液壓傳動系統(tǒng)課程設計2023

液壓傳動控制系統(tǒng)課程設計指導書劉輝等編江西理工大學應用科學學院液壓傳動控制系統(tǒng)課程設計步驟一、設計依據及參數(shù)的提出1.根據生產或加工對象工作要求選擇液壓傳動機構的結構形式和規(guī)格；2.分析機床或設備的工作循環(huán)和執(zhí)行機構的工作范圍；3.對生產設備各種部件（電氣、機械、液壓）的工作順序、轉換方式和互鎖要求等要詳細說明或了解；4.一些具體特殊要求的動作（如高速、高壓、精度等）對液壓傳動執(zhí)行機構的特殊要求；5.液壓執(zhí)行機構的運動速度、載荷及變化范圍（調節(jié)范圍）；6.對工作的可靠性、平穩(wěn)性以及轉換精度的要求；7.其它要求（如檢測、維修）。二、負載分析2.1負載特性液壓執(zhí)行機構在運動或加工的過程中所承受的負載有工作阻力、摩擦力、慣性力、重力，密封阻力和背壓力。但是從負載角度歸納為三種負載，即阻力負載、負值負載、慣性負載。阻力負載（或正值負載）——負載方向與進給方向相反，即機床切削力（如：銑、鉆、鏜等），摩擦力，背壓力。切削力+重力+慣性力切削力+慣性力+摩擦力圖2-1切削力分析圖2.負值負載（或超越負載）——負載方向與執(zhí)行機構運動方向相同（如：順銑、重力下降，制動減速等）。3.慣性負載——機構運動轉換過程中由慣性所形成的負載（如前沖和后沖，系統(tǒng)的爬行）。2.2執(zhí)行機構負載分析1.液壓缸機械負載計算（1）液壓缸機械負載計算在設計選取功率匹配時，一般主要考慮工進階段的驅動功率，即負載F為：（2-1）Ff—摩擦力Ft—負載Fg—慣性力一般取0.9～0.95（2）液壓缸的工作循環(huán)圖負載圖(P-t)圖2-2執(zhí)行機構工作負載循環(huán)圖2.液壓馬達的負載（2-2）注意：液壓馬達的低速穩(wěn)定性的問題；即為非常重要的性能參數(shù)三、系統(tǒng)主要參數(shù)的確定3.1初定液壓缸工作壓力1.液壓缸的工作壓力選擇因素液壓缸的安裝布局；分析驅動力的傳遞形式如壓下力，舉升力，斜推力(分力關系)等系統(tǒng)效率負載剛度和密封性能（活塞及液壓缸徑大，負載剛度性能好）切削機床一般選用壓力在以下，小型機械在10-16MPa，大型重型機械在20-30MPa以下。2.液壓缸主要結構尺寸（1）活塞桿與缸內徑的選取d——活塞桿直徑，D——液壓缸內徑注意：對于活塞桿（2）液壓缸有效工作面積液壓缸的工作面積有很大程度上決定了執(zhí)行機構的抗負載能力和工作的穩(wěn)定性及平穩(wěn)性，選取適中的活塞面積是至關重要的，從傳統(tǒng)的選取方法為；（3-1）3.2執(zhí)行元件的工況圖圖3-1執(zhí)行元件工況圖四、液壓系統(tǒng)原理圖的擬定4.1開式回路與閉式回路1.開式回路；結構簡單，散熱性好，但體積大，空氣容易滲入介質中，效率低，用于不受體積限制的中小型功率系統(tǒng)中多為定量泵系統(tǒng)。2.閉式回路；效率高，空氣不易滲入系統(tǒng)中，用于功率較大且體積受限制（如行走機械）的液壓系統(tǒng)中，多為變量泵系統(tǒng)。4.2定量系統(tǒng)與變量系統(tǒng)1.定量系統(tǒng)；定量泵——節(jié)流閥——液壓缸或定量馬達，制造成本低，體積小，速度控制靈敏度高，但溢流及節(jié)流功率消耗大，發(fā)熱量大，宜用于小功率及要求控制靈敏度高的場合。2.變量系統(tǒng)；調速范圍大，效率高，但造價高，結構復雜。4.3執(zhí)行機構的選取液壓缸：直線往復或轉換旋轉（液壓缸與齒條組合）液壓馬達：旋轉運動或轉換直線往復（液壓馬達與絲桿螺母）4.4繪制液壓系統(tǒng)原理圖1．盡可能減少液壓元件（否則會帶來壓力損失增加，發(fā)熱，故障環(huán)節(jié)增多）2．減少液壓元件的品種規(guī)格（否則會使得安裝復雜，處理事故困難增大且備件繁多）3．實現(xiàn)所要求的功能，且操作簡單，工作可靠、維修方便4．設置測試點（不宜拐角處，上游5d,下游10d,易觀查的地方）五、液壓元件選擇5.1液壓泵選擇1．液壓泵最大工作壓力1（5-1）p——執(zhí)行元件最高工作壓力——含油路沿程、局部損失等簡單系統(tǒng)1?。?.2～0.5）復雜系統(tǒng)1?。?.5～1.5）2．液壓泵最大工作流量（5-2）——同時作用的液壓缸或馬達的最大工作流量注：在最大工作流量溢流時（定量系統(tǒng)）要求溢流量占系統(tǒng)供油總量的15％K——油泵泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值。3．液壓泵的規(guī)格選擇除流量、壓力要滿足系統(tǒng)要求外，還需要考慮液壓泵的其它機械性能如（1）容積效率（2）抗污染能力（3）性價比4.電機功率N（5-3）5.2液壓閥的選擇（1）額定流量大于工作流量，但實際工作流量不應小于20％額定流量（2）調速閥、節(jié)流閥的最小穩(wěn)定流量要滿足系統(tǒng)最小穩(wěn)定速度5.3輔助元件的選擇1.過濾器；精度適中，通過流量須大于泵額定流量，的2~2.5倍2.蓄能器；注意用途如作為消除脈動、緩沖、瞬時油源等3.管道和管接頭選擇與布局a.壓力油流速確定b.少彎頭4.油箱容積V低壓2.5V取（2～4）中壓2.5～6.3V?。?～7）高壓V取（6～12）六、控制形式的選擇6.1控制關聯(lián)分析1.動作順序關系2.機構動作互鎖3.局部與整體6.2控制方式1.觸點控制（1）手動控制（啟動液壓泵）（2）分開控制與集中控制（3）發(fā)動機構與電器動作與延時2.程序控制（計算機控制）（1）設計控制程序須考慮機構動作及發(fā)訊裝置的工作狀態(tài)（2）控制程序與敏感元件的物理量與數(shù)字量的轉換（3）控制邏輯關系；順序動作，互鎖要求等七、液壓系統(tǒng)壓力損失，發(fā)熱及溫升的驗算（閱書）八繪制工作圖，編制技術文件（閱書）九液壓系統(tǒng)設計計算舉例9.1設計目的及參數(shù)的提出設計內容設計一臺雙面鉆孔臥式組合機床液壓系統(tǒng)。設計要求及參數(shù)設計要求要求機床的工作循環(huán)為:①左，右動力部件同時快進——左，右動力部件同時工進——左，右動力部件同時快退——左，右動力部件原位停止，系統(tǒng)卸載；②左動力部件快進——Ⅰ工進——Ⅱ工進——右動力部件快進——Ⅰ工進——Ⅱ工進——左，右動力部件同時快退，原位停止，系統(tǒng)卸載。(2)各循環(huán)工步的選擇要求各循環(huán)工步的運動長度選擇要求：快進205mm，Ⅰ工進35mm，Ⅱ工進10mm，快退250mm。(3)鉆床工作參數(shù)及要求鉆床要求用變量泵供油，加調速閥調速，用非差動連接。表9-1鉆床要求的工作參數(shù)動力部件快進，快退摩擦阻力（Ｎ）動力部件切削負載（Ｎ）（Ⅰ／Ⅱ）快進速度（m／min）（Ⅰ／Ⅱ）工進速度（m／min）快退速度（m／min）9008000／25005.80.1～0.5／0.05～0.110.4其中：切削負載含摩擦阻力。9.2液壓系統(tǒng)的設計及計算負載分析與計算負載分析中，暫不考慮回油腔的背壓力，液壓腔的密封裝置產生的摩擦阻力在機械效率中加以考慮。因工作部件是臥式放置，忽略慣性力，則主要考慮摩擦阻力和切削負載即可。如果忽略切削力引起的顛覆力矩對導軌摩擦力的影響，并取液壓缸的機械效率為0.90，則液壓缸在各工作階段的總機械負載可以算出，列表如下：表9-2液壓缸在各工作階段的負載值工況液壓缸負載F（N）液壓缸驅動力（N）快進9001000Ⅰ工進80008889Ⅱ工進25002778快退9001000按照要求，作出系統(tǒng)的工作循環(huán)圖如下：圖9-1工作循環(huán)圖圖9-1工作循環(huán)圖系統(tǒng)的總機械負載圖如下：圖9-2總機械負載圖圖9-2總機械負載圖各工作循環(huán)中各工步的速度圖如下：圖圖9-3負載速度圖液壓缸參數(shù)計算從表9-2中可以讀出，鉆床液壓系統(tǒng)在Ⅰ工進時有最大負載約為8000N，則根據表22.4-2（參考文獻4，P65），選擇液壓缸的工作壓力為1.5MPa。液壓缸選用單桿式，并在快進時選用非差動連接。不考慮液壓缸的背壓，由Ⅰ工進時的負載初步計算，即，推出，。在鉆孔加工時，液壓缸回油路上必須具有背壓，以防止孔被鉆通時滑臺突然前沖，可取，快進時由于油管中有壓降存在，有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時可取?？焱藭r回油腔是有背壓的，此時可按0.5MPa估算。由表9-2可知，Ⅰ工進時的液壓缸驅動力是最大的，可據此計算液壓缸有桿腔的面積：，選擇，已知，，得，，。根據GB/T2348-1993（參考文獻4，P18）將這些直徑圓整成標準值，得：。由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為：，。液壓缸各工作階段的壓力，流量和功率根據2.計算得到的D與d值，可估算液壓缸在各工作階段中的壓力，流量和功率，如下表所示：（其中Ⅰ工進和Ⅱ工進的速度分別取。）表9-3液壓缸在各工作階段的壓力，流量和功率工況計算公式負載回油腔壓力（MPa)進油腔壓力(MPa)輸入流量Q()功率P(W)快進10000.50.416.15253.4Ⅰ工進88890.81.810.11（0.55）19.18（95.9）Ⅱ工進27780.80.850.053（0.11）4.48（8.96）快退10000.51.295.62725.1按照最低工進速度驗算液壓缸尺寸：，即液壓缸尺寸滿足要求。液壓缸的進油腔壓力，輸入流量和功率用圖示分別表示如下：（其中各工作階段的運動時間為：，，，。）圖圖9-4進油腔壓力圖圖圖9-5輸入流量圖圖9-6圖9-6功率圖液壓系統(tǒng)圖的擬定(1)確定液壓泵類型及調速方式由功率圖，速度圖以及負載圖可知，這臺鉆床液壓系統(tǒng)的功率小，滑臺運動速度低，工作負載變化小，可采用進口節(jié)流的調速方式。為防止鉆孔鉆通時滑臺突然失去負載向前沖，回油路上設置背壓閥，初定背壓值為。由于液壓系統(tǒng)選用了節(jié)流調速的方式，系統(tǒng)中油液的循環(huán)必然是開式的。從流量圖可知，最大流量與最小流量的比值約為116，而快進快退所需的時間比工進所需時間少的多，因此從提高系統(tǒng)效率，節(jié)省能量的角度上來看，采用單個定量泵作為油源顯然是不合適的，宜采用雙泵供油系統(tǒng)，或者采用限壓式變量泵加調速閥組成容積節(jié)流調速系統(tǒng)。綜上，選用雙作用變量葉片泵供油，調速閥進油節(jié)流調速的開式回路，溢流閥做定壓閥和安全閥，并在回油路上設置背壓閥。(2)選用執(zhí)行元件因系統(tǒng)動作要求正向快進和工作，反向快退，且快進快退速度較高，因此選用單活塞桿液壓缸，非差動連接，無桿腔面積與有桿腔面積的比值根據Ⅰ工進時的壓力與阻力的關系初算，再結合背壓計算。詳見2.2。(3)快速運動回路和速度切換回路的選擇根據設計要求的運動方式，采用非差動連接與雙作用變量葉片泵供油，調速閥調速來實現(xiàn)快速運動。本設計采用兩位兩通電磁閥的速度換接回路，控制由快進轉為工進。（與采用行程閥相比，電磁閥可直接安裝在液壓站上，由工作臺的行程開關控制，管路較簡單，行程也容易調整。）(4)換向回路的選擇本系統(tǒng)對換向的平穩(wěn)性沒有嚴格要求，所以選用電磁換向閥的換向回路，為方便實現(xiàn)非差動連接，選用三位四通電磁換向閥。(5)組成液壓系統(tǒng)將上述所選定的液壓回路進行組合，并根據要求和需要作必要的修改補充，及組成如圖所示的液壓系統(tǒng)圖。為便于觀察壓力，在液壓泵的出口處，液壓缸無桿腔進油口處和有桿腔的出油口處設置測壓點。若設置多點壓力表開關，則只需要一個壓力表即能觀測多點壓力。圖圖9-7液壓系統(tǒng)原理圖其中：圖中的＋或者⊥表示油路相通，表示油路沒有相通。液壓泵及電動機的選擇(1)液壓泵的選擇由圖9-4可知，液壓系統(tǒng)在Ⅰ工進階段液壓缸的工作壓力最大，整個工作循環(huán)中最大工作壓力為1.81MPa，系統(tǒng)采用溢流閥進油節(jié)流調速，選取進油管壓力損失為0.5MPa，壓力繼電器可靠動作需要壓力差為0.5MPa。則液壓泵最高工作壓力可按式，算出，，因此泵的額定工作壓力可取。由圖9-5可知，快進時液壓缸所需流量最大是：，即。則液壓泵所需的最大流量為，其中K取1.1。根據上面計算的壓力和流量，查產品樣本，選用YBP-100型的變量葉片油泵，該泵額定壓力為6.3MPa，額定轉速為1000，額定流量為100，額定功率為13Kw。(2)電動機的選擇取的泵的機械效率為，電機的機械效率為。快進時：電機所需功率為，其中=0.5MPa是進油路壓力損失，=0.5MPa是壓力繼電器可靠動作需要的壓力差，，推出，；Ⅰ工進時，電機所需功率為，其中=0.5MPa是調速閥所需最小壓力，=0.5MPa是壓力繼電器可靠動作需要的壓力差，，得，；Ⅱ工進時，電機所需功率為，其中=0.5MPa是調速閥所需最小壓力，=0.5MPa是壓力繼電器可靠動作需要的壓力差，，得，；快退時，電機所需功率為，其中=0.5MPa是回油路壓力損失，=0.5MPa是壓力繼電器可靠動作需要的壓力差，，得，。由以上計算可知，最大功率出現(xiàn)在快退階段，，則電動機的功率應為。據此查樣本選用Y160M-6三相異步電動機，電動機額定功率為7.5Kw，額定轉速為。液壓閥，過濾器，油管及油箱的選擇(1)液壓閥及過濾器的選擇根據液壓系統(tǒng)的最高工作壓力和通過各個閥類元件和輔助元件的最大流量，可選出這些元件的型號及規(guī)格，列表如下：表9-4液壓元件明細表編號元件名稱估計通過流量(L/min)元件型號規(guī)格1XU線隙式濾油器2002.5MPa2變量葉片油泵90YBP-1006.3MPa3三相異步電動機—Y160M7.5Kw4溢流閥20YF-L20B5~70MPa5單向閥80I-1006彈簧管壓力表—Y-10010MPa7兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa8兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa9三位四通換向閥34D-63B6.3MPa10三位四通換向閥34D-63B6.3MPa11調速閥0.6Q-10B12調速閥0.6Q-10B13調速閥0.6Q-10B14調速閥0.6Q-10B15兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa16兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa17兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa18兩位兩通換向閥22D-63B6.3MPa19單向閥33.7I-4020單向閥33.7I-4021彈簧管壓力表—Y-10010MPa22彈簧管壓力表—Y-10010MPa23彈簧管壓力表—Y-10010MPa24彈簧管壓力表—Y-10010MPa25液壓缸36.926液壓缸36.927背壓閥B-63B6.3MPa28背壓閥B-63B6.3MPa29片式濾油器705MPa30片式濾油器705MPa(2)油管的選擇根據選定的液壓閥的連接油口尺寸確定管道尺寸。由于系統(tǒng)在液壓缸快進，快退時，流量最大，實際最大流量約為：，則泵的流量為額定流量100，連接液壓缸的進出油路油管的直徑選擇公稱通徑為20mm。所以，按產品樣本標準JB827-66，JB/Z95-67，選用公稱通徑為20mm的管件。油箱容積的選擇中壓系統(tǒng)的油箱容積一般取液壓泵額定流量的5~7倍，這里取6倍，即，其中為液壓泵每分鐘排出壓力油的體積。得，V=600L。系統(tǒng)壓力損失，發(fā)熱及溫升的驗算(1)系統(tǒng)壓力損失驗算由于系統(tǒng)的具體管路布置尚未清楚，整個回路的壓力損失無法估算，僅只有閥類元件對壓力損失所造成的影響可以看得出來，供調定壓力值時參考。由于快進時的油液流量比快退時的流量大，所以其壓力損失也就比快退時的大。因此必須計算快進時進油路與回油路的壓力損失。假定液壓系統(tǒng)選用N32號液壓油，考慮最低工作溫度為15℃，由手冊查出此時油的運動粘度，，油的密度，液壓元件采用集成塊式的配置形式，Q取36.9，即。判定雷諾數(shù)：，此處d取20mm，即，代入數(shù)據，得，則進油回路中的流動為層流。沿程壓力損失：選取進油管長度為，則進油路上的流體速度為：，壓力損失為，。局部壓力損失：由于采用集成塊式配置的液壓裝置，所以只考慮進油路上的閥類元件和集成塊內油路的壓力損失。通過各閥的局部壓力損失按式，（參考文獻2，式1-39）計算，結果列表如下：表9-5各閥局部壓力損失編號元件名稱額定流量（）實際流量（）額定壓力損失（MPa）實際壓力損失（MPa）5單向閥100800.20.1287兩位兩通換向閥63400.40.1619三位四通換向閥63400.40.16115兩位兩通換向閥6336.90.40.13716兩位兩通換向閥6336.90.40.137若取集成塊進油路的壓力損失，則進油路的總壓力損失為：即：。也就是說，初選的進油管壓力損失略大于實際油路壓力損失。這說明液壓系統(tǒng)的油路結構以及元件的參數(shù)選擇是基本合理的，滿足要求。(2)系統(tǒng)發(fā)熱及溫升驗算在整個工作循環(huán)中，Ⅰ工進和Ⅱ工進階段用的時間都較長，而快進快退時系統(tǒng)的功率較大，所以系統(tǒng)的發(fā)熱量大小無法判斷，故計算如下：快進時液壓泵的輸入功率，而快進時液壓缸的輸出功率：，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率：，發(fā)熱量。Ⅰ工進時液壓泵的輸入功率，而Ⅰ工進時液壓缸的輸出功率：，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率：，發(fā)熱量。Ⅱ工進時液壓泵的輸入功率，而Ⅱ工進時液壓缸的輸出功率：，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率：，發(fā)熱量?？焱藭r液壓泵的輸入功率，而快退時液壓缸的輸出功率：，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率：，發(fā)熱量。綜合以上可知，發(fā)熱量最大的階段是快退階段，即取。假設油箱三個邊長的比例在1：1：1到1：2：3范圍內，且油面高度為油箱高度的80%，其散熱面積近似為，得，假定通風良好，取油箱散熱系數(shù)，則利用式，可得油液溫升為：。設環(huán)境溫度為，則熱平衡溫度為：。。所以油箱散熱必須加裝專用冷卻器。再驗算，取，則利用式，可得油液溫升為：。設環(huán)境溫度為，則熱平衡溫度為：。。所以加裝冷卻器后油箱工作溫度沒有超過最高允許油溫，散熱可以滿足要求。電控系統(tǒng)的設計（采用PLC控制方式）(1)各電磁鐵動作順序表其中表中的符號含義：ON：電磁鐵動作OFF：電磁鐵不動作工作階段1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9Y10Y循環(huán)1OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF同時快進OFFOFFONOFFOFFONONONONON同時Ⅰ工進OFFOFFONOFFOFFONOFFONOFFON同時Ⅱ工進OFFOFFONOFFOFFONOFFOFFOFFOFF同時快退OFFOFFOFFONONOFFOFFOFFOFFOFF系統(tǒng)卸載OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF循環(huán)2OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF左快進OFFONONOFFOFFOFFONONOFFOFF左Ⅰ工進OFFONONOFFOFFOFFOFFONOFFOFF左Ⅱ工進OFFONONOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF右快進ONOFFOFFOFFOFFONOFFOFFONON右Ⅰ工進ONOFFOFFOFFOFFONOFFOFFOFFON右Ⅱ工進ONOFFOFFOFFOFFONOFFOFFOFFOFF同時快退OFFOFFOFFONONOFFOFFOFFOFFOFF系統(tǒng)卸載OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF表6各電磁鐵動作順序表表6各電磁鐵動作順序表(2)PLC控制連接圖圖中各符號的含義：1SB：啟動/復位按鈕KM：中間繼電器2SB：啟動循環(huán)1按鈕1Y~10Y：各電磁閥3SB：啟動循環(huán)2按鈕4SB：急停按鈕1x~8x：位置開關圖9-8圖9-8PLC控制接線電路圖(3)繼電器-接觸器控制梯形圖圖11PLC控制梯形圖圖9-圖11PLC控制梯形圖(4)PLC控制梯形圖圖9-10PLC控制梯形圖指令語句表表9-7指令語句表1LDI413急停43OUT4362LD400啟動44OUT4423OR43045LD403同時Ⅱ工進4ANIFR46OR4335OUT43047ANI4046LDI431確定原位48OUT4337ANI43549LD4078AND43050OR4369OUT10051ANI40810OUT10152OUT43611MC10053LD404同時快退12AND411啟動循環(huán)154OR43413LDI401同時快進55ANI40114LD43356OUT43415AND43757LD40816AND44058OR43517ORB59ANI40518ANI40260OUT43519OUT43361LD40120OUT43762AND40521OUT44063MCR100系統(tǒng)卸載22LDI40564MC10123LD43665LD412啟動循環(huán)224AND44166LDI405左快進25AND44267OR43226ORB68ANI40427ANI40669OUT43228OUT43670LDI401829OUT44171LD