液压传动——液压传动系统设计与计算.docx
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1、液压传动液压传动系统设计与计算 第九章液压传动系统设计与计算 液压系统设计的步骤大致如下: 1.明确设计要求,进行工况分析。 2.初定液压系统的主要参数。 3.拟定液压系统原理图。 4.计算和选择液压元件。 5.估算液压系统性能。 6.绘制工作图和编写技术文件。 根据液压系统的具体内容,上述设计步骤可能会有所不同,下面对各步骤的具体内容进行介绍。 第一节明确设计要求进行工况分析 在设计液压系统时,首先应明确以下问题,并将其作为设计依据。 1.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。 2.主机对液压系统的性能要求,如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以
2、及对系统的效率、温升等的要求。 3.液压系统的工作环境,如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。 图9-1位移循环图 在上述工作的基础上,应对主机进行工况分析,工况分析包括运动分析和动力分析,对复杂的系统还需编制负载和动作循环图,由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律,以下对工况分析的内容作具体介绍。 一、运动分析 主机的执行元件按工艺要求的运动情况,可以用位移循环图(Lt),速度循环图(vt),或速度与位移循环图表示,由此对运动规律进行分析。 1.位移循环图Lt 图9-1为液压机的液压缸位移循环图,纵坐标L表示活塞位移,横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间
3、,曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。 2.速度循环图vt(或vL) 工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图9-2为三种类型液压缸的vt图,第一种如图9-2中实线所示,液压缸开始作匀加速运动,然后匀速运动, 图9-2 速度循环图 最后匀减速运动到终点;第二种,液压缸在总行程的前一半作匀加速运动,在另一半作匀减速运动,且加速度的数值相等;第三种,液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动,然后匀减速至行程终点。v t 图的三条速度曲线,不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律,也间接地表明了三
4、种工况的动力特性。 二、动力分析 动力分析,是研究机器在工作过程中,其执行机构的受力情况,对液压系统而言,就是研究液压缸或液压马达的负载情况。 1.液压缸的负载及负载循环图 (1)液压缸的负载力计算。工作机构作直线往复运动时,液压缸必须克服的负载由六部分组成: F=F c +F f +F i +F G +F m +F b (9-1) 式中:F c 为切削阻力;F f 为摩擦阻力;F i 为惯性阻力;F G 为重力;F m 为密封阻力;F b 为排油阻力。 图9-3导轨形式 切削阻力F c :为液压缸运动方向的工作阻力,对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力,此作用力的方向如果与执行元件运动
5、方向相反为正值,两者同向为负值。该作用 力可能是恒定的,也可能是变化的,其值要根据具体情况计算或由实验测定。 摩擦阻力F f : 为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力,它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关,其 计算方法可查有关的设计手册。图9-3为最常见的两种导轨形式,其摩擦阻力的值为: 平导轨: F f =fFn (9-2) V 形导轨: F f =fFn/sin(/2) (9-3) 式中:f 为摩擦因数,参阅表9-1选取;Fn 为作用在导轨上总的正压力或沿V 形导轨横截面中心线方向的总作用力;为V 形角,一般为90。 惯性阻力F i 。惯性阻力F i 为运动部件在启动和制动过程中的惯性力
6、,可按下式计算: ()i G v F ma N g t ?= ? (9-4) 导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数(f) 滑动导轨铸铁对铸铁 启动时 低速(v0.16m/s) 高速(v0.16m/s) 0.150.20 0.1 0.12 0.050.08 滚动导轨 铸铁对滚柱(珠) 淬火钢导轨对滚柱 (珠) 0.005 0.020.0030.006 静压导轨铸铁0.005 为重力加速度,g=9.81 (m/s2);v为速度变化值(m/s); t为启动或制动时间(s),一般机床t0.10.5s,运动部件重量大的取大值。 重力F G:垂直放置和倾斜放置的移动部件,其本身的重量也成为一种负载,当上移时,
7、负载为正值,下移时为负值。 密封阻力Fm:密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力,其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初算时,可按缸的机械效率(m=0.9)考虑;验算时,按密封装置摩擦力的计算公式计算。 排油阻力F b:排油阻力为液压缸回油路上的阻力,该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关,在系统方案未确定时无法计算,可放在液压缸的设计计算中考虑。 (2)液压缸运动循环各阶段的总负载力。液压缸运动循环各阶段的总负载力计算,一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段,每个阶段的总负载力是有区别的。 启动加速阶段:这时液压缸或活塞处于
8、由静止到启动并加速到一定速度,其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力(按缸的机械效率m=0.9计算)、重力和惯性力等项,即: F=F f+F iF G+F m+F b (9-5) 快速阶段: F=F fF G+F m+F b (9-6) 工进阶段: F=F f+F cF G+F m+F b (9-7) 减速: F=F fF G-F i+F m+F b (9-8) 对简单液压系统,上述计算过程可简化。例如采用单定量泵供油,只需计算工进阶段的总负载力,若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油,则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。 (3)液压缸的负载循环图。对较为复杂的液压系统,为了更清楚的
9、了解该系统内各液压缸(或液压马达)的速度和负载的变化规律,应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(Ft)或负载位移(FL)图,然后将各液压缸在同一时间t(或位移)的负载力叠加。 图9-4负载循环图 图9-4为一部机器的Ft图,其中:0t1为启动过程;t1t2为加速过程;t2t3为恒速过程; t3t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。 2.液压马达的负载 工作机构作旋转运动时,液压马达必须克服的外负载为:M=M e +M f +M i (9-9) (1)工作负载力矩M
10、e 。工作负载力矩可能是定值,也可能随时间变化,应根据机器工作条件进行具体分析。 (2)摩擦力矩M f 。为旋转部件轴颈处的摩擦力矩,其计算公式为: M f =GfR(Nm) (9-10) 式中:G 为旋转部件的重量(N);f 为摩擦因数,启动时为静摩擦因数,启动后为动摩擦因数;R 为轴颈半径(m)。 (3)惯性力矩M i 。为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩,其计算公式为: M i =J=J t ?(Nm) (9-11) 式中:为角加速度(r/s 2 );为角速度的变化(r/s);t 为加速或减速时间(s);J 为旋转部件的转 动惯量(kgm 2),J=1GD 2 /4g 。 式中:GD
11、2为回转部件的飞轮效应(Nm 2 )。 各种回转体的GD 2 可查机械设计手册。 根据式(9-9),分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小,便可绘制液压马达的负载循环图。 第二节 确定液压系统主要参数 一、液压缸的设计计算 1.初定液压缸工作压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定,此外,还需要考虑以下因素: (1)各类设备的不同特点和使用场合。 (2)考虑经济和重量因素,压力选得低,则元件尺寸大,重量重;压力选得高一些,则元件尺寸小,重量轻,但对元件的制造精度,密封性能要求高。 所以,液压缸的工作压力的选择有两种方式:一是根据机械类型选;二是根据切削负载选。
12、 如表9-2、表9-3所示。 负载/N 5000 50010000 1000020000 2000030000 3000050000 50000 工作压力 /MPa 0.81 1.52 2.53 34 45 5 机械类型 机 床 农业机械 工程机械 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 工作压力 /MPa a2 35 8 810 1016 2032 缸的有效面积和活塞杆直径,可根据缸受力的平衡关系具体计算,详见第四章第二节。 3.液压缸的流量计算 液压缸的最大流量: q max =Av max (m 3 /s) (9-12) 式中:A 为液压缸的有效面积A1或A2(m 2 );v max 为液压缸的
13、最大速度(m/s)。 液压缸的最小流量: q min =Av min (m 3 /s) (9-13) 式中:v min 为液压缸的最小速度。 液压缸的最小流量q min ,应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满足此要求时,则需重新选定液压缸的工作压力,使工作压力低一些,缸的有效工作面积大一些,所需最小 流量q min也大一些,以满足上述要求。 流量阀和变量泵的最小稳定流量,可从产品样本中查到。 二、液压马达的设计计算 1.计算液压马达排量液压马达排量根据下式决定: v m=6.28T/p mmin(m3/r) (9-14) 式中:T为液压马达的负载力矩(Nm);p m为液压马达进出口
14、压力差(N/m3);min为液压马达的机械效率,一般齿轮和柱塞马达取0.90.95,叶片马达取0.80.9。 2.计算液压马达所需流量液压马达的最大流量: q max=v mn max(m3/s) 式中:v m为液压马达排量(m3/r);n max为液压马达的最高转速(r/s)。 第三节液压元件的选择 一、液压泵的确定与所需功率的计算 1.液压泵的确定 (1)确定液压泵的最大工作压力。液压泵所需工作压力的确定,主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1,再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失p,即 p B =p 1 +p (9-15) p包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路
15、沿程损失等,在系统管路未设计之前,可根据同类系统经验估计,一般管路简单的节流阀调速系统p为(25)105Pa,用调速阀及管路复杂的系统p为(515)105Pa,p也可只考虑流经各控制阀的压力损失,而将管路系统的沿程损失忽略不计,各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找,也可参照表9-4选取。 阀名p n(105Pa) 阀名p n(105Pa)阀名p n(105Pa)阀名p n(105Pa)单向阀0.30.5 背压阀38 行程阀 1.52 转阀 1.52 换向阀 1.53 节流阀23 顺序阀 1.53 调速阀35 B B max 的泄漏确定。 多液压缸同时动作时,液压泵的流量要大于同时
16、动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量,并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降,即 q BK(q)max(m3/s) (9-16) 式中:K为系统泄漏系数,一般取1.11.3,大流量取小值,小流量取大值;(q)max为同时动作的液压缸(或马达)的最大总流量(m3/s)。 采用差动液压缸回路时,液压泵所需流量为: q BK(A1-A2)v max(m3/s) (9-17) 式中:A 1,A 2为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m2);v max为活塞的最大移动速度(m/s)。 当系统使用蓄能器时,液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取,即 q B= = Z 1 i V i
17、 K/T i (9-18) 式中:V i为液压缸在工作周期中的总耗油量(m3);T i为机器的工作周期(s);Z为液压缸的个数。 (3)选择液压泵的规格:根据上面所计算的最大压力p B和流量q B,查液压元件产品样本,选择与P B和q B相当的液压泵的规格型号。 上面所计算的最大压力p B是系统静态压力,系统工作过程中存在着过渡过程的动态压 力,而动态压力往往比静态压力高得多,所以泵的额定压力p B 应比系统最高压力大25%60%,使液压泵有一定的压力储备。若系统属于高压范围,压力储备取小值;若系统属于中低压范围,压力储备取大值。 (4)确定驱动液压泵的功率。 当液压泵的压力和流量比较衡定时,
18、所需功率为: p=p B q B /103 B (kW) (9-19) 式中:p B 为液压泵的最大工作压力(N/m 2);q B 为液压泵的流量(m 3/s);B 为液压泵的总效率,各种形式液压泵的总效率可参考表9-5估取,液压泵规格大,取大值,反之取小值,定量泵取大值,变量泵取小值。 液压泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵 总效率 0.60.7 0.650.80 0.600.75 0.800.85 在工作循环中,泵的压力和流量有显著变化时,可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率,然后求其平均值,即 p=2221122n n 12n t p +t p + +t p / t +t +
19、 +t (9-20) 式中:t 1,t 2,t n 为一个工作循环中各阶段所需的时间(s);P 1,P 2,P n 为一个工作循环中各阶段所需的功率(kW)。 按上述功率和泵的转速,可以从产品样本中选取标准电动机,再进行验算,使电动机发出最大功率时,其超载量在允许范围内。 二、阀类元件的选择 1.选择依据 选择依据为:额定压力,最大流量,动作方式,安装固定方式,压力损失数值,工作性能参数和工作寿命等。 2.选择阀类元件应注意的问题 (1)应尽量选用标准定型产品,除非不得已时才自行设计专用件。 (2)阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时,应按液压泵的最大流量选
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