第九章液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計1

1、1歡迎學(xué)習(xí)第九章歡迎學(xué)習(xí)第九章2第九章第九章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算本章主要介紹液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計計算的主要內(nèi)容、步驟和方法。本章是本課程液壓傳動部分的綜合章節(jié)。重點：擬定液壓系統(tǒng)原理圖，選用液壓元件,設(shè)計液壓缸。 難點：液壓系統(tǒng)選用限壓式變量泵和節(jié)流閥的容積節(jié)流調(diào)速回路的功率計算。計劃學(xué)時：2學(xué)時3 第一節(jié) 概述 在前幾章中，對液壓傳動的基本原理，液壓元件的結(jié)構(gòu)、工作原理和基本回路等進(jìn)行了分析，本章的任務(wù)是應(yīng)用這些基本知識來討論液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計、計算的步驟和方法。液壓系統(tǒng)的設(shè)計必須重視調(diào)查研究，注意借鑒前人的經(jīng)驗。一般說來，液壓系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)著重解決的主要問題是滿足工作部件對力和

2、運(yùn)動兩方面的要求，在滿足工作性能和工作可靠性的前提下，應(yīng)力求系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)且維修方便。 設(shè)計一個液壓傳動系統(tǒng)，應(yīng)按下列步驟進(jìn)行： 1明確設(shè)計依據(jù)，進(jìn)行工況分析明確設(shè)計依據(jù)，進(jìn)行工況分析2初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)3擬定液壓系統(tǒng)圖擬定液壓系統(tǒng)圖4計算、選擇或設(shè)計液壓元件計算、選擇或設(shè)計液壓元件5液壓系統(tǒng)的性能驗算和繪制工作圖、編寫技術(shù)文件液壓系統(tǒng)的性能驗算和繪制工作圖、編寫技術(shù)文件性能驗算包括系統(tǒng)壓力損失驗算和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升驗算。正式工作圖一般包括正式的液壓系統(tǒng)工作原理圖、系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的裝配圖和零件圖。 應(yīng)該指出，在實際設(shè)計過程中，根據(jù)所設(shè)計機(jī)器的用途和

3、掌握的資料情況，上述步驟有的可以省略，有的可以合并。同時，各設(shè)計步驟是相互聯(lián)系、相互影響的。設(shè)計中往往是互相穿插，交叉進(jìn)行，有時還要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。4 設(shè)計的基本內(nèi)容和一般流程如下：設(shè)計的基本內(nèi)容和一般流程如下：(圖圖9-1)明確系統(tǒng)設(shè)計要求分析系統(tǒng)工況確定主要參數(shù)擬訂液壓系統(tǒng)草圖選擇液壓元件驗算液壓系統(tǒng)性能繪制工作圖，編制技術(shù)文件是否符合要求否否是是5第二節(jié)第二節(jié) 明確系統(tǒng)設(shè)計要求、進(jìn)行工況分析明確系統(tǒng)設(shè)計要求、進(jìn)行工況分析一、明確系統(tǒng)設(shè)計要求一、明確系統(tǒng)設(shè)計要求1、主機(jī)的用途、主要結(jié)構(gòu)、總體布局；主機(jī)對液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在位置布置和空間尺寸上的限制。2、主機(jī)的工作循環(huán)，液壓執(zhí)行元件的運(yùn)

4、動方式(移動、擺動或轉(zhuǎn)動)及其工作范圍。3、液壓執(zhí)行元件的負(fù)載和運(yùn)動速度的大小及其變化范圍。64、主機(jī)各液壓執(zhí)行元件的動作順序或互鎖要求。5、對液壓系統(tǒng)工作性能(如工作平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等)、工作效率、自動化程度等方面的要求。6、液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件。7、其它方面的要求。7二、執(zhí)行元件工況分析二、執(zhí)行元件工況分析 對液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，就是要查明它的每個執(zhí)行元件在各自工作過程中的運(yùn)動速度和負(fù)載的變化規(guī)律。這是滿足主機(jī)規(guī)定的動作要求和承載能力所必需具備的。分析系統(tǒng)工況的重要性分析系統(tǒng)工況的重要性8 液壓系統(tǒng)承受的負(fù)載液壓系統(tǒng)承受的負(fù)載 當(dāng)用理論分析確定系統(tǒng)的實際負(fù)載時，必須仔細(xì)考慮它所有

5、的組成項目，例如：工作負(fù)載（切削力、擠壓力、彈性塑性變形拉力、重力等），慣性負(fù)載和阻力負(fù)載（摩擦力、背壓力）等，并把它們繪成圖形。9工 進(jìn)快 進(jìn)原位快 進(jìn)圖92 工作循環(huán)圖反向啟動減速制動快退啟動快進(jìn)制動工進(jìn)圖93 速度循環(huán)圖 (一一)運(yùn)動分析運(yùn)動分析 運(yùn)動分析就是分析主機(jī)按其工藝要求，以何種運(yùn)動規(guī)律完成一個工作循環(huán)。要求畫出速度循環(huán)圖。圖92、93分別為一組合機(jī)床動力滑臺的工作循環(huán)圖和速度循環(huán)圖。 10 (二二)動力分析動力分析 1液壓缸的負(fù)載分析液壓缸的負(fù)載分析 (1) 工作阻力Fw沿液壓缸運(yùn)動方向的切削分力、重力、擠壓力等。 (2) 摩擦阻力Ff液壓缸工作機(jī)構(gòu)工作時所要克服的機(jī)械摩擦力。

6、對于機(jī)床來說，既導(dǎo)軌摩擦阻力，它與導(dǎo)軌形狀、放置情況以及運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。選最常見的兩種導(dǎo)軌型式（圖94）為例，其摩擦阻力計算公式為：對平導(dǎo)軌： 對V形導(dǎo)軌： 式中： FG運(yùn)動部件的總重(N)； 對平導(dǎo)軌為垂直于導(dǎo)軌方向上的切削分力；對V型導(dǎo)軌為沿V形導(dǎo)軌橫剖面中心線方向作用于導(dǎo)軌上的切削分力 V型導(dǎo)軌的夾角，一般為90； f摩擦系數(shù)，它有靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)之分，在機(jī)床滑動導(dǎo)軌上，一般f fj j0.20.3，f fd d0.050.1。啟動時按靜摩擦系數(shù)計算，運(yùn)動時按動摩擦系數(shù)計算。 圖94 導(dǎo)軌的受力分析 (b)對稱V形導(dǎo)軌(a)平導(dǎo)軌F重F重F切切F)(GGfFFfF2sin)(aFFf

7、FGGfGF11(3)慣性阻力Fa工作部件在啟動和制動過程中的慣性力。式中：a工作部件的加速度；t啟動加速或減速制動的時間，對一般機(jī)床主運(yùn)動t =0.250.5s,進(jìn)給運(yùn)動t0.10.5s，磨床t0.010.05s，低速輕載運(yùn)動部件取較小值，反之取較大值。 v 在t時間內(nèi)的速度變化量。 慣性阻力有正有負(fù)，啟動時為正，制動時為負(fù)。 (4) 重力FG垂直或傾斜放置的工作部件。 (5) 密封阻力Fmm密封件在相對運(yùn)動中產(chǎn)生的摩擦阻力。 (6) 背壓阻力Fb液壓缸回油路上的阻力。 2.機(jī)床液壓缸在各工作階段總外負(fù)載機(jī)床液壓缸在各工作階段總外負(fù)載Ff的計算的計算(1) 啟動階段啟動階段 (2) 加速階段

8、加速階段(3) 快進(jìn)階段快進(jìn)階段 (4) 工進(jìn)階段工進(jìn)階段 (5) 制動階段制動階段gmjfFFFGmdfFFFgmdwfFFFFgamdfFFFF12式中：Fmj靜摩擦阻力 Fmd動摩擦阻力 3.繪液壓缸負(fù)載圖繪液壓缸負(fù)載圖 當(dāng)液壓執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)時，對其負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的分析和計算，思考方法與液壓缸相同。 13 第三節(jié)、執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定第三節(jié)、執(zhí)行元件主要參數(shù)的確定一一確定執(zhí)行元件的類型確定執(zhí)行元件的類型 根據(jù)工作部件所需的運(yùn)動形式、速度、負(fù)載的性質(zhì)和工作環(huán)境參考表91，確定執(zhí)行元件的類型。 執(zhí)行元件適用工作狀況應(yīng)用實例液壓缸單活塞桿缸雙向工作、往復(fù)運(yùn)動速度不同、承受負(fù)載范圍大組合機(jī)床、

9、拉床、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、液壓機(jī)等雙活塞桿缸雙向工作、往復(fù)運(yùn)動相等、承受負(fù)載較小磨床工作臺柱塞缸行程較長時，成對使用或單向回程靠外力、負(fù)載大龍門刨床、工程機(jī)械升降機(jī)、自卸汽車等齒條活塞缸負(fù)載不大的擺動運(yùn)動機(jī)械手、回轉(zhuǎn)工作臺、轉(zhuǎn)位夾具等液壓馬達(dá) 齒輪式馬達(dá)速度平穩(wěn)性要求較低、工作環(huán)境差、負(fù)載力矩不大攻絲、鉆床、風(fēng)扇驅(qū)動。對體積受限制時選擺線齒輪式葉片式馬達(dá)噪聲要求較小的場合、負(fù)載力矩較低磨床回轉(zhuǎn)工作臺、機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)柱塞式馬達(dá)有變速和邊力矩要求、低速平穩(wěn)性要求高、負(fù)載力矩較大的場合數(shù)控機(jī)床、鉸車、鏟車、內(nèi)燃機(jī)、起重機(jī)等低速大扭矩馬達(dá)轉(zhuǎn)速底、平穩(wěn)性高、負(fù)載力矩大的場合農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等擺

10、動型馬達(dá)往復(fù)擺動角的運(yùn)動。比齒條活塞缸的體積要小石油機(jī)械、機(jī)械手、料斗等 表91 常用執(zhí)行元件的應(yīng)用 14二、初選執(zhí)行元件的工作壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運(yùn)動循環(huán)各階段中的最大總負(fù)載力來確定，此外，還需要考慮以下因素： (1)各類設(shè)備的不同特點和使用場合。 (2)考慮經(jīng)濟(jì)和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：一是根據(jù)機(jī)械類型選；二是根據(jù)切削負(fù)載選。15表92 按負(fù)載大小選擇液壓缸工作壓力負(fù)載F （KN）551010202030304050液壓缸工作壓力（MPa）0.81

11、.01.52.02.53.03.04.04.05.05.07.0表93 設(shè)備常用的工作壓力設(shè)備類型磨床組合機(jī)床車床銑床鏜床衍磨機(jī)床龍門刨床拉床農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu)液壓機(jī)、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械系統(tǒng)工作壓力(MPa)0.82.03.05.02.04.02.05.02.08.08.010.010.016.016.032.016三、三、 執(zhí)行元件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定執(zhí)行元件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定1. 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 當(dāng)液壓缸工作速度很低時，尚須按速度要求驗算缸的有效工作面積。以滿最低穩(wěn)定速度的要求，即A應(yīng)滿足下式： 式中：A 液壓缸有效工作面積； qmin 流量

12、閥或變量泵的最小穩(wěn)定量(由產(chǎn)品樣本查得)； Vmin 主機(jī)要求的最低工作速度。 液壓缸所需的最大流量液壓缸所需的最大流量 式中 AjG 液壓缸進(jìn)油腔的有效工作面積 V max液壓缸的最大運(yùn)動速度 minminvQA maxmaxvAqjG172、執(zhí)行元件的工況圖、執(zhí)行元件的工況圖 工況圖是在執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，算出不同階段中的實際工作壓力、流量和功率之后作出的。18ot1t2t3ot1t2t3ttot1t2t3ta )b )c )pqP圖96 執(zhí)行元件工況圖 a）壓力圖 b）流量圖 c）功率圖 t1快進(jìn)時間 t2共進(jìn)時間 t3快退時 間 19工況圖的作用是：1）通過工況

13、圖找出最大壓力、最大流量點和最大功率點,分析各工作階段中壓力、流量變化的規(guī)律,作為選擇液壓泵和控制閥的依據(jù)。2）驗算各工作階段所確定參數(shù)的合理性。例如當(dāng)功率圖上各階段的功率相差太大時,可在工藝情況允許的條件下,調(diào)整有關(guān)階段的速度,以減小系統(tǒng)需用的功率。當(dāng)系統(tǒng)有多個液壓缸工作時，應(yīng)把各液壓缸的功率圖按循環(huán)要求疊加后進(jìn)行分析,若最大功率點互相重合,功率分布很不均衡,則同樣應(yīng)在工藝條件允許情況下,適當(dāng)調(diào)整參數(shù),避開或削減功率“高峰”,增加功率利用的合理性,以提高系統(tǒng)的效率。 3）通過對工況圖的分析,可以合理地選擇系統(tǒng)主要回路。油源形式和油路循環(huán)形式等,如果在一個循環(huán)內(nèi)流量變化很大,則不適宜采用單定量

14、泵,也不宜采用蓄能器,而適宜采用“大小泵”的雙泵供油回路或限壓式變量泵的供油回路。以上分析、計算和調(diào)整,有利于擬定出較為合理、完善的液壓系統(tǒng)方案。20 第四節(jié)第四節(jié) 系統(tǒng)原理圖的擬定系統(tǒng)原理圖的擬定一、調(diào)速方案的確定一、調(diào)速方案的確定 1）在小壓力、小功率 (23kW以下)、工作平穩(wěn)性要求不高的系統(tǒng)，宜采用節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速回路； 2）負(fù)載變化較大、速度穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)，宜采用調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路； 3）中等功率 (35kW)、溫升小的系統(tǒng)，可采用節(jié)流調(diào)速回路或容積調(diào)速回路或采用容積節(jié)流調(diào)速回路(要求工作平穩(wěn)性好)； 4）高壓大功率 (5kW以上)系統(tǒng)，宜采用容積調(diào)速回路，以提高液壓系統(tǒng)效率。在

15、調(diào)速回路確定后，油路的循環(huán)形式基本上也就確定了。二、快速回路和速度換接方式的選擇三、油源的選擇三、油源的選擇四、其它回路的選擇四、其它回路的選擇五、五、液壓系統(tǒng)的組合液壓系統(tǒng)的組合 在擬定液壓系統(tǒng)原理圖時，應(yīng)盡量避免回路之間互相干擾或采用防干擾回路；在液壓基本回路中，盡可能去掉相同作用的元件，力求系統(tǒng)簡單、工作可靠，元件品種規(guī)格要少，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件；力求提高液壓系統(tǒng)的工作效率，防止系統(tǒng)過熱；防止液壓沖擊，采用蓄能器消除液壓沖擊，或在油缸進(jìn)口處安裝過載溢流閥及設(shè)計緩沖裝置，還可以增設(shè)緩沖回路等。為了調(diào)整和檢修上的方便，擬定液壓系統(tǒng)原理圖時，應(yīng)在泵源出口、系統(tǒng)中壓力閥等處設(shè)置必要的測壓點，可由測壓

16、點處壓力表觀察系統(tǒng)是否正常工作。 21表8-1 電磁鐵和行程閥動作表 電磁鐵、行程閥動 作電 磁 鐵行程閥1YA2YA3YA快進(jìn)+-一工進(jìn)+-+二工進(jìn)+-+死擋塊停留+-+快退-+-+原位停止-（注：“+”號表電磁鐵得電或行程閥壓下；反之，用“-”號）。22 第五節(jié)第五節(jié) 液壓系統(tǒng)元件的選擇液壓系統(tǒng)元件的選擇一、液壓泵的選定一、液壓泵的選定 （一）確定液壓泵的最高工作壓力（一）確定液壓泵的最高工作壓力pp ppp1+p式中：p1執(zhí)行元件的最高工作壓力；p進(jìn)油路上管路壓力損失的總和。 初算時，簡單系統(tǒng)p?。?5）105Pa，復(fù)雜系統(tǒng)p?。?15）105Pa。 （二）確定液壓泵的最大流量（二）確定

17、液壓泵的最大流量qp qpK(q)max 式中： K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般K=1.11.3; (q)max執(zhí)行元件同時工作時，系統(tǒng)所需最大流量。當(dāng)采用蓄能器的系統(tǒng)時，泵的最大流量qp,根據(jù)系統(tǒng)在一個工作循環(huán)中執(zhí)行元件的平均流量與回路泄漏量之和。 采用差動回路時，應(yīng)按差動連接的最大流量進(jìn)行計算。 （三）選擇液壓泵規(guī)格型號（三）選擇液壓泵規(guī)格型號 液壓泵的主要參數(shù)為額定壓力和流量，選取額定壓力比pp高2550%、流量與系統(tǒng)所需的qp相當(dāng)?shù)谋谩?（四）確定液壓泵電動機(jī)功率（四）確定液壓泵電動機(jī)功率 ppiqPpp23 二、液壓控制閥的選擇二、液壓控制閥的選擇 根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過該閥的最大流量由

18、產(chǎn)品樣本選擇液壓控制閥的規(guī)格型號。特殊需要時才自行設(shè)計專用控制閥。 三、液壓輔件的選擇三、液壓輔件的選擇 液壓輔件如油箱、蓄能器、濾油器、管件和密封件的選擇，可按照第六章中有關(guān)論述選用。四四 、液壓裝置結(jié)構(gòu)形式的選擇、液壓裝置結(jié)構(gòu)形式的選擇 .板式配置板式配置 242 集成塊式配置 3 疊加閥式配置 25第六節(jié)第六節(jié) 液壓系統(tǒng)的驗算及技術(shù)文件的編制液壓系統(tǒng)的驗算及技術(shù)文件的編制 一、液壓系統(tǒng)的驗算一、液壓系統(tǒng)的驗算 (一一) 壓力損失的計算和確定壓力閥的調(diào)整壓力壓力損失的計算和確定壓力閥的調(diào)整壓力 1管路系統(tǒng)的壓力損失管路系統(tǒng)的壓力損失計算，一般要根據(jù)管路裝配草圖的進(jìn)油管路和回油管路分別進(jìn)行，

19、公式為：p = pL+pJ+pF （MPa）式中： p 油液流經(jīng)管路時的總壓力損失； pL 油液流經(jīng)管路時的沿程壓力損失； pJ 油液流經(jīng)管接頭、變徑管等處的局部壓力損失； pF 油液流經(jīng)管路上閥類元件時的壓力損失(主要是局部壓力損失)。 26沿程壓力損失除可按液壓流體力學(xué)中的公式計算外，還可在管流為層流時，用下式估算： pL = 105 （MPa）式中：油的運(yùn)動粘度(cst) q通過管道的流量(1min) 1管道長度(m) d管道內(nèi)徑(mm)管道上的局部壓力損失可按pJ (0.050.15)pL 進(jìn)行估算。閥類元件額定流量下的壓力損失Pe，可查產(chǎn)品樣本。在實際流量不為閥的額定流量時，其壓力損

20、失可按下式估算。 pF = pe （MPa）418dvq2nqq27式中：pn閥在額定流量下的壓力損失（MPa）； q通過閥的實際流量(m3s)； qn閥的額定流量(m3s)。 2確定溢流閥的調(diào)整壓力py py pjG+pj （MPa） 式中： pjG 液壓缸進(jìn)口的壓力(Pa)； pj 液壓缸進(jìn)油路上的總壓力損失(Pa)。 (二二)系統(tǒng)發(fā)熱量的估算系統(tǒng)發(fā)熱量的估算 各種液壓機(jī)械油溫升高的溫度在允許值應(yīng)在(表95)中的范圍內(nèi)，才能保證系統(tǒng)正常工作。 液壓設(shè)備名稱正常工作溫度最高允許溫度油及油箱的溫升機(jī) 床工程機(jī)械、礦山機(jī)械數(shù) 控 機(jī) 床金屬粗加工機(jī)械、無屑加工機(jī)械機(jī) 車 車 輛船 舶305550

21、8030504070 406030605570709055706090 708080903050354025表95 各種機(jī)械允許油溫 （） 28 1系統(tǒng)發(fā)熱量的計算系統(tǒng)發(fā)熱量的計算油泵、油馬達(dá)能量損失所轉(zhuǎn)換的熱量H1為 H1=N（1 ）860 （kcal/h） 式中：N驅(qū)動油泵或油馬達(dá)的功率 （kw）； 油泵或油馬達(dá)的總效率。其中： 1 kw=860kcal / h若在整個過程中有功率變化，則根據(jù)各工作階段的發(fā)熱量求出總的平均發(fā)熱量，即: （kcal / h） 式中：T工作循環(huán)的周期 （h）； t1某一工作階段所需時間（h）； i i 在t1所對應(yīng)的工作階段中油泵或油馬達(dá)的總效率； N1t1所對應(yīng)的工作階段中油泵或油馬達(dá)的驅(qū)動效率（kw）; ;溢流閥溢流損失所轉(zhuǎn)換的熱量H2為 （kcal / h）式