液压与气压传动八章

本章主要内容：8.1概述

8.2液压系统设计与计算8.3液压系统设计计算举例目的任务:

学习典型液气压系统设计实例；掌握液气压系统设计的一般步骤、注意事项、设计计算方法；重点难点:

掌握液压系统设计的一般步骤、设计计算方法；第一节概述系统设计指传动系统的设计系统的设计首先要满足主机的功能和性能要求还必须符合一般要求:重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便及工作可靠等。第八章系统设计与计算第二节液压系统设计与计算一、液压系统使用要求和负载特性分析（一）液压系统使用要求1、主机概况1）用途、总体布局、主要结构、技术参数与性能要求2）对执行元件位置、尺寸的限制3）工艺流程、作业环境与条件2、液压系统的任务与要求1）应完成的动作2）负载、运动速度3）动作顺序及要求4）对液压系统工作性能的要求5）对液压系统工作方式及控制的要求3、液压系统的工作条件和环境条件1）周围介质、环境温度、湿度大小、沙尘、外界冲击振动等2）防火与防爆要求、尺寸与质量的限制4、经济与成本等要求（二）负载特性分析负载特性分析包括动力参数分析和运动参数分析两部分。二、液压系统方案设计

(一)执行元件形式的分析与选择

根据主机运动种类和性质来定(二）油路循环方式的分析与选择

液压系统的调速方式和散热条件(三)开式系统油路组合方式的分析与选择（1）串联除第一个液压执行元件的进油口和最后一个执行元件的回油口分别与液压泵和油箱连接外，其余液压执行元件的进、出口依次相连。（2）并联

液压泵与所有液压执行元件的进油口相连，而其回油口都接油箱.（3）

独联指一个液压泵在任何时候都只向多路阀控制的一个液压执行元件供油.

（4）并联一独联

并联和独联复合连接时，由多路阀A控制的几个液压执行元件是并联连接的；由多路阀B控制的几个液压执行元件也是并联连接的。而多路阀A、B分别控制的液压执行元件间则是相独联的.（5）串联一独联

串联和独联复合连接时，由多路阀A控制的几个液压执行元件是串联的；由多路阀B控制的几个液压执行元件也是串联的。而阀A、B分别控制的液压执行元件间则是独联的

(四)油源类型的分析与选择(五)调速方案的分析与选择(六)液压基本回路的分析与选择(1)选择系统一般都必须设置的基本回路（2）根据系统负载性质选择基本回路（3）根据系统特殊要求选择基本回路三、液压系统原理图的拟定四、液压系统参数设计指确定液压执行元件的工作压力和最大流量(一)工作压力的确定:1.根据负载图中的最大负载；栽荷/kN＜55~1010~2020~3030~50＞50工作压力/MPa0.8~11.5~22.5~33`44~5≥5~72.根据主机的类型.

(二)最大流量的确定:根据液压执行元件速度图中的最大速度计算。

通常先选定液压执行元件的类型及其工作压力，再按最大负载和预估的液压执行元件的机械效率求出A或VM，并通过各种必要的验算、修正和圆整成标准值后定下这些结构参数，最后再算出最大流量qmax

有些主机（例如机床）的液压系统对液压执行元件的最低稳定速度有较高的要求，这时所确定的液压执行元件的结构参数A或V。还必须符合下述条件：

式中，qmin为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量

.(三)工况图

工况图显示液压系统在实现整个工作循环时实际工作压力、流量和功率的变化情况。

工况图是选择系统中其它液压元件和液压基本回路的依据，也是拟订液压系统方案的依据

五、液压执行元件的设计计算与选用

（一）液压缸的设计计算

（二）液压马达的计算与选择

式中T——液压马达外负载转矩；

P1——液压马达最高工作压力；

P2——液压马达的背压，由表8－3查得排量液压马达最大理论流量

qmax＝Vnmax式中V——液压马达排量；

nmax——液压马达的最高转速。六、液压能源装置设计

（一）液压泵站的类型及其组件的选择

1．液压泵站类型的选择

表8-11

液压泵站的类型图8-9上置式液压泵站a）立式液压泵站1-电动机2-联轴器3-油箱4-液压泵b）卧式液压泵站1-油箱2-电动机3-液压泵图8-10整体式液压泵站a）旁置式b）下置式1-油箱2-电动机3-液压泵4-过滤器2．液压泵站组件的选择液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件、蓄能器组件和温控组件等组成。应根据系统的实际需要，经深入分析计算后加以选择、组合。液压泵组由液压泵、原动机、联轴器、底座及管路附件等组成，输出所需压力和流量的工作介质。油箱组件由油箱、面板、空气过滤器、液位显示器等组成，用以储存系统所需的工作介质，散发系统工作时产生的一部分热量，分离介质中的气体并沉淀污物。过滤器组件是保持工作介质清洁度必备的辅件，可根据系统介质清洁度的不同要求，设置不同等级的粗过滤器、精过滤器。蓄能器组件通常由蓄能器、控制装置、支承台架等部件组成。它可用于储存能量、吸收流量脉动、缓和压力冲击，故应按系统的需求而设置，并计算其合理的容量（见第二章第四节），然后选用之。（二）液压泵的计算与选择1．确定液压泵的最大工作压力式中p——液压执行元件工作腔的最大工作压力；∑△p——从液压泵出口到液压执行元件人口处的总管路损失

∑△pλ——进油路上管路的总沿程损失；∑△pζ——进油路上管路的总局部损失；∑△pv——进油路上阀的总压力损失。

2．确定液压泵的流量

单个液压泵和单个液压执行元件的系统

式中qp——液压泵的流量；

KL——考虑系统泄漏和溢流阀保持最小溢流量的系数，通常取1．l～1．3；

qmax——液压执行元件所需最大流量；

单个液压泵和多个液压执行元件的系统(∑qi)max——多个液压执行元件同时工作时所需的最大流量。

差动回路系统

Ad——液压缸活塞杆面积

采用蓄能器作辅助能源的系统Vi——每个液压执行元件在一个工作周期中总耗液量；

T——系统工作周期；

n——液压执行元件数量。

根据液压泵的最大工作压力选择液压泵的类型，根据液压泵的流量确定液压泵的规格。在参照产品样本或技术手册选取液压泵时，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力高20％～60％，额定流量只须选得满足上述最大流量。

3．确定液压泵驱动电动机的功率

当液压执行元件的工况图曲线比较平稳时

△pp——液压泵的进、出口压力之差，

qp——液压泵的实际流量；

ηp——液压泵的总效率。

当液压执行元件的工况图曲线变化较大时

式中Pi——整个工作周期中第i动作阶段内所需的功率；

ti——整个工作周期中第i动作所需的时间；

n——整个工作周期中需用功率的阶段数。一般电动机允许的短期超载量为25％

限压式变量叶片泵驱动电动机的功率P可按液压泵的流量一压力特性曲线拐点处的流量qc和压力pc计算。，可以qc=qn和Pc=0.8Pp代入下式:其中qn和Pp分别为变量泵的额定流量和最大工作压力。（三）油箱的设计与计算

1．油箱容积的计算V＝ζqp式中qp—液压泵的额定流量，单位为L／min；ζ—与压力有关的经验数据；低压系统ζ=2～4，中压系统ζ=5～7，高压系统ζ=10～12。

油箱的容量，即油面高度为油箱高度80％时的油箱有效容积

系统需要高峰流量时，油箱中液面正好下降到最低点，此时液面还应高于泵的吸油口75mm或1.5倍管径，二者之中取大值。液压系统处于最大回油工况时，油箱液面处于最高位，此时油箱中还应有10％的储备容量。2．油箱设计注意事项

（四）过滤器的选择

选择过滤器时，主要考虑过滤器的通流能力、过滤精度和承压能力。

（五）液压辅件的计算与选用

1.热交换器的计算与选用

2．管件的计算与选用

七、液压控制元件选用与设计

（一）溢流阀的选择（二）流量阀的选择（三）换向阀的选择（四）单向阀及液控单向阀的选择八、液压系统密封装置选用与设计

九、液压系统性能估算估算内容包括：系统压力损失、系统效率、系统发热与温升、液压冲击等

（一）系统压力损失验算液压系统总的压力损失:

∑△p1——系统进油路的总压力损失

△pn——阀的额定压力损失，

qn——阀的额定流量；

q——通过阀的实际流量A1——液压缸进油腔有效工作面积；A2——液压缸回油腔有效工作面积。

系统回油路的总压力损失

系统的调整压力

p1——液压缸工作腔压力

（二）系统总效率估算

液压系统的总效率等于液压泵效率、回路效率及液压执行元件效率的乘积.

（三）系统发热与温升估算

1．系统的发热功率计算方法之一

1）液压泵的功率损失2)液压执行元件的输人功率3）溢流阀的功率损失4）系统的总发热功率2．系统的发热功率计算方法之二

Pp——液压泵的输人功率；

Pe——液压执行元件的有效功率；

ηp——液压泵的效率；

ηc——液压回路的效率；

ηm——一液压执行元件的效率；

η——液压系统的总效率。3·系统的散热功率

式中△P0——系统的散热功率,单位为kWK——油箱散热系数，单位为［W／（m2·℃），

A——油箱散热面积，单位为m2；

t1——系统中工作介质的温度，单位为℃；

t2——环境温度，单位为℃。

4．系统的温升

5．散热面积计算

当油箱三个边的尺寸比例在1：1：1到1：2：3之间、液面高度为油箱高度的80％、且油箱通风情况良好时，油箱散热面积A可用下式估算:V——油箱有效容积，单位为m

3冷却器的散热面积:第三节液压系统设计计算举例

为卧式单面多轴钻孔组合机床，设计出驱动动力滑台的液压系统。设计要求滑台实现“快进一工进一快退一停止”的工作循环。已知：机床上有主轴16个，加工Ф13.9mm的孔14个，Ф8.5mm的孔2个。刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBS；机床工作部件总质量m=1000kg；快进、快退速度v1、v3均为5．5m／min，快进行程长度l1=100mm，工进行程长度l2=50mm，往复运动的加速、减速时间不希望超过0．157s；动力滑台采用平导轨，其静摩擦因数fs=0．2，动摩擦因数fd=0．l；液压系统中的执行元件使用液压缸。

一、分析负载（一）外负载

高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力F

D——钻头直径，单位为mm；

s——每转进给量，单位为mm／r；

HBS——铸件硬度，HBS—240。

查“组合机床设计手册”Ф13.9mm的孔：n1=360r／min，s1=0．147mm／r；

Ф8.5mm的孔：n2=550r／min，s2=0·096mm／r。

（二）惯性负载

（三）阻力负载

机床工作部件对动力滑台导轨的法向力Fn=mg=9810N静摩擦阻力

动摩擦阻力表8-20

液压缸在各工作阶段的负载F（单位：N）工况负载组成负载值F工况负载组成负载值F启动F=Fnfs1962工进F=Fnfd+Fg31449加速F=Fnfd+mΔv/Δt1564快退F=Fnfd981快进F=Fnfd981绘制负载图,速度图图8-11

组合机床液压缸负载图和速度图a）负载图b）速度图由于是v1=v3=5.5m/min、l1=100mm、l2=50mm、快退行程l3=l1+l2=150mm，工进速度v2=n1s1=n2s2≈53mm/min，由此可绘出速度图如图8-11b所示。二、确定执行元件主要参数

液压缸选用单活塞杆式的，在快进时作差动连接。这时液压缸无杆腔的工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，即Ф=A1／A2，而活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0．707D。钻孔加工时，按表8－3取背压p2=0·6MPa，快进时，背压按0．3MPa，快退时，背压取p2=0·6MPa由工进时的负载值按表8-9中的公式计算液压缸面积：

查表8-7，8-8。最大负载为32000N时，工作压力取p1=4圆整后D=0.11m,d=0.08m则A1=95.03×10-4m2，A2=44.77×10-4m2

根据上述D和d的值，可估算出液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，并据此绘出工况图

图8-12

液压缸工况图三、确定液压系统方案和拟定液压系统原理图（一）确定液压系统方案根据表8－5、表8－6该液压系统以采用节流调速方式和开式循环为宜。

采用进油路节流调速回路，为解决孔钻通时滑台突然前冲的问题，回油路上要设置背压阀。

快进加快退所需的时间t1和工进所需的时间t2分别为

采用大、小两个液压泵自动两级并联供油

（二）选择基本回路

应包括快速运动、换向、速度换接以及调压、卸荷等回路。

1．选择快速运动和换向回路

2．选择速度换接回路

3．选择调压和卸荷回路图8-13

油源及液压回路的选择a）液压源b）换向回路c)速度换接回路（三）将液压回路综合成液压系统

图8-14

液压回路的综合和整理1-双联叶片泵1A-小流量液压泵1B-大流量液压泵2-三位五通电液阀3-行程阀4-调速阀5-单向阀6-液压缸7-卸荷阀8-背压阀9-溢流阀10-单向阀11-过滤器12-压力表接点a¡ª单向阀b¡ª顺序阀c¡ª单向阀d¡ª压力继电器图8-15

整理后的液压系统原理图1-双联叶片液压泵2-三位五通电液阀3-行程阀4-调速阀5-单向阀6-单向阀7-顺序阀8-背压阀9-溢流阀10-单向阀11-过滤器12-压力表接点13-单向阀14-压力继电器四、选择液压元件

（一)液压泵

小流量液压泵的最大工作压力

pp1＝（3.73＋0.8＋0.5）MPa＝5.03MPa

大流量液压泵的最高工作压力为

pp2=（1.5＋0.5）MPa＝2MPa

两个液压泵的实际流量应为

qp＝1.05×27．64L／min＝29.02L／min溢流阀的最小稳定溢流量为3L／min，而工进时输人液压缸的流量为0.5L／min，小液压泵的流量规格最少应为3.5L／min

选PV2R12－6／26型双联叶片液压泵，小液压泵和大液压泵的排量分别为6mL/r和26mL/r，当泵转速np=940r／min时,泵理论流量为30.08L／min，若取ηv=0．9，则泵实际输出流量为qp=［（6＋26）×940×0.9／1000］L／min=（5.l＋22）L／min=27.11L／min

由于液压缸在快退时输人功率最大，这时液压泵工作压力为2MPa、流量为27.11L／min。按表8-13取液压泵的总效率ηp=0.75，则液压泵驱动电动机所需的功率为选取Y100L—6型电动机，其额定功率Pn=1.5kw，额定转速nn=940r／min。（二）阀类元件及辅助元件根据阀类及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可选出这些液压元件的型号及规格见表8－22

表8-22

元件的型号及规格序号元件名称估计通过流量/L¡¤min-1额定流量/L¡¤min-1额定压力/MPa额定压降/MPa型号、规格1双联叶片泵—(5.1+22)①17．5—PV2R12—6/26Vp=(6+26)Ml/r2三位五通电液阀608016<0.535DYF3Y—E10B3行程阀506316<0.3AXQF—E10B(单向行程调速阀)qmax=100L/min4调速阀0.50.07~5016—5单向阀6063160.26单向阀256316<0.2AF3—Ea10Bqmax=80L/min7液控顺序阀256316<0.3XF3—E10B8背压阀0.56316—XF3—E10B9溢流阀56316—XF3—E10B10单向阀256316<0.2AF3—Ea10Bqmax=80L/min11滤油器306316<0.02XU—63×80J12压力表开关——16—KF3—E3B3测点13单向阀606316<0.2AF3—Ea10Bqmax=80L/min14压力继电器——10—HED1kA/10①此为电动机额定转速nn=940r/min时液压泵输出的实际流量。（三）油管

各元件间连接管道的规格按液压元件接口处的尺寸决定，液压缸进、出油管则按输人、排出的最大流量计算。液压泵选定之后液压缸在各个工作阶段的进、出流量

快进工进快退输入流量/L·min-1q1=(A1qp)/(A1-A2)=(95×27.1)/(95-44.77)=51.25q1=0.5q1=qp=27.1排出流量/L·min-1q2=(A2q1)/A1

=(44.77×51.25)/95=24.15q2=(A2q1)/A1=(44.77×0.5)/95=0.24q2=(A1q1)/A2=(95×27.1)/44.77=57.51运动速度/m·min-1v1=qp/(A1-A2)=(27.1×10)/(95-44.77)=5.4v2=q1/A1=(0.5×10)/95=0.