第8章液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的步驟

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例本章主要內(nèi)容為：第8章液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟如下：

1）明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析；

2）確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù);

3）擬訂液壓系統(tǒng)原理圖；

4）設(shè)計(jì)或選擇液壓元件；

5）驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的性能；6）液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；7）繪制正式工作圖及編寫技術(shù)文件。8.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的步驟8.1.1明確設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工況分析1明確設(shè)計(jì)要求液壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求主要有：運(yùn)動(dòng)方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動(dòng)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(jìn)行工況分析對(duì)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(guò)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。必要時(shí)還應(yīng)做出速度、負(fù)載隨時(shí)間或位移變化的曲線圖。8.1.2確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)因?yàn)檫@時(shí)回路的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全確定，所以這里所說(shuō)的主要參數(shù)是液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是指根據(jù)液壓執(zhí)行元件的工作壓力和最大流量確定其幾何參數(shù)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件形式可視主機(jī)所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)種類和性質(zhì)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(gè)系統(tǒng)的性能，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)載值選取。2）確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)在這里以液壓缸為例，需要確定的主要結(jié)構(gòu)尺寸是指液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計(jì)算和確定D和d的一般方法見之前章節(jié)，并按系列標(biāo)準(zhǔn)確定D和d。對(duì)有低速運(yùn)動(dòng)要求的系統(tǒng)，尚需對(duì)液壓缸有效工作面積進(jìn)行驗(yàn)算，即應(yīng)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(dá)到的最低工作速度；驗(yàn)算結(jié)果若不能滿足式(8-1)，則說(shuō)明按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達(dá)不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計(jì)。3）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計(jì)算出來(lái)以后，要按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，經(jīng)過(guò)圓整的標(biāo)準(zhǔn)值與計(jì)算值之間一般都存在一定的偏差，因此，要根據(jù)圓整值對(duì)工作壓力進(jìn)行一次復(fù)算。在按上述方法確定工作壓力的過(guò)程中，沒(méi)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)載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，若取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力。對(duì)于單桿液壓缸，其工作壓力p可按下列公式復(fù)算。無(wú)桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段

有桿腔進(jìn)油階段

4）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)就可以作出系統(tǒng)中各執(zhí)行元件在其工作過(guò)程中的工況圖。

液壓系統(tǒng)的工況可以顯示整個(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)步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。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(jìn)行補(bǔ)油，并借此進(jìn)行冷卻交換來(lái)達(dá)到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)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(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(duì)主機(jī)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(lái)的各個(gè)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(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、動(dòng)作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護(hù)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(jì)算和選擇1選擇液壓泵首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來(lái)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(hào)選擇驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)2選擇閥類元件各種閥類元件的規(guī)格型號(hào)，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)與工作壓力和最大通過(guò)流量相接近，必要時(shí)，可允許其最大通過(guò)流量超過(guò)額定流量的20%。具體選擇時(shí)，應(yīng)注意溢流閥按液壓泵的最大流量來(lái)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(wú)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(lái)選擇通過(guò)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(duì)一些重要的管道才驗(yàn)算其內(nèi)徑和壁厚，驗(yàn)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(yàn)算液壓系統(tǒng)性能1系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算畫出管路裝配草圖后，即可計(jì)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(guò)閥類元件的局部壓力損失來(lái)對(duì)管路的壓力損失進(jìn)行概略的估算，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。在算出系統(tǒng)油路的總的壓力損失后，將此驗(yàn)算值與前述設(shè)計(jì)過(guò)程中初步選取的油路壓力損失經(jīng)驗(yàn)值相比較，若誤差較大，一般應(yīng)對(duì)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。2系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算

功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱，則單位時(shí)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(gè)階段，其平均發(fā)熱量為各個(gè)工作周期發(fā)熱量的時(shí)均值，即液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過(guò)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(shí)間的散發(fā)熱量可按下式計(jì)算當(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：8.1.6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液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝配圖、各種非標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)附有液壓元件明細(xì)表，表中標(biāo)明各液壓元件的型號(hào)規(guī)格、壓力和流量等參數(shù)值，一般還應(yīng)繪出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖和電磁鐵的動(dòng)作順序表。2編制技術(shù)文件技術(shù)文件一般包括液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，液壓系統(tǒng)使用及維護(hù)技術(shù)說(shuō)明書，零、部件目錄表及標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、外購(gòu)件表等。8.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)要求：某廠汽缸加工自動(dòng)線上要求設(shè)計(jì)一臺(tái)臥式單面多軸鉆孔組合機(jī)床，要求的工作循環(huán)是：快進(jìn)工進(jìn)快退停止。工作部件總重G=10kN；切削負(fù)載FR=40kN?？爝M(jìn)行程l1=100mm；工進(jìn)行程l2=50mm?？爝M(jìn)和快退速度v1=v3=6m/min；工進(jìn)速度v2=0.05m/min；往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速、減速時(shí)間t=0.2s。工作部件運(yùn)動(dòng)時(shí)采用平導(dǎo)軌支承，其靜摩擦系數(shù)fs=0.2；動(dòng)摩擦系數(shù)fd=0.1，試設(shè)計(jì)計(jì)算其液壓系統(tǒng)。1負(fù)載分析工作負(fù)載

FR

=40000N

慣性負(fù)載阻力負(fù)載靜摩擦阻力Ffs

=fs×G

=0.2×10000=2000N動(dòng)摩擦阻力Ffd

=fd×G

=0.1×10000=1000N表8.2液壓缸動(dòng)作循環(huán)中各階段的負(fù)載計(jì)算快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)間和快退時(shí)間如下：快進(jìn)：t1=L1/v1=100×10-3/(6/60)=1s工進(jìn)：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(fù)載循環(huán)圖的繪制

根據(jù)液壓缸在各工作時(shí)間內(nèi)的負(fù)載、速度值繪制負(fù)載圖及速度圖，如圖下圖所示：

3液壓缸主要參數(shù)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(jì)算液壓缸尺寸由于是鉆通孔組合機(jī)床，為了使其鉆孔完畢時(shí)不致前沖，在回油路上要裝背壓閥或采用回油節(jié)流調(diào)速，初選背壓為p2＝1106Pa，由負(fù)載循環(huán)圖知，最大負(fù)載是在工作進(jìn)給階段，采用無(wú)桿腔進(jìn)油，而且取d＝0.7D(即A1=2A2)，以便采用差動(dòng)連接時(shí)，快進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)取D＝110mm，則d＝0.7D＝77mm，圓整為d＝80mm。液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的實(shí)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(shí)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(diào)速回路。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。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(qū)動(dòng)電機(jī)功率最后確定選取YB1-C31-4/40雙聯(lián)葉片泵。按產(chǎn)品目錄選用Y100L-6型電動(dòng)機(jī)2）閥類元件及輔助元件選擇表8.4液壓元件的型號(hào)序號(hào)元件名稱通過(guò)閥的實(shí)際流量(L/min)型號(hào)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(diào)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(guān)—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(zhǎng)度由管路裝配圖確定。4）確定油箱容量按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

V＝(5~7)qp＝640＝240(L)6.液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算

油液溫升驗(yàn)算工進(jìn)在整個(gè)工作循環(huán)中所占的時(shí)間比例極大，所以系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可用工進(jìn)時(shí)的情況來(lái)計(jì)算。近似認(rèn)為損失的功率都轉(zhuǎn)變成熱量，工進(jìn)時(shí)液壓缸的有效功率為：由于大流量泵通過(guò)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：