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了新的发展,使液压系统和元件正向高压、高速、高精度、高效率的方向发展,在完善比例
控制、伺服控制、数字控制等技术上取得新的成就。
液压系统的发展方向是:
创制新型节能、
微型元件﹑高度的组合化、集成化和模块化和微电子结合,走向智能化。
综上所述,液压工业在国民经济中的作用是很大的,它常常用来衡量一个国家工业水平
的重要标志之一。
与世界上主要的工业国家相比,我国的液压工业还有相当差距,标准化、
优质化的工作有待于继续做好,智能化的工作刚刚起步,为此必须急起直追,才能迎头赶上。
第3页
第1章液压传动概述
液压气动技术是机械设备中发展最快的技术之一。
特别是近年来与微电子、计算机技术
相结合,使液压气动技术进入了一个新的发展阶段。
目前,已广泛应用在工业各领域。
由于
近年来微电子、计算机技术的发展,液压、气动元器件制造技术的进一步提高,使液压气动
技术不仅作为一种基本的传动形式上占有重要地位,而且以优良的静态、动态性能成为一种
重要的控制手段。
1.1液压传动的工作原理及组成
工业各部门使用液压传动的出发点是不尽相同的:
如工程机械、压力机械是利用它们在
传递动力上的长处;
航空工业是利用其结构简单、体积小、重量轻、输出功率大的特点;
机
床是利用它们在操纵控制上的优点,利用其能在工作过程中实现无级变速,易于实现频繁的
换向,易于实现自动化等。
液压传动的工作原理:
液压传动是利用液体的压力能来传递动力的一种传动式,
液压传动的过程是将机械能转换和传递的过程。
1.1.1液压系统的组成
动力装置——液压泵;
执行装置——液压缸和液压马达;
控制调节装置——控制阀;
辅助装置——除上面以外的其他装置。
1.2液压传动的特点
1.2.1液压传动的优点
1.液压传动装置运动平稳,反应快,惯性小,能高速启动,制动和换向。
2.在同等功率情况下,液压传动装置体积小,重量轻,结构紧凑。
例如同功率液压马达的重量只有电动机的10%-20%。
3.液压传动装置能在运行中方便的实现无及调速,且调速范围最大可达1:
2000(一般为
第4页
1:
1000)。
5.操作简单方便,易于实现自动化。
当它电气联合控制时。
能实现复杂的自动工作循环和远距离控制。
6.易于实现过载保护。
液压元件能自行润滑,使用寿命较长。
7.液压元件实现了标准化、系列化、通用化,便于设计、制造和使用。
1.2.2液压传动的缺点
1.液压传动不能保证严格的传动比,这是由于液压油的可压缩性和泄露造成的。
2.液压传动对油温变化较敏感,这会影响它的工作稳定性。
因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作,一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适。
3.为了减少泄露,液压元件在制造精度上要求较高,因此它的造价高,且对油液的污染比较敏感。
4.液压传动装置出现故障时不易查找原因。
5.液压传动在能量转换(机械能—压力能—机械能)的过程中,特别是在节流调速系统中,其压力、流量损失大,故系统效率低。
6.液压传动在能量转换的过程中,其压力、流量损失大,故系统效率低。
1.3液压工作的介质
1.3.1物理性质
1.密度单位体积的液体质量称密度。
矿物油型液压油在
3
左右,在实
15℃时的密度为900㎏/m
际使用中可以认为不受温度和压力的影响。
2.可压缩性和膨胀性
液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。
液体受温度的影响而
使体积发生变化的性质成为液体的膨胀性。
体积为V的液体,当压力变化量为△p时,体积的绝对变化量为△V,液体在单位压力变化
下的体积相对变化量为
1v
k=-式中,k称为液体的体积压缩系数。
因为压力增大时液体的体积减少所以上式
pv
第5页
右边加一负号,以使k为正值。
液体体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量,用K表示。
即
1v
p
v
体积弹性模量K表示液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量。
在使用中,可用
K值来说明液体抵抗压缩能力的大小。
液压油的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较
大,但当液压传动系统在静态下工作时,一般可以不予考虑。
1.3.2对液压工作介质的要求
⑴.有适当的黏度和良好的黏温特性
⑵.氧化安定性和剪切安定性好
⑶.抗乳化性、抗泡沫性好
正确合理地选用工作介质,对于保证液压系统正常工作、延长使用寿命、提高工作可靠
性、防止事故发生等都有非常重要的影响。
液压油液的选用,首先根据液压传动系统的工作
环境和工作条件来选择合适的液压油类型,然后再选用液压油的黏度。
第6页
第2章总评方案
2.1工况分析
分析系统工况。
首先,根据已知条件,绘制运动部件速度循环图。
如下图所示,然后计算各阶段的外负
载并绘制负载图。
负载循环图
液压缸所受外负载F包括三种类型:
即:
F=Fw+Ff+Fa
式中:
Fw----------工作负载对于金属切削机床来说,即为沿活塞运动方向的切削力。
本系
统中Fw为15000N。
Fa--------运动部件速度变化时的惯性负载。
Ff--------导轨摩擦阻力负载。
启动时为静摩擦力,启动后为动摸擦力。
对于平导轨Ff可由
下式求:
Ff=f(G+FRn)
G-------运动部件重力
FRn-----垂值与导轨工作负载
f-------导轨摩擦系数。
本系统中静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1。
则求的:
第7页
Ffs=0.2×
20000=4000N。
Ffa=0.1×
20000=2000N。
上式中Ffs为静摩擦阻力,Ffa为动摩擦阻力。
G
t
20000
6
1019.4
Fa=g
9.810.2
60
式中g----
重力加速度
t-------
加速度或减速度时间﹑本系统中
t取0.2s
v------t
时间内的速度变化量
根据上述计算结果,列出各工作阶段所受的外负载如下表,并画出上图所示的负载循环
图。
工作循环各阶段的外负载
工作循环
负载组成
负载值F/N
推力F*n/N
启动
F=Ffs
4000
4450
快速
工进
F=Ft+Ffa
17000
18900
快退
F=Ffa
2000
2220
2.2确定液压系统方案
2.2.1确定供油方式
考虑到该机床在工作进给时负载较大,速度较低。
而在快速,快进是负载较小,速度较
高。
从节省能量,减少发热考虑。
液压泵源系统宜选用双泵供油方式或变量泵供油。
现采用
带压力反馈的限压式变量叶片泵。
2.2.2调速方式的选择
在中小型专用机床的液压系统中,进给速度的控制一般采用截流阀或调速阀。
根据铣削类
专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点,决定采用限压式变量泵和
第8页
调速阀组成的容积截流调速。
这种调速回路具有效率高,发热小和速度刚性好的特点,并且
调速阀装在回油路上,具有承受负切削力的能力。
2.2.3速度换接方式的选择
本系统采用电磁阀的快慢速换接回路,它的特点是结构简单,调节行程比较方便,阀的
安装也比较容易,但速度换接的平稳性较差。
若要提高系统的换接平稳性,则可改用行程阀
切换的速度换接回路。
最后把所选择的液压回路组合起来,即可组合成如下图所示.
单向活塞缸
二位三通
换向阀
单向节流阀
三位四通电
磁换向阀
压力计溢流阀
单向液压泵
过滤器
油箱
液压系统原理图
第9页
电磁阀动作顺序如下表:
元件动作
1YA
2YA
3YA
+
_
快进
-
执行元件的工况图:
(a)压力循环图
(b)流量循环图
第10页
(C)功率循环图
机床进给液压缸工况图
t1---快进时间t2----工进时间t3----快退时间
A:
启动:
按下启动键,电磁铁1YA通电,先导电磁铁阀4的左端接入系统。
由泵输出的油经先导电磁阀5流入液压缸,再经过先导电磁阀7的左端,进入液流阀回油路。
油路的工作情况为:
进油路:
过滤器2→变量泵3→先导电磁阀5→单向节流阀6→先导电磁阀7→液压缸8
回油路:
液压缸8→先导电磁阀5→油箱。
B:
快进:
按下启动键后,由电磁铁1YA,3YA通电。
先导电磁阀4的左端接入系统,同
时先导电磁阀5的右端接入系统。
油路工作情况为:
过滤器2→单向液压泵3→先导电磁阀5→液压缸8。
C:
工进:
按下按钮后,2YA通电,先导电磁阀5的右端和先导电磁阀7的右端接入系统。
过滤器2→单向液压泵3→先导电磁阀5右端→液压缸8。
液压缸8→先导电磁阀7右端→油箱。
D:
按下按钮后,1YA,3YA,通电。
先导电磁阀5的左端和先导电磁阀7的右端接入系统。
过滤器2→单向液压泵3→先导电磁阀5→先导电磁阀7→液压缸8。
第11页
第3章确定主要参数
3.1计算液压缸的尺寸流量
液压缸的结构简单,与杠杆、连杆、齿轮齿条、凸轮等机构配合使用能实现多种机械运
动以满足各种要求。
按结构特点的不同,缸可以分为活塞式、柱塞式和摆动式三大类;
按作
用方式分为单作用和双作用两种。
根据系统要求,选择活塞式单作用的液压缸。
通常活塞缸由后端盖、缸筒、活塞、活塞杆和前端盖等主要部分组成。
为了防止工作介
质向缸外或由高压腔向低压腔泄露,在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与
前端盖之间均设有密封装置。
在前端盖外侧还装有防尘装置。
为防止活塞快速运动到行程终
端时撞击缸盖,有些缸的端部设置缓冲装置。
3.1.1液压缸工作的压力确定
液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定,对于不同用途的液压设备,由于工作
条件不同,通常采用的压力范围也不同。
液压设备的常用的工作压力
机床
设备
组合机
龙门刨
农业机械或中型工程机
液压或起重机
类型
磨床
拉床
床
械
工作
0.8~
压力
3~5
2~8
8~10
10~16
20~30
P/MPa
2.0
现参阅上表取液压缸的工作压力为Pa=3.5Mpa
3.1.2计算液压缸内直径D和活塞杆直径d
由负载图知最大负载F为18900N。
按下表取P2为0.5Mpa,cnm=0.9.
执行元件背压的估计直
第12页
系统类型
背压P2(Mpa)
简单的系统
0.2~0.5
一般轻载的截流调速系统
中低压系统
回油路带调速阀的系统
0.5~0.8
0~8MPa
回油路带背压阀的系统
0.5~1.5
采用带补液压泵的闭和回路
0.8~1.5
中高压系统
同上
比中低压系统高
>
8~16
50%~100%
高压系统
如锻压机械等
初算时背压可忽略不记
液压缸内直径D与活塞杆d的关系
按机床类型选取d/D
按液压缸工作压力选取d/D
机床类别
d/D
工作压力P/(Mpa)
磨床,研磨床
0.2~0.3
<
=2
0.2~0.3
插床,拉床,刨床
0.5
2~5
0.5~0.58
钻床,镗床,铣床
0.7
5~7
0.62~0.70
——
---------
7
考虑到快进,快退速度相等。
取d/D为0.7,代入公式:
4F
D
2
1
d
P1cm1
(
)
p1
F--------
工作循环中最大的外负载
P1--------
液压缸工作压力。
初算时可取系统工作压力P0
P2--------
液压缸回油腔背压力
第13页
d/D-------
活塞杆直径与液压缸内直径之比
cnm-------
液压缸的机械效率。
一般ncm=0.9----
0.97.在本系统中
F=18900N,P1=3.5Mpa,P2=0.5Mpa,ncm=0.9,d/D=0.7.
则代入公式中可得:
D=82mm
液压缸内直径尺寸系列(GB2348-80)(mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
(90)
100
(110)
125
(140)
160
(180)
200
(220)
250
320
400
500
630
注:
括号内数值为非优先选用值
活塞杆直径系列(GB-80)(mm)
4
5
14
18
22
28
36
45
56
70
90
110
140
180
220
280
360
根据上表可知,将液压缸内直径调整为标准系列直径
D=90mm。
活塞杆直径d,按d/D=0.7
及查表可得d=63mm。
由此求得液压缸的腔的实际有效面积为:
9
63.585cm
A1
96.3
(D
d)
A2
32.428cm
第14页
根据上述D与d的直,可估算液压缸在各个工作阶段的压力,流量和功率。
按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度,由公式:
Qmin
Amin=
Vmin
Qmin----------
流量阀的最小稳定流量。
Vmin----------
液压缸的最低速度。
由设计要求给定。
0.05
10
5cm
A>
cm
公式中Qmin是由产品样本查的GE系列调速阀,AQF3
---E10B的最小稳定流量为0.05L/min.
32.428
本系统中调速阀是安装在回油路上,故液压缸有杆腔的实际面积:
A
可见上述不等式能满足液压缸的要求,能够达到所需的低速。
3.1.3计算在工作阶段液压缸所需的流量
q快进
V快进
(6.3
2)2
0.160
18.69L/min
q工进
D2V工进
(9.0
1810
6.687L/min
2)
2)V快退
q快退
(9
6.3
19.46L/min
3.2计算液压泵的电机功率
液压泵是靠密封工作容积变化来工作的,也称为容积泵。
容积泵具有两个特征:
1.有周期性的密封工作容积变化,密封工作容积由小变大吸油,由大变小压油。
2.有配流装置,它保证密封工作容积由小变大时只与吸油管接通;
密封工作容积由大变小时只与压油管相通。
3.2.1泵的工作压力的确定
液压泵的压力参数主要是工作压力和额定压力
工作压力是指液压泵在实际工作时输出油液的压力直,即泵出油口处压力直,也称系统
压力。
此压力取决于系统中阻止液体流动的阻力。
阻力增大,工作压力升高;
反之则工作压
力降低。
如果将泵的压油口直接和油箱相通,则泵的工作压力接近为零;
如果将泵的出口堵
死,泵输出的油液无法排出,压力迅速增高,直至电机憋住或泵及其它元件被损坏。
第15页
额定压力是指泵在正常工作的条件下,按实验标准规定,在额定转速下连续运转的最高压力。
由于液压传动的用途不同,液压系统所需要的压力也不同,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,如下表:
压力分级低压中压中高压高压超高压
压力/Mpa≤2.5>(2.5~8)>(8~16)>(16~32)>32
考虑的正常工作中进油路有一定的压力损失,所以泵的工作压力为:
Pp=P1+P
公式中:
Pp-液压泵最大工作压力。
P1-执行元件最大工作压力。
P-进油路中压力损失。
初算时简单系统取0.2~0.5Mpa,复杂系统取0.5~1.5Mpa.
本系统取0.5Mpa.
Pp=P1+p=3.50.54.0MPa
上述计算所得的Pp是系统的静态压力,考虑到系统在各种工况的过度阶段出现的动态压力往
往超过静态压力。
另外考虑到一定的压力储备量,并确保泵的寿命。
因此,选泵的额定压力
Pa应满足Pn≧(1.25~1.6)Pp.中低压系统取小直,高压系统取大直。
在本系统中Pn=1.25Mpa.
3.2.2泵流量和排量
排量V它是由泵密封容腔几何尺寸变化计算而得到的泵每转排出油液的体积。
也可以说在
无泄露的情况下,用泵每转所排出的油液体积来表示,常用的单位为mL/r.
液压泵的最大流量应为:
qpkl(q)m
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