液压气动系统经典设计实例

  《液压气动系统经典设计实例》为哈尔滨工业大学流体控制与自动化教研室全体老师集体智慧结晶，结合其日常教学和科研项目、课题经验精心编撰而成，亦为哈工大指定教学用书。

  《液压气动系统经典设计实例》主要介绍液压与气动系统的设计方法、步骤和技巧，内容系统先进实用，实例经典、有代表性。

  《液压气动系统经典设计实例》可供液压与气动工程技术人员设计液压与气动系统时参考和借鉴，也可作为工科院校机械相关专业教学、课程设计、毕业设计等的参考书。

 

 

  《液压气动系统经典设计实例》选取有代表性的液压气动系统设计实例（包含多种基本回路并涵盖了液压传动及控制系统、气动系统的多种应用领域），详细介绍了液压与气动系统的设计方法。重点分析液压气动系统的设计步骤、总结设计经验，计算、验算过程详细、具体，数据准确、可靠，实用性强。

  本书可供液压与气动工程技术人员设计液压与气动系统时参考和借鉴，也作为工科院校机械、自动化相关专业教学、课程设计、毕业设计及液压气动技术培训机构的参考教材。

 

李松晶，哈尔滨工业大学，教授、博导、教学主任，多年从事流体传动及控制专业的教学及科研工作，主讲过《液压传动》、《液压元件及系统设计》、《现代液压元件概论》等课程，指导本专业课程设计、毕业设计及研究生，参加编写了高教出版社出版的《液压与气压传动》网络教材，完成了多项本专业的科研课题，其中包括黑龙江省自然科学基金资助的“新型节能电液换向转阀的研究”项目，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开放基金资助的“新型电磁换向阀的研究”项目，哈尔滨工业大学校基金资助的“新型磁流变流体溢流阀的研究”课题，黑龙江省博士后基金资助的“磁流体密封及磁流变流体气动位置伺服控制装置的研究”课题，以及国家自然科学基金资助的“磁流体改善射流管伺服阀性能的机理研究”课题。2003年8月-2004年9月，在英国巴斯大学做访问学者期间，完成了“液压管路动态压力脉动分析”的研究课题。在国内外刊物上发表论文50余篇，其中多篇被SCI、EI及ISTP收录。

 

第1章液压系统设计方法及设计步骤1

1.1产品的生命周期与液压系统设计原则1

1.1.1产品的生命周期1

1.1.2液压系统的设计原则2

1.2液压系统设计方法3

1.2.1经验设计方法3

1.2.2计算机仿真设计方法3

1.2.3优化设计方法3

1.3液压系统设计流程4

1.4液压传动系统的设计步骤5

1.4.1明确液压系统的设计要求5

1.4.2进行工况分析6

1.4.3初步确定液压系统方案9

1.4.4确定液压系统的主要技术参数9

1.5拟订液压系统原理图13

1.5.1确定系统类型13

1.5.2选择液压基本回路13

1.5.3由基本回路组成液压系统14

1.6选择液压元件14

1.6.1液压泵的选择14

1.6.2选择驱动液压泵的电动机16

1.6.3液压阀的选择16

1.6.4辅助元件的选择和设计17

1.7验算液压系统的性能22

1.7.1压力损失的验算22

1.7.2系统发热温升的验算28

1.8液压控制系统的设计步骤29

1.8.1明确液压控制系统设计要求29

1.8.2进行工况分析30

1.8.3选择控制方案，拟订控制系统原理图30

1.8.4静态分析（确定液压控制系统主要技术参数）31

1.8.5动态分析35

1.8.6校核控制系统性能35

1.8.7设计液压油源及辅助装置35

1.9液压系统的计算机辅助设计软件35

1.9.1Bathfp36

1.9.2AMESim37

1.9.3MSC.EASY537

1.9.4Flowmaster38

1.10设计液压系统时应注意的问题40

第2章组合机床动力滑台液压系统设计41

2.1组合机床动力滑台液压系统的设计要求41

2.1.1组合机床组成及工作原理41

2.1.2组合机床动力滑台的工作要求42

2.1.3本设计实例的设计参数和技术要求43

2.2工况分析44

2.2.1确定执行元件44

2.2.2动力分析44

2.2.3运动分析46

2.2.4负载循环图和速度循环图的绘制47

2.3确定主要技术参数48

2.3.1初选液压缸工作压力48

2.3.2确定液压缸主要尺寸48

2.3.3计算流量49

2.4拟订液压系统原理图51

2.4.1速度控制回路的选择51

2.4.2换向和速度换接回路的选择51

2.4.3油源的选择和能耗控制52

2.4.4压力控制回路的选择53

2.5液压元件的选择54

2.5.1确定液压泵和电动机规格54

2.5.2阀类元件和辅助元件的选择56

2.5.3油管的选择57

2.5.4油箱的设计58

2.6验算液压系统性能59

2.6.1压力损失验算及液压阀调整值的确定59

2.6.2油液温升验算61

2.7设计经验总结62

第3章叉车工作装置液压系统设计63

3.1叉车液压系统的设计要求63

3.1.1叉车的结构及基本技术指标63

3.1.2叉车的工作装置65

3.1.3叉车液压系统的组成及原理66

3.1.4叉车对液压系统的工作要求68

3.1.5本设计实例的设计参数及技术要求68

3.2初步确定液压系统方案和主要技术参数69

3.2.1确定起升液压系统的设计方案和技术参数69

3.2.2确定倾斜液压系统的设计方案和技术参数71

3.2.3系统工作压力的确定73

3.3拟订液压系统原理图73

3.3.1起升系统的设计74

3.3.2倾斜系统的设计75

3.3.3方向控制回路的设计75

3.3.4供油方式77

3.4选择液压元件77

3.4.1液压泵的选择78

3.4.2电动机的选择78

3.4.3液压阀的选择80

3.4.4管路的选择80

3.4.5油箱的设计81

3.4.6其他辅件的选择81

3.5验算液压系统性能82

3.5.1压力损失验算82

3.5.2系统温升验算83

3.6设计经验总结83

第4章斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计84

4.1斗轮堆取料机液压系统的设计要求84

4.1.1斗轮堆取料机的结构84

4.1.2斗轮堆取料机工作装置液压系统85

4.1.3斗轮堆取料机的工作要求86

4.1.4斗轮驱动液压系统的设计要求88

4.1.5本设计实例的设计参数89

4.2工况分析89

4.2.1切割阻力矩T圆的确定89

4.2.2斗轮边缘切向速度v的确定90

4.3初步确定设计方案91

4.3.1电动机和减速器驱动方式91

4.3.2液压马达和减速器驱动方式91

4.3.3低速大扭矩液压马达驱动方式92

4.4拟订液压系统原理图92

4.5确定主要技术参数94

4.5.1确定工作压力94

4.5.2确定背压94

4.5.3计算液压马达的排量95

4.6选择液压元件95

4.6.1斗轮驱动液压马达的选择95

4.6.2主液压泵的选择96

4.6.3补油泵的选择97

4.6.4驱动电动机的选择98

4.6.5溢流阀的选择99

4.6.6管道尺寸的确定99

4.7油箱和集成块的设计101

4.7.1油箱的设计计算101

4.7.2集成块的设计103

4.8液压系统发热温升的计算104

4.8.1液压系统发热功率的计算104

4.8.2液压系统散热功率的计算106

4.8.3冷却器选型107

4.9设计经验总结109

第5章高炉料流调节阀电液控制系统设计110

5.1高炉料流调节阀电液控制系统的设计要求110

5.1.1高炉炼铁流程110

5.1.2放料机构110

5.1.3料流调节阀的控制方式113

5.1.4高炉料流调节阀驱动系统的设计要求113

5.1.5本设计实例的设计参数和技术要求114

5.2选择控制方案，拟订控制系统原理图116

5.2.1选择控制方案116

5.2.2拟订控制系统原理图116

5.3工况分析117

5.3.1运动分析117

5.3.2动力分析119

5.3.3负载轨迹122

5.4静态分析（确定主要参数）123

5.4.1供油压力的选择123

5.4.2液压缸参数确定123

5.4.3伺服阀的选择124

5.4.4反馈装置的选择125

5.5动态分析126

5.5.1液压固有频率的计算126

5.5.2液压阻尼比的计算128

5.5.3系统传递函数及方块图128

5.5.4开环增益Kv的确定129

5.5.5进行仿真分析132

5.6液压油源和辅助装置原理图的拟订134

5.6.1裕度设计134

5.6.2锁紧及限速135

5.6.3过滤及冷却135

5.7液压油源和辅助装置的元件选择137

5.7.1液压泵和电动机的选择138

5.7.2液压阀的选择139

5.7.3辅助元件的选择139

5.8设计经验总结141

第6章火箭炮方向机电液控制系统设计142

6.1火箭炮方向机电液控制系统的设计要求142

6.1.1火箭炮组成142

6.1.2火力控制系统的控制方式143

6.1.3高低机和方向机的工作要求144

6.1.4本设计实例的设计参数144

6.2选择控制方案，拟订控制系统原理图144

6.2.1控制系统类型的选择145

6.2.2控制方式的选择145

6.2.3拟订控制系统原理图145

6.3工况分析146

6.3.1运动分析146

6.3.2动力分析148

6.4静态分析（确定主要参数）149

6.4.1负载轨迹149

6.4.2动力机构特性曲线150

6.4.3负载匹配151

6.4.4伺服阀的选择152

6.4.5伺服阀传递函数153

6.4.6反馈装置的选择154

6.5动态分析154

6.5.1液压固有频率的计算154

6.5.2液压阻尼比的计算155

6.5.3建立数学模型155

6.5.4绘制系统框图156

6.5.5开环增益Kv的确定157

6.5.6进行仿真分析157

6.6校核系统误差160

6.6.1输入信号引起误差160

6.6.2干扰信号引起误差160

6.7设计校正装置161

6.8液压油源和辅助装置的设计164

6.9设计经验总结165

第7章气动系统设计方法及设计步骤166

7.1气动系统的设计原则166

7.2气动系统的设计方法167

7.2.1系统分析设计方法167

7.2.2经验设计方法167

7.2.3计算机仿真设计方法168

7.2.4优化设计方法168

7.3气动系统设计流程168

7.4气动系统设计步骤169

7.4.1明确气动系统的设计要求170

7.4.2工况分析171

7.4.3初步确定气动系统方案173

7.4.4确定气动系统的主要技术参数173

7.5气动系统原理图设计174

7.5.1选择气动基本回路174

7.5.2由回路组成气动系统175

7.6确定气动元件175

7.6.1气动执行元件的确定175

7.6.2气动控制元件的确定183

7.6.3气源装置选型184

7.6.4气动辅助元件选择185

7.7气动系统设计时应注意的问题187

第8章工件夹紧气动系统设计188

8.1工件夹紧气动系统的设计要求188

8.1.1工件夹紧气动系统的工作要求188

8.1.2设计参数和技术要求189

8.2工况分析189

8.2.1确定执行元件189

8.2.2运动分析189

8.2.3动力分析190

8.3确定主要技术参数191

8.3.1确定工作压力191

8.3.2确定气缸安装、润滑形式191

8.3.3确定气缸主要尺寸191

8.4拟订气动系统原理图192

8.5气动元件选择193

8.5.1气动阀类元件选择193

8.5.2辅助元件选择195

8.5.3确定管路直径195

8.6设计经验总结196

第9章气动计量系统设计197

9.1气动计量系统的设计要求197

9.1.1气动计量系统组成及工作原理197

9.1.2气动计量系统的工作要求198

9.1.3设计参数和技术要求198

9.2工况分析198

9.2.1确定执行元件198

9.2.2动力分析198

9.2.3运动分析198

9.3确定主要技术参数199

9.3.1确定工作压力199

9.3.2确定气缸主要尺寸200

9.3.3确定气缸安装形式与润滑形式200

9.3.4确定活塞杆上的输出力201

9.3.5活塞杆的压杆稳定性计算201

9.3.6缸筒壁厚的计算202

9.3.7缓冲计算202

9.3.8耗气量的计算203

9.4拟订气动系统原理图204

9.4.1基本回路设计204

9.4.2气动计量系统205

9.5主要气动元件选择207

9.5.1阀类元件选择207

9.5.2辅助元件选择208

9.5.3确定管路直径209

9.6设计经验总结209

第10章气动助力器气动系统设计210

10.1气动助力器气动系统设计流程210

10.2气动助力器系统设计要求211

10.2.1气动助力器系统组成及工作原理211

10.2.2气动助力器系统的工作要求212

10.2.3设计参数和技术要求212

10.3气动助力器工况分析212

10.3.1运动分析212

10.3.2负载分析213

10.3.3确定执行元件213

10.4气动助力器气动系统参数确定和其他功能要求213

10.4.1确定工作压力213

10.4.2确定主要参数213

10.4.3其他功能要求213

10.5气动助力器气动系统原理图绘制214

10.5.1气动助力器工作状态214

10.5.2气动助力器手动暂停状态215

10.5.3气动助力器断气保护状态215

10.6气动助力器气动系统元件选型216

10.6.1气缸选型216

10.6.2减压阀选型216

10.6.3管道和其他元件选型217

10.6.4气泵选型219

10.7设计经验总结219

参考文献220

 

液压技术由于具有功率重量比大、响应速度快、易于实现标准化和自动化等特点，在工农业生产、航空航天以及国防建设等领域得到了广泛应用。气动系统由于具有环境适应性强、污染小且容易实现等特点，在制造行业及自动化生产领域也有着广泛的应用。液压与气动技术为国民经济和社会生产力的发展发挥了重要的作用。本书所介绍的各液压与气动系统设计实例可作为工程技术人员和研究机构设计液压与气动系统的参考和借鉴，也可作为流体控制及自动化专业教学环节中的参考书和教材。经参数变换和任务量扩展，本书中各设计实例和设计方法及步骤能够成为很好的课程大作业、课程设计和毕业设计的题目及参考。

 本书设计实例的选择尽可能包含多种形式的液压与气动系统，涵盖液压传动系统及液压控制系统、气动系统及其多种应用领域。本书选择了组合机床动力滑台液压系统、叉车工作装置液压系统、斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统3个典型的液压传动系统以及高炉料流调节阀电液控制系统和火箭炮方向机电液控制系统2个典型的液压控制系统设计实例和工件夹紧气动系统、气动计量系统、气动助力器系统3个典型的气动系统实例。

本书共分10章，前6章为液压部分，后4章为气动部分，主要由哈尔滨工业大学流体控制及自动化教研室的各位老师编写而成。其中第1章和第3章由李松晶老师联合哈尔滨理工大学机械动力工程学院王晓晶老师共同编写，第2章由姜继海老师编写，第4章由王广怀老师编写，第5章由聂伯勋老师编写，第6章由徐本洲老师编写，第7章由张彪老师编写，第8章由李军老师编写，第9章由张彪和李军老师共同编写，第10章由向东老师编写。全书由包钢老师统稿和审定。

在本书的编写过程中，得到了哈尔滨工业大学流体控制及自动化系领导、同事及兄弟院系同事的大力支持和帮助。在书稿整理过程中，温悦、栾家富、潘达宇、张凌玮、张菇、刘吉晓、刘旭玲、张圣卓、彭敬辉、曾文、张亮、李洪洲、曹俊章、张振、韩哈斯敖其尔等协助完成了查找资料、绘图以及文字处理等工作。在此一并表示衷心的感谢。

由于作者水平所限，书中难免会有疏漏之处，敬请广大读者予以批评和指正。

编者