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液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與計算 1 明確設(shè)計要求進行工況分析 在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，首先應(yīng)明確以下問題，并將其作為設(shè)計依據(jù)。 主機的用途、工藝過程、總體布局以及對液壓傳動裝置的位置和空間尺寸的要求； 主機對液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動化程度、調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、換向定位精度以及對系統(tǒng)的效率、溫升等的要求；液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動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)對主機進行工況分析，工況分析包括運動分析和動力分析，對復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負載和動作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達的負載和速度隨時間變化的規(guī)律，以下對工況分析的內(nèi)容作具體介紹。 動分析 主機的執(zhí)行元件按工藝要求的運動情況，可以用位移循環(huán)圖 (L— t)，速度循環(huán)圖 (v— t)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對運動規(guī)律進行分析。 移循環(huán)圖 L— t 圖 液壓機的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標(biāo) L 表示活塞位移，橫坐標(biāo) 線斜率表示活塞移動速度。 圖 移循環(huán)圖 度循環(huán)圖 v— t(或 v— L) 工程中液壓缸的運動特點可歸納為三種類型。圖 三種類 型液壓缸的 v— t 圖，第一種如圖 實線所示，液壓缸開始作勻加速運動，然后勻速運動， 圖 度循環(huán)圖 最后勻減速運動到終點；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運動，在另一半作勻減速運動，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動，然后勻減速至行程終點。 v— t 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動規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動力特性。 力分析 動力分析，是研究機器在工作過程中，其執(zhí)行機構(gòu)的受力情況，對液壓系統(tǒng)而言 ，就是研究液壓缸或液壓馬達的負載情況。 壓缸的負載及負載循環(huán)圖 壓缸的負載力計算 工作機構(gòu)作直線往復(fù)運動時，液壓缸必須克服的負載由六部分組成： ?????(式中： 切削阻力； 摩擦阻力 ； 慣性阻力； 重力； 排油阻力。 壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力 液壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力計算，一般包括啟動加速、快進、工進、快退、減速制動等幾個階段，每 個階段的總負載力是有區(qū)別的。 (1)啟動加速階段：這時液壓缸或活塞處于由靜止到啟動并加速到一定速度，其總負載力包括導(dǎo)軌的摩擦力、密封裝置的摩擦力 (按缸的機械效率 ?m=算 )、重力和慣性力等項，即： ????((2)快速階段： ???((3)工進階段： ????( (4)減速： ????(對簡單液壓系統(tǒng)，上述計算過程可簡化。例如采用單定量泵供油，只需計算工進階段的總負載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計算快速階段和工進階段的總負載力。 壓馬達的負載 工作機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動時，液壓馬達必須克服的外負載為 ： ??(作負載力矩 作負載力矩可能是定值，也可能隨時間變化，應(yīng)根據(jù)機器工作條件進行具體分析。 擦力矩 旋轉(zhuǎn)部件軸頸處的摩擦力矩，其計算公式為： )( ?(式中： G 為旋轉(zhuǎn)部件的重量 (N)； f 為摩擦因數(shù)，啟動時為靜摩擦因數(shù)，啟動后為動摩擦因數(shù)； R 為軸頸半徑 (m)。 性力 矩 旋轉(zhuǎn)部件加速或減速時產(chǎn)生的慣性力矩，其計算公式為： )( i ??? ? ( 式中： ε 為角加速度 (r/ Δω 為角速度的變化 (r/s)； Δt 為加速或減速時間 (s)；J 為旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量 ( 2)， 。 1 2? 式中： 2回轉(zhuǎn)部件的飛輪效應(yīng) ( 2)。 各種回轉(zhuǎn)體的 2查《機械設(shè)計手冊》。 根據(jù)式 ( 分別算出液壓馬達在一個工作循環(huán)內(nèi)各階段的負載大小，便可繪制液壓馬達的負載循環(huán)圖 2 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 壓缸的設(shè)計計算 定液壓缸工作壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負載力來確定，此外，還需要考慮以下因素： 類設(shè)備的不同特點和 使用場合。 慮經(jīng)濟和重量因素，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)機械類型選；二是根據(jù)切削負載選。 如表 示。 表 負載選執(zhí)行文件的工作壓力 負載 /N ＜ 5000 500～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 ＞ 50000 工作壓力/1 2 3 3～ 4 4～ 5 ＞ 5 表 機械類型選執(zhí)行文件的工作壓力 機械類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械 工程機械 磨床 組合機床 龍門刨床 拉床 工作壓力/a≤2 3～ 5 ≤8 8～ 10 10～ 16 20～ 32 壓馬達的設(shè)計計算 算液壓馬達排量 液壓馬達排量根據(jù)下式?jīng)Q定： )(m i n ?? (式中： T 為液壓馬達的負載力矩 (N· m)；液壓馬達進出口壓力差 (3為液壓馬達的機械效率，一般齒輪和柱塞馬達取 算液壓馬達所需流量液壓馬達的最大流量 )( 3m? (式中： 液壓馬達排量 (m3/r)； 液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速 (r/s)。 3 液壓元件的選擇 壓泵的確定與所需 功率的計算 壓泵的確定 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 加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失 ΣΔ p，即 ? ??? (??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)計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗估計，一般管路簡單的節(jié)流 閥調(diào)速??P 為 (2～ 5)× 105調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng) ??P 為 (5～ 15)× 105??P 也可只考慮流經(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，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表 取。 表 用中、低壓各類閥的壓力損失 (Δ閥名 Δ105閥名 Δ×105閥名 Δ×105閥名 Δ×105單向閥 壓閥 3～ 8 行程閥 2 轉(zhuǎn)閥 2 換向閥 3 節(jié)流閥 2～ 3 順序閥 3 調(diào)速閥 3～ 5 定液壓泵的流量 的流量 據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量 系統(tǒng)的泄漏確定。 液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸 (或馬達 )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 )()( 3m a x ?? (式中： K 為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 流量取小值，小流量取大值；?或馬達 )的最大總流量 (m3/s)。 擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力 流量 查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與 當(dāng)?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。 表 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 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)電動機，再進行驗算，使電動機發(fā)出最大功率時，其超載量在允許范圍內(nèi)。 閥類元件的選擇 擇依據(jù) 選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，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。 擇閥類元件應(yīng)注意的問題 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設(shè)計專用件。 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，應(yīng)按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮 其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求。 能器的選擇 能器用于補充液壓泵供油不足時，其有效容積為： )( 3? ?(式中： A 為液壓缸有效面積 ( L 為液壓缸行程 (m)； K 為液壓缸損失系數(shù)，估算時可取 Ｋ＝ 液壓泵供油流量 (m3/s)； t 為動作時間 (s)。 能器作應(yīng)急能源時，其有效容積為： )( 3? ? (當(dāng)蓄能器用于吸收脈動緩和液壓沖擊時，應(yīng)將其作為系統(tǒng)中的一個環(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。 道的選擇 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，應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。 管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價格低，性能好，使用廣泛。 管：紫銅管工作壓力在 10下，易變曲，便于 裝配；黃銅管承受壓力較高，達 25不如紫銅管易彎曲。銅管價格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。 管尺寸的確定 管內(nèi)徑 d 按下式計算： d= (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 5(m/s)；壓力油管取 5(m/s)；回油管取 2(m/s)。 管壁厚 δ 按下 式計算： )(2 ?? ? ( 式中： p 為管內(nèi)最大工作壓力； n 為安全系數(shù)，鋼管 p＜ 7，取 n=8； p＜ ，取 n=6； p＞ ，取 n=4。 根據(jù)計算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管。 箱的設(shè)計 油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。 箱設(shè)計要點 箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時不滲 出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的 80%。 箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大。 箱底部應(yīng)有適當(dāng)斜度，泄油口置于最低處，以便排油。 油器的選擇 選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點： 載能力 ： 按系統(tǒng)管路工作壓力確定。 濾精度 ： 按被保護元件的精度要求確定。 流能力 ： 按通過最大流量確定。 力壓降 ： 應(yīng)滿足過濾材料強度與系數(shù)要求。 4 液壓系統(tǒng)性能的驗算 為了判斷液壓系統(tǒng)的設(shè) 計質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升、效率和系統(tǒng)的動態(tài)特性等進行驗算。 路系統(tǒng)壓力損失的驗算 當(dāng)液壓元件規(guī)格型號和管道尺寸確定之后，就可以較準(zhǔn)確的計算系統(tǒng)的壓力、局部壓力損失 流經(jīng)閥類元件的壓力損失 即： ??????(系統(tǒng)的調(diào)整壓力： ?? 10 (式中： 液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力； 執(zhí)行件的工作壓力。 如果計算出來的 P? 比在初選系統(tǒng)工作壓力時粗略選定的壓力損失大得多，應(yīng)該重新調(diào) 整有關(guān)元件、輔件的規(guī)格，重新確定管道尺寸。 統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 系統(tǒng)發(fā)熱來源于系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，如液壓泵和執(zhí) 行元件的功率損失、溢流閥的溢流損失、液壓閥及管道的壓力損失等。 系統(tǒng)發(fā)熱功率 P 的計算 : ))(1( ??? (式中： 液壓泵的輸入功率 (W)； η 為液壓泵的總效率。 若一個工作循環(huán)中有幾個工序，則可根據(jù)各個工序的發(fā)熱量，求出系統(tǒng)單位時間的平均發(fā)熱量： )()1(11b i??? ??(式中： T 為工作循環(huán)周期 (s)； 第 i 個工序的工作時間 (s)； 循環(huán)中第 的輸入功率 (W)。 統(tǒng)效率驗算 液壓系統(tǒng)的效率是由液壓泵、執(zhí)行元件和液壓回路效率來確定的。 液壓回路效率 般可用下式計算： 2221... ... ... .??? (式中： …為每個執(zhí)行元件的工作壓力和流量； 每個液壓泵的供油壓力和流量。 液壓系統(tǒng)總效率： ??? ???(式中： B? 為液壓泵總效率；m?為執(zhí)行元件總效率；c?為回路效率。 5 繪制正式工作圖和編寫技術(shù)文件 經(jīng)過對液壓系統(tǒng)性能的驗算和必要的修改之后，便可繪制正式工作圖，它包括繪制液壓系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標(biāo)準(zhǔn)元件設(shè)計圖。 正式液壓系統(tǒng)原理圖上要標(biāo)明各液壓元件的型號規(guī)格。對于自動化程度較高的機床，還應(yīng)包括運動部件的運 動循環(huán)圖和電磁鐵、壓力繼電器的工作狀態(tài)。 定液壓系統(tǒng)參數(shù) 由工況分析中可知，工進階段的負載力最大，所以，液壓缸的工作壓力按此負載力計算，根據(jù)液壓缸與負載的關(guān)系，選 0× 105機床為鉆孔組合機床，為防止鉆通時發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)有背壓，設(shè)背壓 ×105使快進快退速度相等，選用 21 2 差動油缸，假定快進、快退的回油壓力損失為Δ p=7× 105 擇液壓元件 擇液壓泵和電動機 定液壓泵的 工作壓力。 前面已確定液壓缸的最大工作壓力為 40× 105取進油管路壓力損失Δ p=8× 105調(diào)整壓力一般比系統(tǒng)最大工作壓力大 5× 105以泵的工作壓力 (40＋ 8＋ 5)× 105＝ 53× 105是高壓小流量泵的工作壓力。 液壓缸快退時的工作壓力比快進時大，取其壓力損失 Δ p′＝ 4× 105快退時泵的工作壓力為： 4)× 105＝ 105是低壓大流量泵的工作壓力。 壓泵的流量?？爝M時的 流量最大，其值為 30L/小流量在工進時，其值為 K＝ 則： 106L/于溢流閥穩(wěn)定工作時的最小溢流量為 3L/小泵流量取 根據(jù)以上計算，選用 B 型雙聯(lián)葉片泵。 定管道尺寸 :根據(jù)工作壓力和流量，按式 (式 (定管道內(nèi)徑和壁厚。 (從略 ) 定油箱容量油箱容量可按經(jīng)驗公式估算，取 V＝ (5～ 7)q。 本例中 ： V＝ 6q＝ 6(6＋ 36)＝ 252L 有關(guān)系統(tǒng)的性能驗算從略。