液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計

第2章液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計圖2.1液壓系統(tǒng)設(shè)計的一般流程液壓系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它除了應(yīng)符合主機動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面的規(guī)定外，還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡樸、工作安全可靠、效率高、壽命長、經(jīng)濟性好、使用維護方便等條件。液壓系統(tǒng)的設(shè)計沒有固定的統(tǒng)一環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡、借鑒的多寡和設(shè)計人員經(jīng)驗的不同，在做法上有所差異。各部分的設(shè)計有時還要交替進行，甚至要通過多次反復(fù)才干完畢。圖2.1所示為液壓系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和一般流程。2.1明確設(shè)計規(guī)定、進行工況分析2.1.1明確設(shè)計規(guī)定1．明確液壓系統(tǒng)的動作和性能規(guī)定液壓系統(tǒng)的動作和性能規(guī)定，重要涉及有：運動方式、行程和速度范圍、載荷情況、運動平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖規(guī)定、工作可靠性等。2．明確液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，重要是指：環(huán)境溫度、濕度、塵埃、是否易燃、外界沖擊振動的情況以及安裝空間的大小等。2.1.2執(zhí)行元件的工況分析對執(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(fù)載的大小、方向及其變化規(guī)律。通常是用一個工作循環(huán)內(nèi)各階段的速度和負(fù)載值列表表達，必要時還應(yīng)作出速度和負(fù)載隨時間（或位移）變化的曲線圖（稱速度循環(huán)圖和負(fù)載循環(huán)圖）。在一般情況下，液壓缸承受的負(fù)載由六部分組成，即工作負(fù)載、導(dǎo)軌摩擦負(fù)載、慣性負(fù)載、重力負(fù)載、密封負(fù)載和背壓負(fù)載，前五項構(gòu)成了液壓缸所要克服的機械總負(fù)載。1.工作負(fù)載FW不同的機器有不同的工作負(fù)載。對于金屬切削機床來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負(fù)載；對液壓機來說，工作的壓制抗力即為工作負(fù)載。工作負(fù)載FW與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負(fù)值（如順銑加工的切削力）。工作負(fù)載也許為恒值，也也許為變值，其大小要根據(jù)具體情況進行計算，有時還要由樣機實測擬定。2.導(dǎo)軌摩擦負(fù)載Ff導(dǎo)軌摩擦負(fù)載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時所受的導(dǎo)軌摩擦阻力，其值與運動部件的導(dǎo)軌型式、放置情況及運動狀態(tài)有關(guān)。機床上常用平導(dǎo)軌和V形導(dǎo)軌支承運動部件，其摩擦負(fù)載值的計算公式（導(dǎo)軌水平放置時）為：平導(dǎo)軌Ff=f(G+FN)（2.1）V形導(dǎo)軌（2.2）式中f——摩擦系數(shù)，其值參考表2.1；G——運動部件的重力（N）；FN——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載（N）；——V形導(dǎo)軌面的夾角，一般。表2.1導(dǎo)軌摩擦系數(shù)導(dǎo)軌種類導(dǎo)軌材料工作狀態(tài)摩擦系數(shù)滑動導(dǎo)軌鑄鐵對鑄鐵啟動低速運動高速運動0.16~0.20.1~0.220.05~0.08滾動導(dǎo)軌鑄鐵導(dǎo)軌對滾動體淬火鋼導(dǎo)軌對滾動體0.005~0.020.003~0.006靜壓導(dǎo)軌鑄鐵對鑄鐵0.00053.慣性負(fù)載Fa慣性負(fù)載是運動部件在啟動加速或制動減速時的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出，即（2.3）式中g(shù)——重力加速度（m/s2）； ——時間內(nèi)的速度變化值（m/s）；——啟動、制動或速度轉(zhuǎn)換時間（s）。可取=（0.01~0.5）s，輕載低速時取較小值；重載高速時取較大值。4.重力負(fù)載Fg重力負(fù)載是指垂直或傾斜放置的運動部件在沒有平衡的情況下，其自身質(zhì)量導(dǎo)致的一種負(fù)載力。傾斜放置時，只計算重力在運動方向上的分力。液壓缸上行時重力取正值，反之取負(fù)值。5.密封負(fù)載Fs密封負(fù)載是指密封裝置的摩擦力，其值與密封裝置的類型和尺寸、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)，F(xiàn)s的計算公式詳見有關(guān)手冊。在未完畢液壓系統(tǒng)設(shè)計之前，不知道密封裝置的參數(shù)，F(xiàn)s無法計算，一般用液壓缸的機械效率加以考慮，常取=0.90~0.97。6.背壓負(fù)載Fb背壓負(fù)載是指液壓缸回油腔壓力所導(dǎo)致的阻力。在系統(tǒng)方案及液壓缸結(jié)構(gòu)尚未擬定之前，F(xiàn)b也無法計算，在負(fù)載計算時可暫不考慮。液壓缸各個重要工作階段的機械總負(fù)載F可根據(jù)實際受力進行分析，通常按下列公式計算：啟動加速階段（2.4）快速階段（2.5）工進階段（2.6）制動減速階段（2.7）以液壓馬達為執(zhí)行元件時，負(fù)載值的計算類同于液壓缸。2.2執(zhí)行元件重要參數(shù)的擬定重要參數(shù)的擬定是指擬定液壓執(zhí)行元件的工作壓力和重要結(jié)構(gòu)尺寸，重要參數(shù)擬定的重要依據(jù)是執(zhí)行意見的工況分析（即負(fù)載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖）。液壓系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件型式可視主機所要實現(xiàn)的運動種類和性質(zhì)而定，見表2.2。表2.2選擇執(zhí)行元件的型式運動形式往復(fù)直線運動回轉(zhuǎn)運動往復(fù)擺動短行程長行程高速低速建議采用的執(zhí)行元件形式活塞缸柱塞缸液壓馬達與齒輪齒條機構(gòu)液壓馬達與絲桿螺母機構(gòu)高速液壓馬達低速液壓馬達高速液壓馬達與減速機構(gòu)齒條油缸與齒輪擺動馬達2.2.1初選執(zhí)行元件的工作壓力工作壓力是擬定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要依據(jù)，它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能。工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強度、剛度及密封規(guī)定高，且要采用較高壓力的液壓泵；反之，假如工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大。所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Α?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或主機設(shè)備類型選取，見表2.3和表2.4。表2.3按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力負(fù)載/kN<1010~2020~3030~50>50工作壓力/MPa0.8~1.21.5~2.53.0~4.04.0~5.0≥5.0表2.4按主機類型選擇執(zhí)行元件的工作壓力設(shè)備類型精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、工程機械輔助機構(gòu)液壓機、重型機械、大中型挖掘機、起重運送機械工作壓力/MPa0.8~23~55~1010~1620~322.2.2擬定執(zhí)行元件的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)1.液壓缸重要結(jié)構(gòu)尺寸的擬定在這里，液壓缸的重要結(jié)構(gòu)尺寸是指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d。計算和擬定D和d的一般方法見參考文獻[1]的5.1節(jié)，例如，對于單活塞桿液壓缸，可按參考文獻[1]中式（5.3）、式（5.4）、式（5.7）及D、d之間的取值關(guān)系計算D和d，并按系列標(biāo)準(zhǔn)值擬定D和d。對有低速運動規(guī)定的系統(tǒng)（如精鏜機床的進給液壓系統(tǒng)），尚需對液壓缸的有效作用面積進行驗算，即應(yīng)保證（m2）（2.8）式中A——液壓缸的有效作用面積（m2）；——控制執(zhí)行元件速度的流量閥的最小穩(wěn)定流量（m3/s），可從液壓閥產(chǎn)品樣本上查得；——液壓缸規(guī)定達成的最低工作速度（m/s）。驗算結(jié)果若不能滿足式（2.8），則說明按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達不到所需的低速，必須修改設(shè)計。2.液壓馬達重要參數(shù)的擬定液壓馬達所需排量V可按下式計算（mL/r）（2.9）式中T——液壓馬達的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；p——液壓馬達的兩腔工作壓差（Pa）；——液壓馬達的機械效率。求得排量V值后，從產(chǎn)品樣本中選擇液壓馬達的型號規(guī)格。2.2.3復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力當(dāng)液壓缸的重要尺寸D、d和液壓馬達的排量V計算出來以后，要按各自的系列標(biāo)準(zhǔn)進行圓整，通過圓整的標(biāo)準(zhǔn)值與計算值之間一般都存在一定的差別，因此有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進行一次復(fù)算。還須看到，在按上述方法擬定工作壓力的過程中，沒有計算回油路的背壓，因此所擬定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機械總負(fù)載所需的那部分壓力。在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d及V擬定之后，若選取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒担ㄈ绫?.5），即可求出執(zhí)行元件工作腔的壓力。表2.5執(zhí)行元件背壓的估計值系統(tǒng)類型背壓/MPa中低壓系統(tǒng)（0~8）MPa簡樸系統(tǒng)，一般輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)回油路帶背壓閥帶補油泵的閉式回路0.2~0.50.5~0.80.5~1.50.8~1.5中高壓系統(tǒng)（8~16）MPa同上比中低壓系統(tǒng)高50%~100%高壓系統(tǒng)（16~32）MPa如鍛壓機械等初算時背壓可忽略不計對于單活塞桿液壓缸，其工作壓力可按下列公式復(fù)算：差動快進階段（2.10）無桿腔進油工進階段（2.11）有桿腔進油快退階段（2.12）式中F——液壓缸在各工作階段的最大機械總負(fù)載（N）；、——分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效作用面積（m2）；——液壓缸回油路的背壓（Pa），在系統(tǒng)設(shè)計完畢之前無法準(zhǔn)確計算，可先按表2.5估計。差動快進時，有桿腔壓力大于無桿腔，其壓差p=是油液從有桿腔流入無桿腔的壓力損失。2.2.4執(zhí)行元件的工況圖各執(zhí)行元件的重要參數(shù)擬定之后，不僅可以復(fù)算液壓執(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。這時就可作出系統(tǒng)中各執(zhí)行元件在其工作過程中的工況圖，即液壓執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量和功率隨時間（或位移）的變化曲線圖（圖2.2為某一機床進給液壓缸工況圖）。當(dāng)液壓執(zhí)行元件不只有一個時，將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖進行疊加，便得到整個系統(tǒng)的工況圖。液壓系統(tǒng)的工況圖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(shè)計中選擇元件、回路或修正設(shè)計提供依據(jù)。對于單個執(zhí)行元件的系統(tǒng)或某些簡樸系統(tǒng)，其工況圖的繪制可以省略，而僅將計算出的各階段壓力、流量和功率值列表表達。圖2.2機床進給液壓缸工況圖—快進時間；—工進時間；—快退時間2.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定液壓系統(tǒng)原理圖是表達液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的圖樣。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理性、經(jīng)濟性具有決定性的影響。1.擬定油路類型一般具有較大空間可以存放油箱且不另設(shè)散熱裝置的系統(tǒng)，都采用開式油路；凡允許采用輔助泵進行補油并借此進行冷卻油互換來達成冷卻目的的系統(tǒng)，都采用閉式油路。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)采用閉式回路。2.選擇液壓回路在擬訂液壓系統(tǒng)原理圖時，應(yīng)根據(jù)各類主機的工作特點和性能規(guī)定，一方面擬定對主機重要性能起決定性影響的重要回路。例如，對于機床液壓系統(tǒng)，調(diào)速和速度換接回路是重要回路；對于壓力機液壓系統(tǒng)，壓力回路是重要回路。然后再考慮其它輔助回路，例如有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮重力平衡回路，有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動作、同步或互不干擾回路，有空載運營規(guī)定的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。3.繪制液壓系統(tǒng)原理圖將挑選出來的各個回路合并整理，增長必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個完整的液壓系統(tǒng)。在滿足工作機構(gòu)運動規(guī)定及生產(chǎn)率的前提下，力求所設(shè)計的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡樸、工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護保養(yǎng)方便。2.4液壓元件的計算和選擇2.4.1選擇液壓泵一方面根據(jù)設(shè)計規(guī)定和系統(tǒng)工況擬定液壓泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量來選擇液壓泵的規(guī)格。1.擬定液壓泵的最高供油壓力pp（2.13）式中——執(zhí)行元件的最高工作壓力（Pa）；——進油路上總的壓力損失（Pa）。如系統(tǒng)在執(zhí)行元件停止運動時才出現(xiàn)最高工作壓力，則；否則須計算出油液通過進油路上控制調(diào)節(jié)元件和管道時的各項壓力損失，初算時可憑經(jīng)驗進行估計，對簡樸系統(tǒng)取MPa，對復(fù)雜系統(tǒng)取MPa。2.擬定液壓泵的最大供油量液壓泵的最大供油量為（m3/s）（2.14）式中K——系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般取K=1.1~1.3，大流量取小值，小流量取大值；——同時動作的各液壓執(zhí)行元件所需流量之和的最大值（m3/s）。當(dāng)系統(tǒng)中采用液壓蓄能器供油時，由系統(tǒng)一個工作周期T中的平均流量擬定：（m3/s）（2.15）式中——系統(tǒng)在整個周期中第i個階段內(nèi)的用油量。假如液壓泵的供油量是按工進工況選取時（如雙泵供油方案，其中小流量泵是供應(yīng)工進工況流量的）其供油量應(yīng)考慮溢流閥的最小溢流量。3.選擇液壓泵的規(guī)格型號液壓泵的規(guī)格型號按計算值在產(chǎn)品樣本中選取。為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應(yīng)有一定的壓力儲備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%~60%。泵的額定流量則宜與相稱，不要超過太多，以免導(dǎo)致過大的功率損失。4.選擇驅(qū)動液壓泵的電動機驅(qū)動液壓泵的電動機根據(jù)驅(qū)動功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇。（1）在整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內(nèi)皆達成最大值時，驅(qū)動泵的電動機功率P為（W）（2.16）式中——液壓泵的最高供油壓力（Pa）；——液壓泵的實際輸出流量（m3/s）；——液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本，一般有上下限，規(guī)格大時取上限，規(guī)格小時取下限；變量泵取下限，定量泵取上限。（2）限壓式變量葉片泵的驅(qū)動功率，可按泵的實際壓力－流量特性曲線拐點處功率來計算。（3）在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其均方根值：（W）（2.17）式中，…，——一個工作循環(huán)中各階段所需的驅(qū)動功率（W）；，…，——一個工作循環(huán)中各階段所需的時間（s）。在選擇電動機時，應(yīng)將求得的值與各工作階段的最大功率值比較，若最大功率符合電動機短時超載25%的范圍，則按平均功率選擇電動機；否則應(yīng)適當(dāng)增大電動機功率，以滿足電動機短時超載25%的規(guī)定，或按最大功率選擇電動機。2.4.2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)工況圖中提供的該閥所在支路最大工作壓力和通過的最大流量從產(chǎn)品樣本中選取。各種閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)與其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(yīng)注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選??；流量閥還需考慮最小穩(wěn)定流量，以滿足低速穩(wěn)定性規(guī)定；單活塞桿液壓缸系統(tǒng)若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作用面積的n倍，當(dāng)有桿腔進油時，則回油流量為進油流量的n倍，因此應(yīng)以n倍的流量來選擇通過該回油路的閥類元件。2.4.3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(nèi)徑和壁厚，驗算公式見參考文獻[1]中的第7章。濾油器、液壓蓄能器和油箱容量的選擇亦見參考文獻[1]中第7章。2.4.4閥類元件配置形式的選擇對于機床等固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動力源、閥類元件（涉及某些輔助元件）集中安裝在主機外的液壓站上。這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源振動與油溫變化對主機工作精度的影響。而閥類元件在液壓站上的配置也有多種形式可供選擇。配置形式不同，液壓系統(tǒng)元件的連接安裝結(jié)構(gòu)和壓力損失也有所不同。閥類元件的配置形式目前廣泛采用集成化配置，具體有下列三種：1.油路板式油路板又稱閥板，它是一塊較厚的液壓元件安裝板，板式連接閥類元件由螺釘安裝在板的正面，管接頭安裝在板的側(cè)面，各元件之間的油路所有由板內(nèi)的加工孔道形成，見圖2.3。這種配置形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、調(diào)節(jié)方便、不易出故障；缺陷是加工較困難、油路的壓力損失較大。2.疊加閥式疊加閥與一般管式、板式連接標(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。它是自成系列的元件（圖2.4），每個疊加閥既起控制閥作用，又起通道體的作用。因此，疊加閥式配置不需要此外的連接塊，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)。這種配置形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、體積小、質(zhì)量輕、不需設(shè)計專用的連接塊，油路的壓力損失小。圖2.3油路板式配置2.4疊加閥式配置1-油路板；2-板式閥；3-管接頭圖2.5集成塊式配置圖1-油管；2-集成塊；3-液壓閥；4-電動機；5-液壓泵6-油箱3.集成塊式集成塊由通道體和其上安裝的閥類元件及管接頭組成。通道體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，其余三面均可安裝閥類元件。塊內(nèi)由鉆孔形成油路，一般一塊就是一個常用的典型基本回路。一個液壓系統(tǒng)往往由幾個集成塊組成，塊的上下兩面作為塊與塊之間的結(jié)合面，各集成塊與頂蓋、底板一起用長螺栓疊裝起來，即組成整個液壓系統(tǒng)，見圖2.5。總進油口與回油口開在底板上，通過集成塊的公共孔道直接通頂蓋。這種配置形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、油管少、可標(biāo)準(zhǔn)化、便于設(shè)計與制造、更改設(shè)計方便、油路壓力損失小。2.5液壓系統(tǒng)技術(shù)性能的驗算液壓系統(tǒng)初步設(shè)計完畢之后，需要對它的重要性能涉及系統(tǒng)的壓力損失和發(fā)熱溫升加以驗算，以便評價其設(shè)計質(zhì)量，并改善和完善液壓系統(tǒng)。下面介紹系統(tǒng)壓力損失及發(fā)熱溫升的驗算方法。2.5.1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，它們的計算公式詳見參考文獻[1]中第3章。管路總的壓力損失為（2.18）應(yīng)按系統(tǒng)工作循環(huán)的不同階段，對進油路和回油路分別計算壓力損失。但是，在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，和仍無法計算。為了盡早地評價系統(tǒng)的功率運用情況，避免后面的設(shè)計工作出現(xiàn)大的反復(fù)，在系統(tǒng)方案初步擬定之后，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失（見參考文獻[1]中第3章式（3.29））來對管路的壓力損失進行概略地估算，由于這部分損失在系統(tǒng)的整個壓力損失中占很大的比重。在對進、回油路分別算出和后，將此驗算值與前述設(shè)計過程中初步選取的進、回油路壓力損失經(jīng)驗值相比較，若驗算值較大，一般應(yīng)對原設(shè)計進行必要的修改，重新調(diào)整有關(guān)閥類元件的規(guī)格和管道尺寸等，以減少系統(tǒng)的壓力損失。需要指出，實踐證明，對于較簡樸的液壓系統(tǒng)，壓力損失驗算可以省略。2.5.2系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算液壓系統(tǒng)在工作時，有壓力損失、容積損失和機械損失，這些損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能，使