第8章液压传动系统的设计和计算.

液压传动系统的步骤液压系统设计举例本章主要内容为：第8章液压传动系统的设计和计算液压系统设计的内容和步骤如下：1）明确设计要求，进行工况分析；2）确定液压系统的主要参数;3）拟订液压系统原理图；4）设计或选择液压元件；5）验算液压系统的性能；6）液压系统结构设计；7）绘制正式工作图及编写技术文件。8.1液压传动系统的步骤8.1.1明确设计要求进行工况分析1明确设计要求液压系统的动作和性能要求主要有：运动方式、行程、速度范围、负载条件、运动平稳性、精度、工作循环和动作同期、同步或连锁等，就工作环境而言，有环境温度、温度、尘埃、防火要求及安装空间大小等。2进行工况分析对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律，通常是求出一个工作循环内各阶段的速度和负载值。必要时还应做出速度、负载随时间或位移变化的曲线图。8.1.2确定液压系统主要参数因为这时回路的结构还没有完全确定，所以这里所说的主要参数是液压执行元件的主要参数。结构参数的确定是指根据液压执行元件的工作压力和最大流量确定其几何参数，液压传动系统采用的执行元件形式可视主机所要实现的运动种类和性质而定。表8.1选择执行元件的形式往复直线运动回转运动运动形式短行程长行程高速低速往复摆动建议采用的执行元件的形式活塞式液压缸柱塞式液压缸液压马达与齿轮/齿条或螺母/丝杠机构高速液压马达低速大扭矩液压马达高速液压马达带减速器摆动液压缸1）初选执行元件的工作压力工作压力的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能，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值选取。2）确定执行元件的主要结构参数在这里以液压缸为例，需要确定的主要结构尺寸是指液压缸的内径D和活塞杆的直径d，计算和确定D和d的一般方法见之前章节，并按系列标准确定D和d。对有低速运动要求的系统，尚需对液压缸有效工作面积进行验算，即应保证式中A——液压缸工作腔的有效工作面积；qmin——控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量；vmin——液压缸要求达到的最低工作速度；验算结果若不能满足式(8-1)，则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需要的最低速度，必须修改设计。minminvqA3）复算执行元件的工作压力当液压缸的主要尺寸D、d计算出来以后，要按标准系列圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都存在一定的偏差，因此，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要的那部分压力，在结构参数D、d确定之后，若取适当的背压估算值，即可求出执行元件工作腔的压力。对于单杆液压缸，其工作压力p可按下列公式复算。无杆腔进油工进阶段有杆腔进油阶段bpAAAFp121bpAAAFp212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，这时就可以作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图。液压系统的工况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，为后续设计步骤中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据。8.1.3液压系统原理图的拟定1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油路。2选择液压回路在拟定液压系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，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。3绘制液压系统原理图将挑选出来的各个典型回路合并、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。8.1.4液压元件的计算和选择1选择液压泵首先根据设计要求和系统工况确定泵的类型，然后根据液压泵的最大供油量和系统工作压力来选择液压泵的规格。液压泵的最高供油压力液压泵的最大供油量为选择液压泵的规格型号选择驱动液压泵的电动机lpppppppqpP2选择阀类元件各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系统工况提供的情况从产品样本中选取，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几倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量的几倍，此时，应以几倍的流量来选择通过的阀类元件。3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才验算其内径和壁厚，验算公式见液压辅件章节。滤油器、蓄能器和油箱容量的选择亦见液压辅件。阀类元件配置形式的选择：油路板式叠加阀式集成块式8.1.5验算液压系统性能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，管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和。在系统方案初步确定之后，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的估算，因为这部分损失在系统的整个压力损失中占很大的比重。在算出系统油路的总的压力损失后，将此验算值与前述设计过程中初步选取的油路压力损失经验值相比较，若误差较大，一般应对原设计进行必要的修改，重新调整有关阀类元件的规格和管道尺寸等，以降低系统的压力损失。2系统发热温升的验算功率损失使系统发热，则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，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niioiiitPPt1)(1液压系统在工作中产生的热量，经过所有元件、附件的表面散发到空气中去，但绝大部分是由油箱散发的，油箱在单位时间的散发热量可按下式计算当液压系统的散热量等于发热量时，系统达到了热平衡，这时系统的温升为：AkthtAkh8.1.6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系统原理图、液压系统装配图、各种非标准元件（如油箱、液压缸等）装配图及零件图。液压系统原理图中应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的型号规格、压力和流量等参数值，一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁的动作顺序表。2编制技术文件技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压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。8.2液压系统设计举例设计要求：某厂汽缸加工自动线上要求设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床，要求的工作循环是：快进工进快退停止。工作部件总重G=10kN；切削负载FR=40kN。快进行程l1=100mm；工进行程l2=50mm。快进和快退速度v1=v3=6m/min；工进速度v2=0.05m/min；往复运动的加速、减速时间t=0.2s。工作部件运动时采用平导轨支承，其静摩擦系数fs=0.2；动摩擦系数fd=0.1，试设计计算其液压系统。1负载分析工作负载FR=40000N惯性负载阻力负载N510602.0681.910000tvgGFm静摩擦阻力Ffs=fs×G=0.2×10000=2000N动摩擦阻力Ffd=fd×G=0.1×10000=1000N表8.2液压缸动作循环中各阶段的负载工况计算公式液压缸负载F（N）液压缸推力mF(N)启动Ffs20002222加速Ffd+Fm15101678快进Ffd10001111工进FR+Ffd4100045556反向启动Ffs20002222加速Ffd+Fm15101678快退Ffd10001111制动Ffd-Fm490544计算快进、工进时间和快退时间如下：快进：t1=L1/v1=100×10-3/(6/60)=1s工进：t2=L2/v2=50×10-3/（0.05/60）=60s快退：t3=(L1+L2)/v1=(100+50)×10-3/（6/60）s=1.5s2负载循环图的绘制根据液压缸在各工作时间内的负载、速度值绘制负载图及速度图，如图下图所示：3液压缸主要参数的确定1)初选液压缸的工作压力由于液压缸的最大推力为45556N，初选液压缸的工作压力pl＝63105Pa。2)计算液压缸尺寸由于是钻通孔组合机床，为了使其钻孔完毕时不致前冲，在回油路上要装背压阀或采用回油节流调速，初选背压为p2＝1106Pa，由负载循环图知，最大负载是在工作进给阶段，采用无杆腔进油，而且取d＝0.7D(即A1=2A2)，以便采用差动连接时，快进和快退的速度相等。因此液压缸活塞的受力平衡式为：(p1A1-p2A2)ηm=F(其中A1=2A2)按标准取D＝110mm，则d＝0.7D＝77mm，圆整为d＝80mm。液压缸无杆腔和有杆腔的实际有效工作面积A1、A2值为：352111079.010)2/1063(9.041000)2/(ppFAm101.01079.04431AD3221105.941104DA3222221047.48011044dDA反算液压缸的工作压力p1为：Pa105310105.9101047.410109.0/41000/5636351221AApFpm表8.3液压缸工作循环中各阶段的压力、流量和功率的实际使用值液压缸工况负载（N）回油腔压力P2105(Pa)输入流量Q(L/min)进油腔压力p1105(Pa)输入功率P(kW)计算公式启动2222——4.4*—加速1678—8.7—快进(差动)恒速1111p2=p1+p(p=6)30.27.50.38QppvAAQAApAFp11212121工进45556100.48530.042QppVAQAApFp1211221启动2222——4.9*—加速1678—16.5—快通恒速1111626.815.20.73QppVAQAApFp13222114.液压系统图的拟定1）选择液压回路首先选择调速回路。其次是选择快速运动和换向回路。系统中采用节流调速回路。选择速度换接回路。2）组成液压系统图5.液压元件的选择1）确定液压泵规格和驱动电机功率最后确定选取YB1-C31-4/40双联叶片泵。按产品目录选用Y100L-6型电动机2）阀类元件及辅助元件选择表8.4液压元件的型号序号元件名称通过阀的实际流量(L/min)型号规格1双联叶片泵—YB1-4/402三位五通电液阀5735DY-100B3行程阀5722C-100B4调速阀1Q-6B5单向阀571-100B6单向阀401-100B7顺序阀40XY-25B8背压阀1B-10B9滤油器44XU-4020010压力表开关—K6B11溢流阀3Y-10B12单向阀401-25B3）油管选择各元件间连接管道的规格按元件接口尺寸决定；管道长度由管路装配图确定。4）确定油箱容量按经验公式计算V＝(5~7)qp＝640＝240(L)6.液压系统的性能验算油液温升验算工进在整个工作循环中所占的时间比例极大，所以系统发热和油液温升可用工进时的情况来计算。近似认为损失的功率都转变成热量，工进时液压缸的有效功率为：038.0601005.04555630FvP由于大流量泵通过顺序阀7卸荷，小流量泵在高压下供油，所以总的输入功率为kW755.01075.01060/410551060/40103335352211ppppiqpqpP由此得液压泵发热量为：油液温升近似值为：℃温升没有超过允许范围，液