第9章液气压系统设计与计算

北京科技大学第九章液气压系统设计与计算一、液压系统设计步骤1、全面了解被控对象，明确工艺设计要求。2、对执行元件的工作负载进行工矿分析3、确定执行元件的主要参数确定系统的流量和压力。4、拟定具体的控制方案和基本回路。9.1液气压系统的设计9.1.1液压系统的设计步骤与设计依据北京科技大学5、各元件的选择1）液压泵站的设计与计算。2）液压系统控制阀的选择3）辅助元件的选择6、管道的计算与选择7、绘制液压系统正式原理图8、绘制液压系统总装图，另部件图，配管图。9、编制技术文件。北京科技大学二、全面了解被控对象，明确工艺设计要求1、对设备的总体结构了解。设备的功能，总体布局，设备操作过程，液压部件的运动方式，空间布置，安装形式，外形尺寸限制，工作条件等。2、了解液压部件的动作要求。对一个泵站多缸(或马达)的系统要弄清各液压部件之间的工作循环程序，相互配合要求以及自动化程度和联锁要求等。北京科技大学3、明确液压系统的性能要求及所需的工艺参数(1)被控对象的物理量，如位置，速度，加速度，力。(2)静态极限，最大行程，最大速度，最大力或力矩等。(3)要求的控制精度，如位置精度，定位精度，速度精度，力或力矩精度等。(4)动态特性：稳定性，响应的快速性等。北京科技大学4、工作环境：主机的工作温度，冷却或工作介质，振动与冲击，噪声等耐高温，防水，防腐蚀，防振等要求。5、特殊要求：工作可靠性，安全保护及制造成本等其它要求。北京科技大学9.1.2执行元件的工矿分析负载分类：工作负载FW导轨摩擦负载Ff惯性负载Fi重力负载Fg密封负载Fs背压负载Fb在分析基础上列出在循环周期中的执行元件速度负载列表或循环图。北京科技大学1、启动阶段：密封、重力2、加速阶段：缸动摩擦、惯性力、重力3、快速阶段：缸动摩擦、重力4、工进阶段：缸动摩擦、工作负载、重力5、制动阶段：缸动摩擦、工作负载、重力、惯性力()/sgcmFFF()/kigcmFFFF()/kgcmFFF()/kwgcmFFFF()/kwigcmFFFFF北京科技大学一、液压系统的压力和流量计算1、执行机构的选择执行机构主要指油缸和马达2、预选系统压力根据设备类型和元件供应情况，质量状态并考虑其经济性，预选系统压力。液压系统压力一般可参考下表预选。9.2执行元件的主要参数确定北京科技大学主机类型系统压力(Mｐａ)机床0.8-6.3农机，工程机械10-16重型机械20-32比例，伺服系统20-32气压系统压力一般为0.5Mpa。3、计算缸工作面积A或马达排量V北京科技大学4、计算各执行机构的耗油量5、绘制各执行机构流量－时间循环图压力－时间循环图功率－时间循环图北京科技大学1、选择液压系统的循环方式。(1)开式这种方式适应性强，简单，散热好。但效率低，泵站体积大。一般冶金行业选用。(2)闭式这种方式换向速度高，平稳，泵站体积小，效率高。但散热差，泄漏大，冷却过滤需设单独系统处理。一般在行走机构上使用。二、拟定控制方案及基本回路北京科技大学(1)普通液压系统用于控制精度，动态特性要求不高的场合。优点：对油的过滤要求不高，可靠，成本低，维修方便简单。大多数的机构选用。(2)比例系统用于有一定精度要求，频宽要求不高的场合。优点：对油的过滤要求,维修,成本介于伺服和普通系统之间。2、控制方案选择北京科技大学(3)伺服系统用于控制精度要求高，频宽要求高的场合。优点：能获得很高的控制精度和很快的响应速度。缺点：对油的过滤要求高，维修要求高，成本高。北京科技大学液压回路是组成系统的骨架，它们配上泵源及其它辅助回路组成一个完整的液压系统。选择原则：根据执行机构的工作特性和工况从各种成熟的回路中选择，选择工作首先从对主机主要性能起决定影响的回路开始。例如：机床系统一般从选调速回路开始；压力机系统则从调压回路开始等等。3、液压回路的选择北京科技大学三种基本回路：流量，压力及方向等基本回路。a.换向回路a)换向阀的机能应根据执行机构工艺特点选择。b)电磁阀和电液阀，比例方向阀和伺服方向阀的通径是根据流量来选择。注意：电液换向阀的控制油压应大于0.3Ｍｐａ．c)换向阀的控制方式（手动，电控，机控，比例，伺服等）根据操作，自动化程度及相应的工况选择。(1)基本回路的选择北京科技大学调速精度，调速范围，速度受负载影响的大小，能否自动调速等a)节流调速回路一般当速度－负载特性要求不高时选用这种回路。由节流阀，进口节流调速、出口调速、旁路节流调速。出口节流回油有背压，所以系统稳定性好些。这种回路简单经济，但系统发热大，效率低。b.调速回路北京科技大学b)容积调速这种回路是靠改变变量泵或变量马达的排量来调节速度的。适用于负载功率大，运动速度高的场合。回路的主要优点是无溢流损失也无节流损失，效率高，发热少。但泵和马达的构造较复杂，成本高。c)比例调速回路这种回路主要采用比例流量阀，比例方向阀或复合阀，使系统流量按比例地跟随控制信号而变化。用于控制精度和动特性要求较高的场合，回路较伺服回路成本低。北京科技大学这种回路的功能在于调定或限制液压源的最高工作压力。a)溢流阀调压回路适用于节流调速定量泵供油系统。c.调压回路d)伺服回路主要采用伺服阀连续地控制系统流量变化。用于控制精度和动态特性要求高的场合。这种回路成本高，维护困难。北京科技大学b)减压阀调压回路多用于共用一个泵源而需要两种以上的不同工作压力，但注意减压阀进口压力不能低于出口压力，且回路中若采用节流调速时，节流阀应装在减压阀的出口或回油路上。这种回路调压简单，但减压口有泄漏，易发热。有功率损失。北京科技大学c)增压回路d)安全保护压力回路为了防止液压机构的冲击负载，回路上应加设安全溢流阀，起溢流保护作用。这种回路可用安全阀，压力继电器，电接点压力表及其它控制仪表控制。北京科技大学利用基本回路组合液压系统时注意以下几点：a)避免回路之间相互干扰当一个泵组驱动多个液压机构工作时，由于负载不同会使执行元件先后动作，出现速度和压力干扰。当出现速度干扰时，在对速度精度要求不高的场合，可在油路串联节流阀，调速阀。当出现压力干扰时，可采用单向阀使其与其它动作油路隔开。(2)回路组合北京科技大学三、各个元件的选择泵、阀、辅助元件、管路等b)力求系统简单可靠，避免出现多余回路，减少事故。力求油路安全可靠，一般系统都要设高低压保护。1、液压泵站的设计与计算1)液压泵站的结构形式液压泵站的结构形式一般可分为两种：(1)直传式北京科技大学2)液压泵的计算与确定（流量，压力）(1)泵流量确定(a)直传式直接由泵供给执行机构所需的压力油，通常单机设备采用这种形式。(2)泵－蓄能器形式由泵和蓄能器共同向执行机构供油，一般多用于执行机构较多的系统，尤其是在耗油量较大且又极不均衡的系统。北京科技大学泵流量确定Ｑ≥Ｋ（∑Ｑｍａｘ）ｌ／ｍｉｎ∑Ｑｍａｘ－同时工作的液压机构的最大总流量。Ｋ－系统的泄漏系数。Ｋ＝1.1-1.3(b)泵－蓄能器形式泵流量是按平均流量选择Ｑｍ≥Ｋ（∑Ｖi／Ｔ）ｌ／ｍｉｎ∑Ｖi－在工作周期中各执行机构耗油量总和。对于油缸SＶi＝ＡｉＬｉｘ10北京科技大学Ａｉ－油缸工作〔或返程〕腔的有效面积〔ｃｍ〕Ｌ－油缸行程。ｃｍＴ－机组工作周期时间。〔ｓｅｃ〕Ｋ－泄漏系数。Ｋ＝1.1-1.3ｉ－执行机构序号。或Ｑｍ＝（Ｑｍａｘ－Ｑｍｉｎ）／２Ｑｍａｘ-在工作周期中执行机构最大耗油量。Ｑｍｉｎ-在工作周期中执行机构最小耗油量。北京科技大学根据执行机构的工作压力状况选择。a.工作压力差异较小时共用一种压力Ｐ≥Ｐｉｍａｘ＋∑ΔＰＰｉｍａｘ－执行机构中最大工作压力；∑ΔＰ－系统总压力损失；b.工作压力相差较大时，可考虑选不同压力等级。Ｐ1≥Ｐｉｍａｘ＋∑ΔＰＰ2≥Ｐｉｍ＋∑ΔＰＰｉｍ－执行机构中较低的工作压力(2)泵工作压力确定北京科技大学a.根据系统压力级数选择单泵或多泵单级压力一般选单泵多级压力一般选多泵或多联泵。b.根据流量选择泵数目最大和最小差别大两个泵c.泵额定压力选择应比计算的最大压力高，使其具有一定压力储备，以便适应系统中动态压力。(3)泵的数目及规格的确定北京科技大学d.泵的变量形式选择a)根据系统性能和工况选择合适的变量形式，如为了使系统压力稳定，可选恒压变量泵。b)考虑经济性，尽可能在满足系统性能的条件下，选择合适的泵，以节约能源。(4)液压泵的驱动电机功率a.在工作循环中，泵的压力和流量比较恒定时，电机的功率为：Ｎ≥ＱｍａｘＰｍａｘ／612ηｋｗＱｍａｘ－泵的最大流量ｌ／ｍｉｎ北京科技大学b.工作循环中，压力和流量有明显变化时，泵的功率有两种计算方法：a)平均值Nｍ＝ｋｗ式中:N1,N2---每一个工作循环中各阶段所需功率ｔ1,ｔ2－每一个工作循环中各阶段的时间b)最大功率值在一个工作循环中最大功率。NNNtttii1212....../......Ｐｍａｘ－泵的最大工作压力η－泵的总效率北京科技大学如果在一个工作循环中，系统需要的瞬时流量差别很大，则在系统中设置蓄能器，油泵按所需的平均流量选择；而超出平均流量部分，则由蓄能器作为辅助油源供给。(系统尖峰流量可由时间/流量循环图中求出)蓄能器的压力确定(1)最低工作压力Ｐ1＝Ｐｉｍａｘ＋∑ΔＰｍａｘＰｉｍａｘ－执行机构的最大工作压力。Ｐｍａｘ－蓄能器到最远执行机构的压力损失之和。2、蓄能器参数的确定及验算北京科技大学(2)最高压力Ｐ2考虑到蓄能器寿命，又能适当增加有效排油量，系统压力不至于过高，且系统压力相对稳定。Ｐ1＝(0.8-0.85)Ｐ2Ｐ1、Ｐ2相差一般在1.0MPa左右。(3)充气压力a.从使蓄能器容积最小而储能量最大的角度出发考虑在等温过程工作时：Ｐo＝0.52Ｐ2在绝热过程工作时：Ｐo＝0.472Ｐ2北京科技大学b.对于胶囊型蓄能器从保护角度出发希望系统在最大工作压力下胶囊仍末膨胀得与壳体内壁完全接触，而在最高压力时，胶囊收缩的体积不小于充气压力下的原始体积。Ｐ0＝(0.25-0.9)Ｐ2（参考设计手册）一般Ｐ0=(0.7-0.9)Ｐ22)蓄能器有效工作容积确定北京科技大学(1)作为辅助动力油源的蓄能器ΔＶ＝∑Ｖiｋ－∑Ｑmｔ∑Ｖi－系统中各机构耗油量之和ｋ－系统泄漏系数，一般取ｋ＝1.2∑Ｑm－泵总供油量ｌ／ｓｔ－最大耗油量时泵的工作时间〔ｓ〕(2)作应急动力源〔事故停电时仍要求操作〕的蓄能器ΔＶ＝ｋ∑Ｖi∑Ｖi－事故操作的各液压执行机构耗油量之总和。北京科技大学3)蓄能器有效工作容积验算(1)有效容积计算(2)有效容积验算a)确定泵－蓄能器工作制度以满足生产需要为主，配制泵和蓄能器的工作制度。b)验算在整个工作周期内，如果蓄能器的有效工作容积DＶ能满足DＶｎ的要求，则所选用的蓄能器便是合适的，否则应按实际差额进行修改。北京科技大学各控制阀的规格型号应根据系统所需的最高压力和通过该阀的最大流量选取。1)压力选择阀的额定工作压力应大于系统的最大工作压力。压力阀还应考虑工作性能的参数应满足工作要求，如溢流阀的调压范围，减压阀的调压精度，单向阀的开启压力等须符合系统要求。方向阀还应考虑滑阀机能，使之满足回路要求。3、阀类元件的选择北京科技大学阀的额定流量应大于通过该阀的实际流量，特殊情况须超过该阀的额定流量时，最好不要超过其额定流量的20％，以免压力损失过大，引起发热和噪声，影响使用性能。流量阀还应考虑最小稳定流量应小于调速范围所需的最小稳定流量。2)流量选择北京科技大学确定安装方式根据工况选择布局：集中式或分散式。原则：占地面积小，操作方便，易维修〔易接近，易检查〕互换性好，标准化，安全，美观大方。阀的安装形式:(1)板式:常用于集中式的阀块，阀台，阀板上。(2)叠加式:多用于集中式的小流量系统，如机床行业等。(3)管式:多用于分散式场合。3)安装固定方式北京科技大学1)油箱油箱的用途主要是储油和散热，也就是油箱的容量选择必须满足两个要求：1.设备停止运转时，所有油返回油箱，不致于溢出来。2.能散发或能与冷却器共同散发系统产生的热量。4、辅助元件的选择北京科技大学(2)