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液压传动系统课程设计指导书word文档
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
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
1
2
3
4
5
6
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
30
15
10
30
10
5
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
图2-1液压系统计算间图
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2-1。
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
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/s）
0．15～0.20
0．1～0.12
0．05～0.08
滚动导轨
铸铁对滚柱（珠）
淬火钢导轨对滚柱
0.005～0.02
0.003～0.006
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—0.95。
2．3．1．2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
＜5
5～10
10～20
20～30
30～50
＞50
工作压力/MPa
＜0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥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
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
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2-8。
2．6．2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。
表2-8有级变速回路组成示例
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）
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