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1、第9章 液压传动系统的设计计算,液压传动系统是机械设备的动力传动系统，它的设计也是整个机械设备设计的一部分，必须与主机设计联系在一起同时进行。 一般在分析主机的工作循环、性能要求、动作特点等基础上，经过认真分析比较，在确定全部或局部采用液压传动方案之后，才会提出液压传动系统的设计任务。,本章要解决的问题,液压系统的设计依据和工况分析,液压系统主要参数的确定,液压系统原理图的拟定和方案论证,4计算和选择液压元件,液压系统设计步骤,明确液压系统的设计要求及工况分析； 主要参数的确定； 拟定液压系统原理图，进行系统方案论证； 设计、计算、选择液压元件； 对液压系统主要性能进行验算； 设计液压装置，编
2、制液压系统技术文件。,从实际出发，注重调查研究，吸收国内外先进技术，采用现代设计思想，在满足工作性能要求、工作可靠的前提下，力求使系统结构简单、成本低、效率高、操作维护方便、使用寿命长。,设计原则,液压系统的设计依据,设计前，必须把主机对液压系统的设计要求和与设计相关的情况了解清楚,明确下列主要问题,主机用途，总体布局与结构，主要技术参数与性能要求，工艺流程或工作循环，作业环境与条件等。,液压系统应完成哪些动作，各个动作的工作循环及循环时间；负载大小及性质、运动形式及速度快慢；各动作的顺序要求及互锁关系，各动作的同步要求及同步精度；液压系统的工作性能要求，如运动平稳性、调速范围、定位精度、转换
3、精度，自动化程度、效率与温升、振动与噪声、安全性与可靠性等。 液压系统的工作温度及其变化范围，湿度大小，风沙与粉尘情况，防火与防爆要求，安装空间的大小、外廓尺寸与质量限制等。 经济性与成本等方面的要求。,液压系统的工况分析,明确在工作循环中执行元件的负载和运动的变化规律，它包括运动分析和负载分析。,就是研究工作机构根据工艺要求应以什么样的运动规律完成工作循环、运动速度的大小、加速度是恒定的还是变化的、行程大小及循环时间长短等。为此必须确定执行元件的类型，并绘制位移一时间循环图或速度一时间循环图。,运动分析,通过计算，确定各液压执行元件的负载大小和方向，并分析各执行元件运动过程中的振动、冲击及过
4、载能力等情况。,负载分析,液压系统的工况分析,其方向与执行元件运动方向永远相反，对执行元件起阻止作用，而不会起驱动作用。例如库仑固体摩擦阻力、粘性摩擦阻力是约束性负载。,约束性负载,动力性负载,其方向与执行元件的运动方向无关，其数值由外界规律所决定。,工作负载图,对复杂的液压系统，如有若干个执行元件同时或分别完成不同的工作循环，则有必要按各阶段计算总负载力，并根据上述各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t(或位移s)，按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(Ft)或负载位移(Fs)图。,图9.l所示为某机床主液压缸的速度图和负载图。,最大负载值是初步确定执行元件工作压力和结构尺寸的依据。,液压系统主
5、要参数的确定,执行元件的工作压力和流量是液压系统最主要的两个参数。 这两个参数是计算和选择元件、辅件和原动机的规格型号的依据。 要确定液压系统的压力和流量，首先必须根据各液压执行元件的负载循环图，选定系统工作压力；再根据系统压力，确定液压缸有效工作面积A或液压马达的排量VM；最后，根据位移一时间循环图(或速度一时间循环图)确定其流量。,系统工作压力的确定,根据液压执行元件的负载循环图，可以确定系统的最大载荷点，在充分考虑系统所需流量、系统效率和性能要求等因素后，可参照表9.2或表9.3选择系统工作压力。,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
6、性能。,在系统功率一定时，一般选用较高的工作压力，使执行元件和系统的结构紧凑、质量轻、经济性好。,工作压力 过高,会提高对元件的强度、刚度及密封要求和制造精度要求，不但达不到预期的经济效果，反而会降低元件的容积效率、增加系统发热、降低元件寿命和系统可靠性,工作压力 过低,会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大,表9.2 按负载选择系统工作压力,系统工作压力的确定,表9.3按主机类型选择系统工作压力,执行元件流量的确定,液压缸(液压马达)所需最大流量qmax按其实际有效工作面积A(或液压马达的排量 VM)及所要求的最高速度vmax(或马达最高转速nmax)来计算，即,式中 V执行元件的容
7、积效率。 当单杆液压缸作差动连接时，实际有效工作面积AA1A2。 液压缸所需最小流量qmin按其实际有效工作面积A和所要求的最小速度vmin来计算，即,最小流量应该等于或大于流量控制阀或变量泵的最小稳定流量,执行元件的工况图,工况图包括压力图、流量图和功率图,是选择液压泵和计算电机功率等的依据,压力图、流量图是执行元件在运动循环中各阶段的压力与时间或压力与位移，流量与时间或流量与位移的关系图,功率图是根据压力 p与流量q计算出各循环阶段所需功率，画出功率与时间或功率与位移的关系图,液压系统原理图的拟定和方案论证,拟定系统原理图是液压系统设计中比较重要的一步，它是从工作原理和结构组成上来具体体现
8、设计任务中的各项要求，不需精确计算和选择元件规格，只需选择功能合适的元件，原理合理的基本回路组合成系统。,一般方法: 选择一种与本系统类似的成熟系统作为基础，对它进行适应性调整或改进，使其成为具有继承性的新系统。,确定系统类型 选择回路 组成系统,步骤,选择系统的类型,系统有开式系统和闭式系统两种类型。 选择系统的类型主要取决于它的调速方式和散热要求。,采用节流调速和容积节流调速的系统、有较大空间放置油箱且不需另设散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统等都宜采用开式系统,采用容积调速的系统、对工作稳定性和效率有较高要求的系统、行走机械上的系统等宜采用闭式系统。,选择液压基本回路,液压基本回路
9、是决定主机动作和性能的基础，是组成系统的骨架。要根据液压系统所需完成的任务和工作机械对液压系统的设计要求进行选择,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； 有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步或回路隔离； 有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。,选择液压基本回路,选择基本回路时，首先要抓住各类机器的液压系统的主要矛盾，如: 对变速、稳速要求严格的主机，速度的调节、换接和稳定是系统设计的核心。 对速度无严格要求，但对输出力、力矩或
10、功率调节有主要要求的机器，功率的调节和分配是系统设计的核心。 压力控制方式的选择主要取决于液压系统的调速方式。 节流调速时，多采用调压回路； 容积调速或容积节流调速时，则多采用限压回路。 卸荷回路的选择，主要由系统功率损失、温升、流量与压力的瞬时变化等因素决定。,液压系统的合成,选定液压基本回路后，配以辅助性回路，如锁紧回路、平衡回路、缓冲回路、控制油路、润滑油路、测压油路等，就可以组成一个完整的液压系统。,合成液压系统时应特别注意以下几点： 防止回路间可能存在的相互干扰； 系统应力求简单，并将作用相同或相近的回路合并，避免存在多余回路； 系统要安全可靠，要有安全、联锁等回路，力求控制油路可靠
11、； 组成系统的元件要尽量少，并应尽量采用标准元件； 组成系统时还要考虑节省能源，提高效率，减少发热，防止液压冲击； 测压点分布合理等。 对可靠性要求高又不允许工作中停机的系统，应采用冗余设计方法，即在系统中设置一些备用的元件和回路，以替换故障元件和回路，保证系统持续可靠运转。,必须进行方案论证，对多个方案从结构、技术、成本、操作、维护等方面进行反复对比，最后组成一个结构完整、技术先进合理、性能优良的液压系统。,液压元件的计算和选择,计算液压元件在工作中承受的压力和通过的流量，以便选择元件的规格、型号。计算原动机的功率和液压油箱的容量。选择元件时，应尽量选用标准元件。,液压泵的确定与驱动功率的计
12、算,液压控制阀的选择,液压辅件的计算与选择,阀类元件的规格应按阀所在回路的最大工作压力和通过该阀的最大流量，从产品样本中选定。选用阀类元件时应考虑其结构形式、特性、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等。,液压系统性能验算,液压系统设计完成后，需要对它的技术性能进行验算，以便判断设计质量。 液压系统性能的验算主要是计算系统压力损失、调整压力、泄漏量、系统效率、系统温升、运动平稳性等。,液压系统压力损失验算,液压系统发热和温升验算,液压系统的发热功率,液压系统的散热功率,系统温升计算,绘制正式工作图编制技术文件,液压系统原理图 液压站装配图(包括油箱装配图、液压泵机架、集成块装配图等) 液压装
13、置的总体结构图 管路布置图 各种非标准元件的零件图,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、规格等。,绘制液压系统原理图, 液压系统原理图应按系统不工作状态时画出。 所有元件均按国家标准图形符号绘制。 序号栏中应标明液压元件的名称、规格、型号和调整值。 在执行元件的上方应绘出动作循环示意图。复杂的系统，按各执行元件的动作程序绘制动作循环图和电磁铁、压力继电器、行程开关的动作程序表。,基本要求,液压控制阀的配置形式,液压系统设计计算举例,某工厂汽缸加工自动线上的一台卧式单面多轴钻孔组合机床液压系统的设计,已知：该钻孔组合机床主轴箱上有16根主轴，加工14个13.9的孔和
14、两个8.5的孔；刀具为高速钢钻头，工件材料是硬度为240HB的铸铁件；机床工作部件总重量为G9810N；快进、快退速度为v1v37/min，快进行程长度为l1100，工进行程长度为l250，往复运动的加速、减速时间希望不超过0.2s；动力滑台采用平导轨，其静摩擦系数为fs0.2，动摩擦系数为fd0.1；液压系统中的执行元件使用液压缸。,要求设计出驱动它的动力滑台的液压系统，以实现“快进工进快退原位停止”的工作循环。,负载分析,工作负载,（N）,惯性负载,（N）,（N）,阻力负载,静摩擦阻力,动摩擦阻力,（N）,推力,负载分析,绘制负载图和速度图,确定液压缸主要参数,组合机床液压系统在最大负载约
15、为35000N时宜取p14MPa。,动力滑台要求快进、快退速度相等，液压缸可选用单杆式，在快进时作差动连接，液压缸无杆腔工作面积1应取为有杆腔工作面积2的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径为d0.707的关系。,在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压p2，以防孔被钻通时滑台突然前冲。根据经验，取p20.8MPa,(m),按GB/T23481993将这些直径圆整成标准值，为：D 110mm，d80mm。,(m),液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值,液压回路的选择,这台机床液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，可采用进口节流的调速形式。 为了解决进口节流调速回路在孔钻通时的滑台突然
16、前冲现象，回油路上要设置背压阀。,选用了节流调速的方式，系统中油液的循环必然是开式的。,液压缸交替地要求油源提供低压大流量和高压小流量的油液。最大流量与最小流量之比约为70，而快进快退所需的时间比工进所需的时间少得多。从提高系统效率、节省能量的角度来看，采用单个定量泵作为油源显然是不合理的，宜采用双泵供油系统，或者采用限压式变量泵加调速阀组成的容积节流调速系统。,液压回路的选择,液压回路的综合,工进时进油路、回油路相互接通，无法建立压力，必须在液动换向回路中串接一个单向阀a，将工进时的进油路、回油路隔断。,快速前进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接，必须在回油路上串接一个液控顺序阀b，以阻止油液在快进阶段返回油箱。,机床停止工作时系统中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动平稳性，另外考虑到电液换向阀的启动问题，必须在电液换向阀的出口处增设一个单向阀c。在泵卸荷时，使电液换向阀的控制油路中保持一个满足换向要求的压力。,为了便于系统自动发出快速退回信号，在调速阀输出端需增设一个压力继电器d。,如果将顺序阀b和背压阀的位置对
