.1100001000N； 3.惯性阻力,4

13、.液压缸负载计算,式中，液压缸的机械效率m 设为m0.9,二、绘制负载图和速度图,已知工进速度v工0.05m/min， 快进快退速度均为v快4.2m/min， 求快进、工进、快退过程时间 快进： 工进： 快退：,负载图和速度图,三、初步确定液压缸参数,1.初选液压缸工作压力 查教材P187表91、表92，初选液压缸工作压力p1=4MPa。 2.计算液压缸几何参数 由于机床要求快进与快退的速度相等，所以选用A1=2A2差动液压缸，D=2 d。 钻孔加工中，为防止钻透时发生前冲现象，液压缸回油腔应有背压，取p2=0.6MPa。,假定快进、快退时回油压力损失p2=0.6MPa。 由工进工况计算液压缸

14、无杆腔面积A1： 而 所以 液压缸内径,取标准直径：D110mm。液压缸活塞杆直径： 取标准直径d80mm 则液压缸有效面积：,3.计算液压缸在工作循环中各阶段的实际压力、流量和功率,4.绘制液压缸工况图,四、拟定液压系统图,（一）液压回路 1.确定调速方式。 由工况图得，该液压系统功率较小，工作负载变化小，故可选用节流调速方式； 由于钻孔工序切削力变化而且是正负载（切削力为推力），故采用进口节流调速为好。 为防止工件钻透时，工作负载突然消失而引起前冲现象，在回油路上加背压阀。,2.选择液压泵 由工况图可见，系统工作循环主要由低压大流量和高压小流量两个阶段组成，而且是顺序进行，最大流量与最小流

15、量之比,其相应的时间之比为,从提高系统效率考虑，选用限压式变量叶片泵或双联叶片泵较适宜。,选定双联叶片泵。,3.选择基本回路 快速运动回路与速度换接回路采用液压缸差动连接的方式，实现快进并使快进和快退速度相等。,由快进转工进时，系统流量变化较大，故宜选用行程阀以减小液压冲击。,由工进转快退时，回路通过的流量很大，为了保证换向平稳，宜选用电液动换向阀的换接回路。由于液压缸形成差动连接，工进时回油又需有背压，换向阀一般采用三位五通。,（二）组成液压系统,把所选出的各种基本回路组画在一起，,修改前的回路,修改后路的回路,检查组合成的液压回路，发现存在一些问题： 1）为了解决滑台工进时图中进油路、回油

16、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联一个单向阀a，将工进时的进油路和回油路隔断。,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。,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，就可以将顺序阀与油源处的卸荷阀合并。,最终得到较合理的完整的液压系统回路。

17、,五、选择液压元件,1.确定液压泵规格和电机功率 1）确定液压泵工作压力。 已确定了液压缸最大工作压力为2.9MPa。在调速阀进口节流调速回路中，工进时进油管路较为复杂，压力损失较大，取进油路上的压力损失1MPa，则小流量泵的最高工作压力应为：pP1=4MPa。 大流量泵只在快速运动时向液压缸输油，由工况图可知，液压缸快退时的工作压力比快进时大，考虑快退时进油路比较简单，取其压力损失为0.4MPa，则大流量泵的最高工作压力应为：pP2=2.14MPa。,2）确定液压泵的流量 由工况图知，油源向液压缸输入的最大流量在快进时最多，其值为21L/min，最小值在工进时，为0.48L/min。若取系统

18、泄漏折算系数K=1.3，则液压泵最大流量应为,应为溢流阀最小稳定流量为3L/min，工进时流量为0.48L/min，所以小流量泵的流量最小应为4L/min。,3）确定液压泵规格 根据以上数据，查阅产品样本目录选用相近规格的双联液压泵（一般选用双联叶片泵）。如：YB1-30/5B 4）确定液压泵电机功率 由工况图中知，液压缸的最大输出功率出现在快退工况下，其值为0.54kW,此时泵组的压力为2.14MPa，流量为qP = q1 +q2 = 30+5=35L/min。,取：泵的总效率P =0.7，则电机功率应为,选择功率为2.2kW的电机。,2、选择其他液压元件：,1）根据系统的工作压力和流过阀的流量选择各类液压元件。 型号和参数列于表中。,2）确定油管尺寸 选择无缝钢管或铜管，与液压缸连接处可采用金属软管。 由有关公式计算管道内径和壁厚（略） 由所选液压元件的接口尺寸最终确定管子内径和壁厚。 根据所选管子种类和液压元件接口型式确定所需的管接头（若选无缝钢管，则可用卡套式管接头；若选用铜管，则可用扩口式管接头）。,3.确定油箱容积 按经验公式：V=(57)qP，选取油箱