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1、第8章 液压传动系统与气动系统设计,8.1 液压传动系统设计 8.2 气动程序控制系统设计,8.1 液压传动系统设计,液压传动系统设计主要包含液压传动系统的机械设计和电气控制设计。 8.1.1 液压传动系统的机械部分设计 液压系统设计的步骤大体如下: 明确设计要求; 进行工况分析与初步确定系统的主要参数; 拟定液压系统原理图; 计算和选择液压元件; 估算液压系统性能; 绘制工作图和编写技术文件。,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,1.明确液压系统的设计要求 在开始设计液压系统时.首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析.明确主机对液压系统提出的要求.具体包括以下几方面。 主机的用途、
2、主要结构、总体布局;主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。 主机的工作循环.液压执行元件的运动方式(移动、转动或摆动)及其工作范围。 液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。 对液压系统工作性能(如工作平稳性、转换精度等)、工作效率、自动化程度等方面的要求。 液压系统的工作环境和工作条件.如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等。 其他方面的要求.如液压装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,2.分析系统工况及确定
3、主要参数 (1)工况分析 工况分析就是分析主机在工作过程中各执行元件的运动速度和负载的变化规律。对于动作较复杂的机械设备.根据工艺要求.将各执行元件在各阶段所需克服的负载用图8-1(a)所示的负载一位移(F-l)曲线表示.称为负载图。将各执行元件在各阶段的速度用图8-1 (b)所示的速度一位移(v-l) 曲线表示.称为速度图。设计简单的液压系统时.这两种图可省略不画。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(2)确定主要参数 这里是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。 执行元件的工作压力.可以根据负载图中的最大负载来选取(见表8-1).也可以根据主机的类型来选取(见表8-2);而
4、最大流量则由执行元件速度图中的最大速度计算出来。这两者都与执行元件的结构参数(指液压缸的有效工作面积八或液压马达的排量VM)有关。一般的做法是.先选定工作压力p.再按最大负载和预估的执行元件机械效率求出A或VM.经过各种必要的验算、修正和圆整后定下这些结构参数.最后再算出最大流量qmax来。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,3.拟定液压系统原理图 拟定液压系统原理图是整个设计工作中最主要的步骤.它对系统的性能以及设计方案的经济性、合理性具有决定性的作用。其一般方法是.根据动作和性能的要求先分别选择和拟定基本回路.然后将各个回路组合成一个完整的系统。 选择液压回路是根据系统的设计
5、要求和工况图从众多的成熟方案中(参见本书第7章和有关的设计手册、资料)评比挑选出来的。选择时.既要考虑调速、调压、换向、顺序动作、动作互锁等要求.也要考虑节省能源、减少发热、减少冲击、保证动作精度等问题。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,组合液压系统是把挑选出来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。 4.液压元件的计算 液压泵的最大工作压力必须不小于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.也可以按经验资料估计(见表8-3)。,上一页
6、,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,液压泵的流量必须不小于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流量);而回路中的泄漏量则可按总流量最大值的10%30%估算。 在参照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20%60%.以便留有压力储备;额定流量则只须选得能满足上述最大流量需要即可。 液压泵在额定压力和额定流量下工作时.其驱动电机的功率一般可以直接从产品样本上查到电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。,上
7、一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,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。选择节流阀和调速阀时.还要考虑它的最小稳定流量是否符合设计要求。各类阀都须选得使其实际通过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来说.阀类元件的额定压力应高出其工作压力较多。 油管规格的选定和油箱容量的估算见本书6. 1. 5小节。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,5.液压系统的性能验算 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。 (1) 回路压力损失验算 压力损失包括管道内的
8、沿程损失和局部损失以及阀类元件处的局部损失3项。管道内的这两种损失可用第2章中的有关公式估算;阀类元件处的局部损失则须从产品样本中查出。当通过阀类元件的实际流量q不是其公称流量qn时.它的实际压力损失p与其额定压力损失pn间将呈如下的近似关系: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。,上一页,下一页,返回,（8.2）,8.1 液压传动系统设计,(2)发热温升验算 这项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Q(以W计)是液压泵输入功率P1和液压执行元件有效功率P0之差。假如这些热量全部由油箱散发出去.不考虑系统其他部分的散热效能.则油液温升的估
9、算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。例如.当油箱3个边的尺寸比例在1 :1 : 11: 2 : 3之间、油面高度是油箱高度的80%且油箱通风情况良好时.油液温升T的计算式可以用单位时间内输入热量Q(W)和油箱有效容积V2 (m3)近似地表示成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。,上一页,下一页,返回,（8.3）,8.1 液压传动系统设计,例8-1如图8-3所示的工件.需要大批量生产.本工序钻削工件上有一15偏心孔.工件材料为铸铁.材料硬度为220 HB.为此设计一全自动专用钻床.只要将工件堆积在料斗里.一按开关就可重复自动完成从送料、加工到结束这
10、一全部过程.设计该钻床的液压系统及电气控制回路设计的该专用钻床的加工工位结构简图如图8-4所示.其工作循环步骤为:,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(1)负载分析 根据工件材料查阅机械加工工艺手册.得出钻孔的较合适的表面切削速度为从而计算出主轴的转速为由加工直径查阅工艺手册.得出加工每转进给量为,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,根据切削原理得出钻削力计算公式为查阅机械设计手册得,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,故计算出在本工艺条件下的最大钻削扭矩及最大钻削轴向力为计算钻削缸受力。钻削缸所受轴向力等于钻削轴向力减去动力头的重量.应小于2 946 N
11、。 计算夹紧缸受力。根据夹具结构画出受力简图，如图8-5所示，由理论力学分析进行计算得夹紧力为,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,其中.f表示摩擦系数.本例取0.2 ;表示V形块夹角.本结构为90;D表示被夹工件直径.本工件直径为80 mm。 故计算出夹紧力为W=1 219(N)查阅液压传动设计手册.安全系数为2. 5 3.取其为3.所以夹紧缸应承受负载为W缸=1 219X3=3 657(N),上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,计算送料缸的受力。送料缸在推进工件时.工件受料斗上面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. 6 k
12、g.最多堆积20个.故摩擦阻力为故送料缸所受最大轴向力为摩擦阻力加工件重量.即为由于力很小.因此将送料缸的运动近似认为是空载运动,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(2)液压缸的选择 本例工艺要求送料缸送料速度大于50 mm/s.钻削缸快进速度大于50 mm/s 查阅液压传动设计手册得出:选内径X活塞杆径=40X20(mm)的液压缸作为夹紧缸.则当液压缸内油的压力达到p=W缸/A=4X3 657/(3.14X402)=2.91(MPa)时.就可夹紧工件;选该液压缸行程不小于40 mm,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(3)液压泵选择 根据液压缸的最大工作压力和最大
13、流量，再考虑相关损失，计算泵的额定流量和额定压力 泵的额定流量泵的额定压力查阅产品目录.该泵的型号为YB1-2. 5.额定压力为6. 3 MPa.排量为2. 5 Ml/r.转速为450 r/min的定量叶片泵。该泵的输出流量为,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(4)选择电动机参数因为液压泵的转速为1450 r/min,所以选电机的转速为1450 r/min.功率大于0. 34 Kw. (5)选择油箱 油箱容量通常取泵的额定流量的24倍.故设计油箱的容量为714 L。 因为钻削缸要支撑动力头.又双向受力.所以选直径大一点的液压缸。另外由于有差动连接.因此使得快进和退回的速度较接近
14、.因而选活塞杆直径较粗的液压缸。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,综上应选内径活塞杆径d=50X32(mm)的液压缸作为钻削缸.则当液压缸内油的压力大于p=F/A=4X2 946/ (3.14X502)=1.55(MPa)时.就可钻削工件;由于钻削快进采用差动连接.因此当输入流量达到就能满足钻削缸快速进给的要求;选该液压缸的行程不小于35mm 选内径X活塞杆径=32X 16mm的液压缸作为送料缸，当输入流量达到就能满足送料速度要求;液压缸的行程根据具体结构确定。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(6)选择阀 送料缸换向选用二位四通电磁阀.能满足送料要求;夹紧缸换
15、向选用二位四通电磁阀.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电磁阀。 由于钻削缸的压力小于夹紧缸的压力.因此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。 由于钻削缸垂直安装，因此，为使运动平稳，采用液压缸出口节流调速回路。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,以泵的额定压力为6. 3 MPa.流量为3. 6 L/min为基准.选择各种电磁换向阀、溢流阀、减压阀、调速阀等元件.元件的性能参数可参考液压传动设计手册有关资料.在此不再一一叙述。 为节约能源.钻削缸快进采用差动回路。 (7)液压回路设计 根据以上计算参数.结合液压传动的基本回路.设计本系统
16、的液压回路如图8-6所示。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,8. 1. 2 液压传动系统的电气控制部分设计 1.液压回路的电气控制设计步骤 在电气控制液压回路中.液压缸的位置是由微动开关来控制的.方向阀则采用电磁阀.常用的电磁阀如图8-7所示。 液压回路电气控制设计步骤如下: 画出动作顺序图。 根据动作顺序图设计液压回路。 根据液压回路设计电气控制回路。 下面通过介绍从单缸回路到多缸回路电气控制设计.说明液压回路电气控制设计方法。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,2.单缸液压传动电气控制回路设计 例8-2有一液压缸A.其动作为伸出一缩回.试设计其电气液压回路。
17、根据动作顺序画出动作顺序图.如图8-8所示。 设计液压回路。本例中采用图8-7所示的两种电磁阀各设计一液压回路.如图8-9所示。在图8-9中.通电后使A缸前进的线圈称为YA1;通电后使A缸后退的线圈称为YA0。,上一页,下一页,返回,8.1 液压传动系统设计,(3)设计电气回路 若采用目视操作.则可得如图8-10所示的电路。因为图8-10(a)所示的电磁阀一端有弹簧.如不加继电器.当手放开前进按钮时.A缸就会立即后退，所以需用K1继电器自保持回路来确保A缸的继续前进。图8-10(b)所示的情况与图8-10(a)所示的类似.分别作YA1,YA0线圈的自保持继电器。当前进、后退按钮同时按下时.YA1,YA0线圈会同时通电而使电磁阀无法控制.所以特别在电路中加上K1,K2的b接点.以防止其发生。 若要使按钮按下后A缸能自动前进、后退一次.此时就要用装在液压缸A进到底和退到底位置上的行程开关a1,YA1来通知电路.A缸是否有进到底或退到底.依此设计出图8-11所示的电路。因为在电路设计中.当所有的动作完成时.需将电全部切断.所以.图8-11(b)中需用YA1来切掉YA0的电。,
