6液压系统关键技术与设计分析手段.ppt
液压控制专业介绍,西北工业大学,6.1、液压系统关键技术6.2、液压系统设计分析手段,6.1.1 液压系统液压油,液压油的要求：不同的液压传动系统，不同的使用情况对液压油的要求有很大的不同，为了更好地传递动力和运动，液压系统使用的液压油应具备如下性能。,1.合适的黏度!较好的黏温特性。2.润滑性能好。3.质地纯净，杂质少。4.具有良好的相容性。5.具有良好的稳定性（热，水解，氧化，剪切）。6.具有良好的抗泡沫性，抗乳化性，防锈性，腐蚀性小。7.体膨胀系数低，比热容高。8.流动点和凝固点低，闪点和燃点高。9.对人体无害，成本低。,6.1.1 液压系统液压油,常用液压油：国产液压油的种类和牌号有多种多样。目前我国常用液压油包括普通润滑油，专用液压油和抗燃液压油。现将常用液压油简介如下。,（1）机械油 机械油是一种工业用中质润滑油。它是由浅度精制的润滑油馏分制成，除加适量的降凝剂外，少数厂还加有抗泡剂。这种油按50时的运动黏度分为七个牌号（10号，,20号,30号，40号，50号,70号，90号）。机械油的主要缺点是氧化安全性，抗泡沫和抗乳化能力以及黏温特性和抗磨性较差，容易因为氧化而生成胶质沉淀物，使用寿命短（换油期约为半年），只能用于要求不高的液压系统和8MPa以下的中，低压系统。过去由于专用液压油生产和推广不足，所以机械油在液压系统中应用很普遍。,6.1.1 液压系统液压油,（2）汽轮机油 汽轮机油又称为透平油，是浅黄色透明液体，它是用比机械油精制程度深的润滑油分馏后，加0.3%的抗氧化剂调和而成。这种油按50时的运动黏度分为20号，30号，40号，45号，55号.汽轮机油的主要优点是因加入抗氧化添加剂，在高温下有较好的抗空气氧化性，在高温下酸值也不会增高，与混入的水分能迅速完全分离，抗乳化性好，并且酸性低，灰分少，机械杂质少，使用寿命长（换油期约为一年）。汽轮机油适用于要求较高的液压传动系统（一般应用在8MPa以下较精密的中低液压系统）价格约比机械油高1/31/2，产量比较少（只是机械油的1/10），要酌情选用。,6.1.1 液压系统液压油,（3）变压器油 变压器油经过高度精制，机械杂质和水分的含量极少，酸性及灰分低，黏度和凝固点也较低（黏度在50下小于9.6凝固点低于-25），并具有高度的抗氧化性。变压油常用于低温，轻载，低压系统中，价格与汽轮机油相仿。,6.1.1 液压系统液压油,（4）柴油机油 柴油机油按100时的运动黏度分为8号.11号,14号,16号,20号等几个牌号。油中加有抗氧化，抗腐蚀和使发动机清洁的添加剂，润滑性能好，黏温特性优良，一般在工程机械，起重运输机械，拖拉机及林业机械的液压系统中应用。夏季常用11号，冬季用,8号。,（5）11号汽缸油 11号汽缸油是一种重工业润滑油，适用于低速，重负荷及周围环境温度很高的液压传动系统。,6.1.1 液压系统液压油,（6）普通液压油（即精密机床液压油）普通液压油采用汽轮机油馏分作基础油，并加入抗氧化，抗磨损，抗泡沫，防锈蚀等添加剂，其黏温特性好，是一种精制润滑油。这种油按40时的运动黏度分为32号,46号,68号等几个牌号，适用于精密机床液压系统，换油期达一年以上。但是由于这种油凝固点为-10。所以不适用于低温条件下工作，只适用于室内设备的液压系统（只适用于0以上的工作环境），过去这种油仅用于精密机床液压系统中，而在其他的机床液压系统中，普遍采用各种牌号的机械油。从使用效果，油液寿命，经济效果看，普遍采用机械油是不合理的，因此今后在机床液压系统中，希望尽量采用精密机床液压油，以改变过去不合理的状况。,6.1.1 液压系统液压油,（7）液压导轨油 这种油的基础油与精密机床液压油相同，除精密机床液压油所具有的全部添加剂外，还加入了防爬行性能的添加剂，所以具有较好的防爬行性能。当液压系统中的工作油液要兼起机床导轨面的润滑作用时，宜选用这种油液。有静压导轨的机床必须选用这种油作为导轨部分的工作油。,6.1.1 液压系统液压油,（8）低凝液压油,这种油用低凝固点的机械油或汽轮机油，加入抗氧化，抗腐蚀，降凝点和增黏等添加剂调和而成。低温条件下该油有较好的启动性能，在正常温度下又具有满意的工作性能，其黏度指数在130以上，而且抗剪切性能好，适用于环境温度为-15以下的高压，低温液压系统或环境温度变化较大的户外液压设备（凝固点为-30）。广泛应用于建筑机械，工程机械，起重运输机械的液压系统中。,（9）数控液压油 这是低黏度的变压器油分馏后并加有抗磨损，抗氧化，增黏等添加剂调和而成。这种油的突出优点是黏度指数可达175以上，主要应用于数控机床及电液脉冲马达上。,6.1.1 液压系统液压油,（10）抗磨液压油 抗磨液压油的基础油与液压油相同，仅针对摩擦金属材料的不同，加入一定数量的抗磨剂（如钢对钢加二烷基二硫代磷酸锌；对含有银或青铜材料的零件用只含硫，磷的抗磨剂，称无灰型抗磨液压油），此外还加有抗氧，抗磨，抗泡，抗锈等添加剂，总量在1.5%3%时，抗磨效果比较好。适用于高，中压液压系统，特别适用于高压叶片泵。凝固点为-25，故适用于-15以上的工作环境。第一代产品是以二烷基二硫作为极压添加剂，称为有灰型或锌型；第二代是以硫磷或化合物作为极压添加剂，称为无灰型。有灰型价格低，已在高压系统中得到广泛应用。无灰型在各方面性能比有灰型好，但价格昂贵，目前在国外应用也还不多。含锌抗磨液压油对钢-钢摩擦副抗磨性好，而对银，铜部件有腐蚀。无灰抗磨液压油对银，铜部件不会产生腐蚀。但随着添加剂的改善，无灰型终究要代替有灰型。,6.1.1 液压系统液压油,液压泵的工作原理和分类 液压泵是一种能量转换装置,它把驱动它的原动机(一般为电动机)的机械能转换成输送到系统中去的液压油的压力能.液压泵是容积式的.,6.1.2 液压系统动力元件,液压泵的主要参数（1）压力，排量和流量工作压力：液压泵的工作压力是指实际工作时的输出压力，也就是油液为了克服阻力所必须建立起来的压力。额定压力：液压泵的额定压力是指泵在使用中按标准条件连续运转允许达到的最大工作压力，超过此值就是过载。额定压力也就是液压泵铭牌上所标明的压力。除此之外还有最高允许压力，它是指泵短时间内所允许超载使用的极限压力，它受泵本身密封性能和零件强度等因素的限制；吸入压力是指泵吸入口处的压力。由于液压传动的用途不同，液压系统所需的压力也不同，为了便于液压元件的设计，生产和使用，将压力分为几个等级，列于下表,6.1.2 液压系统动力元件,排量（V）：液压泵的排量（用V表示）是指在不考虑泄漏的情况下，轴转过一整转时所能输出（或所需输入）的油液体积。也就是液压泵铭牌上所标明的参数。,6.1.2 液压系统动力元件,压力分级,6.1.2 液压系统动力元件,6.1.2 液压系统动力元件,6.1.2 液压系统动力元件,6.1.2 液压系统动力元件,6.1.2 液压系统动力元件,6.1.2 液压系统动力元件,液压控制元件的作用与分类 液压阀属于控制调节元件，本身有一定的能量消耗。液压阀的阀芯与阀体间的密封方式一般采取间隙密封（球芯阀除外），这种密封方式不可避免地存在内泄漏。为使阀芯能灵活运动而又减少泄漏，对液压阀性能的基本要求是：制造精度要高，阀芯动作要灵活，工作性能可靠，密封性要好，阀的结构要紧凑，工作效率高，通用性好。在选用液压元件时，要注意其工作压力应低于其额定压力，通过液压元件的实际流量小于其额定流量；如果液压元件与电气控制有关，要注意其额定电压与交直流的匹配关系。,6.1.3 液压系统控制元件,6.1.3 液压系统控制元件,伺服阀的分类 伺服阀是液压伺服系统中最重要，最基本的组成部分，它起着信号转换，功率放大及反馈等控制作用。伺服阀可从不同的角度加以分类。按控制信号分类可分为机液伺服阀，电液伺服阀，气液伺服阀。按结构分类可分为滑阀，射流管阀和喷嘴挡板阀等。,6.1.3 液压系统控制元件,6.1.3 液压系统控制元件,（1）滑阀 根据滑阀控制边数（起控制作用的阀口数）的不同，有单边控制式，双边控制式和四边控制式三种类型的滑阀。,6.1.3 液压系统控制元件,（2）射流管阀,射流管阀的优点是结构简单，动作灵敏，工作可靠。它的缺点是射流管运动部件惯性较大，工作性能较差；射流能量损耗大!效率较低；供油压力过高时易引起振动。此种控制阀只适用于低压小功率场合。,6.1.3 液压系统控制元件,（3）喷嘴挡板阀,6.1.3 液压系统控制元件,（4）电液伺服阀,6.1.3 液压系统控制元件,电液伺服阀是电液联合控制的多级伺服元件，它能将微弱的电气输入信号放大成大功率的液压能量输出。电液伺服阀具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压控制系统中得到广泛的应用。是一种典型的电液伺服阀工作原理。它由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个力矩马达，液压部分是一个两级液压放大器。液压放大器的第一级是双喷嘴挡板阀，称前置放大级；第二级是四边滑阀，称功率放大级。,6.1.4 液压系统执行元件,6.2液压系统设计步骤和内容,明确液压系统设计要求,执行元件运动负载分析,确定执行元件主要参数,拟定液压系统原理图,选择液压元件,验算液压系统性能,绘工作图，编技术文件,是否通过,是,否,6.2.1明确液压系统设计要求,动作要求,运动及方式工作循环和动作周期同步、互锁和配合要求,负载条件速度要求工作行程运动平稳性和精度工作可靠性,性能要求,环境要求,环境温度、湿度、尘埃、通风易燃易爆、振动、安装空间,6.2.2 执行元件工况分析,分析执行元件运动和负载了解执行元件速度和负载变化的规律绘制执行元件工况图（v-s、F-s曲线）确定系统主要参数（p、q）的依据拟定液压系统图的依据,运动分析负载分析,6.2.2.1 运动分析,研究执行元件的工作要求和运动规律绘制执行元件的工作循环图和速度循环图(v-s或v-t曲线),6.2.2.2 负载分析,研究执行元件的负载要求绘制执行元件的负载循环图(F-s或F-t曲线),6.2.2.3 液压缸负载分析 F=FL+Ff+Fa,工作负载FL,机床：缸轴线方向的切向力液压机：工件的压制抗力,摩擦阻力：运动部件与支承面间的摩擦力Ff=f FN,摩擦阻力负载Ff,惯性负载Fa,惯性负载：运动部件速度变化时，由其惯性而产生的负载：,6.2.3 确定执行元件主要参数,初选执行元件的工作压力确定执行元件的几何参数确定执行元件的最大流量复算执行元件的工作压力绘制执行元件的工况图,6.2.3.1 初选执行元件的工作压力,工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，影响执行元件的尺寸和成本，及液压系统性能工作压力选高：执行元件和系统的结构紧凑，但元件的强度、刚度及密封要求高，要用高压泵工作压力选底：增大执行元件及系统尺寸，结构变得庞大。,根据总负载值初选根据主机设备类型初选,（1）负载与工作压力的关系,（2）各类液压设备常用工作压力,6.2.3.2 确定执行元件的几何参数,（1）液压缸有效工作面积：根据A确定液压缸的D和d最低稳定速度验算：若验算结果不满足，则说明所设计的结构尺寸和方案达不到所需低速，必须修改,F-负载om-机械效率P-工作压力qmin-流量阀的最小稳定流量Vmin-液压缸所需的最低稳定速度,（2）液压马达,计算马达排量：从产品样本中选型号最低稳定转度验算：若验算结果不满足，则说明所设计的结构尺寸和方案达不到所需低速，必须修改,T-总负载转矩Mm-机械效率P-工作压力qmin-输入马达最低稳定流量nmin-马达所需最低稳定速度,6.2.3.3 确定执行元件的最大流量,（1）液压缸（2）液压马达,选择液压泵和其它液压元件型号中流量参数的依据,6.2.3.4 复算执行元件的工作压力,当液压缸的D、d和液压马达的V计算出来后，根据系列标准经过圆整，应根据圆整值对工作压力进行复算因没有考虑回油路背压，在结构参数D、d、V确定后，选取适当的背压估算值复算工作压力,执行元件背压的估算值：,6.2.3.5 绘制执行元件的工况图,（1）绘制工况图压力图流量图功率图（2）工况图作用直观方便找出最大压力、流量、功率，选择泵和原动机的依据指导选择系统中液压元件有助于选择基本回路为修正设计提供依据,6.2.4 拟定液压系统原理图,拟定液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一环一般方法：根据设备的性能要求选择合理的液压基本回路；再将基本回路有机地组合成一个完整的液压系统,液压回路的选择液压回路的综合,6.2.4.1 液压回路的选择,（1）确定供油方式 一般根据液压系统的工作压力、流量、转速、效率、定量或变量等来选择液压泵,定量泵与变量泵比较,液压泵种类与特性,（2）确定调速方法,除满足速度要求外，还应考虑液压系统的功率、调速范围、速度刚度、温升、经济性等要求,定量泵与变量泵比较,（3）速度换接回路选择,速度换接回路的形式常用行程阀或电磁阀来实现,行程阀与电磁阀比较,（4）换向回路选择,根据执行元件对换向性能要求，选择换向阀机能和控制方式,换向阀控制方式比较,（5）压力控制回路选择,节流调速中：常用溢流阀组成恒压控制回路 容积调速和容积节流调速中：常用溢流阀组成限压安全保护回路,（6）其它回路的设置,根据液压系统要求 可设置卸荷回路、减压回路、增压回路、多级调压回路、远程调压回路、顺序动作回路、同步回路等,6.2.4.2 液压回路的综合,液压基本回路确定后，即可综合成完整的液压系统。注意 如下几点：综合成的液压系统应保证其循环时的每一个动作要求都安全可靠、相互间互不干涉 综合成的液压系统应尽量选用标准元件，力求做到系统结构简单 尽可能使液压系统经济合理，便于维修检测,6.2.5 液压元件的计算和选择,通过计算各液压元件在工作中承受的压力和通过的流量，来确定各元件的规格和型号,液压泵的选择阀类元件的选择液压辅助元件的选择,6.2.5.1 液压泵的选择,首先选择泵的类型，然后再计算确定泵的规格,（1）确定泵的最高工作压力pP,pmax执行元件的最大工作压力p 管路总压力损失。初步估算时，一般节流调速和管路简单的系统取0.20.5MPa；有调速阀和管路较复杂的系统取0.51.5MPa。,（2）确定泵的最大供油量qP,K系统泄漏系数，一般取1.11.3qmax 同时工作的执行元件流量之和的最大值。,（3）选择液压泵规格,液压泵的额定压力pn液压泵的额定流量qn,（4）确定泵驱动功率,使用定量泵时的驱动功率Pnp 液压泵的工作压力(Pa)q 液压泵流量(m3/s)p液压泵的总效率,使用限压式变量泵时的驱动功率PnpB 变量泵的拐点压力(Pa)qB 变量泵拐点流量(m3/s)p变量泵的总效率,6.2.5.2 阀类元件的选择,根据阀的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择阀的规格阀的额定压力系统最高工作压力阀的额定流量系统实际通过阀的最大流量选择压力阀时应考虑调压范围选择流量阀时应注意其最小稳定流量选择换向阀时除考虑压力、流量外，还应考虑中位机能及操纵方式,6.2.6 液压系统的性能验算,液压系统压力损失的验算液压系统发热温升的验算,6.2.6.1 液压系统压力损失验算,（1）执行元件为液压缸时,F-负载cm-机械效率A1-进油腔面积A2-回油腔面积p1-进油管总压力损失p2-回油管总压力损失,前面确定泵最高压力时压力损失作粗略估算现在液压系统已完全确定，需验算管路总压力损失若验算与估算相差较大，则应对原设计进行修正对较简单液压系统，压力损失验算可忽略不计,（2）执行元件为液压马达时,T-马达输出转矩Mm-机械效率V-液压马达排量p1-进油管总压力损失p2-回油管总压力损失,（3）总压力损失,总压力损失=管路沿程压力损失+管路局部压力损失+阀类元件局部压力损失,6.2.6.2 液压系统发热温升验算,系统压力损失、机械损失、容积损失大都转变为热能，使系统发热，油温升高，产生不良后果、影响正常工作必需控制油液温升t在许可范围之内：机床系统：t2530 工程机械：t3540 精密机床：t1015散热元件：主要为油箱和冷却装置,（1）系统发热量计算,如在工作循环中泵输出的功率不一样，则可按各阶段的发热量求出系统单位时间的平均发热量：,T-工作循环周期时间ti-第i工作段时间Pi-第i工作段泵输入功率i-第i工作段系统总效率,P-液压泵的输入功率-液压系统的总效率=PCM(泵、回路、执行元件效率的乘积),（2）系统散热量计算,h-散热系数A-油箱的散热面积t-系统温升,当油箱边长之比为1:1:1到1:2:3范围内，且油位是油箱高度的0.8倍时，A可由左式近似计算V-油箱有效容积(L)A-散热面积(m2),（3）系统热平衡温度验算,t过大，可增大油箱散热面积或增设冷却装置,6.2.7 绘制工作图和编制技术文件,液压系统原理图非标准件的装配图和零件图液压系统装配图,绘制工作图,液压元件明细表工作循环图电磁铁或压力继电器工作状态表,泵站装配图集成油路装配图管路装配图电气线路图,液压系统设计计算说明书液压系统使用及维护技术说明书零部件目录表、标准件通用件及外购件总表,编制技术文件,
