第九章液压传动系统的设计计算

主要内容9.1概述9.2液压传动系统设计第九章液压系统的设计计算9.1概述液压系统设计的步骤大致如下：1.明确设计要求，进行工况分析。2.初定液压系统的主要参数。3.拟定液压系统原理图。4.计算和选择液压元件。5.估算液压系统性能。6.绘制工作图和编写技术文件。9.2液压传动系统设计9.2.1液压系统设计依据在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。1.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。2.主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。3.液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，9.2.2液压系统工况分析工况分析就是分析主机在工作过程中速度和负载的变化规律，即进行运动分析和负载分析。对于动作复杂的机械需绘制速度循环图和负载循环图，简单的系统可以不绘图，但需要找出其最大负载和最大速度点。实际上，工况分析是进一步明确主机在性能方面的要求。主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(L—t)，速度循环图(v—t)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。1.运动分析（1）位移循环图L—t图为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。（2）速度循环图v—t(或v—L)工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图示为三种类型液压缸的v—t图，第一种如图中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。2.负载分析液压缸的负载分析负载分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用图表示出来。一般用负载—时间（F-t）或负载—位移（F-s）曲线表示，称为负载循环图用液压缸带动主机执行机构作直线往复运动时，所需克服的外负载动力为：FL=Fw+Ff+Fm(1)工作负载Fｗ不同机械的工作负载其形式各不同。对于金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。（2）摩擦阻力负载Ff摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动时所需克服的支承面上的摩擦力。Ff=Nii式中Ni—作用在第i个支承面上的法向力；i—该支承面的摩擦系数。平导轨：Ff=∑NiV形导轨：Ff=∑Ni/[sin(α/2)]2.负载分析(续1）（3）惯性负载Fｍ惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯性力。可按牛顿第二定律计算：Fｍ=ma=(G/g).(v/t)液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和工作压力有关。式中：m为运动部件的质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s2)；G为运动部件的重量(N)；g为重力加速度，g=9.81(m/s2)；Δv为速度变化值(m/s)；Δt为启动或制动时间(s)，一般机床Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。2.负载分析(续2）2.负载分析(续3）计算出工作循环中各阶段的外负载后，便可作出负载循环图。组合机床动力滑台的负载循环图如下。启动快进减速工进制动快退制动反向制动组合机床滑台负载循环图9.2.3液压系统主要参数确定液压缸的设计计算1.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：(1)各类设备的不同特点和使用场合。(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。1.初定液压缸工作压力表１按负载选执行文件的工作压力负载/N＜5000500～1000010000～2000020000～3000030000～50000＞50000工作压力/MPa≤0.8～11.5～22.5～33～44～5＞5表２按机械类型选执行文件的工作压力机械类型机床农业机械工程机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPaa≤23～5≤88～1010～1620～322.液压缸主要尺寸的计算缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算，详见第四章。3.液压缸的流量计算液压缸的最大流量：qmax=A·vmax(m3/s)式中：A为液压缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为液压缸的最大速度(m/s)。液压缸的最小流量：qmin=A·vmin(m3/s)式中：vmin为液压缸的最小速度。液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量qmin也大一些，以满足上述要求。流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。9.2.4拟定液压系统原理拟定液压原理草图应注意以下几点：１确定执行元件的类型和形式。２注意调速方案。３注意控制方案。４考虑系统安全可靠性。５组成系统。9.2.5计算和选择液压元件1.液压泵的确定与所需功率的计算（1）液压泵的确定１）确定液压泵的最大工作压力。液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失ΣΔp，即pＰ=p1ｍａｘ+ΣΔpΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，一般管路ΣΔp为(2～5)×105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为(5～15)×105Pa1.液压泵的确定与所需功率的计算2)确定液压泵的流量qＰ。泵的流量qＰ根据执行元件动作循环所需最大流量qmax3)选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力pＰ和流量qＰ，查液压元件产品样本，选择与PＰ和qＰ相当的液压泵的规格型号。4)确定驱动液压泵的功率①当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：p=pＰqＰ/103η(kW)式中：pＰ为液压泵的最大工作压力(N/m2)；qＰ为液压泵的流量(m3/s)；η为液压泵的总效率②在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算。2.阀类元件的选择（1）选择依据选择依据为：额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。（2）选择阀类元件应注意的问题1)应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。2)阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。3)一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。3.管道的选择（1）油管类型的选择液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。1)钢管：中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。2)铜管：紫铜管工作压力在6.5～10MPa以下，易变曲，便于装配；黄铜管承受压力较高，达25MPa，不如紫铜管易弯曲。铜管价格高，抗震能力弱，易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。3)软管：用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.5～8MPa，多用于低压管道。因软管弹性变形大，容易引起运动部件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间2.管道的选择(续）（2）油管尺寸的确定1)油管内径d按下式计算：d=式中：q为通过油管的最大流量(m3/s)；v为管道内允许的流速(m/s)。一般吸油管取0.5～5(m/s)；压力油管取2.5～5(m/s)；回油管取1.5～2(m/s)。2)油管壁厚δ按下式计算：δ≥p·d/2〔σ〕式中：p为管内最大工作压力；〔σ〕为油管材料的许用压力，〔σ〕=σb/n；σb为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。根据计算出的油管内径和壁厚，查手册选取标准规格油管。34qq1.1310vv4.油箱的设计（1）油箱设计要点1)油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%2)吸箱管和回油管的间距应尽量大。3)油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。4)注油器上应装滤网。5)油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。4.油箱的设计（续）（2）油箱容量计算油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。V=KΣq式中：K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；Σq为同一油箱供油的各液压泵流量总和。5.滤油器的选择选择滤油器的依据有以下几点：(1)承载能力：按系统管路工作压力确定。(2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅下列表格。(3)通流能力：按通过最大流量确定。(4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。5.滤油器的选择（续）系统过滤精度(μm)元件过滤精度(μm)低压系统100～150滑阀1/3最小间隙70×105Pa系统50节流孔1/7孔径(孔径小于1.8mm)100×105Pa系统25流量控制阀2.5～30140×105Pa系统10～15安全阀溢流阀15～25电液伺服系统5高精度伺服系统2.59.2.6液压系统性能的验算为了判断液压系统的设计质量，需要对系统的压力损失、发热温升、效率和系统的动态特性等进行验算。由于液压系统的验算较复杂，只能采用一些简化公式近似地验算某些性能指标，如果设计中有经过生产实践考验的同类型系统供参考或有较可靠的实验结果可以采用时，可以不进行验算。１、管路系统压力损失的验算２、系统发热温升的验算