液压泵站de设计.docx
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液压泵站de设计
一、液压泵站的设计
1.1系统参数：
系统的最高压力：
25Mpa
系统的流量范围：
4~12L/min
1.2.系统工况及控制要求：
实现执行元件的换向、锁紧停止：
采用变量泵进行调速：
实现液压系统的卸荷：
1.3．设计要求：
确定液压传动系统方案、完成液压传动系统图设计：
完成电动机功率确定、液压元件选型、液压辅助元件选型：
完成液压泵站总图及主要零、部件图的设计：
设计说明书及图纸量达到课程设计大纲的要求:
二、液压泵站的设计基本原理与要求
液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。
着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
2.1设计步骤
液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。
一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。
1）确定液压执行元件的形式；
2）进行工况分析，确定系统的主要参数；
3）制定基本方案，拟定液压系统原理图；
4）选择液压元件
5）液压系统的性能验算；
6）绘制工作图，编制技术文件。
2.2明确设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据。
在制定基本方案并进一步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、工艺流程、作业环境、总体布局等；
2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；
3）液压驱动机构的运动形式，运动速度；
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）自动化程序、操作控制方式的要求；
7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；
8）对效率、成本等方面的要求。
三、制定基本方案和绘制液压系统图
3.1制定基本方案
（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。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。
相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。
容积调速是靠改变液压泵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入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。
故选择采用柱塞式变量泵实现液压回路的调速。
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。
（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中，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。
设计采用在压油路放置溢流阀来实现液压回路压力的控制。
（3）制定顺序动作方案
由于液压泵站是为工作机构提供恒定压力压力源的装置，我们不必关心机械装置的动作顺序，液压泵站提供恒定的压力源接口。
（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。
采用柱塞式变量泵容积式调速，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。
一般泵的入口要装有粗过滤器，进入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。
3.2绘制液压系统图
整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。
各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。
注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。
要尽量减少能量损失环节。
提高系统的工作效率。
为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。
大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。
各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。
对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。
系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作表。
四、液压元件的选择与专用件设计
4.1液压泵的选择
1）确定液压泵的最大工作压力pp
pp≥p1+Σ△p （21）
式中p1——液压缸或液压马达最大工作压力为25MPa
Σ△p——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。
Σ△p的准确计算要待元件选定并绘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，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。
则可得液压泵的最大工作压力:
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） （22）
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。
由题知系统的最大工作流量为12L/min
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。
则可预选液压泵的流量大概为Qp:
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，从产品样本或本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%。
选得的液压泵的参数规格如下：
型号:
10SCY14-1B
排量/mL*s^（-1）:
10
额定压力/MPa:
32
额定转速/r*min^（-1）:
1500
驱动功率/kW:
10
容积效率/%:
≥92
重量/kg:
19
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:
P=Pp*Qp/ηP
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9选择。
表9液压泵的总效率
液压泵类型
齿轮泵
螺杆泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
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——液压泵的最大工作压力（Pa）；
——液压泵的额定流量（m3/s）。
在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即（Q-t），（p-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t1、t2、…tn——一个循环中每一动作阶段内所需的时间（s）；
P1、P2、…Pn——一个循环中每一动作阶段内所需的功率（W）。
按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。
电动机允许的短时间超载量一般为25%。
则可选择电动机型号：
（参数如下）
名称＝Y系列（IP44）封闭式
三相异步电动机技术数据
-序号=31
型号=Y160M-4
额定功率\kW=11
同步转速\r/min=1500
满载转速\r/min=1460
满载电流\A=7
满载时效率\%=88
满载功率因数\cosφ=0.84
堵转电流/额定电流=7
堵转转矩/额定转矩=2
最大转矩/额定转矩=2.2
噪声\dB（A）=82
转动惯量\kg.m^2=0.07
净重\kg=123
4.2液压阀的选择
1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。
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。
控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。
2）阀的型式，按安装和操作方式选择。
根据系统的工作压力和流量选择：
先导溢流阀的型号（参数如下）：
名称:
先导型溢流阀
公称通径/in:
3/8
型号:
BT-03-*-32
调压范围/MPa:
0.5～25.0
最大流量/Lmin^（-1）:
100
重量/kg:
5.0
液控单向阀的型号（参数如下）：
名称:
液控单向阀
型号|板式连接:
A※Y-H※lOB
型号|法兰连接:
通径/mm:
10
压力/MPa:
32
流量/Lmin^（-1）:
40
开启压力/MPa:
a：
0.04b：
0.4
控制压力/MPa:
△p≥1.6
电磁换向阀型号（参数如下）：
通径/mm:
10
公称流量/Lmin^（-1）:
40
公称压力／MPa:
31.5
允许背压／MPa:
＜6.3
换向频率／次*min^（-1）:
干式电磁铁30湿式电磁铁60
最高换向频率/次*min^（-1）:
干式电磁铁60湿式电磁铁120
电压:
AC220V50Hz；DC12V、24V
允许电压变动范围:
_10％
电磁铁功耗（吸持时）:
AC：
40W，DC：
42W
4.3过滤器的选择
根据题目要求和系统性能的考虑，选择将过滤器置于压油路上，
并选择纸质过滤器型号（参数如下）：
型号| :
ZU-H10×10S
流量/（L/min）:
10
额定压力/MPa:
32
过滤精度/μm| :
10
过滤精度/μm| :
20
压差指示器工作差/MPa:
0.35
初始压力降/MPa:
0.08
重量/kg:
3.3
外形尺寸/mm|h:
193
外形尺寸/mm|A:
118
外形尺寸/mm|B:
70
外形尺寸/mm|B1:
外形尺寸/mm|D:
φ88
外形尺寸/mm|D1:
φ73
外形尺寸/mm|M:
M27×2
4.4管道尺寸的确定
（1）管道内径计算
式中 Q——通过管道内的流量（m3/s）；
υ——管内允许流速（m/s），见表10。
计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。
分别取吸油、压油、回油管路的液压油流速分别如下：
经计算可得：
吸油路、压油路、回油路、管路的内径分别为：
0.02m、0.013m、0.014m
并采用无缝钢管进行管路的连接。
（2）管道壁厚δ的计算
根据系统压力和流量以及钢管的系列标准选择相应满足要求的钢管壁厚
表10允许流速推荐值
管道
推荐流速/（m/s）
液压泵吸油管道
0.5～1.5，一般常取1以下
液压系统压油管道
3～6，压力高，管道短，粘度小取大值
液压系统回油管道
1.5～2.6
式中p——管道内最高工作压力（Pa）；
d——管道内径（m）；
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＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。
4.5油箱容量的确定
初始设计时，先按经验公式（31）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 （31）
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11。
表11 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
α
1～2
2～4
5～7
6～12
10
在确定油箱尺寸时，一方面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满油时，油箱的油位不低于最低限度。
五、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。
5.1液压系统压力损失
压力损失包括管路的沿程损失△p1，管路的局部压力损失△p2和阀类元件的局部损失△p3，总的压力损失为
△p=△p1+△p2+△p3 （32）
式中l——管道的长度（m）；
d——管道内径（m）；
υ——液流平均速度（m/s）；
ρ——液压油密度（kg/m3）；
λ——沿程阻力系数；
ζ——局部阻力系数。
λ、ζ的具体值可参考第2章有关内容。
式中 Qn——阀的额定流量（m3/s）；
Q——通过阀的实际流量（m3/s）；
△pn——阀的额定压力损失（Pa）（可从产品样本中查到）。
对于泵到执行元件间的压力损失，如果计算出的△p比选泵时估计的管路损失大得多时，应该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+△p （36）
式中pT——液压泵的工作压力或支路的调整压力。
5.2液压系统的发热温升计算
5.2.1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——投入工作液压泵的台数；
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）；
ηj——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
Ph4=△pQ （40）
式中△p——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
Phr=Ph1+Ph2+Ph3+Ph4 （41）
式（41）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
Phr=Pr-Pc （42）
式中Pr是液压系统的总输入功率，PC是输出的有效功率。
其中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——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·m）。
5.2.2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，而且用式（41）计算发热功率时，也应考虑管路表面散热。
Phc=（K1A1+K2A2）△T （45）
式中K1——油箱散热系数，见表12；
K2——管路散热系数，见表13；
A1、A2——分别为油箱、管道的散热面积（m2）；
△T——油温与环境温度之差（℃）。
表12 油箱散热系数K1 （W/（m2·℃））
冷却条件
K1
通风条件很差
8～9
通风条件良好
15～17
用风扇冷却
23
循环水强制冷却
110～170
表13管道散热系数K2 （W/（m2·℃））
风速/m·s-1
管道外径/m
0.01
0.05
0.1
0
8
6
5
1
25
14
10
5
69
40
23
若系统达到热平衡，则Phr=Phc，油温不再升高，此时，最大温差
环境温度为T0，则油温T=T0+△T。
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14），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
表14各种机械允许油温（℃）
液压设备类型
正常工作温度
最高允许温度
数控机床
30～50
55～70
一般机床
30～55
55～70
机车车辆
40～60
70～80
船舶
30～60
80～90
冶金机械、液压机
40～70
60～90
工程机械、矿山机械
50～80
70～90
式中K——冷却器的散热系数，见本篇第8章液压辅助元件有关散热器的散热系数；
△tm——平均温升（℃），
T1、T2——液压油入口和出口温度；
t1、t2——冷却水或风的入口和出口温度。
5.2.3根据系统的流量范围计算油箱容量
5.3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（即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）；
△υ——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）；
τ=
——管道长度为l时，冲击波往返所需的时间（s）；
——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=2.1×1011Pa，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）；
△υ——液压缸的速度变化量（m/s）；
t——液压缸速度变化△υ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件管道的强度及阀件的承压能力，如不满足，要重新调整。
六、设计液压装置，编制技术文件
6.1液压装置总体布局
液压系统总体布局有集中式、分散式。
集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装在地下，组成液压站。
如冷轧机、锻压机、电弧炉等有强烈热源和烟尘污染的冶金设备，一般都是采用集中供油方式。
分散式结构是把液压系统中液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的地方。
机床、工程机械等可移动式设备一般都采用这种结构。
本设计采用液压装置的集中式布局
6.2液压阀的配置形式
1）板式配置板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上，板上钻有与阀口对应的孔，通过管接头联接油管而将各阀按系统图接通。
这种配置可根据需要灵活改变回路形式。
液压实验台等普遍采用这种配置。
2）集成式配置目前液压系统大多数都采用集成形式。
它是将液压阀件安装在集成块上，集成块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用。
这种配置结构紧凑、安装方便。
基于本设计
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