液压系统工况分析.docx
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液压系统工况分析
液压系统工况分析
摘要：
本文首先对液压系统进行工况分析，通过分析计算，绘制速度、负载循环图，初步选定液压缸工作压力，并计算加紧液压缸和工作缸尺寸以及各阶段流经液压缸的流量；其次根据液压系统供油方式、调速方式、速度换接方式以及加紧回路的选择拟定液压系统图，并且对系统工作状态分析；再次通过对流通各元件的的流量的计算，合理选择液压系统元件；最后通过对压力损失和系统升温的验算，对液压系统进行性能分析，达到要求。
关键词：
工况分析；液压系统原理图；液压泵；液压阀；压力损失
Abstract：
Accordingtotherequirementsofthemissionstatementtitle,thefirstconditionofthehydraulicsystemanalysis,throughanalysisandcalculation,renderingspeed,dutycyclegraph,theinitialselectionofhydrauliccylindersworkingpressure,andcalculatedtointensifytheworkofhydrauliccylindersandcylindersizeandflowofthevariousstagesThehydrauliccylinderoftheflow;secondoilhydraulicsystemaccordingtomode,speedmode,thespeed-for-accessapproachandthechoiceofsteppingupthedevelopmentofhydraulicsystemcircuitdiagramandworkingstatusofthesystem;onceagainflowthroughvariouscomponentsoftheflowCalculation,areasonablechoiceofhydraulicsystemcomponents;lastthroughthepressurelossandtemperatureofthecheckingsystem,hydraulicsystemperformanceanalysis,meettherequirements.Keywords:
EngineeringAnalysis;hydraulicsystemdiagram;hydraulicpump;hydraulicvalve;pressureloss
1序言
2设计的技术要求和设计参数
3工况分析
3.1确定执行元件
3.2分析系统工况
3.3负载循环图和速度循环图的绘制
3.4确定系统的主要参数
3.4.1液压缸的设计
3.4.2计算液压缸工作循环各阶段的压力、流量和功率
3.5拟定液压系统原理图
3.5.1确定液压传动系统的类型
3.5.2速度控制回路的选择
3.5.3换向和速度换接回路的选择
3.5.4油源的选择和能耗控制
3.5.5压力控制回路的选择
3.6液压元件的选择
3.6.1确定液压泵和电机规格
3.6.2阀类元件和辅助元件的选择
3.6.3油管的选择
3.6.4油箱的设计
3.7液压系统性能的验算
3.7.1估算系统的效率
3.7.2系统发热和温升验算
3.8液压元件的清洗
3.9常见故障及排除方法
1．序言
液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，液压传动系统由液压泵、阀、执行器及辅助件等液压元件组成。
液压传动原理是把液压泵或原动机的机械能转变为液压能，然后通过控制、调节阀和液压执行器，把液压能转变为机械能，以驱动工作机构完成所需求的各种动作。
液压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一，其发展速度仅次于电子技术，特别是近年来液压与微电子、计算机技术相结合，使液压技术的发展进入了一个新的阶段。
从70年代开始，电子学和计算机进入了液压技术领域，并获得了重大的效益。
例如在产品设计、制造和测试方面，通过利用计算机辅助设计进行液压系统和元件的设计计算、性能仿真、自动绘图以及数据的采取和处理，可提高液压产品的质量、降低成本并大大提高交货周期。
总之，液压技术在与微电子技术紧密结合后，在微计算机或微处理器的控制下，可以进一步拓宽它的应用领域，使得液压传动技术发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。
作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。
本次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。
组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。
液压系统在组合机床上主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图1所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的动作循环通常包括：
原位停止→快进→I工进→II工进→死挡停留→快退→原位停止。
2.设计的技术要求和设计参数
工作循环：
快进→工进→快退→停止；
系统设计参数如表1所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。
表1设计参数
参数
数值
切削阻力（N）
15000
滑台自重（N）
22000
快进、快退速度（m/min）
5
工进速度（mm/min）
100
最大行程（mm）
350
工进行程（mm）
200
启动换向时间（s）
0.1
液压缸机械效率
0.9
3.工况分析
3.1确定执行元件
金属切削机床的工作特点要求液压系统完成的主要是直线运动，因此液压系统的执行元件确定为液压缸。
3.2分析系统工况
在对液压系统进行工况分析时，本设计只考虑组合机床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载、和机械摩擦阻力负载，其他负载可以忽略。
（1）工作负载
工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，即沿液压缸轴线方向的力为工作负载，即
=15000N
（2）惯性负载
最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度，其中最大加速度可通过工作台最大移动速度和加速时间进行计算。
已知加减速时间为0.1s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为5m/min，因此惯性负载可以表示为
（3）阻力负载
阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。
静摩擦阻力Ffj=fj×N=
N
动摩擦阻力Ffd=fd×N=
N
根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如表2所示。
表2液压缸在各工作阶段的负载（单位：
N）
工况
负载组成
负载值F
液压缸推力
=F/
起动
=
4400N
4889N
加速
=
+
4071N
4523N
快进
=
2200N
2444N
工进
=
+
17200N
19111N
反向起动
=
4400N
4889N
加速
=
+
4071N
4523N
快退
=
2200N
2444N
注：
此处未考虑滑台上的颠覆力矩的影响。
3.3负载循环图和速度循环图的绘制
根据表2中计算结果，绘制组合机床动力滑台液压系统的负载循环图如图2所示。
图2组合机床动力滑台液压系统负载循环图
图2表明，当组合机床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为19111N，其他工况下负载力相对较小。
所设计组合机床动力滑台液压系统的速度循环图可根据已知的设计参数进行绘制，已知快进和快退速度
m/min、快进行程
mm、工进行程
mm、快退行程
mm，工进速度
mm/min。
根据上述已知数据绘制组合机床动力滑台液压系统的速度循环图如图3所示。
图3组合机床液压系统速度循环图
3.4确定系统的主要参数
3.4.1液压缸的设计
液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换为机械能的能量转换装置。
液压缸在液压系统中的作用是将液压能转变成机械能，使机械实现直线往复运动或小于360o的往复摆动运动。
液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。
1.液压缸常用类型
随着液压技术的飞速发展和普遍应用，液压缸的类型也逐渐繁多。
液压缸可分为推力液压缸和摆动液压缸，推力液压缸又可以分为活塞缸、柱塞缸两类，活塞缸和柱塞缸的输入为压力和流量，输出为推力和速度。
本设计课题为组合机床液压机，专门传递推力，属于中压缸。
柱塞缸只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力。
通常成对反向布置使用，这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，不但结构复杂，而且动作不够灵敏，不能满足本设计的要求；双作用单活塞杆液压缸结构简单，制造便宜，容易操作，安装面积小，可以满足力和运动的要求。
综上所述，液压缸选用单作用活塞缸。
双作用单活塞杆液压缸的活塞、活塞杆和导向套上都装有密封圈，因而液压缸被分隔为两个互不相通的油管，当活塞腔通入高压油而活塞杆腔回油时可实现工作进程，当从反方向进油和回油时可实现快速回程。
2.初选液压缸的工作压力
所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为19111N，其它工况时的负载都相对较低，参考第2章表3和表4按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。
3.确定液压缸的主要尺寸
由于工作进给速度与快速运动速度差别较大，且快进、快退速度要求相等，从降低总流量需求考虑，应确定采用单杆双作用液压缸的差动连接方式。
通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。
这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积
是有杆腔工作面积
两倍的形式，即活塞杆直径d与缸筒直径D呈d=0.707D的关系。
工进过程中，当孔被钻通时，由于负载突然消失，液压缸有可能会发生前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压（通过设置背压阀的方式），选取此背压值为p2=0.8MPa。
工进时液压缸的推力计算公式为
，
式中：
F——负载力
ηm——液压缸机械效率
A1——液压缸无杆腔的有效作用面积
A2——液压缸有杆腔的有效作用面积
p1——液压缸无杆腔压力
p2——液压有无杆腔压力
因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为
液压缸缸筒直径为
根据无杆腔面积和有杆腔面积的关系式
，即缸筒和活塞杆直径之间的关系d=0.707D，可求得液压缸活塞杆直径为d=0.707
9.68=6.84cm,根据GB/T2348-1993，将液压缸的内径和活塞杆直径分别圆整到相近的标准值为：
D=100mm，d=80mm。
根据圆整后的液压缸内径和活塞杆直径，可得液压缸无杆腔面积和有杆腔的实际有效工作面积分别为
3.4.2计算液压缸工作循环各阶段的压力、流量和功率
根据液压缸的负载循环图和速度循环图及液压缸的有效工作面积，可以计算出液压缸在工作循环各个阶段的压力、流量和功率。
当液压缸做差动连接快进时，由于管路中有压力损失，液压缸有杆腔中的压力必须大于无杆腔中的压力，此处选管路压力损失
，则有杆腔压力为
。
液压缸工进时回油腔中的背压
快退时回油腔中的背压
。
1液压缸差动连接快进时，其无杆腔进油压力、输入流量、输入功率和有杆腔压力分别为
2工进阶段液压缸的进油压力、输入流量、输入功率和有杆腔压力分别为
3液压缸快退时无杆腔压力、输入流量、输入功率和有杆腔压力分别为
根据上述液压缸各个工作阶段的压力、流量和功率的计算结果，可绘制出液压缸的工况图，如图4所示。
图4液压系统工况图
3.5拟定液压系统原理图
液压传动系统的草图是从液压系统的工作原理和结构组成上来具体体现设计任务所提出的各项要求，它包括三项内容：
确定液压传动系统的类型、选择液压回路和组成液压系统。
确定液压传动系统的类型就是在根据课题提供的要求下，参照立式组合机床液压系统的具体特点，选择适合的系统类型。
选择液压回路就是在根据课题提供的要求和液压传动系统具体运动特点，选择适合本课题的液压回路。
组成液压系统就是在确定各个液压回路的基础上，将各个液压回路综合在一起，根据课题的实际要求，对液压系统草图进行适当的调整和改进，最终形成一个合理有效、符合课题设计要求的液压传动系统原理图。
根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。
速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。
此外，与所有液压系统的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。
3.5.1确定液压传动系统的类型
液压传动系统的类型究竟采用开式还是采用闭式，主要取决于它的调速方式和散热要求。
一般的设计，凡具备较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统，要求尽可能简单的系统，或采用节流调速或容积---节流调速的系统，都宜采用开式。
在开式回路中，液压泵从油箱吸油，把压力油输送给执行元件，执行元件排出的油则直接流回油箱。
开式回路结构简单，油液能得到较好的冷却，但油箱的尺寸大，空气和赃物易进入回路；凡容许采用辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统，对工作稳定和效率有较高要求的系统，或采用容积调速的系统都宜采用闭式。
在闭式回路中，液压泵的排油管直接与执行元件的进油管相连，执行元件的回油管直接与液压泵的吸油管相连，两者形成封闭的环状回路。
闭式回路的特点是双向液压泵直接控制液压缸的换向，不需要换向阀及其控制回路，液压元件显著减少，液压系统简单，用油不多而且动作迅速，但闭式回路也有其缺点，就是回路的散热条件较差，并且所用的双向液压泵比较复杂而且系统要增设补、排油装置，成本较高，故应用还不普遍。
本课题设计的液压传动系统类型采用开式液压系统，系统的结构简单。
3.5.2速度控制回路的选择
工况图4表明，所设计组合机床液压系统在整个工作循环过程中所需要的功率较小，系统的效率和发热问题并不突出，因此考虑采用节流调速回路即可。
虽然节流调速回路效率低，但适合于小功率场合，而且结构简单、成本低。
该机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度-负载特性，因此有三种速度控制方案可以选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。
钻镗加工属于连续切削加工，加工过程中切削力变化不大，因此钻削过程中负载变化不大，采用节流阀的节流调速回路即可。
但由于在钻头钻入铸件表面及孔被钻通时的瞬间，存在负载突变的可能，因此考虑在工作进给过程中采用具有压差补偿的进口调速阀的调速方式，且在回油路上设置背压阀。
由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路，以提高散热效率，防止油液温升过高。
3.5.3换向回路和速度换接回路的选择
所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。
为便于实现差动连接，选用三位五通电液动换向阀。
由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由25.08L/min降为0.785L/min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击。
由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。
由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。
为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。
3.5.4油源的选择和能耗控制
本设计多轴钻床液压系统的供油工况主要为快进、快退时的低压大流量供油和工进时的高压小流量供油两种工况，若采用单个定量泵供油，显然系统的功率损失大、效率低。
在液压系统的流量、方向和压力等关键参数确定后，还要考虑能耗控制，用尽量少的能量来完成系统的动作要求，以达到节能和降低生产成本的目的。
在图4工况图的一个工作循环内，液压缸在快进和快退行程中要求油源以低压大流量供油，工进行程中油源以高压小流量供油。
其中最大流量与最小流量之比
≈32，而快进和快退所需的时间
与工进所需的时间
分别为：
s
s
上述数据表明，在一个工作循环中，液压油源在大部分时间都处于高压小流量供油状态，只有小部分时间工作在低压大流量供油状态。
从提高系统效率、节省能量角度来看，如果选用单个定量泵作为整个系统的油源，液压系统会长时间处于大流量溢流状态，从而造成能量的大量损失，这样的设计显然是不合理的。
如果采用一个大流量定量泵和一个小流量定量泵双泵串联的供油方式，由双联泵组成的油源在工进和快进过程中所输出的流量是不同的，工进时，大泵卸荷，大泵出口供油压力几近于零。
除采用双联泵作为油源外，也可选用限压式变量泵作油源。
但限压式变量泵结构复杂、成本高，且流量突变时液压冲击较大，工作平稳性差，最后确定选用双联液压泵供油方案，有利于降低能耗和生产成本，如图6所示。
图5双泵供油油源
3.5.5压力控制回路的选择
由于采用双泵供油回路，故采用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。
为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压回路进行整理归并，并根据需要作必要的修改和调整，最后画出液压系统原理图如图7所示。
为了解决滑台快进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀8，以阻止油液在快进阶段返回油箱。
同时阀7起背压阀的作用。
考虑到这台机床用于钻孔（通孔与不通孔）加工，对位置定位精度要求较高，图中增设了一个压力继电器16。
当滑台碰上死挡块后，系统压力升高，压力继电器发出快退信号，操纵电液换向阀换向。
在进油路上设有压力表开关和压力表，钻孔行程终点定位精度不高，采用行行程开关控制即可。
图6液压系统原理图
（1）快进
进油路：
滤油器1→双联叶片泵2→单向阀3→管路5→电液动换向阀6的P口到A口→管路11、12→行程阀18→管路19→液压缸20左腔
回油路：
液压缸20右腔→管路21→电液动换向阀6的B口到T口→油路9→单向阀10→油路12→行程阀18→管路19→液压缸20左腔
（2）第一次工进
进油路：
滤油器1→双联叶片泵2→单向阀3→电液动换向阀6的P口到A口→油路11→调速阀13→电磁换向阀15→油路19→液压缸20左腔
回油路：
液压缸20右腔→油路21→电液动换向阀6的B口到T口→管路9→顺序阀8→背压阀7→油箱
（3）第二次工进
进油路：
滤油器1→双联叶片泵2→单向阀3→电液动换向阀6的P口到A口→油路11→调速阀13→调速阀14→油路19→液压缸20左腔
回油路：
液压缸20右腔→油路21→电液动换向阀6的B口到T口→管路9→顺序阀8→背压阀7→油箱
（4）快退
进油路：
滤油器1→双联叶片泵2→单向阀3→油路5→电液动换向阀6的P口到B口→油路21→液压缸20右腔
回油路：
缸20左腔→油路19→单向阀17→油路12→电液动换向阀6的A口到T口→油箱
3.6液压元件的选择
本设计所使用液压元件均为标准液压元件，因此只需确定各液压元件的主要参数和规格，然后根据现有的液压元件产品进行选择即可。
3.6.1确定液压泵和电机规格
（1）计算液压泵的最大工作压力
由于本设计采用双泵供油方式，根据图4液压系统的工况图，大流量液压泵只需在快进和快退阶段向液压缸供油，因此大流量泵工作压力较低。
小流量液压泵在快速运动和工进时都向液压缸供油，而液压缸在工进时工作压力最大
。
此时缸的输入流量较小，故泵至液压缸间的进油路压力损失估取为
。
根据式
，算得小流量泵的最高工作压力
为
=2.72+0.8=3.52
大流量泵仅在快进和快退时向液压缸供油，由工况图可知快退时液压缸的工作压力比快进时大，取进油路压力损失为
则大流量泵的最高工作压力
为
=2.25+0.5=2.75
（2）确定液压泵的流量
在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提供的最大流量出现在快进工作阶段，为25.08L/min，若整个回路中总的泄漏量按液压缸输入流量的10%计算，则液压油源所需提供的总流量为：
工作进给时，液压缸所需流量约为0.785L/min，但由于要考虑溢流阀的最小稳定溢流量3L/min，故小流量泵的供油量最少应为3.79L/min。
（3）确定液压泵的规格
根据上述计算的液压泵的最高工作压力和流量，确定
型双联叶片泵能够满足上述设计要求，因此选用
型双联叶片泵，其中小泵的排量为
，大泵的排量为
，若取液压泵的容积效率
=0.9，则当泵的转速
=960r/min时，小泵的输出流量为
该流量能够满足液压缸工进速度的需要。
大泵的输出流量为
双泵供油的实际输出流量为
该流量能够满足液压缸快速动作的需求。
表3液压泵参数
元件名称
估计流量
规格
额定流量
额定压力MPa
型号
双联叶片泵
—
（3.5+27.6）
最高工作压力为21MPa
（4）电机的选择
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时液压泵工作压力为2.75MPa，流量为31.104L/min。
取泵的总效率
，则液压泵驱动电动机所需的功率为：
根据上述功率计算数据，此系统选取Y112M-6型电动机，其额定功率
，额定转速
。
3.6.2阀类元件和辅助元件的选择
图6液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件以及滤油器、空气滤清器等辅助元件。
1.阀类元件的选择
根据上述流量及压力计算结果，对图6初步拟定的液压系统原理图中各种阀类元件及辅助元件进行选择。
其中调速阀的选择应考虑使调速阀的最小稳定流量应小于液压缸工进所需流量。
通过图6中4个单向阀的额定流量是各不相同的，因此最好选用不同规格的单向阀。
图6中溢流阀22、背压阀7和顺序阀8的选择可根据调定压力和流经阀的额定流量来选择阀的型式和规格，其中溢流阀22的作用是调定工作进给过程中小流量液压泵的供油压力，因此该阀应选择先导式溢流阀，连接在大流量液压泵出口处的顺序阀8用于使大流量液压泵卸荷，因此应选择外控式。
背压阀7的作用是实现液压缸快进和工进的切换，同时在工进过程中做背压阀，因此采用内控式顺序阀。
最后本设计所选择方案如表5所示，表中给出了各种液压阀的型号及技术参数。
表4阀类元件的选择
2.过滤器的选择
取过滤器的流量为泵流量的2.5倍。
由于所设计的组合机床液压系统为普通的液压传动系统，对油液的过滤
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