液压传动系统的设计和计算.ppt

第10章 液压传动系统的设计和计算,10.1 明确设计要求、进行工况分析,10.2 执行元件主要参数的确定,10.3 液压传动系统原理图的拟定,10.4 液压元件的计算和选择,10.5 液压传动系统技术性能验算,返回,10.6 绘制正式工作图和编制技术文件,10.7 液压传动系统设计计算举例,10.1 明确设计要求、进行工况分析,1.明确设计要求,（1）明确液压传动系统的动作和性能要求 液压传动系统的动作和性能要求，主要包括有：运动方式、行程和速度范围、载荷情况、运动平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁要求、工作可靠性等。 （2）明确液压传动系统的工作环境 液压传动系统的工作环境，主要是指：环境温度、湿度、尘埃、是否易燃、外界冲击振动的情况以及安装空间的大小等。,2.执行元件的工况分析,对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的大小、方向及其变化规律。通常是用一个工作循环内各阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度和负载随时间（或位移）变化的曲线图（称速度循环图和负载循环图）。 (1) 工作负载FW 不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工作的压制抗力即为工作负载。工作负载FW与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值（如顺铣加工的切削力）。工作负载可能为恒值，也可能为变值，其大小要根据具体情况进行计算，有时还要由样机实测确定。,执行元件的工况分析(2/6),(2) 导轨摩擦负载Ff 导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨型式、放置情况及运动状态有关。各种型式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式（导轨水平放置时）为： 平导轨 Ff = f (G + FN ) （10.1） V形导轨 （10.2） 式中：f 摩擦系数； G 运动部件的重力； FN 垂直于导轨的工作负载； V形导轨面的夹角，一般 =90。,(3) 惯性负载Fa 惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即 （10.3） 式中：g 重力加速度； 时间内的速度变化值； t 启动、制动或速度转换时间。 (4) 重力负载Fg 重力负载是指垂直或倾斜放置的运动部件在没有平衡的情况下，其自身质量造成的一种负载力。倾斜放置时，只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正值，反之取负值。,执行元件的工况分析(3/6),(5) 密封负载Fs 密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，Fs的计算公式详见有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，Fs无法计算，一般用液压缸的机械效率m加以考虑，常取m = 0.900.97。,执行元件的工况分析(4/6),(6) 背压负载Fb 背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，Fb也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。 液压缸各个主要工作阶段的机械总负载F可按下列公式计算： 启动加速阶段 （10.4） 快速阶段 （10.5）,执行元件的工况分析(5/6),工进阶段 （10.7） 制动减速阶段 （10.8） 以液压马达为执行元件时，负载值的计算类同于液压缸。,执行元件的工况分析(6/6),10.2 执行元件主要参数的确定,1.初选执行元件的工作压力,工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度、刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵；反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。执行元件工作压力可以根据总负载的大小或主机设备类型选取。,2.确定执行元件的主要结构参数,(1) 液压缸主要结构尺寸的确定 在这里，液压缸的主要结构尺寸是指缸的内径D和活塞杆的直径d。计算和确定D和d的一般方法见5.1节，例如，对于单杆液压缸，可按式（5.3）、（5.4）、（5.7）及D、d之间的取值关系计算D和d，并按系列标准值确定D和d。 对有低速运动要求的系统（如精镗机床的进给液压系统），尚需对液压缸的有效工作面积A进行验算，即应保证 （10.8） 式中：qmin 控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量； min 液压缸要求达到的最低工作速度。 验算结果若不能满足式（10.8），则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需的低速，必须修改设计。,(2) 液压马达主要参数的确定 液压马达所需排量V可按下式计算 （10.9） 式中：T 液压马达的负载转矩； p 马达的两腔工作压差； mm 液压马达的机械效率 求得排量V值后，从产品样本中选择液压马达的型号。,确定执行元件的主要结构参数(2/2),3.复算执行元件的工作压力,当液压缸的主要尺寸D、d和液压马达的排量V计算出来以后，要按各自的系列标准进行圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。 还须看到，在按上述方法确定工作压力的过程中，没有计算回油路的背压，因此所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需的那部分压力。在结构参数D、d及V确定之后，若选取适当的背压估算值，即可求出执行元件工作腔的压力p1。,复算执行元件的工作压力(2/2),对于单杆液压缸，其工作压力p1可按下列公式复算： 差动快进阶段 （10.10） 无杆腔进油工进阶段 （10.11） 有杆腔进油快退阶段 （10.12） 式中：F 液压缸在各工作阶段的最大机械总负载； A1、A2 分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效作用面积； pb 液压缸回油路的背压。 根据执行元件的运动速度 或转速n以及确定的液压缸有效作用面积A或液压马达的排量V，计算出液压执行元件实际所需流量。,4.执行元件的工况图,各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算液压执行元件在工作循环各阶段内的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即液压执行元件在一个工作循环中的压力、流量和功率随时间（或位移）的变化曲线图（图10.2为某一机床进给液压缸工况图）。当液压执行元件不只有一个时，将系统中各执行元件的工况图进行叠加，便得到整个系统的工况图。液压传动系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压力、流量和功率的最大值及其分布情况，为后续设计中选择元件、回路或修正设计提供依据。,图10.2 机床进给液压缸工况图,10.3 系统原理图的拟定,液压传动系统原理图是表示液压传动系统的组成和工作原理的图样。拟定液压传动系统原理图是设计液压传动系统的关键一步，它对系统的性能及设计方案的合理性、经济性具有决定性的影响。 （1）确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式油路；凡允许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式油路。通常节流调速系统采用开式油路，容积调速系统采用闭式回路。,系统原理图的拟定(2/2),（2）选择液压回路 在拟订液压传动系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。例如，对于机床液压传动系统，调速和速度换接回路是主要回路；对于压力机液压传动系统，压力回路是主要回路。然后再考虑其它辅助回路，例如有垂直运动部件的系统要考虑重力平衡回路，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，有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。 （3）绘制液压传动系统原理图 将挑选出来的各个回路合并整理，增加必要的元件或辅助回路，加以综合，构成一个完整的液压传动系统。在满足工作机构运动要求及生产率的前提下，力求所设计的液压传动系统结构简单、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养方便。,10.4 执行元件的计算和选择,1. 选择液压泵,首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大供油量来选择液压泵的规格。 (1) 确定液压泵的最高供油压力pp 对于执行元件在行程终了才需要最高压力的工况（此时执行元件本身只需要压力不需要流量，但液压泵仍需向系统提供一定的流量，以满足泄漏流量的需要），可取执行元件的最高压力作为泵的最大工作压力。对于执行元件在工作过程中需要最大工作压力的情况，可按下式确定 （10.13） 式中：p1 执行元件的最高工作压力； p1 从液压泵出口到执行元件入口之间总的压力损失。,(2) 确定液压泵的最大供油量 液压泵的最大供油量为 （10.14） 式中：k 系统的泄漏修正系数，一般取k =（1.1 1.3），大流量取小值，小流量取大值； qmax 同时动作各执行元件所需流量之和的最大值。 当系统中采用液压蓄能器供油时，pP由系统一个工作周期T中的平均流量确定： （10.15） 式中：Vi 系统在整个周期中第i个阶段内的用油量。 如果液压泵的供油量是按工进工况选取时（如双泵供油方案，其中小流量泵是供给工进工况流量的）其供油量应考虑溢流阀的最小溢流量。,选择液压泵(2/5),(3) 选择液压泵的规格型号 液压泵的规格型号按计算值在产品样本中选取。为了使液压泵工作安全可靠，液压泵应有一定的压力储备量，通常泵的额定压力可比工作压力高25% 60%。泵的额定流量则宜与相当，不要超过太多，以免造成过大的功率损失。,选择液压泵(3/5),(4) 选择驱动液压泵的电动机 驱动液压泵的电动机根据驱动功率和泵的转速来选择。 （a）在整个工作循环中，泵的压力和流量在较多时间内皆达到最大值时，驱动泵的电动机功率P为 （10.16） 式中：pp 液压泵的最高供油压力； qp 液压泵的实际输出流量； p 液压泵的总效率，数值可见产品样本，一般有上下限。规格大的取上限，变量泵取下限，定量泵取上限。 （b）限压式变量叶片泵的驱动功率，可按泵的实际压力流量特性曲线拐点处功率来计算。,选择液压泵(4/5),（c）在工作循环中，泵的压力和流量变化较大时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其均方根值PcP： （10.17） 式中：p1，p2，pn 一个工作循环中各阶段所需的驱动功率； t1，t2 ，tn 一个工作循环中各阶段所需的时间。 在选择电动机时，应将求得的值与各工作阶段的最大功率值比较，若最大功率符合电动机短时超载25%的范围，则按平均功率选择电动机；否则应适当增大电动机功率，以满足电动机短时超载25%的要求，或按最大功率选择电动机。,选择液压泵(5/5),2.选择阀类元件,各种阀类元件的规格型号，按液压传动系统原理图和系统工况图中提供的该阀所在支路最大工作压力和通过的最大流量从产品样本中选取。各种阀的额定压力和额定流量，一般应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量的20%。 具体选择时，应注意溢流阀按液压泵的最大流量来选取；流量阀还需考虑最小稳定流量，以满足低速稳定性要求；单杆液压缸系统若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用面积的n倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量的n倍，因此应以n倍的流量来选择通过该回油路的阀类元件。,3.选择液压辅助元件,油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚，验算公式见第7章。 滤油器、液压蓄能器和油箱容量的选择亦见第7章。,4.阀类元件配置形式的选择,对于机床等固定式的液压设备，常将液压传动系统的动力源、阀类元件（包括某些辅助元件）集中安装在主机外的液压站上。这样能使安装与维修方便，并消除了动力源振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式可供选择。配置形式不同，液压系统元件的连接安装结构和压力损失也有所不同。阀类元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：油路板式，叠加阀式和集成块式。,(1) 油路板式 油路板又称阀板，它是一块较厚的液压元件安装板，板式连接阀类元件由螺钉安装在板的正面，管接头安装在板的侧面，各元件之间的油路全部由板内的加工孔道形成，见图10.3。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、调节方便、不易出故障；缺点是加工较困难、油路的压力损失较大。,阀类元件配置形式的选择(2/4),图10.3 油路板式配置,1油路板；2板式阀；3管接头,(2) 叠加阀式 叠加阀与一般管式、板式连接标准元件相比，其工作原理没有多大差别，但具体结构却不相同。它是自成系列的元件（图10.4），每个叠加阀既起控制阀作用，又起通道体的作用。因此，叠加阀式配置不需要另外的连接块，只需用长螺栓直接将各叠加阀叠装在底板上，即可组成所需的液压传动系统。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、体积小、质量轻、不需设计专用的连接块，油路的压力损失小。,阀类元件配置形式的选择(3/4),10.4 叠加阀式配置,(3) 集成块式 集成块由通道体和其上安装的阀类元件及管接头组成。通道体是一块通用化的六面体，四周除一面装通向执行元件的管接头之外，其余三面均可安装阀类元件。块内由钻孔形成油路，一般一块就是一个常用的典型基本回路。一个液压传动系统往往由几个集成块组成，块的上下两面作为块与块之间的结合面，各集成块与顶盖、底板一起用长螺栓叠装起来，即组成整个液压传动系统，见图10.5。总进油口与回油口开在底板上，通过集成块的公共孔道直接通顶盖。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、可标准化、便于设计与制造、更改设计方便、油路压力损失小。,阀类元件配置形式的选择(4/4),10.5 液压传动系统技术性能的验算,1.系统压力损失的验算,画出管路装配草图后，即可计算管路的沿程压力损失p、局部压力损失p，它们的计算公式详见第3章。管路总的压力损失为 （10.18） 应按系统工作循环的不同阶段，对进油路和回油路分别计算压力损失。 但是，在系统的具体管道布置情况没有明确之前， p和p仍无法计算。为了尽早地评价系统的功率利用情况，避免后面的设计工作出现大的反复，在系统方案初步确定之后，通常用液流通过阀类元件的局部压力损失pV(见式（3.29）来对管路的压力损失进行概略地估算，因为这部分损失在系统的整个压力损失中占很大的比重。,2.系统发热温升的验算,液压传动系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量多数转化为热能，使油温升高，导致油的粘度下降、油液变质、机器零件变形，影响正常工作。为此，必须控制温升T在允许的范围内，如一般机床T= 25 30 ；数控机床T 25 ；粗加工机械、工程机械和机车车辆T= 35 40 。 功率损失使系统发热，则单位时间的发热量（kW）为： （10.19） 式中：P1 系统的输入功率； P2 系统的输出功率。,若在一个工作循环中有几个工作阶段，则可根据各阶段的发热量求出系统的平均发热量，即 （9.21） 式中：T 工作循环周期； i 工作阶段的序号； ti 各工作阶段的持续时间。 液压传动系统在工作中产生的热量，经过所有元件的表面散发到空气中去，但绝大部分热量是由油箱散发的。油箱在单位时间的散热量可按下式计算 （9.22） 式中：h 油箱的散热系数。 A 油箱的散热面积； T 液压系统的温升。,系统发热温升的验算(2/3),当液压系统的散热量等于发热量时，=，系统达到了热平衡，这时系统的温升为： （10.22） 如果油箱三个边长的比例在1:1:1到1:2:3范围内，且油面高度为油箱高度的80%，其散热面积A近似为： （10.23） 式中：V 油箱有效容积。 按式（10.22）算出的温升值如果超过允许数值时，系统必须采取适当的冷却措施或修改液压传动系统图。,系统发热温升的验算(3/3),10.6 绘制正式工作图和编制技术文件,1. 绘制正式工作图,正式工作图包括液压传动系统原理图、液压传动系统装配图、液压缸等非标准元件装配图及零件图。 液压传动系统原理图中各元件应按国家标准规定的图形符号绘制（见附录），另外应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的规格、型号和压力、流量调整值。一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表。 液压传动系统装配图是液压传动系统的安装施工图，包括油箱装配图、液压泵站装配图、集成油路装配图和管路安装图等。在管路安装图中应画出各油管的走向、固定装置结构、各种管接头的形式和规格等。,技术文件一般包括液压传动系统设计计算说明书、液压传动系统使用及维护技术说明书、零部件目录表及标准件、通用件、外购件表等。,2. 编制技术文件,10.7 液压传动系统设计计算举例,1. 明确液压传动系统设计要求,根据加工需要，该系统的工作循环是：快速前进工作进给快速退回原位停止。 调查研究及计算结果表明，快进快退速度约为4.5 m/min，工进速度应能在（20120）mm/min（0.0003 0.002 m/s）范围内无级调速，最大行程为400 mm（其中工进行程为180 mm），在进给方向最大切削力18 kN，运动部件自重为25 kN，启动换向时间t = 0.05 s，采用水平放置的平导轨，静摩擦系数fs=0.2，动摩擦系数fd=0.1，油缸机械效率m取0.9。,设计一台钻镗两用组合机床液压传动系统，完成8个 14 mm孔的加工进给传动。设计过程如下。,2.分析系统工况,液压缸在工作过程各阶段的负载为： 启动加速阶段 快进或快退阶段 工进阶段,3.确定执行元件的工作压力,(1) 初选液压缸的工作压力 取液压缸工作压力为3 MPa。 (2) 确定液压缸的主要结构参数 最大负载为工进阶段的负载F = 22 778 N，则有： 圆整为标准直径，取D = 100 mm。 为了实现快进速度与快退速度相等，采用差动连接，则d = 0.707D，所以： d = 0.707100 = 70 mm 同样圆整成标准系列活塞直径，取d = 70 mm。 工进若采用调速阀调速，调速阀最小稳定流量qmin=0.05 L/min，因最小工进速度min =20mm/min，能满足低速稳定性要求。,(3) 计算液压缸的工作压力、流量和功率 （a）计算工作压力。本系统的背压估计值可在0.50.8 MPa范围内选取，故暂定：工进时pb= 0.8MPa，快速运动时， pb= 0.5MPa 。液压缸在工作循环各阶段的工作压力p1即可按式（10.10）、（10.11）和（10.12）计算： 差动快进阶段 p1=1.24MPa 工作进给阶段 p1=3.31MPa 快速退回阶段 p1=1.67MPa,确定执行元件的工作压力(2/3),（b）计算液压缸的输入流量。因快进快退速度=0.075 m/s，最大工进速度2=0.002 m/s，则液压缸各阶段的输入流量为： 快进阶段 q1=17.4L/min 工进阶段 q1=0.96L/min 快退阶段 q1=18L/min （c）计算液压缸的输入功率 快进阶段 P=0.36kW 工进阶段 P=0.05kW 快退阶段 P=0.5kW,确定执行元件的工作压力(3/3),4.拟定系统原理图,(1) 速度控制回路的选择 该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，故采用调速阀调速。因此有三种方案供选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的调速。这个系统为小功率系统，效率和发热问题并不突出；钻镗加工属于连续切削加工，切削力变化不大，而且是正负载，在其它条件相同的情况下，进口节流调速比出口节流调速能获得更低的稳定速度，所以该机床液压传动系统采用调速阀进口节流调速，为防止孔钻通时发生前冲，在回油路上加背压阀。 液压传动系统的供油主要为快进、快退时低压大流量和工进时高压小流量两种工况，若采用单个定量泵，显然系统的功率损失大、效率低。为了提高系统效率和节约能源，所以采用双定量泵供油回路。 由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路。,(2) 换向和速度换接回路的选择 该系统对换向平稳性的要求不很高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路。为便于差动连接，选用三位五通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，所以选用Y型中位机能。由计算可知，当滑台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由17.4 L/min降为0.96 L/min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少液压冲击。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。,拟定系统原理图(2/3),(3) 压力控制回路的选择 由于采用双泵供油回路，故用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。 将上述所选定的液压回路进行归并，并根据需要作必要的修改调整，最后画出液压系统原理图如图10.6所示。,拟定系统原理图(3/3),5.选择液压元件,(1) 选择液压泵 工进阶段液压缸工作压力为最大，如果取进油路总的压力损失是p1= 0.5MPa，则液压泵最高工作压力可按式（10.13）计算出：pp =3.81 MPa 快进、快退时泵的流量为：qp = 19.8 L/min 工进时泵的流量为：qp = 1.06 L/min 考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，一般取为3 L/min，所以小流量泵的流量为：qp = 4.04 L/min 查产品样本，选用小泵排量为V1=6mL/r，大泵排量为V2=16mL/r的YB1型双联叶片泵，其额定转速为n = 960 r/min，容积效率pv=0.95。 选用Y90L6型异步电动机，P = 1.1 kW，n = 960 r/min。,(2) 选择液压阀 根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格。 (3) 选择辅助元件 油管内径一般可参照所接元件尺寸确定，也可按管路允许流速进行计算，本系统油管选 181.6无缝钢管。 油箱容量按7.5节确定，即：V=100 L140 L。,选择元件(2/2),6.系统性能验算,由于本液压系统比较简单，压力损失验算可以忽略。又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故不必进行系统温升的验算。,