液压与气压传动8-王积伟教授-东南大学

SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院液压与气压传动Chapter8系统设计与计算本章主要内容：8.1概述8.2液压系统设计与计算8.3液压系统设计计算举例8.4气动程序控制系统设计第八章系统设计与计算SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院液压与气压传动目的任务:重点难点:第八章系统设计与计算学习典型液气压系统设计实例；掌握液气压系统设计的一般步骤、注意事项、设计计算方法；了解可编程序控制器在气动系统中的应用。多气缸单往复程序控制系统的设计；信号——动作（X-D）状态线图的画法；根据X-D状态线图判别障碍信号并消除之；多气缸多往复程序控制系统的设计；气动系统中的常用电气电路。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动Part8.1概述液压与气动系统有传动系统和控制系统之分，这里所说的系统设计则是指传动系统的设计。从结构组成或工作原理上看：传动系统：以传递动力为主，追求传动特性的完善，其执行元件用来驱动主机的某个部件。控制系统：以实施控制为主，追求控制特性的完善，其执行元件用来驱动某个控制元件的操纵装置（例如液压泵、液压马达的变量机构、控制阀的阀心等）。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动要求：系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。出发点：可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两观点不同程度的组合，视具体要求不同而有所侧重。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动Part8.2液压系统设计与计算液压传动系统的设计与主机的设计是紧密联系的，两者往往同时进行，相互协调。液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，常常随着系统的繁简、借鉴的多寡、设计人员经验的不同而在具体做法上有所差异。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动图8-1液压传动系统的一般设计流程实际设计工作中，大体上可按图8-1所示的内容和流程来进行。这里除了最后一项外全部属于性能设计的范围。这些步骤是相互关联的，常须穿插进行，并经反复修改才能逐步完成。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动Part8.2.1液压系统使用要求和负载特性分析1.液压系统使用要求主机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。因此设计开始，首先必须搞清下列问题：（1）主机概况1）主机的用途、总体布局、主要结构、技术参数与性能要求。2）主机对液压装置在位置布置和空间尺寸以及质量上的限制。3）主机的工艺流程或工作循环、作业环境等。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动（2）液压系统的任务与要求1）液压系统应完成的动作，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。2）液压执行元件的负载大小及负载性质，运动速度的大小及其变化范围。3）液压执行元件的动作顺序及联锁关系，各动作的同步要求及同步精度。4）对液压系统工作性能的要求，如运动平稳性、定位精度、转换精度、自动化程度、工作效率、温升、振动、冲击与噪声、安全性与可靠性等。5）对液压系统的工作方式及控制方式的要求。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动（3）液压系统的工作环境与条件1）周围介质、环境温度、湿度大小、风砂与尘埃情况、外界冲击振动等。2）防火与防爆要求。（4）经济性与成本等方面的要求SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动2.负载特性分析负载特性分析是拟定液压系统方案、选择或设计液压元件的依据。包括：动力参数分析和运动参数分析两部分。液压系统承受的负载可由主机的规格规定，可由样机通过实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时，必须仔细考虑它所有的组成项目，例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、质量等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、背压力）等。此外必须注意负载的性质：是单向负载还是双向负载，是恒定负载还是变化负载；是否存在负值负载，是否有与液压缸轴线不重合的负载。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动对于复杂的液压系统，尤其是有多个液压执行元件同时动作的系统，通过动力参数分析，绘制出如图8-2a所示的负载图，以确定系统工作压力；通过运动参数分析，绘制出如图8-2b所示的速度图，以选定系统所需流量。图8-2液压系统执行元件的负载图和速度图a）负载图b）速度图同时，根据系统负载图和速度图，可以绘制出液压系统的功率图，从中确定液压系统所需的功率。设计简单的液压系统时，负载图和速度图均可省略不画。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动1.动力参数分析动力参数分析就是通过计算确定各液压执行元件的载荷大小和方向，并分析各执行元件在工作过程中可能产生的冲击、振动及过载等情况。液压缸的外负载力F和液压马达的外负载转矩T可按表8-1计算。根据计算所得的外负载就可绘制出上述负载图。2.运动参数分析运动参数分析就是研究主机依据工艺要求应以何种运动规律完成一个工作循环，即研究运动的形式（是平移、回转或摆动）、运动的速度大小和变化范围、运动行程长短、运动变化规律（循环过程与周期）等。依据这些分析就可作出上述速度图。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动ksvBfFFsng表8-1液压缸的外负载力F及液压马达的外负载转矩T计算公式bFksvB±Fg+Fnfd+bgTkBwtI±Tg+Fnfdr+bFksvBtv±Fg+Fnfd+mtvbFksvB±Fg+Fnfd-mbgTkBwtI±Tg+Fnfdr-工况F/N、T/（N·m）备注起动Fg、Tg——外负载，其前负号指负值负截Fn——法向力r——回转半径fs、fd——分别为外负载与支承面间的静、动摩擦因数，表8-2m、I——分别为运动部件的质量及转动惯量Δv、Δω——分别为运动部件的速度、角速度变化量Δt——加速或减速时间，一般机械Δt=0.1~0.5s磨床取Δt=0.01~0.05s行走机械Δv/Δt=0.5~1.5m/s2B＇、B——粘性阻尼系数v、ω——分别为运动部件的速度及角速度k——弹性元件的刚度kg——弹性元件的扭转刚度S——弹性元件的线位移θ——弹性元件的角位移Fb——回油背压阻力，Fb=p2A，p2为背压压力见表8-3Tb——排油腔的背压转矩，Tb=pbV/(2π),其中V为液压马达排量，为背压压力，见表8-3±Tg±Fnfsr+Bω±kgθ加速匀速±Tg+Fnfdr+Bω+kgθ+Tb制动ksvBfFFsngbFksvBtvmfFFdngbgdTkBtIrfFTngbFksvBfFFdnsbFksvBtvmfFFdngbgdTkBtIrfFTngSchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动Part8.2.2液压系统方案设计液压系统方案设计：根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本、经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案。内容包括：执行元件形式的分析与选择油路循环方式的分析与选择油源类型的分析与选择液压回路的分析、选择与合并SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动表8-2摩擦因数导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数滑动导轨铸铁对铸铁起动时低速（v0.16m/s）高速（v0.16m/s）0.15~0.20.1~0.120.05~0.08滚动导轨铸铁对滚柱（珠）淬火钢导轨对滚柱0.005~0.020.003~0.006静压导轨铸铁0.0005表8-3背压压力系统类型背压压力/MPa系统类型背压压力/MPa中低压系统或轻载节流调速系统0.2~0.5采用辅助泵补油的闭式油路系统1~1.5回油路带调速阀或背压阀的系统0.5~1.5采用多路阀的复杂的中高压系统（工程机械）1.2~3SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动1.执行元件形式的分析与选择液压系统采用的执行元件的形式，视主机所要实现的运动种类和性质而定，可按表8-4来选择。表8-4液压执行元件形式的选择运动形式执行元件特点适用场合往复直线运动短行程双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复运动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A1=2A2往返速度相等长行程柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其他外力返回，长行程直线运动液压马达与齿轮齿条液压马达与丝杆螺母结构复杂双向工作的往复运动，长行程直线运动SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动运动形式执行元件特点适用场合旋转运动高速齿轮马达结构简单、价格便宜高转速，低扭矩的旋转运动叶片马达体积小，转动惯量小高速低扭矩，动作灵敏的旋转运动低速摆线齿轮马达体积小，输出转矩大低速、小功率、大扭矩的旋转运动轴向柱塞马达运动平衡、转矩大、转速范围宽大扭矩旋转运动径向柱塞马达转速低，结构复杂，输出转矩大低速大扭矩旋转运动高速马达与减速机构转速低，结构复杂，输出转矩与减速比有关低速旋转运动往复摆动摆动马达单叶片式转角小于300°双叶片式转角小于150°小于300°的摆动运动小于150°的摆动运动注：A1—无杆腔活塞面积；A2—有杆腔活塞面积。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动2.油路循环方式的分析与选择液压系统油路循环方式为开式和闭式两种，它们各自的特点及其相互比较见表8-5。表8-5开式系统与闭式系统的比较内容开式系统闭式系统散热条件较方便，但油箱较大较复杂，须用辅助泵换油冷却抗污染性较差，但可采用压力油箱或油箱呼吸器来改善较好，但油液过滤要求较高系统效率管路压力损失较大，用节流调速时效率低管路压力损失较小，容积调速时效率较高限速、制动形式用平衡阀进行能耗限速，用制动阀进行能耗制动，引起油液发热液压泵由电动机驱动时，限速及制动过程中驱动电机能向电网输电，回收部分能量，即是再生限速（可省去平衡）及再生制动其他对泵的自吸性能要求高对泵的自吸性能要求低SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第八章系统设计与计算液压与气压传动油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。一般说来，凡备有较大空间可以存放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、采用节流调速或容积－节流调速的系统，均宜采用开式系统。例如，泵向多个液压执行元件供油且功率较小的机器（如组合机床、磨床等）、