南華大學(xué)液壓與氣動(dòng)教學(xué)課件09

1、第第9 9章章 液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算9.1 明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析9.2 執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定9.3 系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定9.4 元件的計(jì)算和選擇元件的計(jì)算和選擇9.5 系統(tǒng)性能驗(yàn)算系統(tǒng)性能驗(yàn)算9.6 繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件9.7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例9-1 明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析明確設(shè)計(jì)要求、進(jìn)行工況分析1.明確設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求是做任何設(shè)計(jì)的依據(jù)，液壓或氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要明確液壓或氣壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求，這里一般需要考慮以下幾方面： （

2、1）該設(shè)備中，哪些運(yùn)動(dòng)需要液壓或氣壓傳動(dòng)來完成，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式及動(dòng)作幅度； （2）對液壓或氣壓裝置的空間布置、安裝形式、重量、外形尺寸的限制等。 （3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)載荷形式和大??； （4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，速度變化范圍以及對運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的要求；明確設(shè)計(jì)要求明確設(shè)計(jì)要求(2/2) （5）各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序，彼此之間的聯(lián)鎖關(guān)系，實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)的操作或控制方式； （6）自動(dòng)化程度、效率、溫升、安全保護(hù)、制造成本等方面的要求； （7）工作環(huán)境方面的要求，如溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、防塵、防腐、抗燃性能等； 另外對主機(jī)的功能、用途、工藝流程也必須了解清楚，力求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加切合實(shí)際。2.執(zhí)行元件的工況分

3、析 對執(zhí)行元件的工況進(jìn)行分析，就是查明每個(gè)執(zhí)行元件在各自工作過程中的速度和負(fù)載的變化規(guī)律。通常是求出一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)各階段的速度和負(fù)載值列表表示，必要時(shí)還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時(shí)間（或位移）變化的曲線圖（稱為速度循環(huán)圖、負(fù)載循環(huán)圖和功率循環(huán)圖）。 (1) 工作負(fù)載FW 不同的機(jī)器有不同的工作負(fù)載。對于金屬切削機(jī)床來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負(fù)載；對液壓機(jī)來說，工件的壓制抗力即為工作負(fù)載。工作負(fù)載FW與液壓缸運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)為正值，方向相同時(shí)為負(fù)值（如順銑加工的切削力）。工作負(fù)載既可以為恒值，也可以為變值，其大小要根據(jù)具體情況加以計(jì)算，有時(shí)還要由樣機(jī)實(shí)測確定。 執(zhí)行元件的工況分析執(zhí)行元件的工況

4、分析(2/6) (2) 導(dǎo)軌摩擦負(fù)載Ff 導(dǎo)軌摩擦負(fù)載是指液壓缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)所受的導(dǎo)軌摩擦阻力，其值與運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌形式、放置情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。各種形式導(dǎo)軌的摩擦負(fù)載計(jì)算公式可查閱有關(guān)手冊。機(jī)床上常用平導(dǎo)軌和V形導(dǎo)軌支承運(yùn)動(dòng)部件，其摩擦負(fù)載值的計(jì)算公式（導(dǎo)軌水平放置時(shí)）為： 平導(dǎo)軌Ff = f (G + FN ) （9.1） V形導(dǎo)軌 （9.2） 式中：f 摩擦系數(shù)； G 運(yùn)動(dòng)部件的重力； FN 垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載； V形導(dǎo)軌面的夾角，一般 =90。 Nfsin2GFFf (3) 慣性負(fù)載Fi 慣性負(fù)載是運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)加速或制動(dòng)減速時(shí)的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出，即： （9.3）

5、式中：g 重力加速度； 時(shí)間內(nèi)的速度變化值； t 啟動(dòng)、制動(dòng)或速度轉(zhuǎn)換時(shí)間。 (4) 重力負(fù)載Fg 垂直或傾斜放置的運(yùn)動(dòng)部件，在沒有平衡的情況下，其自重也成為一種負(fù)載。傾斜放置時(shí)，只計(jì)算重力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力。液壓缸上行時(shí)重力取正值，反之取負(fù)值。 iGFmagt執(zhí)行元件的工況分析執(zhí)行元件的工況分析(3/6) (5) 密封負(fù)載Fs 密封負(fù)載是指密封裝置的摩擦力，其值與密封裝置的類型和尺寸、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)，F(xiàn)s的計(jì)算公式詳見有關(guān)手冊。在未完成液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，不知道密封裝置的參數(shù)，F(xiàn)s無法計(jì)算，一般用液壓缸的機(jī)械效率cm加以考慮，常取cm = 0.900.97。執(zhí)行元件的工況

6、分析執(zhí)行元件的工況分析(4/6) (6) 背壓負(fù)載Fb 背壓負(fù)載是指液壓缸回油腔背壓所造成的阻力。在系統(tǒng)方案及液壓缸結(jié)構(gòu)尚未確定之前，F(xiàn)b也無法計(jì)算，在負(fù)載計(jì)算時(shí)可暫不考慮。 液壓缸各個(gè)主要工作階段的機(jī)械總負(fù)載F可按下列公式計(jì)算： 啟動(dòng)階段 （9.4） 加速階段 （9.5） 快速階段 （9.6） sgcm()FFFkigcm()FFFFkgcm()FFF執(zhí)行元件的工況分析執(zhí)行元件的工況分析(5/6) 工進(jìn)階段 （9.7） 制動(dòng)減速階段 （9.8） 式中為液壓缸的動(dòng)摩擦力。 以液壓馬達(dá)為執(zhí)行元件時(shí)，負(fù)載值的計(jì)算類同于液壓缸。 kwgcm()FFFFkwigcm()FFFFF執(zhí)行元件的工況分析執(zhí)行

7、元件的工況分析(6/6)9.2 執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定1.初選執(zhí)行元件的工作壓力 工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)，它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個(gè)系統(tǒng)的性能。工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強(qiáng)度、剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵；反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載的大小或主機(jī)設(shè)備類型選取。 氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)的工作壓力一般為0.5 MPa。2.確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) (1) 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 在這里，需要

8、確定的主要結(jié)構(gòu)尺寸是指液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d。一般情況下，當(dāng)活塞桿受拉狀態(tài)工作時(shí)，取d/D 0.30.5，工作壓力高取大值；當(dāng)活塞桿受壓狀態(tài)工作時(shí)，取d/D 0.50.7。采用差動(dòng)連接并要求往返速度相等時(shí)，應(yīng)取d0.707D。液壓缸的機(jī)械效率一般取= 0.90.97。 對有低速運(yùn)動(dòng)要求的系統(tǒng)（如精鏜機(jī)床的進(jìn)給液壓系統(tǒng)），尚需對液壓缸的有效工作面積A進(jìn)行驗(yàn)算，即應(yīng)保證： （9.9） 式中：qmin 控制執(zhí)行元件速度的流量閥的最小穩(wěn)定流量； min 液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度。 驗(yàn)算結(jié)果若不能滿足式（9.9），則說明按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達(dá)不到所需的低速，必須修改設(shè)計(jì)。Aqminmin

9、 (2) 液壓馬達(dá)主要參數(shù)的確定 液壓馬達(dá)所需排量V可按下式計(jì)算 （9.10） 式中：T 液壓馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； p 馬達(dá)的兩腔工作壓差； mm 液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，一般取= 0.90.97。 求得排量V值后，從產(chǎn)品樣本中選擇液壓馬達(dá)的型號。 計(jì)算出的液壓馬達(dá)的排量V也須滿足最低穩(wěn)定速度的要求。確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(2/2)mm2 TVp3.復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力 當(dāng)液壓缸的主要尺寸D、d和馬達(dá)的排量V計(jì)算出來以后，要按各自的系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，經(jīng)過圓整的標(biāo)準(zhǔn)值與計(jì)算值之間一般都存在一定的差別，因此有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進(jìn)行一次復(fù)算。 還需看到，在按上述方法確定工作

10、壓力的過程中，沒有計(jì)算回油路的背壓，因此所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機(jī)械總負(fù)載所需的那部分壓力。在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d及V確定之后，若選取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒担ㄈ绫?.5），即可求出執(zhí)行元件工作腔的壓力，液壓缸差動(dòng)連接時(shí)另行考慮。復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力(2/2) 對于單桿液壓缸，其工作壓力可按下列公式復(fù)算： 差動(dòng)快進(jìn)階段 （9.11） 無桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段 （9.12） 有桿腔進(jìn)油快退階段 （9.13） 式中：F 液壓缸在各工作階段的最大機(jī)械總負(fù)載； A1、A2 分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效作用面積； pb 液壓缸回油路的背壓。 根據(jù)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度 或轉(zhuǎn)速n以及確定的

11、液壓缸有效作用面積A或液壓馬達(dá)的排量V，計(jì)算出液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需流量。21b1212AFppAAAA21b11AFppAA11b22AFppAA4.執(zhí)行元件的工況圖各執(zhí)行元件的主要參數(shù)確定之后，不但可以復(fù)算執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段內(nèi)的工作壓力，還可求出需要輸入的流量和功率。這時(shí)就可作出系統(tǒng)中各執(zhí)行元件在其工作過程中的工況圖，即執(zhí)行元件在一個(gè)工作循環(huán)中的壓力、流量、功率與時(shí)間（或位移）的變化曲線圖（圖9.2為某一機(jī)床進(jìn)給液壓缸工況圖）。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，便得到整個(gè)系統(tǒng)的工況圖。系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個(gè)工作循環(huán)中的系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續(xù)設(shè)計(jì)步驟中選擇元

12、件、選擇回路或修正設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。執(zhí)行元件的工況圖執(zhí)行元件的工況圖(2/2) 1）壓力循環(huán)圖（pt圖） 根據(jù)最后確定的執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)尺寸和負(fù)載循環(huán)圖反求出執(zhí)行元件在其工作循環(huán)各階段的工作壓力，然后把它們繪制成pt圖。 2）流量循環(huán)圖（qt圖） 根據(jù)缸實(shí)際有效工作面積或馬達(dá)排量以及工作循環(huán)各階段的運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算出執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段中所需的流量，然后繪制成qt圖。若系統(tǒng)中有多個(gè)執(zhí)行元件時(shí)，要把各自的流量循環(huán)圖疊加起來，繪出總的流量循環(huán)圖。3）功率循環(huán)圖（Pt圖）有了pt圖和qt圖后，根據(jù)Ppq的關(guān)系即可求出相應(yīng)的執(zhí)行元件所需功率在工作循環(huán)各階段的變化規(guī)律，并繪制出Pt圖。9.3 系統(tǒng)原理圖

13、的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定 擬定系統(tǒng)原理圖包含兩項(xiàng)內(nèi)容：一是通過分析、對比選出合適的基本回路；二是把選出的基本回路進(jìn)行有機(jī)組合，構(gòu)成完整的系統(tǒng)原理圖。 （1）確定執(zhí)行元件的形式 液壓或氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件主要有液壓缸（氣壓缸）和液壓馬達(dá)（氣馬達(dá)），根據(jù)主機(jī)動(dòng)作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求來具體選用哪種形式。通常，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用液壓缸（氣壓缸）驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)（氣馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)，但也不盡然?？傊?，要合理地選擇執(zhí)行元件，綜合考慮液（氣）機(jī)電各種傳動(dòng)方式的相互配合，使所設(shè)計(jì)的液壓（氣壓）系統(tǒng)更加簡單、高效。 系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(2/7) （2）確定回路類型 一般具有較大空間可以存放油

14、箱且不另設(shè)散熱裝置的系統(tǒng)，都采用開式回路；凡允許采用輔助泵進(jìn)行補(bǔ)油并借此進(jìn)行冷卻油交換來達(dá)到冷卻目的的系統(tǒng)，都采用閉式回路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式回路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路。 （3）選擇合適回路 在擬定系統(tǒng)原理圖時(shí)，應(yīng)根據(jù)各類主機(jī)的工作特點(diǎn)和性能要求，首先確定對主機(jī)主要性能起決定性影響的主要回路。例如對于機(jī)床液壓系統(tǒng)，調(diào)速和速度換接回路是主要回路；對于壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，調(diào)壓回路是主要回路。然后再考慮其它輔助回路，有垂直運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路，有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動(dòng)作、同步或互不干擾回路，有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。 1）制定調(diào)速控制方案： 根據(jù)執(zhí)行元件工況圖上壓力

15、、流量和功率的大小以及系統(tǒng)對溫升、工作平穩(wěn)性等方面的要求選擇調(diào)速回路。 對于負(fù)載功率小、運(yùn)動(dòng)速度低的系統(tǒng)，采用節(jié)流調(diào)速回路。而工作平穩(wěn)性要求不高的執(zhí)行元件，宜采用節(jié)流閥調(diào)速回路；負(fù)載變化較大，速度穩(wěn)定性要求較高的場合，宜采用調(diào)速閥調(diào)速回路。 對于負(fù)載功率大的執(zhí)行元件，一般都采用容積調(diào)速回路，即由變量泵供油；避免過多的溢流損失，提高系統(tǒng)的效率；如果對速度穩(wěn)定性要求較高，也可采用容積節(jié)流調(diào)速回路。 調(diào)速方式?jīng)Q定之后，回路的循環(huán)形式也隨之而定了。節(jié)流調(diào)速，容積節(jié)流調(diào)速一般采用開式回路，容積調(diào)速大多采用閉式回路。系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(3/7) 2）制定壓力控制方案 選擇各種壓力控制回路時(shí)，

16、應(yīng)仔細(xì)推敲各種回路在選用時(shí)所需注意的問題以及特點(diǎn)和適用場合。例如卸荷回路，選擇時(shí)要考慮卸荷所造成的功率損失、溫升、流量和壓力的瞬時(shí)變化等。 恒壓系統(tǒng)如進(jìn)口節(jié)流和出口節(jié)流調(diào)速回路等，一般采用溢流閥起穩(wěn)壓溢流作用，同時(shí)也限定了系統(tǒng)的最高壓力。定壓容積節(jié)流調(diào)速回路本身能夠定壓不需壓力控制閥。另外還可采用恒壓變量泵加安全閥的方式。對非恒壓系統(tǒng)，如旁路節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速和非定壓容積節(jié)流調(diào)速，其系統(tǒng)的最高壓力由安全閥限定。對系統(tǒng)中某一個(gè)支路要求比油源壓力低的穩(wěn)壓輸出，可采用減壓閥實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(4/7) 3）制定順序動(dòng)作控制方案 主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，根據(jù)設(shè)備類型的不同，有的按

17、固定程序進(jìn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。對于工程機(jī)械，操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)，一般用手動(dòng)多路換向閥控制；對于加工機(jī)械，各液壓執(zhí)行元件的順序動(dòng)作多數(shù)采用行程控制，行程控制普遍采用行程開關(guān)控制，因其信號傳輸方便，而行程閥由于涉及到油路的連接，只適用于管路安裝較緊湊的場合。 另外還有時(shí)間控制、壓力控制和可編程序控制等。系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(5/7) （4）編制整機(jī)的系統(tǒng)原理圖 整機(jī)的系統(tǒng)圖主要由以上所確定的各回路組合而成，將挑選出來的各個(gè)回路合并整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在滿足工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求及生產(chǎn)率的前提下，力求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠、動(dòng)作平穩(wěn)、

18、效率高、調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng)方便。系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(6/7) 此時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題： 1）去掉重復(fù)多余的元件，力求使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)要仔細(xì)斟酌，避免由于某個(gè)元件的去掉或并用而引起相互干擾。 2）增設(shè)安全裝置，確保設(shè)備及操作者的人身安全。如擠壓機(jī)控制油路上設(shè)置行程閥，只有安全門關(guān)閉時(shí)才能接通控制油路。 3）工作介質(zhì)的凈化必須予以足夠的重視。特別是比較精密、重要的設(shè)備，可以單設(shè)一套自循環(huán)的油液過濾系統(tǒng)。 4）對于大型的貴重設(shè)備，為確保生產(chǎn)的連續(xù)性，在液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部位要加設(shè)必要的備用回路或備用元件。 5）為便于系統(tǒng)的安裝、維修、檢查、管理，在回路上要適當(dāng)裝設(shè)一些截止閥、測壓點(diǎn)。

19、 6）盡量選用標(biāo)準(zhǔn)元件和定型的液壓裝置。系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定(7/7)9.4 執(zhí)行元件的計(jì)算和選擇執(zhí)行元件的計(jì)算和選擇1.動(dòng)力元件的選擇 執(zhí)行元件的尺寸規(guī)格及其工作壓力與流量確定后，再結(jié)合所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖，就可以對系統(tǒng)中的其它元件進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)。 首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定液壓泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量來選擇液壓泵的規(guī)格。動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件的選擇(2/7) (1) 確定液壓泵的最高供油壓力pp 對于執(zhí)行元件在行程終了才需要最高壓力的工況（此時(shí)執(zhí)行元件本身只需要壓力不需要流量，但液壓泵仍需向系統(tǒng)提供一定的流量，以滿足泄漏流量的需要），可取執(zhí)行元件的最高壓力作為

20、泵的最大工作壓力。對于執(zhí)行元件在工作過程中需要最大工作壓力的情況，可按下式確定： （9.14） 式中：p1 執(zhí)行元件的最高工作壓力； p1 從液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間總的壓力損失。 該值較為準(zhǔn)確的計(jì)算需要管路和元件的布置圖確定后才能進(jìn)行，初計(jì)算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。對簡單系統(tǒng)流速較小時(shí)取p1 =0.2 0.5MPa，對復(fù)雜系統(tǒng)流速較大時(shí)，取p1 = 0.5 1.5MPa 。p1lppp (2) 確定液壓泵的最大供油量qp 液壓泵的最大供油量為： （9.15） 式中：k1 系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取k1 =（1.1 1.3），大流量取小值，小流量取大值； qmax 同時(shí)動(dòng)作各執(zhí)行元件所需流量之

21、和的最大值，對于工作中始終需要溢流的系統(tǒng)，尚需加上溢流閥的最小溢流量，溢流閥的最小溢流量可取其額定流量的10%。 系統(tǒng)中采用蓄能器供油時(shí)，由系統(tǒng)一個(gè)工作周期T中的平均流量確定： （9.16） 式中：qi 系統(tǒng)在整個(gè)周期中第i個(gè)階段內(nèi)的耗油量。 如果液壓泵的供油量是按工進(jìn)工況選取時(shí)（如雙泵供油方案，其中小流量泵是供給工進(jìn)工況流量的）其供油量應(yīng)考慮溢流閥的最小溢流量。p1maxqkq1pikqqT動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件的選擇(3/7) (3) 選擇液壓泵的規(guī)格型號 根據(jù)以上計(jì)算所得的液壓泵的最大工作壓力和最大輸出流量以及系統(tǒng)中擬定的液壓泵的型式，查閱有關(guān)手冊或產(chǎn)品樣本即可確定液壓泵的規(guī)格型號。但要

22、注意，選擇的液壓泵的額定流量要大于或等于前面計(jì)算所得的液壓泵的最大輸出流量，并且盡可能接近計(jì)算值；所選泵的額定壓力應(yīng)大于或等于計(jì)算所得的最大工作壓力。有時(shí)尚需考慮一定的壓力儲備，使所選泵的額定壓力高出計(jì)算所得的最大工作壓力2560%。泵的額定流量則宜與相當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件的選擇(4/7) (4) 選擇驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇。 （a）在整個(gè)工作循環(huán)中，若液壓泵的壓力和流量比較恒定，即工況圖pt和qt曲線或Pt曲線變化比較平穩(wěn)時(shí)，則驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)功率P為： （9.17） 式中：pp 液壓泵的最高供油壓力； q

23、p 液壓泵的實(shí)際輸出流量； p 液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本，一般有上下限。規(guī)格大的取上限，變量泵取下限，定量泵取上限。 （b）限壓式變量葉片泵的驅(qū)動(dòng)功率，可按泵的實(shí)際壓力流量特性曲線拐點(diǎn)處功率來計(jì)算。pppp qP動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件的選擇(5/7) （c）在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量變化較大時(shí)，即工況圖pt和qt曲線或Pt曲線變化比較大時(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，然后求其均方根值： （9.18） 式中：p1，p2，pn 一個(gè)工作循環(huán)中各階段所需的驅(qū)動(dòng)功率； t1，t2 ，tn 一個(gè)工作循環(huán)中各階段所需的時(shí)間。 在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)將求得的pcp值與各工作階段的最大

24、功率值比較，若最大功率符合電動(dòng)機(jī)短時(shí)超載25%的范圍，則按平均功率選擇電動(dòng)機(jī)；否則應(yīng)按最大功率選擇電動(dòng)機(jī)。2221122cp12nnnP tP tP tPttt動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件的選擇(6/7) 應(yīng)該指出，確定液壓泵的原動(dòng)機(jī)時(shí)，一定要同時(shí)考慮功率和轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素。對電動(dòng)機(jī)來說，除電動(dòng)機(jī)功率滿足泵的需要外，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速不應(yīng)高出泵的額定轉(zhuǎn)速。例如，泵的額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，則電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速亦應(yīng)為1000 r/min，當(dāng)然，若選擇同步轉(zhuǎn)速為750 r/min的電動(dòng)機(jī)，并且泵的流量能滿足系統(tǒng)需要時(shí)是可以的。同理，對內(nèi)燃機(jī)來說，也不要使泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于其額定轉(zhuǎn)速。動(dòng)力元件的選擇動(dòng)力元件

25、的選擇(7/7)2.閥類元件的選擇 各種閥類元件的規(guī)格型號，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況圖中提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取。各種閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)與其工作壓力和最大通過流量相接近，必要時(shí)，可允許其最大通過流量超過額定流量20%。 具體選擇時(shí)，應(yīng)注意溢流閥應(yīng)使其能通過液壓泵的全部流量。另外對所有壓力閥來說，都有個(gè)合適的調(diào)壓范圍問題，不要使該閥的額定工作壓力高出使用壓力太多；流量閥要注意該閥的最小穩(wěn)定流量能夠滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度的需要。在選用分流集流閥（同步閥）等控制閥時(shí)，不要使實(shí)際流量低于閥的額定流量太多，以免分流（或集流）誤差過大；單桿缸系統(tǒng)若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作

26、用面積的n倍，當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，則回油流量為進(jìn)油流量的n倍，因此應(yīng)以n倍的流量來選擇通過的閥類元件；換向閥，必要時(shí)可使實(shí)際流量最多高出其額定流量20%，主要是考慮使換向閥的壓力損失不要過大。3.輔助元件的選擇 (1) 蓄能器的選擇 在液壓系統(tǒng)中，蓄能器的作用是用來儲存壓力能，也用于減小液壓沖擊和吸收壓力脈動(dòng)。在選擇時(shí)可根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中所起作用，相應(yīng)地確定其容量。 (2) 過濾器的選擇 過濾器是保持工作介質(zhì)清潔，使系統(tǒng)正常工作所不可缺少的輔助元件。過濾器應(yīng)根據(jù)其在系統(tǒng)中所處部位及被保護(hù)元件對工作介質(zhì)的過濾精度要求、工作壓力、過流能力及其它性能要求而定，通常應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （a）其過濾精度要

27、滿足被保護(hù)元件或系統(tǒng)對工作介質(zhì)清潔度的要求； （b）過流能力應(yīng)大于或等于實(shí)際通過的流量的2倍； （c）過濾器的耐壓應(yīng)大于其安裝部位的系統(tǒng)壓力。 （d）適用的場合一般按產(chǎn)品樣本上的說明。 (3) 油箱的設(shè)計(jì) 液壓系統(tǒng)中油箱的作用是：儲油，保證供給系統(tǒng)充分的油液；散熱，液壓系統(tǒng)中由于能量損失所轉(zhuǎn)換的熱量大部分由油箱表面散逸；沉淀油中的雜質(zhì)；分離油中的氣泡，凈化油液。 (4) 冷卻器的選擇 液壓系統(tǒng)如果依靠自然冷卻不能保證油溫維持在限定的最高溫度之下，就需裝設(shè)冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。 冷卻器有水冷和風(fēng)冷兩種。對冷卻器的選擇主要是根據(jù)其熱交換量來確定其散熱面積及其所需的冷卻介質(zhì)量。輔助元件的選擇輔助元件的

28、選擇(2/4) (5) 加熱器的選擇 環(huán)境溫度過低，使油溫低于正常工作溫度的下限，則須安裝加熱器。具體加熱方法有蒸汽加熱、電加熱、管道加熱器。通常采用電加熱器。 使用電加熱器時(shí)，單個(gè)加熱器的容量不能選得太大；如功率不夠，可多裝幾個(gè)加熱器。且加熱管部分應(yīng)全部浸入油中。 根據(jù)油的溫升和加熱時(shí)間及有關(guān)參數(shù)可計(jì)算出加熱器的發(fā)熱功率，然后求出所需電加熱器的功率。輔助元件的選擇輔助元件的選擇(3/4) (6) 管件選擇 管件包括油管和管接頭。管件選擇是否得當(dāng)，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作和能量損失的大小，一般從強(qiáng)度和允許流速兩個(gè)方面考慮。 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中所用的油管，主要有鋼管、紫銅管、鋼絲編織或纏繞橡膠軟管

29、，及尼龍管和塑料管等。油管的規(guī)格尺寸大多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要的管道才驗(yàn)算其內(nèi)徑和壁厚。 在選擇管接頭時(shí)，除考慮其有合適的通流能力和較小的壓力損失外，還要考慮到裝卸維修方便，連接牢固，密封可靠，支承元件的管道要有相應(yīng)的強(qiáng)度。另外還要考慮使結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。輔助元件的選擇輔助元件的選擇(4/4)4.閥類元件配置形式的選擇 對于固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源、閥類元件（包括某些輔助元件）集中安裝在主機(jī)外的液壓站上。這樣能使安裝與維修方便，并消除了動(dòng)力源振動(dòng)與油溫變化對主機(jī)工作精度的影響。而閥類元件在液壓站上的配置也有多種形式可供選擇。配置形式不同，液壓系統(tǒng)

30、的壓力損失和元件的連接安裝結(jié)構(gòu)也有所不同。閥類元件的配置形式目前廣泛采用集成化配置，具體有下列三種：板式配置，集成塊式集成配置和疊加閥式集成配置。 (1) 板式配置 將標(biāo)準(zhǔn)元件與其底板用螺釘固定在豎立著的平板正面上，底板上的油路用油管接通。這種配置方式的優(yōu)點(diǎn)在于可按需要連接成各種型式的系統(tǒng)，安裝維修方便，缺點(diǎn)是當(dāng)液壓系統(tǒng)的管路較多，較復(fù)雜時(shí)，油管的連接工作很不方便。圖9.3為板式配置示意圖。閥類元件配置形式的選擇閥類元件配置形式的選擇(2/4) (2) 集成塊式集成配置 根據(jù)典型液壓系統(tǒng)的各種基本回路做成通用化的集成塊，用它們來拼搭出各種液壓系統(tǒng)。集成塊的上下兩面為塊與塊之間的連接面，塊內(nèi)由鉆

31、孔形成油路，四周除一面安裝管接頭通向執(zhí)行元件外，其余都供固定標(biāo)準(zhǔn)元件之用。一般一塊就是一個(gè)常用的典型基本回路。一個(gè)系統(tǒng)所需集成塊的數(shù)目視其復(fù)雜程度而定，一般常需數(shù)塊組成?？傔M(jìn)油口與回油口開在底板上，通過集成塊的公共孔道直接通頂蓋。這種配置形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、可標(biāo)準(zhǔn)化、便于設(shè)計(jì)與制造、更改設(shè)計(jì)方便、油路壓力損失小，如圖9.4所示。閥類元件配置形式的選擇閥類元件配置形式的選擇(3/4) (3) 疊加閥式集成配置 疊加閥式與一般管式、板式標(biāo)準(zhǔn)元件相比，其工作原理沒有多大差別，但具體結(jié)構(gòu)卻不相同。它是采用標(biāo)準(zhǔn)化的液壓元件或零件，通過螺釘將閥體疊加在一起，組成一個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)疊加閥既起控制閥作用

32、，又起通道體的作用。這種配置形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、體積小、重量輕、不需設(shè)計(jì)專用的連接塊，油路的壓力損失很小，但疊加閥需自成系列，如圖9.5所示。閥類元件配置形式的選擇閥類元件配置形式的選擇(4/4)9.5 系統(tǒng)性能驗(yàn)算系統(tǒng)性能驗(yàn)算1.系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算 繪出管路裝配草圖后，即可計(jì)算管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，它們的計(jì)算公式詳見第2章。管路總的壓力損失為： （9.19） 應(yīng)按系統(tǒng)工作循環(huán)的不同階段，對進(jìn)油（氣）路和回油（氣）路分別計(jì)算壓力損失。 但是，在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，和仍無法計(jì)算。為了盡早地評估系統(tǒng)的主要性能，避免后面的設(shè)計(jì)工作出現(xiàn)大的反復(fù)，在系統(tǒng)方案初步確定

33、之后，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失見式2.36來對管路的壓力損失進(jìn)行概略地估算，因?yàn)檫@部分損失在系統(tǒng)的整個(gè)壓力損失中占很大的比重。ppp 在對進(jìn)、回油（氣）路分別算出和后，將此驗(yàn)算值與前述設(shè)計(jì)過程中初步選取的進(jìn)、回油（氣）路壓力損失經(jīng)驗(yàn)值相比較，若驗(yàn)算值較大，一般應(yīng)對原設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修改，重新調(diào)整有關(guān)閥類元件的規(guī)格和管道尺寸等，以降低系統(tǒng)的壓力損失。 需要指出，實(shí)踐證明，對于較簡單的液壓系統(tǒng)，壓力損失驗(yàn)算可以省略。系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算(2/2)2.系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算 系統(tǒng)在工作時(shí)，有壓力損失、容積損失和機(jī)械損失，這些損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能。特別是液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)

34、熱使油溫升高，導(dǎo)致油的粘度下降、油液變質(zhì)、機(jī)器零件變形，影響正常工作。為此，必須控制溫升在許可范圍內(nèi)，如一般機(jī)床T = 2530；數(shù)控機(jī)床 T 25；粗加工機(jī)械、工程機(jī)械和機(jī)車車輛 T = 3540。 假設(shè)功率損失全部變成熱量使油溫升高，單位時(shí)間的發(fā)熱量（kW）為： （9.20） 式中：P1 系統(tǒng)的輸入功率； P2 系統(tǒng)的輸出功率。PP12 若在一個(gè)工作循環(huán)中有幾個(gè)工作階段，則可根據(jù)各階段的發(fā)熱量求出系統(tǒng)的平均發(fā)熱量，即： （9.21） 式中：T 工作循環(huán)周期； i 工作階段的序號； ti 各工作階段的持續(xù)時(shí)間。 液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過所有元件的表面散發(fā)到空氣中去，現(xiàn)假設(shè)全部熱量都是

35、由油箱散發(fā)的。油箱在單位時(shí)間內(nèi)的散熱量可按下式計(jì)算： （9.22） 式中：h 油箱的散熱系數(shù)。 A 油箱的散熱面積； T 液壓系統(tǒng)的溫升。系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算(2/3)iiniitPPT)(1211 hA T 當(dāng)液壓系統(tǒng)的散熱量等于發(fā)熱量時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡，這時(shí)系統(tǒng)的溫升為： （9.23） 如果油箱三個(gè)邊長的比例在1:1:1到1:2:3范圍內(nèi)，且油面高度為油箱高度的80%，其散熱面積A近似為： （9.24） 式中：V 油箱有效容積。 按式（9.23）算出的溫升值如果超過允許數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施或修改液壓系統(tǒng)圖。ThAAV6510423.系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算系統(tǒng)發(fā)熱

36、溫升的驗(yàn)算(3/3)9.6 繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件1. 繪制正式工作圖 正式工作圖包括按國家標(biāo)準(zhǔn)繪制正規(guī)的系統(tǒng)原理圖；系統(tǒng)裝配圖、閥塊等非標(biāo)準(zhǔn)元、輔件的裝配圖及零件圖。 系統(tǒng)原理圖中應(yīng)附有元件明細(xì)表，表中標(biāo)明各元件的規(guī)格、型號和壓力、流量調(diào)整值。一般還應(yīng)繪出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖和電磁鐵動(dòng)作順序表。 系統(tǒng)裝配圖是系統(tǒng)布置全貌的總布置圖和管路施工圖（管路布置圖），對液壓系統(tǒng)應(yīng)包括油箱裝配圖、液壓泵站裝配圖、集成油路塊裝配圖和管路安裝圖等。在管路安裝圖中應(yīng)畫出各管路的走向、固定裝置結(jié)構(gòu)、各種管接頭的形式和規(guī)格等。 標(biāo)準(zhǔn)元件、輔件和聯(lián)接件的清單，通常以表格形式給出，

37、同時(shí)給出工作介質(zhì)的品牌、數(shù)量及系統(tǒng)對其他配置（如廠房、電源、電線布置、基礎(chǔ)施工條件等）的要求。 2. 編制技術(shù)文件 必須明確設(shè)計(jì)任務(wù)書，據(jù)此檢查、考核液壓系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 技術(shù)文件一般包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；系統(tǒng)使用及維護(hù)技術(shù)說明書；零部件明細(xì)表及標(biāo)準(zhǔn)件、通用件及外購件明細(xì)表等；系統(tǒng)有關(guān)的其它注意事項(xiàng)。系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算(3/3)9.7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例1. 明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 根據(jù)加工需要，該系統(tǒng)的工作循環(huán)是：快速前進(jìn)工作進(jìn)給快速退回原位停止。 調(diào)查研究及計(jì)算結(jié)果表明，快進(jìn)、快退速度約為4.5 m/min，工進(jìn)速度應(yīng)能在（20120）mm/min范圍內(nèi)無

38、級調(diào)速，最大行程為400 mm（其中工進(jìn)行程為180 mm），在進(jìn)給方向最大切削力18 kN，運(yùn)動(dòng)部件自重為25 kN，啟動(dòng)換向時(shí)間t = 0.05 s，采用水平放置的平導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)fs=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)fk=0.1，油缸機(jī)械效率cm取0.9。 下面以一臺鉆鏜兩用組合機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算為例，對液壓和氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行說明，所要設(shè)計(jì)的是，要完成8個(gè) 14 mm孔的加工進(jìn)給傳動(dòng)。其設(shè)計(jì)過程如下。 2.分析系統(tǒng)工況 液壓缸在工作過程各階段的負(fù)載為： 啟動(dòng)加速階段 快進(jìn)或快退階段 工進(jìn)階段siscmcm11()()GFFFf Ggt250000.0751(0.225000)N = 9

39、 807 N9.80.050.9fkcmcm0.125000N = 2 778 N0.9Ff GFWfWkcmcm= 22 778 NFFFf GF3.確定執(zhí)行元件的工作壓力 (1) 初選液壓缸的工作壓力 取液壓缸工作壓力p為3 MPa。 (2) 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 最大負(fù)載為工進(jìn)階段的負(fù)載F = 22 778 N，則有： 圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取D = 100 mm。 為了實(shí)現(xiàn)快進(jìn)速度與快退速度相等，采用差動(dòng)連接，則d = 0.707D，所以：d = 0.707100 = 70 mm 同樣圓整成標(biāo)準(zhǔn)系列活塞直徑，取d = 70 mm。 工進(jìn)若采用調(diào)速閥調(diào)速，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量qmin=0.0

40、5 L/min，因最小工進(jìn)速度min =20mm/min，能滿足低速穩(wěn)定性要求。 -2644 22778m = 9.83 10 m3.14 3 10FDp (3) 計(jì)算液壓缸的工作壓力、流量和功率 （a）計(jì)算工作壓力 本系統(tǒng)的背壓估計(jì)值可在0.50.8 MPa范圍內(nèi)選取，故暫定：工進(jìn)時(shí)pb= 0.8MPa，快速運(yùn)動(dòng)時(shí)， pb= 0.5MPa 。液壓缸在工作循環(huán)各階段的工作壓力p1即可按式（9.10）、式（9.11）和式（9.12）計(jì)算： 差動(dòng)快進(jìn)階段 p1=1.24MPa 工作進(jìn)給階段 p1=3.31MPa 快速退回階段 p1=1.67MPa確定執(zhí)行元件的工作壓力確定執(zhí)行元件的工作壓力(2/3) （b）計(jì)算液壓缸的輸入流量 因快進(jìn)快退速度=0.075 m/s，最大工進(jìn)速度2=0.002 m/s，則液壓缸各階段的輸入流量為： 快進(jìn)階段 q1=17.4L/min 工進(jìn)階段 q1=0.96L/min 快退階段 q1=18L/min （c）計(jì)算液壓缸的輸入功率 快進(jìn)階段 P=0.36kW 工進(jìn)階段 P=0.05kW 快退階段 P=0.5kW確定執(zhí)行元件的工作壓力確定執(zhí)行元件的工作壓力(3/3)4.擬定系統(tǒng)原理圖 (1) 速度控制回路的選擇 本機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要求有較好的低速穩(wěn)定性和速度負(fù)載特