2.14　液压系统设计计算举例

2.14.1　ZS-500型塑料注射成型液压机液压系统设计

（1）设计要求

①主机用途及规格如下。

本机用于热熔性塑料注射成型。一次注射量最大500g。

②要求主机完成的工艺过程如下。

塑料粒从料斗底孔进入注射-预塑加热筒，螺杆旋转，将料粒推向前端的注射口，沿途被筒外电加热器加热逐渐熔化成黏稠流体，同时螺杆在物料的反作用力作用下后退，触及行程开关后停止转动。

合模缸事前将模具闭合锁紧，然后注射座带动注射加热筒前移，直至注射口在模具的浇口窝中贴紧，贴紧力达到设定的数值时，注射缸推动螺杆挤压熔化的物料注射入模具的型腔，经过保压、延时冷却（在此时间螺杆又转动输送和加热新物料），然后开模，顶出制件，完成一个工艺循环。

注射座的动作有每次注射后退回和不退回两种，由制件的工艺要求决定。

③系统设计技术参数如下。

④系统设计的其他要求如下。

主要包括：注射速度和螺杆转速要求10级可调，而且可预置；螺杆的注射压力，以及预塑过程后退的背压，要能调节；系统要能实现点动、半自动、全自动操作；为确保安全，合模缸在安全门关好后才能动作。

（2）总体规划、确定液压执行元件

（3）绘制系统工况图

①明确工艺循环作用于各执行元件的载荷。

②绘制系统工况图：按设计要求和注射座固定的注塑工艺过程绘制的工艺循环动作线图见图21-2-1a，图中S_i、φ分别表示行程和转角，各电气或液压发信元件符号的意义见表21-2-20的表注；按表21-2-17的速度参数制作的速度图见图21-2-1b，图中的n_m表示油马达的转速，v_i表示液压缸的行程速度；载荷图见图21-2-1c，图中F_i、τ分别表示力和扭矩。

（4）确定系统工作压力

据统计资料，公称注射量250～500g的注塑机，工作压力范围为7～21MPa，其中，21MPa占23％，14MPa占40％～57％，故本机液压系统的工作压力采用14MPa。

（5）确定液压执行元件的控制和调速方案

根据设计要求，注射速度和注射螺杆的转速不仅要可调，还要能够预选，所以采用液压有级变速回路。这与确定螺杆旋转机构驱动元件时所作的选择取得一致。不过在具体设计时，要使有级变速回路能够同时满足注射和螺杆旋转两者的调速要求。

（6）草拟液压系统原理图

初步拟定的液压系统图见图21-2-2。电液动换向阀26与机动二位四通阀24配合组成安全操作回路，安全门关闭到位压下阀24和触动行程开关XK1后控制油才能推动阀26使合模缸动作。单向阀27用以防止注射和保压时物料通过螺杆螺旋面的作用使螺杆和液压马达倒转。液控单向阀19和16用以保持液流切换后合模缸的锁模力和注射座压紧后的贴紧力。阀10-2、22-※和三位四通电磁阀23组成注射、保压和预塑的压力控制回路。件号4～14中的泵、阀组成液压有级变速回路，并为系统空循环卸荷。其余部分是各执行元件的方向控制回路和电液动换向阀的控制油回路。系统动作循环图表见表21-2-20。

（7）计算执行元件主要参数

（8）计算液压泵的流量及选择液压泵、验算行程速度或转速

①计算系统各执行元件最大需用流量：

由表21-2-22可知，系统最大所需流量为Q_max＝Q_g1＝132L/min。

②按有级变速回路的构成原理计算系统大、小泵的排量：

③按q₁、q₂选择液压泵：选用PV2R13-76/19型双联叶片泵一台，其技术参数见表21-2-24。

④调速阀的调整流量：组成有级变速回路，调速阀12的调整流量为

Q_T1＝Q_p×40％＝140.4×40％＝56.2L/min

调速阀13的调整流量为

Q_T2＝Q_p×10％＝140.4×10％＝14L/min

⑤计算液压马达排量、选择型号规格：

⑥计算液压马达转速和注射缸注射速度：

从表21-2-26中看出，液压马达转速n₁₀＝93r/min和n₅＝46.5r/min时消耗流量（100％Q_p）和功率最大，但转速为n₅时节流损失占50％Q_p，系统效率最低，所以，估算电动机功率和验算系统温升时按n₅挡转速计算。同理，注射缸用v₅挡速度计算。

（9）计算工作循环系统的流量、工作压力和循环周期时间并绘制系统的流量、压力循环图

系统的流量和工作压力的计算见表21-2-27的第1～4栏；工作周期的计算见表21-2-27的第5～7栏。系统的流量、压力循环图见图21-2-3和图21-2-4。

（10）选择控制元件

流经换向阀26的最大流量是合模缸快速启模时的排油流量：

流经换向阀25的最大流量是顶出缸回程时的排油流量：

换向阀11的最大通过流量是Q_p1＋Q_p2的40％，即56.2L/min，选用公称流量为30L/min的二位四通换向阀，将其四个通路分成两组并联成为二通换向阀（图21-2-2），通流能力便增加一倍，满足56L/min的需要。

本系统选择的主要控制元件的型号、规格见表21-2-28。因为有的阀的压力规格没有14MPa这个压力级，故选用时向较高的压力挡选取。

（11）计算系统工作循环的输入功率、绘制功率循环图并选择电动机

系统工作循环主系统输入功率的计算见表21-2-27的第8～10栏。根据第10栏的数据绘制的功率循环图见图21-2-5。在工作循环中锁模阶段所用的功率是最大的，为P_max＝36.8kW，但持续时间短，不能按它选择电动机。按表21-2-27第11栏和第7栏的数据求出工作循环周期所需的电动机等值功率为

而 　　

此比值过大，也不能按等值功率选择电动机，应按最大功率除以系数k选取，系数k＝1.5～2，本机取k＝1.7，求得电动机的功率为

选取Y180L-4型电动机，额定功率22kW。

电液动换向阀控制油系统的工作压力为p_k＝1.5MPa，流量为Q_k＝20L/min，泵的效率为η＝0.84，所需电动机的功率为

选取Y802-4型电动机、额定功率0.75kW。

（12）液压辅件

①计算油箱容积：油箱有效容积V₀按三个泵每分钟流量之和的4倍计算，即

本机的机身是由钢板焊成的箱体，可以利用它兼作油箱。油箱部分的长、宽、高尺寸为a×b×c＝2.5m×1.1m×0.32m，油面高度为

油面高与油箱高之比为

②计算油管直径、选择管子：系统上一般管路的通径按所连接元件的通径选取，现只计算主系统两泵流量汇合的管子，取管内许用流速为v_p＝4m/s，管的内径为

按标准规格选取管子为ф32mm×3mm，材料为20钢，供货状态为冷加工/软（R），σ_b＝451MPa，安全系数n＝6，验算管子的壁厚为

壁厚的选取值大于验算值。

（13）验算系统性能

①验算系统压力损失。

a.系统中最长的管路，泵至注射缸管路的压力损失：两泵汇流段的管子，内径d＝0.027m，长l₃＝6.8m，通过流量Q_p1＋Q_p2＝140.4L/min＝0.00234m³/s，工作介质为YA-N32普通液压油，工作温度下的黏度ν＝27.5mm²/s，密度ρ＝900kg/m³，管内流速为

雷诺数为

因3000＜Re＜10⁵，故沿程阻力系数为，则沿程压力损失为

泵出口至汇流点的管长小，沿程压力损失不计。

额定流量下有关阀的局部压力损失：单向阀和液控单向阀为0.2MPa；电液动换向阀为0.3MPa。管接头、弯头、相贯孔等的局部压力损失很小，不计。

按此，双泵输出最大流量时，大泵到注射缸的局部压力损失为

式中Δp的下标是该阀在系统图中的编号，带（　）者是表示该阀处在回油路，其压力损失是折算到进油路上的损失，即。φ₃为注射缸的速比，φ₃＝1。式中各阀的额定流量及使用流量见表21-2-28。

故大泵出口至注射缸的总压力损失为

b.合模缸快速启模时的压力损失：通至合模缸的汇流管的内径与前者相同，但管长为l₁＝3.8m，系统两泵输出最大流量，汇流管的沿程压力损失为

大泵出口至合模缸的局部压力损失为

φ₁为合模缸的速比，φ₁＝1.46。

快速启模时大泵至合模缸的总的压力损失为

以上算得的∑Δp₁、∑Δp₃值与表21-2-27中所列的对应值很接近，因此，无需更正表中参数。

②验算系统温升。

a.系统的发热功率：主系统的发热功率为

P_H1＝P－P_e（kW）

式中　P——工作循环输入主系统的平均功率，；

P_e——执行元件的平均有效功率，。

从表21-2-27的第7、12、13栏中查得∑t、∑E₁、∑E₂值代入，得

控制油系统的输入功率为0.6kW，该功率几乎全部转变为发热功率P_H2，所以系统的总发热功率为

P_H＝P_H1＋P_H2＝7.65＋0.6＝8.25kW

b.验算温升：油箱的散热面积为

系统的热量全部由A_S散发时，在平衡状态下油液达到的温度为

式中　θ_R——环境温度，θ_R＝20℃；

k_S——散热系数，

k_S＝15×10^－3kW/（m²·℃）。

所以

θ超过表21-2-16列出的允许值，即系统需装设冷却器。

③冷却器的选择与计算：注塑机工作时模具和螺杆根部需用循环水冷却，所以冷却器也选用水冷式。需用冷却器的换热面积为

式中　P_HS——油箱散热功率，kW；

K——冷却器传热系数，kW/（m²·℃）；

Δt_m——平均温度差，℃。

P_HS＝k_SA_SΔθ（kW）

Δθ是允许温升，Δθ＝35℃，故

油进入冷却器的温度T₁＝60℃，流出时的温度T₂＝50℃，冷却水进入冷却器的温度t₁＝25℃，流出时的温度t₂＝30℃，则

由手册或样本中查出，K＝350×10^－3kW/（m²·℃），所以

冷却器在使用过程中换热面上会有沉积和附着物影响换热效率，因此实际选用的换热面积应比计算值大30％，即取

A＝1.3×0.58＝0.75m²

按此面积选用2LQFW-A 0.8F型多管式冷却器一台，换热面积为0.8m²。配管时，系统中各执行元件的回油和各溢流阀的溢出油都要通过冷却器回到油箱。调速阀的出油不经过冷却器直接进入油箱，以免背压影响调速精度。

2.14.2　80MN水压机下料机械手液压系统设计

（1）设计要求

①设备工况及要求如下。

水压机下料机械手服务于80MN水压机，它的任务是将已压制成型的重型热工件取出，放到规定的工作线上。该设备为直角坐标式机械手，它位于水压机的一侧，环境较为恶劣，温度较高，灰尘较多。

②设备工作程序如下。

启动机械手（该设备像小车，以下简称小车）沿轨道前进到水压机侧的工作位置，液压定位缸定位锁紧。当工件成型后发出信号，小车的一级和二级移动缸前进（即机械手伸进水压机内），此时手张开，到预定位置后，升降缸下降（手下降），到位后，夹紧缸工作，夹紧工件（手夹紧），然后升起（升降缸工作），到预定位置后，一、二级移动缸返回（手退回）到预定位置，升降缸下降（手下降），到预定位置，夹紧缸松开，把工件放在小车的回转台上后再升起（手上升），而后回转缸工作，把工件送到预定的工作线上由吊车取走。

③控制与联锁要求如下。

a.所有动作要求顺序控制，部分回路选用远程电控调速和调压。

b.手放工件的位置控制精度±1mm。

c.手的动作要与水压机配合，只有在水压机工作完成并升起后，机械手方可进入取料。

④执行元件工艺参数见表21-2-29。

⑤工作循环时间顺序图如图21-2-6所示。

（2）执行机构的选择

机械手平移放料的位置控制精度取决于移动缸速度调节和定位方式及移动缸的加减速度，回转缸的加减速也需控制，故选用比例控制，而升降缸和平衡缸的压力需要互相匹配和远程调控，因而也选用比例控制，其他则选用普通液压控制。

①移动缸选用四通比例方向阀控制的油缸，可供系统使用的压力为

p＝p_s－Δp_v（MPa）

式中　p_s——泵供油压力，MPa；

Δp_v——管道压力损失，MPa。

经验表明若p作如下分配时，油缸的参数确定是合理的，用于推动负载，用于加速，用于运动速度。为保证用于负载，应当只有（p_ST为油缸稳态压力，MPa）用于减速，否则在从匀速到减速的过渡过程中，比例阀阀口过流断面的变化就太大，而难以准确地达到用于负载。

加减速时液压缸作用面积A按下式计算：

式中　F_ST——液压缸稳态负载，N；

F_ф——液压缸摩擦力，N；

m——液压缸运动部分质量，kg；

v——液压缸速度，m/s；

t_s——希望的加速时间，s。

本例中，预选供油压力p_s＝8MPa，m＝10000kg，F_ST＝10000N，Δp_v＝1MPa，v＝0.38m/s，F_ф忽略，t_s＝0.6s，则

在匀速及稳态负载作用下缸作用面积A按下式计算：

式中　Δp_阀——比例阀的压降。

取Δp_阀＝1MPa，则

由液压缸计算面积，结合设备状态查标准缸径，最后确定为ф80mm/ф45mm。

②其他缸根据设备的状态进行选择：升降缸ф100mm/ф56mm，平衡缸ф80mm/ф56mm，回转缸ф80mm/ф45mm，定位缸ф80mm/ф45mm，夹紧缸ф63mm/ф35mm，脱模缸ф110mm/ф63mm。

（3）计算各执行机构的压力和耗油量

（4）绘制各执行机构流量-时间循环图

（5）草拟液压系统原理图

液压系统原理图如图21-2-8所示。

（6）液压泵站的设计与计算

①工作压力的确定：根据执行机构的工作压力状况，液压泵站的压力宜分为二级。

a.低压系统——用于移动缸：

p₁＝p_1max＋∑Δp₁

式中　p_1max——执行机构的最大工作压力，MPa；

∑Δp₁——系统总压力损失，MPa。

取∑Δp₁＝0.4MPa，则p₁＝2＋0.4＝2.4MPa，考虑储备量取8MPa。

b.高压系统——用于其他执行机构：

p₂＝p_2max＋∑Δp₂

式中　∑Δp₂——系统总压力损失，MPa；

p_2max——升降缸压力。

p_2max＝10.2MPa，取∑Δp₂＝1MPa，则p₂＝10.2＋1＝11.2MPa，考虑储备量取16MPa。

②流量的确定：按平均流量选择，参见图21-2-7。

a.低压系统：因为此系统仅为移动缸动作，所以平均流量，考虑系统的泄漏取Q₁＝1.1×230＝253L/min。

b.高压系统：因其他缸动作时夹紧缸不动作，故平均流量Q₂＝（170.4－37.4）/2＝66.5L/min，考虑系统的泄漏取Q₂＝1.2×66.5＝79.8L/min。

根据平均流量及工作状态，选用双级泵较合适。低压系统流量大，使用双泵供油则经济些。查样本选双级叶片泵：p₁＝8MPa，Q_V1＝168L/min；p₂＝16MPa，Q_V2＝100L/min。对低压系统Q_V＝Q_V1＋Q_V2＝100＋168＝268L/min＞253L/min，对高压系统Q_V＝Q_V2＝100L/min＞79.8L/min。

③蓄能器参数的确定与验算。

a.蓄能器压力的确定：对低压回路，选气囊式蓄能器，按绝热状态考虑，最低压力p₁＝p＋∑Δp_max＝5MPa，最高压力p₂＝（1.1～1.25）p₁＝1.25×5＝6.25MPa，充气压力p₀＝（0.7～0.9）p₁＝0.8×5＝4MPa；对高压回路，最低压力p₁＝13MPa，最高压力p₂＝1.1×13＝14.3MPa，充气压力p₀＝0.8×13＝10.4MPa。

b.蓄能器容量的确定：对低压回路，从流量-时间循环图中可知，尖峰流量在移动缸工作期间，为满足移动缸要求，最大负载时泵工作时间t＝3.5s，缸耗油量4×5.53＝22.12L，漏损系数1.2，则蓄能器工作容积V_β1＝22.12×1.2－3.5×（100＋168）/60＝10.91L，蓄能器总容积V₀₁＝V_β1/｛4^0.7143×［（1/5）^0.7143－（1/6.25）^0.7143］｝＝10.91/0.1256＝86.9L，选择标准皮蓄能器3×40＝120L；对高压回路，从流量-时间循环图中可知，尖峰流量在脱模缸工作期间，为满足脱模缸要求，最大负载时泵工作时间t＝0s，缸耗油量2×1.9＝3.8L，漏损系数1.2，则蓄能器工作容积V_β2＝3.8×1.2＝4.56L，蓄能器工作总容积V₀₂＝V_β2/｛10.4^0.7143×［（1/13）^0.7143－（1/14.3）^0.7143］｝＝4.56/0.0561＝81.3L，选择标准皮蓄能器3×40＝120L。

④蓄能器补液验算。

a.蓄能器工作制度：由压力继电器控制蓄能器的补液工作，即当蓄能器工作油液减少到一定程度时，压力则降到最低压力，压力继电器发出信号，启动泵，使之给蓄能器补液。

b.选定的蓄能器工作容积：低压回路，高压回路V_β2＝120×0.0561＝6.332L，蓄能器工作容积验算见表21-2-31。

结论：在整个工作周期中，在尖峰流量工作时，蓄能器与泵同时供油，能满足执行机构的流量要求；同时在整个工作周期中，双泵均可给蓄能器补足液，因而上述设计是合理的。

在整个工作循环中，高压小泵基本上都在工作，除供给执行机构油外，还能满足高压蓄能器补液要求；低压大泵则只需工作一段时间就可满足低压蓄能器补液要求。消耗合理，节省电能。

⑤驱动电动机的功率计算：在整个工作循环周期内，把泵最大耗能量作为电动机的选择功率。

a.双泵在各自压力下工作时的功率：

b.双泵在低压下工作时的功率：

从上述计算中选择最大值，作为电动机的功率，选择电动机：P＝55kW，n＝1000r/min。

⑥油箱容积的确定：根据经验确定V＝11Q＝11×268＝2948L≈3m³。

⑦冷却器和加热器的选择：根据现场状况，液压站在热车间工作，不需要加热器，但需考虑加冷却器，因而需计算系统热平衡。

a.系统发热量计算如下。

泵动力损失产生的热量为

1kcal＝4.1868kJ。

执行元件发热忽略。

溢流阀溢流产生的热量为

其他阀产生的热量为

H₃＝14.1ΔpQ

各执行元件只有移动缸和升降缸压力损失大，其他阀压力损失都不及它们大，故只计算它们的发热量。

移动缸Δp＝2MPa，Q＝460×2＝920L/min，则H₃＝14.1×920＝12972kcal/h；升降平衡缸Δp＝2MPa，Q＝（104＋66.4）×2＝340.8L/min，则H₃＝14.1×340.8＝4805kcal/h。

两者不同时工作，取大值，H₃＝12972kcal/h。

流经管道产生的热量为

系统总发热量为

H＝H₁＋H₂＋H₃＋H₄＝9460＋37280＋12972＋1892＝61604kcal/h

b.系统的散热量计算如下。

油箱的散热量为

H_k1＝K₁A（t₁－t₂）

式中　A——油箱散热面积，m²；

K₁——散热系数，kcal/（m²·h·℃）；

t₁，t₂——油进、出口温度，℃。

，K₁＝13kcal/（m²·h·℃），t₁－t₂＝55－35＝20℃，则H_k1＝13×13.5×20＝3510kcal/h。

根据系统的热平衡H＝H_k1＋H_k2，则冷却器的散热量H_k2为

H_k2＝H－H_k1＝61604－3510＝58094kcal/h

c.冷却器散热面积计算如下。

式中　A_k——冷却器散热面积，m²；

K——板式冷却器散热系数，K＝450kcal/（m²·h·℃）。

式中　t_油1，t_油2——油的进、出口温度，t_油1＝55℃，t_油2＝48℃；

t_水1，t_水2——水的进、出口温度，t_水1＝25℃，t_水2＝30℃。

Δt_μ＝51.5－27.5＝24℃，则A_k＝58094/（450×24）＝5.4m²，选板式冷却器6m²。

⑧过滤器的选择：系统中选用比例元件，而且设备要求故障率低，所以选过滤精度为10μm的过滤器。压油过滤器，通流量250L/min；回油过滤器，通流量630L/min。

⑨液压控制阀的选择。

a.普通液压阀的选择：根据流量与压力选择阀的规格。本系统最高压力为21MPa，为便于维修更换，均选用此挡压力。再根据执行机构的通流量查样本选择阀的通径。如脱模缸的换向阀，压力p＝21MPa，流量Q＝114L/min，查样本选PG5V-7-2C-T-VMUH7-24的板式三位四通电液阀。

b.比例方向阀的选择：选择移动缸的比例方向阀。系统最高压力p＝21MPa，通过比例阀的流量Q_x＝230L/min，通过该阀的压降Δp＝1MPa，根据公式：

式中　Q_p——基准流量，L/min；

Δp_p——基准流量下的压降，MPa，查样本；

Δp_x——所需压降，MPa；

Q_x——通过该阀的流量，L/min。

得，查样本选额定流量的阀，即KFDG5V-7-200N。