1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 第九章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算第八章 機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算（12）8-1 機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和內(nèi)容液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟大致如下：1.明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析。2.初定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。3.擬定液壓系統(tǒng)原理圖。4.計(jì)算和選擇液壓元件。5.估算液壓系統(tǒng)性能。6.繪制工作圖和編寫技術(shù)文件。根據(jù)液壓系統(tǒng)的具體內(nèi)容，上述設(shè)計(jì)步驟可能會(huì)有所不同，下面對(duì)各步驟的具體內(nèi)容進(jìn)行介紹。8-2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)明確以下問題，并將其作為設(shè)計(jì)依據(jù)。1.主機(jī)的用途、工藝過程、總體布局以及對(duì)液壓傳動(dòng)裝置的位置和空間尺寸的要求。2.主機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動(dòng)

2、化程度、調(diào)速范圍、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、換向定位精度以及對(duì)系統(tǒng)的效率、溫升等的要求。3.液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動(dòng)沖擊以及是否有腐蝕性和易燃物質(zhì)存在等情況。在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)主機(jī)進(jìn)行工況分析，工況分析包括運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負(fù)載和動(dòng)作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載和速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以下對(duì)工況分析的內(nèi)容作具體介紹。一、運(yùn)動(dòng)分析主機(jī)的執(zhí)行元件按工藝要求的運(yùn)動(dòng)情況，可以用位移循環(huán)圖(Lt)，速度循環(huán)圖(vt)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。1.位移循環(huán)圖Lt圖9-1為液壓機(jī)的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示從活塞啟動(dòng)到返

3、回原位的時(shí)間，曲線斜率表示活塞移動(dòng)速度。該圖清楚地表明液壓機(jī)的工作循環(huán)分別由快速下行、減速下行、壓制、保壓、泄壓慢回和快速回程六個(gè)階段組成。2.速度循環(huán)圖vt(或vL) 工程中液壓缸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可歸納為三種類型。圖9-2為三種類型液壓缸的vt圖，第一種如圖9-2中實(shí)線所示，液壓缸開始作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻速運(yùn)動(dòng)， 最后勻減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運(yùn)動(dòng)，在另一半作勻減速運(yùn)動(dòng)，且加速度的數(shù)值相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻減速至行程終點(diǎn)。vt圖的三條速度曲線，不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動(dòng)力特性

4、。二、動(dòng)力分析動(dòng)力分析，是研究機(jī)器在工作過程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力情況，對(duì)液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載情況。1.液壓缸的負(fù)載及負(fù)載循環(huán)圖(1)液壓缸的負(fù)載力計(jì)算。工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸必須克服的負(fù)載由六部分組成：F=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb (9-1)式中：Fc為切削阻力；Ff為摩擦阻力；Fi為慣性阻力；FG為重力；Fm為密封阻力；Fb為排油阻力。切削阻力Fc：為液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的工作阻力，對(duì)于機(jī)床來說就是沿工作部件運(yùn)動(dòng)方向的切削力，此作用力的方向如果與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向相反為正值，兩者同向?yàn)樨?fù)值。該作用力可能是恒定的，也可能是變化的，其值要根據(jù)具體情況計(jì)算或由實(shí)

5、驗(yàn)測(cè)定。 摩擦阻力Ff：為液壓缸帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件所受的摩擦阻力，它與導(dǎo)軌的形狀、放置情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，其計(jì)算方法可查有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。圖9-3為最常見的兩種導(dǎo)軌形式，其摩擦阻力的值為：平導(dǎo)軌： Ff=fFn (9-2)V形導(dǎo)軌： Ff=fFn/sin(/2) (9-3)式中：f為摩擦因數(shù)，參閱表9-1選??；Fn為作用在導(dǎo)軌上總的正壓力或沿V形導(dǎo)軌橫截面中心線方向的總作用力；為V形角，一般為90。 慣性阻力Fi。慣性阻力Fi為運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的慣性力，可按下式計(jì)算： (9-4)式中：m為運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)；a為運(yùn)動(dòng)部件的加速度(m/s2)；G為運(yùn)動(dòng)部件的重量(N)；g為重力加速度，g

6、=9.81 (m/s2)；v為速度變化值(m/s)；t為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間(s)，一般機(jī)床t0.10.5s，運(yùn)動(dòng)部件重量大的取大值。重力FG：垂直放置和傾斜放置的移動(dòng)部件，其本身的重量也成為一種負(fù)載，當(dāng)上移時(shí)，負(fù)載為正值，下移時(shí)為負(fù)值。密封阻力Fm：密封阻力指裝有密封裝置的零件在相對(duì)移動(dòng)時(shí)的摩擦力，其值與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)。在初 算 時(shí)，可按缸的機(jī)械效率(m=0.9)考慮；驗(yàn)算時(shí)，按密封裝置摩擦力的計(jì)算公式計(jì)算。排油阻力Fb：排油阻力為液壓缸回油路上的阻力，該值與調(diào)速方案、系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、執(zhí)行元件等因素有關(guān)，在系統(tǒng)方案未確定時(shí)無法計(jì)算，可放在液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算中

7、考慮。(2)液壓缸運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段的總負(fù)載力。液壓缸運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段的總負(fù)載力計(jì)算，一般包括啟動(dòng)加速、快進(jìn)、工進(jìn)、快退、減速制動(dòng)等幾個(gè)階段，每個(gè)階段的總負(fù)載力是有區(qū)別的。 啟動(dòng)加速階段：這時(shí)液壓缸或活塞處于由靜止到啟動(dòng)并加速到一定速度，其總負(fù)載力包括導(dǎo)軌的摩擦力、密封裝置的摩擦力(按缸的機(jī)械效率m=0.9計(jì)算)、重力和慣性力等項(xiàng)， 對(duì)簡單液壓系統(tǒng)，上述計(jì)算過程可簡化。例如采用單定量泵供油，只需計(jì)算工進(jìn)階段的總負(fù)載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計(jì)算快速階段和工進(jìn)階段的總負(fù)載力。(3)液壓缸的負(fù)載循環(huán)圖。對(duì)較為復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，為了更清楚的了解該系統(tǒng)內(nèi)各液壓缸(或液壓馬達(dá))的速度和負(fù)

8、載的變化規(guī)律，應(yīng)根據(jù)各階段的總負(fù)載力和它所經(jīng)歷的工作時(shí)間t或位移L按相同的坐標(biāo)繪制液壓缸的負(fù)載時(shí)間(Ft)或負(fù)載位移(FL)圖，然后將各液壓缸在同一時(shí)間t(或位移)的負(fù)載力疊加。2.液壓馬達(dá)的負(fù)載工作機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)必須克服的外負(fù)載為：M=Me+Mf+Mi (9-9)(1)工作負(fù)載力矩Me。工作負(fù)載力矩可能是定值，也可能隨時(shí)間變化，應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作條件進(jìn)行具體分析。(2)摩擦力矩Mf。為旋轉(zhuǎn)部件軸頸處的摩擦力矩，其計(jì)算公式為：Mf=GfR(Nm) (9-10)式中：G為旋轉(zhuǎn)部件的重量(N)；f為摩擦因數(shù)，啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦因數(shù)，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦因數(shù)；R為軸頸半徑(m)。(3)慣性力矩Mi。為

9、旋轉(zhuǎn)部件加速或減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩，其計(jì)算公式為： Mi=J=J(Nm) (9-11) 式中：為角加速度(r/s2)；為角速度的變化(r/s)；t為加速或減速時(shí)間(s)；J為旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2)，J=1GD2/4g。式中：GD2為回轉(zhuǎn)部件的飛輪效應(yīng)(Nm2)。各種回轉(zhuǎn)體的GD2可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。根據(jù)式(9-9)，分別算出液壓馬達(dá)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)各階段的負(fù)載大小，便可繪制液壓馬達(dá)的負(fù)載循環(huán)圖。8-3 液壓系統(tǒng)性能與參數(shù)的初步確定 一、液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算1.初定液壓缸工作壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段中的最大總負(fù)載力來確定，此外，還需要考慮以下因素：(1)各類設(shè)備的不同特點(diǎn)和使

10、用場(chǎng)合。(2)考慮經(jīng)濟(jì)和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對(duì)元件的制造精度，密封性能要求高。所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：一是根據(jù)機(jī)械類型選；二是根據(jù)切削負(fù)載選。2.液壓缸主要尺寸的計(jì)算缸的有效面積和活塞桿直徑，可根據(jù)缸受力的平衡關(guān)系具體計(jì)算，詳見第四章第二節(jié)。3.液壓缸的流量計(jì)算液壓缸的最大流量： qmax=Avmax (m3/s) (9-12)式中：A為液壓缸的有效面積A1或A2(m2)；vmax為液壓缸的最大速度(m/s)。液壓缸的最小流量： qmin=Avmin(m3/s) (9-13)式中：vmin為液壓缸的最小速度。液壓缸

11、的最小流量qmin，應(yīng)等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求時(shí)，則需重新選定液壓缸的工作壓力，使工作壓力低一些，缸的有效工作面積大一些，所需最小流量qmin也大一些，以滿足上述要求。流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量，可從產(chǎn)品樣本中查到。二、液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)計(jì)算1.計(jì)算液壓馬達(dá)排量 液壓馬達(dá)排量根據(jù)下式?jīng)Q定：vm=6.28T/pmmin(m3/r) (9-14)式中：T為液壓馬達(dá)的負(fù)載力矩(Nm)；pm為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差(N/m3)；min為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，一般齒輪和柱塞馬達(dá)取0.90.95，葉片馬達(dá)取0.80.9。2.計(jì)算液壓馬達(dá)所需流量液壓馬達(dá)的最大流量：qmax=vmnm

12、ax(m3/s)式中：vm為液壓馬達(dá)排量(m3/r)；nmax為液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速(r/s)。8-4 液壓系統(tǒng)圖的擬定8-5 液壓元件的計(jì)算和選擇一、液壓泵的確定與所需功率的計(jì)算1.液壓泵的確定(1)確定液壓泵的最大工作壓力。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1，再加上油泵的出油口到缸進(jìn)油口處總的壓力損失p，即pB=p1+p (9-15) p包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計(jì)之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，一般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)p為(25)105Pa，用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)p為(515)105Pa，p也可只考慮

13、流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計(jì)，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊(cè)或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表9-4選取。表9-4 常用中、低壓各類閥的壓力損失(pn)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)閥名pn(105Pa)單向閥0.30.5背壓閥38行程閥1.52轉(zhuǎn)閥1.52換向閥1.53節(jié)流閥23順序閥1.53調(diào)速閥35(2)確定液壓泵的流量qB。泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動(dòng)作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。多液壓缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)，液壓泵的流量要大于同時(shí)動(dòng)作的幾個(gè)液壓缸(或馬達(dá))所需的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即式

14、中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.11.3，大流量取小值，小流量取大值；(q)max為同時(shí)動(dòng)作的液壓缸(或馬達(dá))的最大總流量(m3/s)。采用差動(dòng)液壓缸回路時(shí)，液壓泵所需流量為：式中：A 1，A 2為分別為液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2)；vmax為活塞的最大移動(dòng)速度(m/s)。當(dāng)系統(tǒng)使用蓄能器時(shí)，液壓泵流量按系統(tǒng)在一個(gè)循環(huán)周期中的平均流量選取，即qB=ViK/Ti (9-18)式中：Vi為液壓缸在工作周期中的總耗油量(m3)；Ti為機(jī)器的工作周期(s)；Z為液壓缸的個(gè)數(shù)。(3)選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計(jì)算的最大壓力pB和流量qB，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與PB和qB相當(dāng)?shù)囊簤罕玫囊?guī)格

15、型號(hào)。上面所計(jì)算的最大壓力pB是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動(dòng)態(tài)壓力，而動(dòng)態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pB應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%60%，使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲(chǔ)備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，壓力儲(chǔ)備取大值。(4)確定驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率。當(dāng)液壓泵的壓力和流量比較衡定時(shí)，所需功率為：p=pBqB/103B (kW) (9-19)式中：pB為液壓泵的最大工作壓力(N/m2)；qB為液壓泵的流量(m3/s)；B為液壓泵的總效率，各種形式液壓泵的總效率可參考表9-5估取，液壓泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。表9-5

16、液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.60.70.650.800.600.750.800.85在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量有顯著變化時(shí)，可分別計(jì)算出工作循環(huán)中各個(gè)階段所需的驅(qū)動(dòng)功率，然后求其平均值，即p= (9-20)式中：t1，t2，tn為一個(gè)工作循環(huán)中各階段所需的時(shí)間(s)；P1，P2，Pn為一個(gè)工作循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。按上述功率和泵的轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，再進(jìn)行驗(yàn)算，使電動(dòng)機(jī)發(fā)出最大功率時(shí)，其超載量在允許范圍內(nèi)。二、閥類元件的選擇1.選擇依據(jù)選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動(dòng)作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性能參數(shù)和工作壽命等。2.

17、選擇閥類元件應(yīng)注意的問題(1)應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，除非不得已時(shí)才自行設(shè)計(jì)專用件。(2)閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時(shí)，應(yīng)按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機(jī)器低速性能的要求。(3)一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實(shí)際通過的流量大一些，必要時(shí)，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%。三、蓄能器的選擇1.蓄能器用于補(bǔ)充液壓泵供油不足時(shí)，其有效容積為：式中：A為液壓缸有效面積(m2)；L為液壓缸行程(m)；K為液壓缸損失系數(shù)，估算時(shí)可取1.2；qB為液壓泵供油流量(m3/s)；t為動(dòng)作時(shí)間(s)。2.蓄能器作應(yīng)

18、急能源時(shí)，其有效容積為：當(dāng)蓄能器用于吸收脈動(dòng)緩和液壓沖擊時(shí)，應(yīng)將其作為系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)與其關(guān)聯(lián)部分一起綜合考慮其有效容積。根據(jù)求出的有效容積并考慮其他要求，即可選擇蓄能器的形式。四、管道的選擇1.油管類型的選擇液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，同時(shí)，應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。(1)鋼管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價(jià)格低，性能好，使用廣泛。(2)銅管：紫銅管工作壓力在6.510MPa以下，易變曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達(dá)25MPa，不如紫銅管易彎曲。銅管價(jià)格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量少用，只用于液壓裝置

19、配接不方便的部位。(3)軟管：用于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的連接。高壓橡膠軟管中夾有鋼絲編織物；低壓橡膠軟管中夾有棉線或麻線編織物；尼龍管是乳白色半透明管，承壓能力為2.58MPa，多用于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運(yùn)動(dòng)部件爬行，所以軟管不宜裝在液壓缸和調(diào)速閥之間。2.油管尺寸的確定(1)油管內(nèi)徑d按下式計(jì)算：d= (9-23)式中：q為通過油管的最大流量(m3/s)；v為管道內(nèi)允許的流速(m/s)。一般吸油管取0.55(m/s)；壓力油管取2.55(m/s)；回油管取1.52(m/s)。(2)油管壁厚按下式計(jì)算：pd/2 (9-24)式中：p為管內(nèi)最大工作壓力；為油管材料的許用壓力，=b/

20、n；b為材料的抗拉強(qiáng)度；n為安全系數(shù)，鋼管p7MPa時(shí)，取n=8；p17.5MPa時(shí)，取n=6；p17.5MPa時(shí)，取n=4。根據(jù)計(jì)算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊(cè)選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管。五、油箱的設(shè)計(jì)油箱的作用是儲(chǔ)油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。其形式有開式和閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通；閉式油箱油液液面與大氣隔絕。開式油箱應(yīng)用較多。1.油箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)油箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時(shí)其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時(shí)不滲出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的80%。(2)吸箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大。(3)油箱底部應(yīng)有適當(dāng)斜度，泄油口置于最低處，以便排油。(4)注油器上應(yīng)裝濾網(wǎng)。(5)油箱的箱壁應(yīng)涂耐油防銹涂料。2.油箱容量計(jì)算油箱的有效容量V可近似用液壓泵單位時(shí)間內(nèi)排出油液的體積確定。式中：K為系數(shù)，低壓系統(tǒng)取24，中、高壓系統(tǒng)取57；q為同一油箱供油的各液壓泵流量總和。六、濾油器的選擇選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點(diǎn)：(1)承載能力：按系統(tǒng)管路工作壓力確定。(2)過濾精度：按被保護(hù)元件的精度要求確定，選擇時(shí)可參閱表9-6。(3)通流能力：按通過最大流量確定。(4)阻力壓降：應(yīng)滿足過濾材料強(qiáng)度與系數(shù)要求。表9-6 濾油器過