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1、第九章 液压系统的设计计算,液压与气动技术,主讲： 机电工程系 廖雪梅,液压系统组成:,动力装置最常见的形式就是液压泵，是将电动机输出的机械能转换成油液液压能的装置。其作用是向液压系统提供压力油。 执行装置包括液压缸和液压马达，是将油液的液压能转换成驱动负载运动的机械能的装置。 控制调节装置包括压力、流量、方向等控制阀，是对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。 辅助装置包括上述三部分以外的其他装置，例如油箱、过滤器、油管等。它们对保证液压系统正常工作起着重要的作用。,液压传动系统的设计过程中不确定因素较多，往往在制造、试验后经过修改才能取得满意的效果。随着计算机仿真技术的发展液
2、压传动系统的设计过程将会越来越简化，设计的可靠性大大提高。,设计原则：,满足主机对系统提出的性能要求（如：动作顺序、力和速度等）； 结构简单、维修方便，安全可靠； 效率高（节能），寿命长，造价低； 环保。,9.1 液压传动系统的设计,9.1.1 明确系统设计要求,主机的用途、结构、总体布局； 主机的工作循环及运动方式； 液压执行元件的负载及运动速度大小； 各执行元件的动作顺序及互锁要求； 系统性能、工作效率和 自动化； 工作环境和工作条件； 重量、外形尺寸、经济性要求和限制。,9.1.2 分析系统工况，确定主要参数,一、分析系统工况,对各执行元件的运动速度及其变化规律进行分析，绘制位移速度图。
3、,运动分析,确定负载,确定各执行元件的负载及其变化规律，绘制位移负载图。,执行元件的工作压力 p,二、确定主要参数,根据位移负载图最大负载和机械效率m ，确定执行元件的工作压力 p 值。 另一种方法是根据书中表9.1.1和表9.1.2选取。,执行元件的几何尺寸（A、VM）,液压执行元件的机械效率m是根据执行元件的运动密封处摩擦阻力决定的一般取0.8 0.9；对于单活塞杆液压缸：,在无背压时：,D 求出后按 GB2348-80将其圆整就近的标准值。d 可由产品样本或手册根据经验确定。,当系统采用了调速装置要对其最小稳定流量下的速度值进行验算， 以检查在面积 A 时执行机构的最小稳定速度是否满足，
4、否则，应按此确定A 的值。,执行元件的最大流量 qmax,其中：qmin 为调速装置的最小稳定流量,是指将执行元件在不同阶段的实际工作压力、流量和功率值绘制成图或表。,液压系统执行元件的工况图,当系统中有多个执行元件时，工况图为各执行元件的综合。,流量,压力,功率,工况图是系统元件和回路选择依据：,泵、阀和辅助元件规格是根据工况图中最大压力、最大流量确定的； 液压回路及其油源形式是按工况图中各个不同阶段内的压力和流量变化情况初步确定； 可以根据工况图中压力、流量变化情况合理调整参数，是系统达到优化（功率平稳）。,包括： 1. 确定系统类型 2. 选择液压回路 3. 组成液压系统图,9.1.3
5、拟定液压系统图,选择回路一般原则： 1. 满足工作要求； 2. 节省能源、减少发热、减少系统冲击等。,选择液压泵,9.1.4 选择液压元件,液压泵的最大工作压力必须大于或等于液压执行元件最大工作压力和进油路上总压力损失之和。,Pp K Pmax Pp 泵的工作压力，MPa; K 系数，考虑液压泵至执行元件管路中的压力损失，一 般 K = 1.3 1.5。 Pmax 执行元件的最高工作压力， MPa 。,液压泵的流量必须大于或等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之和。,qp K qmax qp 泵的输出流量，L / min K 系统的泄漏系数，一般 K = 1.1 1.3
6、（管道长取 大值，管道短取小值） qmax 执行元件实际需要的最大流量， L / min。,当计算出液压泵压力、流量值后，按产品样本选取液压泵时，泵的额定压力pH应比计算压力高25% 。 PH 1.25 Pp 液压泵的流量应选择比较接近的即可（但对于变量泵来讲，也应该选择稍高一点为佳） 。 电动机的功率可直接从样本上查到。,选择阀类元件,选择阀类元件的规格型号时，从系统图或工况图中查出的流量、压力的最大值，再从产品样本中选取阀的通径和压力。 选择节流阀和调速阀时必须考虑最小稳定流量是否符合设计要求。,选择液压辅助元件,油管通径一般与阀通径一致或大于阀通径。,9.1.5 液压系统性能验算,液压系
7、统性能验证是一个复杂的问题，过去用一些经验公式和类比的方法进行近似估算。随着计算机技术的发展，采用仿真技术可对系统进行各种技术分析，同时采用CAD技术对系统进行修改，是系统达到最佳效果。,一、回路压力损失验算 沿程压力损失、局部压力损失和所有控制阀的压力损失。 二、发热温升验算 液压泵输入功率与执行元件输出功率的差值为液压系统的功率损失，这些能量损失全部转换成热量，使系统产生温升。 如果按这些热量全部由油箱散发，可用第六章油箱设计的方法进行验算。,即： P = P（1一） p kAt t = p / kA,p 液压泵的输人功率； 液压系统总效率（一般0.70.85） A散热面积（m2）； t系
8、统温升（），即系统达到热平衡后的油温(65 )与环境温度之差； k散热系数（kW . m-2. -1 ） 当通风很差时 k=(89)x10-3；通风良好时 k=(1517)x10-3；用风扇冷却时 k23 x10-3 ；用循环水冷却时 k=(110175) x10-3,9.2 液压系统设计计算实例,9.2.1 题目,设计一个简易卧式单轴钻孔机床动力滑台的液压系统，以实现,的工作循环。,最大轴向钻削力 F = 15000 N ，动力滑台自重G = 20000，快进和快退速度相等v1 = 0.1 m / s，工作进给速度可调 v2 = 0.918.0 mm / s，快速进给行程s1=120 mm，
9、工作进给行程s2 = 60 mm，动力滑台为平导轨，摩擦系数 fd = 0.1 (动摩擦系数） 注：忽略系统加减速时的惯性力。,已知：,要求：,进行工况分析，绘制工况图； 拟定液压系统原理图，绘制电磁铁动作循环表； 计算液压系统，选择标准液压元件。,9.2.2 分析系统工况,一、负载分析,快进： 动摩擦力 Fd = fd G =0.120000 N = 2000 N,工进： F+Fd =15000 N + 2000 N = 17000 N,快退： 动摩擦力 Fd = 2000 N,钻床的负载位移曲线,二、负载图和速度图,钻床的速度位移曲线,9.2.3 液压缸主要参数的确定,选定工作压力,按负载
10、选定工作压力，该钻床的最大负载为17 kN，选取 p = 3 MPa,在该系统中，考虑到专用钻床在工进阶段时，需要较低的稳定速度和较大的钻削力，而单活塞杆液压缸最容易满足。 又因为快进速度较高，且快进和快退时的速度相等，所以取液压缸的无杆腔有效面积A1等于有杆腔面积A2的两倍的差动连接（ A1 =2 A2 ）。,确定执行元件的几何参数,钻孔时，液压缸要有背压，以防止孔被钻通时滑台突然前冲。选p2=0.5 Mpa.,式中：,F = 17000 N； m= 0.9 液压缸的机械效率； A1 =2 A2 A1无杆腔有效面积， A2有杆腔有效面积； p2=0.5 Mpa = 0.5 x 106 Pa
11、p1=3 Mpa = 3 x 106 Pa,活塞直径D,按液压缸内径系列标准选取液压缸直径： D = 100 mm 因为： A1 =2 A2,将计算结果进行圆整： d = 70 mm,液压缸实际有效工作面积： 无杆腔面积：,有杆腔面积：,液压缸在各阶段的压力、流量和功率,快进：F = 2000 N , p2 = 0,工进：,F = 17000 N , p2 = 0.5 MPa , v2 = 0.918 mm/s,快退：,F = 2000 N , p2 = 0 MPa , v2 = 0.1 m/s,液压缸在各阶段的压力、流量和功率,9.2.4 液压系统图的拟定,一、液压回路的选择,选择液压回路是
12、根据系统的设计要求和工况图从重多的成熟方案中评比挑选出来的。 原则：1. 满足各项主题要求； 2. 节省能源，减少发热和冲击。 调速回路： 1. 进油路节流调速，回油路上设置背压阀； 2. 回油路接流调速。,快速运动和换向回路：快速运动采用差动回路。 由于速度换接时流量变换大，采用行程阀换接回路。 供油系统： 1. 由于系统需要低压大流量和高压小流量交替供油，所以可采用双液压泵。 2. 单泵供油系统。,快 进,工 进,快 退,电磁铁动作循环表,一、液压泵 工作压力： Pp K Pmax 其中：Pmax= 2.66 MPa（工进式系统压力） K = 1.3 1.5 取K = 1.4 Pp = 1
13、.4 2.66 = 3.7 Mpa,9.2.5 液压元件的选择,液压泵的额定压力为：,p = Pp(1+K1)=3.7 (1+0.3) = 4.8 Mpa 其中： K1为液压泵的储备系数，一般为 0.250.60， 这里K1取0.3,qp K qmax qp 泵的输出流量，L / min K 系统的泄漏系数，一般 K = 1.1 1.3（管道长取大值，管道短取小值）这里K 取 1.2。 qmax 执行元件实际需要的最大流量， L / min，从表中可以看到，快进时系统所需流量最大qmax = 24。,2. 确定液压泵的最大流量：,qp = K qmax= 1.224 =28.8 L / min
14、,根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，确定选取液压泵的规格为： 叶片泵YB1-32,YB1型叶片泵技术性能,3. 确定电动机功率,由系统原理图可知：当三位五通电磁换向阀中位时（非工作），液压泵排出的液压油全部由溢流阀 4 回油箱，如果溢流阀4 的调定压力为 4MPa，则最高功率发生在中位时。若泵的效率 取0.8则：,电动机的功率为：,根据 P = 2.56 kw、n=960 r/min 查阅电机手册，选定三项异步电动机 ： Y100L2 - 4 型电动机，额定功率为3 kw。,根据拟定的液压系统图，计算液压阀在不同工况时的工作压力和最大实际流量，确定液压阀型号及规格。,二、阀类元件及辅助元件
15、,三、油管,取v = 4 m /s， q = 30 L /min（泵的最大流量）。,根据材料手册，取204无缝钢管,四、油箱,油箱容积由经验估算： V Kqn K=7（中压系统K57 ），qn=30 L/min（泵的最大流量） V 730 = 210 L,9.2.5 液压元件的选择,一、回路压力损失验算,系统管路尚未确定，整个回路的压力损失无法估算，略。,二、油液温升验算,按工进时计算液压缸的有效输出功率 F = 17000N ，v = 0.9 10-3 m/s,P2 = F v = 170000.9 10-3=15.3W,液压泵的输入功率: 液压泵的最高工作压力由溢流阀控制为4MPa，排量为32 mL/r,系统发热量计算,QH = P1 - P2 = 2.56103-15.3=2544.7 W,QHkAt t QH / kA，通风良好时 k=(1517)x10-3；,油箱散热面积 A:,t 2544.7 10-3 /1710-32.30 = 65,方案二,方案二,快进,方案二,工进,方案二,快退,液压与气动技术,Thank you !,END,
