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液压传动系统课程设计指导书江本赤编写系别班级学号姓名安徽国防科技职业学院机械工程系机械制造教研室目录第1章概述1.1液压传动课程设计的目的1.2液压传动课程设计的内容和工作量1.3液压传动课程设计的步骤和进度1.4液压传动课程设计的方法和要求第2章液压系统设计2.1明确设计要求2.2总体规划、确定液压执行元件2.3明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律,绘制液压系统工况图2.4确定系统工作压力2.5计算执行元件主要参数2.6制定基本方案2.7草拟液压系统原理图2.8液压元件的选择与专用件设计2.9验算液压系统性能2.10设计液压装置,绘制液压系统原理图第3章液压缸设计3.1设计依据和设计步骤3.2确定液压缸类型、安装方式及各部分结构3.3液压缸主要技术性能参数的计算3.4液压缸各部分结构形式的设计第4章编写设计计算说明书第1章概述
1.1液压传动课程设计液压传动课程设计,是在学生学完《液压与气压传动》课以及其他有关课程,并经过生产实习后进行的,是《液压与气压传动》课程的一个综合实践教学环节通过该教学环节,要求达到以下目的1.巩固和深化已学的理论知识,掌握液压系统和油缸设计计算的一般方法和步骤;2.能正确合理地确定执行机构,选用标准液压元件;能熟练地运用液压基本回路组合成满足基本性能要求的、高效率的液压系统3.能正确合理地选择液压缸的结构类型,确定基本参数,进行强度计算与稳定性校核;完成液压缸的结构设计4.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料
1.2液压传动课程设计的内容和工作量1.2.1题目液压传动课程设计,通常选择简单机床、工程机械和专用机械的液压传动系统和主油缸的结构进行设计其设计内容即包括课程中学过的液压元件、液压基本回路,又涉及到液压传动设计中常遇到的一般问题能达到液压传动课程设计的目的1.2.2内容液压系统及主油缸的设计计算、液压系统原理图和主油缸装配图的绘制及计算说明书的编写等
1.3液压传动课程设计的步骤和进度液压传动课程设计的步骤为1.设计准备认真阅读设计任务书,明确设计要求、工作条件、内容和步骤;通过阅读有关资料图纸,了解设计对象;准备好设计需要的图书、资料和用具;拟订设计计划等2.液压系统的设计明确设计要求;总体规划、确定液压执行元件;明确夜压执行元件的载荷、速度及变化规律,绘制夜压系统工况图;确定系统工作压力;确定执行元件的控制和调速方案;草拟液压系统原理图;计算执行元件主要参数;计算泵的流量,选择液压泵;选择液压控制元件;计算液压泵的驱动功率,选择电动机;选择、计算液压辅助件;验算液压系统性能;绘制液压系统原理图3.液压缸设计明确液压缸使用工况及安装条件;计算、确定液压缸主要参数;设计液压缸各部分结构形式;计算液压缸结构强度和校核稳定性;设计液压缸的导向、密封、防尘、缓冲等装置;绘制装配图和零件图4.整理编写设计计算说明书整理编写设计计算说明书,总结设计的收获和经验教训为帮助大家拟订好设计进度,表(1-1)列出了各阶段所占总工作量的大致比例,供参考教师将根据学生是否按时完成各阶段的设计任务来考察其设计能力,并作为评定成绩的量化考核的依据之一表1-1序号设计内容占总工作量的百分比%完成阶段设计的参考时间123456液压系统设计计算绘制液压系统原理图液压缸设计计算装配工作图设计整理编写设计计算说明书答辩30151030105第一天第二天下午第三天第三天下午第四天下午第五天下午
1.4液压传动课程设计的方法和要求
1.
4.1方法液压课程设计与机械设计的一般过程相似,从方案设计开始,进行必要的计算、元件选型和结构设计,最后以图纸表达设计结果,以计算说明书表示设计的依据液压系统的设计步骤并无严格的顺序,各步骤间往往要互相穿插进行系统设计时必须从实际出发,综合考虑实用性、经济性、安全性、先进性及操作维修方便如果可以用比较简单的回路实现系统要求,就不必过分强调先进性,系统并非越先进越好同样,在安全性、方便性要求较高的地方,应充分考虑系统性能的冗余并采用性能好的元件,不能单纯考虑简单、经济由于影响油缸设计的因素很多,油缸的结构尺寸不可能完全由计算决定,还需要借助画图、初选参数或通过边画图、边计算、边修改的过程逐步完成设计
1.
4.2课程设计的要求和注意事项1.认真、仔细、整洁设计工作是一项认真仔细的工作,一点也马虎不得,无论是参数计算、元件选型或结构设计中,一点细小的差错都会导致产品的报废因此,要通过课程设计培养出认真、细致、严谨、整洁的工作作风2.理论联系实际,综合考虑问题,力求设计合理、实用、经济、工艺性好3.正确处理继承与创新的关系,正确使用标准和规范正确继承以往的设计经验和利用已有的资料,即可减轻设计的重复工作量,加快设计的进程,又有利于提高设计质量但继承不是盲目的抄袭设计中正确地运用标准和规范,有利于零件的互换性和加工工艺性,从而收到良好的经济效益,同时也可减少设计工作量对于国家标准或行业规范,一般要严格遵守设计中是否尽量采用标准和规范,也是评价设计质量的一项指标但是,标准和规范是为了便于设计、制造和使用而制定的,不是用来限制创新和发展的因此,当遇到与设计要求又矛盾时,也可突破标准和规范的规定,自行设计4.学会正确处理设计计算和结构设计间的关系,要统筹兼顾确定零件尺寸有几种不同的情况
①由几何关系导出的公式计算出的尺寸是严格的等式关系若改变其中某一参数,则其他参数必须相应改变,一般不能随意圆整或变动
②由强度、稳定性等条件导出的计算公式常是不等式关系有些零件必须满足的最小尺寸,却不一定就是最终采用的结构尺寸
③由实践经验总结出来的经验公式,常用于确定那些外型复杂,强度情况不明的尺寸,这些经验公式是经过生产实践检验的,应给以尊重但这些尺寸关系都是近似的,一般应圆整取用另外,还有一些尺寸可由设计者自行根据需要而定,根本不必进行计算,它们常是一些次要尺寸这些零件的强度往往不是主要问题,又无经验公式可循,姑可由设计者考虑加工、使用等条件,参照类似结构,用类比的方法确定5.所绘图纸要求作图准确、表达清晰、图面整洁,符合机械制图标准;说明书要求计算准确、书写工整,并保证要求的书写格式第2章液压系统设计
2.1明确设计要求设计要求是进行每项设计的依据在制定基本方案并进一步行着手液压系统各部分设计之前,必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚
1、主机的概况用途、性能指标、工艺流程、工作特点、作业环境、总体布局等;
2、液压系统必须完成的动作,动作顺序及彼此联动、联锁关系如何;
3、液压驱动的运动形式、行程和对速度的要求;
4、各动作机构的载荷大小及其性质;
5、对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求;
6、自动化程度、操作控制方式的要求;
7、对防尘、防爆、防寒、躁声、安全可靠性的要求;
8、对效率、成本等方面的要求
2.2总体规划、确定液压执行元件液压执行元件的类型、数量、安装位置和与主机的连接关系,对主机的设计有很大影响,在考虑液压设备的总体方案时,确定液压执行元件和确定主机整体结构布局是同时进行的,液压执行元件的选择由主机的动作要求、载荷大小及布置空间条件确定,液压执行机构的选择可参考表2-12.3明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律,绘制液压系统工况图在设计技术任务书阐明的主机规格中,通常能够直接知道作用于液压执行元件的载荷,及其在完成一个工作循环时的运动规律但若主机的载荷与运动关系是经过机械传动关系作用到液压执行元件上时,则需要经过计算才能明确有时,例如进行新机型液压系统设计,其载荷与运动往往需要由样机实测,同类设备参数类比或通过理论分析得出2.3.1载荷的组成和计算2.3.1.1液压缸的载荷组成与计算液压执行元件图2-1表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图各有关参数标注图上,其中Fw是作用在活塞杆上的外部载荷,Fm是活塞与缸璧以及活塞杆与导向套之间的密封阻力作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg,导轨的摩擦力Ff和由于速度变化而产生的惯性力Fa
(1)工作载荷Fg常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等这些作用力的方向如与活塞运动方向相同为负,相反为正表2-1常用液压执行元件的类型、特点和应用类型特点应用柱塞缸结构简单、制造容易;靠自重或外力回程液压机、千斤顶、小缸用于定位和夹紧活塞缸单出杆一般连接,往返速度和出力不同;差动连接,可实现快进;d=
0.71D差动连接,往返速度和出力相同各类机械双出杆两杆直径相等,往返速度和出力相同;两杆直径不等,往返速度和出力不同磨床,往返速度相同或不同的机构复合增速缸可获得多种出力和速度,结构紧凑,制造较难液压机、注塑机、数控机床换刀机构复合增压缸体积小,出力大,行程小模具成型挤压机、金属成型压印机、六面顶多级液压缸行程是缸长的数倍,节省安装空间汽车车厢举倾缸、起重机臂伸缩缸叶片式摆动缸单叶片式转角<3600;双叶片式转角<1800体积小,密封较难机床夹具、流水线转向调头装置、装载机翻斗活塞齿杆液压缸转角0~3600或7200;密封可靠,工作压力大,扭矩大船舶舵机、大扭矩往复回转机构齿轮马达转速高,扭矩小,结构简单,价廉钻床、风扇传动摆线齿轮马达转速中等,扭矩范围宽,结构简单,价廉塑料机械、煤矿机械、挖掘机行走机构曲杆马达直径小,扭矩大;视定子材料,可用矿物油、清水或含细颗粒介质食品机械、化工机械、凿井设备叶片马达转速高,扭矩小,转动惯量小,动作灵敏,脉动小,躁声低磨床回转工作台、机床操纵机构、多作用大排量用于船舶锚机球塞马达速度中等,扭矩较大,轴向尺寸小塑料机械、行走机械轴向柱塞马达速度大,可变速,扭矩中等,低速平稳性好起重机、绞车、铲车、内燃机车、数控机床内曲线径向马达扭矩很大,转速低,低速平稳性很好挖掘机、拖拉机、冶金机械、起重机、采煤机牵引部件
(2)导轨摩擦载荷Ff对于平导轨Ff=μ·(G十FN对于V型导轨Ff=μ·(G十FN/sin()其中G——运动部件所受的重力(N);FN——外载荷作用于导轨上的正压力(N);μ——摩擦系数见表2-2;α——V型导轨的夹角,一般为90°
(3)惯性载荷Fa其中g——重力加速度;g=
9.81m/s2;Δv——速度变化量(m/s);Δt——起动或制动时间(s)一般机械Δt=
0.1~
0.5s,对轻载低速运动部件取小值,对重载高速部件取大值行走机械一般取
0.5~
1.5m/s以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷Fw起动加速时Fw=Fg十Ff十Fa稳态运动时Fw=Fg十Ff减速制动时Fw=Fg十Ff-Fa工作载荷Fg非每阶段都存在,如该阶段没有工作,则Fg=0表2-2摩檫系数μ导轨类型导轨材料运动状态摩檫系数滑动导轨铸铁对铸铁起动时低速v<
0.16m/s高速v﹥
0.16m/s0.15~
0.200.1~
0.120.05~
0.08滚动导轨铸铁对滚柱(珠)淬火钢导轨对滚柱
0.005~
0.
020.003~
0.006静压导轨铸铁
0.005除外载荷Fw外,作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力,Fm由于各种缸的密封材质和密封形式不同,密封阻力难以精确计算,一般估算为式中ηm—液压缸的机械效率,一般取
0.90—
0.952.3.1.2液压马达载荷力矩的组成与计算
(1)工作载荷力矩Tg常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等
(2)轴颈摩擦力矩Tf式中G——旋转部件施加于轴劲上的径向力N;μ——摩擦系数,参考表2-2选用;r——旋转轴的半径m
(3)惯性力矩Ta式中ε——角加速度(rad/s2);Δω——角速度变化量(rad/s);Δt——起动或制动时间(s);R——回转部件的转动惯量kg·m2起动加速时TW=Tg十Tf十Ta稳定运行时TW=Tg十Tf减速制动时TW=Tg十Tf-Ta计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率ηm(ηm=
0.9~
0.99)2.3.2绘制液压系统工况图根据液压缸或液压马达各阶段的载荷,对液压系统作迸一步的工况分析,绘制液压系统有关工况图,见表2-3明确每个液压执行元件在工作循环各阶段中的速度、载荷变化规律,以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数表2-3液压系统有关工况图工况图名称动作线图位移、转角图速度图载荷图函数式式中参数的意义S液压缸行程摆动缸或液压马达转角液压缸行程速度液压马达转速F液压缸的载荷力液压马达的工作扭矩t时间;t=0~T,T为工作循环周期时间2.4确定系统工作压力系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定,还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制在载荷一定的情况下,工作压力低,势必要加大执行元件的结构尺寸,对某些设备来说,尺寸要受到限制,从材料消耗角度看也不经济;反之,压力选得太高,对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高,必然要提高设备成本一般来说,对于固定的尺寸不太受限的设备,压力可以选低一些,行走机械重载设备压力要选得高一些系统工作压力高,省材料,结构紧凑,重量轻,是液压的发展方向,但要注意治漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理具体选择参考表2-4,表2-5表2-4按载荷选择工作压力载荷/kN<55~1010~2020~3030~50>50工作压力/MPa<
0.8~
11.5~
22.5~33~44~5≥5表2-5各类设备常用的工作压力设备类型压力范围/MPa压力等级说明设备类型压力范围/MPa压力等级说明机床、压铸机、汽车<7低压低噪声、高可靠性系统油压机、冶金机械、挖掘机、重型机械21~
31.5高压空间有限、响应速度高、大功率下降低成本农业机械、工矿车辆、注塑机、船用机械、搬运机械、工程机械、冶金机械7~212中压一般系统金刚石压机、耐压试验饥、飞机、液压机具>
31.5超高压追求大作用力、减轻重量2.5计算执行元件主要参数2.5.1液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量根据液压系统载荷图、己确定的系统工作压力,计算
(1)活塞缸的内径、活塞杆直径;柱塞缸的柱塞、柱塞杆直径计算方法见第3章“液压缸设计”
(2)液压马达的排量计算方法见教材“液压马达”计算时用到回油背压的数据,见表2-6系统类型背压力/MPa系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统
0.2~
0.5用补油泵的闭式回路
0.8~
1.5回油路带调速阀的系统
0.4~
0.6回油路较复杂的工程机械
1.2~3回油路设置有背压阀的系统
0.5~
1.5回油路较短,且直接回油箱可忽略不计表2-6执行元件的回油背压2.5.2液压缸或液压马达所需的流量2.5.2.1液压缸工作时所需流量Q=Av式中A——液压缸有效作用面积(m2);v——活塞与缸体的相对速度(m/s)2.5.2.2液压马达的流量Q=qnm式中q——液压马达排量(m3/r);nm——液压马达的转速(r/s)2.6制定基本方案2.6.1制定调速方案液压执行元件确定之后,其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现对于一般中小流量的液压系统,大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作对高压大流量的液压系统,现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现种类特性特点及应用无级调速节流调速定量泵-进油节流调速结构简单,价廉,调速范围大,效率中等,不能承受负值载荷,适用于中等功率场合定量泵-回油节流调速结构简单,价廉,调速范围大,效率低,适用于低速小功率的场合定量泵-旁路节流调速结构简单,价廉,调速范围小,效率高,不能承受负值载荷,适用于高速中等功率场合容积-节流调速限压式变量泵-进油(回油)节流调速调速范围大,效率较高,价格较贵,适用于中、小功率场合,不宜长期在低速下工作无级调速伺服变量泵-定量执行机构泵的输出压力恒定,用于随动或工作进行中变速的场合恒功率变量泵-液压缸泵的输出流量随压力自动减小,适用于快慢速自动转换的场合和节能系统无级变速恒压变量泵-液压缸泵的压力达到设定值输出流量为零,自动防止系统过载速度控制通过改变液压执行元件输人或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现速度控制有无级调速和无级调速两种方式无级调速相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速,无级调速和无级变速回路组成及特点见表2-7节流调速一般采用定量泵供油,用流量控制阀改变输人或输出液压执行元件的流量来调节速度此种调速方式结构简单,由于这种系统必须用溢流阀,故效率低,发热量大,多用于功率不大的场合容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的其优点是没有溢流损失和节流损失,效率较高但为了散热和补充泄漏,需要有辅助泵此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统容积节流调速一般是用变量泵供油,用流量控制阀调节输人或输出液压执行元件的流量,并使其供油量与需油量相适应此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但其结构比较复杂节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式迸油节流起动冲击较小,回油节流常用于有负载荷的场合,旁路节流多用于高速调速回路一经确定,回路的循环形式也就随之确定了节流调速一般采用开式循环形式在开式系统中,液压泵从油箱吸油,压力油流经系统释放能量后,再排回油箱开式回路结构简单,散热性好,但油箱体积大,容易混人空气容积调速大多采用闭式循环形式闭式系统中,液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通,形成一个封闭的循环回路其结构紧凑,但散热条件差有级变速比无级调速使用方便,适用于速度控制精度不高,但要求速度能够预置,以及在动作循环过程中有多种速度自动变换的场合回路组成和特点见表2-82.6.2制定压力控制方案液压执行元件工作时,要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作,也有的需要多级或无级连续地调节压力,一般在节流调速系统+,通常由定量泵供油,用溢流阀调节所需压力,并保持恒定在容积调速系统中,用变量泵供油,用安全阀起安全保护作用在有些液压系统中,有时需要流量不大的高压油,这时可考虑用增压回路得到高压,而不用单设高压泵液压执行元件在工作循环中,某段时间不需要供油,而又不便停泵的情况下,需考虑选择卸荷回路在系统的某个局部,工作压力需低于主油源压力时,要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力2.6.3制定顺序动作方案主机各执行机构的顺序动作,根据设备类型不同,有的按固定程序运行,有的则是随机的或人为的工程机械的操纵机构多为手动,一般用手动的多路换向阀控制加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制,当工作部件移动到一定位置时,通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作行程开关安装比较方便,而用行程阀需连接相应的油路,因此只适用于管路联接比较方便的场合另外还有时间控制、压力控制等例如液压泵无载启动,经过一段时间,当泵正常运砖后,延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭,建立起正常的工作压力压力控制多用在带有液压夹具的机床,挤压机压力机等场合当某一执行元件完成预定动作时,回路中的压力达到一定的数值,通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀便压力油通过,来启动下一个动作2.6.4选择液压动力源液压系统的工作介质完全由液压源来提供,液压源的核心是液压泵节流调速系统一般用定量泵供油,在无其他辅助油源的情况下,液压泵的供油量要大于系统的需油量,多余的油经溢流阀流回油箱,溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用容积调速系统多数是用变量泵供油,用安全阀限定系统的最高压力为节省能源提高效率,液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况,一般采用多泵供油或变量泵供油对长时间所需流量较小的情况可增设蓄能器做辅助油源油液的净化装置是液压源中不可缺少的一般泵的人口要装有粗过滤器,迸人系统的油液根据被保护元件的要求,通过相应的精过滤器再次过滤为防止系统中杂质流回油箱,可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器根据液压设备所处环境及对温升的要求,还要考虑加热、冷却等措施变速方式回路组成回路特点多泵并联换接回路属容积式变速,效率高,变速级数少,价格较高并联泵并联流量控制阀换接回路组成回路容易,变速级数多,有节流损失,效率较低,但高于无级节流调速,价格较低2.7草拟液压系统原理图液压系统原理图由液压系统图、工艺循环顺序动作图表和元件明细表三部分组成
1、拟定液压系统图注意事项
(1)不许有多余元件;使用的元件和电磁铁数越少越好
(2)注意元件间的连锁关系,防止相互影响产生误动作
(3)系统各主要部位的压力能够随时检测;压力表数目要少
(4)按国家标准规定,元件符号按常态工况给出,非标准元件用简练的结构示意图表达
2、拟定工艺循环顺序动作图表注意事项
(1)液压执行元件的每个动作成分,如启动、每次换速、运动结束等,按一个工艺循环的工艺顺序列出
(2)在每个动作成分的对应栏内,写出该动作成分开始执行的发信元件代号同时,在表上标出发信元件所发出的信号是指令几号电磁铁或机控元件如行程减速阀、机动滑阀处于什么工作状态——得电或失电油路通或断
(3)液压系统有多种工艺循环时,原则上是一种工艺循环一个表,但若能表达清楚又不会误解,也可适当合并编制元件明细表时,习惯上将电动机与液压元件一同编号,并填入元件明细表;而非标准液压缸不和液压件一同编号,不填入元件明细表2.8液压元件的选择与专用件设计2.8.1液压泵的选择(1)确定液压泵的最大工作压力pPpP≥p1+ΣΔp式中p1——液压缸或液压马达最大工作压力;ΣΔp—— 从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失ΣΔp的准确计算要待元件选定并给出管路图时才能进行,初算时可按经验数据选取管路简单、流速不大的,ΣΔp=(0.2~0.5)MPa;管路复杂,进口有调速阀的,取ΣΔp=(0.5~1.5)MPa(2)确定液压泵的流量QP多液压缸或液压马达同时工作时,液压泵的输出流量应为QP≥K(ΣQmax)式中K——系统泄漏系数,一般取K=1.1~1.3;ΣQmax——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量,可从(Q-t)图上查得对于在工作过程中用节流调速的系统,还须加上溢流阀的最小溢流量,一般取0.5×10-4m3/s系统使用蓄能器作辅助动力源时,式中K——系统泄漏系数,一般取K=1.2;Tt——液压设备工作周期(s);Vi——每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量(m3);Z—— 液压缸或液压马达的个数(3)选择液压泵的规格根据以上求得的pP和QP值,按系统中拟定的液压泵的形式,从产品样本或手册中选择相应的液压泵为使液压泵有一定的压力储备,所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%~60%泵的额定流量应与计算所需流量相当,不要超过太多(4)确定液压泵的驱动功率在工作循环中,如果液压泵的压力和流量比较恒定,即p-t、(Q-t)图变化较平缓则式中pP——液压泵的最大工作压力Pa;QP——液压泵的流量(m3/s;ηP——液压泵的总效率,参考表2-9选择限压式变量叶片泵的驱动功率,可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算一般情况下,可取pP=
0.8pPmax,QP=Qn,则式中pPmax——液压泵的最大工作压力Pa;Qn——液压泵的额定流量m3/s表2-4液压泵的总效率泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.6~0.70.65~0.800.60~0.750.80~0.85在工作循环中,如果液压泵的流量和压力变化较大,即p-t、(Q-t)曲线起伏变化较大,则须分别计算出各个动作阶段内所需功率,驱动功率取其平均功率式中t
1、t
2、…tn——一个循环中每一动作阶段内所需的时间s;P
1、P
2、…Pn——一个循环中每一动作阶段内所需的功率kW按平均功率选出电动机功率后,还要验算每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内通常,允许电动机短时间在超载25%的状态下工作2.8.2液压阀的选择
(1)阀的规格根据液压系统原理图提供的情况,审查图上各阀在各种工况下达到的最高工作压力和最大流量,以此选择定型产品的阀件的额定压力和额定流量一般情况下,阀的实际压力和流量应与额定值相接近,但必要时允许实际流量超过额定流量20溢流阀按液压泵的最大流量选取;选择节流阀和调速阀时,要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求有的电液换向阀有时会出现高压下换向停留时间稍长不能复位的现象,因此,用于有可靠性要求的系统时,其压力以降额由32MPa降至20-25MPa使用为宜,或选用液压强制对中的电液换向阀单出杆活塞缸的两个腔有效作用面积不相等,当泵供油使活塞内缩时,活塞腔的排油流量比泵的供油流量大得多,通过阀的最大流量往往是在这种情况下出现,复合增速缸和其他等效组合方案也有相同情况,所以在检查各阀的最大通过流量时,这一点要特别注意
(2)阀的型式,按安装和操作方式选择2.8.3蓄能器的选择根据蓄能器在液压系统中的功用,确定其类型和主要参数
(1)液压执行元件短时间快速运动,由蓄能器来补充供油,其有效工作容积为式中A——液压缸有效作用面积m2;l——液压缸行程m;K——油液损失系数,一般取K=
1.2;QP——液压泵流量(m3/s;t——动作时间s(2)作应急能源,其有效工作容积为式中——要求应急动作液压缸总的工作容积m3有效工作容积算出后,根据有关蓄能器的相应计算公式,求出蓄能器的容积,再根据其他性能要求,即可确定所需蓄能器2.8.4管道尺寸的确定
(1)管道内径的计算式中Q——通过管道内的流量(m3/s);v——管内允许流速(m/s),见表2-5表2-5管内允许流速推荐值管道液压泵吸油管道液压系统压油管道液压系统回油推荐流速(m/s)0.5~
1.5,一般取1以下3~6,压力高,管道短,粘度小取大值
1.5~
2.6计算出内径d后,按标准系列选取相应的管子2管道壁厚δ的计算式中p——管道内最高工作压力Pa;d——管道内径m;[σ]——管道材料的许用应力Pa,;σb————管道材料的抗拉强度Pa;n———安全系数,对钢管来说,p<7MPa时,取n=8;p<1
7.5MPa时,取n=6;p>1
7.5MPa时,取n=42.8.5油箱容量的确定初始设计时,先按下式确定油箱的容量,待系统确定后,再按散热的要求进行校核油箱容量的经验公式为V=αQV式中QV——液压泵每分钟排出压力油的容积(m3);Α——经验系数,见表2-6表2-6经验系数α系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械α1~22~45~76~110在确定油箱尺寸时,一要满足系统供油的要求,还要保证执行元件全部排油时,油箱不能溢出,以及系统中最大可能充油时,油箱的油位不能低于最低限度2.9液压系统性能验算液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的,当各回路形式、液压元件及联接管路等完全确定后,针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析对一般液压传动系统来说,主要是进一步确切地计算液压回路各段压力损失、容积损失及系统效率,压力冲击和发热温升等根据分析计算发现问题,对某些不合理的设计要进行重新调整,或采取其他必要的措施2.9.1液压系统压力损失压力损失包括管路的沿程损失Δp1,管路的局部压力损失Δp2和阀类元件的局部损失加Δp3,总的压力损失为Δp=Δp1+Δp2+Δp3式中l——管道的长度m;d——管道内径m;v——液流平均速度m/s;p——液压油密度kg/m3;λ——沿程阻力系数;ξ——局部阻力系数λ、ξ的具体值可参考流体力学有关内容式中Qn——阀的额定流量m3/s;Q——通过阀的实际流量m3/s;Δpn——阀的额定压力损失Pa(可从产品样本中查到)计算压力损失时,通常是把回油路上的各项压力损失折算到进油路上一起计算,以此算得的总压力损失若比选泵时估计的管路损失大,但泵的工作压力还有调节余地时,将泵出口处溢流阀的压力适当调高即可否则,就须修改有关元件的参数例如适当加大液压缸直径或液压马达排量,重新调整泵及其他有关元件的规格尺寸等参数系统的调整压力pT≥p1+Δp式中pT——液压泵的工作压力或支路的调整压力2.9.2液压系统的发热温升计算2.9.2.1计算液压系统的发热功率液压系统工作时,除执行元件驱动外载荷输出有效功率外,其余功率损失全部转化为热量,使油温升高液压系统的功率损失主要有以下几种形式1液压泵的功率损失式中Tt——工作循环周期s;z——投人工作液压泵的台数;Pri——液压泵的输入功率W;ηPi——各台液压泵的总效率;ti——第i台泵工作时间s
(2)液压执行元件的功率损失式中M——液压执行元件的数量;Prj——液压执行元件的输入功率W;η——液压执行元件的效率;tj——第j个执行元件工作时间s
(3)溢流阀的功率损失式中py——溢流阀的调整压力Pa;Qy——经溢流阀流回油箱的流量m3/s
(4)油液流经阀或管路的功率损失式中Δp——通过阀或管路的压力损失Pa;Q——通过阀或管路的流量m3/s由以上各种损失构成了整个系统的功率损失,即液压系统的发热功率上式适用于回路比较简单的液压系统,对于复杂系统,由于功率损失的环节太多,一一计算较麻烦,通常用下式计算液压系统的发热功率式中Pr是液压系统的总输入功率,Pc是输出的有效功率式中Tt——工作周期s;z、n、m——分别为液压泵、液压缸、液压马达的数量;pi、Qi、ηPi——第i台泵的实际输出压力、流量、效率;ti——第i台泵工作时间s;TWj、ωj、tj一一液压马达的外载转矩、转速、工作时间N·m、rad/s、s;Fwi、si——液压缸外载荷及驱动此载荷的行程N、m2.9.2.2计算液压系统的散热功率液压系统的散热渠道主要是油箱表面,但如果系统外接管路较长,计算发热功率时,也应虑管路表面散热式中K1——油箱散热系数,见表2-7;K2——管路散热系数,见表2-8;A
1、A2——分别为油箱、管道的散热面积m2;ΔT——油温与环境温度之差(℃)若系统达到热平衡,则油温不再升高,此时,最大温差为环境温度为T,则油温T=T0十ΔT如果计算出的油温超过该液压设备允许的最高油温(各种机械允许油温见表2-9),就要设法增大散热面积,如果油箱的散热面积不能加大,或加大一些也无济于事时,需要装设冷却器冷却器的散热面积式中K一一冷却器的散热系数,参见有关散热器的资料;Δtm一一平均温升(℃)T
1、T2一一液压油人口和出口温度;t
1、t2——冷却水或风的人口和出口温度2.9.2.3根据散热要求计算油箱容量最大温差ΔT是在初步确定油箱容积的情况下,验算其散热面积是否满足要求当系统的发热量求出之后,可根据散热的要求确定油箱的容量由ΔT公式可得油箱的散热面积为如不考虑管路的散热,上式可简化为油箱主要设计参数如图2-2所示一般油面的高度为油箱高度的08倍,与油直接接触的表面算全散热面,与油不直接接触的表面算半散热面,图示油箱的有效容积和散热面积分别为若A1求出,再根据结构要求确定a、b、h的比例关系,即可确定油箱的主要结构尺寸如按散热要求求出的油箱容积过大,远超出用油量的需要,且又受空间尺寸的限制,则应适当缩小油箱尺寸,增设其他散热措施2.9.3计算液压系统冲击压力压力冲击是由于管道液流速度急剧改变而形成的例如液压执行元件在高速运动中突然停止,换向阀的迅速开启和关闭,都会产生高于静态值的冲击压力它不仅伴随产生振动和噪声,而且会因过高的冲击压力而使管路、液压元件遭到破坏对系统影响较大的压力冲击常为以下两种形式:
(1)当迅速打开或关闭液流通路时,在系统中产生的冲击压力直接冲击(既t<τ)时,管道内压力增大值间接冲击即t>τ时,管道内压力增大值式中ρ——液体密度kg/m3;Δv——关闭或开启液流通道前后管道内流速之差m/s;t——关闭或打开液流通道的时间s;——管道长度为时,冲击波往返所需的时间s;αc——管道内液流中冲击波的传播速度(m/s)若不考虑粘性和管径变化的影响,冲击波在管内的传播速度式中E0——液压油的体积弹性模量Pa,其推荐值为E0=700MPa;δ、d——管道的壁厚和内径m;E——管道材料的弹性模量Pa,常用管道材料弹性模量钢E=2×1011Pa,紫铜E=
1.18×1011Pa
(2)急剧改变液压缸运动速度时,由于液体及运动机构的惯性作用而引起的压力冲击,其压力的增大值为式中——液流第i段管道的长度m;Ai——第i段管道的截面积m2;A——液压缸活塞面积m2;M——与活塞连动的运动部件质量kg;Δv——液压缸的速度变化量m/s;t——液压缸速度变化Δv所需时间s计算出冲击压力后,此压力与管道的静态压力之和即为此时管道的实际压力实际压力若比初始设计压力大得多时,要重新校核一下相应部位管道的强度及阀件的承压能力,如不满足,要重新调整2.10绘制液压系统原理图液压系统设计经过必要的计算、验算、修改、补充和完善,完全确定后,要正规地给出液压系统图除用元件图形符号表示的原理图外,还包括动作循环表和元件的规格型号表图中各元件一般按系统停止位置表示,如特殊需要,也可以按某时刻运动状态画出,但要加以说明第3章液压缸设计3.1设计依据和设计步骤液压缸是液压传动的执行元件,它与主机和主机上的机构有着直接的联系,对于不同的主机种类和机构,液压缸具有不同的用途和工作要求因此,在设计前要作好调查研究,备齐必要的原始资料和设计依据,其中主要包括
(1)主机的用途和工作条件;
(2)工作机构的结构特点、负载情况、行程大小和动作要求;
(3)液压系统所选定的工作压力和流量;
(4)有关国家标准和技术规范等液压缸的安装型式、活塞的行程系数、额定压力、以及缸体内径、外径、活塞直径和进出油口连接尺寸等的基本参数,在国家标准GB/
2348、GB/
2349、GB/
2350、GB/
7938、GB/9094等中都有规定液压缸的设计内容和步骤大致如下
(1)确定液压缸类型、安装方式及各部分结构;
(2)基本参数的确定基本参数主要包括液压缸的工作负载、工作速度和速比、工作行程和导向长度缸筒内径及活塞杆直径等;
(3)结构强度计算和验算;其中包括缸筒壁厚、外径和缸底厚度的强度计算,活塞杆强度和稳定性验算以及各部分连接结构的强度计算;
(4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计;
(5)绘制装配图和零件图应当指出,对于不同类型和结构的液压缸,其设计内容必然有所不同,而且各参数之间往往具有各种内在联系,需要综合考虑反复验算才能获得比较满意的结果,所以设计步骤也不是固定不变的
3.2确定液压缸类型、安装方式及各部分结构略3.3液压缸主要技术性能参数的计算3.3.1液压缸的主要参数液压缸的额定工作压力PN,一般取决于整个液压系统,因此液压缸的主要叁数就是缸筒内径D和活塞杆直径d此两数值必须选用符合国家标准GB/T2348的数值见表3-5,这样才便于选用标准密封件和附件3.3.2液压缸主要技术性能参数的计算3.4液压缸各部分结构形式的设计3.4.1缸筒
(1)缸筒结构常用的缸筒结构有八类通常根据缸筒与端盖的连接型式选用,而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素
(2)缸筒材料缸筒材料一般要求荷足够的强使和冲击韧性,对焊接的缸简还要求有良好的焊接性能根据液压虹的参数、用途和毛坯的来源等可选用以下各种材料:25,35,45等;25CrMo,35CrMo,28CrMoAL等;ZG200-400,ZG230-450,1Cr18Ni9,ZL105,5A03,5A06等;ZCuALL0Fe3,ZCuALL0Fe3Mn2等缸筒毛坯,普遍采用退火的冷拨或热轧无缝钢管,国内市场上已有内孔经珩磨或内孔精加工,只需按所要求的长度切割无缝钢管材料有20,35,45,27SiMn对于工作温度低于-50℃的液压缸缸简,必须用35,45号钢,且要调质处理与端盖焊接的缸筒,使用35号钢机械预加工后再调质不与其他零件焊接的缸筒,使用调质的45号钢较厚壁的毛坯仍采用铸件或锻件,或用厚钢板卷成筒形,焊接后退火,焊缝需用X光射线或磁力探伤检查
(3)对缸筒的要求a)有足够的强度,能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形b)有足够的刚度,能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲c)内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下,能长期工作而磨损少,尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性d)需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性,以便在焊上法兰或管接头后不至于产生裂纹或过大的变形总之,缸筒是液压缸的主要零件,它与缸盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔,用以容纳压力油液,同时它还是活塞的运动“轨道”设汁液压缸缸筒时,应该正确确定各部分的尺寸,保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程,同时还必须具有一定的强度,能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力;缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和形位公差等级,以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性3.4.2活塞由于活寨在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动,因此,它与缸筒的配合应适当,既不能过紧,也不能间隙过大配合过紧,不仅使最低启动压力增大,降低机械效率,而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面;间隙过大,会引起液压缸内部泄漏,降低容积效率,使液压缸达不到要求的设计性能液压力的大小与活塞的有效工作面积有关,活塞直径应与缸筒内径一致所以,设计活塞时,主要任务就是确定活塞的结构型式
(1)活塞结构型式根据密封装置型式来选用活塞结构型式(密封装置则按工作条件选定)通常分为整体活塞和组合活塞两类整体活塞在活塞圆周上开沟糟,安置密封圈,结构简单,但给活塞的加工带来困难,密封圈安装时也容易拉伤扭曲组合式活塞结构多样,主要受密封型式决定组合式活塞大多数可以多次拆装,密封件使用寿命长随着耐磨的导向环大量的使用,多数密封圈与导向环联合使,大大降低了活塞加工成本
(2)活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆连接有多种型式,所有型式均需有锁紧措施,以防止工作时由于往复运动而松开同时在活塞与活塞杆之间需设置静密封
(3)活塞的密封密封型式与活塞的结构有关,可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择
(4)活塞材料无导向环活塞用高强度铸铁HT200~300或球墨铸铁有导向环活塞用优质碳素钢20号、35号及45号,有的在外径套尼龙(PA)或聚四氟乙烯PTFE+玻璃纤维和聚三氟氯乙烯材料制成的支承环装配式活塞外环可用锡青铜还有用铝合金作为活塞材料
(5)活塞尺寸及加工公差活塞宽度一般为活塞外径的
0.6~
1.0倍,但也要根据密封件的型式、数量和安装导向环的沟槽尺寸而定有时,可以结合中隔圈的布置确定活塞宽度活塞外径的配合一般采用f9,外径对内孔的同轴度公差不大于
0.02mm,端面与轴线的垂直度公差不大于
0.04mm/100mm,外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半,表面粗糙视结构型式不同而各异3.4.3活塞杆活塞杆结构型式一般采用实心杆,但在以下几种情况下需采用空心杆结构a)缸杆固定,缸筒运动的液压缸,空心杆用来导通油路;b)大型液压缸的活塞杆或柱塞杆,采用空心杆为了减轻重量;c)为了增大断面模数,提高活塞杆的抗弯能力;d)d/D比值较大或杆心需装有如位置传感器等机构的情况活塞杆(或柱塞杆)的外端头部与载荷的拖动机构相连接,为了避免活塞杆在工作中产生偏心承载力,适应液压缸的安装要求,捉高其作用效率,应该根据载荷的具体情况,选样适当的杆头连接型式(3.4.4活塞杆的导向套、密封和防尘活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内,用以对活塞杆进行导向,内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封外侧装有防尘圈,以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处,损坏密封装置当导向套采用非耐磨材料时,其内圈还可装设导向环,用作活塞杆的导向
(1)结构导向套的典型结构型式有轴套式和端盖式两种
(2)导向套的材料金属导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作,非金属导向套可以用塑料(PA)、聚四氟乙烯PTFE+玻璃纤维或聚三氟氯乙烯材料制作端盖式直接导向型的导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等
(3)导向套长度的确定
(4)加工要求导向套外圆与端盖内孔的配合多为H8/f7,内孔与活塞杆外圆的配合多为Hg/f9外圆与内孔的同轴度公差不大于
0.03mm,圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半,内孔中的环形油槽和直油槽要浅而宽,以保证良好的润滑第4章编写设计计算说明书设计计算说明书是对设计计算中所确定的液压系统的功能、系统的工作原理、选择或设计的液压元件和有关技术性能方面的说明,其中包括
(1)技术任务书
(2)目录
(3)设备的规格和用途
(4)明确液压系统技术要求
(5)确定液压执行元件
(6)明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律,绘制液压系统工况图
(7)确定系统工作压力和执行元件主要参数
(8)制定基本方案
(9)草拟液压系统原理图
(10)液压元件的选择与专用件设计(液压缸设计)
(11)验算液压系统性能
(12)绘制液压系统原理图、液压缸装配图
(13)设计的优缺点和设计体会等
(14)参考资料编目全文篇幅包括文字说明、计算和必要的简图图表共12000~15000字左右,该部分占总工作量的10%左右要求文字叙述简明扼要、段落分明、文理通顺、论据充分、计算正确、数据表格化、清晰明了液压系统原理图要用标准规定的符号绘制,图幅及标题栏符合国标要求除用元件图形符号表示的原理图外,还包括动作循环表和元件的规格型号表图中各元件一般按系统停止位置表示,如特殊需要,也可以按某时刻运动状态画出,但要加以说明计算部分所用公式应注明出处及式中符号所代表的意义和单位全文最后附有参考文献资料目录,包括作者、文献名称、出版单位及出版日期设计计算说明书格式应符合毕业设计论文撰写标准(见教学网)图2-1液压系统计算间图种类特性特点及应用容积调速手动变量泵-液压缸系统简单,压力恒定,一般不能在工作中进行调节,效率高,适用于各种场合,应用最广变量泵-定量马达输出出扭矩恒定,调速范围大,元件泄漏对速度刚性影响大,效率高,适用于大功率场合定量泵-变量马达输出功率恒定,调速范围小,元件泄漏对速度刚性影响大,效率高,适用于大功率场合变量泵-变量马达输出特性综合了上面两种马达调速回路的特性,调速范围大,但结构复杂,价格贵,适用于大功率场合无级调速表2-7无级调速和变速的种类、特点和应用表2-8有级变速回路组成示例冷却条件K1通风条件很差通风条件良好用风扇冷却循环水强制冷却8~915~1723110~170表2-7油箱散热系数K1风速/ms-1管道外径/m
0.
010.
050.1015825696144051023表2-8管道散热系数K2液压机械种类正常工作温度最高工作温度数控机床机30~5055~70一般机床30~5555~70机车车辆40~6070~80船舶30~6080~90冶金机械、液压40~7060~90工程、矿山机械50~8070~90表2-9各种机械允许油温(℃)图2-2油箱结构尺寸。