液压第9章液压传动系统的设计和计算

1 第 9章 液压系统的设计计算 材料科学与工程学院 陈柏金 13007159130 液压传动 2 本章提要 本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法 ， 对于一 般的液压系统 ， 在设计过程中应遵循以下几个步骤： 明确设计要求 ; 进行工况分析 ,确定主要参数 ； 拟定液压系统原理图 ； 计算和选择液压元件 ； 发热及系统压力损失的验算 ； 绘制工作图 ， 编写技术文件 。 上述工作大部分情况下要穿插 、 交叉进行 ， 对于比较复 杂的系统 ， 需经过多次反复才能最后确定；在设计简单系统 时 ， 有些步骤可以合并或省略 。 通过本章学习 ， 要求对液压 系统设计的内容 、 步骤 、 方法有一个基本的了解 。 3 液压传动系统的设计是整机设计的一部分 ， 它除了 应符合主机动作循环和静 、 动态性能等方面的要求外 ， 还应当满足结构简单 ， 工作安全可靠 ， 效率高 ， 经济性 好 ， 使用维护方便等条件 。 液压系统的设计 ， 根据系统的繁简 、 借鉴的资料多 少和设计人员经验的不同 ， 在做法上有所差异 。 各部分 的设计有时还要交替进行 ， 甚至要经过多次反复才能完 成 。 下面对液压系统的设计步骤予以介绍 。 4 1、 明确系统的设计要求 主机对液压系统提出的要求 设计要求： 运动方式 、 行程 、 速度范围 、 负 载条件 、 运动平稳性 、 精度 、 工作循环和动作周 期 、 同步或联锁等 。 工作环境： 有环境温度 、 湿度 、 尘埃 、 防火 要求及安装空间的大小等 。 要使所设计的系统不仅能满足一般的性能要求 ， 还应具有较高的可靠性 、 良好的空间布局及造型 。 5 工况分析 ， 就是查明每个执行元件的 速度 和 负 载 的变化规律 ， 必要时还应作出速度 、 负载随时间 或位移变化的曲线图 。 就液压缸而言 ， 负载主要由六部分组成 ， 即 工 作负载 ， 导向摩擦负载 ， 惯性负载 ， 重力负载 ， 密 封负载和背压负载 。 2 分析系统工况，确定主要参数 2.1 分析工况 6 (1) 工作负载 wF 不同的机器有不同的工作负载 。 工作负载与液压 缸运动方向相反时为正值 ， 方向相同时为负值 。 导向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 。 (2) 导向摩擦负载 fF 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 。 (3) 惯性负载 aF 7 (4) 重力负载 gF 密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力 ， 一般通过液 压缸的机械效率加以考虑 ， 常取机械效率值为 0.900.97。 (5) 密封负载 sF 背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力 。 (6) 背压负载 bF 8 液压缸各个主要工作阶段的机械负载 F可按下列公式计算 空载启动加速阶段 : 快速阶段 : 工进阶段 : 制动减速 : mgaf FFFF /)( mgf FFF /)( mgawf FFFFF /)( 9 (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 。 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. 确定主要参数 10 (2) 确定执行元件的主要结构参数 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。 按系列标准值确定 D和 d。 对有低速运动要求的系统需对液压缸的有效工作面积 A进 行验算，即应保证： 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 ， 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 。 11 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 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 。 m 2 TV p 12 (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 。 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。 13 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 无杆腔进油工进阶段 有杆腔进油快退阶段 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 。 21b 1 2 1 2 AFpp A A A A 2 1b 11 AFpp AA 11b 22 AFpp AA 14 (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 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 。 机床进给液压缸工况图 15 液压系统原理图是表示液压系统的组成和工作原理 的重要技术文件 。 拟定液压系统原理图是设计液压系统 的第一步 ， 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 。 3 液压系统原理图的拟定 确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱的系统 ， 都采用开 式油路；相反 ， 凡允许采用辅助泵进行补油 ， 并借此进 行冷却交换来达到冷却目的的系统 ， 可采用闭式油路 。 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 。 16 根据各类主机的工作特点 、 负载性质和性能要求 ， 先确定对 主机主要性能起决定性影响的主要回路 ， 然后再考虑其它辅助回 路 。 例如 : 对于机床液压系统 ,调速和速度换接回路 是主要回路 对于压力机液压系统 ， 调压回路 是主要回路 有垂直运动部件的系统要考虑 平衡回路 惯性负载较大的系统要考虑 缓冲制动回路 有多个执行元件的系统可能要考虑 顺序动作 、 同步回路 有空载运行要求的系统要考虑 卸荷回路 等 选择液压回路 17 将挑选出来的各典型回路合并 、 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的液压系统 ， 形成系 统原理图 。 绘制液压系统原理图 18 (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 。 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 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。 1plp p p 4 液压元件的计算和选择 19 确定液压泵的最大供油量 液压泵的最大供油量为 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， qP由系统一个工作 周期 T中的平均流量确定： 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 。 p m a xq k q p ikVq T 20 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 。 21 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 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 。 pp p pqP 22 （ 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： 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 。 2 2 2 1 1 2 2 cp 12 nn n P t P t P tP t t t 23 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。 24 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需验算其内径和 壁厚 。 滤油器 、 液压蓄能器和油箱容量的选择亦见第 6 章 。 25 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 。 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 。 26 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 。 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 。 油路板式配置 1 油路板； 2 板式阀； 3 管接头 27 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 ， 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 。 叠加阀式配置 28 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 。 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 。 集成块式配置图 1 油管； 2 集成块； 3 液压阀； 4 电动机； 5 液压泵 6 油箱 29 5 液压系统的性能验算 液压系统初步设计完成之后 ， 需要对它的主要性能加 以验算 ， 以便评判其设计质量 ， 并改进和完善液压系统 。 (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 ， 局部压力损失 ， 它们的计算公式详见 液压流体力学 ， 管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和 。 在系统的具体管道布置情况没有明确之前 ， 通常用液 流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行 概略地估算 。 30 (2) 系统发热温升的验算 液压系统在工作时 ， 有压力损失 ， 容积损失和机械 损失 ， 这些损耗能量的大部分转化为热能 ， 使油温升高 从而导致油的粘度下降 ， 油液变质 ， 机器零件变形 ， 影 响正常工作 。 为此 ， 必须将温升控制在许可范围内 。 单位时间的发热量为液压泵的输入功率与执行元件 的输出功率之差 。 31 一般情况下 ， 液压系统的工作循环往往有好几个阶 段 ， 其平均发热量为各个工作周期发热量的时均值 ， 即 i n i oiii tPPt 1 )(1 式中 第 i个工作阶段系统的输入功率； 第 i个工作阶段系统的输出功率； 工作循环周期 （ s)； 第 i个工作阶段的持续时间； 总的工作阶段数 。 iiP oiP t it n 32 液压系统在工作中产生的热量 ， 主要经油箱散发到 空气中去 ， 油箱在单位时间散发热量的可按下式计算 tAk h 式中 : A 油箱的散热面积； 液压系统的温升； 油箱的散热系数 ， 其值可查阅液压设计手册 。 t hk 系统的温升为 Ak t h 计算温升值如果超过允许值 ， 应采取适当的冷却措施 。 33 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 。 34 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 35 9.7 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 。 快进 、 快退速度 v1=v3=0.1m/s， 工进速度 v2=0.0008333m/s 可调速 快进行程 l1=0.1m 工进行程 l2=0.04m 切削力 Ft=25000N 加速 、 减速惯性力 Fm=500N 静摩擦力 Ffs=1500N 动摩擦力 Ffd=850N 油缸机械效率 m取 0.9。 设计一组合机床动力滑台液压传动系统 。 设计过程如 下 。 36 2.分析系统工况 37 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 4 MPa，回油管路背压 p2=0.8MPa， 管路压降 p=0.5MPa。 (2) 确定液压缸的主要结构参数 最大负载为工进阶段则有： 圆整为标准直径，取 D = 10cm, 取 d = 7cm。 38 (3) 计算液压缸的工作压力 、 流量和功率 39 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。 40 (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液换向阀控制换向回路 。 为便于差动连接 ， 选用三位五通电液换向阀 。 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 23L/min降为 0.39L/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 。 41 (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 统原理图如图所示。 液压传动系统原理图 42 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= 0.8MPa， 则工进小流量液压泵最高工作压力： pp1 =4.065+0.8=4.865MPa 快进 、 快退时大流量泵压力 pp2 =1.216+0.5=1.716MPa 快进 、 快退时最大流量为： qp = 24 L/min 工进时泵的流量为： qp = 0.39 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 =3.39 L/min 查产品样本 ， 选用小泵排量为 V1=4ml/r， 大泵排量为 V2=25ml/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 Y90L 6型异步电动机 ， P = 1.1 kW， n = 960 r/min。 43 (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 18 1.6无缝钢管 。 油箱容量按 6.5节确定 ， 即： V=100 L 140 L。 44 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 。