液压系统设计

1、液压与气动(q dn)技术主讲(zhjing)教师：黄志昌 为电工技师班的学员提供优秀的教学资源！共六十六页第二篇液压传动(chundng)与控制技术共六十六页液压系统设计计算举例9.2 为电工技师(jsh)班的学员提供优秀的教学资源！液压系统设计9.1共六十六页 液压系统是液压设备的重要组成部分(z chn b fn)，它与设备主体的关系密切，两者的设计通常需要同时进行。液压系统的设计原则是，深入调研，充分认识设备应具有的功能，从而分解出液压系统的详细设计需求。应注意设备的特殊性，吸取国内外先进技术，力求设计出的系统质量轻、体积小、效率高、工作可靠、结构简单、操作和维修保养方便、经济性好。共

2、六十六页 （1）明确设计要求(功能.环境.条件分析,需求设计)。（2）液压系统工况、负荷分析，总体设计。（3）草拟液压系统原理图及确定(qudng)电气控制需求。（4）选择液压元件。（5）验算液压系统性能。（6）设计电气控制回路液压系统(xtng)的设计总体步骤为：共六十六页 （1）设备用途、操作过程、周期时间、工作特点、性能指标和作业环境的要求。（2）液压系统必须完成的动作，运动形式，执行元件(yunjin)的载荷特性，行程和对速度的要求。（3）动作的顺序、控制精度、自动化程度和连锁要求。（4）防尘、防寒、防爆、噪声控制要求。（5）效率、成本、经济性和可靠性要求等。9.1 液压系统(xtng

3、)设计9.1.1 功能分析、需求设计共六十六页 液压执行元件的类型、数量、安装位置和与设备的连接关系，对设备的设计有很大影响，所以在考虑液压设备的总体方案时，确定液压执行元件和确定设备整体(zhngt)结构布局是同时进行的。1确定液压执行元件类型(lixng)及数量9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页 表9.1 常用液压执行元件的类型、特点(tdin)和应用类型特点应用可选用或需设计柱塞缸单出杆结构简单，制造容易；靠自重或外力回程液压机、千斤顶、小缸用于定位和夹紧选用或自行设计双出杆结构简单，杆在两处有导向，可做得细长液压机、注塑机动梁回程缸自行设计活塞缸单出杆一般连接，往返方向

4、的速度和出力不同；差动连接，可以实现快进各类机械 选用。非产品型号缸自行设计双出杆两杆直径相等，往返速度和出力相同；两杆直径不等，往返速度和出力不同磨床；往返速度相同或不同的机构选用或自行设计1确定液压执行元件类型(lixng)及数量9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页表9.1 常用(chn yn)液压执行元件的类型、特点和应用类型特点应用可选用或需设计复合增速缸可获得多种出力和速度，结构紧凑，制造较难液压机、注塑机、数控机床换刀机构自行设计复合增压缸体积小，出力大，行程小模具成形挤压机、金属成形压印机、六面顶选用或自行设计多级液压缸行程是缸长的数倍，节省安装空间汽车车厢举倾缸、

5、起重机臂伸缩缸选用叶片式摆动缸单叶片式转角360.；双叶片式转角180。体积小。密封较难机床夹具、流水线转向调头装置、装载机翻斗选用齿轮马达转速高，转矩小，结构简单，价廉钻床、风扇传动选用1确定液压执行元件(yunjin)类型及数量9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页表9.1 常用(chn yn)液压执行元件的类型、特点和应用类型特点应用可选用或需设计摆线齿轮马达速度中等，转矩范围宽，结构简单，价廉塑料机械、煤矿机械、挖掘机行走机械选用叶片马达转速高，转矩小，转动惯量小，动作灵敏，脉动小，噪声低磨床回转工作台、机床操纵机构选用轴向柱塞马达速度大，可变速，转矩中等，低速平稳性好起重

6、机、铰车、铲车、内燃机车、数控机床选用内曲线径向马达转矩很大，转速低，低速平稳性很好挖掘机、拖拉机、冶金机械、起重机、采煤机牵引部件选用1确定液压执行元件类型(lixng)及数量9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页2绘制液压系统工况分析图 对液压系统进行分析，就是要查明它的每个执行元件在各自(gz)工作过程中的运动速度和负载的变化规律。这是满足设备规定的动作要求和承载能力所必须具备的。 液压系统承受的负载可由设备的规格规定、由样机通过试验测定，也可以由理论分析确定。1确定液压执行元件类型(lixng)及数量9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页2绘制液压系统工况分析图

7、 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的组成项目，例如(lr)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，并把它们绘制成图。2绘制液压系统(xtng)工况分析图9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页图9.1 液压系统(xtng)执行元件的负载图和速度图负载图工作(gngzu)负载惯性负载阻力负载2绘制液压系统工况分析图9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页图9.1 液压系统(xtng)执行元件的负载图和速度图负载图速度图2绘制液压系统(xtng)工况分析图9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页

8、 系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定。系统工作压力高，省材料，机构紧凑，重量轻，是液压系统的发展方向，但要注意(zh y)泄漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。系统工作压力可根据负载来选取，见表9.2，也可根据设备类型选取，见表9.3。表9.2 按负载(fzi)选取执行元件工作压力负载FkN50工作压力pMPa0.811.522.533445579.1 液压系统设计9.1.2 总体设计3确定系统工作压力共六十六页表9.3 各类设备(shbi)常用的工作压力设备类型工作压力MPa压力等级说明机床、压铸机、汽车超高压追求大作用力、减轻质量3确定系统工作(gngzu)压力9.1

9、 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页根据已定的液压执行元件、速度图或动作线路图，选择适当的压力控制、方向控制、速度换接、差动连接回路，以实现对执行元件的方向、出力及速度的控制。 需要无级调速或无级变速时，可参考表9.4选择方案。有级变速比无级调速使用方便，适用于速度控制精度低，但要求速度能够预置，以及在动作循环过程中有多种速度自动变换的场合。具体(jt)参见基本回路一章的内容。 完成上述的选择，所需液压泵的类型就基本确定了。4执行(zhxng)元件控制方案拟定9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页 表9.4 无级调速和变速的种类(zhngli)、特点和应用种类特点及应用无级

10、调速容积调速手动变量泵液压泵系统简单，压力恒定，般不能在工作中进行调节，效率高，适用于各种场合，应用最广变量泵定量马达输出转矩恒定，调速范围大，元件泄漏对速度刚性影响大，效率高，适用于大功率场合定量泵变量马达输出功率恒定，调速范围小，元件泄漏对速度刚性影响大，效率高，适用于大功率场合变量泵变量马达输出特性综合了上述两种马达调速回路的特性，调速范围大，但结构复杂，价格高，适用于大功率场合4执行元件控制(kngzh)方案拟定9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页 表9.4 无级调速和变速的种类(zhngli)、特点和应用种类特点及应用无级调速节流调速定量泵进油节流调速结构简单，价廉，调

11、速范围大，效率中等，不能承受负值载荷，适用于中等功率场合定量泵回油节流调速结构简单，价廉，调速范围大，效率低，适用于低速、小功率场合定量泵旁路节流调速结构简单，价廉，调速范围小，效率高，不能承受负值载荷，适用于高速、中等功率场合容积节流调速限压式变量泵进油(回油)节流调速调速范围大，效率较高，价格较高，适用于中、小功率场合，不宜长期在低速下工作4执行元件控制(kngzh)方案拟定9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页种类特点及应用无级调速恒功率变量泵液压缸泵的输出流量随压力自动减小，适用于快慢速自动转换的场合和节能系统无级变速恒压变量泵液压缸泵的压力达到设定值时输出流量为零，自动防

12、止系统过载4执行元件控制方案(fng n)拟定9.1 液压系统(xtng)设计9.1.2 总体设计共六十六页 根据(gnj)液压系统载荷图和已确定1)系统工作压力;2)计算出液压缸内径、活塞杆直径；3)柱塞缸的柱塞直径、柱塞杆直径;4)根据液压缸缸径、活塞杆直径及行程的国家标准系列，确定主要参数。如采用液压马达，还需计算出液压马达的排量。 5确定(qudng)执行元件的主要参数9.1 液压系统设计9.1.2 总体设计共六十六页 拟定液压系统草图是从作用原理上和结构组成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、选择液压回路和拼搭液压系统。 液压系统在类型上究竟采用(ciy

13、ng)开式还是采用(ciyng)闭式，主要取决于它的调速方式和散热要求。一般而言，凡备有较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统，要求结构尽可能简单的系统，或采用(ciyng)节流调速或容积一节流调速的系统，都宜采用(ciyng)开式；凡容许采用(ciyng)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的系统，或采用(ciyng)容积调速的系统，都宜采用(ciyng)闭式。9.1 液压系统(xtng)设计9.1.3草拟液压系统原理图共六十六页 通常设计液压系统的思路是： 根据系统的设计要求和工况图从多个成熟方案中评选出满足设备需求的方案来。评选时既要保证满足各

14、项主要功能要求，也要考虑符合节省能源、减少发热、减少冲击等原则。评选工作首先从对设备主要性能起决定性作用(zuyng)的调速回路开始，然后再根据需要考虑其他辅助回路。9.1.3草拟(con)液压系统原理图9.1 液压系统设计9.1.3 草拟液压系统原理图 共六十六页 通常设计液压系统的思路是： 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。挑选回路时若出现多种可能(knng)的方案，宜平行展开，反复进行对比，不要轻易作出取舍决。9.1.3草拟(con)液压系统原理

15、图9.1 液压系统设计9.1.3 草拟液压系统原理图 共六十六页 9.1.3草拟(con)液压系统原理图9.1 液压系统(xtng)设计9.1.3 草拟液压系统原理图 液压系统的功能组合是评选出的各种液压回路综合在一起，进行归并整理，增添必要的元件或辅助油路，使之成为完整的系统，并最后再检查一下：该系统能否圆满地实现所要求的各项功能?是否需要再进行补充或修正?有无作用相同或相近的元件或油路可以合并等。这样才能使拟定的系统结构简单、紧凑，工作安全、可靠，动作平稳，效率高，使用和维护方便。综合得好的系统方案应全部由标准元件组成，至少亦应使自行设计的专用件减少到最低限度共六十六页 9.1.3草拟(c

16、on)液压系统原理图9.1 液压系统(xtng)设计9.1.3 草拟液压系统原理图 对可靠性要求特别高的系统而言，拟定系统草图时还要考虑“结构储备”问题，那就是在系统中设置一些必要的备用元件或备用回路，以便在工作元件或工作回路发生故障时它们立即能“上岗顶班”，确保系统持续运转，工作不受影响。共六十六页 9.1 液压系统设计(shj) 9.1.4 选择液压元件1.液压泵 液压泵的最大工作压力必须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。 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，也可以按表9.5推荐的经验(jngyn)资料估算。共

17、六十六页 9.1 液压系统设计 9.1.4 选择(xunz)液压元件1.液压泵表9.5 进油路总压力(yl)损失经验值系统结构情况总压力损失MPa一般节流调速及管路简单的系统0.20.5进油路有调速阀及管路复杂的系统0.51.5共六十六页9.1 液压系统设计(shj) 9.1.4 选择液压元件1.液压泵 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(pngjn)流量)；而回路中的泄漏量则可按总流量最大值的1030估算。 共六十六页 在参照

18、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2560，以便留有压力储备；额定流量则只须选得能满足(mnz)上述最大流量需要即可。9.1 液压系统设计(shj) 9.1.4 选择液压元件1.液压泵共六十六页 液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电动机的功率一般可以直接(zhji)从产品样本上查到。电动机功率也可以根据具体工况计算出来，有关的算式和数据见液压工程手册。9.1 液压系统设计 9.1.4 选择(xunz)液压元件1.液压泵共六十六页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(xun dn)。 选择节流阀和调速阀时还要考虑它的最小稳定流量是

19、否符合设计要求。 各类阀都须选得使其实际通过的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而言，阀类元件的额定压力应高出其工作压力较多。9.1 液压系统设计 9.1.4 选择(xunz)液压元件2. 阀类元件共六十六页 油箱(yuxing)、热交换器、油管等其他辅件，可参照13.4节选取。9.1 液压系统设计 9.1.4 选择(xunz)液压元件3. 其他辅件共六十六页 验算液压系统性能的目的在于判断设计质量，或从几种方案中评选最佳设计方案。液压系统的性能验算是一个复杂的问题，目前只是采用一些简化公式进行(jnxng)近似估算，以便定性地说明

20、情况。当设计中能找到经过实践检验的同类型系统作为对比参考，或有可靠的试验结果可供使用时，系统的性能验算就可以省略。 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。9.1.5 验算液压系统(xtng)性能9.1 液压系统设计共六十六页1回路压力损失验算 压力损失包括管路内的沿程损失和局部损失以及阀类元件处的局部损失三项。管路内的两种损失可用11.3.4节的有关公式估算( sun)，阀类元件处的局部损失则须从产品样本中查出。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。回油路上的压力损失一般都须折算到进油路上去。根据回路压力损失估算( sun)出来的压力阀调整压力

21、和回路效率，对不同方案的对比来说都具有参考价值。但在进行这些估算( sun)时，回路中的油管布置情况必须先行明确。9.1.5 验算(yn sun)液压系统性能9.1 液压系统设计共六十六页 2发热温升验算 发热温升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(rling)Hi是液压泵输入功率P1和液压执行元件有效功率P0之差。假如这些热量全部从油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关手册中查找。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。油箱中油液允许的温升值随设备的不同而不同：一般机床为

22、2530，工程机械为3540。9.1.5 验算液压系统(xtng)性能9.1 液压系统设计共六十六页共六十六页【例题】以一台专用自动钻孔组合机床的液压系统设计为例，该专机完成图9.2所示工件上一15偏心孔钻削工序(gngx)，该工序(gngx)属大批量生产，工件材料为铸铁，材料硬度HB220，要求设计该钻床的液压系统及电气控制回路。图9.2 零件工序图9.2.1 功能分析、需求(xqi)设计9.2 液压系统设计计算举例共六十六页9.2.1 功能分析、需求(xqi)设计9.2 液压系统设计计算(j sun)举例图9.2 零件工序图1功能分析 此全自动专用钻床，应满足下列功能需求： 只要将工件堆积

23、在料斗里，一按开关就可重复自动完成从送料到加工结束这一全部的过程：2.需求工艺路线共六十六页 图9.3 钻床结构示意图9.2.2 总体设计9.2 液压系统(xtng)设计计算举例1结构(jigu)原理图设计采用送料缸A将工件向右推移到送到加工点； 用夹紧缸B握持工件，保证加工中工件始终处于正确的位置；钻削缸C完成快进、工进与快退的功能。共六十六页图9.3 钻床(zun chung)结构示意图2. 负载(fzi)分析 从而计算出主轴的转速为： 钻削缸受力计算 根据工件材料查机械加工工艺手册，得出钻孔的较合适的表面切削速度为：9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例共六十六页图9.3 钻床

24、(zun chung)结构示意图2. 负载(fzi)分析由加工直径查工艺手册，得出加工每转进给量： 从而计算出钻削缸的轴向进给速度：9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例钻削缸受力计算 共六十六页2. 负载(fzi)分析图9.4 工件受力分析 根据切削原理(yunl)得出钻削力计算公式：扭矩 轴向力9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例钻削缸受力计算 共六十六页图9.4 工件受力分析根据工件材料(cilio)查有关手册得出：CM = 210; XM = 2; YM = 0.8; CF =427; XF =1; YF =0.89.2.2 总体设计9.2 液压系统(xtng)设

25、计计算举例2. 负载分析钻削缸受力计算 共六十六页根据夹具结构画出受力简图，如图9.4所示，根据理论(lln)力学分析进行计算得出：故计算(j sun)出最大钻削扭矩及最大钻削轴向力：夹紧力：9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例钻削缸受力计算 钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量,因此可得 ：F钻削2946 N（2）夹紧缸受力计算共六十六页夹紧(ji jn)力：V型块夹角，为900；D 工件直径，为80mm。故计算(j sun)出夹紧力：W 1227（N）。考虑安全系数2.53，取为3。则夹紧缸应承受负载 W夹紧122733681（N）式中：摩擦系数，取0.2；9.2.2

26、 总体设计9.2 液压系统设计计算举例（2）夹紧缸受力计算共六十六页 送料缸在推进工件时，工件受料斗上面(shng min)所堆积工件重量的压力而在所推进工件的上下两面产生摩擦阻力, 每个工件的重量为0.6kg，最多堆集20个，故摩擦阻力为：Ff = 2W总f2（201）0.69.80.2 = 45 (N) 故送料缸所受最大轴向力为摩擦阻力加工件重量：F送料450.69.8 =51 (N) 由于力很小，所以将送料缸的运动近似认为空载运动。9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计(shj)计算举例（3）送料缸的受力计算共六十六页3液压缸的选择及压力、流量确定 （1）基本参数确定 本例工艺要求送料

27、缸送料速度大于50mm/s,送料缸行程不小于160mm； 钻削缸快进速度大于50mm/s，钻削缸的行程不小于35mm。夹紧(ji jn)缸的速度大于30mm/s，夹紧缸的行程不小于40mm。 (2) 送料缸选择及压力、流量确定 选送料缸内径为32mm、活塞杆径为16mm。由于送料缸的运动近似认为空载运动，则只需满足下列流量要求: 就能满足送料速度(sd)要求。9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 查液压传动产品手册，选内径为40mm、活塞杆径为20mm的液压缸作为(zuwi)夹紧缸，则将负载带入下式可得液压缸夹紧时的工作压力为：夹紧(ji jn)缸的速度达到30mm/s时

28、，所需的流量为：3液压缸的选择及压力、流量确定9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 钻削缸选择及压力(yl)、流量确定 因为钻削缸要支撑动力头，因此会双向受力，应选直径大些的液压缸，另外由于有差动联接，要使得快进和退回的速度较接近而选活塞杆直径较粗的液压缸，故选内径为50mm、活塞杆径为32mm的液压缸作为钻削缸，则将负载带入下式可得液压缸钻削加工时的工作压力为： 钻削缸快进时，要求快进速度大于50mm/s，因为采用差压传动(chundng)，则由液压泵进入无杆腔的流量为：3液压缸的选择及压力、流量确定9.2.2 总体设计9.2 液压系统设计计算举例共六十六页9.2.3

29、拟定(ndng)液压系统图1. 液压泵的选择(xunz)由于设备在工作中，并非三个液压缸都同时工作。且根据以上流量与压力的分析可知，夹紧缸在运动过程中，可视为空载运行，夹紧时的压力为最大。在选定液压泵时，将夹紧缸所需的最大压力及钻削时的最大流量作为选择依据，并考虑一定的损耗，所选泵的额定流量为：9.2 液压系统设计计算举例共六十六页1. 液压泵的选择由于设备在工作中，并非三个液压缸都同时工作。且根据以上流量与压力的分析可知，夹紧缸在运动过程中，可视为空载运行，夹紧时的压力为最大。在选定液压泵时，将夹紧缸所需的最大压力及钻削时的最大流量作为选择依据，并考虑(kol)一定的损耗，所选泵的额定流量为

30、：所选泵的额定( dng)压力为：9.2.3 拟定液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 查液压产品目录，选泵型号为YB1-2.5、额定压力(yl)为6.3 MPa、排量为2.5 mL/r ,转速为1450r/min的定量叶片泵。算出该泵的输出流量为： 9.2.3 拟定(ndng)液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 选择电动机的转速(zhun s)也为1450 r/min、功率大于0.324kW的电动机。2.电动机参数(cnsh)选择 由于所选液压泵的转速为1450r/min，因此选择电动机的转速也为1450 r/min的电动机与之配套。电动机的功率可由下式确定：9.2

31、.3 拟定液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页3. 液压阀的选择（1）送料缸换向选用两位四通(s tn)电磁阀，能满足送料要求；夹紧缸换向选用两位四通(s tn)电磁阀，在夹紧工件时，能一直保持一定的压力；钻削缸换向选用三位四通(s tn)电磁阀。（2）由于钻削缸的压力小于夹紧缸的压力，故在钻削支路上接一个减压阀，以保证夹紧力在切削过程中不下降。（3）由于钻削缸垂直安装，为使得运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。9.2.3 拟定(ndng)液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页3. 液压阀的选择（4）为节约能源，钻削缸快进采用了差动回路(hul)。为保证液压缸的差动快速

32、进给与液压缸的快退之间顺利切换，设置一两位三通阀9。（5）各种电磁换向阀、溢流阀、减压阀、调速阀的参数，均以泵的额定压力6.3 Mpa、流量3.6 L/min 为基准进行选择，（6）油箱的容量一般为泵的额定流量的24倍，取油箱的容量为714L。9.2.3 拟定(ndng)液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 4. 液压回路(hul)设计9.2.3 拟定(ndng)液压系统图9.2 液压系统设计计算举例共六十六页 该自动钻床工作循环过程如前所述，由于送料杆和夹紧杆同时伸出到位时会产生干涉，所以要等送料缸退回才能夹紧，但为了节约时间，在送料缸刚好退出干涉位置时，夹紧缸就动作，使得(sh de)夹紧与送料缸后退同步。9.2.4 电气控制回路(hul)设计9.2 液压系统设