3液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算

一.工況分析首先根據(jù)已知條件，繪制運(yùn)動(dòng)部件的速度循環(huán)圖，如圖1-1所示，然后計(jì)算各階段的外負(fù)載并繪制負(fù)載圖。液壓缸所受外負(fù)載F包括三種類型，即F=Fw+Ff+Fa式中Fw工作負(fù)載，對(duì)于金屬切削機(jī)床來說，即為沿活塞運(yùn)動(dòng)方向的切削力，本題中Fw=15000N;Fa運(yùn)動(dòng)部件速度變化時(shí)的慣性負(fù)載；Ff導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)為靜摩擦阻力，啟動(dòng)后為動(dòng)摩擦阻力，對(duì)于平導(dǎo)軌Ff可由下式求得Ff=f(G+Frn);G運(yùn)動(dòng)部件重力；Frn垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，本題為零；f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，本題中取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1.則求得Ffs=0.2X18000N=3600NFfa=0.1X18000N=1800NFa=GAv/gAt式中g(shù)重力加速度；△t——加速或減速時(shí)間，一般At二0.01?0.5s△v△弋時(shí)間內(nèi)的速度變化量。本題中Fa=18000X0.02/9.8X0.5=367N根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，列出各工作階段所受的外負(fù)載(見表1-1)，并畫出如圖1-2所示的各負(fù)載循環(huán)圖。表1-1工作循環(huán)各階段的外負(fù)載工作循環(huán)外負(fù)載F(N)工作循環(huán)外負(fù)載F(N)啟動(dòng)加速F二Ffs+Fa3967工進(jìn)F=Ffa+Fw16800快進(jìn)F=Ffa1800快退F=Ffa1800擬定液壓系統(tǒng)原理圖（1）確定供油方式考慮到該機(jī)床在工作進(jìn)給時(shí)負(fù)載較大，速度較低。而在快進(jìn)、快退時(shí)負(fù)載較小，速度較高。從節(jié)省能量、減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜選用雙泵供油或變量泵供油。現(xiàn)采用帶壓力反饋的限壓式變量葉片泵。⑵調(diào)速方式的選擇在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn)，決定采用限壓變量泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。⑶速度換接方式的選擇本系統(tǒng)中采用電磁閥的快慢速換接回路，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)行程比較方便，閥的安裝也較容易，但速度換接的平穩(wěn)性較差。⑷夾緊回路的選擇用二位四通電磁閥來控制夾緊、松開換向動(dòng)作時(shí)，為了避免工作時(shí)突然失電而松開，應(yīng)采用失電夾緊方式?？紤]到夾緊時(shí)間可調(diào)節(jié)和當(dāng)進(jìn)油路壓力瞬時(shí)下降時(shí)仍能保持夾緊力，所以接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓閥，用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。最后把所選擇的液壓回路組合起來，即可組合成圖1-3所示的液壓系統(tǒng)原理圖。44原理圖分析：由三位四通電磁換向閥，單向調(diào)速閥、二位三通電磁換向閥、液壓缸及液壓泵組成的行程控制差動(dòng)回路：電磁鐵1YA和3YA都通電，液壓缸實(shí)現(xiàn)差動(dòng)快進(jìn)，快進(jìn)結(jié)束時(shí)3YA斷電，液壓缸轉(zhuǎn)為工進(jìn)，速度調(diào)速閥決定；1YA和3YA斷電，2YA通電時(shí)液壓缸實(shí)現(xiàn)快退。由溢流閥和液壓閥組成的調(diào)壓回路：泵出口壓力油溢流閥的調(diào)速壓力決定只要溢流閥開啟，系統(tǒng)壓力基本恒定，即“溢流定壓”。液壓系統(tǒng)中各電磁鐵的動(dòng)作順序如下表所示：動(dòng)作1YA2YA3YA快進(jìn)+—+工進(jìn)+——快退—+—液壓系統(tǒng)的計(jì)算和選擇液壓元件（1）液壓缸主要尺寸的確定1）工作壓力P的確定。工作壓力P可根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類型來初步確定，現(xiàn)參閱表2-1取液壓缸工作壓力為3Mpa.2）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d.由負(fù)載F為16800N按表2-2可取P2為0.5MP,n為0.95.考慮到快進(jìn)快退速度相等，取d/D為0.7.將上述數(shù)據(jù)代cm入式（2-3河得DD根據(jù)表2-4將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=90mm活塞桿直徑d,按d/D=0.7及表2-5活塞桿直徑系列d=63按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算液壓缸的最小穩(wěn)定速度，由式2-4可得A三q/v=（0.05X1000）/10二式中：q是1由產(chǎn)品樣本查得GE系列調(diào)速閥minA=3.14X（D2-d2）/4=可見上述不等式成立，滿足液壓缸所需低速。3）計(jì)算各階段液壓缸所需流量Q=3.14d2v/4=快進(jìn)快進(jìn)Q=3.14D2v/4=工進(jìn)工進(jìn)Q=3.14（D2-d2）v/4=快退快退

（2）確定液壓泵的流量、壓力和選擇泵的規(guī)格1）泵的工作壓力的確定。考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為Pp=Pi+》Ap式中Pp液壓泵最大工作壓力；P1執(zhí)行元件最大工作壓力；工Ap——進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)簡單系統(tǒng)可取0.2?0.5MPa,復(fù)雜系統(tǒng)取0.5?1.5MPa,本例取0.5MPa。p=P1+SAp=（3+0.5）MPa=3.5MPa上述計(jì)算所得的pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定壓力儲(chǔ)備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力pn應(yīng)滿足p三（1.25~1.6）pp。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。在本例中pn=1.25pp=4.4MPa。2）泵的流量確定。液壓泵的最大流量為qp±KL（Yq）max式中qp—液壓泵的最大流量為；（工q）――同時(shí)動(dòng)作的個(gè)執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這日時(shí)溢流閥正進(jìn)行工作，尚須加溢流閥的最小溢流量2~3L/min；Kl——系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取Kl=1.1?1.3,現(xiàn)取Kl=1.2。q=Kt（工q）=1.2X20L/min=24L/min?Lmax。根據(jù)以上算得的pp和qp再查閱有關(guān)手冊，現(xiàn)選用YBX-16限壓式變量葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量q0=16Ml/r，泵的額定壓力pn=6.3MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nH=1450r/min，容積效率nv=0.85，總效率n=0.7。4）與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定。首先分別算出快進(jìn)以工進(jìn)兩種不同工況時(shí)的功率，取兩者較大值作為選擇電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù)。由于在慢進(jìn)時(shí)泵輸出的流量減少,泵的效率急劇降低，一般當(dāng)流量在0.2~1L/min范圍內(nèi)時(shí)，可取n=0.03?0.14。同時(shí)還應(yīng)該注意到，為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率時(shí)不致停轉(zhuǎn)，需進(jìn)行驗(yàn)算，即pq式中P――所選電動(dòng)機(jī)額定功率；nPB――限壓式變量泵的限定壓力；qp壓力為PB時(shí)，泵的輸出流量。首先計(jì)算快進(jìn)時(shí)的功率，快進(jìn)時(shí)的外負(fù)載為2500N，進(jìn)油路的壓力損失定為0.3MPa，由式（1-4）可得2500兀x2500兀x0.072x10-6+0.3)MPa=095MPa快進(jìn)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)功率為60x0.7P二^pqp二0.95X20kw=0.45kw60x0.7工進(jìn)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)功率P為3.5x9.42P=kw=0.79kw60x0.7查閱電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本，選用Y90S-4型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為l.lkw，額定轉(zhuǎn)速為1400r/min。根據(jù)產(chǎn)品樣本可查得YBX-l6的流量壓力特性曲線。再由已知的快進(jìn)式流量為24L/min,工進(jìn)時(shí)流量為11L/min,壓力為3.5MPa。做出泵的實(shí)際工作時(shí)的流量壓力特性曲線，如圖1-4所示，查得該曲線拐點(diǎn)處的流量為24L/min,壓力為2.6MPa，該工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率為2.6x24P=kw=1.48kw60x0.7

所選電動(dòng)機(jī)功率滿足式（1-6），拐點(diǎn)處能正常工作。（3）液壓閥的選擇本液壓系統(tǒng)可采用力士樂系統(tǒng)或GE系列的閥。方案一：控制液壓缸部分用力士樂系列的閥，其夾緊部分選用疊加閥。方案二：均選用GE系列閥。根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)圖，按通過各個(gè)元件的最大流量來選擇液壓元件的規(guī)格。選定的液壓元件如表1-2所示。（4）確定管道尺寸油管內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件接口尺寸而定，也可按管路允許流速進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)主油路流量為差動(dòng)時(shí)流量q=40L/min，壓油管的允許流速取v=4m/s，內(nèi)徑d為d=4.6\.q/v=4.6、40/4mm=14.5mm若系統(tǒng)主油路流量按快退是取q=20L/min，則可算得油管內(nèi)徑d=10.3mm。綜合諸因素，現(xiàn)取油管的內(nèi)徑d為12mm。吸油管同樣可按上式計(jì)算（q=24L/min、v=1.5m/s）,現(xiàn)參照YBX-16變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑d為25mm。（5）液壓油箱容積的確定本例為中壓液壓系統(tǒng)，液壓油箱有效容量按泵的流量的5~7倍來確定（參照表4-1），現(xiàn)選用容量為160L的油箱。液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算已知該液壓系統(tǒng)中進(jìn)、回油管的內(nèi)徑均為12mm，各段管道的長度分別為：AB=0.3m,AC=1.7m,AD=1.7m,DE=2m。選用L-HL32液壓油，考慮到油的最低溫度為15°C時(shí)該液壓油的運(yùn)動(dòng)粘v=150cst=1.5cm2/s,油的密度P=920kg/m3。（1）壓力損失的驗(yàn)算1）工作進(jìn)給時(shí)進(jìn)油路壓力損失。運(yùn)動(dòng)部件工作近給時(shí)的是、最大速度為1.2m/min，進(jìn)給時(shí)的最大流量為9.42L/min,則液壓油在管內(nèi)流速v為4x4x9.42x1033.14x1.22cm/min=8330cm/min=139cm/s管道流動(dòng)雷洛數(shù)Re為11.5Re=柬==1111.51Vv1=v1=472v1=v1=472Re<2300，可見有野在管道內(nèi)流態(tài)為層流，其沿程阻力系數(shù)入=75/11Re1=75/111=0.68。進(jìn)油管BC的沿程壓力損失Ap1-1為Api-i九丄Api-i九丄￡Vi

d~2=0.68x(1.7+0.3)1.2x10-2920x1.3922Pa=0.1x106Pa查得換向閥4WE6E508AG24的壓力損失Ap12=0.05X106Pa忽略油液通過管接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進(jìn)油路總壓力損失APi為Ap=Ap+Ap=(0.1x106+0..05x106)Pa=0.15x106Pa11-11-22)工作進(jìn)給時(shí)間回油路的壓力損失。由于選用單活塞桿液壓缸，且液壓缸有感腔的工作面積為無感強(qiáng)的工作面積的二分之一，則回油管道的流量為進(jìn)油管道的二分之一，則v=v/2=69.5cm/s21Re=vd/v=69.5X1.2/1.5=55.522入=75/Re=75/55.5=1.3922回油管道的沿程壓力損失Ap2-1為：Ap2-1九Ap2-1九LPhd~T=1.39x21.2x10-2920x0.69522Pa=0.05x106Pa查產(chǎn)品樣本知換向閥3WE6A50/AG24的壓力損失Ap2-2=0.025X106Pa,換向閥4WE6E50/AG24的壓力損失Ap2-3=0.025X106Pa,調(diào)速閥2FRM5-20/6的壓力損失Ap24=0.5X106Pa?；赜吐房倝毫p失Ap2為Ap2=Ap2-1+Ap2-2+Ap2-3+Ap2-4=(0.05+0.025+0.025+0.5)X106Pa=0.06X106Pa變量泵出口處的壓力pp為(21500/0.95+40.05x10-4x0.6x10-678.54x10(21500/0.95+40.05x10-4x0.6x10-678.54x10-6+0.15x106)PaA11=3.2X106Pa快進(jìn)時(shí)的壓力損失?？爝M(jìn)時(shí)液壓缸為差動(dòng)連接，自匯流點(diǎn)A至液壓缸油口C之間的管路AC中，流量為液壓泵出口流量的兩倍即40L/min,AC段管路的沿程壓力損失Ap1-1為—d24x40x—d24x40x1033.14x1.22x60cm/s=590cm/sRe1vd=1u590x1.215—7575757575757575pp為F+pp為F+A耳2cm—[(2x0.36+0.032+0.181+0.17+0.17)x106+250040.05x10-4x0.95]Pak——0.159iRe4721竹八j學(xué)=0"59%島%90^Pa=0-36x106Pa同樣可求管道AB及AD段的沿程壓力損失Ap1-2和Ap1-3為q4%20%103v——cm/s—295cm/s2兀3.14x1.22x60d24Re?.學(xué)=晉=236"互二宜二0.322Re2362化廣032X島92心Pa=0^32X106Pa1.7920x2.952化3—032%—2—Pa—0.181%106Pa查產(chǎn)品樣本知，流經(jīng)各閥的局部壓力損失為:4EW6E50/AG24的壓力損失Ap2-1=0.17X106Pa3EW6A50/AG24的壓力損失Ap2-2=0.17X106Pa據(jù)分析在差動(dòng)連接中，泵的出口壓力p—2Ap+Ap+Ap+Ap+App1-11-21-32-12-2—1.93%106Pa快退時(shí)壓力損失驗(yàn)算從略。上述驗(yàn)算表明，無需修改原設(shè)計(jì)。(2)系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算在整個(gè)工作循環(huán)中，工進(jìn)階段所占的時(shí)間最長，為了簡化計(jì)算，主要考慮工進(jìn)時(shí)的發(fā)熱量。一般情況下，工進(jìn)速度大時(shí)發(fā)熱量較大，由于限壓式變量泵在流量不同時(shí)，效率相差極大，所以分別計(jì)算最大、最小時(shí)的發(fā)熱量，然后加以比較，取最大者進(jìn)行分析。當(dāng)v=10cm/min時(shí)兀兀q—D2v—x0.12x0.1m3/min—0.785x10-3m3/min—0.785L/min44此時(shí)泵的效率為0.1,泵的出口壓力為3.2Mpa,貝惰PP輸入0.42kw3.2x0.7857kw0.42kw60x0.1P輸出=Fv=20500x巴60x10-2x10-3kw=0.034kw此時(shí)的功率損失為AP二P-P=(0.42-0.034)kw=0.386kw輸入輸出當(dāng)v=120cm/min