第9章液气压系统设计与计算ppt课件.ppt

北京科技大学,第九章 液气压系统设计与计算,一、液压系统设计步骤1、全面了解被控对象，明确工艺设计要求。2、对执行元件的工作负载进行工矿分析3、确定执行元件的主要参数确定系统的流量和压力。4、拟定具体的控制方案和基本回路。,9.1 液气压系统的设计9.1.1 液压系统的设计步骤与设计依据,5、各元件的选择1）液压泵站的设计与计算。2）液压系统控制阀的选择3）辅助元件的选择6、管道的计算与选择7、绘制液压系统正式原理图8、绘制液压系统总装图，另部件图，配管图。9、编制技术文件。,北京科技大学,二、全面了解被控对象，明确工艺设计要求1、对设备的总体结构了解。设备的功能，总体布局，设备操作过程，液压部件的运动方式，空间布置，安装形式，外形尺寸限制，工作条件等。2、了解液压部件的动作要求。对一个泵站多缸(或马达)的系统要弄清各液压部件之间的工作循环程序，相互配合要求以及自动化程度和联锁要求等。,北京科技大学,3、明确液压系统的性能要求及所需的工艺参数(1)被控对象的物理量，如位置，速度，加速度，力。(2)静态极限，最大行程，最大速度，最大力或力矩等。(3)要求的控制精度，如位置精度，定位精度，速度精度，力或力矩精度等。(4)动态特性：稳定性，响应的快速性等。,北京科技大学,4、工作环境：主机的工作温度，冷却或工作介质，振动与冲击，噪声等耐高温，防水，防腐蚀，防振等要求。5、特殊要求：工作可靠性，安全保护及制造成本等其它要求。,北京科技大学,9.1.2 执行元件的工矿分析,负载分类：,工作负载FW导轨摩擦负载Ff惯性负载Fi重力负载Fg密封负载Fs背压负载Fb,在分析基础上列出在循环周期中的执行元件速度负载列表或循环图。,北京科技大学,1、启动阶段：密封 、重力 2、加速阶段：缸动摩擦、惯性力、重力3、快速阶段：缸动摩擦、重力4、工进阶段：缸动摩擦、工作负载、重力5、制动阶段：缸动摩擦、工作负载、重力 、惯性力,北京科技大学,一、液压系统的压力和流量计算1、执行机构的选择执行机构主要指油缸和马达2、预选系统压力根据设备类型和元件供应情况，质量状态并考虑其经济性，预选系统压力。液压系统压力一般可参考下表预选。,9.2 执行元件的主要参数确定,北京科技大学,主机类型 系统压力 (M) 机床 0.8-6.3 农机，工程机械 10-16 重型机械 20-32 比例，伺服系统 20-32 气压系统压力 一般为0.5Mpa。3、计算缸工作面积A或马达排量V,北京科技大学,4、计算各执行机构的耗油量,5、绘制各执行机构 流量时间循环图压力时间循环图功率时间循环图,北京科技大学,1、选择液压系统的循环方式。(1)开式这种方式适应性强，简单，散热好。但效率低，泵站体积大。一般冶金行业选用。(2) 闭式这种方式换向速度高，平稳，泵站体积小，效率高。但散热差，泄漏大，冷却过滤需设单独系统处理。一般在行走机构上使用。,二、拟定控制方案及基本回路,北京科技大学,(1)普通液压系统用于控制精度，动态特性要求不高的场合。优点：对油的过滤要求不高，可靠，成本低，维修方便简单。大多数的机构选用。(2)比例系统用于有一定精度要求，频宽要求不高的场合。优点：对油的过滤要求,维修,成本介于伺服和普通系统之间。,2、控制方案选择,北京科技大学,(3)伺服系统用于控制精度要求高，频宽要求高的场合。优点 ：能获得很高的控制精度和很快的响应速度。 缺点：对油的过滤要求高，维修要求高，成本高。,北京科技大学,液压回路是组成系统的骨架，它们配上泵源及其它辅助回路组成一个完整的液压系统。选择原则：根据执行机构的工作特性和工况从各种成熟的回路中选择，选择工作首先从对主机主要性能起决定影响的回路开始。例如：机床系统一般从选调速回路开始；压力机系统则从调压回路开始等等。,3、液压回路的选择,北京科技大学,三种基本回路：流量，压力及方向等基本回路。a.换向回路a)换向阀的机能应根据执行机构工艺特点选择。b)电磁阀和电液阀，比例方向阀和伺服方向阀的通径是根据流量来选择。注意：电液换向阀的控制油压应大于0.3c)换向阀的控制方式（手动，电控，机控，比例，伺服等）根据操作，自动化程度及相应的工况选择。,(1)基本回路的选择,北京科技大学,调速精度，调速范围，速度受负载影响的大小，能否自动调速等a) 节流调速回路一般当速度负载特性要求不高时选用这种回路。由节流阀，进口节流调速、出口调速、旁路节流调速。出口节流回油有背压，所以系统稳定性好些。这种回路简单经济，但系统发热大，效率低。,b.调速回路,北京科技大学,b)容积调速 这种回路是靠改变变量泵或变量马达的排量来调节速度的。适用于负载功率大，运动速度高的场合。回路的主要优点是无溢流损失也无节流损失，效率高，发热少。但泵和马达的构造较复杂，成本高。 c)比例调速回路这种回路主要采用比例流量阀，比例方向阀或复合阀，使系统流量按比例地跟随控制信号而变化。用于控制精度和动特性要求较高的场合，回路较伺服回路成本低。,北京科技大学,这种回路的功能在于调定或限制液压源的最高工作压力。a)溢流阀调压回路适用于节流调速定量泵供油系统。,c.调压回路,d)伺服回路主要采用伺服阀连续地控制系统流量变化。 用于控制精度和动态特性要求高的场合。 这种回路成本高，维护困难。,北京科技大学,b)减压阀调压回路多用于共用一个泵源而需要两种以上的不同工作压力，但注意减压阀进口压力不能低于出口压力，且回路中若采用节流调速时，节流阀应装在减压阀的出口或回油路上。这种回路调压简单，但减压口有泄漏，易发热。有功率损失。,北京科技大学,c)增压回路 d)安全保护压力回路为了防止液压机构的冲击负载，回路上应加设安全溢流阀，起溢流保护作用。这种回路可用安全阀，压力继电器，电接点压力表及其它控制仪表控制。,北京科技大学,利用基本回路组合液压系统时注意以下几点：a)避免回路之间相互干扰当一个泵组驱动多个液压机构工作时，由于负载不同会使执行元件先后动作，出现速度和压力干扰。 当出现速度干扰时，在对速度精度要求不高的场合，可在油路串联节流阀，调速阀。 当出现压力干扰时，可采用单向阀使其与其它动作油路隔开。,(2)回路组合,北京科技大学,三、各个元件的选择,泵、阀、辅助元件、管路等,b)力求系统简单可靠，避免出现多余回路，减少事故。力求油路安全可靠，一般系统都要设高低压保护。,1、液压泵站的设计与计算,1)液压泵站的结构形式液压泵站的结构形式一般可分为两种：(1)直传式,北京科技大学,2)液压泵的计算与确定（流量，压力） (1) 泵流量确定 (a) 直传式,直接由泵供给执行机构所需的压力油，通常单机设备采用这种形式。(2)泵蓄能器形式 由泵和蓄能器共同向执行机构供油，一般多用于执行机构较多的系统，尤其是在耗油量较大且又极不均衡的系统。,北京科技大学,泵流量确定（）同时工作的液压机构的最大总流量。系统的泄漏系数。1.1-1.3,(b)泵蓄能器形式,泵流量是按平均流量选择 （i） i在工作周期中各执行机构耗油量总和。对于油缸Si10,北京科技大学,油缸工作或返程腔的有效面积 油缸行程。 机组工作周期时间。 泄漏系数。1.1-1.3 执行机构序号。或（） -在工作周期中执行机构最大耗油量。 -在工作周期中执行机构最小耗油量。,北京科技大学,根据执行机构的工作压力状况选择。a.工作压力差异较小时共用一种压力 执行机构中最大工作压力； 系统总压力损失；b.工作压力相差较大时，可考虑选不同压力等级。 1 2 执行机构中较低的工作压力,(2)泵工作压力确定,北京科技大学,a. 根据系统压力级数选择单泵或多泵 单级压力一般选单泵 多级压力一般选多泵或多联泵。b. 根据流量选择泵数目 最大和最小差别大两个泵c. 泵额定压力选择应比计算的最大压力高，使其具有一定压力储备，以便适应系统中动态压力。,(3)泵的数目及规格的确定,北京科技大学,d. 泵的变量形式选择a) 根据系统性能和工况选择合适的变量形式，如为了使系统压力稳定，可选恒压变量泵。b) 考虑经济性，尽可能在满足系统性能的条件下，选择合适的泵，以节约能源。,(4)液压泵的驱动电机功率,a.在工作循环中，泵的压力和流量比较恒定时，电机的功率为：612 泵的最大流量 ,北京科技大学,b.工作循环中，压力和流量有明显变化时，泵的功率有两种计算方法： a) 平均值 N 式中: N1,N2 -每一个工作循环中各阶段所需功率 1,2每一个工作循环中各阶段的时间 b) 最大功率值 在一个工作循环中最大功率 。,泵的最大工作压力泵的总效率,北京科技大学,如果在一个工作循环中，系统需要的瞬时流量差别很大，则在系统中设置蓄能器，油泵按所需的平均流量选择；而超出平均流量部分，则由蓄能器作为辅助油源供给。(系统尖峰流量可由时间/流量循环图中求出)蓄能器的压力确定(1)最低工作压力1执行机构的最大工作压力。蓄能器到最远执行机构的压力损失之和。,2、蓄能器参数的确定及验算,北京科技大学,(2)最高压力 2考虑到蓄能器寿命，又能适当 增加有效排油量，系统压力不至于过高，且系统压力相对稳定。 1(0.8-0.85)2 1、2相差一般在1.0MPa左右。(3 )充气压力 a.从使蓄能器容积最小而储能量最大的角度出发考虑在等温过程工作时：o0.522在绝热过程工作时：o0.4722,北京科技大学,b. 对于胶囊型蓄能器从保护角度出发希望系统在最大工作压力下胶囊仍末膨胀得与壳体内壁完全接触，而在最高压力时，胶囊收缩的体积不小于充气压力下的原始体积。 0(0.25-0.9)2（参考设计手册）一般0=(0.7-0.9)2,2)蓄能器有效工作容积确定,北京科技大学,(1) 作为辅助动力油源的蓄能器 im i系统中各机构耗油量之和 系统泄漏系数，一般取1.2 m泵总供油量 最大耗油量时泵的工作时间 (2) 作应急动力源事故停电时仍要求操作的蓄能器 i i事故操作的各液压执行机构耗油量之总和。,北京科技大学,3) 蓄能器有效工作容积验算 (1) 有效容积计算 (2) 有效容积验算a) 确定泵蓄能器工作制度 以满足生产需要为主，配制泵和蓄能器的工作制度。b) 验算 在整个工作周期内，如果蓄能器的有效工作容积D 能满足D的要求，则所选用的蓄能器便是合适的，否则应按实际差额进行修改。,北京科技大学,各控制阀的规格型号应根据系统所需的最高压力和通过该阀的最大流量选取。1) 压力选择 阀的额定工作压力应大于系统的最大工作压力。 压力阀还应考虑工作性能的参数应满足工作要求，如溢流阀的调压范围，减压阀的调压精度，单向阀的开启压力等须符合系统要求。 方向阀还应考虑滑阀机能，使之满足回路要求。,3、阀类元件的选择,北京科技大学,阀的额定流量应大于通过该阀的实际流量，特殊情况须超过该阀的额定流量时，最好不要超过其额定流量的20，以免压力损失过大，引起发热和噪声，影响使用性能。 流量阀还应考虑最小稳定流量应小于调速范围所需的最小稳定流量。,2) 流量选择,北京科技大学,确定安装方式 根据工况选择布局：集中式或分散式。 原则：占地面积小，操作方便，易维修易接近，易检查互换性好，标准化，安全，美观大方。 阀的安装形式: (1) 板式:常用于集中式的阀块，阀台，阀板上。 (2) 叠加式:多用于集中式的小流量系统，如机床行业等。 (3) 管式:多用于分散式场合。,3) 安装固定方式,北京科技大学,1) 油箱 油箱的用途主要是储油和散热，也就是油箱的容量选择必须满足两个要求： 1. 设备停止运转时，所有油返回油箱，不致于溢出来。 2. 能散发或能与冷却器共同散发系统产生的热量。,4、辅助元件的选择,北京科技大学,(2) 油箱的控制元件a. 液位控制b. 温度控制,油箱容积计算：a. 按油量b. 按发热量计算确定,2) 冷却器和加热器选择,(1) 液压系统热量来源泵动力损失产生的热量， 元件的压力损失产生的热量，元件流量损失产生的热量,北京科技大学,a) 油箱的散热量b) 冷却器的散热量,（2）系统的散热量,(3) 冷却器的选择,北京科技大学,a. 冷却面积 按上述热平衡方程m 冷却器散热系数见上述 m温差见上述0 冷却器计算面积 2 冷却器面积 (1.2-1.3) 2b. 冷却器的形式 考虑冷却器的热效率，占地面积，安装方便，经济性等因素进行选择。,北京科技大学,(1) 过滤精度要求 普通液压系统： 一般选取 20 比例系统： 一般选取 10 伺服系统： 一般选取 5 (2) 有足够的过滤能力（流量） 过滤能力是指在规定额定压力损失下的通流量，可查样本。一般所选定的通流量应比实际通流量大1-2倍。(3) 足够强度和合适的压降,3) 滤油器,北京科技大学,1) 油管的类型(1) 硬管 a. 钢管 b. 铜管和其它材料管(2) 软管 有相对运动的部件一般必须选用软管。油管尺寸的确定(一) 油管内径,5、管道计算与选择,北京科技大学,油管内径尺寸取决于管内液体的流速，流速过大，压力损失大，流速太小，管径大则设备笨重不经济。 4.6 通过油管的最大流量 管内允许流速，吸油管1-2 压油管2.5-5 回油管1.5-2.5,(二) 油管壁厚油管壁厚的选择主要考虑安全，可按下式计算： 0.05() ,北京科技大学,管道承受的最高压力 油管内径 ()油管材料许用应力对于钢管 () 材料抗拉强度 2 安全系数油管内径和壁厚也可参考有关手册的计算图表，再取标准值。,北京科技大学,某厂水压机下料机械手液压系统设计一、 设计任务书1、 设备工况及要求 水压机下料机械手服务于80MN水压机，它的任务是将己压制成形的重型热工件取出，放到规定的工作线上。该设备为直角坐标式机械手，它位于水压机的 一侧，环境较为恶劣，温度较高，灰尘较多。,9.1.3 液压系统设计示例,北京科技大学,(1) 设备工作程序如下 启动机械手该设备像小车以下简称小车，小车沿轨道前进到水压机侧的工作位置，液压定位缸定位锁紧。当工件成形后发讯号，小车的一级和二级移动缸前进即机械手伸进水压机内，此时手张开，到预定位置后，升降缸下降手下降，到位后，夹紧缸工作，夹紧工件手夹紧，然后升起升降缸工作，到预定位置后，一二级移动缸返回手退回到预定位置，升降缸下降手下降，到预定位置，夹紧缸松开，把工件放在小车的迥转台上后再升起手上升，而后迥转缸工作，把工件送到预定的工作线上由吊车取走。(2) 控制与联锁要求。a) 所有动作要求顺序控制，部分回路选用远程电控调速和调压。 b) 手放工件的位置控制精度1。c)手的动作要与水压机配合，只有在水压机工作完成并升起后，机械手方可进入取料。,北京科技大学,2 、执行元件工艺参数,北京科技大学,3、工作循环时间顺序图,北京科技大学,1) 执行机构的选择(1) 移动缸 预选供油压力 s=8 M 压力损失 v=2 M 根据设备实际状况选了两级两个移动缸=1100 每个缸负载 st5000 N 缸作用面积计算 wst100(-2)=5000100(8-2)=8.332,二、设计计算书,北京科技大学,从以上计算液压缸计算面积结合设备状态查标准缸径，最后确定为8045。(2) 其它缸根据设备的状态分别选择如下 升降缸10056 平衡缸8056 迥转缸8045 夹紧缸6335,北京科技大学,2) 计算各执行机构的压力和耗油量,计算结果如表,北京科技大学,三、绘制各执行机构流量时间循环图,北京科技大学,选择泵蓄能器形式2、液压泵站的计算1） 工作压力的确定 根据执行机构的工作压力状况，液压泵站的压力宜分为二级压力： （1）低压系统服务于移动缸 1(21)1.24.8 M 考虑储备量取8 M,1、液压泵站的结构形式选择,四、液压泵站的设计与计算,北京科技大学,（2） 中高压系统服务于其它执行机构 2(10.2 2)1.213.44 M 考虑储备量取16 M,（3）流量的确定,北京科技大学,按平均流量选择。参见流量时间循环图 1) 低压系统 平均流量1460/21.2230 2) 高压系统 平均流量2(170.437.4)/21.279.8 选择合适的泵 根据平均流量及工作状态，选用双级泵较合适。因低压系统流量大，可使双泵供油则经济些。查样本选双级叶片泵： 18 M，216 M，1168 L/min 2 100 L/min，1100168230210079.8,北京科技大学,1) 蓄能器压力的确(1) 低压回路 选胶囊式蓄能器，按绝热状态考虑。 最低压力1+ 6 M 最高压力21.1-1.25161.25 7.5 M 充气压力00.7-0.910.865 M(2) 高压回路 最低压力113 M 最高压力21.11314 M 充气压力00.8110.4 M2) 蓄能器容量的确定,3、蓄能器参数的确定与验算,北京科技大学,尖峰流量：从流量时间循环图中可知，尖峰流量在移动缸工作期间。为满足移动缸要求，最大负载时泵工作时间3.5 缸耗油量 45.5322.12 漏损系数 1.2 蓄能器工作容积b122.121.2- 3.5 (100+168/60)10.932 L 蓄能器总容积01 b10.129485 选择标准皮蓄能器:340120 ,(1) 低压回路,北京科技大学,尖峰流量：从流量时间循环图中可知，尖峰流量在脱模缸工作期间。为满足脱模缸要求，最大负载时泵工作时间0 缸耗油量 21.93.8 漏损系数 1.2 蓄能器工作容积 b23.81,24.56 蓄能器工作总容积 02b210.4(1/13) 0.7143 -(1/14) 0.7143 4.56/0.0426107 选择标准皮蓄能器 340120 ,(2) 高压回路,北京科技大学,1. 在整个工作循环周期中，在尖峰流量工作时，蓄能器与泵同时供油，能满足执行机构的流量要求；同时在整个工作周期中，双泵均可给蓄能器补足液，因而上述设计是理的。 2. 在整个工作循环中，高压小泵基本上都在工作，除供给执行机构油外，还能满足高压蓄能器补液要求；低压大泵则只需工作一段时间就可满足低压蓄能器补液要求。消耗合理，节省电能。 3. 驱动电机的功率计算在整个工作循环周期内，把泵最大耗能量作为电机的选择功率。,结论：,北京科技大学,2) 双泵在低压下工作 1(12)61280(100168)6120.844 从上述计算中选择最大值，作为电机的功率： 55 1000 ,1) 双泵在各自压力下工作时的功率 1116121001306120.826.6 222612751686120.827.45 1254.1 ,北京科技大学,根据现场状况，液压站在热车间工作，不需要加热器，但需考虑加冷却器。因而需计算系统热平衡。1) 系统发热量 (1) 泵动力损失产生的热量 1860(1-h)86055(1-0.8)9460 (2) 元件压力产生的热量 执行元件发热忽略,6. 冷却器和加热器选择,5. 油箱 根据经验确定：11268112948 3 3,北京科技大学,溢流阀溢流产生的热量：21.4114.1(816813100)7280 其它阀产生的热量： 314.1各执行元件只有移动缸和升降缸压力损失大，其它阀压力损失都不及它们大，故只计算它们的发热量。 移动缸： 2 (12 M),北京科技大学,460 314.1460212972 升降平衡缸：2 10466.4170.4 314.1170.424805 两者不同时工作，取大值。 312972 流经管道产生的热量 4(0.03-0.05)8600.0455860 1892 系统总发热量 12361604 ,北京科技大学,12.3243333 冷却器的散热量为k23) 系统的热平衡 k1k2 k261604-333358271 4) 冷却器散热面积 k258271 kk2m 板式冷却器散热系数 m(1+2)2-(1+2)2 12油的进出口温度155 2480 12水的进出口温度125 2300,北京科技大学,2)系统的散热量油箱的散热量 k11(1-2) 0.0650.06510=0.134 2 113 1-255-3520 k113,m51.5-27.524 0 k58271244505.4 2 选板式冷却器 6 2,北京科技大学,5) 过滤器选择系统中选用比例元件，而且设备要求故障率低，所以选过滤精度为10m的过滤器。 压油过滤器：通流量 250 回油过滤器：通流量 630 6) 其它液位计及压力控制与保护仪表（略）,北京科技大学,