液压系统设计计算.ppt

第十一章 液压系统的设计和计算,任何液压系统的设计，除了应满足主机在动作和性能方面规定的种种要求外，还必须符合质量和体积小、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维护方便等一些公认的普遍设计原则。,重点难点,教学要求,本章目录,教学要求,掌握液压系统设计方法 熟悉液压系统的设计步骤，液压装置的结构设计 熟悉液压传动系统的设计。,重点难点,熟悉液压传动系统的设计,本章目录,第二节 液压传动系统的设计,第一节 概述,第三节 液压系统设计计算举例,液压系统有液压传动系统和液压控制系统之分,一般所说液压系统的设计则是泛指液压传动系统。从结构组成或工作原理上看，这两类系统并无本质上的差别，仅仅一类以传递动力为主，追求传动特性的完善；另一类以实施控制为主，追求控制特性的完善而已。 设计液压系统 的出发点，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可靠性。前者着眼于安全，实际的设计工作则常常是这两种观点不同程度的组合。 设计步骤不尽相同，但每步相互关联，彼此影响，常需穿插进行，交叉展开。,第一节 概述,1、这个步骤的具体内容是： 1）主机对液压系统要求（主机的用途、主要结构、总体布局；）主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸以及质量上的限制。 2）主机的工艺流程或工作循环；液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围。 3）液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。 4）主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求，各动作的同步要求及同步精度。 5）对液压系统工作性能（如平稳性、转换精度等）、工作效率、调速、平稳性、温升、自动化程度等方面的要求。 6）液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、温度、湿度、尘埃，外界冲击等 7）其他方面的要求，如液压装置在外观、色彩、经济性等方面的规定或限制。,明确系统设计要求,第二节 液压传动系统的设计,1.系统原理图 2.元件明细表 3.系统计算书,4.非标准件结构设计 1 ）油缸参数设计 2）阀板设计 3）油箱及泵装置设计,设计任务,1、明确要求工况分析 2、选择方案确定参数 3、拟定草图选择元件 4、系统验算元件参数调节 5、结构设计编写技术文件,设计步骤：,2、分析系统工况，确定主要参数 （一）工况分析 执行元件负载分析与运动分析 1）运动行程工况要求 2）负载分析：工作负载、惯性负载、摩擦负载和背压负载等 3）运动（速度）分析：运动速度（快）、工进速度、速度差 4）分析法面：工况图,1、选择方案： 根据系统对动作的要求及负载的性质（输出力或转矩），确定执行元件种类及工作形式，从而确定执行元件的工作状态，为参数确定提供依据。,选择方案确定参数,2、确定参数： 系统参数主要是压力和流量，这是系统计算、元件选择、系统验算的依据。而无论哪种参数均以保证执行元件输出工况需要为前提的，因此，参数确定主要是执行元件的参数确定。,1）系统的压力： P缸可用初步选取的方法；可参考同类设备选取，也可根据系统最大负载选取。 2）缸的直径： 由结构分析确定缸工作腔和缸的形式。按选取的压力可以确定缸直径： 例：无杆腔工作，以传力为主时 以运动为主时要考虑D的选取情况 但d、D确定后要圆整为整数。,3）马达排量： 4）缸（马达）流量： 缸：qxA vmin qxAvmax 马达：qxV nmin qxVnmax,1、选择回路： 根据动作（速度或压力）要求及其他各项要求，选择液压基本回路。 2、拟定草图： 将上述回路合并拟合后形成系统图，在拟合时注意：减少元件重复，防止干扰，分析性能，保证效率，发热少,拟定系统草图，选择基本回路,1、液压泵选择： 泵类型按工况要求及经济性选择,动力源计算 选择元件,2、阀选择 按阀实际承载的压力和实际通过的流量来选择阀的规格；按阀的动作要求和性能要求选择阀的种类。 3、油箱容量确定 按泵每分钟流量选择油箱容量： 一般Vq泵a a:低压系统24 中压系统57 高压系统612,4、油管及管接头： 油管按内径和壁厚选择： v：吸油 0.51.5m/s 压油 1.5 5m/s 回油 1.52.5m/s 管型按承压情况选择 接头按管型选择,1、压力损失验算 验算后确定泵规格是否合适，然后确定各压力阀调整压力。,系统验算：,2、系统发热验算： 按系统散热计算发热是 Hi =Pi -PO =Pi (1-) 按油箱面积计算油箱散热是H0 H0=KA0t(k为散热系数） 验算：H0Hi合适 H0<Hi重新设计,例：设计一台卧式单面钻镗两用组合机床，其工作循环是“快进工进快退原位停止”；工作时最大轴向力为30kN，运动部件重为19.6kN；快进、快退速度为6m/min，工进速度为0.020.12m/min；最大行程400mm，其中工进行程200mm；启动换向时间t=0.2s；采用平导轨，其摩擦系数f=0.1。,第三节 液压系统设计计算实例,1、工况分析,1）负载分析 由工作负载Fw =30kN，重力负载FG=0，按启动换向时间和运动部件重量（Ft=m(v2-v1)）计算得到惯性负载Fa=1000N，摩擦阻力Ff=1960N。 取液压缸机械效率m =0.9，则液压缸工作阶段的负载值见表。 2）速度分析 由快进、快退速度为6m/min，工进速度范围为20120mm/min，按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图（略）。,表：液压缸在各工作阶段的负载值 工作循环 计算公式 负载f（N） 启动加速 F=(Ff+Fa)/ m 3289 快 进 F= Ff/ m 2178 工 进 F=(Ff+ Fw)/ m 35511 快 退 F=Ff/ m 2178,3、确定参数,1）初选液压缸的工作压力 由最大负载值查表11-2/11-3，取液压缸工作压力为4MPa。 2）计算液压缸结构参数 为使液压缸快进与快退速度相等，选用单出杆活塞缸差动连接的方式实现快进，设液压缸两有效面积为A1和A2，且A1=2 A2，即d=0.707D。为防止钻通时发生前冲现象，液压缸回油腔背压p2取0.6MPa，而液压缸快退时背压取0.5MPa。 由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程p1 A1= p2 A2+F，可得：,A1=F/（p10.5p2）=35511/（41060.50.6106） 96（cm2） 液压缸内径D就为：D= = =11.06（cm） 对D圆整，取D=110mm。由d=0.707D，经圆整得 d=80mm。计算出液压缸的有效工作面积A1=95cm2， A2=44.77 cm2。 工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量 qmin=0.05L/min，设计要求最低工进速度 vmin=20mm/min，经验算可知满足式（11-1）要求。,3）计算液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和功率值 差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔压力，取两腔间回路及阀上的压力损失为0.5MPa，则p2= p1+0.5（MPa）。计算结果见表。 由表11-6即可画出液压缸的工况图（略）。,工作循环 计算公式 负载 回油背压 进油压力 输入流量 输入功率 F（KN） p2（MPa） p1（MPa） Q1(10-3 m3/s) P（kW） 快 启动加速 p1=F+A2(p2p1) 3289 1.10 A1 A2 q1=(A1 A2)v1 进 恒 速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012 工 进 A1 q1=A1 v1 35511 0.6 4.02 P= p1 q1 0.019 0.076 快 启动加速 p1= F+ A1p2 3289 1.79 A2 q1=A2 v1 0.5 退 恒 速 P= p1 q1 2178 1.55 0.448 0.69,表：液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率值,p2= p1+0.5,4、拟定液压系统图,1）选择基本回路 （1）调速回路：因为液压系统功率较小，且只有正值负载，所以选用进油节流调速回路。为有较好的低速平稳性和速度负载特性，可选用调速阀调速，并在液压缸回路上设置背压。 （2）泵供油回路：由于系统最大流量与最小流量比为156，且在整个工作循环过程中的绝大部分时间里泵在高压小流量状态下工作，为此应采用双联泵（或限压式变量泵），以节省能源提高效率。 （3）速度换接回路和快速回路：由于快进速度与工进速度相差很大，为了换接平稳，选用行程阀控制的换接回路。快速运动通过差动回路来实现。 （4）换向回路：为了换向平稳，选用电液换向阀。为便于实现液压缸中位停止和差动连接，采用三位五通阀。 （5）压力控制回路：系统在工作状态时高压小流量泵的工作压力由溢流阀调整，同时用外控顺序阀实现低压大流量泵卸荷。,2）回路合成 对选定的基本回路在合成时，有必要进行整理、修改和归并。具体方法为： （1）防止工作进给时液压缸进油路、回油路相通，需接入单向阀7。 （2）要实现差动快进，必须在回油路上设置液控顺序阀9，以阻止油液流回油箱。此阀通过位置调整后与低压大流量泵的卸荷阀合二为一。 （3）为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱，应增设单向阀。 （4）设置压力表开关及压力表。 合并后完整的液压系统如图所示。,液控顺序阀，阻止油液在快进阶段返回油箱,将工进时的进油路、回油路隔断,为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱，应增设单向阀,为了便于系统自动发出快退信号，在调速阀输出端增设YJ,5、液压元件的选择,1）液压泵及驱动电机功率的确定 （1）液压泵的工作压力 已知液压缸最大工作压力为4.02MPa，取进油路上压力损失为1MPa，则小流量泵最高工作压力为5.02MPa，选择泵的额定压力应为pn=5.02+5.0225%=6.27（MPa）。大流量泵在液压缸快退时工作压力较高，取液压缸快退时进油路上压力损失为0.4MPa，则大流量泵的最高工作压力为1.79+0.4=2.19（MPa），卸荷阀的调整压力应高于此值。,工作循环 计算公式 负载 回油背压 进油压力 输入流量 输入功率 F（KN） p2（MPa） p1（MPa） Q1(10-3 m3/s) P（kW） 快 启动加速 p1=F+A2(p2p1) 3289 1.10 A1 A2 q1=(A1 A2)v1 进 恒 速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012 工 进 A1 q1=A1 v1 35511 0.6 4.02 P= p1 q1 0.019 0.076 快 启动加速 p1= F+ A1p2 3289 1.79 A2 q1=A2 v1 0.5 退 恒 速 P= p1 q1 2178 1.55 0.448 0.69,表：液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率值,p2= p1+0.5,（2）液压泵流量 取系统的泄漏系数K=1.2，则泵的最小供油量为： qp =Kq1max =1.20.510-3 =0.610-3（m3/s） =36L/min 由于工进时所需要的最大流量是1.910-5 m3/s，溢流阀最小稳定流量为0.0510-3 m3/s，小流量泵最小流量为： qp1 =Kq1 +0.0510-3 =7.2510-5（m3/s） =4.4（L/min）,（3）确定液压泵规格 对照产品样本可选用YB140/6.3双联叶片泵，额定转速960r/min，容积效率v为0.9，大小泵的额定流量分别为34.56和5.43L/min，满足以上要求。 （4）确定液压泵驱动功率 液压泵在快退阶段功率最大，取液压缸进油路上压力损失为0.5MPa，则液压泵输出压力为2.05MPa。液压泵的总效率p=0.8，液压泵流量40L/min，则液压泵驱动调集所需的功率为： P=ppqp/p=2.051064010-3=1708（W） 据此选用Y112M6B5立式电动机，其额定功率为2.2KW，转速为940r/min，液压泵输出流量为33.84、5.33L/min，仍能满足系统要求。,2）元件、辅件选择 根据实际工作压力以及流量大小即可选择液压元、辅件（略）。油箱容积取液压泵流量的6倍，管道由元件连接尺寸确定。,6、系统油液温升验算,系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段，所以可按工作状态来计算温升。 小流量泵工作状态压力为5.02MPa，流量为5.33L/min，经计算其输入功率为557W。 大流量泵经外控顺序阀卸荷，其工作压力等于阀上的局部压力损失数值pv。阀额定流量为63L/min，额定压力损失为0.3MPa，大流量泵流量为33.84L/min，则： pv =0.3106 =0.1106（Pa） 大流量泵的输入功率经计算为70.5W。,液压缸的最小有效功率为 Po =FV=（30000+1960）0.02/60=10.7（W） 系统单位时间内的发热量为 Hi = PiPo =557+70.510.7=616.8（W） 当油箱的高、宽、长比例在1：1：1到1：2：3范围内，且油面高度为油箱高度的80%时，油箱散热面积近似为： A=6.66 ， 式中 V油箱有效容积，单位为m3 A散热面积，单位为m2 取油箱有效容积V为0.25 m3,散热系数K为15W/（m2），由式（9-13）得t= = =15.6（） 即在温升许可范围内。,