挖掘機(jī)技術(shù)講解液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第9章液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，它的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，必須與主機(jī)設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起同時(shí)進(jìn)行。一般在分析主機(jī)的工作循環(huán)、性能要求、動(dòng)作特點(diǎn)等基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真分析比較，在確定全部或局部采用液壓傳動(dòng)方案之后才會(huì)提出液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須從實(shí)際出發(fā)，注重調(diào)查研究，吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想，在滿足工作性能要求、工作可靠的前提下，力求使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、操作維護(hù)方便、使用壽命長。第1頁，共81頁。1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟如下：(1)明確液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及工況分析；(2)主要參數(shù)的確定；(3)擬定液壓系統(tǒng)原理圖，進(jìn)行系統(tǒng)方案論證；(4)設(shè)計(jì)、計(jì)算、選擇液壓元件；(5)對液壓系統(tǒng)主要性能進(jìn)行驗(yàn)算；(6)設(shè)計(jì)液壓裝置，編制液壓系統(tǒng)技術(shù)文件。2022/10/232第2頁，共81頁。目錄9.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和工況分析9.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定9.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證9.4計(jì)算和選擇液壓元件9.5液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算9.6繪制正式工作圖、編制技術(shù)文件9.7液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例2022/10/233第3頁，共81頁。9.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和工況分析設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。設(shè)計(jì)前必須把主機(jī)對液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和與設(shè)計(jì)相關(guān)的情況了解清楚，一般要明確下列主要問題：(1)主機(jī)用途、總體布局與結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)與性能要求、工藝流程或工作循環(huán)、作業(yè)環(huán)境與條件等。(2)液壓系統(tǒng)應(yīng)完成哪些動(dòng)作，各個(gè)動(dòng)作的工作循環(huán)及循環(huán)時(shí)間；負(fù)載大小及性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)形式及速度快慢；各動(dòng)作的順序要求及互鎖關(guān)系，各動(dòng)作的同步要求及同步精度；液壓系統(tǒng)的工作性能要求，如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、調(diào)速范圍、定位精度、轉(zhuǎn)換精度，自動(dòng)化程度、效率與溫升、振動(dòng)與噪聲、安全性與可靠性等。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)2022/10/234第4頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)(3)液壓系統(tǒng)的工作溫度及其變化范圍，濕度大小，風(fēng)沙與粉塵情況，防火與防爆要求，安裝空間的大小、外廓尺寸與質(zhì)量限制等。(4)經(jīng)濟(jì)性與成本等方面的要求。只有明確了設(shè)計(jì)要求及工作環(huán)境，才能使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅滿足性能要求，且具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。2022/10/235第5頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的工況分析

工況分析的目的是明確在工作循環(huán)中執(zhí)行元件的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，它包括運(yùn)動(dòng)分析和負(fù)載分析。運(yùn)動(dòng)分析負(fù)載分析工作負(fù)載圖2022/10/236第6頁，共81頁。運(yùn)動(dòng)分析

運(yùn)動(dòng)分析就是研究工作機(jī)構(gòu)根據(jù)工藝要求應(yīng)以什么樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成工作循環(huán)、運(yùn)動(dòng)速度的大小、加速度是恒定的還是變化的、行程大小及循環(huán)時(shí)間長短等。為此必須確定執(zhí)行元件的類型，并繪制位移―時(shí)間循環(huán)圖或速度―時(shí)間循環(huán)圖。液壓執(zhí)行元件的類型可按表9-l進(jìn)行選擇。定義：2022/10/237第7頁，共81頁。運(yùn)動(dòng)分析名稱特點(diǎn)應(yīng)用場合雙桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度一樣，桿受力狀態(tài)一樣雙向工作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)單桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度不一樣，桿受力狀態(tài)不同。差動(dòng)連接時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)往復(fù)不對稱直線運(yùn)動(dòng)柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單長行程、單向工作擺動(dòng)缸單葉片缸轉(zhuǎn)角小于300°，雙葉片缸轉(zhuǎn)角小于150°往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)齒輪、葉片馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、慣性小高速小轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸向柱塞馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)徑向柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)大、轉(zhuǎn)速低低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表9-l：液壓執(zhí)行元件的類型2022/10/238第8頁，共81頁。負(fù)載分析負(fù)載分析就是通過計(jì)算確定各液壓執(zhí)行元件的負(fù)載大小和方向，并分析各執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)、沖擊及過載能力等情況。作用在執(zhí)行元件上的負(fù)載有約束性負(fù)載和動(dòng)力性負(fù)載兩類。約束性負(fù)載的特征是其方向與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，對執(zhí)行元件起阻止作用，不會(huì)起驅(qū)動(dòng)作用。例如庫侖固體摩擦阻力、粘性摩擦阻力是約束性負(fù)載。2022/10/239第9頁，共81頁。負(fù)載分析動(dòng)力性負(fù)載的特征是其方向與執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)，其數(shù)值由外界規(guī)律所決定。執(zhí)行元件承受動(dòng)力性負(fù)載時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種情況是動(dòng)力性負(fù)載方向與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向相反，起著阻止執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的作用，稱為阻力負(fù)載(正負(fù)載)；另一種情況是動(dòng)力性負(fù)載方向與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向一致，稱為超越負(fù)載(負(fù)負(fù)載)。超越負(fù)載變成驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)力，執(zhí)行元件要維持勻速運(yùn)動(dòng)，其中的流體要產(chǎn)生阻力功，形成足夠的阻力來平衡超越負(fù)載產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，這就要求系統(tǒng)應(yīng)具有平衡和制動(dòng)功能。重力是一種動(dòng)力性負(fù)載，重力與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)是阻力負(fù)載；與執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)是超越負(fù)載。對于負(fù)載變化規(guī)律復(fù)雜的系統(tǒng)必須畫出負(fù)載循環(huán)圖。不同工作目的的系統(tǒng)，負(fù)載分析的著重點(diǎn)不同。例如，對于工程機(jī)械的作業(yè)機(jī)構(gòu)，著重點(diǎn)為重力在各個(gè)位置上的情況，負(fù)載圖以位置為變量；機(jī)床工作臺(tái)的著重點(diǎn)為負(fù)載與各工序的時(shí)間關(guān)系。2022/10/2310第10頁，共81頁。負(fù)載分析液壓缸的負(fù)載計(jì)算一般說來，液壓缸承受的動(dòng)力性負(fù)載有工作負(fù)載Fw、慣性負(fù)載Fm、重力負(fù)載Fg，約束性負(fù)載有摩擦阻力Ff、背壓負(fù)載Fb、液壓缸自身的密封阻力Fsf。即作用在液壓缸上的外負(fù)載為

(9.1)①工作負(fù)載Fw。工作負(fù)載與主機(jī)的工作性質(zhì)有關(guān)，它可能是定值，也可能是變值。一般工作負(fù)載是時(shí)間的函數(shù)，即Fw＝f(t)，需根據(jù)具體情況分析決定。2022/10/2311第11頁，共81頁。液壓缸的負(fù)載計(jì)算②慣性負(fù)載Fm。慣性負(fù)載是運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)加速或減速制動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出

(9.2)式中m——運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量；

a——加速度；Δv——Δt時(shí)間內(nèi)速度的變化量；Δt——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間。一般機(jī)械系統(tǒng)取0.1s～0.5s；行走機(jī)械系統(tǒng)取0.5s～1.5s；機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)取0.25s～0.5s；機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)取0.05s～0.2s。工作部件較輕或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)取小值。2022/10/2312第12頁，共81頁。液壓缸的負(fù)載計(jì)算③導(dǎo)向摩擦阻力Ff。摩擦阻力是指液壓缸驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)所需克服的導(dǎo)軌摩擦阻力，其值與導(dǎo)軌形狀、安放位置和工作部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。對于平導(dǎo)軌

(9.3)對于V形導(dǎo)軌

(9.4)式中FN——作用在導(dǎo)軌上的垂直載荷；

α——V形導(dǎo)軌夾角，通常?。?0°；

f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，其值可參閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊。④重力負(fù)載Fg。當(dāng)工作部件垂直或傾斜放置時(shí)，自重也是一種負(fù)載，當(dāng)工作部件水平放置時(shí)，F(xiàn)g＝0。2022/10/2313第13頁，共81頁。液壓缸的負(fù)載計(jì)算⑤背壓負(fù)載Fb。液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)還必須克服回油路壓力形成的背壓阻力Fb，其值為

(9.5)

式中A2——液壓缸回油腔有效工作面積；pb——液壓缸背壓。在液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)尚未確定之前，一般按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)數(shù)值。系統(tǒng)背壓的一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：中低壓系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)取0.2MPa～0.5MPa；回油路有調(diào)速閥或背壓閥的系統(tǒng)取0.5MPa～1.5MPa；采用補(bǔ)油泵補(bǔ)油的閉式系統(tǒng)取1.0MPa～1.5MPa；采用多路閥的復(fù)雜的中高壓工程機(jī)械系統(tǒng)取1.2MPa～3.0MPa。⑥液壓缸自身的密封阻力Fsf。液壓缸工作時(shí)還必須克服其內(nèi)部密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力Fsf，其值與密封裝置的類型、油液工作壓力，特別是液壓缸的制造質(zhì)量有關(guān)，計(jì)算比較繁瑣；一般將它計(jì)入液壓缸的機(jī)械效率m中考慮，通常取m＝0.90～0.97。2022/10/2314第14頁，共81頁。液壓缸運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段的負(fù)載液壓缸的運(yùn)動(dòng)分為啟動(dòng)、加速、恒速、減速制動(dòng)等階段，不同階段的負(fù)載計(jì)算是不同的啟動(dòng)時(shí) (9.6)加速時(shí) (9.7)恒速運(yùn)動(dòng)時(shí) (9.8)減速制動(dòng)時(shí)

(9.9)2022/10/2315第15頁，共81頁。工作負(fù)載圖對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，如有若干個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)或分別完成不同的工作循環(huán)，則有必要按上述各階段計(jì)算總負(fù)載力，并根據(jù)上述各階段的總負(fù)載力和它所經(jīng)歷的工作時(shí)間t(或位移s)，按相同的坐標(biāo)繪制液壓缸的負(fù)載時(shí)間(F―t)或負(fù)載位移(F―s)圖。如圖9.l所示為某機(jī)床主液壓缸的速度圖和負(fù)載圖。最大負(fù)載值是初步確定執(zhí)行元件工作壓力和結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)。液壓馬達(dá)的負(fù)載力矩分析與液壓缸的負(fù)載分析相同，只需將上述負(fù)載力的計(jì)算變換為負(fù)載力矩即可。2022/10/2316第16頁，共81頁。工作負(fù)載圖圖9.1某液壓缸的速度圖和負(fù)載圖2022/10/2317第17頁，共81頁。9.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定執(zhí)行元件的工作壓力和流量是液壓系統(tǒng)最主要的兩個(gè)參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)是計(jì)算和選擇元件、輔件和原動(dòng)機(jī)的規(guī)格型號的依據(jù)。要確定液壓系統(tǒng)的壓力和流量，首先必須根據(jù)各液壓執(zhí)行元件的負(fù)載循環(huán)圖，選定系統(tǒng)工作壓力；再根據(jù)系統(tǒng)壓力，確定液壓缸有效工作面積A或液壓馬達(dá)的排量VM；最后根據(jù)位移―時(shí)間循環(huán)圖(或速度―時(shí)間循環(huán)圖)確定其流量。2022/10/2318第18頁，共81頁。系統(tǒng)工作壓力的確定根據(jù)液壓執(zhí)行元件的負(fù)載循環(huán)圖，可以確定系統(tǒng)的最大載荷點(diǎn)，在充分考慮系統(tǒng)所需流量、系統(tǒng)效率和性能要求等因素后，可參照表9-2或表9-3選擇系統(tǒng)工作壓力。表9-2按負(fù)載選擇系統(tǒng)工作壓力負(fù)載/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50系統(tǒng)壓力/MPa＜0.8～l1.6～22.5～33～44～5＞5～72022/10/2319第19頁，共81頁。系統(tǒng)工作壓力的確定表9-3按主機(jī)類型選擇系統(tǒng)工作壓力設(shè)備類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械汽車工業(yè)小型工程機(jī)械及輔助機(jī)械工程機(jī)械重型機(jī)械鍛壓設(shè)備液壓支架船用系統(tǒng)磨床組合機(jī)床牛頭刨床插床齒輪加工機(jī)床車床銑床鏜床珩磨機(jī)床拉床龍門刨床壓力/MPa＜2.5＜6.32.5～6.3＜1010—1616—3214—252022/10/2320第20頁，共81頁。系統(tǒng)工作壓力的確定工作壓力是確定執(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。在系統(tǒng)功率一定時(shí)，一般選用較高的工作壓力，使執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)性好。但是，若工作壓力選得過高，則會(huì)提高對元件的強(qiáng)度、剛度及密封要求和制造精度要求，不但達(dá)不到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果，反而會(huì)降低元件的容積效率、增加系統(tǒng)發(fā)熱、降低元件壽命和系統(tǒng)可靠性；反之，若工作壓力選得過低，就會(huì)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Α?022/10/2321第21頁，共81頁。執(zhí)行元件參數(shù)的確定前面初步選定的工作壓力可以認(rèn)為就是執(zhí)行元件的輸入壓力pl，然后再初步選定執(zhí)行元件的回油壓力p2(背壓)，這樣就可以確定執(zhí)行元件的參數(shù)。液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)缸徑D、活塞桿徑d和液壓馬達(dá)的排量VM的計(jì)算詳見第3章、第4章相應(yīng)計(jì)算公式。注意計(jì)算所得的數(shù)值，應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。2022/10/2322第22頁，共81頁。執(zhí)行元件流量的確定液壓缸(液壓馬達(dá))所需最大流量qmax按其實(shí)際有效工作面積A(或液壓馬達(dá)的排量VM)及所要求的最高速度vmax(或馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速nmax)來計(jì)算，即

(9.10)式中—執(zhí)行元件的容積效率。當(dāng)單桿液壓缸做差動(dòng)連接時(shí)，實(shí)際有效工作面積A＝A1－A2。液壓缸所需最小流量qmin按其實(shí)際有效工作面積A和所要求的最小速度vmin來計(jì)算，即

(9.11)上式所求得的液壓缸最小流量應(yīng)該等于或大于流量控制閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。同樣地，液壓馬達(dá)最小流量按其排量和所要求的最小轉(zhuǎn)速來計(jì)算。2022/10/2323第23頁，共81頁。執(zhí)行元件的工況圖工況圖包括壓力圖、流量圖和功率圖。壓力圖、流量圖是執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)循環(huán)中各階段的壓力與時(shí)間或壓力與位移、流量與時(shí)間或流量與位移的關(guān)系圖；功率圖則是根據(jù)壓力p與流量q計(jì)算出各循環(huán)階段所需功率，畫出功率與時(shí)間或功率與位移的關(guān)系圖。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)同時(shí)工作的執(zhí)行元件時(shí)，必須把這些執(zhí)行元件的流量圖按系統(tǒng)總的動(dòng)作循環(huán)組合成總流量圖。圖9.2所示為某液壓缸的工況圖。工況圖是選擇液壓泵和計(jì)算電機(jī)功率等的依據(jù)。利用工況圖可驗(yàn)算各工作階段所確定的參數(shù)的合理性。例如，當(dāng)多個(gè)執(zhí)行元件按各工作階段的流量或功率疊加，其最大流量或功率重合而使流量或功率分布很不均衡時(shí)，可在整機(jī)設(shè)計(jì)要求允許的條件下，適當(dāng)調(diào)整有關(guān)執(zhí)行元件的動(dòng)作時(shí)間或速度，盡量避開或減小流量、功率的最大值，以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。2022/10/2324第24頁，共81頁。執(zhí)行元件的工況圖液壓缸的壓力圖、流量圖和功率圖示例2022/10/2325第25頁，共81頁。9.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證擬定系統(tǒng)原理圖是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一步，它從工作原理和結(jié)構(gòu)組成上來具體體現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)中的各項(xiàng)要求，不需精確計(jì)算和選擇元件規(guī)格，只需選擇功能合適的元件和原理合理的基本回路組合成系統(tǒng)。一般的方法是選擇一種與本系統(tǒng)類似的成熟系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，對它進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整或改進(jìn)，使其成為具有繼承性的新系統(tǒng)。如果沒有合適的相似系統(tǒng)可借鑒，可參閱設(shè)計(jì)手冊和參考書中有關(guān)的基本回路加以綜合完善，以構(gòu)成自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖。用這種方法擬定系統(tǒng)原理圖時(shí)，包括確定系統(tǒng)類型、選擇回路和組成系統(tǒng)三方面的內(nèi)容。2022/10/2326第26頁，共81頁。選擇系統(tǒng)的類型系統(tǒng)有開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種類型。選擇系統(tǒng)的類型主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。一般來說，采用節(jié)流調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)、有較大空間放置油箱且不需另設(shè)散熱裝置的系統(tǒng)、要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)等都宜采用開式系統(tǒng)；采用容積調(diào)速的系統(tǒng)、對工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)、行走機(jī)械上的系統(tǒng)等宜采用閉式系統(tǒng)。2022/10/2327第27頁，共81頁。選擇液壓基本回路液壓基本回路是決定主機(jī)動(dòng)作和性能的基礎(chǔ)，是組成系統(tǒng)的骨架。要根據(jù)液壓系統(tǒng)所需完成的任務(wù)和工作機(jī)械對液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來選擇液壓基本回路。在擬定液壓系統(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，先確定對主機(jī)主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其他輔助回路。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；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、同步或回路隔離；有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。2022/10/2328第28頁，共81頁。選擇液壓基本回路在選擇基本回路時(shí)，首先要抓住各類機(jī)器的液壓系統(tǒng)的主要矛盾，如對變速、穩(wěn)速要求嚴(yán)格的主機(jī)，速度的調(diào)節(jié)、換接和穩(wěn)定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。對速度無嚴(yán)格要求，但對輸出力、力矩或功率調(diào)節(jié)有主要要求的機(jī)器，功率的調(diào)節(jié)和分配是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。壓力控制方式的選擇主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式。節(jié)流調(diào)速時(shí)，多采用調(diào)壓回路；容積調(diào)速或容積節(jié)流調(diào)速時(shí)，則多采用限壓回路。卸荷回路的選擇，主要由系統(tǒng)功率損失、溫升、流量與壓力的瞬時(shí)變化等因素決定。2022/10/2329第29頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的合成選定液壓基本回路后，配以輔助性回路，如鎖緊回路、平衡回路、緩沖回路、控制油路、潤滑油路、測壓油路等，就可以組成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)。合成液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：防止回路間可能存在的相互干擾；系統(tǒng)應(yīng)力求簡單，并將作用相同或相近的回路合并，避免存在多余回路；系統(tǒng)要安全可靠，要有安全、連鎖等回路，力求控制油路可靠；組成系統(tǒng)的元件要盡量少，并應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)元件；組成系統(tǒng)時(shí)還要考慮節(jié)省能源，提高效率，減少發(fā)熱，防止液壓沖擊；測壓點(diǎn)分布合理等。對可靠性要求高又不允許工作中停機(jī)的系統(tǒng)，應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)方法，即在系統(tǒng)中設(shè)置一些備用的元件和回路，以替換故障元件和回路，保證系統(tǒng)持續(xù)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。最重要的是實(shí)現(xiàn)給定任務(wù)有多種多樣的系統(tǒng)方案，因此必須進(jìn)行方案論證，對多個(gè)方案從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、成本、操作、維護(hù)等方面進(jìn)行反復(fù)對比，最后組成一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、技術(shù)先進(jìn)合理、性能優(yōu)良的液壓系統(tǒng)。2022/10/2330第30頁，共81頁。9.4計(jì)算和選擇液壓元件液壓元件的計(jì)算是指計(jì)算液壓元件在工作中承受的壓力和通過的流量，以便選擇元件的規(guī)格、型號。此外，還要計(jì)算原動(dòng)機(jī)的功率和液壓油箱的容量。選擇元件時(shí)，應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)元件。2022/10/2331第31頁，共81頁。液壓泵的確定與驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算確定液壓泵時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和流量以及系統(tǒng)對泵的性能要求來進(jìn)行。泵選定后，就可計(jì)算泵所需的電動(dòng)機(jī)功率，并根據(jù)此功率和泵所需轉(zhuǎn)速選擇相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。液壓泵的最大工作壓力pp按下式計(jì)算 (9.12)式中plmax——液壓執(zhí)行元件最大工作壓力，由壓力圖(p―t)選取最大值；——從液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和。初算時(shí)按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。寒?dāng)管路簡單，管中流速不大時(shí)，取0.2MPa～0.5MPa；當(dāng)管路復(fù)雜，管中流速較大或有調(diào)速元件時(shí)，取0.5MPa～1.5MPa。1.確定液壓泵的最大工作壓力和流量2022/10/2332第32頁，共81頁。液壓泵的確定與驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算液壓泵的流量qp按下式計(jì)算

(9.13)式中：K—考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數(shù)，一般取K＝1.1～l.3，大流量取小值，小流量取大值；

—同時(shí)工作的執(zhí)行元件的最大總流量，由流量圖(q―t)選取最大值。在選擇液壓泵時(shí)，可以參考液壓元件手冊(或3.7節(jié))，根據(jù)液壓泵最大工作壓力pp選擇液壓泵的類型，根據(jù)液壓泵的流量qp選擇液壓泵的規(guī)格。選擇液壓泵的額定壓力時(shí)應(yīng)考慮到動(dòng)態(tài)過程和制造質(zhì)量等因素，要使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備。一般泵的額定工作壓力應(yīng)比上述最大工作壓力高20%～60%，泵的額定流量則應(yīng)與系統(tǒng)所需的最大流量相適應(yīng)。2022/10/2333第33頁，共81頁。液壓泵的確定與驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算當(dāng)液壓泵在額定壓力和額定流量下工作時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率可從元件手冊中查到。此外也可根據(jù)具體工況計(jì)算。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)與泵的轉(zhuǎn)速匹配。在工作循環(huán)中，當(dāng)液壓泵的壓力和功率變化較小時(shí)，液壓泵所需的驅(qū)動(dòng)功率為

(9.14)式中ηp——液壓泵的總效率，齒輪泵＝0.6～0.8，葉片泵＝0.7～0.8，柱塞泵＝0.8～0.85。具體數(shù)值可參閱產(chǎn)品樣本。限壓式變量葉片泵的驅(qū)動(dòng)功率可按泵的實(shí)際流量壓力特性曲線拐點(diǎn)處的功率來計(jì)算。2.確定原動(dòng)機(jī)的功率2022/10/2334第34頁，共81頁。液壓泵的確定與驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算在工作循環(huán)過程中，當(dāng)液壓泵的壓力和功率變化較大時(shí)，液壓泵所需的驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)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，然后求其均方根值即可

(9.15)式中Pi，ti——在整個(gè)工作循環(huán)中，第i個(gè)工作階段所需的功率及所需的時(shí)間。在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)將求得的功率值與各工作階段的最大功率值比較，若電動(dòng)機(jī)的超載量在允許范圍之內(nèi)(一般允許短時(shí)超載25%)，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)。2022/10/2335第35頁，共81頁。液壓控制閥的選擇閥類元件的規(guī)格應(yīng)按閥所在回路的最大工作壓力和通過該閥的最大流量從產(chǎn)品樣本中選定。選用閥類元件時(shí)應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)形式、特性、壓力等級、連接方式、集成方式及操縱方式等。在選擇壓力控制閥時(shí)，應(yīng)考慮壓力閥的壓力調(diào)節(jié)范圍、流量變化范圍、所要求的壓力靈敏度和平穩(wěn)性等。特別是溢流閥的額定流量必須滿足液壓泵最大流量的要求。在選擇流量控制閥時(shí)，應(yīng)考慮流量閥的流量調(diào)節(jié)范圍、流量―壓力特性、最小穩(wěn)定流量、壓力補(bǔ)償要求或溫度補(bǔ)償要求，對油液過濾精度的要求，閥進(jìn)、出口壓差大小及閥內(nèi)泄漏量的大小等。在選擇方向控制閥時(shí)，應(yīng)考慮方向閥的換向頻率、響應(yīng)時(shí)間、操縱方式、滑閥機(jī)能、閥口壓力損失及閥內(nèi)泄漏量的大小等。對于單桿液壓缸系統(tǒng)，若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作用面積的幾倍，當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，則回油流量為進(jìn)油流量的幾倍，此時(shí)，應(yīng)以幾倍的流量來選擇方向控制閥。通過各類閥件的實(shí)際流量最多不應(yīng)超過其額定值的120%。2022/10/2336第36頁，共81頁。液壓輔件的計(jì)算與選擇管道的尺寸取決于需要通過的最大流量和管中允許流速。(1)管內(nèi)油液的推薦流速參照第2章表2.6確定管內(nèi)油液的推薦流速。(2)管道內(nèi)徑的計(jì)算 (9.16)式中d——管道內(nèi)徑；

q——通過管道油液的流量；

v——管內(nèi)油液的流速，按推薦流速選取。1.確定管道尺寸2022/10/2337第37頁，共81頁。液壓輔件的計(jì)算與選擇(3)管道壁厚的計(jì)算

式中——金屬管壁厚；

d——管道內(nèi)徑；

p——工作壓力；[]——許用應(yīng)力，對于鋼管，，為抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，當(dāng)p在7MPa～17.5MPa之間時(shí)，取n＝6；當(dāng)p＞17.5MPa時(shí)，取n＝4；對于銅管，取[]≤25MPa。計(jì)算出管道內(nèi)徑和壁厚之后，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)規(guī)格的油管。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，管道通常按選定液壓元件油口的大小及管接頭尺寸來確定其尺寸。(9.17)2022/10/2338第38頁，共81頁。液壓輔件的計(jì)算與選擇液壓系統(tǒng)的散熱主要依靠油箱，油箱越大，散熱越快，但占地面積也越大；油箱小，則油溫較高。初始設(shè)計(jì)時(shí)，油箱容量可按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定。

(9.18)式中——液壓泵每分鐘排出的液體體積(m3)；

——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓系統(tǒng)取2～4，中壓系統(tǒng)取5～7，高壓系統(tǒng)取6～12，行走機(jī)械取1～2。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)按散熱或溫升要求驗(yàn)算油箱容積。濾油器、畜能器和冷卻器的選擇可參閱液壓設(shè)計(jì)手冊。2.確定油箱容量2022/10/2339第39頁，共81頁。9.5液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，就需要對它的技術(shù)性能進(jìn)行驗(yàn)算，以便判斷設(shè)計(jì)質(zhì)量。液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算主要是計(jì)算系統(tǒng)壓力損失、調(diào)整壓力、泄漏量、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)溫升、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等。這里只介紹系統(tǒng)壓力損失和溫升的驗(yàn)算，其他驗(yàn)算可參閱液壓設(shè)計(jì)手冊。2022/10/2340第40頁，共81頁。液壓系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算在選定了液壓元件的規(guī)格及管道、濾油器等輔件，確定了安裝方式，繪制出管路安裝圖之后，就可以對管路系統(tǒng)的總壓力損失進(jìn)行驗(yàn)算?？倝毫p失包括管道的沿程壓力損失、局部壓力損失和各種液壓控制閥的局部壓力損失?？倝毫p失的計(jì)算請參閱第2章。驗(yàn)算壓力損失的目的之一是為了正確確定系統(tǒng)的調(diào)整壓力，即系統(tǒng)溢流閥的調(diào)整壓力，以便指導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力已確定時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)整壓力可根據(jù)管路中的壓力損失進(jìn)行計(jì)算。各種閥類元件的局部壓力損失可從產(chǎn)品樣本中查出。液壓泵應(yīng)有一定的壓力儲(chǔ)備量，如果計(jì)算出的系統(tǒng)調(diào)整壓力大于液壓泵額定壓力的75%，則應(yīng)該重新選擇元件規(guī)格和管道尺寸以減小壓力損失，或者另選額定壓力較高的液壓泵。2022/10/2341第41頁，共81頁。液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗(yàn)算液壓系統(tǒng)中各種能量損失都轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。在系統(tǒng)連續(xù)工作一段時(shí)間后，當(dāng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量和散發(fā)到空氣中的熱量平衡時(shí)，系統(tǒng)油溫不再升高，此時(shí)的油溫應(yīng)不超過允許值。油溫超過允許值時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施或修改液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1．液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)發(fā)熱的原因主要來自于液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失、管道的壓力損失及溢流閥的溢流損失。管道的發(fā)熱較少，與它自身的散熱基本平衡，可以忽略不計(jì)。

2022/10/2342第42頁，共81頁。1．液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率(1)液壓泵的損失功率式中Ppi—各液壓泵的輸入功率；ti——各液壓泵的運(yùn)行時(shí)間；

T——工作周期；

n——液壓泵數(shù)量。(9.19)—各液壓泵的總效率；2022/10/2343第43頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率(2)液壓執(zhí)行元件的損失功率

(9.20)式中P2j——各執(zhí)行元件的輸入功率；——各執(zhí)行元件的總效率；tj——各執(zhí)行元件的運(yùn)行時(shí)間；m——執(zhí)行元件數(shù)量。2022/10/2344第44頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率(3)溢流閥的損失功率式中——各溢流閥的調(diào)整壓力；——各溢流閥的溢流量；

k——溢流閥數(shù)量。(9.21)(4)節(jié)流功率損失(9.22)式中——各流量閥進(jìn)出口壓差；——通過各流量閥的流量；k——流量閥數(shù)量。2022/10/2345第45頁，共81頁。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率(5)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率也可以用下面的公式進(jìn)行估算式中Pi——各液壓泵輸入的總功率；Po——各執(zhí)行元件輸出的總功率；(9.23)或——系統(tǒng)效率，包括泵效率、回路效率和執(zhí)行元件效率。(9.24)2022/10/2346第46頁，共81頁。2．液壓系統(tǒng)的散熱功率液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量由系統(tǒng)中的各散熱面散發(fā)到空氣中去，其中油箱是最主要的散熱面。當(dāng)只考慮油箱的散熱時(shí)，則液壓系統(tǒng)的散熱功率為(9.25)式中——油箱溫度與環(huán)境溫度之差(℃)A——油箱散熱面積(m2)；K——散熱系數(shù)(W/m2·℃)，其值按表9-4選擇。表9-4散熱系數(shù)及值散熱條件通風(fēng)較差通風(fēng)良好風(fēng)扇冷卻循環(huán)水冷卻散熱系數(shù)8～915～17.523110～1752022/10/2347第47頁，共81頁。3．系統(tǒng)溫升計(jì)算當(dāng)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率ΔP與油箱的散熱功率Pc相等時(shí)，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)溫升為(9.26)按上式計(jì)算出的溫升不應(yīng)超過允許的溫升值。一般機(jī)床液壓系統(tǒng)取≤25℃～30℃。一般低、中壓系統(tǒng)正常工作油溫為30℃～55℃左右，最高不允許超過70℃；高壓系統(tǒng)正常工作油溫為50℃～80℃左右，最高不允許超過90℃，可取≤35℃～40℃。2022/10/2348第48頁，共81頁。9.6繪制正式工作圖、編制技術(shù)文件液壓系統(tǒng)裝配圖是液壓系統(tǒng)的安裝施工圖，一般包括正式的液壓系統(tǒng)原理圖、液壓站裝配圖(包括油箱裝配圖、液壓泵機(jī)架、集成塊裝配圖等)、液壓裝置的總體結(jié)構(gòu)圖、管路布置圖以及各種非標(biāo)準(zhǔn)元件的和零件圖等。在管路安裝圖中應(yīng)畫出各油管的走向、固定裝置結(jié)構(gòu)、各種管接頭的形式、規(guī)格等。2022/10/2349第49頁，共81頁。繪制液壓系統(tǒng)原理圖的要求繪制液壓系統(tǒng)原理圖的要求如下：(1)液壓系統(tǒng)原理圖應(yīng)按系統(tǒng)不工作狀態(tài)時(shí)畫出；(2)所有元件均按國家標(biāo)準(zhǔn)圖形符號繪制；(3)序號欄中應(yīng)標(biāo)明液壓元件的名稱、規(guī)格、型號和調(diào)整值；(4)在執(zhí)行元件的上方應(yīng)繪出動(dòng)作循環(huán)示意圖。復(fù)雜的系統(tǒng)，按各執(zhí)行元件的動(dòng)作程序繪制動(dòng)作循環(huán)圖和電磁鐵、壓力繼電器、行程開關(guān)的動(dòng)作程序表。2022/10/2350第50頁，共81頁。液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在液壓系統(tǒng)原理圖確定之后，可根據(jù)所選擇的液壓元件、輔助元件進(jìn)行液壓裝置的設(shè)計(jì)。這時(shí)，須對液壓裝置的總體結(jié)構(gòu)形式、液壓元件的配置形式做出選擇。在通常情況下，液壓裝置可以設(shè)計(jì)成集中式和分散式兩種形式。集中式結(jié)構(gòu)是將液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源、控制閥組等獨(dú)立設(shè)置于主機(jī)之外，組成液壓泵站。其優(yōu)點(diǎn)是：安裝維修方便，油源的振動(dòng)、發(fā)熱不會(huì)影響主機(jī)，但占地面積較大。分散式結(jié)構(gòu)是將液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源、控制閥組等分別安裝在設(shè)備的適當(dāng)位置。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，但安裝維修困難，系統(tǒng)的振動(dòng)、發(fā)熱對主機(jī)性能有一定影響。1.液壓裝置的結(jié)構(gòu)形式2022/10/2351第51頁，共81頁。液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液壓閥可以采用油路板式配置與集成式配置兩種形式。板式配置是將板式元件及其底板固定在連接底板上，用油管連接成液壓系統(tǒng)，如右圖（圖9.3）所示。2.液壓控制閥的配置形式2022/10/2352第52頁，共81頁。液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成式配置主要有集成塊式和疊加閥式兩種形式。集成塊式配置是用標(biāo)準(zhǔn)回路集成塊或自行設(shè)計(jì)的典型回路集成塊組合成各種液壓系統(tǒng)。集成塊是一塊通用化的六面體，四周除一面裝通向執(zhí)行元件的管接頭之外，其余三面用于安裝閥類元件，塊內(nèi)由鉆孔形成油路，通常一個(gè)塊就是一個(gè)典型基本回路。一個(gè)液壓系統(tǒng)往往由幾個(gè)集成塊組成，塊的上下兩面作為塊與塊之間的結(jié)合面，各集成油路塊與頂蓋、底板一起用長螺栓疊裝起來，即組成整個(gè)液壓系統(tǒng)?？傔M(jìn)油口開在底板上通過集成塊的公共孔道直接通頂蓋。集成式配置2022/10/2353第53頁，共81頁。液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)疊加閥式配置則是用疊加閥疊加成各種液壓回路和系統(tǒng)。疊加閥與一般管式、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。它是自成系列的新型元件，每個(gè)疊加閥既起控制閥的作用，又起通道的作用。因此，疊加閥式配置不需要另外的連接塊，只需用長螺栓直接將各疊加閥疊裝在底板上，即可組成所需的液壓系統(tǒng)。集成式配置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，節(jié)省管件，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，減小了泄漏，提高了系統(tǒng)的工作可靠性，因而得到了廣泛應(yīng)用。圖9.4所示是集成塊式配置的外觀圖。除此以外還有管式連接，這種連接形式多用于工程機(jī)械等，在此不再贅敘2022/10/2354第54頁，共81頁。液壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖9.4液壓元件的集成塊式配置2022/10/2355第55頁，共81頁。編制技術(shù)文件液壓系統(tǒng)的技術(shù)文件主要包括：設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、液壓設(shè)備操作使用說明書(其中應(yīng)有液壓系統(tǒng)原理圖)、零部件目錄表、標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和外購件總表等。2022/10/2356第56頁，共81頁。9.7液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例本節(jié)介紹某工廠汽缸加工自動(dòng)線上的一臺(tái)臥式單面多軸鉆孔組合機(jī)床液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。已知：該鉆孔組合機(jī)床主軸箱上有16根主軸，加工14個(gè)13.9mm的孔和兩個(gè)8.5mm的孔；刀具為高速鋼鉆頭，工件材料是硬度為240HB的鑄鐵件；機(jī)床工作部件總重量為G＝9810N；快進(jìn)、快退速度981為v1＝v3＝7ｍ/min，快進(jìn)行程長度為l1＝100mm，工進(jìn)行程長度為l2＝50mm，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速、減速時(shí)間希望不超過0.2s；動(dòng)力滑臺(tái)采用平導(dǎo)軌，其靜摩擦系數(shù)為fs＝0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為fd＝0.1；液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件使用液壓缸。要求設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)它的動(dòng)力滑臺(tái)的液壓系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)“快進(jìn)→工進(jìn)→快退→原位停止”的工作循環(huán)。下面是該液壓系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程。2022/10/2357第57頁，共81頁。負(fù)載分析由切削原理可知，高速鋼鉆頭鉆鑄鐵孔時(shí)的軸向切削力Fｔ與鉆頭直徑D(mm)、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量s(mm/r)和鑄件硬度HB之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為(N)1.工作負(fù)載(9.27)根據(jù)組合機(jī)床加工的特點(diǎn)，鉆孔時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速n和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量s可選用下列數(shù)值。對13.9mm的孔來說，n1＝360r/min，s1＝0.147mm/r。對8.5mm的孔來說，n2＝550r/min，s2＝0.096mm/r。利用式(9.27)，求得2022/10/2358第58頁，共81頁。負(fù)載分析2.慣性負(fù)載(N)3.阻力負(fù)載靜摩擦阻力 動(dòng)摩擦阻力 液壓缸的機(jī)械效率取ηm=0.9，由此得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載如表9-5所示。(N)(N)2022/10/2359第59頁，共81頁。負(fù)載分析表9-5液壓缸在各工作階段的負(fù)載值工況負(fù)載組成負(fù)載值F/N推力/N起動(dòng)F＝Ffs19622180加速F＝Ffd

＋Fm15641500快進(jìn)F＝Ffd9811090工進(jìn)F＝Ffd

＋Ft3144934943快退F＝Ffd98110902022/10/2360第60頁，共81頁。負(fù)載分析已知快進(jìn)行程l1＝100mm、工進(jìn)行程l2＝50mm、快退行程l3＝l1＋l2＝150mm。負(fù)載圖按上面計(jì)算的數(shù)值繪制，如圖9.5(a)所示。速度圖則按已知數(shù)值v1＝v3＝7ｍ/min和工進(jìn)速度v2等繪制，如圖9.5(b)所示。其中v2由主軸轉(zhuǎn)速及每轉(zhuǎn)進(jìn)給量求出，即v2＝n1s1＝n2s2≈0.053m/min。4.負(fù)載圖和速度圖的繪制(a)負(fù)載圖(b)速度圖2022/10/2361第61頁，共81頁。液壓缸主要參數(shù)的確定由表9-2(按負(fù)載選定工作壓力)及表9-3(按主機(jī)類型選擇系統(tǒng)壓力)可知，組合機(jī)床液壓系統(tǒng)在最大負(fù)載約為35000N時(shí)宜取p1＝4MPa。鑒于動(dòng)力滑臺(tái)要求快進(jìn)、快退速度相等，這里的液壓缸可選用單桿式的，并在快進(jìn)時(shí)做差動(dòng)連接。在這種情況下，液壓缸無桿腔工作面積Ａ1應(yīng)取為有桿腔工作面積Ａ2的兩倍，即活塞桿直徑d與缸筒直徑Ｄ的關(guān)系為d＝0.707Ｄ。在鉆孔加工時(shí)，液壓缸回油路上必須具有背壓p2，以防孔被鉆通時(shí)滑臺(tái)突然前沖。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取p2＝0.8MPa?？爝M(jìn)時(shí)液壓缸雖做差動(dòng)連接，但由于油管中有壓差Δp存在，有桿腔的壓力必須大于無桿腔，估算時(shí)可取Δp≈0.5MPa?？焱藭r(shí)回油腔中也是有背壓的，這時(shí)p2亦可按0.5MPa估算。2022/10/2362第62頁，共81頁。液壓缸主要參數(shù)的確定由工進(jìn)時(shí)的推力計(jì)算液壓缸面積故有(m)(m)按GB/T2348—1993將這些直徑圓整成標(biāo)準(zhǔn)值，為D＝110mm，d＝80mm。由此求得液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積為(m2)(m2)經(jīng)驗(yàn)算，活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合要求。根據(jù)上述D與d的值可估算液壓缸在各個(gè)工作階段中的壓力、流量和功率，如表9-6所示，并據(jù)此繪出工況圖如圖9.6所示。2022/10/2363第63頁，共81頁。液壓缸主要參數(shù)的確定工況負(fù)載F/N

回油腔壓力進(jìn)油腔壓力輸入流量輸入功率P/kW計(jì)算式快進(jìn)(差動(dòng))啟動(dòng)2.1800.434—

—

回速1.7380.791—

—

恒速1.0900.66235.190.39工進(jìn)34.9430.84.0540.50.34快退啟動(dòng)2.1800.487—

—

回速1.7380.51.45—

—

恒速1.0901.30531.340.682022/10/2364第64頁，共81頁。液壓缸主要參數(shù)的確定圖9.6組合機(jī)床液壓缸工況圖2022/10/2365第65頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂首先選擇調(diào)速回路。由圖9.6中的一些曲線得知，這臺(tái)機(jī)床液壓系統(tǒng)的功率小，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載變化小，可采用進(jìn)口節(jié)流的調(diào)速形式。為了解決進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路在孔鉆通時(shí)的滑臺(tái)突然前沖現(xiàn)象，回油路上要設(shè)置背壓閥。由于液壓系統(tǒng)選用了節(jié)流調(diào)速的方式，系統(tǒng)中油液的循環(huán)必然是開式的。從工況圖中可以清楚地看到，在這個(gè)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸交替地要求油源提供低壓大流量和高壓小流量的油液。最大流量與最小流量之比約為70，而快進(jìn)、快退所需的時(shí)間比工進(jìn)所需的時(shí)間少得多。因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量的角度來看，采用單個(gè)定量泵作為油源顯然是不合理的，宜采用雙泵供油系統(tǒng)，或者采用限壓式變量泵加調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。這里決定采用雙泵供油回路，如圖9.7(a)所示。1.液壓回路的選擇2022/10/2366第66頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂其次是選擇快速運(yùn)動(dòng)和換向回路。系統(tǒng)中采用節(jié)流調(diào)速回路后，不管采用什么油源形式都必須有單獨(dú)的油路直接通向液壓缸兩腔，以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，單桿液壓缸要作差動(dòng)連接；而且當(dāng)滑臺(tái)由工進(jìn)轉(zhuǎn)為快退時(shí)，回路中通過的流量很大：進(jìn)油路中通過的流量為31.34Ｌ/min，回油路中通過的流量為31.34×(95/44.77)＝66.50Ｌ/min。為了保證換向平穩(wěn)起見，采用電液換向閥式換接回路，所以它的快進(jìn)、快退換向回路應(yīng)采用圖9.7(b)所示的形式。由于這一回路要實(shí)現(xiàn)液壓缸的差動(dòng)連接，換向閥必須是五通的。再次是選擇速度換接回路。由工況圖9.6中的q―l曲線可知，當(dāng)滑臺(tái)從快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)時(shí)，輸入液壓缸的流量由35.19Ｌ/min降為0.5Ｌ/min，滑臺(tái)的速度變化較大，宜選用行程閥來控制速度的換接，以減少液壓沖擊，如圖9.7(c)所示。2022/10/2367第67頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂(a)泵源(b)換向回路(c)速度換接回路圖9.7液壓回路的選擇2022/10/2368第68頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂把上面選擇的各種回路組合畫在一起就可以得到圖9.8所示的、未設(shè)置虛線圓框內(nèi)元件時(shí)的系統(tǒng)原理圖。將此圖仔細(xì)檢查一遍，可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)原理圖在工作中還存在問題，必須進(jìn)行如下的修改和整理：2.液壓回路的綜合2022/10/2369第69頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂1—雙聯(lián)葉片泵1A—小流量泵1B—大流量泵2—換向閥3—行程閥4—調(diào)速閥5—單向閥

6—液壓缸7—卸荷閥8—背壓閥9—溢流閥10—單向閥11—過濾器12—壓力表開關(guān)

a—單向閥b—順序閥c—單向閥d—壓力繼電器圖9.8液壓回路的綜合2022/10/2370第70頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂(1)為了解決滑臺(tái)工進(jìn)時(shí)圖中進(jìn)油路、回油路相互接通，無法建立壓力的問題，必須在液動(dòng)換向回路中串接一個(gè)單向閥a，將工進(jìn)時(shí)的進(jìn)油路、回油路隔斷。(2)為了解決滑臺(tái)快速前進(jìn)時(shí)回油路接通油箱，無法實(shí)現(xiàn)液壓缸差動(dòng)連接的問題，必須在回油路上串接一個(gè)液控順序閥b，以阻止油液在快進(jìn)階段返回油箱。(3)為了解決機(jī)床停止工作時(shí)系統(tǒng)中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)，影響滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問題，另外考慮到電液換向閥的啟動(dòng)問題，必須在電液換向閥的出口處增設(shè)一個(gè)單向閥c。在泵卸荷時(shí)，使電液換向閥的控制油路中保持一個(gè)滿足換向要求的壓力。(4)為了便于系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出快速退回信號，在調(diào)速閥輸出端需增設(shè)一個(gè)壓力繼電器d。(5)如果將順序閥b和背壓閥的位置對調(diào)一下，就可以將順序閥與油源處的卸荷閥合并。經(jīng)過修改、整理后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖9.9所示。2022/10/2371第71頁，共81頁。液壓系統(tǒng)圖的擬訂圖9.9液壓回路的綜合和整理1—雙聯(lián)葉片泵2—換向閥3—行程閥4—調(diào)速閥5—單向閥6—單向閥7—順序閥

8—背壓閥9—溢流閥10—單向閥11—過濾器12—壓力表開關(guān)

13—單向閥14—壓力繼電器2022/10/2372第72頁，共81頁。液壓元件的選擇液壓缸在整個(gè)工作循環(huán)中的最大工作壓力為4.054MPa，如取進(jìn)油路上的壓力損失為0.8MPa，壓力繼電器調(diào)整壓力高出系統(tǒng)最大工作壓力之值為0.5MPa，則小流量泵的最大工作壓力應(yīng)為1.液壓泵(MPa)大流量泵是在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)才向液壓缸輸油的，由圖9.6可知，快退時(shí)液壓缸中的工作壓力比快進(jìn)時(shí)大，如取進(jìn)油路上的壓力損失為0.5MPa，則大流量泵的最高工作壓力為(MPa)兩個(gè)液壓泵應(yīng)向液壓缸提供的最大流量為35.19Ｌ/min(見圖9.6)。若回路中的泄漏按液壓缸輸入流量的10%估計(jì)，則兩個(gè)泵的總流量為(Ｌ/min)2022/10/2373第73頁，共81頁。液壓元件的選擇由于溢流閥的最小穩(wěn)定溢流量為3Ｌ/min，而工進(jìn)時(shí)輸入流壓缸的流量為0.5Ｌ/min，所以小流量泵的流量規(guī)格最少應(yīng)為3.5Ｌ/min。根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品目錄，最后確定選取PV2R12型雙聯(lián)葉片泵。由于液壓缸在快退時(shí)輸入功率最大