第9章液压系统设计

1课时授课计划课时分配：14节编写日期：2011年7月20日课题第9章液压系统设计目的和要求掌握液压系统设计的方法。难点重点液压系统设计的方法组织教学（包括教学环节，内容提纲，时间分配，教具等）本章讲授内容：9.1液压系统设计9.2液压系统设计计算实例教具：课件，模型（或实物）课外作业2讲授内容作业与补充第9章液压系统设计液压系统的设计主要是根据工作机器提出的技术要求，同时设计时考虑可靠性、安全性及经济性等因素。液压系统的设计步骤一般为：工作机器的基本技术分析，主要参数的确定，液压系统功能设计，选择液压元件，绘制工作图（液压装置的设计与计算），编制技术文件。这些步骤相互关联，彼此影响，因此常常需要交叉进行。9.1液压系统设计9.1.1工作机器的基本技术分析在液压系统设计时，首先应明确工作机器的基本技术要求。其具体内容是：①工作机的用途、结构、总体布局；②工作机的工作循环及运动方式；③液压执行元件的负载及运动速度；④工作机各执行元件的动作顺序或互锁要求；⑤液压系统的性能、效率、自动化程度、工作环境等方面的要求；⑥液压装置的重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。9.1.2主要参数确定主要参数是指液压执行元件的工作压力和最大流量。主要参数的确定又依据液压系统的工作状况，因此，需要对液压系统进行工况分析。1.液压系统工况分析工况分析是指执行元件的运动速度和负载变化的分析，这是为了满足工作机动作和承载的要求。液压系统承受的负载由工作机的规格而定，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、重力等）、惯性负载和阻力负载(摩擦力、背压力)等，并把它们绘制成相应的负载图和速度图，如图9-1所示。2.主要参数确定主要参数依赖于机器的形式，执行元件的形式可以根据工作机所要实现的运动种类和性质而定。执行元件的工作压力可以根据最大负载来选取，也可以根据工作机的类型来选取。在液压系统中，工作压力选得小些，对系统的可靠性、低速平稳性和降低噪声都是有利的，但是结构尺寸相对较大，因为执行元件当压力选定后，液压缸的截面尺寸便可以由推力来确定。3讲授内容作业与补充最大流量则由执行元件速度图中的最大速度计算出来。这与执行元件结构参数有关。液压系统执行元件各个阶段的压力和流量工况如图9-2所示。它是在执行元件结构参数确定后，根据设计任务要求，算出不同阶段中的实际工作压力、流量作出的工况分析图，它显示了液压系统整个工作循环中这两个参数的变化情况。当系统中包含多个执行元件时，其工况图是各个执行元件工况图的综合。快进O惯性力启动F快进切削力a）密封和背压阻力工进O摩擦力tv启动制动b）工进t制动图9-1液压系统执行元件的负载图和速度图a)负载图b)速度图快进启动O快进p工进a）启动Ot制动qb）工进制动t图9-2液压系统执行元件工作压力和流量工况图a)压力图b)流量图4讲授内容作业与补充液压执行元件的工况图是选择系统中其他液压元件和液压基本回路的依据，也是拟定液压系统方案的依据，这是因为：1)液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定的。2)液压回路及其油源形式是按工况图中不同阶段内的压力和流量情况初选确定的。3)参数设计合理性鉴别与调整的依据，液压系统的设计常常将工况图所反映的情况与调研的方案进行对比来作出改进。例如，在工艺情况允许的条件下，调整有关工作阶段的时间或速度，可以减少所需的功率；当功率分布很不均匀时，适当修改参数，可以避开或削减“峰值”功率等。9.1.3液压系统功能设计液压系统功能设计是体现设计任务中提出的各项具体要求。它包含三项内容：确定液压系统类型，选择液压基本回路和组装液压系统。1)液压系统的类型分为开式传动和闭式传动两种，采用开式传动还是闭式传动，主要取决于它的调速方式和散热要求。一般来说，凡具有较大空间可以存放油箱，要求结构尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积节流调速的系统，都宜采用开式传动；凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统，对工作稳定和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统，都宜采用闭式传动。2)选择液压基本回路是根据液压系统的设计要求和工况图出发，同时符合节省能源、减少发热、减少冲击等原则。首先从对工作机主要性能起决定作用的调速回路开始，然后再根据工作机需要考虑其他辅助回路。例如，对垂直运动部件的系统要考虑平衡回路；有快速运动部件的系统要考虑缓冲和制动回路；有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步或互不干扰回路；有空运转要求的系统要考虑卸荷回路等等。3)组装液压系统是把选好的各种液压基本回路组装在一起，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，组装后的液压系统应能够实现所要求的各项功能，同时液压系统要结构简单、紧凑、工作安全可靠，动作平稳，效率高，使用和维护方便，元件应该标准化。在可靠性要求特别高的液压系统设计中，液压系统设计要考虑设置一些必要的备用回路或备用系统，以便在工作回路发生故障时，启动备用系统作为应急处理，确保系统正常运转。9.1.4选择液压元件液压泵的选择是按泵所需要的最大工作压力和流量选择的，同时要考虑储备。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5讲授内容作业与补充作压力和进油路上总压力损失之和。液压执行元件的最大工作压力可以从工况图中查到。进油路上的总压力损失可以按经验资料选取：一般节流调速及简单系统取Δp1=（0.2～0.5）MPa。液压泵的流量必须大于或等于几个同时工作的执行元件总流量的最大值，同时要考虑泄漏量的影响。液压执行元件总流量的最大值可以从工况图中找到，回路中的泄漏量可按总流量最大值（10～30）%选取。在参照产品样本选取液压泵时，其额定压力选取比液压泵的最大工作压力高出(25～60)%，以便留有压力储备，额定流量按上述最大流量选取即可。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。阀类元件的选择主要考虑阀的规格、性能和连接方式。阀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必须考虑它的最小稳定流量是否符合设计要求。油管的规格一般是由它所连接的液压件接口处的尺寸决定的。9.1.5液压系统性能验算目前液压系统性能验算是采用一些简化公式进行近似估算的，以便定性地说明情况。当设计中能找到经过实践检验的同类型系统作为对比参考或可靠的实验结果可供使用时，系统的性能验算就可以省略。⑴回路压力损失的验算：回路压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失，这两项压力损失可按相应的计算公式来计算。但必须注意，不同的工作阶段要分开计算；回油路上的压力损失要折算到进油路上，在未画出管路装配图之前，有些压力损失仍只能估算。⑵发热温升的验算：液压泵的输入功率与执行元件的输出功率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，使液压系统产生温升。如果这些热量全部由油箱散发出去，不考虑其他部分的散热效能，则需要计算油液温升。当验算出来的温升超过允许值时，系统中必须设置冷却器。6讲授内容作业与补充9.2液压系统设计计算实例9.2.1设计题目现以组合机床动力滑台液压系统为例，该动力滑台为卧式单面多轴钻孔机床，以实现“快进→工进→快退→停止”的工作循环。已知：机床上设有16根主轴，加工φ13.9mm的孔14个，加工φ8.5mm的孔2个；选用刀具材料为高速钢，工件材料为铸铁，硬度为240HBS；机床工作部件总重量G=9810N；快进、快退速度υ1=υ3=7m/min，快进行程长度为l1=100mm，工进行程长度为l2=50mm，往复运动的加速、减速时间不超过0.2s；动力滑台采用平导轨，其静摩擦因数为fs=0.2,动摩擦因数为fd=0.1；液压系统的执行元件使用液压缸。9.2.2组合机床的基本技术分析1.负载分析负载分析是对所涉及的载荷进行分析与计算。1）工作负载由金属切削原理可知，高速钢钻头钻铸铁孔时的轴向切削力Ft与钻头直径D（mm）、每转进给量f(mm/r)和铸件硬度HBS之间的经验算式为Ft=25.5Df0.8(HBS)0.6(9-1)式中Ft——轴向切削力（N）；D——钻头直径D（mm）；HBS——工件材料硬度；f——每转进给量，对φ13.9mm的孔，可选n1=360r/min，f1=0.147mm/r，对φ8.5mm的孔，可选n2=550r/min，f2=0.096mm/r。代入式(9-1)求得Ft=14×25.5×13.9×0.1470.8×2400.6+2×25.5×8.5×0.0960.8×2400.6=30468N2)惯性负载Fm=ma(9-2)式中Fm——惯性负载力（N）；m——运动部件的质量（kg）；a——运动部件的加速度（m/s2）。代入式(9-2)求得Fm=(9810/9.81)×[7/(60×0.2)]N=583N3)阻力负载静摩擦阻力Ffs=fsG=0.2×9810N=1962N7讲授内容作业与补充动摩擦阻力Ffd=fdG=0.1×9810N=981N设计时液压缸的机械效率可取ηm=0.9，则推力F’=F/ηm，由此得出液压缸的各工作阶段的负载，见表9－1所示。表９-１液压缸在各工作阶段的负载值工况负载组成负载值F/N推力F＇/N启动F=Ffs19622180加速F=Ffd+Fm15641738快进F=Ffd9811090工进F=Ffd+Ft3144934943快退F=Ffd9811090２.负载图和速度图的绘制负载图是按计算的负载值来绘制的，如图9-3a所示。速度图按已知数值v1=v3=7m/min、l1=100mm、l2=50mm、快退行程l3=l1+l2=150mm和工进速度v2等绘制。如图9-3b所示。其中v2由主轴转速及每转进给量求出，即v2=n1f1=n2f2≈53mm/min。5010902180O173850F/N-2180l/mma）100-109015034943Ov/m/min0.053-7b）1001507l/mm图9-3液压缸在各工作阶段的负载图和速度图a)负载图b)速度图8讲授内容作业与补充9.2.3液压缸主要参数的确定由基本技术分析可知，动力滑台要求快进、快退速度相等，选用液压缸为单杆活塞式，并在快进时作差动连接。这种情况下液压缸无杆腔工作面积A1取为有杆腔工作面积A2的两倍，即活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为：d≈0.707D。由表４-1和４-2可知，组合机床液压系统的最大负载约为35ｋN时，初取液压缸的进油工作压力ｐ1=4MPa。在钻孔加工时，液压缸回油路上设有背压ｐ2，以防孔被钻通时滑台突然前冲，初取ｐ2=0.8MPa，快进时液压缸虽作差动连接，但由于油管中有压降Δp存在，有杆腔的压力必须大于无杆腔的压力，估算时可取Δp≈0.5MPa。快退时回油腔中是有背压的，这时，ｐ2亦可按0.5MPa估算。由工进时的推力F’可计算液压缸面积：F=F’ηm=(p1A1-p2A2)ηm=［p1A1-p2(A1/2)］ηm(9-3)式中F——液压缸的工作负载（N），见表9-1；ｐ1——液压缸进油工作压力（MPa）；ｐ2——液压缸出油工作压力（MPa）；A1——液压缸无杆腔横截面面积（mm），A1=πD2/4；A2——液压缸有杆腔横截面面积（mm），A2=π(D2-d2)/4；ηm——液压缸机械效率。由式(9-3)可得A1=F/［(p1-p2/2)ηm］=31449/［(4-0.8/2)×106×0.9］=0.0097m2=97cm2D=π/41A=11.12cmd=0.707D=7.86cm将计算的直径圆整成标准值，可得：D=11cm,d=8cm。由此求得液压缸两腔的实际有效面积为：A1=πD2/4=95.03cm2，A2=π(D2-d2)/4=44.77cm2。同时，活塞杆的强度和稳定性要符合要求。根据上述D与d的值，可估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，见表9-2所示。9讲授内容作业与补充表9-2液压