液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、第八章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié) 明確設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行工況分析第二節(jié) 擬定液壓系統(tǒng)原理圖第三節(jié) 計(jì)算和選擇液壓元件第四節(jié) 繪制工作圖，編寫技術(shù)文件第一節(jié) 明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析一、明確設(shè)計(jì)要求 液壓系統(tǒng)是主機(jī)的配套部分，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)首先要明確主機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)提出的要求，具體包括：1、主機(jī)的動(dòng)作要求 這是指主機(jī)的哪些動(dòng)作要求用液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些動(dòng)作間有無(wú)聯(lián)系以及要不要完成一定自動(dòng)循環(huán)等。主機(jī)可能對(duì)液壓系統(tǒng)提出許多要求，設(shè)計(jì)這應(yīng)在了解主機(jī)用途、工作過(guò)程和總體布局的基礎(chǔ)上對(duì)這些要求做出分析。2、主機(jī)的性能要求 指主機(jī)內(nèi)采用液壓傳動(dòng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在力和運(yùn)動(dòng)方面的要求。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在各工作階段所需的力和

2、速度的大小、調(diào)速的范圍、速度的平穩(wěn)性以及完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間等方面都必須有明確的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代化機(jī)械要求高精度、高生產(chǎn)力以及高度自動(dòng)化，這不僅要求其液壓系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)指標(biāo)，還常對(duì)其動(dòng)態(tài)指標(biāo)提出要求。3、液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境 工作環(huán)境的溫度和濕度，污染和振動(dòng)沖擊情況以及是否有腐蝕性和易燃性物質(zhì)存在等問題均應(yīng)有明確答案。這涉及液壓元件和介質(zhì)的選用。必要時(shí)設(shè)計(jì)中還應(yīng)附加防護(hù)措施。4、其他要求 如液壓裝置在重量、外形尺寸方面的限制以及經(jīng)濟(jì)性、能耗方面的要求等。二、工況分析 工況分析就是分析主機(jī)在工作過(guò)程中速度和負(fù)載的變化規(guī)律，即進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和負(fù)載分析。對(duì)于動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械需繪制速度循環(huán)圖和負(fù)載循環(huán)圖，簡(jiǎn)單的

3、系統(tǒng)可以不繪圖，但需要找出其最大負(fù)載和最大速度點(diǎn)。實(shí)際上，工況分析是進(jìn)一步明確主機(jī)在性能方面的要求。1、運(yùn)動(dòng)分析 根據(jù)工作要求，將主機(jī)各執(zhí)行元件在一個(gè)完整的工作循環(huán)內(nèi)各階段的速度用圖表示出來(lái)。一般用速度時(shí)間（v-t）或速度位移（v-s）曲線表示，稱為速度循環(huán)圖。圖a為組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)的工作循環(huán)，圖b是速度-位移（v-s）曲線。2、負(fù)載分析 根據(jù)工況要求，將執(zhí)行元件在各階段所需克服的負(fù)載用圖表示出來(lái)。一般用負(fù)載時(shí)間（F-t）或負(fù)載位移（F-s）曲線表示，稱為負(fù)載循環(huán)圖。（1）液壓缸的負(fù)載分析 用液壓缸帶動(dòng)主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需克服的外負(fù)載動(dòng)力為： FL=F+Ff=Faa.工作負(fù)載F

4、不同機(jī)械的工作負(fù)載其形式各不同。對(duì)于金屬切削機(jī)床，作用在運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向上的切削力是工作負(fù)載；而對(duì)于提升機(jī)械，其重物的重量就是工作負(fù)載。工作負(fù)載可以是恒定的，也可以是變化的；可能是正值負(fù)載，也可能是負(fù)值負(fù)載。b.摩擦阻力負(fù)載Ff 摩擦阻力負(fù)載是指主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的支承面上的摩擦力。 Ff=Nii 式中 ： Ni作用在第i個(gè)支承面上的法向力； i該支承面的摩擦系數(shù)。i=1kc. 慣性負(fù)載Fa 計(jì)算出工作循環(huán)中各階段的外負(fù)載后，便可作出負(fù)載循環(huán)圖。上述組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)的負(fù)載循環(huán)圖如下。 慣性負(fù)載是指運(yùn)動(dòng)部件啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中的慣性力?？砂磁ｎD第二定律計(jì)算：Fa=ma=(G/g).(v/

5、t) 液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)還需克服密封裝置的摩擦阻力，其大小與密封形式、液壓缸的制造質(zhì)量和工作壓力有關(guān)。（2）液壓馬達(dá)負(fù)載分析 以液壓馬達(dá)為執(zhí)行元件時(shí)，液壓馬達(dá)需克服的外負(fù)載為： ML=M+Mf+Ms 式中：M工作負(fù)載折合到液壓馬達(dá)上的力矩； Mf執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的摩擦力折合到液壓馬達(dá)上的力矩； Ms執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)裝置和液壓馬達(dá)等在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的慣性力折合到液壓馬達(dá)上的力矩的總和。3、執(zhí)行元件容量的確定（1）選定工作壓力 工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計(jì)和系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也大；壓力過(guò)高，則對(duì)元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護(hù)要求提高，并使容積效率降低。

6、一般是根據(jù)機(jī)械的類型來(lái)選擇工作壓力。（2）液壓缸有效面積的確定 從滿足負(fù)載力的要求出發(fā) A=FL/cmp 當(dāng)工作速度很低時(shí)，按上式計(jì)算出的工作面積不一定能滿足最低穩(wěn)定速度的要求，因此應(yīng)按最低運(yùn)動(dòng)速度來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算，即液壓缸的有效工作面積應(yīng)滿足下式：A=Qmin/vmin 如驗(yàn)算結(jié)果不能滿足要求，則液壓缸有效工作面積按上式選取。（3）液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量的確定從滿足負(fù)載力矩的要求出發(fā)V=2ML/p.Mm必要時(shí)，也需按最低轉(zhuǎn)速要求進(jìn)行驗(yàn)算，即V=Qmin/nmin4.繪制液壓執(zhí)行元件工況圖 應(yīng)繪制的液壓執(zhí)行元件工況圖包括壓力循環(huán)圖、流量循環(huán)圖以及功率循環(huán)圖。根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖，將各階段的負(fù)載除以液壓缸的面積或

7、液壓馬達(dá)的容量，即可作出流量循環(huán)圖。在根據(jù)N=pQ可繪制出功率循環(huán)圖。組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)液壓缸的工況圖如下。工況圖的作用如下：（1）可以很方便地找出最高壓力點(diǎn)、最大流量點(diǎn)和最大功率點(diǎn)。（2）對(duì)合理地選擇系統(tǒng)的主機(jī)回路有知道意義。一、執(zhí)行元件的類型 根據(jù)主機(jī)部件所要求的運(yùn)動(dòng)形式，確定采用液壓缸還是液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件。主機(jī)要求往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則選用液壓缸；主機(jī)要求連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)選用液壓馬達(dá)。至于液壓缸或液壓馬達(dá)的具體結(jié)構(gòu)形式，可參照第三、四章提出的原則選用。實(shí)際上它們的選用還和工廠的慣例以及貨源有關(guān)。第二節(jié) 擬定液壓系統(tǒng)原理圖二、調(diào)速方案 調(diào)速方案主要是根據(jù)調(diào)速范圍、功率大小、低速穩(wěn)定性、允許的溫

8、升以及投資的多少等因素來(lái)考慮選用。節(jié)流調(diào)速結(jié)果簡(jiǎn)單，投資少，調(diào)速范圍大，低速穩(wěn)定性好，但系統(tǒng)效率低。故在功率不大，溫升限制不嚴(yán)的情況下優(yōu)先考慮。在功率較大的中高壓系統(tǒng)中，以采用容積調(diào)速為宜。但在某些功率不大的系統(tǒng)中，也常用容積調(diào)速。如果同時(shí)對(duì)低速穩(wěn)定性有較高要求，則可采用容積節(jié)流調(diào)速。三、控制方案 控制方式主要根據(jù)主機(jī)工藝要求來(lái)確定。執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多的工程機(jī)械、工程船舶以及起重機(jī)械等設(shè)備則可采用多路閥。一般說(shuō)來(lái)行程控制動(dòng)作可靠，是一種最通用的控制方式；合理地使用壓力控制可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，但在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)不宜多次使用；時(shí)間控制不單獨(dú)使用，往往和行程或壓力控制組合使用。按不同控制方式設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)、其繁簡(jiǎn)程度

9、可能差別很大。四、系統(tǒng)安全可靠性 擬定液壓系統(tǒng)圖時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性予以足夠的重視。為防止過(guò)載，安全閥是必不可少的。為避免垂直運(yùn)動(dòng)部件在系統(tǒng)失壓情況下自由下落，在回油路中增加平衡閥或液控單向閥是常用措施。用于起重機(jī)的液壓馬達(dá)除了有平衡回路外，還有機(jī)械制動(dòng)裝置以確保安全。在用一個(gè)泵供給兩個(gè)以上執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)防止互相干擾。在系統(tǒng)中合理地配置濾油器，是其長(zhǎng)期工作重要保證。五、節(jié)約能量 容積調(diào)速固然減少能耗，但雙泵供油及增加蓄能器等也能達(dá)到相當(dāng)好的效果。為了減少能耗，有時(shí)需增加一些投資，但考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行所需的費(fèi)用及社會(huì)效益，這樣做仍是可取的。六、其它如盡量采用標(biāo)準(zhǔn)元件以縮短設(shè)計(jì)和

10、制造周期降低成本等。一、選擇液壓泵1、計(jì)算液壓泵的工作壓力 泵的工作壓力是執(zhí)行元件工作壓力以及管道壓力損失之和。對(duì)液壓馬達(dá)或兩腔工作面積相等的液壓缸，則有： ps=p+p式中： ps泵的工作壓力； p液壓缸或液壓馬達(dá)的工作壓力，實(shí)際上p是壓差； p油流經(jīng)管道和各閥類時(shí)的全部壓力損失。第三節(jié) 計(jì)算和選擇液壓元件 對(duì)于兩腔工作面積不等的液壓缸（如圖），則有:Ps=FL/cm+pi+(A2/A1)p0管道中的壓力損失包括沿程損失和局部損失兩中。而流經(jīng)各種閥類的壓力損失則以局部損失為主，并且它在全部壓力損失中占有較大的比重。 在額定流量下流各種閥類的壓力損失可由產(chǎn)品樣本查得。當(dāng)流經(jīng)閥的實(shí)際流量為時(shí)，其

11、實(shí)際壓力損失可按下式估算。 p= pr(Q/Qr)2 對(duì)于壓力損失較為準(zhǔn)確的估算，只有在系統(tǒng)的閥類元件規(guī)格以及管道尺寸選定后才能進(jìn)行?，F(xiàn)階段只能進(jìn)行粗細(xì)估算。2、計(jì)算泵的流量 液壓泵的流量Qp為：QpK(Q)max對(duì)于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如果最大流量點(diǎn)處于調(diào)速狀態(tài)，則泵的供油量中還要增加溢流閥的最小溢流量。系統(tǒng)中有蓄能器時(shí)，則泵的流量按一個(gè)工作循環(huán)的平均流量選取，即：Qp(K/T). Qitii=1n3、選取液壓泵規(guī)格 參照產(chǎn)品樣本選取其額定壓力比p，高2560%，其流量與上述計(jì)算結(jié)果一致的液壓泵。4、計(jì)算功率，選用原動(dòng)機(jī)（1）按工作循環(huán)中最高功率點(diǎn)選用，即 N=(psQp)max/p 式中 ：N原

12、動(dòng)機(jī)功率； (psQp)max泵的壓力和流量乘積的最大值； p泵的總效率。對(duì)齒輪泵取0.600.75，柱塞泵取0.800.85。（2）如果帶動(dòng)泵的原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，而在一個(gè)循環(huán)中泵的功率變化較大，且最高功率點(diǎn)持續(xù)的時(shí)間很短，則按前式的計(jì)算結(jié)果來(lái)選電動(dòng)機(jī)，功率就會(huì)偏大，不經(jīng)濟(jì)。在在這種情況下，可根據(jù)電動(dòng)機(jī)允許的發(fā)熱來(lái)選取電動(dòng)功率。先算出循環(huán)中各階段所需功率，即： N1=p1Q1/p1 N2=p2Q2/p2 Nn=pnQn/pn則電動(dòng)機(jī)功率為：N=(N12t1+N22t2+Nn2tn)/(t1+t2+tn)1/2 將兩式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如果最大功率在電動(dòng)機(jī)超載能力范圍內(nèi)（一般為25%）。則可按第

13、二式選取電機(jī)。二、選擇控制閥 一般要求控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量。必要時(shí)，通過(guò)的流量可略大于該閥的額定流量，但一般不超過(guò)20%，以避免壓力損失過(guò)大，引起油液發(fā)熱、噪聲和其它性能惡化。流量閥按系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)范圍來(lái)選取，其最小穩(wěn)定流量應(yīng)能滿足機(jī)器性能的要求。三、選取液壓附件 濾油器、蓄能器、和管接頭等可按第五章中有關(guān)原則選取。選取油管和管接頭時(shí)比較簡(jiǎn)便的辦法是使它們的通徑和閥的通徑一致。 油箱既有儲(chǔ)油又有散熱的作用，因此必須有足夠容積和散熱面積。油箱容積的推薦數(shù)值如下：低壓系統(tǒng)（p2.5MPa, V=(2-4)Qp 中壓系統(tǒng) (p6.3MPa), V=(6-12)Qp第四節(jié) 繪制工作圖，編寫技術(shù)文件一、繪制工作圖工作圖包括：1、液壓系統(tǒng)圖 圖上應(yīng)注明各種元件的規(guī)格、型號(hào)以及壓力的調(diào)整值，畫出執(zhí)行元件完成的工作循環(huán)圖，列出相應(yīng)電磁鐵和壓力繼電器的工作狀態(tài)圖。2、元件集成塊裝配圖 通常用板將部分控制元件組合起來(lái)，稱為集成板。液壓件廠生產(chǎn)能完成各種功能的集成塊，設(shè)計(jì)者只需選用并繪制集成塊組合裝配圖。如沒有合適的集成可供選用，則需專門設(shè)計(jì)。3、泵站