第8章液壓傳動系統(tǒng)的設計與計算

液壓傳動系統(tǒng)的步驟

液壓系統(tǒng)設計舉例本章主要內容為：第8章液壓傳動系統(tǒng)的設計和計算液壓系統(tǒng)設計的內容和步驟如下：

1）明確設計要求，進行工況分析；

2）確定液壓系統(tǒng)的主要參數;

3）擬訂液壓系統(tǒng)原理圖；

4）設計或選擇液壓元件；

5）驗算液壓系統(tǒng)的性能；6）液壓系統(tǒng)結構設計；7）繪制正式工作圖及編寫技術文件。8.1液壓傳動系統(tǒng)的步驟8.1.1明確設計要求進行工況分析1明確設計要求液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有：運動方式、行程、速度范圍、負載條件、運動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作同期、同步或連鎖等，就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、溫度、塵埃、防火要求及安裝空間大小等。2進行工況分析對執(zhí)行元件的工況進行分析，就是查明每個執(zhí)行元件在各自工作過程中的速度和負載的變化規(guī)律，通常是求出一個工作循環(huán)內各階段的速度和負載值。必要時還應做出速度、負載隨時間或位移變化的曲線圖。8.1.2確定液壓系統(tǒng)主要參數因為這時回路的結構還沒有完全確定，所以這里所說的主要參數是液壓執(zhí)行元件的主要參數。結構參數的確定是指根據液壓執(zhí)行元件的工作壓力和最大流量確定其幾何參數，液壓傳動系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件形式可視主機所要實現(xiàn)的運動種類和性質而定。1）初選執(zhí)行元件的工作壓力工作壓力的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能，應根據實際情況選取適當的工作壓力，執(zhí)行元件工作壓力可以根據總負載值選取。2）確定執(zhí)行元件的主要結構參數在這里以液壓缸為例，需要確定的主要結構尺寸是指液壓缸的內徑D和活塞桿的直徑d，計算和確定D和d的一般方法見之前章節(jié)，并按系列標準確定D和d。對有低速運動要求的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進行驗算，即應保證

式中A——液壓缸工作腔的有效工作面積；

qmin——控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量；

vmin——液壓缸要求達到的最低工作速度；驗算結果若不能滿足式(8-1)，則說明按所設計的結構尺寸和方案達不到所需要的最低速度，必須修改設計。3）復算執(zhí)行元件的工作壓力當液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按標準系列圓整，經過圓整的標準值與計算值之間一般都存在一定的偏差，因此，要根據圓整值對工作壓力進行一次復算。在按上述方法確定工作壓力的過程中，沒有計算回油路的背壓，因此，所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機械總負載所需要的那部分壓力，在結構參數D、d確定之后，若取適當的背壓估算值，即可求出執(zhí)行元件工作腔的壓力。對于單桿液壓缸，其工作壓力p可按下列公式復算。無桿腔進油工進階段

有桿腔進油階段

4）執(zhí)行元件的工況圖各執(zhí)行元件的主要參數確定之后，不但可以復算執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段內的工作壓力，還可求出需要輸入的流量和功率，這時就可以作出系統(tǒng)中各執(zhí)行元件在其工作過程中的工況圖。

液壓系統(tǒng)的工況可以顯示整個工作循環(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)設計步驟中選擇元件、選擇回路或修正設計提供合理的依據。8.1.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

1確定油路類型一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進行補油，并借此進行冷卻交換來達到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調速系統(tǒng)采用開式油路，容積調速系統(tǒng)采用閉式油路。2選擇液壓回路在擬定液壓系統(tǒng)原理圖時，應根據各類主機的工作特點和性能要求，先確定對主機主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其它輔助回路。3繪制液壓系統(tǒng)原理圖將挑選出來的各個典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構成一個結構簡單、工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調整和維護保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖。8.1.4液壓元件的計算和選擇1選擇液壓泵首先根據設計要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格。液壓泵的最高供油壓力液壓泵的最大供油量為選擇液壓泵的規(guī)格型號選擇驅動液壓泵的電動機2選擇閥類元件各種閥類元件的規(guī)格型號，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況提供的情況從產品樣本中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應與工作壓力和最大通過流量相接近，必要時，可允許其最大通過流量超過額定流量的20%。具體選擇時，應注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選取；流量閥還需考慮最小穩(wěn)定流量，以滿足低速穩(wěn)定性要求；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，當有桿腔進油時，則回油流量為進油流量的幾倍，此時，應以幾倍的流量來選擇通過的閥類元件。3選擇液壓輔助元件油管的規(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算其內徑和壁厚，驗算公式見液壓輔件章節(jié)。濾油器、蓄能器和油箱容量的選擇亦見液壓輔件。閥類元件配置形式的選擇：油路板式疊加閥式

集成塊式8.1.5驗算液壓系統(tǒng)性能1系統(tǒng)壓力損失的驗算畫出管路裝配草圖后，即可計算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和。在系統(tǒng)方案初步確定之后，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進行概略的估算，因為這部分損失在系統(tǒng)的整個壓力損失中占很大的比重。在算出系統(tǒng)油路的總的壓力損失后，將此驗算值與前述設計過程中初步選取的油路壓力損失經驗值相比較，若誤差較大，一般應對原設計進行必要的修改，重新調整有關閥類元件的規(guī)格和管道尺寸等，以降低系統(tǒng)的壓力損失。2系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算

功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱，則單位時間的發(fā)熱量為液壓泵的輸入功率與執(zhí)行元件的輸出功率之差，一般情況下，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)往往有好幾個階段，其平均發(fā)熱量為各個工作周期發(fā)熱量的時均值，即液壓系統(tǒng)在工作中產生的熱量，經過所有元件、附件的表面散發(fā)到空氣中去，但絕大部分是由油箱散發(fā)的，油箱在單位時間的散發(fā)熱量可按下式計算當液壓系統(tǒng)的散熱量等于發(fā)熱量時，系統(tǒng)達到了熱平衡，這時系統(tǒng)的溫升為：8.1.6繪制正式工作圖和編制技術文件

1繪制正式工作圖正式工作圖包括液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝配圖、各種非標準元件（如油箱、液壓缸等）裝配圖及零件圖。液壓系統(tǒng)原理圖中應附有液壓元件明細表，表中標明各液壓元件的型號規(guī)格、壓力和流量等參數值，一般還應繪出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖和電磁鐵的動作順序表。2編制技術文件技術文件一般包括液壓系統(tǒng)設計計算說明書，液壓系統(tǒng)使用及維護技術說明書，零、部件目錄表及標準件、通用件、外購件表等。8.2液壓系統(tǒng)設計舉例設計要求：某廠汽缸加工自動線上要求設計一臺臥式單面多軸鉆孔組合機床，要求的工作循環(huán)是：快進工進快退停止。工作部件總重G=10kN；切削負載FR=40kN。快進行程l1=100mm；工進行程l2=50mm。快進和快退速度v1=v3=6m/min；工進速度v2=0.05m/min；往復運動的加速、減速時間t=0.2s。工作部件運動時采用平導軌支承，其靜摩擦系數fs=0.2；動摩擦系數fd=0.1，試設計計算其液壓系統(tǒng)。1負載分析工作負載

FR

=40000N

慣性負載阻力負載靜摩擦阻力Ffs

=fs×G

=0.2×10000=2000N動摩擦阻力Ffd

=fd×G

=0.1×10000=1000N表8.2液壓缸動作循環(huán)中各階段的負載計算快進、工進時間和快退時間如下：快進：t1=L1/v1=100×10-3/(6/60)=1s工進：t2=L2/v2=50×10-3/（0.05/60）=60s快退：t3=(L1+L2)/v1=(100+50)×10-3/（6/60）s=1.5s2負載循環(huán)圖的繪制

根據液壓缸在各工作時間內的負載、速度值繪制負載圖及速度圖，如圖下圖所示：

3液壓缸主要參數的確定

1)初選液壓缸的工作壓力由于液壓缸的最大推力為45556N，初選液壓缸的工作壓力pl＝63105Pa。

2)計算液壓缸尺寸由于是鉆通孔組合機床，為了使其鉆孔完畢時不致前沖，在回油路上要裝背壓閥或采用回油節(jié)流調速，初選背壓為p2＝1106Pa，由負載循環(huán)圖知，最大負載是在工作進給階段，采用無桿腔進油，而且取d＝0.7D(即A1=2A2)，以便采用差動連接時，快進和快退的速度相等。因此液壓缸活塞的受力平衡式為：(p1A1-p2A2)ηm=F(其中A1=2A2)按標準取D＝110mm，則d＝0.7D＝77mm，圓整為d＝80mm。液壓缸無桿腔和有桿腔的實際有效工作面積A1、A2值為：反算液壓缸的工作壓力p1為：表8.3液壓缸工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率的實際使用值4.液壓系統(tǒng)圖的擬定

1）選擇液壓回路首先選擇調速回路。其次是選擇快速運動和換向回路。系統(tǒng)中采用節(jié)流調速回路。選擇速度換接回路。2）組成液壓系統(tǒng)圖

5.液壓元件的選擇

1）確定液壓泵規(guī)格和驅動電機功率最后確定選取YB1-C31-4/40雙聯(lián)葉片泵。按產品目錄選用Y100L-6型電動機2）閥類元件及輔助元件選擇表8.4液壓元件的型號序號元件名稱通過閥的實際流量(L/min)型號規(guī)格1雙聯(lián)葉片泵—YB1-4/402三位五通電液閥5735DY-100B3行程閥5722C-100B4調速閥1Q-6B5單向閥571-100B6單向閥401-100B7順序閥40XY-25B8背壓閥<1B-10B9濾油器44XU-4020010壓力表開關—K6B11溢流閥3Y-10B12單向閥401-25B3）油管選擇各元件間連接管道的規(guī)格按元件接口尺寸決定；管道長度由管路裝配圖確定。4）確定油箱容量按經驗公式計算

V＝(5~7)qp＝640＝240(L)6.液壓系統(tǒng)的性能驗算

油液溫升驗算工進在整個工作循環(huán)中所占的時間比例極大，所以系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可用工進時的情況來計算。近似認為損失的功率都轉變成熱量，工進時液壓缸的有效功率為：由于大流量泵通過順序閥7卸荷，小流量泵在高壓下供油，所以總的輸入功率為由此得液壓泵發(fā)熱量為：油液溫升近似值為：