第九章液压传动系统的设计1

1、1欢迎学习第九章欢迎学习第九章2第九章第九章 液压系统的设计与计算液压系统的设计与计算本章主要介绍液压传动系统设计计算的主要内容、步骤和方法。本章是本课程液压传动部分的综合章节。重点：拟定液压系统原理图，选用液压元件,设计液压缸。 难点：液压系统选用限压式变量泵和节流阀的容积节流调速回路的功率计算。计划学时：2学时3 第一节 概述 在前几章中，对液压传动的基本原理，液压元件的结构、工作原理和基本回路等进行了分析，本章的任务是应用这些基本知识来讨论液压传动系统设计、计算的步骤和方法。液压系统的设计必须重视调查研究，注意借鉴前人的经验。一般说来，液压系统设计应着重解决的主要问题是满足工作部件对力和

2、运动两方面的要求，在满足工作性能和工作可靠性的前提下，应力求系统简单、经济且维修方便。 设计一个液压传动系统，应按下列步骤进行： 1明确设计依据，进行工况分析明确设计依据，进行工况分析2初步确定液压系统参数初步确定液压系统参数3拟定液压系统图拟定液压系统图4计算、选择或设计液压元件计算、选择或设计液压元件5液压系统的性能验算和绘制工作图、编写技术文件液压系统的性能验算和绘制工作图、编写技术文件性能验算包括系统压力损失验算和液压系统的发热与温升验算。正式工作图一般包括正式的液压系统工作原理图、系统管路装配图和各种非标准液压元件的装配图和零件图。 应该指出，在实际设计过程中，根据所设计机器的用途和

3、掌握的资料情况，上述步骤有的可以省略，有的可以合并。同时，各设计步骤是相互联系、相互影响的。设计中往往是互相穿插，交叉进行，有时还要经过多次反复才能完成。4 设计的基本内容和一般流程如下：设计的基本内容和一般流程如下：(图图9-1)明确系统设计要求分析系统工况确定主要参数拟订液压系统草图选择液压元件验算液压系统性能绘制工作图，编制技术文件是否符合要求否否是是5第二节第二节 明确系统设计要求、进行工况分析明确系统设计要求、进行工况分析一、明确系统设计要求一、明确系统设计要求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

4、动方式(移动、摆动或转动)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。64、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。7、其它方面的要求。7二、执行元件工况分析二、执行元件工况分析 对液压系统进行工况分析，就是要查明它的每个执行元件在各自工作过程中的运动速度和负载的变化规律。这是满足主机规定的动作要求和承载能力所必需具备的。分析系统工况的重要性分析系统工况的重要性8 液压系统承受的负载液压系统承受的负载 当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有

5、的组成项目，例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形拉力、重力等），惯性负载和阻力负载（摩擦力、背压力）等，并把它们绘成图形。9工 进快 进原位快 进图92 工作循环图反向启动减速制动快退启动快进制动工进图93 速度循环图 (一一)运动分析运动分析 运动分析就是分析主机按其工艺要求，以何种运动规律完成一个工作循环。要求画出速度循环图。图92、93分别为一组合机床动力滑台的工作循环图和速度循环图。 10 (二二)动力分析动力分析 1液压缸的负载分析液压缸的负载分析 (1) 工作阻力Fw沿液压缸运动方向的切削分力、重力、挤压力等。 (2) 摩擦阻力Ff液压缸工作机构工作时所要克服的机械摩擦力。

6、对于机床来说，既导轨摩擦阻力，它与导轨形状、放置情况以及运动状态有关。选最常见的两种导轨型式（图94）为例，其摩擦阻力计算公式为：对平导轨： 对V形导轨： 式中： FG运动部件的总重(N)； 对平导轨为垂直于导轨方向上的切削分力；对V型导轨为沿V形导轨横剖面中心线方向作用于导轨上的切削分力 V型导轨的夹角，一般为90； f摩擦系数，它有静摩擦系数和动摩擦系数之分，在机床滑动导轨上，一般f fj j0.20.3，f fd d0.050.1。启动时按静摩擦系数计算，运动时按动摩擦系数计算。 图94 导轨的受力分析 (b)对称V形导轨(a)平导轨F重F重F切切F)(GGfFFfF2sin)(aFFf

7、FGGfGF11(3)惯性阻力Fa工作部件在启动和制动过程中的惯性力。式中：a工作部件的加速度；t启动加速或减速制动的时间，对一般机床主运动t =0.250.5s,进给运动t0.10.5s，磨床t0.010.05s，低速轻载运动部件取较小值，反之取较大值。 v 在t时间内的速度变化量。 惯性阻力有正有负，启动时为正，制动时为负。 (4) 重力FG垂直或倾斜放置的工作部件。 (5) 密封阻力Fmm密封件在相对运动中产生的摩擦阻力。 (6) 背压阻力Fb液压缸回油路上的阻力。 2.机床液压缸在各工作阶段总外负载机床液压缸在各工作阶段总外负载Ff的计算的计算(1) 启动阶段启动阶段 (2) 加速阶段

8、加速阶段(3) 快进阶段快进阶段 (4) 工进阶段工进阶段 (5) 制动阶段制动阶段gmjfFFFGmdfFFFgmdwfFFFFgamdfFFFF12式中：Fmj静摩擦阻力 Fmd动摩擦阻力 3.绘液压缸负载图绘液压缸负载图 当液压执行元件为液压马达时，对其负载转矩M的分析和计算，思考方法与液压缸相同。 13 第三节、执行元件主要参数的确定第三节、执行元件主要参数的确定一一确定执行元件的类型确定执行元件的类型 根据工作部件所需的运动形式、速度、负载的性质和工作环境参考表91，确定执行元件的类型。 执行元件适用工作状况应用实例液压缸单活塞杆缸双向工作、往复运动速度不同、承受负载范围大组合机床、

9、拉床、农业机械、工程机械、建筑机械、液压机等双活塞杆缸双向工作、往复运动相等、承受负载较小磨床工作台柱塞缸行程较长时，成对使用或单向回程靠外力、负载大龙门刨床、工程机械升降机、自卸汽车等齿条活塞缸负载不大的摆动运动机械手、回转工作台、转位夹具等液压马达 齿轮式马达速度平稳性要求较低、工作环境差、负载力矩不大攻丝、钻床、风扇驱动。对体积受限制时选摆线齿轮式叶片式马达噪声要求较小的场合、负载力矩较低磨床回转工作台、机床操纵机构柱塞式马达有变速和边力矩要求、低速平稳性要求高、负载力矩较大的场合数控机床、铰车、铲车、内燃机、起重机等低速大扭矩马达转速底、平稳性高、负载力矩大的场合农业机械、工程机械等摆

10、动型马达往复摆动角的运动。比齿条活塞缸的体积要小石油机械、机械手、料斗等 表91 常用执行元件的应用 14二、初选执行元件的工作压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素： (1)各类设备的不同特点和使用场合。 (2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。15表92 按负载大小选择液压缸工作压力负载F （KN）551010202030304050液压缸工作压力（MPa）0.81

11、.01.52.02.53.03.04.04.05.05.07.0表93 设备常用的工作压力设备类型磨床组合机床车床铣床镗床衍磨机床龙门刨床拉床农业机械、小型工程机械辅助机构液压机、重型机械、起重运输机械系统工作压力(MPa)0.82.03.05.02.04.02.05.02.08.08.010.010.016.016.032.016三、三、 执行元件主要结构参数的确定执行元件主要结构参数的确定1. 液压缸主要结构尺寸的确定液压缸主要结构尺寸的确定 当液压缸工作速度很低时，尚须按速度要求验算缸的有效工作面积。以满最低稳定速度的要求，即A应满足下式： 式中：A 液压缸有效工作面积； qmin 流量

12、阀或变量泵的最小稳定量(由产品样本查得)； Vmin 主机要求的最低工作速度。 液压缸所需的最大流量液压缸所需的最大流量 式中 AjG 液压缸进油腔的有效工作面积 V max液压缸的最大运动速度 minminvQA maxmaxvAqjG172、执行元件的工况图、执行元件的工况图 工况图是在执行元件结构参数确定之后，根据设计任务要求，算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率之后作出的。18ot1t2t3ot1t2t3ttot1t2t3ta )b )c )pqP图96 执行元件工况图 a）压力图 b）流量图 c）功率图 t1快进时间 t2共进时间 t3快退时 间 19工况图的作用是：1）通过工况

13、图找出最大压力、最大流量点和最大功率点,分析各工作阶段中压力、流量变化的规律,作为选择液压泵和控制阀的依据。2）验算各工作阶段所确定参数的合理性。例如当功率图上各阶段的功率相差太大时,可在工艺情况允许的条件下,调整有关阶段的速度,以减小系统需用的功率。当系统有多个液压缸工作时，应把各液压缸的功率图按循环要求叠加后进行分析,若最大功率点互相重合,功率分布很不均衡,则同样应在工艺条件允许情况下,适当调整参数,避开或削减功率“高峰”,增加功率利用的合理性,以提高系统的效率。 3）通过对工况图的分析,可以合理地选择系统主要回路。油源形式和油路循环形式等,如果在一个循环内流量变化很大,则不适宜采用单定量

14、泵,也不宜采用蓄能器,而适宜采用“大小泵”的双泵供油回路或限压式变量泵的供油回路。以上分析、计算和调整,有利于拟定出较为合理、完善的液压系统方案。20 第四节第四节 系统原理图的拟定系统原理图的拟定一、调速方案的确定一、调速方案的确定 1）在小压力、小功率 (23kW以下)、工作平稳性要求不高的系统，宜采用节流阀节流调速回路； 2）负载变化较大、速度稳定性要求较高的系统，宜采用调速阀节流调速回路； 3）中等功率 (35kW)、温升小的系统，可采用节流调速回路或容积调速回路或采用容积节流调速回路(要求工作平稳性好)； 4）高压大功率 (5kW以上)系统，宜采用容积调速回路，以提高液压系统效率。在

15、调速回路确定后，油路的循环形式基本上也就确定了。二、快速回路和速度换接方式的选择三、油源的选择三、油源的选择四、其它回路的选择四、其它回路的选择五、五、液压系统的组合液压系统的组合 在拟定液压系统原理图时，应尽量避免回路之间互相干扰或采用防干扰回路；在液压基本回路中，尽可能去掉相同作用的元件，力求系统简单、工作可靠，元件品种规格要少，尽量选用标准件；力求提高液压系统的工作效率，防止系统过热；防止液压冲击，采用蓄能器消除液压冲击，或在油缸进口处安装过载溢流阀及设计缓冲装置，还可以增设缓冲回路等。为了调整和检修上的方便，拟定液压系统原理图时，应在泵源出口、系统中压力阀等处设置必要的测压点，可由测压

16、点处压力表观察系统是否正常工作。 21表8-1 电磁铁和行程阀动作表 电磁铁、行程阀动 作电 磁 铁行程阀1YA2YA3YA快进+-一工进+-+二工进+-+死挡块停留+-+快退-+-+原位停止-（注：“+”号表电磁铁得电或行程阀压下；反之，用“-”号）。22 第五节第五节 液压系统元件的选择液压系统元件的选择一、液压泵的选定一、液压泵的选定 （一）确定液压泵的最高工作压力（一）确定液压泵的最高工作压力pp ppp1+p式中：p1执行元件的最高工作压力；p进油路上管路压力损失的总和。 初算时，简单系统p取（25）105Pa，复杂系统p取（515）105Pa。 （二）确定液压泵的最大流量（二）确定

17、液压泵的最大流量qp qpK(q)max 式中： K系统泄漏系数，一般K=1.11.3; (q)max执行元件同时工作时，系统所需最大流量。当采用蓄能器的系统时，泵的最大流量qp,根据系统在一个工作循环中执行元件的平均流量与回路泄漏量之和。 采用差动回路时，应按差动连接的最大流量进行计算。 （三）选择液压泵规格型号（三）选择液压泵规格型号 液压泵的主要参数为额定压力和流量，选取额定压力比pp高2550%、流量与系统所需的qp相当的泵。 （四）确定液压泵电动机功率（四）确定液压泵电动机功率 ppiqPpp23 二、液压控制阀的选择二、液压控制阀的选择 根据系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量由

18、产品样本选择液压控制阀的规格型号。特殊需要时才自行设计专用控制阀。 三、液压辅件的选择三、液压辅件的选择 液压辅件如油箱、蓄能器、滤油器、管件和密封件的选择，可按照第六章中有关论述选用。四四 、液压装置结构形式的选择、液压装置结构形式的选择 .板式配置板式配置 242 集成块式配置 3 叠加阀式配置 25第六节第六节 液压系统的验算及技术文件的编制液压系统的验算及技术文件的编制 一、液压系统的验算一、液压系统的验算 (一一) 压力损失的计算和确定压力阀的调整压力压力损失的计算和确定压力阀的调整压力 1管路系统的压力损失管路系统的压力损失计算，一般要根据管路装配草图的进油管路和回油管路分别进行，

19、公式为：p = pL+pJ+pF （MPa）式中： p 油液流经管路时的总压力损失； pL 油液流经管路时的沿程压力损失； pJ 油液流经管接头、变径管等处的局部压力损失； pF 油液流经管路上阀类元件时的压力损失(主要是局部压力损失)。 26沿程压力损失除可按液压流体力学中的公式计算外，还可在管流为层流时，用下式估算： pL = 105 （MPa）式中：油的运动粘度(cst) q通过管道的流量(1min) 1管道长度(m) d管道内径(mm)管道上的局部压力损失可按pJ (0.050.15)pL 进行估算。阀类元件额定流量下的压力损失Pe，可查产品样本。在实际流量不为阀的额定流量时，其压力损

20、失可按下式估算。 pF = pe （MPa）418dvq2nqq27式中：pn阀在额定流量下的压力损失（MPa）； q通过阀的实际流量(m3s)； qn阀的额定流量(m3s)。 2确定溢流阀的调整压力py py pjG+pj （MPa） 式中： pjG 液压缸进口的压力(Pa)； pj 液压缸进油路上的总压力损失(Pa)。 (二二)系统发热量的估算系统发热量的估算 各种液压机械油温升高的温度在允许值应在(表95)中的范围内，才能保证系统正常工作。 液压设备名称正常工作温度最高允许温度油及油箱的温升机 床工程机械、矿山机械数 控 机 床金属粗加工机械、无屑加工机械机 车 车 辆船 舶305550

21、8030504070 406030605570709055706090 708080903050354025表95 各种机械允许油温 （） 28 1系统发热量的计算系统发热量的计算油泵、油马达能量损失所转换的热量H1为 H1=N（1 ）860 （kcal/h） 式中：N驱动油泵或油马达的功率 （kw）； 油泵或油马达的总效率。其中： 1 kw=860kcal / h若在整个过程中有功率变化，则根据各工作阶段的发热量求出总的平均发热量，即: （kcal / h） 式中：T工作循环的周期 （h）； t1某一工作阶段所需时间（h）； i i 在t1所对应的工作阶段中油泵或油马达的总效率； N1t1所对应的工作阶段中油泵或油马达的驱动效率（kw）; ;溢流阀溢流损失所转换的热量H2为 （kcal / h）式