液壓-第八章液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計和計算資料

1、液壓與氣壓(qy)傳動第八章液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(shj)和計算編寫：石延平共五十二頁本章(bn zhn)提要 本章介紹設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的基本步驟和方法，對于一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下幾個步驟： 明確設(shè)計要求，進(jìn)行工況分析； 擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 計算和選擇液壓元件； 發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算； 繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。 上述工作大部分情況下要穿插、交叉進(jìn)行，對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過(jnggu)多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計簡單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，要求對液壓系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容、步驟、方法有一個基本的了解。2共五十二頁 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機(jī)設(shè)計的一部分，它

2、除了應(yīng)符合主機(jī)動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面(fngmin)的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，效率高，經(jīng)濟(jì)性好，使用維護(hù)方便等條件。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡、借鑒的資料多少和設(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(jìn)行，甚至要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。 下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟予以介紹。8.1 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(shj)計算3共五十二頁8.1.1 明確設(shè)計要求、工作環(huán)境，進(jìn)行(jnxng)工況分析液壓系統(tǒng)的動作(dngzu)和性能要求主要有： 運動方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖等。就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、

3、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等。 要使所設(shè)計的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。8.1.1.1 明確設(shè)計要求及工作環(huán)境4共五十二頁 工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的速度和負(fù)載的變化規(guī)律，必要(byo)時還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時間或位移變化的曲線圖。 就缸而言，負(fù)載主要由六部分組成，即工作負(fù)載，導(dǎo)向摩擦負(fù)載，慣性負(fù)載，重力負(fù)載，密封負(fù)載和背壓負(fù)載。8.1.1.2 執(zhí)行元件(yunjin)的工況分析 5共五十二頁(1) 工作負(fù)載 不同的機(jī)器有不同的工作負(fù)載(fzi)。工作負(fù)載(fzi)與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負(fù)值。 導(dǎo)向摩擦(mc)負(fù)

4、載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時所受的導(dǎo)軌摩擦(mc)阻力。(2) 導(dǎo)向摩擦負(fù)載 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。(3) 慣性負(fù)載 6共五十二頁(4) 重力負(fù)載 密封負(fù)載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過(tnggu)液壓缸的機(jī)械效率加以考慮，常取機(jī)械效率值為0.900.97。(5) 密封負(fù)載 背壓負(fù)載(fzi)是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。(6) 背壓負(fù)載 7共五十二頁液壓缸各個主要(zhyo)工作階段的機(jī)械負(fù)載F可按下列公式計算空載啟動加速(ji s)階段:快速階段: 工進(jìn)階段: 制動減速:（10.4） （10.5） （10.6） （10.7）8

5、共五十二頁 液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件。擬定(ndng)液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計液壓系統(tǒng)的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性具有決定性的影響。10.1.2 液壓系統(tǒng)(xtng)原理圖的擬定10.1.2.1 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)行補油，并借此進(jìn)行冷卻交換來達(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)采用閉式回路。9共五十二頁 根據(jù)各類主機(jī)的工作特點、負(fù)載(fzi)性質(zhì)和性能要求，先確定對主機(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。例如:

6、 對于機(jī)床液壓系統(tǒng),調(diào)速和速度換接回路是主要回路； 對于壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，調(diào)壓回路是主要回路； 有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路； 慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)要考慮緩沖制動回路。 有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮順序動作、同步回路； 有空載運行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。8.1.2.2 選擇(xunz)液壓回路10共五十二頁 將挑選出來(ch li)的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠、動作平穩(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。8.1.2.3 繪制(huzh)液壓系統(tǒng)原理圖11共五十二頁8.1.3 液壓元件(yunjin)的計算

7、和選擇 結(jié)構(gòu)參數(shù)(cnsh)的確定是指根據(jù)執(zhí)行元件工作壓力和最大流量確定執(zhí)行元件的排量或油缸面積。8.1.3.1 執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定運動形式往復(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)行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達(dá)與齒輪/齒條或螺母/絲杠機(jī)構(gòu)高速液壓馬達(dá)低速大扭矩液壓馬達(dá)高速液壓馬達(dá)帶減速器擺動液壓缸表8.1選擇執(zhí)行元件的形式12共五十二頁 工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(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(qiáng)度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵。 反之，如果工作

8、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(shj)情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。?）初選執(zhí)行元件(yunjin)的工作壓力13共五十二頁（2）確定執(zhí)行(zhxng)元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定D和d。 對有低速運動要求(yoqi)的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進(jìn)行驗算，即應(yīng)保證：（10.8） 驗算結(jié)果若不能滿足式（10.8），則說明按所設(shè)計的結(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。式中：A液壓缸工作腔的有效工作面積； 控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量； 液壓缸要求達(dá)到的最低工作速

9、度。14共五十二頁（3）復(fù)算執(zhí)行元件(yunjin)的工作壓力 當(dāng)液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進(jìn)行一次復(fù)算。 在按上述方法確定的工作壓力還沒有計算回油路的背壓，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(fzi)所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力。15共五十二頁對于單桿液壓缸，其工作(gngzu)壓力P可按下列公式復(fù)算。有桿腔進(jìn)油階段（10.10）式中：F液壓缸在各工作階段的最大機(jī)械總負(fù)載； A1、A2 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； 液壓缸回油路的背壓。（10.9）無桿腔進(jìn)

10、油工進(jìn)階段16共五十二頁（4）執(zhí)行(zhxng)元件的工況圖 即執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量、功率對時間或位移的變化曲線圖。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，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(shj)步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計(shj)提供合理的依據(jù)。 對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略。 17共五十二頁 先根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況確定(qudng)泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格。8.1.3.2 選擇(xunz)液壓泵（10.11） 式中: 執(zhí)行元件的最高

11、工作壓力； 進(jìn)油路上總的壓力損失。（1） 液壓泵的最高供油壓力18共五十二頁液壓泵的最大供油量為：（2）確定(qudng)液壓泵的最大供油量（10.11） 式中: K系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取 K=1.11.3； 同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。19共五十二頁 液壓泵的規(guī)格型號按計算值在產(chǎn)品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應(yīng)有一定(ydng)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當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。（3）選擇(xunz)液壓泵的規(guī)格型號20共五十二頁 驅(qū)動泵的電機(jī)根據(jù)驅(qū)動功率和泵的轉(zhuǎn)速(zhun s)來選擇。 在

12、整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內(nèi)皆達(dá)到最大工作值時，驅(qū)動泵的電動機(jī)功率為：（4）選擇(xunz)驅(qū)動液壓泵的電動機(jī)（10.13） 式中： 液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本。 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的功率來計算。 工作中泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其均方根值即可。21共五十二頁 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(chǎn)品樣本(yngbn)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。 具體選擇時，應(yīng)注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選?。涣髁块y還需考慮最小穩(wěn)

13、定流量，以滿足低速穩(wěn)定性要求。8.1.3.3 選擇(xunz)閥類元件22共五十二頁 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。 對于固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)(xtng)的動力源，閥類元件集中安裝在主機(jī)外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源的振動與油溫變化對主機(jī)工作精度的影響。8.1.3.4 選擇(xunz)液壓輔助元件 23共五十二頁8.1.4 液壓系統(tǒng)技術(shù)(jsh)性能的驗算 液壓系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，需要對它的主要性能加以驗算，以便評判(pngpn)其設(shè)計質(zhì)量，并改進(jìn)和完善液壓系統(tǒng)。8.1.4.1 系統(tǒng)壓力損失的驗算

14、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液壓流體力學(xué)，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和。 在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，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(jìn)行概略地估算。24共五十二頁8.1.4.2 系統(tǒng)發(fā)熱(f r)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(jī)械損失，這些損耗能量的大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高從而導(dǎo)致油的粘度下降，油液變質(zhì)，機(jī)器零件變形，影響(yngxing)正常工作。為此，必須將溫升控制在許可范圍內(nèi)。 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。25共五十二頁 一般(ybn

15、)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（10.14） 式中第個工作階段系統(tǒng)的輸入功率；第個工作階段系統(tǒng)的輸出功率； 工作循環(huán)周期；第個工作階段的持續(xù)時間；總的工作階段數(shù)。26共五十二頁 液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，主要(zhyo)經(jīng)油箱散發(fā)到空氣中去，油箱在單位時間散發(fā)熱量的可按下式計算式中: A油箱的散熱面積； 液壓系統(tǒng)的溫升； 油箱的散熱系數(shù)，其值可查閱液壓設(shè)計手冊。系統(tǒng)的溫升為計算溫升值如果超過允許值，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)睦鋮s(lngqu)措施。27共五十二頁8.1.5 繪制正式工作圖和編制(binzh)技術(shù)文件8.1.5.1 繪制正式(zhn

16、gsh)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、液壓缸等非標(biāo)準(zhǔn)元件裝配圖及零件圖。液壓系統(tǒng)原理中應(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)圖和電磁鐵的動作順序表。 液壓系統(tǒng)裝配圖是液壓系統(tǒng)的安裝施工圖，包括油箱裝配圖，管路安裝圖等。28共五十二頁8.1.5.2 編制(binzh)技術(shù)文件 技術(shù)文件一般(ybn)包括液壓系統(tǒng)設(shè)計計算說明書，液壓系統(tǒng)使用及維護(hù)技術(shù)說明書，零、部件目錄表及標(biāo)準(zhǔn)件、通用件、外購件表等。29共五十二頁8.2 液壓系統(tǒng)(xtng)設(shè)計舉例 某廠要設(shè)計制造一臺雙頭車床，加工壓縮機(jī)拖車上一根長軸兩端的

17、軸頸。由于零件較長，擬采用零件固定，刀具旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的加工方式。其加工動作循環(huán)(xnhun)是快進(jìn)工進(jìn)快退停止。同時要求各個車削頭能單獨調(diào)整。其最大切削力在導(dǎo)軌中心線方向估計為12000N，所要移動的總重量估計為15000N，工作進(jìn)給要求能在0.0201.2mmin范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)速，快速進(jìn)、退速度一致，為 4 mmin，試設(shè)計該液壓傳動系統(tǒng)。 30共五十二頁機(jī)床(jchung)的外形示意圖。 1-左主軸頭；2-夾具(jij)；3-右主軸頭；4-床身；5-工件31共五十二頁8.2.1 確定對液壓系統(tǒng)的工作(gngzu)要求 根據(jù)加工要求，刀具旋轉(zhuǎn)由機(jī)械傳動來實現(xiàn)；主軸頭沿導(dǎo)軌中心線方向的“快進(jìn)一

18、工進(jìn)快退停止”工作循環(huán)擬采用液壓傳動(chundng)方式來實現(xiàn)。故擬選定液壓缸作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 考慮到車削進(jìn)給系統(tǒng)傳動功率不大，且要求低速穩(wěn)定性好，粗加工時負(fù)載有較大變化，故擬選用調(diào)速閥、變量泵組成的容積節(jié)流調(diào)速方式。 為了自動實現(xiàn)上述工作循環(huán)，并保證零件一定的加工長度（該長度并無過高的精度要求），擬采用行程開關(guān)及電磁換向閥實現(xiàn)順序動作。 32共五十二頁8.2.2 擬定(ndng)液壓系統(tǒng)工作原理圖 系統(tǒng)同時驅(qū)動兩個車削頭，且動作相同。為保證(bozhng)快速進(jìn)、退速度相等，并減小液壓泵的流量規(guī)格，擬選用差動連接回路。33共五十二頁 由快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)時，采用機(jī)動滑閥。工進(jìn)終了時。壓下電器行程開關(guān)返

19、回(fnhu)?？焱说浇K點，壓下電器行程開關(guān)，運動停止。分別調(diào)節(jié)(tioji)兩個調(diào)速閥，可使兩車削頭有較高的同步精度?？爝M(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)后，系統(tǒng)壓力升高，遙控順序閥打開，回油經(jīng)背壓閥回油箱。背壓閥使工進(jìn)時運動平穩(wěn)。34共五十二頁8.2.3 計算和選擇(xunz)液壓元件8.2.3.1 液壓缸的計算(j sun) (1)工作負(fù)載及慣性負(fù)載計算35共五十二頁 工作負(fù)載： N油缸所要移動負(fù)載總重量： N選取工進(jìn)時速度的最大變化量： m/s選?。?s 36共五十二頁 缸的密封阻力通常(tngchng)折算為克服密封阻力所需的等效壓力乘以液壓缸的有效面積。若密封結(jié)構(gòu)為Y型，可取 Peq=0.2MPa，缸的有效

20、面積初估值為 A1=80mm,則密封力為：（N） 啟動時：（N）運動時：(2) 密封(mfng)阻力的計算37共五十二頁（3）導(dǎo)軌摩擦阻力的計算(j sun)38共五十二頁（4）回油背壓造成(zo chn)的阻力計算 回油背壓，一般為 0.3-0.5MPa，取回油背壓 Pb=0.3MPa,考慮兩邊差動比為2,且已知液壓缸進(jìn)油腔的活塞面積 A1=80 mm,取有桿腔活塞面積A2=40 mm，將上述(shngsh)值代入公式得：（N）（N） 分析液壓缸各工作階段中受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總載荷：39共五十二頁（5）確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作(gngzu)壓力 根據(jù)經(jīng)驗確定(

21、qudng)系統(tǒng)工作壓力，選取 P=3MPa，則工作腔的有效工作面積和活塞直徑分別為：因為液壓缸的差動比為2，所以活塞桿直徑為：40共五十二頁根據(jù)液壓技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選取標(biāo)準(zhǔn)直徑則液壓缸實際計算工作壓力為:實際選取的工作壓力為:41共五十二頁 由于左右兩個切削頭工作時需做低速進(jìn)給運動，在確定油缸活塞面積 A1之后(zhhu)，還必須按最低進(jìn)繪速度驗算油缸尺寸。即應(yīng)保證油缸有效工作面積 A1為：qmin流量閥最小穩(wěn)定流量，在此取調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量為50ml/min； vmin活塞(husi)最低進(jìn)繪速度，本題給定為20mmmin。式中：42共五十二頁 根據(jù)(gnj)上面確定的液壓缸直徑，油缸有效工

22、作面積為：驗算說明活塞面積能滿足最小穩(wěn)定(wndng)速度要求。43共五十二頁8.2.3.2 油泵(yubng)的計算 對于調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，管路的局部壓力損失一般取 ，取總壓力損失 , 則液壓泵的實際計算工作壓力：(1) 確定(qudng)油泵的實際工作壓力，選擇油泵44共五十二頁取液壓系統(tǒng)的泄露系數(shù) kl= 1.1 ，則液壓泵的流量為： 根據(jù)求得的液壓泵的流量和壓力，又要求泵變量,選取YBN-40M型葉片泵。當(dāng)液壓缸左右兩個切削頭快進(jìn)時，所需的最大流量之和為：45共五十二頁 因該系統(tǒng)選用變量泵，所以應(yīng)算出空載快速、最大工進(jìn)時所需的功率(gngl)，按兩者的最大值選取電機(jī)的功率(gngl)。最大工進(jìn)：此時所需的最大流量為： 選取液壓泵的總效率為：=0.8，則工進(jìn)時所需的液壓泵的最大功率為：(2) 確定液壓泵電機(jī)(dinj)的功率46共五十二頁導(dǎo)軌摩擦力：空載條件下的總負(fù)載：47共五十二頁空載快速(kui s)時液壓泵所需的最大功率為： 選取(xunq)空載快速條件下的系統(tǒng)壓力損失