1、第九章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,主講 陳本德,感謝同學(xué)們的配合！祝你們進(jìn)步！,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要還是經(jīng)驗(yàn)法，即使使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也是在專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下進(jìn)行的。 因而就其設(shè)計(jì)步驟而言，往往隨設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不同而各有差異，但是，從總體上看，其基本內(nèi)容是一致的，具體為：,基本步驟,l）明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析。2）擬定液壓系統(tǒng)原理圖。3）計(jì)算和選擇液壓元件。4）驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的性能。5）繪制工作圖，編制技術(shù)文件。,第一節(jié) 明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析,一、明確設(shè)計(jì)要求 1明確液壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求，例如，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方式(平動(dòng)還是轉(zhuǎn)動(dòng))、

2、行程和速度范圍等。2明確液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，例如，環(huán)境溫度、濕度、塵埃、通風(fēng)情況、是否易燃等。,二、工況分析 主要指對液壓執(zhí)行元件的工作情況的分析，目的是了解在工作過程中執(zhí)行元件的速度、負(fù)載變化的規(guī)律，并將此規(guī)律用曲線表示出來，作為擬定液壓系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)主要參數(shù)（壓力和流量）的依據(jù)。 如果液壓執(zhí)行元件動(dòng)作比較簡單，也可不作圖，只需找出最大負(fù)載和最大速度。,1、運(yùn)動(dòng)分析 按設(shè)備的工藝要求，把所研究的執(zhí)行元件在完成一個(gè)工作循環(huán)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用圖表示出來，即作速度圖。 2、負(fù)載分析 確定設(shè)備在運(yùn)行各個(gè)過程中可能遇到的各種負(fù)載和大小。做出負(fù)載圖。 包括工作負(fù)載、摩擦負(fù)載、慣性負(fù)載等。,第二節(jié) 擬定液壓

3、系統(tǒng)的原理圖,液壓系統(tǒng)圖是整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)，它的好壞從根本上影響整個(gè)液壓系統(tǒng)。擬定液壓系統(tǒng)原理圖所需的知識面較廣，要綜合應(yīng)用前面的各章內(nèi)容，一般的方法是：先根據(jù)具體的動(dòng)作性能要求選擇液壓基本回路，然后將基本回路加上必要的連接措施有機(jī)地組合成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)，擬定液壓系統(tǒng)圖時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題：,一、 所用液壓執(zhí)行元件的類型 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸？往復(fù)擺動(dòng)的液壓缸？連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)？ 二、 液壓回路的選擇 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和工況圖從眾多的成熟方案中選擇，既能保證各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)要求的實(shí)現(xiàn)，也要考慮符合節(jié)省能源、減少發(fā)熱、減少?zèng)_擊等原則。 1、首先確定對主機(jī)主要性能起決定性

4、作用的回路。,例如：機(jī)床液壓系統(tǒng)、調(diào)速和速度換接是主要回路。 2 然后再考慮其它輔助回路。 對有垂直運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路；有快速運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)要考慮緩沖和制動(dòng)回路；有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動(dòng)作、同步或互不干擾回路；有空運(yùn)轉(zhuǎn)要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等等。 3 同時(shí)也要考慮節(jié)省能源，減少發(fā)熱，減少?zèng)_擊，保證動(dòng)作精度等問題。 挑選回路有多種選擇時(shí)，應(yīng)平行展開，反復(fù)對比，不要輕易做出取舍決定。參考同類型液壓系統(tǒng)中成熟的回路。,三、液壓回路的綜合 液壓回路的綜合是把選出來的各種液壓回路放在一起，進(jìn)行歸并、整理、再增加一些必要的元件或輔助油路，使之成為完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)還必須

5、注意以下幾點(diǎn)：,（1）盡可能省去不必要的元件，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（2）最終綜合出來的液壓系統(tǒng)應(yīng)保證其工作循環(huán)中的每個(gè)動(dòng)作都安全可靠，無相互干擾。 （3）盡可能提高系統(tǒng)的效率，防止系統(tǒng)過熱。（4）盡可能使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理，便于維修檢測。（5）盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)元件，減少自行設(shè)計(jì)的專用件。,第三節(jié) 液壓元件的計(jì)算和選擇,所謂液壓元件的計(jì)算，是要計(jì)算該元件在工作中承受的壓力和通過的流量，以便確定元件的規(guī)格和型號。 一、液壓泵的選擇 先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定液壓泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最高供油壓力和最大供油量來選擇液壓泵的規(guī)格。,1.確定液壓泵的最高工作壓力pP 液壓泵的最高工作壓力系統(tǒng)正常工作時(shí)泵所能提

6、供的最高壓力。 液壓泵的最高工作壓力pP必須大于液壓執(zhí)行元件最大工作壓力p1和進(jìn)油路上總壓力損失p1之和。 pP p1 p1 執(zhí)行元件的最大工作壓力可由負(fù)載圖中查到。進(jìn)油路上的總壓力損失可按經(jīng)驗(yàn)資料選?。?節(jié)流調(diào)速及簡單系統(tǒng)取p10.20.5MPa，對于進(jìn)油路上有調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)取p10.51.5MPa。,2、確定液壓泵的最大供油量qp 液壓泵的最大供油量不得小于幾個(gè)同時(shí)工作的液壓執(zhí)行元件總流量的最大值，以及回路中泄漏量之和。 qPKqmax K考慮系統(tǒng)泄漏等因素的修正系數(shù)，K=1.11.3,小流量取大值，大流量取小值。,若系統(tǒng)中采用了蓄能器輔助供油，泵的流量按一個(gè)工作循環(huán)中的平均流量來

7、選取，,T工作循環(huán)的周期時(shí)間； qi工作循環(huán)中第i個(gè)階段所需的流量； ti第i階段持續(xù)的時(shí)間； n循環(huán)中的階段數(shù)。,3.確定泵的規(guī)格 泵的額定壓力應(yīng)比pP高2560，泵的額定流量應(yīng)與qP相當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。,確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率 當(dāng)系統(tǒng)采用定量泵時(shí)，工況不同其驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算方法不同 1）在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較小時(shí)，為：,2）當(dāng)在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較大，且在功率循環(huán)圖中最高功率所持續(xù)的時(shí)間很短時(shí)，則有平均功率：,求出平均功率后，還要驗(yàn)算每一個(gè)階段電動(dòng)機(jī)的超載量是否在允許的范圍內(nèi)，一般電動(dòng)即允許短期超載量為25。如果在允許超載范圍內(nèi)，即可根據(jù)平均功

8、率與泵的轉(zhuǎn)速n選取電動(dòng)機(jī)。,對于限壓式變量系統(tǒng)，先求出快速和慢速所需驅(qū)動(dòng)功率，取兩者中最大值選擇電動(dòng)機(jī)。,為使限壓式變量泵在快速與慢速轉(zhuǎn)換中經(jīng)過拐點(diǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)不至于停轉(zhuǎn)，應(yīng)驗(yàn)算：,二、閥類元件的選擇閥類元件的選擇是根據(jù)閥的最大工作壓力和流經(jīng)閥的最大流量來選擇控制閥的規(guī)格。即所選用的閥類元件的額定壓力和額定流量要大于系統(tǒng)的最高工作壓力及實(shí)際通過閥的最大流量。,三、 液壓輔助元件的選擇油箱、過濾器、蓄能器、油管、管接頭、冷卻器等液壓輔助元件可按第五章的有關(guān)原則選取。,第四節(jié) 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算,一、液壓系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算 液壓系統(tǒng)壓力損失發(fā)生在多處，需驗(yàn)算一下管路系統(tǒng)的總壓力損失。,1.當(dāng)執(zhí)行元件為

9、液壓缸時(shí),cm液壓缸的機(jī)械效率,2.當(dāng)執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)時(shí),二、液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算液壓系統(tǒng)在工作時(shí)由于存在著各種各樣的機(jī)械損失、壓力損失和流量損失，這些損失大都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使系統(tǒng)發(fā)熱，油溫升高，導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏增加，運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作失靈等不良后果。,1.系統(tǒng)發(fā)熱量的計(jì)算 在單位時(shí)間內(nèi)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：,若工作循環(huán)中泵所輸出的功率不一樣，則可有平均發(fā)熱量，為：,2.系統(tǒng)散熱量的計(jì)算 在單位時(shí)間內(nèi)油箱的散熱量為：,h 為散熱系數(shù),單位： kW/（m2 ）。 當(dāng)通風(fēng)較差，h =（89）103kW/（m2 ）； 當(dāng)自然通風(fēng)良好時(shí)， h=15103 kW/（m2 ）； 當(dāng)風(fēng)扇冷卻時(shí)， h=23103kW

10、/（m2 ） 當(dāng)采用循環(huán)水冷卻時(shí)， h=（110 170）103 kW/（m2 ）,3.系統(tǒng)熱平衡時(shí)有：H=H0，即,當(dāng)油箱的三個(gè)邊長之比為1 : 1 : 1到1: 2:3范圍內(nèi)，且油位是油箱高度的0.8時(shí)，其散熱面積可近似計(jì)算為,式中，V油箱有效容積（L）； A散熱面積（m2),第五節(jié) 繪制工作圖和編制技術(shù)文件,一、繪制工作圖（1）液壓系統(tǒng)原理圖 圖上除畫出整個(gè)系統(tǒng)的回路外，還應(yīng)注明各元件的規(guī)格、型號、壓力調(diào)整值，并給出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖，列出電磁鐵及壓力繼電器的動(dòng)作順序表。 （2）集成油路裝配圖 若選用油路板，應(yīng)將各元件畫在油路板上，便于裝配；若采用集成塊或疊加閥時(shí)，因有通用件，設(shè)計(jì)者

11、只需選用，最后將選用的產(chǎn)品組合起來給制成裝配圖。,（3）泵站裝配圖 將集成油路裝置、泵、電動(dòng)機(jī)與油箱組合在一起畫成裝配圖，表明它們各自之間的相互位置、安裝尺寸及總體外形。 （4）畫出非標(biāo)準(zhǔn)專用件的裝配圖及零件圖。 （5）管路裝配圖 表示出油管的走向，注明管道的直徑及長度，各種管接頭的規(guī)格、管夾的安裝位置和裝配技術(shù)要求等。 （6）電氣線路圖 表示出電動(dòng)機(jī)的控制線路，電磁閥的控制線路、壓力繼電器和行程開關(guān)等。,二、編寫技術(shù)文件技術(shù)文件一般包括 1)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 2)液壓系統(tǒng)的使用及維護(hù)技術(shù)說明書 3)零部件目錄表 4)標(biāo)準(zhǔn)件通用件及外購件總表,第六節(jié)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例,教材P200，9

12、1設(shè)計(jì)臥式單面多軸鉆孔組合機(jī)床動(dòng)力滑臺的液壓系統(tǒng)，動(dòng)力滑臺的工作循環(huán)是：快進(jìn)工進(jìn)快退停止。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)與性能要求如下：軸向切削力為21000N，移動(dòng)部件總重力為10000N，快進(jìn)行程為100mm，快進(jìn)與快退速度均為4.2m/min，工進(jìn)行程為20mm，工進(jìn)速度為0.05m/min，加速、減速時(shí)間為0.2s，利用平導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)力滑臺可以隨時(shí)在中途停止運(yùn)動(dòng)，試設(shè)計(jì)該組合機(jī)床的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。,解：一、負(fù)載分析 1.切削力為Fr21000N； 2.摩擦阻力 靜摩擦力為Fj0.2100002000N； 動(dòng)摩擦力為Fd0.1100001000N； 3.慣性阻力,4

13、.液壓缸負(fù)載計(jì)算,式中，液壓缸的機(jī)械效率m 設(shè)為m0.9,二、繪制負(fù)載圖和速度圖,已知工進(jìn)速度v工0.05m/min， 快進(jìn)快退速度均為v快4.2m/min， 求快進(jìn)、工進(jìn)、快退過程時(shí)間 快進(jìn)： 工進(jìn)： 快退：,負(fù)載圖和速度圖,三、初步確定液壓缸參數(shù),1.初選液壓缸工作壓力 查教材P187表91、表92，初選液壓缸工作壓力p1=4MPa。 2.計(jì)算液壓缸幾何參數(shù) 由于機(jī)床要求快進(jìn)與快退的速度相等，所以選用A1=2A2差動(dòng)液壓缸，D=2 d。 鉆孔加工中，為防止鉆透時(shí)發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)有背壓，取p2=0.6MPa。,假定快進(jìn)、快退時(shí)回油壓力損失p2=0.6MPa。 由工進(jìn)工況計(jì)算液壓缸

14、無桿腔面積A1： 而 所以 液壓缸內(nèi)徑,取標(biāo)準(zhǔn)直徑：D110mm。液壓缸活塞桿直徑： 取標(biāo)準(zhǔn)直徑d80mm 則液壓缸有效面積：,3.計(jì)算液壓缸在工作循環(huán)中各階段的實(shí)際壓力、流量和功率,4.繪制液壓缸工況圖,四、擬定液壓系統(tǒng)圖,（一）液壓回路 1.確定調(diào)速方式。 由工況圖得，該液壓系統(tǒng)功率較小，工作負(fù)載變化小，故可選用節(jié)流調(diào)速方式； 由于鉆孔工序切削力變化而且是正負(fù)載（切削力為推力），故采用進(jìn)口節(jié)流調(diào)速為好。 為防止工件鉆透時(shí)，工作負(fù)載突然消失而引起前沖現(xiàn)象，在回油路上加背壓閥。,2.選擇液壓泵 由工況圖可見，系統(tǒng)工作循環(huán)主要由低壓大流量和高壓小流量兩個(gè)階段組成，而且是順序進(jìn)行，最大流量與最小流

15、量之比,其相應(yīng)的時(shí)間之比為,從提高系統(tǒng)效率考慮，選用限壓式變量葉片泵或雙聯(lián)葉片泵較適宜。,選定雙聯(lián)葉片泵。,3.選擇基本回路 快速運(yùn)動(dòng)回路與速度換接回路采用液壓缸差動(dòng)連接的方式，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)并使快進(jìn)和快退速度相等。,由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)時(shí)，系統(tǒng)流量變化較大，故宜選用行程閥以減小液壓沖擊。,由工進(jìn)轉(zhuǎn)快退時(shí)，回路通過的流量很大，為了保證換向平穩(wěn)，宜選用電液動(dòng)換向閥的換接回路。由于液壓缸形成差動(dòng)連接，工進(jìn)時(shí)回油又需有背壓，換向閥一般采用三位五通。,（二）組成液壓系統(tǒng),把所選出的各種基本回路組畫在一起，,修改前的回路,修改后路的回路,檢查組合成的液壓回路，發(fā)現(xiàn)存在一些問題： 1）為了解決滑臺工進(jìn)時(shí)圖中進(jìn)油路、回油

16、路相互接通，無法建立壓力的問題，必須在液動(dòng)換向回路中串聯(lián)一個(gè)單向閥a，將工進(jìn)時(shí)的進(jìn)油路和回油路隔斷。,2）為了解決滑臺快速前進(jìn)時(shí)回油路接通油箱，無法實(shí)現(xiàn)液壓缸差動(dòng)連接的問題，必須在回油路上串接一個(gè)液控順序閥b，以阻止油液在快進(jìn)階段返回油箱。,3）為了解決機(jī)床停止工作時(shí)系統(tǒng)中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)，影響滑臺運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問題，另外考慮到電液換向閥的啟動(dòng)問題，必須在電液換向閥的出口處增設(shè)一個(gè)單向閥c。,4）為了便于系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出快速退回信號，在調(diào)速閥輸出端需增設(shè)一個(gè)壓力繼電器d。,5）如果將順序閥b和背壓閥的位置對調(diào)，就可以將順序閥與油源處的卸荷閥合并。,最終得到較合理的完整的液壓系統(tǒng)回路。

17、,五、選擇液壓元件,1.確定液壓泵規(guī)格和電機(jī)功率 1）確定液壓泵工作壓力。 已確定了液壓缸最大工作壓力為2.9MPa。在調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中，工進(jìn)時(shí)進(jìn)油管路較為復(fù)雜，壓力損失較大，取進(jìn)油路上的壓力損失1MPa，則小流量泵的最高工作壓力應(yīng)為：pP1=4MPa。 大流量泵只在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)向液壓缸輸油，由工況圖可知，液壓缸快退時(shí)的工作壓力比快進(jìn)時(shí)大，考慮快退時(shí)進(jìn)油路比較簡單，取其壓力損失為0.4MPa，則大流量泵的最高工作壓力應(yīng)為：pP2=2.14MPa。,2）確定液壓泵的流量 由工況圖知，油源向液壓缸輸入的最大流量在快進(jìn)時(shí)最多，其值為21L/min，最小值在工進(jìn)時(shí)，為0.48L/min。若取系統(tǒng)

18、泄漏折算系數(shù)K=1.3，則液壓泵最大流量應(yīng)為,應(yīng)為溢流閥最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進(jìn)時(shí)流量為0.48L/min，所以小流量泵的流量最小應(yīng)為4L/min。,3）確定液壓泵規(guī)格 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，查閱產(chǎn)品樣本目錄選用相近規(guī)格的雙聯(lián)液壓泵（一般選用雙聯(lián)葉片泵）。如：YB1-30/5B 4）確定液壓泵電機(jī)功率 由工況圖中知，液壓缸的最大輸出功率出現(xiàn)在快退工況下，其值為0.54kW,此時(shí)泵組的壓力為2.14MPa，流量為qP = q1 +q2 = 30+5=35L/min。,?。罕玫目傂蔖 =0.7，則電機(jī)功率應(yīng)為,選擇功率為2.2kW的電機(jī)。,2、選擇其他液壓元件：,1）根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流過閥的流量選擇各類液壓元件。 型號和參數(shù)列于表中。,2）確定油管尺寸 選擇無縫鋼管或銅管，與液壓缸連接處可采用金屬軟管。 由有關(guān)公式計(jì)算管道內(nèi)徑和壁厚（略） 由所選液壓元件的接口尺寸最終確定管子內(nèi)徑和壁厚。 根據(jù)所選管子種類和液壓元件接口型式確定所需的管接頭（若選無縫鋼管，則可用卡套式管接頭；若選用銅管，則可用擴(kuò)口式管接頭）。,3.確定油箱容積 按經(jīng)驗(yàn)公式：V=(57)qP，選取油箱