液壓與氣壓傳動第4版含1CD 教學課件 左健民 主編 第9章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算

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或者直接輸入下面地址：液壓與氣壓傳動(第4版)第九章液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一局部，在目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計主要還是經(jīng)驗法，即使使用計算機輔助設(shè)計，也是在專家的經(jīng)驗指導(dǎo)下進行的。因而就其設(shè)計步驟而言，往往隨設(shè)計的實際情況，設(shè)計者的經(jīng)驗不同而各有差異，但是，從總體上看，其根本內(nèi)容是一致的，具體為：1)明確設(shè)計要求、進行工況分析〔第一節(jié)〕2)擬定液壓系統(tǒng)原理圖〔第二節(jié)〕3)液壓元件的計算和選擇〔第三節(jié)〕4)液壓系統(tǒng)的性能驗算〔第四節(jié)〕5)繪制工作圖和編制技術(shù)文件〔第五節(jié)〕第一節(jié)明確設(shè)計要求、進行工況分析

一.明確設(shè)計要求設(shè)計要求是做任何設(shè)計的依據(jù)。液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計通常要考慮以下幾方面的問題：

〔一〕了解主機的根本情況

液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計通常是主機設(shè)計的一局部，設(shè)計要求主要是由主機根據(jù)工藝過程提出的。因此要了解以下根本情況：

主機的工藝流程、作業(yè)環(huán)境和主要技術(shù)參數(shù)；

主機的總體布局和對液壓系統(tǒng)在空間尺寸上的限制。

〔二〕明確液壓系統(tǒng)的任務(wù)與要求

液壓系統(tǒng)應(yīng)該完成的運動方式〔移動、轉(zhuǎn)動或擺動〕；

液壓執(zhí)行元件承受負載的大小和性質(zhì)、運動速度的大小和變化范圍；

液壓執(zhí)行元件的動作順序和聯(lián)鎖關(guān)系，各動作的同步要求；

液壓系統(tǒng)的自動化程度、運動平穩(wěn)性、定位精度、工作效率、平安性和可維護性等；

液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境〔如環(huán)境的溫度、濕度、塵埃和外界振動等〕；

液壓系統(tǒng)的本錢核算。

二.工況分析

這里所指的工況分析主要指對液壓執(zhí)行元件的工作情況的分析，分析的目的式了解再工作過程中執(zhí)行元件的速度、負載變化的規(guī)律，并將此規(guī)律用曲線表示出來，作為擬定液壓系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)主要參數(shù)〔壓力和流量〕的依據(jù)。假設(shè)液壓執(zhí)行元件動作比較簡單，也可不作圖，只需找出最大負載和最大速度即可。1.運動分析按設(shè)備的工藝要求，把所研究的執(zhí)行元件在完成一個工作循環(huán)時的運動規(guī)律用圖表示出來，這個圖稱為速度圖?，F(xiàn)以右圖所示的液壓缸驅(qū)動的組合機床滑臺為例說明，圖a是機床的動作循環(huán)圖，由圖可見，工作循環(huán)為快進→工進→快退；圖b是完成一個工作循環(huán)的速度——位移曲線，即速度圖。

2.負載分析前圖c所示是該組合機床的負載圖，這個圖是按設(shè)備的工藝要求，把執(zhí)行元件在各階段的負載用曲線表示出來，由此圖可直觀地看出在運動過程中何時受力最大，何時最小等各種情況，以此作為以后的設(shè)計依據(jù)?，F(xiàn)具體分析液壓缸所承受的負載，液壓缸驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行直線往復(fù)運動時，所受到的外負載為

F=FL+Ff+Fa〔9－1〕

〔1〕工作負載FL工作負載與設(shè)備的工作情況有關(guān)，在機床上，與運動的方向同軸的切削力的分量是工作負載，而對于提升機、千斤頂?shù)葋碚f所移動的物體的重量就是工作負載，工作負載可以是定量，也可以是變量，可以是正值，也可是負值，有時還可以是交變的。

〔2〕摩擦阻力負載Ff摩擦阻力是指運動部件與支承面間的摩擦力，它與支承面的形狀、放置情況、潤滑條件以及運動狀態(tài)有關(guān)Ff=fFN〔9－2〕式中FN為運動部件及外負載對支承面的正壓力；f為摩擦系數(shù)，分為靜摩擦系數(shù)〔fs≤0.2~0.3〕和動摩擦系數(shù)〔fd≤0.05~0.1〕。〔3〕慣性負載Fa慣性負載式運動部件的速度變化時，由其慣性而產(chǎn)生的負載，可用牛頓第二定律計算Fa=ma=G△v/g△t〔9－3〕式中m為運動部件的質(zhì)量〔kg〕；a為運動部件的加速度〔m/s^2〕；G為運動部件的重力〔N〕；g為重力加速度〔m/s^2〕；△v為速度的變化量m/s〕；△t為速度變化所需的時間〔s〕。除此以外，液壓缸的受力還有密封阻力〔一般用效率η＝0.85~0.95來表示〕，背壓力〔可在最后計算時確定〕等。假設(shè)執(zhí)行機構(gòu)為液壓馬達，其負載力矩計算方法與液壓缸相類似。3.執(zhí)行元件的參數(shù)確定〔1〕選定工作壓力當負載確定后，工作壓力就決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和合理性。假設(shè)工作壓力低，那么執(zhí)行元件的尺寸就大，重量也大，完成給定速度所需的流量也大；假設(shè)壓力過高，那么密封要求就高，元件的制造精度也就更高，容積效率也就會降低。所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取適當?shù)墓ぷ鲏毫?。?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負載值或主機設(shè)備類型選取，見表9－1和表9－2。表9－1按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力表9－2各類液壓設(shè)備常用工作壓力

負載

F/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50

工作壓力

p/MPa＜0.8~1.01.5~2.02.5~3.03.0~4.04.0~5.0＞5.0~7.0

設(shè)備類型

粗加工機床半精加工機床粗加工或重型機床農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械液壓壓力機、重型機械大中型挖掘機械、起重運輸機械工作壓力p/MPa0.8~2.03.0~5.05.0~10.010.0~16.020.0~32.0〔2〕確定執(zhí)行元件的幾何參數(shù)對于液壓缸來說，它的幾何參數(shù)就是有效工作面積A，對液壓馬達來說就是排量V。液壓缸有效工作面積可由下式求得A＝F/ηomp〔9－4〕式中F為液壓缸上的外負載〔N〕；ηom為液壓缸的機械效率；p為液壓缸的工作壓力〔Pa〕；A即為所求液壓缸的有效工作面積〔m^2〕。這樣計算出來的工作面積還必須按液壓缸所求的最低穩(wěn)定速度vmin來驗算，即A≥qmin/vmin〔9－5〕式中qmin為流量閥最小穩(wěn)定流量。假設(shè)執(zhí)行元件為液壓馬達，那么其排量的計算式為V＝2πT/pηMm〔9－6〕式中T為液壓馬達的總負載轉(zhuǎn)矩〔N·m〕；ηMm為液壓馬達的機械效率；p為液壓馬達的工作壓力〔Pa〕；V為所求液壓馬達的排量〔m^3/r〕。同樣，上式所求的排量也必須滿足液壓馬達最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nmin的要求，即V≥qmin/nmin〔9－7〕式中qmin指能輸入液壓馬達的最低穩(wěn)定流量。排量確定后，可從產(chǎn)品檢本中選擇液壓馬達的型號。

〔3〕執(zhí)行元件最大流量確實定對于液壓缸，它所需的最大流量qmax就等于液壓缸有效工作面積A與液壓缸最大移動速度vmax的乘積，即qmax＝Avmax〔9－8〕對于液壓馬達，它所需的最大流量qmax應(yīng)為馬達的排量V與其最大轉(zhuǎn)數(shù)nmax的乘積，即qmax＝Vnmax〔9－9〕

4.繪制液壓執(zhí)行元件的工況圖〔1〕工況圖的繪制按照上面所確定的液壓執(zhí)行元件的工作面積〔或排量〕和工作循環(huán)中各階段的負載〔或負載轉(zhuǎn)矩〕，即可繪制壓力圖；根據(jù)執(zhí)行元件的工作面積〔或排量〕以及工作循環(huán)中各階段所要求的運動速度〔或轉(zhuǎn)速〕，即可繪制流量圖；根據(jù)所繪制的壓力圖和流量圖，即可計算出各階段所需的功率，繪制出功率圖。

〔2〕工況圖的作用從工況圖上可以直觀地、方便地找出最大工作壓力、最大流量和最大功率，根據(jù)這些參數(shù)即可選擇液壓泵及其驅(qū)動電動機，同時對系統(tǒng)中所有液壓元件地選擇也具有指導(dǎo)意義，通過分析工況圖，有助于設(shè)計者選擇合理的根本回路，例如：在工況圖上可觀察到最大流量維持時間，如這個時間較短那么不宜選用一個大流量的定量泵供油，而可選用變量泵或者采用泵和蓄能器聯(lián)合供油的方式。另一方面，利用工況圖可以對各階段的參數(shù)進行鑒定，分析其合理性，在必要時還可進行調(diào)整。例如，假設(shè)在工況圖中看出各階段所需的功率相差較大，為了提高功率應(yīng)用的合理性，使得功率分配比較均衡，那么可在工藝允許的條件下對其進行適當調(diào)整，使系統(tǒng)所需的最大功率值有所降低。第二節(jié)擬定液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)圖是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一環(huán)，它的好壞從根本上影響整個液壓系統(tǒng)。擬定液壓系統(tǒng)原理圖所需的知識面較廣，要綜合應(yīng)用前面的各章內(nèi)容，一般的方法是：先根據(jù)具體的動作性能要求選擇液壓根本回路，然后將根本回路加上必要的措施有機地組合成一個完整地液壓系統(tǒng)，擬定液壓系統(tǒng)圖時，應(yīng)考慮以下幾個方面地問題：一.所用液壓執(zhí)行元件的類型二.液壓回路的選擇三.液壓回路的綜合一.所用液壓執(zhí)行元件的類型

由第三章所述內(nèi)容可知，液壓執(zhí)行元件有提供往復(fù)直線運動的液壓缸，提供往復(fù)擺動的擺動缸和提供連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，可按設(shè)備所要求的運動情況來選擇，在選擇時還應(yīng)比較、分析、以求設(shè)計的整體效果最正確。例如，系統(tǒng)假設(shè)需要輸出往復(fù)擺動運動，要實現(xiàn)這個運動，既可采用擺動缸又可使用齒條式液壓缸，也可以使用直線往復(fù)式液壓缸和滑輪鋼絲繩傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。因此要根據(jù)實際情況進行比較，分析，綜合考慮作出選擇。又如，在設(shè)備的工作行程比較長時，為了提高其傳動剛性，常采用液壓馬達通過絲桿螺母機構(gòu)來實現(xiàn)往復(fù)直線運動。此類實例很多，設(shè)計時應(yīng)靈活應(yīng)用。在實際設(shè)計中，液壓執(zhí)行元件的選用往往還受到使用范圍的大小和使用習慣的限制。

二.液壓回路的選擇

在確定了液壓執(zhí)行元件后，要根據(jù)設(shè)備的工作特點和性能要求，首先確定對主機的只要性能起決定性影響的主要回路。例如機床液壓系統(tǒng)、調(diào)速和速度換接是主要回路；壓力機液壓系統(tǒng)，調(diào)壓回路是主要回路等。然后再考慮其它輔助回路，例如有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路，有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動作，同步和防干擾回路等。同時也要考慮節(jié)省能源，減少發(fā)熱，減少沖擊，保證動作精度等問題。

三.液壓回路的綜合液壓回路的綜合是把選出來的各種液壓回路放再一起,進行歸并、整理、再增加一些必要的元件或輔助油路，使之成為完整的液壓傳動系統(tǒng)，進行這項工作時還必須注意以下幾點：〔1〕盡可能省去不必要的元件，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?！?〕最終綜合出來的液壓系統(tǒng)應(yīng)保證其工作循環(huán)中的每個動作都平安可靠，無相互干擾?！?〕盡可能提高系統(tǒng)的效率，防止系統(tǒng)過熱?！?〕盡可能使系統(tǒng)經(jīng)濟合理，便于維修檢測?！?〕盡可能采用標準元件，減少自行設(shè)計的專用件。第三節(jié)液壓元件的計算和選擇

所謂液壓元件的計算，是要計算該元件在工作中承受的壓力和通過的流量，以便確定元件的規(guī)格和型號。一般要計算和選擇的液壓元件有以下幾類：

一.動力元件的選擇

二.執(zhí)行元件的選擇

三.控制元件的選擇

四.輔助元件的選擇一.動力元件的選擇

液壓泵是液壓系統(tǒng)中的動力元件。選擇液壓泵時要考慮系統(tǒng)工況和液壓泵主要參數(shù)—壓力和流量。1.確定液壓泵的最高工作壓力Pp液壓泵的最高工作壓力就是在系統(tǒng)正常工作時泵所能提供的最高壓力，對于定量泵系統(tǒng)來說這個壓力是由溢流閥調(diào)定的，對于變量泵系統(tǒng)來說這個壓力是與泵的特性曲線上的流量相對應(yīng)的。泵的最高工作壓力確實定要分兩種情況，其一是，執(zhí)行機構(gòu)在運動行程終了，停止時才需要最高工作壓力的情況，泵的最高工作壓力Pp也就是執(zhí)行機構(gòu)的所需的最大壓力P1；其二是最高工作壓力是在執(zhí)行機構(gòu)的運動行程中出現(xiàn)的，這種情況下，除了考慮執(zhí)行機構(gòu)的壓力外還要考慮油液在管路系統(tǒng)中流動時產(chǎn)生的總壓力損失，即式中，p1—執(zhí)行元件的最高工作壓力；∑Δp—從液壓泵的出口到執(zhí)行元件入口總的管路損失。

2.確定液壓泵的最大供油量qp液壓泵的最大供油量qp按執(zhí)行元件工況圖上的最大工作流量及回路系統(tǒng)中的泄漏量來確定，即式中，K—考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保存最小溢流量〔約為額定流量的15%〕的系數(shù)，一般取K=1.1∽1.3。Σqmax—同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。當系統(tǒng)中有蓄能器時，泵的最大供油量為一個工作循環(huán)中執(zhí)行元件的平均流量與回路泄漏量之和。3.選擇液壓泵的規(guī)格

液壓泵的規(guī)格可以根據(jù)實際工況和液壓泵的最大工作壓力選取，然后根據(jù)液壓泵的最大流量確定其型號。值得注意的是，泵的額定壓力應(yīng)該比上述最大工作壓力高25%~60%，以留有壓力儲藏。額定流量那么只需滿足上述最大流量即可。4.確定液壓泵的驅(qū)動功率液壓泵的規(guī)格型號確定以后，驅(qū)動液壓泵的電機功率可以按下式計算：式中，Δpp

—

液壓泵的進、出口壓力之差；

qp

—

液壓泵的實際流量；

ηp

—

液壓泵的總效率。

限壓式變量葉片泵驅(qū)動電機的功率可按該泵流量-壓力曲線拐點處的流量和壓力計算。

應(yīng)該注意，驅(qū)動液壓泵的電機除了在功率上要滿足泵的需要以外，電機的轉(zhuǎn)速也要與泵的額定轉(zhuǎn)速相符合，即泵的實際轉(zhuǎn)速不應(yīng)高于其額定轉(zhuǎn)速。二.執(zhí)行元件的選擇

執(zhí)行元件是指各種類型的液壓缸和液壓馬達。液壓執(zhí)行元件的類型是根據(jù)主機運動特點來確定的。1.液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)和相應(yīng)的計算公式液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)和相應(yīng)的計算公式如此表所示。公式中所需要的數(shù)據(jù)分別見下表9.13。上述計算結(jié)果要按有關(guān)標準圓成標準值，以此作為液壓缸選擇和設(shè)計〔在某些特殊情況下需要自己設(shè)計液壓缸〕的依據(jù)。2.液壓馬達的計算與選擇

液壓馬達可根據(jù)其工作壓力、轉(zhuǎn)速和排量來選擇。液壓馬達的理論排量V0由下式?jīng)Q定

式中，T—液壓馬達外負載轉(zhuǎn)矩；

p1、p2—液壓馬達的最高工作壓力和背壓；

ηm—液壓馬達的機械效率。葉片馬達取0.80∽0.90；齒輪馬達取0.85∽0.95；軸向柱塞馬達取0.92∽0.99；低速馬達取0.93∽0.96。

液壓馬達所需的最大流量qmax按下式計算

式中，V0—液壓馬達排量；

nmax—液壓馬達最高轉(zhuǎn)速。

三.控制元件的選擇

控制元件是指各種液壓閥?？刂圃倪x擇是根據(jù)系統(tǒng)的最大工作壓力和通過液壓閥的最大流量來確定的。被選定的液壓閥，其額定壓力不小于系統(tǒng)的最大工作壓力，額定流量不小于閥的實際流量。必要時允許最大流量短期超過額定流量的20%。此外，選擇液壓閥時還應(yīng)注意閥的結(jié)構(gòu)型式、連接方式和操作方式等。下表9.9列出了選擇液壓閥時應(yīng)該考慮的一些問題。

溢流閥的選擇

直動式溢流閥的響應(yīng)快，宜作制動閥、平安閥用；先導(dǎo)式溢流閥的啟閉特性好，宜作調(diào)壓閥、背壓閥用；

先導(dǎo)式溢流閥的最低調(diào)定壓力一般只能在0.5∽1MPa范圍內(nèi)；

溢流閥的流量應(yīng)按液壓泵的最大流量選取，并注意其最小穩(wěn)定流量。一般來說，溢流閥的最小穩(wěn)定流量為額定流量的15%以上。流量閥的選擇

中、低壓流量閥的最小穩(wěn)定流量一般為50∽100mL/min；高壓流量閥為2.5∽20L/min；

流量閥的進、出口需要有一定的壓差，高精度流量閥約需1MPa的壓差；要求速度穩(wěn)定性高的系統(tǒng)，可選用溫度補償型調(diào)速閥。

換向閥的選擇

按通過閥的流量來選擇換向閥類型。一般來說，流量在190L/min以上時宜用二通插裝閥；190L/min以下時可采用滑閥型換向閥；70L/min以下時可用電磁換向閥，否那么需用電液換向閥〔換向平穩(wěn)〕；

按換向性能等來選擇電磁鐵類型。直流濕式電磁鐵壽命長，可靠性高，盡可能選用直流濕式電磁換向閥。此外，在某些場合還應(yīng)考慮選用平安防爆型、無沖擊型等電磁鐵。

按系統(tǒng)要求選擇滑閥機能。單向閥的選擇

選擇開啟壓力小的作為單向閥；開啟壓力較大〔0.3∽0.5MPa〕的單向閥可作背壓閥用；外泄式液控單向閥與內(nèi)泄式相比，其控制壓力低，工作可靠，可優(yōu)先選用。

四.輔助元件的選擇

蓄能器、過濾器、熱交換器、管件、密封件、壓力檢測元件、油箱等都屬于液壓系統(tǒng)中的輔助元件，它們在液壓系統(tǒng)中起著重要作用。由于這局部內(nèi)容大都在第五章中有過說明，這里只就輔助元件的作用和選擇原那么做簡單歸納。

蓄能器的選擇

蓄能器是依據(jù)其容量和工作壓力來選用的。在液壓系統(tǒng)中，蓄能器可用作輔助動力源以及貯存壓力能、減小壓力沖擊或壓力脈動?？梢愿鶕?jù)其不同作用來確定其工作容積。蓄能器的選擇可以參閱相關(guān)手冊。

過濾器的選擇過濾器是保持工作介質(zhì)清潔、使液壓系統(tǒng)正常工作所不可缺少的輔助元件。過濾器是依據(jù)其通流能力、過濾精度、承壓能力等性能來選擇的。選擇時應(yīng)注意以下問題：〔1〕過濾器的通流能力應(yīng)為液壓泵流量的兩倍，過濾器應(yīng)在較長時間內(nèi)保持這種通流能力。當通流能力過低時能自動顯示或報警；〔2〕濾心要有足夠的耐壓強度和抗腐蝕性，要方便清洗和更換。熱交換器的選擇

熱交換器指的是冷卻器和加熱器，它們的作用是把油溫控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。冷卻器、加熱器分別根據(jù)其散熱面積和加熱功率來選擇，選擇時可參閱有關(guān)技術(shù)手冊和產(chǎn)品樣本。值得注意的是，單個加熱器的功率不能選的太大，防止局部油溫上升太快造成變質(zhì)。如果功率不夠，可以多裝幾個加熱器。加熱管局部應(yīng)全部浸入液壓油中。

管件的選擇管件包括油管和管接頭，它們關(guān)系到液壓系統(tǒng)的工作性能和能量損失的大小。管件的選擇要考慮強度和允許流速兩方面的問題。一般情況下，油管的直徑多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定。強度校核只用于一些重要管路。選擇管接頭時，除了要求有適宜的通流能力和較小的壓力損失外，還應(yīng)考慮便于裝卸、連接牢固、密封可靠等問題。

壓力檢測元件的選擇

壓力表和壓力表開關(guān)是常用的壓力檢測元件，可以提供系統(tǒng)工作狀態(tài)信息和壓力指令信號。壓力表按工作壓力和精度選擇。實際壓力在壓力表滿量程的2/3處比較適宜，精度根據(jù)實際需要確定。壓力表開關(guān)的選擇除了考慮工作壓力范圍以外還應(yīng)考慮靈敏度、重復(fù)精度等。密封件的選擇

密封元件是用來防止工作介質(zhì)泄漏及外界灰塵和異物的侵入，對于提高液壓系統(tǒng)的工作性能和使用壽命具有重要作用。由于影響密封性能的因素很多，致使在選擇密封件時要考慮很多問題，比方工作介質(zhì)的溫度、壓力、種類、粘度、密封結(jié)合面的相對運動速度、密封部位的加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量等。密封裝置的設(shè)計和密封件選擇的根本要求如下：〔1〕能隨著工作壓力的增大自動提高其密封性能；〔2〕密封件物性穩(wěn)定，耐磨，使用壽命長；

〔3〕動密封的動、靜摩擦系數(shù)小且穩(wěn)定；

〔4〕密封裝置工藝性好，維護方便。

油箱的設(shè)計

油箱在液壓系統(tǒng)中起著重要作用。它不僅貯存供液壓系統(tǒng)循環(huán)使用的油液，還有散熱、釋放混在油液中的氣體、為液壓元件的安裝提供位置等功能。油箱的結(jié)構(gòu)和容積計算在已做過說明，這里只說明設(shè)計過程中值得注意的一些問題。

〔1〕油箱容積是指油面高度為油箱高度80%時的油箱有效容積；

〔2〕油箱中的最低液面應(yīng)高于泵的吸油口75mm或1.5倍管徑〔取二者中的最大值〕；油箱中的最高液面不應(yīng)超過油箱高度的80%；

〔3〕在吸油管和回油管之間設(shè)置隔板，以增加油液循環(huán)距離，使油液有足夠的時間和空間來別離氣泡和散熱。隔板高度約為油箱中最低液面的2/3。吸油管離油箱底的距離應(yīng)大于其管徑的二倍，距油箱壁不小于其管徑的三倍。回油管切成450，且面向箱壁；

〔4〕為防止油液污染，油箱上的蓋板、管口都要妥善密封。注油器上要加過濾網(wǎng)。通氣口上要加空氣濾清器，其容量至少為液壓泵額定流量的2倍；

〔5〕為了便于散熱和搬移，油箱底部離地面至少有150mm。箱底要適當傾斜，在最底部設(shè)置放油閥排放污油。要考慮便于各部件的更換、維護，便于油箱的清洗；

〔6〕油箱內(nèi)壁應(yīng)涂防銹涂料。

第四節(jié)液壓系統(tǒng)的性能驗算

液壓系統(tǒng)性能驗算的目的是評估設(shè)計質(zhì)量。驗算的內(nèi)容一般包括：系統(tǒng)的壓力損失、系統(tǒng)總效率、系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升等。如果發(fā)現(xiàn)問題，要對某些不合理的設(shè)計做出相應(yīng)調(diào)整。一.液壓系統(tǒng)壓力損失的驗算在前面確定液壓泵的最高工作壓力時提及壓力損失，當時由于系統(tǒng)還沒有完全設(shè)計完畢，管道的設(shè)置也沒有確定，因此只能作粗略的估算。現(xiàn)在液壓系統(tǒng)的元件、安裝形式、油管和管接頭均可定下來了。所以需要驗算一下管路系統(tǒng)的總的壓力損失，看其是否在前述假設(shè)的范圍內(nèi)，借此可以較準確地確定泵的工作壓力，較準確地調(diào)節(jié)變量泵或溢流閥，保證系統(tǒng)地工作性能。假設(shè)計算結(jié)果與前設(shè)壓力損失相差較大，那么應(yīng)對原設(shè)計進行修正。具體地方法時將計算出來的壓力損失代替原假設(shè)值用以下式子重算系統(tǒng)的壓力：1.當執(zhí)行元件為液壓缸時Pp≥F/A1ηcm+A2△P2/A1+△P1〔9－16〕式中F為作用在液壓缸上的外負載；A1、A2分別為液壓缸進、回油腔的有效面積；△P1、△P2分別為進、回油管路的總的壓力損失，ηcm為液壓缸的機械效率。計算時要注意，快速運動時液壓缸上的外負載小，管路中流量大，壓力損失也大；慢速運動時，外負載大，流量小，壓力損失也小，所以應(yīng)分別進行計算。計算出的系統(tǒng)壓力Pp應(yīng)小于泵額定壓力的75％，因為應(yīng)使泵有一定的壓力儲藏。否那么就應(yīng)另選額定壓力較高的液壓泵，或者采用其它方法降低系統(tǒng)的壓力，如增大液壓缸直徑等方法。2.當液壓執(zhí)行元件為液壓馬達時Pp≥2πT/VηMm+△P2+△P1〔9－17〕式中V為液壓馬達的排量；T為液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩；△P1、△P2分別為進、回油管路的壓力損失；ηMm為液壓馬達的機械效率。二.系統(tǒng)的總效率驗算

液壓系統(tǒng)的總效率η是液壓泵的效率ηp、回路效率ηc和液壓執(zhí)行元件效率ηm的乘積，即液壓泵和液壓執(zhí)行元件的效率可從手冊中查到，回路效率計算如下式中，p1、q1—同時動作的液壓執(zhí)行元件的工作壓力和輸入流量；

pp、qp—同時供油的液壓泵的工作壓力和輸出流量。三.液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算液壓系統(tǒng)中的各種能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，使系統(tǒng)工作溫度升高，從而產(chǎn)生很多不利影響。系統(tǒng)中的熱源主要來自液壓泵、液壓執(zhí)行元件和一些閥口，管路的功率損失通?？梢院雎圆挥?。

液壓系統(tǒng)總的發(fā)熱功率ΔP為

或式中，Pp、Pe—分別為液壓泵的輸入功率和液壓執(zhí)行元件的有效功率。

由于管路的發(fā)熱量與其散熱量根本平衡，所以，液壓系統(tǒng)的自然散熱主要由油箱外表實現(xiàn)。因此，散熱功率可以計算如下式中，K—油箱的散熱系數(shù)，A—油箱的散熱面積；

t1、t2—分別為工作介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度。

當系統(tǒng)的發(fā)熱功率等于其散熱功率時，系統(tǒng)到達熱平衡。此時系統(tǒng)的溫升為當上式的計算結(jié)果高出允許數(shù)值時，就要設(shè)法增大油箱散熱面積或增設(shè)冷卻裝置。

油箱的散熱面積A為當油箱三個邊的比例在1：1：1到1：2：3之間、液面高度為油箱高度的80%、且油箱通風良好時，油箱散熱面積還可以估算如下：式中，V—油箱的有效容積。

當系統(tǒng)需要設(shè)置冷卻裝置時，冷卻器的散熱面積Ac為式中，Kc—冷卻器的散熱系數(shù)；Δtm—平均溫升；

tj1、tj2—工作介質(zhì)的進、出口溫度；

tw1、tw2—冷卻水〔或風〕的進、出口溫度。

第五節(jié)繪制工作圖和編制技術(shù)文件所設(shè)計的液壓系統(tǒng)經(jīng)驗算后，即可對初步擬定的液壓系統(tǒng)進行修改，并繪制工作圖和編制技術(shù)文件。一.繪制工作圖〔1〕液壓系統(tǒng)原理圖圖上除畫出整個系統(tǒng)的回路之外，還應(yīng)注明各元件的規(guī)格、型號、壓力調(diào)整值，并給出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖，列出電磁鐵及壓力繼電器的動作順序表。〔2〕集成油路裝配圖假設(shè)選用油路板，應(yīng)將各元件畫在油路板上，便于裝配；假設(shè)采用集成塊或疊加閥時，因有通用件，設(shè)計者只需選用，最后將選用的產(chǎn)品組合起來繪制成裝配圖?！?〕泵站裝配圖將集成油路裝置、泵、電動機與油箱組合在一起畫成裝配圖，表明它們各自之間的相互位置、安裝尺寸及總體外形?！?〕畫出非標準專用件的裝配圖及零件圖。〔5〕管路裝配圖表示油管的走向，注明管道的直徑及長度，各種管接頭的規(guī)格、管夾的安裝位置和裝配技術(shù)要求等。〔6〕電氣線路圖表示出電動機的控制線路，電磁閥的控制線路、壓力繼電器和行程開關(guān)等。二.編寫技術(shù)文件技術(shù)文件一般包括液壓系統(tǒng)設(shè)計計算說明書，液壓系統(tǒng)的使用及維護技術(shù)說明書，零部件目錄表、標準件通用件及外購件總表等。第六節(jié)液壓系統(tǒng)設(shè)計計算舉例本節(jié)以一臺臥式單面多軸鉆孔組合機床為例，設(shè)計出驅(qū)動動力滑臺的液壓系統(tǒng)。

設(shè)計要求：滑臺實現(xiàn)“快進→工進→快退→停止〞的工作循環(huán)。機床上有主軸16個，加工Ф13.9mm的孔14個、Ф8.5mm的孔2個。刀具材料為高速鋼，工件材料為鑄鐵，硬度為240HBS；機床工作部件總質(zhì)量m=1000kg；快進、快退v1、v2均為5.5m/min，快進行程長度L1=100mm，工進行程長度L2=50mm，往復(fù)運動的加速度、速度時間不希望超過0.2s；動力滑臺采用平導(dǎo)軌，其靜摩擦系數(shù)fo=0.2，動摩擦系數(shù)fd=0.1；液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件使用液壓缸。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計過程如下：分析負載確定執(zhí)行元件主要參數(shù)確定液壓系統(tǒng)方案和擬定液壓系統(tǒng)原理圖選擇液壓元件驗算液壓系統(tǒng)性能繪制工作圖和編制技術(shù)文件一.分析負載外負載

高速鋼鉆頭鉆鑄鐵孔時的軸向切削力Ft〔單位為N〕為

式中，D—鉆頭直徑，單位為mm；

s—每轉(zhuǎn)進給量，單位為mm/r；

HBS—鑄件硬度，HBS=240。

根據(jù)組合機床加工特點，鉆孔時主軸轉(zhuǎn)速n和每轉(zhuǎn)進給量s按“組合機床設(shè)計手冊"取

對Ф13.9mm的孔：n1=360r/min，s1=0.147mm/r；

對Ф8.5mm的孔：n2=550r/min，s2=0.096mm/r。

代入式〔9.18〕，得外負載Fg為

慣性負載

機床工作部件的總質(zhì)量m=1000kg

阻力負載

機床工作部件對動力滑臺導(dǎo)軌的法向力為

靜摩擦阻力

動摩擦阻力

由此得出液壓缸在各工作階段的負載如下表9.16所示。按上表數(shù)值繪制負載圖和速度圖如圖9.7所示。

二.確定執(zhí)行元件的主要參數(shù)由相關(guān)表可知，組合機床在最大負載約為32000N時液壓系統(tǒng)壓力取p1=4MPa比較適宜。

鑒于動力滑臺要求快進、快退速度相等，這里的液壓缸可選用單活塞桿式的，并在快進時作差動連接。這種情況下液壓缸無桿腔的工作面積A1應(yīng)為有桿腔工作面積A2的兩倍，即ψ=A1/A2=2，而活塞桿直徑d與缸筒直徑D成d=0.707D關(guān)系。

在鉆孔加工時，液壓缸回油路上必須具有背壓p2，以防止孔鉆通時滑臺突然前沖。根據(jù)要求可取p2=0.6MPa?？爝M時液壓缸作差動連接，管路中有壓力損失，有桿腔的壓力應(yīng)略大于無桿腔，但其差值較小，可先按0.3MPa考慮?？焱藭r回油腔中是有背壓的，這時p2也可按0.6MPa估算。

由工進時的負載值按公式計算液壓缸面積

將這些直徑按GB2348-80圓整成就近標準值得：

D=0.11mm、d=0.08mm

由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為

經(jīng)驗算，活塞桿的強度和穩(wěn)定性均符合要求。

根據(jù)上述D和d的值，可估算出液壓缸在個工作階段中的壓力、流量和功率，并據(jù)此繪出工況圖如右圖9.8所示。

三.確定液壓系統(tǒng)方案和擬定液壓系統(tǒng)原理圖確定液壓系統(tǒng)方案

由于該機床是固定式機械，且不存在外負載對系統(tǒng)作功的工況，并由圖9.8可知，這臺機床液壓系統(tǒng)的功率小，滑臺運動速度低，工作負載變化小。該液壓系統(tǒng)以采用節(jié)流調(diào)速方式和開式循環(huán)為佳?，F(xiàn)采用節(jié)流調(diào)速回路，為解決孔鉆通時滑臺突然前沖的問題，回油路上要設(shè)置背壓閥。

從工況圖中可以清楚地看到，在這個液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸要求油源交替地提供低壓大流量和高壓小流量的油液。最大流量約為最小流量的55倍，而快進加快退所需的時間t1和工進所需的時間t2分別為即t2>>t1。因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量的角度來看，采用單個定量液壓泵作為油源顯然是不適宜的，而應(yīng)采用大、小兩個液壓泵自動兩級并聯(lián)供油的油源方案，如圖9.9a)所示。選擇根本回路由于不存在負載對系統(tǒng)作功的工況，也不存在負載制動過程，故不需要設(shè)置平衡及制動回路。但必須具有快速運動、換向、速度換接以及調(diào)壓、卸荷等回路。

1．選擇快速運動和換向回路

系統(tǒng)中采用節(jié)流調(diào)速回路后，不管采用何種油源形式都必須有單獨的油路直接通向液壓缸兩腔，以實現(xiàn)快速運動。在本系統(tǒng)中，快進、快退換向回路應(yīng)采用圖9.9b)所示的形式。

2．選擇速度換接回路

由工況圖中的q—L曲線可知，當滑臺從快進轉(zhuǎn)為工進時，輸入液壓缸的流量由27.64L/min降至0.5L/min，滑臺的速度變化較大，可選用行程閥來控制速度的換接，以減少液壓沖擊，如圖9.9c)所示。當滑臺由工進轉(zhuǎn)為快退時，回路中通過的流量很大。為了保證換向平穩(wěn)起見，應(yīng)采用換向時間可調(diào)的電液換向閥式換接回路，如圖9.9b)所示。由于這一回路還要實現(xiàn)液壓缸的差動連接，所以換向閥必須是五通的。

3．選擇調(diào)壓和卸荷回路

油源中的溢流閥可以調(diào)定系統(tǒng)工作壓力，無須另設(shè)調(diào)壓回路。由于系統(tǒng)采用進油節(jié)流調(diào)速，故溢流閥常開，同時也起到平安作用。

在圖9.9a)所示的雙液壓泵自動兩級供油的油源中設(shè)有卸荷閥，當滑臺工進和停止時，低壓、大流量液壓泵都可經(jīng)此閥卸荷。由于工進在整個工作循環(huán)周期中占了絕大局部時間，且高壓、小流量液壓泵的功率較小，故可以認為卸荷問題已根本解決，就不需要再設(shè)置卸荷回路。將液壓回路綜合成液壓系統(tǒng)

把上面選出的各種液壓回路組合畫在一起，就可以得到一張圖9.10所示的液壓系統(tǒng)原理圖〔不包括點劃線圓框內(nèi)的元件〕。將此圖仔細檢查一遍，可以發(fā)現(xiàn)，該圖所示系統(tǒng)在工作中還存在問題。為了防止干擾、簡化系統(tǒng)并使其功能更加完善，必須對圖9.10所示系統(tǒng)進行如下修整：

1〕為了解決滑臺工進〔閥2在左位〕時圖中進、回油路相互接通，系統(tǒng)無法建立壓力的問題，必須在換向回路中串接一個單向閥a，將進、回油路隔斷。

2〕為了解決滑臺快進時回油路接通油箱，無法實現(xiàn)液壓缸差動連接的問題，必須在回油路上串接一個液控順序閥b。這樣，滑臺快進時因負載較小而系統(tǒng)壓力較低，使閥b關(guān)閉，便阻止了油液返回油箱。

3〕為了解決機床停止工作后回路中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進入系統(tǒng)，影響滑臺運動平穩(wěn)性的問題，必須在電液換向閥的回油口增設(shè)一個單向閥c。

4〕為了在滑臺工進后系統(tǒng)能自動發(fā)出快退信號，須在調(diào)速閥輸出端增設(shè)一個壓力繼電器d。

5〕假設(shè)將順序閥b和背壓閥8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，從而省去一個閥。

經(jīng)過修改、整理后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖9.11所示。

四.選擇液壓元件液壓泵

液壓缸在整個工作循環(huán)中的最大工作壓力為3.73MPa，如取進油路上的壓力損失為0.8MPa，為使壓力繼電器能可靠地工作，取其調(diào)整壓力高出系統(tǒng)最大工作壓力0.5MPa，那么小流量液壓泵的最大工作壓力應(yīng)為

大流量液壓泵在快進、快速運動時才向液壓缸輸油，由圖9.8可知，快退時液壓缸的工作壓力比快進時大，如取進油路上的壓力損失為0.5MPa〔因為此時進油不經(jīng)調(diào)速閥故壓力損失減小〕，那么大流量液壓泵的最高工作壓力為

由圖9.8可知，兩個液壓泵應(yīng)向液壓缸提供的最大流量為27.64L/min，因系統(tǒng)較簡單，取泄漏系數(shù)KL＝1.05，那么兩個液壓泵的實際流量應(yīng)為

由于溢流閥的最小穩(wěn)定溢流量為3L/min，而工進時輸入液壓缸的流量為0.5L/min由小流量液壓泵單獨供油，所以小液壓泵的流量規(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)品樣本，最后確定選取PV2R12-6/26型雙聯(lián)葉片液壓泵，其小液壓泵和大液壓泵的排量分別為6mL/r和26mL/r，當液壓泵的轉(zhuǎn)速np=940r/min時該液壓泵的理論流量為30.08L/min，假設(shè)取液壓泵的容積效率ηv=0.9，那么液壓泵的實際輸出流量為

由于液壓缸在快退時輸入功率最大，這時液壓泵工作壓力為2MPa、流量為】27.1L/min。按照要求取液壓泵的總效率ηp=0.75，那么液壓泵驅(qū)動電動機所需的功率為根據(jù)此數(shù)值查閱電動機產(chǎn)品樣本選取Y100L-6型電動機，其額定功率Pn=1.5kW，額定轉(zhuǎn)速np=940r/min。閥類元件及輔助元件

根據(jù)閥類及輔助元件所在油路的最大工作壓力和通過該元件的最大實際流量，可選出這些液壓元件的型號及規(guī)格。油管

各元件間連接管道的規(guī)格按液壓元件借口處的尺寸決定，液壓缸進、出油管那么按輸入、排出的最大流量計算。由于液壓泵選定之后液壓缸在各個工作階段的進、出流量已與原定數(shù)值不同，所以要重新計算。

根據(jù)重新計算數(shù)值，并取油液在壓油管的流速v=3m/s，計算與液壓缸無桿腔及有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為

這兩根油管都按YB231-70選用內(nèi)徑ф15mm、外徑ф18.2mm的15號冷拔無縫鋼管。油箱

計算油箱容積，取經(jīng)驗數(shù)據(jù)ζ=7，故其容積為

按GB2876-81規(guī)定，取最靠近的標準值V=250L。