第9九章液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 第九章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2 本章主要介紹液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容 步驟和方法 本章是本課程液壓傳動(dòng)部分的綜合章節(jié) 重點(diǎn) 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 選用液壓元件 難點(diǎn) 液壓系統(tǒng)選用限壓式變量泵和節(jié)流閥的容積節(jié)流調(diào)速回路的功率計(jì)算 計(jì)劃學(xué)時(shí) 2學(xué)時(shí) 3 設(shè)計(jì)一個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 應(yīng)按下列步驟進(jìn)行 1 明確設(shè)計(jì)依據(jù) 進(jìn)行工況分析2 初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)3 擬定液壓系統(tǒng)圖4 計(jì)算 選擇或設(shè)計(jì)液壓元件5 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算和繪制工作圖 編寫技術(shù)文件 4 第一節(jié)概述 在前幾章中 對(duì)液壓傳動(dòng)的基本原理 液壓元件的結(jié)構(gòu) 工作原理和基本回路等進(jìn)行了分析 本章的任務(wù)是應(yīng)用已學(xué)基本知識(shí)來討論液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算的步驟和方法 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須重視調(diào)查研究 注意借鑒前人的經(jīng)驗(yàn) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重解決的主要問題是滿足工作部件對(duì)力和運(yùn)動(dòng)兩方面的要求 在滿足工作性能和工作可靠性的前提下 應(yīng)力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì)且維修方便 5 性能驗(yàn)算包括系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升驗(yàn)算 正式工作圖一般包括正式的液壓系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的裝配圖和零件圖 應(yīng)該指出 在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中 根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)器的用途和掌握的資料情況 上述步驟有的可以省略 有的可以合并 同時(shí) 各設(shè)計(jì)步驟是相互聯(lián)系 相互影響的 設(shè)計(jì)中往往是互相穿插 交叉進(jìn)行 有時(shí)還要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成 6 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和一般流程如下 明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 分析系統(tǒng)工況 確定主要參數(shù) 擬訂液壓系統(tǒng)草圖 選擇液壓元件 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 繪制工作圖 編制技術(shù)文件 是否符合要求 否 是 7 第二節(jié)明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 進(jìn)行工況分析 一 明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1 主機(jī)的用途 主要結(jié)構(gòu) 總體布局 主機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在位置布置和空間尺寸上的限制 2 主機(jī)的工作循環(huán) 液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方式 移動(dòng) 擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) 及其工作范圍 3 液壓執(zhí)行元件的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)速度的大小及其變化范圍 8 4 主機(jī)各液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作順序或互鎖要求 5 對(duì)液壓系統(tǒng)工作性能 如工作平穩(wěn)性 轉(zhuǎn)換精度等 工作效率 自動(dòng)化程度等方面的要求 6 液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件 7 其它方面的要求 9 二 執(zhí)行元件工況分析 對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析 就是要查明它的每個(gè)執(zhí)行元件在各自工作過程中的運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載的變化規(guī)律 這是滿足主機(jī)規(guī)定的動(dòng)作要求和承載能力所必需具備的 分析系統(tǒng)工況的重要性 10 液壓系統(tǒng)承受的負(fù)載 可由主機(jī)的規(guī)格規(guī)定 可由樣機(jī)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定 可由理論分析確定 當(dāng)用理論分析確定系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載時(shí) 必須仔細(xì)考慮它所有的組成項(xiàng)目 例如 工作負(fù)載 切削力 擠壓力 彈性塑性變形拉力 重力等 慣性負(fù)載和阻力負(fù)載 摩擦力 背壓力 等 并把它們繪成圖形 11 圖9 2工作循環(huán)圖 圖9 3速度循環(huán)圖 運(yùn)動(dòng)分析就是分析主機(jī)按其工藝要求 以何種運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成一個(gè)工作循環(huán) 要求畫出速度循環(huán)圖 圖9 2 9 3分別為一組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)的工作循環(huán)圖和速度循環(huán)圖 一 運(yùn)動(dòng)分析 12 二 動(dòng)力分析 1 液壓缸的負(fù)載分析 1 工作阻力Ft 沿液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的切削分力 重力 擠壓力等 2 摩擦阻力Fm 液壓缸工作機(jī)構(gòu)工作時(shí)所要克服的機(jī)械摩擦力 對(duì)于機(jī)床來說 既導(dǎo)軌摩擦阻力 它與導(dǎo)軌形狀 放置情況以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 13 選最常見的兩種導(dǎo)軌型式 圖9 4 為例 14 其摩擦阻力計(jì)算公式為 對(duì)平導(dǎo)軌 對(duì)V形導(dǎo)軌 式中 FG 運(yùn)動(dòng)部件的總重 N 對(duì)平導(dǎo)軌為垂直于導(dǎo)軌方向上的切削分力 對(duì)V型導(dǎo)軌為沿V形導(dǎo)軌橫剖面中心線方向作用于導(dǎo)軌上的切削分力 V型導(dǎo)軌的夾角 一般為90 f 摩擦系數(shù) 它有靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)之分 在機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌上 一般fj 0 2 0 3 fd 0 05 0 1 啟動(dòng)時(shí)按靜摩擦系數(shù)計(jì)算 運(yùn)動(dòng)時(shí)按動(dòng)摩擦系數(shù)計(jì)算 15 3 慣性阻力Fg 工作部件在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的慣性力 式中 a 工作部件的加速度 t 啟動(dòng)加速或減速制動(dòng)的時(shí)間 對(duì)一般機(jī)床主運(yùn)動(dòng) t 0 25 0 5s 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) t 0 1 0 5s 磨床 t 0 01 0 05s 低速輕載運(yùn)動(dòng)部件取較小值 反之取較大值 v 在 t時(shí)間內(nèi)的速度變化量 慣性阻力有正有負(fù) 啟動(dòng)時(shí)為正 制動(dòng)時(shí)為負(fù) 16 4 重力FG 垂直或傾斜放置的工作部件 5 密封阻力Fmm 密封件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦阻力 6 背壓阻力Fb 液壓缸回油路上的阻力 17 1 啟動(dòng)階段 2 加速階段 3 快進(jìn)階段 4 工進(jìn)階段 5 制動(dòng)階段 2 機(jī)床液壓缸在各工作階段總外負(fù)載Ff 的計(jì)算 式中 Fmj 靜摩擦阻力Fmd 動(dòng)摩擦阻力 18 當(dāng)液壓執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)時(shí) 對(duì)其負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的分析和計(jì)算 思考方法與液壓缸相同 圖9 5液壓缸負(fù)載圖 3 繪液壓缸負(fù)載圖 19 第三節(jié) 執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定 一 確定執(zhí)行元件的類型根據(jù)工作部件所需的運(yùn)動(dòng)形式 速度 負(fù)載的性質(zhì)和工作環(huán)境參考表9 1 確定執(zhí)行元件的類型 20 表9 1常用執(zhí)行元件的應(yīng)用 21 二 初選執(zhí)行元件的工作壓力 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 22 表9 2按負(fù)載大小選擇液壓缸工作壓力 表9 3設(shè)備常用的工作壓力 23 三 執(zhí)行元件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 1 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定當(dāng)液壓缸工作速度很低時(shí) 尚須按速度要求驗(yàn)算缸的有效工作面積 以滿足最低穩(wěn)定速度的要求 即A應(yīng)滿足下式 式中 A 液壓缸有效工作面積 qmin 流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定量 由產(chǎn)品樣本查得 Vmin 主機(jī)要求的最低工作速度 24 式中AjG 液壓缸進(jìn)油腔的有效工作面積Vmax 液壓缸的最大運(yùn)動(dòng)速度 液壓缸所需的最大流量 25 2 執(zhí)行元件的工況圖工況圖是在執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求 算出不同階段中的實(shí)際工作壓力 流量和功率之后作出的 26 圖9 6執(zhí)行元件工況圖a 壓力圖b 流量圖c 功率圖t1 快進(jìn)時(shí)間t2 共進(jìn)時(shí)間t3 快退時(shí)間 27 工況圖的作用是 1 通過工況圖找出最大壓力 最大流量點(diǎn)和最大功率點(diǎn) 分析各工作階段中壓力 流量變化的規(guī)律 作為選擇液壓泵和控制閥的依據(jù) 2 驗(yàn)算各工作階段所確定參數(shù)的合理性 例如當(dāng)功率圖上各階段的功率相差太大時(shí) 可在工藝情況允許的條件下 調(diào)整有關(guān)階段的速度 以減小系統(tǒng)需用的功率 當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)液壓缸工作時(shí) 應(yīng)把各液壓缸的功率圖按循環(huán)要求疊加后進(jìn)行分析 若最大功率點(diǎn)互相重合 功率分布很不均衡 則同樣應(yīng)在工藝條件允許情況下 適當(dāng)調(diào)整參數(shù) 避開或削減功率 高峰 增加功率利用的合理性 以提高系統(tǒng)的效率 28 3 通過對(duì)工況圖的分析 可以合理地選擇系統(tǒng)主要回路 油源形式和油路循環(huán)形式等 如果在一個(gè)循環(huán)內(nèi)流量變化很大 則不適宜采用單定量泵 也不宜采用蓄能器 而適宜采用 大小泵 的雙泵供油回路或限壓式變量泵供油回 以上分析 計(jì)算和調(diào)整 有利于擬定出較為合理 完善的液壓系統(tǒng)方案 29 第四節(jié)系統(tǒng)原理圖的擬定 一 調(diào)速方案的確定1 在小壓力 小功率 2 3kW以下 工作平穩(wěn)性要求不高的系統(tǒng) 宜采用節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速回路 2 負(fù)載變化較大 速度穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng) 宜采用調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路 3 中等功率 3 5kW 溫升小的系統(tǒng) 可采用節(jié)流調(diào)速回路或容積調(diào)速回路或采用容積 節(jié)流調(diào)速回路 要求工作平穩(wěn)性好 4 高壓大功率 5kW以上 系統(tǒng) 宜采用容積調(diào)速回路 以提高液壓系統(tǒng)效率 在調(diào)速回路確定后 油路的循環(huán)形式基本上也就確定了 30 二 快速回路和速度換接方式的選擇三 油源的選擇四 其它回路的選擇 31 在擬定液壓系統(tǒng)原理圖時(shí) 應(yīng)盡量避免回路之間互相干擾或采用防干擾回路 在液壓基本回路中 盡可能去掉相同作用的元件 力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單 工作可靠 元件品種規(guī)格要少 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件 力求提高液壓系統(tǒng)的工作效率 防止系統(tǒng)過熱 防止液壓沖擊 采用蓄能器消除液壓沖擊 或在油缸進(jìn)口處安裝過載溢流閥及設(shè)計(jì)緩沖裝置 還可以增設(shè)緩沖回路等 為了調(diào)整和檢修上的方便 擬定液壓系統(tǒng)原理圖時(shí) 應(yīng)在泵源出口 系統(tǒng)中壓力閥等處設(shè)置必要的測(cè)壓點(diǎn) 可由測(cè)壓點(diǎn)處壓力表觀察系統(tǒng)是否正常工作 五 液壓系統(tǒng)的組合 32 第五節(jié)液壓系統(tǒng)元件的選擇 一 液壓泵的選定 一 確定液壓泵的最高工作壓力pppp p1 p式中 p1 執(zhí)行元件的最高工作壓力 p 進(jìn)油路上管路壓力損失的總和 初算時(shí) 簡(jiǎn)單系統(tǒng) p取 2 5 105Pa 復(fù)雜系統(tǒng) p取 5 15 105Pa 33 二 確定液壓泵的最大流量qp qp K q max式中 K 系統(tǒng)泄漏系數(shù) 一般K 1 1 1 3 q max 執(zhí)行元件同時(shí)工作時(shí) 系統(tǒng)所需最大流量 當(dāng)采用蓄能器的系統(tǒng)時(shí) 泵的最大流量qp 根據(jù)系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中執(zhí)行元件的平均流量與回路泄漏量之和 采用差動(dòng)回路時(shí) 應(yīng)按差動(dòng)連接的最大流量進(jìn)行計(jì)算 34 三 選擇液壓泵規(guī)格型號(hào) 液壓泵的主要參數(shù)為額定壓力和流量 選取額定壓力比pp高25 50 流量與系統(tǒng)所需的qp相當(dāng)?shù)谋?35 四 確定液壓泵電動(dòng)機(jī)功率 36 二 液壓控制閥的選擇 根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過該閥的最大流量由產(chǎn)品樣本選擇液壓控制閥的規(guī)格型號(hào) 特殊需要時(shí)才自行設(shè)計(jì)專用控制閥 37 三 液壓輔件的選擇 液壓輔件如油箱 蓄能器 濾油器 管件和密封件的選擇 可按照第六章中有關(guān)論述選用 38 板式配置 四 液壓裝置結(jié)構(gòu)形式的選擇 39 2集成塊式配置3疊加閥式配置 40 第六節(jié)液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算及技術(shù)文件的編制 一 液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算 一 壓力損失的計(jì)算和確定壓力閥的調(diào)整壓力1 管路系統(tǒng)的壓力損失管路系統(tǒng)的壓力損失計(jì)算 一般要根據(jù)管路裝配草圖的進(jìn)油管路和回油管路分別進(jìn)行 公式為 p pL pJ pF MPa 41 p pL pJ pF MPa 式中 p 油液流經(jīng)管路時(shí)的總壓力損失 pL 油液流經(jīng)管路時(shí)的沿程壓力損失 pJ 油液流經(jīng)管接頭 變徑管等處的局部壓力損失 pF 油液流經(jīng)管路上閥類元件時(shí)的壓力損失 主要是局部壓力損失 42 沿程壓力損失除可按液壓流體力學(xué)中的公式計(jì)算外 還可在管流為層流時(shí) 用下式估算 pL 105 MPa 式中 油的運(yùn)動(dòng)粘度 cst q 通過管道的流量 1 min 1 管道長(zhǎng)度 m d 管道內(nèi)徑 mm 43 管道上的局部壓力損失可按 pJ 0 05 0 15 pL進(jìn)行估算 閥類元件額定流量下的壓力損失 Pe 可查產(chǎn)品樣本 在實(shí)際流量不為閥的額定流量時(shí) 其壓力損失可按下式估算 pF pe MPa 44 式中 pn 閥在額定流量下的壓力損失 MPa q 通過閥的實(shí)際流量 m3 s qn 閥的額定流量 m3 s 2 確定溢流閥的調(diào)整壓力pypy pjG pj MPa 式中 pjG 液壓缸進(jìn)口的壓力 Pa pj 液壓缸進(jìn)油路上的總壓力損失 Pa 45 二 系統(tǒng)發(fā)熱量的估算各種液壓機(jī)械油溫升高的溫度在允許值應(yīng)在 表9 5 中的范圍內(nèi) 才能保證系統(tǒng)正常工作 表9 5各種機(jī)械允許油溫 46 1 系統(tǒng)發(fā)熱量的計(jì)算 油泵 油馬達(dá)能量損失所轉(zhuǎn)換的熱量H1為H1 N 1 860 kcal h 式中 N 驅(qū)動(dòng)油泵或油馬達(dá)的功率 kw 油泵或油馬達(dá)的總效率 其中 1kw 860kcal h 47 若在整個(gè)過程中有功率變化 則根據(jù)各工作階段的發(fā)熱量求出總的平均發(fā)熱量 即 kcal h 式中 T 工作循環(huán)的周期 h t1 某一工作階段所需時(shí)間 h i 在t1所對(duì)應(yīng)的工作階段中油泵或油馬達(dá)的總效率 N1 t1所對(duì)應(yīng)的工作階段中油泵或油馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)效率 kw 48 溢流閥溢流損失所轉(zhuǎn)換的熱量H2為 kcal h 式中 1kcal 427 10N mpy 溢流閥的調(diào)整壓力 qy 溢流閥的溢流流量 49 同理 油液通過其他閥壓力損失所產(chǎn)生的熱量H3為 kcal h 式中 p 通過該閥的壓力損失 q 通過該閥的流量 系統(tǒng)的總發(fā)熱量H為 kcal h 50 kcal h 式中 K 油液的散熱系數(shù) kcal m2 h 見表11 6 A 油箱散熱面積 m2 T1 允許的最高油溫 T2 環(huán)境溫度 T 油