8液壓與氣壓傳動PPT第八章

液壓與氣壓傳動

第4版

張群生主編課件制作：張群生徐凱姚彩虹林德智二0一九年九月二十九日

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它的任務是根據(jù)整機的用途、特點和要求，明確整機對液壓系統(tǒng)設(shè)計的要求，進行工況分析、確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)，擬定出合理的液壓系統(tǒng)原理圖，計算和選擇液壓元件的規(guī)格，驗算液壓系統(tǒng)的性能，繪制工作圖、編制技術(shù)文件。第一節(jié)液壓系統(tǒng)設(shè)計的步驟第二節(jié)明確設(shè)計要求、進行工況分析第三節(jié)擬定液壓系統(tǒng)原理圖第四節(jié)液壓元件的計算和選擇第五節(jié)液壓系統(tǒng)的性能驗算第六節(jié)繪制工作圖和編制技術(shù)文件本章小結(jié)第八章

液壓系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié)

液壓系統(tǒng)設(shè)計的步驟

液壓系統(tǒng)設(shè)計的步驟，隨設(shè)計的實際情況、設(shè)計者的經(jīng)驗而各有差異，有時需要穿插進行，交叉展開。對某些比較復雜的液壓系統(tǒng)，需要經(jīng)過多次反復比較，才能最后確定。但其基本內(nèi)容是一致的，其步驟為：

1)明確設(shè)計要求，進行工況分析；

2)擬定液壓系統(tǒng)原理圖；

3)液壓元件的計算和選擇；4)液壓系統(tǒng)的性能驗算；5)繪制工作圖和編制技術(shù)文件。第二節(jié)

明確設(shè)計要求、進行工況分析

一、明確設(shè)計要求

液壓系統(tǒng)設(shè)計任務書中規(guī)定的各項要求是液壓系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)，設(shè)計時必須明確：

（1）液壓系統(tǒng)的動作要求

液壓傳動系統(tǒng)應該完成的運動、運動的方式、工作循環(huán)和動作周期，以及同步、互鎖和配合要求等。

（2）液壓系統(tǒng)的性能要求

負載條件，速度要求，工作行程，運動平穩(wěn)性和精度，工作可靠性等。

（3）液壓系統(tǒng)工作環(huán)境要求

環(huán)境溫度、濕度、塵埃、通風情況，以及易燃易爆、振動、安裝空間等情況。

二、進行工況分析液壓系統(tǒng)工況分析是指對液壓執(zhí)行元件的工作情況進行分析，即運動分析和負載分析，主要是了解工作過程中執(zhí)行元件在各個工作階段中的流量、壓力和功率的變化規(guī)律，并將該規(guī)律用曲線表示出來，作為確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)，擬定液壓系統(tǒng)方案的依據(jù)。

1.運動分析按工作要求和執(zhí)行元件的運動規(guī)律，繪制執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖和速度循環(huán)圖。圖8-1為某組合機床動力滑臺的運動分析圖。其中，圖8-1a為動力滑臺工作循環(huán)圖。圖8-1b為動力滑臺速度—位移（時間）曲線圖。

2.負載分析繪制執(zhí)行元件的負載循環(huán)圖。圖8-2為某組合機床動力滑臺的負載—位移（時間）曲線圖。繪制負載循環(huán)圖時，應具體分析并計算執(zhí)行元件所承受的負載。圖8-1

動力滑臺的運動分析圖

做往復直線運動的液壓缸所承受的工作負載F（N）為:F=Fq+Fu+

Fa+

FG+

Fm+

Fb

(8-1)式中：Fq為切削負載

Fu為導軌摩擦負載Fa為慣性負載

FG為重力負載Fm為密封阻力負載

Fb

為背壓負載圖8-2

動力滑臺的負載—位移（時間）曲線圖

Fq為切削負載，是指沿液壓缸運動方向的切削分力，切削分力與運動方向相反為正值，相同為負值。

Fu為導軌摩擦負載，它與導軌的形狀、受力大小以及摩擦系數(shù)有關(guān)。

對于平導軌：Fu=?N(8-2)

對于V形導軌：Fu=?N/sin(α/2)(8-3)

式中，N為作用在導軌上的正壓力（N）；α為V形導軌的夾角；?為導軌的摩擦系數(shù)，見表8-1。

Fa為慣性負載：

式中，G為運動部件所受的重力（N）；g為重力加速度（m/s2）；Δv為速度變化量（m/s）；Δt為啟動或者制動時間（s）；一般機械Δt=0.1～0.5s，行走機械Δt=0.5～1.5s。

FG為重力負載，垂直放置的工作部件向上移動時為正值，向下移動時為負值，水平放置的工作部件為零。Fm為密封阻力負載，其值一密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量、密封裝置裝配狀況以及液壓缸的工作壓力有關(guān)。常取Fm

=0.1F，或者計入液壓缸機械效率ηcm，并取ηcm=0.9～0.95。Fb為背壓負載，初算時暫不考慮。

以上切削負載Fq、導軌摩擦負載Fu、慣性負載Fa、重力負載FG為外負載，密封阻力負載Fm、背壓負載Fb為內(nèi)負載。密封阻力負載Fm與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量、密封裝置裝配狀況以及液壓缸的工作壓力有關(guān)，取Fm=0.1F，或者計入液壓缸機械效率ηcm，并取ηcm=0.9～0.95。背壓負載Fb在初算時暫不考慮。

液壓缸在各個工作階段的工作負載應該分析如下：啟動時：F=（

Fuj±FG）/ηcm(8-5)加速時：F=（

Fud±FG

+Fa）/ηcm(8-6)快進時：F=（Fud±FG）/ηcm

(8-7)工進時：F=（Fq

+Fud±FG）/ηcm

(8-8)快退時：F=（

Fud±FG）/ηcm

(8-9)若執(zhí)行機構(gòu)為液壓馬達，其負載力矩計算方法與液壓缸相類似。

3.執(zhí)行元件的參數(shù)確定

1）選定工作壓力當負載確定后，工作壓力的選定決定了液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟性和合理性。若工作壓力低，則執(zhí)行元件的尺寸就大，完成給定速度所需要的流量就大；若工作壓力過高，則密封要求就高，元件的壓力等級高，所以應根據(jù)實際情況選取適當?shù)墓ぷ鲏毫?。常用類比法或者負載法選取，見表8-2和表8-3。

2）確定執(zhí)行元件的幾何參數(shù)

對于液壓缸來說，它的幾何參數(shù)是有效工作面積A，對于液壓馬達來說就是排量V。

液壓缸有效工作面積A（m2）為A=F/p(8-10)

公式中，F(xiàn)為液壓缸工作負載（N）；p為液壓缸工作壓力（Pa）

由計算出的工作面積A可以用來確定液壓缸的缸筒內(nèi)徑D、活塞桿直徑d。

對于有低速穩(wěn)定性要求的設(shè)備，還應該按液壓缸所要求的最低穩(wěn)定速度來驗算，即A≥qmin/vmin(8-11)

式中，qmin為流量閥最小穩(wěn)定流量，可以由產(chǎn)品樣本查得（m3/s）;vmin為液壓缸最低速度（m/s）；

3）編制液壓執(zhí)行元件工況圖根據(jù)負載圖（或者負載轉(zhuǎn)矩圖）和液壓執(zhí)行元件的有效工作面積（或排量）就可以編制液壓執(zhí)行元件工況圖，即壓力圖、流量圖、功率圖。圖8-3為某組合機床液壓缸工況圖，其中圖8-3a為壓力圖，圖8-3b為流量圖，圖8-3c為功率圖。根據(jù)工況圖可以直觀地、方便地找出最大工作壓力、最大流量和最大功率，根據(jù)這些參數(shù)即可選擇液壓泵、液壓閥以及其電動機。圖8-3為某組合機床液壓缸工況圖第三節(jié)擬定液壓系統(tǒng)原理圖擬定液壓系統(tǒng)原理圖是液壓系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一環(huán)，一般的方法是：根據(jù)設(shè)備的性能要求選擇合理的液壓基本回路，再將基本回路組合成完成的液壓系統(tǒng)。基本回路的性能直接影響整個液壓系統(tǒng)的性能，應合理應用各基本回路，多考慮幾個方案，進行綜合分析比較。

一、液壓回路的選擇(1)確定供油方式一般根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率、定量或者變量來選擇液壓泵。表8-4為液壓泵種類和特性比較、表8-5為定量泵與變量泵比較。

(2)確定調(diào)速方法選擇調(diào)速方法時，除了滿足工藝上提出的速度要求外，還應考慮液壓系統(tǒng)的功率、調(diào)速范圍、速度剛性、溫升、經(jīng)濟性等要求，表8-6為各種調(diào)速方法的應用比較。

(3)速度換接回路選擇

速度換接回路的形式常用行程閥或者電磁閥來實現(xiàn)。表8-7為采用行程閥或者電磁閥回路的比較。

(4)換向回路選擇根據(jù)執(zhí)行元件對換向性能要求，選擇換向閥機能和控制方式，表8-8為換向閥控制方式的比較。

(5)壓力控制回路選擇節(jié)流調(diào)速中，常用溢流閥組成恒壓控制回路。容積調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速中，常用溢流閥組成限壓安全保護回路。(6)其他回路的設(shè)置根據(jù)液壓系統(tǒng)要求，可以設(shè)置卸荷回路、減壓回路、增壓回路、多級調(diào)壓回路、遠程調(diào)壓回路、順序動作回路、同步回路等等。二、基本回路組合成液壓系統(tǒng)液壓基本回路確定之后，即可綜合成完整的液壓系統(tǒng)，在綜合過程中應該注意以下幾點：1）綜合成的液壓系統(tǒng)應該保證其循環(huán)時的每一個動作都安全可靠、相互間互不干涉。2）綜合成的液壓系統(tǒng)應該盡量選用標準元件，力求做到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。3）盡可能使液壓系統(tǒng)經(jīng)濟合理，便于維修檢測。第四節(jié)

液壓元件的計算和選擇

初步擬定液壓系統(tǒng)原理圖后，便可以進行液壓元件的計算和選擇，也就是通過計算各液壓元件在工作中承受的壓力和通過的流量，來確定各元件的規(guī)格和型號。

一、液壓泵的選擇

先根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況確定液壓泵的類型（已確定），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

執(zhí)行元件最大工作壓力pmax的出現(xiàn)有兩種情況:其一是執(zhí)行元件在運動行程終了,停止運動時（如液壓機、夾緊缸）出現(xiàn)；其二是執(zhí)行元件在運動過程中（如機床、提升機）出現(xiàn)。確定液壓泵的最高工作壓力pp,就應該分別對待：

對于第一種情況：pp≥

pmax

（8-12）

對于第二種情況：pp≥

pmax

+∑ΔP（8-13）

公式中，pmax為執(zhí)行元件的最大工作壓力，∑ΔP為管路總壓力損失。

初步估算時，一般節(jié)流調(diào)速和管路簡單的系統(tǒng)取∑ΔP=0.2～0.5Mpa；有調(diào)速閥和管路比較復雜的系統(tǒng)取∑ΔP=0.5～1.5Mpa。

2．確定液壓泵的最大供油量qpqp≥KΣqmax(8-14)

式中，K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3；Σqmax為同時工作的執(zhí)行元件流量之和和最大值。對于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如果最大供油量出現(xiàn)在調(diào)速時，尚需加溢流閥的最小溢流量0.05m/s3,來保持溢流閥溢流穩(wěn)壓狀況。

3．選擇液壓泵規(guī)格

1）液壓泵的額定壓力pnpn≥(1.25～1.6)pp

(8-15)

以保證液壓泵安全可靠和有一定的壓力儲備。

2）液壓泵額定流量qnqn≥qp(8-16)4．確定液壓泵驅(qū)動功率

1）使用定量泵時pn(W)pn

≥pq/ηp(8-17)

式中，p為液壓泵的工作壓力(Pa)；q為液壓泵流量（m/s3）；ηp

為液壓泵的總效率。

2）使用限壓式變量泵時pn(W)（按最大功率點估算）pn

≥pBqB/ηp(8-18)

式中，pB為限壓式變量泵拐點壓力(Pa)；qB為限壓式變量泵拐點流量（m/s3）；ηp

為液壓泵的總效率。

二、閥類元件選擇

液壓泵的規(guī)格型號確定之后，參照液壓系統(tǒng)原理圖可以估算出各控制閥承受的最大工作壓力和實際最大流量，查產(chǎn)品樣本確定閥的型號規(guī)格。

一般要求選定的閥類元件的公稱壓力和流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的實際最大流量，但不超過20%，流量閥按系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)范圍來選取，其最小穩(wěn)定流量應該能滿足執(zhí)行元件最低穩(wěn)定速度的要求。

三、液壓輔助元件選擇

根據(jù)液壓系統(tǒng)對各輔助元件的要求，按第四章內(nèi)容進行選擇。第五節(jié)液壓系統(tǒng)的性能驗算一、液壓系統(tǒng)壓力損失的驗算前面已經(jīng)初步確定了管路的總壓力損失∑ΔP，當時由于系統(tǒng)還沒有完全設(shè)計完畢，管道的設(shè)置也沒有確定，因此只是粗略估算。當液壓系統(tǒng)的元件型號、管路布置等確定后，需要驗算管路的總壓力損失∑ΔP，看其是否與初步確定值相符，并可借此比較準確的確定泵的工作壓力，比較準確的調(diào)節(jié)變量泵或者壓力閥的調(diào)整壓力，保證系統(tǒng)的工作性能，若計算結(jié)果與初步確定值相差比較大的時候，則可對原設(shè)計進行修正。

1.管路壓力損失計算

管路內(nèi)的壓力損失包括沿程損失ΔPλ、局部損失ΔPξ1

、閥類元件的局部損失ΔPξ2

即∑ΔP=ΔPλ+ΔPξ1+ΔPξ2

公式中的ΔPλ、ΔPξ1

、ΔPξ2

可以按照第一章中有關(guān)公式和數(shù)據(jù)進行計算。

實用中：管路計算簡單而且短時，ΔPλ、ΔPξ1

這些數(shù)值比較小，常省略不計，當管路比較長時應計算。計算時先進行流態(tài)判斷，以確定流態(tài)為層流，再用經(jīng)驗公式計算ΔPλ（Mpa）

ΔPλ=80υql/d4

（8-19）

式中，υ為油液粘度（cm2/s）；q為通過管路的流量（L/min）；l為油管長度（m）；d為油管內(nèi)徑（mm）；

ΔPξ1=（0.05～0.1）ΔPλ

（8-20）

ΔPξ2=ΔPn

（q/qn）2

（8-21）

式中，ΔPn

為閥的額定壓力損失（Mpa），qn

為閥的額定流量（L/min），q為閥的實際通過流量（L/min），ΔPn

、qn

的值從產(chǎn)品目錄中查閱。

液壓回路（包括進油路和回油路）中的壓力損失在計算時都必須折算到進油路上，這樣便于確定系統(tǒng)的供油壓力。因而進油路和回油路的壓力損失應該分別計算，然后在折算。

液壓系統(tǒng)在不同工作階段的壓力損失是不相同的，因而必須對各種不同工作階段的壓力損失應該分別計算。2．壓力閥的調(diào)整壓力1）定量泵節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中溢流調(diào)整壓力，按工進時泵的工作壓力PP

調(diào)整。2）雙聯(lián)泵供油系統(tǒng)，溢流閥調(diào)整壓力同上，卸荷閥（液體順序閥）按高于快進、快退時泵工作壓力（PP）0.5～0.8Mpa調(diào)整。3）減壓閥、背壓閥、順序閥按實際工作需要調(diào)整。

二、液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算

液壓系統(tǒng)在工作時有壓力損失、機械效率、容積效率，這些大都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使系統(tǒng)發(fā)熱，油溫升高，產(chǎn)生不良后果、影響正常工作。為此必須控制油液溫升ΔT在許可范圍內(nèi)。如果機床系統(tǒng)溫升ΔT≤25～30℃，工程機械ΔT≤35～40℃。精密機床的溫升ΔT≤10～15℃。液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生熱量的元件很多，散熱的元件主要是油箱，在達到熱平衡時控制溫升，必須驗算。1．發(fā)熱量計算

功率損失轉(zhuǎn)換為熱量，因此系統(tǒng)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量為

Φ

=Pm–PZ=PM（1-η）

（8-22）

式中，Pm

液壓泵輸入功率（kW），PZ

為液壓執(zhí)行元件輸出功率（kW），η為液壓系統(tǒng)總效率，它等于液壓泵效率ηP、回路效率ηL，液壓執(zhí)行元件效率ηC的乘積，即η=ηPηLηC

2.油箱單位時間散熱量計算

Φ′=CrAΔT（8-23）

式中，Cr為油箱散熱系數(shù)（kW/m2·C），取Cr=（15～18）×10-3；A為油箱散熱面積（m2），ΔT油液溫升（℃）。

3.達到熱平衡時的溫升

ΔT=Φ/CTA（8-24）

計算所得溫升大于允許溫升時，可以采取增大油箱散熱面積或者增設(shè)冷卻裝置。第六節(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)原理圖應附有液壓元件明細表，表中標明各液壓元件的型號和壓力閥、流量閥的調(diào)整值，畫出執(zhí)行元件工作循環(huán)圖，列出相應電磁鐵和壓力繼電器的工作狀態(tài)表。

2．液壓系統(tǒng)裝配圖

液壓系統(tǒng)裝配圖包括泵站裝配圖、集成油路裝配圖、管路安裝圖。3．非標準件的裝配圖和零件圖。

二、編寫技術(shù)文件

技術(shù)文件一般包括液壓系統(tǒng)設(shè)計計算說明書，液壓系統(tǒng)原理圖，液壓系統(tǒng)工作原理說明和操作使用以及維護說明書，部件目錄表，標準件、通用件以及外購匯總表等。第七節(jié)

液壓CAD技術(shù)簡介

計算機在液壓技術(shù)領(lǐng)域的應用已正日益發(fā)展，從液壓產(chǎn)品的設(shè)計、制造、測試和性能仿真，到液壓設(shè)備的計算機控制等，所涉及的范圍越來越大，下面簡單介紹一下液壓系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（液壓CAD）

一、液壓CAD的內(nèi)容目前，液壓系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）液壓系統(tǒng)原理圖CAD，它包括液壓系統(tǒng)的設(shè)計、計算和元件的選擇，能得出液壓系統(tǒng)原理圖和元件明細表及各種相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）液壓專用件CAD，它包括專用的液壓缸、液壓閥、集成閥快、油箱等元件和裝置的設(shè)計計算以及工作圖的繪制。

（3）液壓系統(tǒng)安裝圖CAD，它包括設(shè)計和繪制兩維或者三維的液壓系統(tǒng)管路安裝圖，編制元件明細表等。

（4）液壓系統(tǒng)的性能分析CAD，它包括靜態(tài)特性分析和動態(tài)特性分析與預測。靜態(tài)特性分析是通過對系統(tǒng)的負載特性、壓力損失、系統(tǒng)發(fā)熱與溫升和系統(tǒng)效率的驗算，反復修改參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計；動態(tài)性能分析和預測是根據(jù)前面設(shè)計好的液壓系統(tǒng)建立起來的數(shù)學模型，進行穩(wěn)定性分析或動態(tài)響應數(shù)字仿真，通過數(shù)據(jù)或圖形曲線顯示其結(jié)果。并可反復修改系統(tǒng)參數(shù)，直到獲得滿意的結(jié)果為止。

二、液壓CAD系統(tǒng)的組成采用液壓系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計，應具備相應的硬件和軟件，硬件就是擁有一套具有足夠儲存空間和較強的圖形處理與顯示輸出能力的普通微型計算機。它包括執(zhí)行運算與圖形處理的中央處理器（CPU）和存儲器、軟盤驅(qū)動器、彩色顯示器、繪圖機等。軟件包括除計算機系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)等）外，還應有專用的液壓系統(tǒng)設(shè)計軟件包——液壓CAD。它是在通用繪圖工具軟件包二次應用開發(fā)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的。CAD系統(tǒng)的功效在很大程度上取決于軟件的水平，目前一般液壓CAD軟件主要組成如下：

1．圖形庫圖形庫是參考國家標準和國內(nèi)重要液壓元件生產(chǎn)廠家標準，通過對液壓原理圖、裝配圖的構(gòu)圖分析，在液壓CAD軟件系統(tǒng)中，建立一整套完整的圖形庫支撐軟件，以解決液壓CAD中對圖形輸入輸出的要求。圖形庫中含有各種液壓元件的圖形符號，常用液壓回路塊符號、各種通用液壓集成塊符號、各種通用疊加閥符號、插裝閥符號，各類通用液壓元件外形圖和通用油箱外形圖等。

2．數(shù)據(jù)庫進行液壓系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計，需要利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將設(shè)計時所需要的各種數(shù)據(jù)、標準以及