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1、第十一章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計和計算,任何液壓系統(tǒng)的設(shè)計，除了應(yīng)滿足主機(jī)在動作和性能方面規(guī)定的種種要求外，還必須符合質(zhì)量和體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用和維護(hù)方便等一些公認(rèn)的普遍設(shè)計原則。,,,,重點難點,教學(xué)要求,本章目錄,教學(xué)要求,掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計方法 熟悉液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟，液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 熟悉液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計。,重點難點,熟悉液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計,本章目錄,第二節(jié) 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計,第一節(jié) 概述,第三節(jié) 液壓系統(tǒng)設(shè)計計算舉例,,液壓系統(tǒng)有液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)之分,一般所說液壓系統(tǒng)的設(shè)計則是泛指液壓傳動系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)組成或工作原理上看，這兩類系統(tǒng)并無本質(zhì)上的差別，僅

2、僅一類以傳遞動力為主，追求傳動特性的完善；另一類以實施控制為主，追求控制特性的完善而已。 設(shè)計液壓系統(tǒng) 的出發(fā)點，可以是充分發(fā)揮其組成元件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的可靠性。前者著眼于安全，實際的設(shè)計工作則常常是這兩種觀點不同程度的組合。 設(shè)計步驟不盡相同，但每步相互關(guān)聯(lián)，彼此影響，常需穿插進(jìn)行，交叉展開。,第一節(jié) 概述,1、這個步驟的具體內(nèi)容是： 1）主機(jī)對液壓系統(tǒng)要求（主機(jī)的用途、主要結(jié)構(gòu)、總體布局；）主機(jī)對液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在位置布置和空間尺寸以及質(zhì)量上的限制。 2）主機(jī)的工藝流程或工作循環(huán)；液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動方式（移動、轉(zhuǎn)動或擺動）及其工作范圍。 3）液壓執(zhí)行元件的負(fù)載和運(yùn)動

3、速度的大小及其變化范圍。 4）主機(jī)各液壓執(zhí)行元件的動作順序或互鎖要求，各動作的同步要求及同步精度。 5）對液壓系統(tǒng)工作性能（如平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等）、工作效率、調(diào)速、平穩(wěn)性、溫升、自動化程度等方面的要求。 6）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件，如周圍介質(zhì)、溫度、濕度、塵埃，外界沖擊等 7）其他方面的要求，如液壓裝置在外觀、色彩、經(jīng)濟(jì)性等方面的規(guī)定或限制。,明確系統(tǒng)設(shè)計要求,第二節(jié) 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計,,1.系統(tǒng)原理圖 2.元件明細(xì)表 3.系統(tǒng)計算書,,4.非標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 ）油缸參數(shù)設(shè)計 2）閥板設(shè)計 3）油箱及泵裝置設(shè)計,設(shè)計任務(wù),1、明確要求工況分析 2、選擇方案確定參數(shù) 3、擬

4、定草圖選擇元件 4、系統(tǒng)驗算元件參數(shù)調(diào)節(jié) 5、結(jié)構(gòu)設(shè)計編寫技術(shù)文件,設(shè)計步驟：,2、分析系統(tǒng)工況，確定主要參數(shù) （一）工況分析 執(zhí)行元件負(fù)載分析與運(yùn)動分析 1）運(yùn)動行程工況要求 2）負(fù)載分析：工作負(fù)載、慣性負(fù)載、摩擦負(fù)載和背壓負(fù)載等 3）運(yùn)動（速度）分析：運(yùn)動速度（快）、工進(jìn)速度、速度差 4）分析法面：工況圖,1、選擇方案： 根據(jù)系統(tǒng)對動作的要求及負(fù)載的性質(zhì)（輸出力或轉(zhuǎn)矩），確定執(zhí)行元件種類及工作形式，從而確定執(zhí)行元件的工作狀態(tài)，為參數(shù)確定提供依據(jù)。,選擇方案確定參數(shù),2、確定參數(shù)： 系統(tǒng)參數(shù)主要是壓力和流量，這是系統(tǒng)計算、元件選擇、系統(tǒng)驗算的依據(jù)。而無論哪種參數(shù)均以保證執(zhí)行元件輸出工況需要為

5、前提的，因此，參數(shù)確定主要是執(zhí)行元件的參數(shù)確定。,1）系統(tǒng)的壓力： P缸可用初步選取的方法；可參考同類設(shè)備選取，也可根據(jù)系統(tǒng)最大負(fù)載選取。 2）缸的直徑： 由結(jié)構(gòu)分析確定缸工作腔和缸的形式。按選取的壓力可以確定缸直徑： 例：無桿腔工作，以傳力為主時 以運(yùn)動為主時要考慮D的選取情況 但d、D確定后要圓整為整數(shù)。,3）馬達(dá)排量： 4）缸（馬達(dá)）流量： 缸：qxA vmin qxAvmax 馬達(dá)：qxV nmin qxVnmax,1、選擇回路： 根據(jù)動作（速度或壓力）要求及其他各項要求，選擇液壓基本回路。 2、擬定草圖： 將上述回路合并擬合后形成系統(tǒng)圖，在擬合時注意：減少元件重復(fù)，防止干擾，分析性

6、能，保證效率，發(fā)熱少,擬定系統(tǒng)草圖，選擇基本回路,1、液壓泵選擇： 泵類型按工況要求及經(jīng)濟(jì)性選擇,動力源計算 選擇元件,2、閥選擇 按閥實際承載的壓力和實際通過的流量來選擇閥的規(guī)格；按閥的動作要求和性能要求選擇閥的種類。 3、油箱容量確定 按泵每分鐘流量選擇油箱容量： 一般Vq泵a a:低壓系統(tǒng)24 中壓系統(tǒng)57 高壓系統(tǒng)612,4、油管及管接頭： 油管按內(nèi)徑和壁厚選擇： v：吸油 0.51.5m/s 壓油 1.5 5m/s 回油 1.52.5m/s 管型按承壓情況選擇 接頭按管型選擇,1、壓力損失驗算 驗算后確定泵規(guī)格是否合適，然后確定各壓力閥調(diào)整壓力。,系統(tǒng)驗算：,2、系統(tǒng)

7、發(fā)熱驗算： 按系統(tǒng)散熱計算發(fā)熱是 Hi =Pi -PO =Pi (1-) 按油箱面積計算油箱散熱是H0 H0=KA0t(k為散熱系數(shù)） 驗算：H0Hi合適 H0

8、0，按啟動換向時間和運(yùn)動部件重量（Ft=m(v2-v1)）計算得到慣性負(fù)載Fa=1000N，摩擦阻力Ff=1960N。 取液壓缸機(jī)械效率m =0.9，則液壓缸工作階段的負(fù)載值見表。 2）速度分析 由快進(jìn)、快退速度為6m/min，工進(jìn)速度范圍為20120mm/min，按上述分析可繪制出負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖（略）。,表：液壓缸在各工作階段的負(fù)載值 工作循環(huán) 計算公式 負(fù)載f（N） 啟動加速 F=(Ff+Fa)/ m 3289 快 進(jìn) F= Ff/ m 2178 工 進(jìn) F=(Ff+ Fw)/ m 35511 快 退 F=Ff/

9、 m 2178,3、確定參數(shù),1）初選液壓缸的工作壓力 由最大負(fù)載值查表11-2/11-3，取液壓缸工作壓力為4MPa。 2）計算液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù) 為使液壓缸快進(jìn)與快退速度相等，選用單出桿活塞缸差動連接的方式實現(xiàn)快進(jìn)，設(shè)液壓缸兩有效面積為A1和A2，且A1=2 A2，即d=0.707D。為防止鉆通時發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔背壓p2取0.6MPa，而液壓缸快退時背壓取0.5MPa。 由工進(jìn)工況下液壓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） 液壓缸內(nèi)徑D就為：D=

10、 = =11.06（cm） 對D圓整，取D=110mm。由d=0.707D，經(jīng)圓整得 d=80mm。計算出液壓缸的有效工作面積A1=95cm2， A2=44.77 cm2。 工進(jìn)時采用調(diào)速閥調(diào)速，其最小穩(wěn)定流量 qmin=0.05L/min，設(shè)計要求最低工進(jìn)速度 vmin=20mm/min，經(jīng)驗算可知滿足式（11-1）要求。,3）計算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率值 差動時液壓缸有桿腔壓力大于無桿腔壓力，取兩腔間回路及閥上的壓力損失為0.5MPa，則p2= p1+0.5（MPa）。計算結(jié)果見表。 由表11-6即可畫出液壓缸的工況圖（略）。,工作循環(huán) 計算

11、公式 負(fù)載 回油背壓 進(jìn)油壓力 輸入流量 輸入功率 F（KN） p2（MPa） p1（MPa） Q1(10-3 m3/s) P（kW） 快 啟動加速 p1=F+A2(p2p1) 3289 1.10 A1 A2 q1=(A1 A2)v1 進(jìn) 恒 速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012 工 進(jìn) A1 q1=A1 v1 35511 0.6

12、 4.02 P= p1 q1 0.019 0.076 快 啟動加速 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：液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率值,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,p2= p1+0.5,,,4、擬定液壓系統(tǒng)圖,1）選擇基本回路 （1）調(diào)速回路：因為液壓系統(tǒng)功率較小，且只有正值負(fù)載，所以選用進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路。為有較好的低

13、速平穩(wěn)性和速度負(fù)載特性，可選用調(diào)速閥調(diào)速，并在液壓缸回路上設(shè)置背壓。 （2）泵供油回路：由于系統(tǒng)最大流量與最小流量比為156，且在整個工作循環(huán)過程中的絕大部分時間里泵在高壓小流量狀態(tài)下工作，為此應(yīng)采用雙聯(lián)泵（或限壓式變量泵），以節(jié)省能源提高效率。 （3）速度換接回路和快速回路：由于快進(jìn)速度與工進(jìn)速度相差很大，為了換接平穩(wěn)，選用行程閥控制的換接回路?？焖龠\(yùn)動通過差動回路來實現(xiàn)。 （4）換向回路：為了換向平穩(wěn)，選用電液換向閥。為便于實現(xiàn)液壓缸中位停止和差動連接，采用三位五通閥。 （5）壓力控制回路：系統(tǒng)在工作狀態(tài)時高壓小流量泵的工作壓力由溢流閥調(diào)整，同時用外控順序閥實現(xiàn)低壓大流量泵卸荷。,2）回路

14、合成 對選定的基本回路在合成時，有必要進(jìn)行整理、修改和歸并。具體方法為： （1）防止工作進(jìn)給時液壓缸進(jìn)油路、回油路相通，需接入單向閥7。 （2）要實現(xiàn)差動快進(jìn)，必須在回油路上設(shè)置液控順序閥9，以阻止油液流回油箱。此閥通過位置調(diào)整后與低壓大流量泵的卸荷閥合二為一。 （3）為防止機(jī)床停止工作時系統(tǒng)中的油液回油箱，應(yīng)增設(shè)單向閥。 （4）設(shè)置壓力表開關(guān)及壓力表。 合并后完整的液壓系統(tǒng)如圖所示。,液控順序閥，阻止油液在快進(jìn)階段返回油箱,將工進(jìn)時的進(jìn)油路、回油路隔斷,為防止機(jī)床停止工作時系統(tǒng)中的油液回油箱，應(yīng)增設(shè)單向閥,為了便于系統(tǒng)自動發(fā)出快退信號，在調(diào)速閥輸出端增設(shè)YJ,5、液壓元件的選擇,1）

15、液壓泵及驅(qū)動電機(jī)功率的確定 （1）液壓泵的工作壓力 已知液壓缸最大工作壓力為4.02MPa，取進(jìn)油路上壓力損失為1MPa，則小流量泵最高工作壓力為5.02MPa，選擇泵的額定壓力應(yīng)為pn=5.02+5.0225%=6.27（MPa）。大流量泵在液壓缸快退時工作壓力較高，取液壓缸快退時進(jìn)油路上壓力損失為0.4MPa，則大流量泵的最高工作壓力為1.79+0.4=2.19（MPa），卸荷閥的調(diào)整壓力應(yīng)高于此值。,工作循環(huán) 計算公式 負(fù)載 回油背壓 進(jìn)油壓力 輸入流量 輸入功率 F（KN） p2（MPa） p1（MPa） Q1(10-3 m3/s) P（kW） 快

16、 啟動加速 p1=F+A2(p2p1) 3289 1.10 A1 A2 q1=(A1 A2)v1 進(jìn) 恒 速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012 工 進(jìn) A1 q1=A1 v1 35511 0.6 4.02 P= p1 q1 0.019 0.076 快 啟動加速 p1= F+ A1p2 3289 1.79

17、 A2 q1=A2 v1 0.5 退 恒 速 P= p1 q1 2178 1.55 0.448 0.69,表：液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率值,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,p2= p1+0.5,,,（2）液壓泵流量 取系統(tǒng)的泄漏系數(shù)K=1.2，則泵的最小供油量為： qp =Kq1max =1.20.510-3 =0.610-3（m3/s） =36L/min 由于工進(jìn)時所需要的最大流量是1.910-5 m3/s，溢流閥最小穩(wěn)定流

18、量為0.0510-3 m3/s，小流量泵最小流量為： qp1 =Kq1 +0.0510-3 =7.2510-5（m3/s） =4.4（L/min）,（3）確定液壓泵規(guī)格 對照產(chǎn)品樣本可選用YB140/6.3雙聯(lián)葉片泵，額定轉(zhuǎn)速960r/min，容積效率v為0.9，大小泵的額定流量分別為34.56和5.43L/min，滿足以上要求。 （4）確定液壓泵驅(qū)動功率 液壓泵在快退階段功率最大，取液壓缸進(jìn)油路上壓力損失為0.5MPa，則液壓泵輸出壓力為2.05MPa。液壓泵的總效率p=0.8，液壓泵流量40L/min，則液壓泵驅(qū)動調(diào)集所需的功率為：

19、 P=ppqp/p=2.051064010-3=1708（W） 據(jù)此選用Y112M6B5立式電動機(jī)，其額定功率為2.2KW，轉(zhuǎn)速為940r/min，液壓泵輸出流量為33.84、5.33L/min，仍能滿足系統(tǒng)要求。,2）元件、輔件選擇 根據(jù)實際工作壓力以及流量大小即可選擇液壓元、輔件（略）。油箱容積取液壓泵流量的6倍，管道由元件連接尺寸確定。,6、系統(tǒng)油液溫升驗算,系統(tǒng)在工作中絕大部分時間是處在工作階段，所以可按工作狀態(tài)來計算溫升。 小流量泵工作狀態(tài)壓力為5.02MPa，流量為5.33L/min，經(jīng)計算其輸入功率為557W。 大流量泵經(jīng)外控順序閥卸荷，其工作壓力等于閥上的

20、局部壓力損失數(shù)值pv。閥額定流量為63L/min，額定壓力損失為0.3MPa，大流量泵流量為33.84L/min，則： pv =0.3106 =0.1106（Pa） 大流量泵的輸入功率經(jīng)計算為70.5W。,,液壓缸的最小有效功率為 Po =FV=（30000+1960）0.02/60=10.7（W） 系統(tǒng)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量為 Hi = PiPo =557+70.510.7=616.8（W） 當(dāng)油箱的高、寬、長比例在1：1：1到1：2：3范圍內(nèi)，且油面高度為油箱高度的80%時，油箱散熱面積近似為： A=6.66 ， 式中 V油箱有效容積，單位為m3 A散熱面積，單位為m2 取油箱有效容積V為0.25 m3,散熱系數(shù)K為15W/（m2），由式（9-13）得t= = =15.6（） 即在溫升許可范圍內(nèi)。,,,,