液压系统课程设计指导书.doc
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1、液压传动系统课程设计指 导 书江苏科技大学 机械电子工程教研室2008年05月28日第一章 液压系统的设计与计算液压系统设计是整机设计的重要组成部分,是实现整个系统液压控制部分的关键。设计主要包括液压系统工况分析和系统的确定、液压系统参数的确定、液压系统图的拟定、液压元件的计算和选取等。通常设计液压系统的步骤和内容大致如下:(1)明确设计要求、进行工况分析;(2)确定液压系统的主要性能参数;(3)拟定液压系统原理图;(4)计算和选择液压元件;(5)估算液压系统的性能;(6)绘制工作图,编写技术文件。上述步骤中各项工作内容有时需要穿插、交错进行。对某些比较复杂的问题,需经过多次反复才能最后确定。
2、图1为液压传动系统的一般设计流程。图1 液压传动系统的一般设计流程1.1 液压系统使用要求和负载特性分析1. 液压系统使用要求 主机对液压系统的使用要求是设计液压传动系统的依据。因此设计开始,首先必须搞清下列问题:(1)主机概况1)主机的用途、总体布局、主要结构、技术参数与性能要求。2)主机对液压装置在位置布置和空间尺寸以及质量上的限制。3)主机的工艺流程或工作循环、作业环境等。(2)液压系统的任务与要求 1)液压系统应完成的动作,液压执行元件的运动方式(移动、转动或摆动)及其工作范围。2)液压执行元件的负载大小及负载性质,运动速度的大小及其变化范围。3)液压执行元件的动作顺序及联锁关系,各动
3、作的同步要求及同步精度。4)对液压系统工作性能的要求,如运动平稳性、定位精度、转换精度、自动化程度、工作效率、温升、振动、冲击与噪声、安全性与可靠性等。5)对液压系统的工作方式及控制方式的要求。(3)液压系统的工作环境与条件 1)周围介质、环境温度、湿度大小、风砂与尘埃情况、外界冲击振动等。2)防火与防爆要求。(4)经济性与成本等方面的要求 2. 负载特性分析 负载特性分析是拟定液压系统方案、选择或设计液压元件的依据。它包括:动力参数分析和运动参数分析两部分。 液压系统承受的负载可由主机的规格规定,可由样机通过实验测定,也可以由理论分析确定。当用理论分析确定系统的实际负载时,必须仔细考虑它所有
4、的组成项目,例如:工作负载(切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、质量等)、惯性负载和阻力负载(摩擦力、背压力)等。此外必须注意负载的性质:是单向负载还是双向负载,是恒定负载还是变化负载;是否存在负值负载,是否有与液压缸轴线不重合的负载。 对于复杂的液压系统,尤其是有多个液压执行元件同时动作的系统,通过动力参数分析,绘制出如图2a所示的负载图,以确定系统工作压力;通过运动参数分析,绘制出如图2b所示的速度图,以选定系统所需流量。同时,根据系统负载图和速度图,可以绘制出液压系统的功率图,从中确定液压系统所需的功率。设计简单的液压系统时,负载图和速度图均可省略不画。 图2 液压系统执行元件的负载图和速
5、度图a)负载图 b)速度图1) 动力参数分析动力参数分析就是通过计算确定各液压执行元件的载荷大小和方向,并分析各执行元件在工作过程中可能产生的冲击、振动及过载等情况。液压缸的外负载力F 和液压马达的外负载转矩T 可按表1计算。根据计算所得的外负载就可绘制出上述负载图。2)运动参数分析运动参数分析就是研究主机依据工艺要求应以何种运动规律完成一个工作循环,即研究运动的形式(是平移、回转或摆动)、运动的速度大小和变化范围、运动行程长短、运动变化规律(循环过程与周期)等。依据这些分析就可作出上述速度图。表1 液压缸的外负载力F及液压马达的外负载转矩T计算公式表2 摩擦因数表3 背压压力1.2 液压系统
6、方案设计液压系统方案设计:根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本、经济性、供货情况等诸多因素,进行全面、综合的设计,从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案。内容包括:执行元件形式的分析与选择;油路循环方式的分析与选择;油源类型的分析与选择;液压回路的分析、选择与合并。1. 执行元件形式的分析与选择 液压系统采用的执行元件的形式,视主机所要实现的运动种类和性质而定,可按表4来选择。表4 液压执行元件形式的选择2.油路循环方式的分析与选择 液压系统油路循环方式为开式和闭式两种,它们各自的特点及其相互比较见表5。表5 开式系统与闭式系统的比
7、较油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。一般说来,凡备有较大空间可以存放油箱且不需另设散热装置的系统、要求结构尽可能简单的系统、采用节流调速或容积节流调速的系统,均宜采用开式系统。例如,泵向多个液压执行元件供油且功率较小的机器(如组合机床、磨床等)、内燃机驱动的机器(如铲车、高空作业车、液压汽车起重机、装载机及挖掘机等)以及固定机械。凡允许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统、对工作稳定性和效率有较高要求的系统、采用容积调速的系统,都宜采用闭式系统。例如,外负载惯性大且换向频繁的机构(如一些起重机的旋转、运行机构及龙门刨床、拉床的工作台等)、重力下降机构(如不平
8、衡类型的起升、动臂摆动机构等)、要求结构特别紧凑的运动式机械(如液压汽车平板车、拖拉机、矿车及飞机等)。大型货轮的舵机、工程船舶调距桨等系统也常用闭式系统。3. 开式系统油路组合方式的分析与选择 当系统有多个液压执行元件时,开式系统按油路的不同连接方式,分为串联、并联、独联以及它们的组合复联等。1)串联串联方式除第一个液压执行元件的进油口和最后一个执行元件的回油口分别与液压泵和油箱连接外,其余液压执行元件的进、出口依次相连。特点:多个液压执行元件同时动作时,其运动速度不随外负载而变,故轻载时可多个液压执行元件同时动作;但液压泵的压力负担重,受原动机功率限制,故重载时不宜多个液压执行元件同时动作
9、。另外,系统的压力损失也较大。串联连接方式适用于中小型工程机械液压系统、单泵供油的需保证行走直线性的工程机械。2)并联在并联连接方式中,液压泵与所有液压执行元件的进油口相连,而其回油口都接油箱。特点:多个液压执行元件同时动作时,负载小的液压执行元件的速度会增大;但液压泵的压力负担轻,为任一液压执行元件的负载压力与其相应回路的压力损失之和。并联连接方式适用于多个液压执行元件不要求同时动作;或要求同时动作但功率较小、或工作时间较短的,如机床、机械手等;也常用于大型工程机械的双液压泵双回路系统。4. 油源类型的分析与选择液压系统油源类型的选择,应在分析下列因素后确定:1)根据系统工作压力的高低,选择
10、液压泵的压力等级和结构形式。2)根据油源输出流量变化的大小和系统节能的要求,选择用定量泵还是变量泵。3)根据执行元件的多寡和系统工作循环中压力、流量的变化情况,选择单泵供油还是多泵供油。4)根据系统对油源综合性能的要求,选择泵的控制方式,是限压式、恒压式、恒流量式,还是恒功率式等等。5. 调速方案的分析与选择 调速方案对主机主要性能起决定性的作用。 选择调速方案时,应依据液压执行元件的负载特性和调速范围以及经济性等因素,参考表6进行分析比较,最后选出合适的调速方案。 调速方案与油路循环方式、液压泵和液压执行元件的类型等密切相关。 表6 三种调速回路主要性能比较6. 液压基本回路的分析与选择 这
11、里是指除调速回路以外的液压基本回路。选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图,从众多成熟的方案中(参见第六章和有关设计手册)经过分析、评比挑选出来的。选择液压回路一般可按如下步骤进行:(1)选择系统一般都必须设置的基本回路 通常液压系统都必须设置调压回路、调速回路、换向回路、卸荷回路及安全回路等。(2)根据系统负载性质选择基本回路 液压执行元件存在外负载对系统作功的工况(例如有垂直运动部件的系统)时,要设置平衡回路,以防止外负载使液压执行元件超速运动。在外负载惯性较大的系统中,为防止产生液压冲击,要设置制动回路。对有快速运动部件的系统或要求精确换向的系统,要设置减速回路或缓冲回路,等等。(3)
12、根据系统特殊要求选择基本回路 如有多个液压执行元件的系统,根据需要设置顺序回路、同步回路或互不干扰回路。有些系统还要设置速度换接回路、增速回路、增压回路、锁紧回路等。对液压机而言,释压回路是必不可少的。对闭式系统而言,必须有补油冷却回路。选择一些主要液压回路时,还需注意以下几点:1)调压回路的选择主要决定于系统的调速方案。在节流调速系统中,一般采用调压回路;在容积调速和容积节流调速或旁路节流调速系统中,则均采用限压回路。一个油源同时提供两种不同工作压力时,可以采用减压回路。对于工作时间相对辅助时间较短而功率又较大的系统,可以考虑增加一个卸荷回路。2)速度换接回路的选择主要依据换接时位置精度和平
13、稳性的要求。同时还应结构简单、调整方便、控制灵活。3)多个液压缸顺序动作回路的选择主要考虑顺序动作的可变换性、行程的可调性、顺序动作的可靠性等。4)多个液压缸同步动作回路的选择主要考虑同步精度、系统调整、控制和维护的难易程度等。注:当选择液压回路出现多种可能方案时,应平行展开,反复进行分析对比,不要轻易作出取舍决定。 1.3 液压系统原理图的拟定选定执行元件、油源类型、调速方案和液压基本回路后,再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路,如控制油路、润滑油路、测压油路等,并对回路进行归并和整理,就可将液压回路合成为液压系统。系统合成时,应考虑以下几个问题: 1)这个系统能否完满地实现所要求的各项
14、功能?是否要进行补充或修正?2)有无多余或重复的元件和油路可以去掉或合并?3)各液压回路之间是否会产生干扰?4)系统会不会产生液压冲击?有没有防止液压冲击的措施?5)控制油路是否可靠?当直接从主油路上引出控制油路时,应保证控制油路始终具有一定的压力(包括系统卸荷时)。6)系统测压点的分布是否合理、正确?通常,测压点应设在:液压泵的出口、溢流阀的入口油路上;减压阀或增压器的出口油路上;顺序阀或背压阀入口油路上;压力继电器或过滤器的前油路上;液压执行元件的进、出油口处;润滑油路、控制油路上。7)系统是否有工作介质的净化装置?液压系统中都应设置一般的粗、精过滤器或磁性过滤器,对要求特别高的系统,还需
15、设置旁路净化系统。8)系统工作的可靠性如何?对可靠性要求特别高的系统,需设置备用元件或备用回路。9)系统是否需要设置冷却、加热装置?1.4 液压系统参数设计液压系统的主要参数设计是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。液压执行元件的工作压力可以根据负载图中的最大负载来选取,见表7;也可以根据主机的类型来选取,见表8。 最大流量则由液压执行元件速度图中的最大速度计算出来。工作压力和最大流量的确定都与液压执行元件的结构参数(指液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量VM)有关。 一般的做法是先选定液压执行元件的类型及其工作压力p,再按最大负载和预估的液压执行元件的机械效率求出A或者VM,并通过各种
16、必要的验算、修正和圆整成标准值后定下这些结构参数,最后再算出最大流量qmax来。 有些主机(例如机床)的液压系统对液压执行元件的最低稳定速度有较高的要求,这时所确定的液压执行元件的结构参数A或VM还必须符合下述条件:表7 按负载选择液压执行元件的工作压力(适用于中、低压液压系统)表8 按主机类型选择液压执行元件的工作压力液压系统执行元件的工况图是在液压执行元件结构参数确定之后,根据主机工作循环,算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率之后作出的,见图3。 图3 执行元件的工况图1.5 液压执行元件的设计计算与选用1. 液压缸的设计计算 液压缸的主要技术参数及所需流量计算公式第四章,计算公式中所
17、需数据分别见表3和表9。液压缸空载起动压力及效率见表9。表9 液压缸空载起动压力及效率2. 液压马达的计算与选择 液压马达的排量: V=2T/(p1-p2)m 1.6 液压能源装置设计液压能源装置是液压系统的重要组成部分。通常有两种形式:一种是液压装置与主机分离的液压泵站;一种是液压装置与主机合为一体的液压泵组(包括单个液压泵)。1. 液压泵站的类型及其组件的选择 液压泵站的类型如表10所示。上置式液压泵站(见图4)结构紧凑,占地小,被广泛应用于中、小功率液压系统中。非上置式液压泵站(见图5)的液压泵组置于油箱液面以下,有效地改善了液压泵的吸入性能,且装置高度低,便于维修,适用于功率较大的液压
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