液壓馬達的液壓系統性能驗算
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液壓系統初步設計是在某些估計參數情況下進行的,當各回路形式、液壓元件及聯接管路等完全確定后,針對實際情況對所設計的系統進行各項性能分析。對一般液壓傳動系統來說,主要是進一步確切地計算液壓回路各段壓力損失、容積損失及系統效率,壓力沖擊和發熱溫升等。根據分析計算發現問題,對某些不合理的設計要進行重新調整,或采取其他必要的措施。
液壓系統壓力損失
    壓力損失包括管路的沿程損失Δp1,管路的局部壓力損失ΔP2和閥類元件的局部損失Δp3,總的壓力損失為
    Δp=Δpl+ΔP2+Δp3
    △P1=λlv^2ρ/2d
ΔP2v^2ρ/2
式中  l-管道的長度(m);
          d-管道內徑(m);
          v-液流平均速度(m/s);
         ρ-液壓油密度( kg/m^3);
         λ-沿程阻力系數;
         ζ-局部阻力系數。
    λ、ζ的具體值可參考流體力學有關內容。
    △p3=Δpn(Q/Qn)^2
式中  Qn——閥的額定流量(m^3/s);
       Q——通過閥的實際流量(m^3/s);
    △pn——閥的額定壓力損失(Pa)(可從產品樣本中查到)。
    對于泵到執行元件間的壓力損失,如果計算出Ap比選泵時估計的管路損失大得多時,應該重新調整泵及其他有關元件的規格尺寸等參數。
    系統的調整壓力
        Pt≥Pi+ Δp
式中  Pt-液壓泵的工作壓力或支路的調整壓力。

液壓系統的發熱溫升計算

計算液壓系統的發熱功率

    液壓系統工作時,除執行元件驅動外載荷輸出有效功率外,其余功率損失全部轉化為熱量,使油溫升高。液壓系統的功率損失主要有以下幾種形式:
    (1)液壓泵的功率損失
    Phl=1/Tt * ∑Pri(1 - ηPi)ti
式中  Tt——工作循環周期(s);
       Z——投入工作液壓泵的臺數;
     Pri——液壓泵的輸入功率(W);
    ηPi——各臺液壓泵的總效率;
    ti:——第i臺泵工作時間(s)。
    (2)液壓執行元件的功率損失
Ph2=1/Tt *ΣPrj(1-ηj)tj
式中  M——液壓執行元件的數量;
      Prj——液壓執行元件的輸入功率(W);
      ηj——液壓執行元件的效率;
       tj——第j個執行元件工作時間(s)。
    (3)溢流閥的功率損失
       Ph3=pyQy
式中  py——溢流閥的調整壓力(Pa);
      Qy——經溢流閥流回油箱的流量(m^3/S)。
    (4)油液流經閥或管路的功率損失
       Ph4= ΔpQ
式中 Δp——通過閥或管路的壓力損失(Pa);
       Q——通過閥或管路的流量(m^3/S)。
    由以上各種損失構成了整個系統的功率損失,即液壓系統的發熱功率
    Phr=Phl+ Ph2+ Ph3+ Ph4
    上式適用于回路比較簡單的液壓系統,對于復雜系統,由于功率損失的環節太多,一一計算較麻煩,通常用下式計算液壓系統的發熱功率
    Phr =Pr-Pc
    式中Pr是液壓系統的總輸入功率,Pc是輸出的有效功率。
Pr=1/Tt * Σpiqiti/ηpi
Pc=1/Tt(ΣFwisi+ΣTWjωjtj)
式中      Tt-工作周期(s);
     z、n、m-分別為液壓泵、液壓缸、火影忍者博人传日语中字的數量;
Pi、Qi、ηPi-第i臺泵的實際輸出壓力、流量、效率;
          ti-第i臺泵工作時間(s);
TWj、ωj、tj-液壓馬達的外載轉矩、轉速、工作時間(N*m、rad/s、s);
     FWi、si-液壓缸外載荷及驅動此載荷的行程(N*m)。
計算液壓系統的散熱功率
    液壓系統的散熱渠道主要是油箱表面,但如果
系統外接管路較長,而且計算發熱功率時,也應考
慮管路表面散熱。
    Phc=  (K1A1+ K2A2) ΔT
式中 K1——油箱散熱系數,見表2.5-1;
     K2——管路散熱系數,見表2.5-2;
Ai、A2——分別為油箱、管道的散熱面積(m^2);
    △T——油溫與環境溫度之差(℃)。
    表2.5-1油箱散熱系數K1
(W/ ( m^2C))
冷卻條件
K1
通風條件很差
通風條件良好
用風扇冷卻
循環水強制冷卻
89
1517
23
110170
2.5-2管道散熱系數K,
( W/   (m^2*℃))
風速
/m- s-1
管道外徑/m
0. 01
0.05
0.1
0
l
5
8
25
69
6
14
40
5
10
23
    若系統達到熱平衡,則Phr=Phc,油溫不再升高,此時,最大溫差
    △T=Phr/(K1A1+K2A2)
    環境溫度為To,則油溫T= To+ ΔT。如果計算出的油溫超過該液壓設備允許的最高油溫(各種機械允許油溫見表2.5-3),就要設法增大散熱面積,如果油箱的散熱面積不能加大,或加大一些也無濟于事時,需要裝設冷卻器。冷卻器的散熱面積
    A= (Phr-Phc)/KΔtm
式中K-冷卻器的散熱系數,見本篇第8章液壓輔助元件有關散熱器的散熱系數;
    Δtm -平均溫升(℃),
Δtm=(Ti十T2)/2-(t1+t2)/2 
T1 T2——液壓油入口和出口溫度;
t1、t2——冷卻水或風的人口和出口溫度。
2.5-3各種機械允許油溫(°C)
液壓設備類型
正常工作溫度
最高允許溫度
數控機床
3050
5570
一般機床
3055
5570
機車車輛
4060
7080
船舶
3060
8090
冶金機械、液壓機
4070
6090
工程機械、礦山機械
5080
7090
根據散熱要求計算油箱容量
    最大溫差AT是在初步確定油箱容積的情況下,驗算其散熱面積是否滿足要求。當系統的發熱量求出之后,可根據散熱的要求確定油箱的容量。
    由AT公式可得油箱的散熱面積為
    A1=(Phr/ΔT一K2A2)/K1
如不考慮管路的散熱,上式可簡化為
    A1=Phr/ΔTK1
    油箱主要設計參數如圖2.5-1所示。一般油面的高度為油箱高^的0.8倍,與油直接接觸的表面算全散熱面,與油不直接接觸的表面算半散熱面,圖示油箱的有效容積和散熱面積分別為
    V=0.8abh
    A1= 1.8h(a+b)+1.5ab
  若A1求出,再根據結構要求確定a、b、h比例關系,即可確定油箱的主要結構尺寸。
    圖2.5-1  油箱結構尺寸
如按散熱要求求出的油箱容積過大,遠超出用油量的需要,且又受空間尺寸的限制,則應適當縮小油箱尺寸,增設其他散熱措施。
計算液壓系統沖擊壓力
    壓力沖擊是由于管道液流速度急劇改變而形成的。例如液壓執行元件在高速運動中突然停止,換向閥的迅速開啟和關閉,都會產生高于靜態值的沖擊壓力。它不僅伴隨產生振動和噪聲,而且會因過高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。對系統影響較大的壓力沖擊常為以下兩種形式:
    1)當迅速打開或關閉液流通路時,在系統中產生的沖擊壓力。
    直接沖擊(即t<τ)時,管道內壓力增大值
    Δp=acρΔv
    間接沖擊(即t>τ)時,管道內壓力增大值
    Δp=acρΔvτ/t
式中  ρ——液體密度(kg/m^3);
     Δv——關閉或開啟液流通道前后管道內流速之差( m/s);
       T——關閉或打開液流通道的時間(s);
τ=2l/ac——管道長度為l時,沖擊波往返所需的時間(s);
      ac——管道內液流中沖擊波的傳播速度(m/s)。
    若不考慮粘性和管徑變化的ccc影響,沖擊波在管內的傳播速度
  ac=(Eo/ρ)/ √(1+Eod/Eδ)
式中   Eo——液壓油的體積彈性模量(Pa),其推薦值為Eo= 700MPa;
    δ、d——管道的壁厚和內徑(m);
        E——管道材料的彈性模量(Pa),常用管道材料彈性模量:鋼E - 2.1×10^11Pa,紫銅E=1.18×l0^11Pa。
    2)急劇改變液壓缸運動速度時,由于液體及運動機構的慣性作用而引起的壓力沖擊,其壓力的增大值為
    △p=(∑liρA/Ai+M/A*Δv/t
式中  li——液流第i段管道的長度(m);
      Ai——第i段管道的截面積(m^2);
       A——液壓缸活塞面積(m^2);
       M——與活塞連動的運動部件質量(kg);
     Δv——液壓缸的速度變化量(m/s);
       t——液壓缸速度變化Δv所需時間(s)。
計算出沖擊壓力后,此壓力與管道的靜態壓力之和即為此時管道的實際壓力。實際壓力若比初始設計壓力大得多時,要重新校核一下相應部位管道的強度及閥件的承壓能力,如不滿足,要重新調整。
設計液壓裝置,編制技術文件
液壓裝置總體布局
    液壓系統總體布局有集中式、分散式。
    集中式結構是將整個設備液壓系統的油源、控制閥部分獨立設置于主機之外或安裝在地下,組成液壓站。如冷軋機、鍛壓機、電弧爐等有強烈熱源和煙塵污染的冶金設備,一般都是采用集中供油方式。
分散式結構是把液壓系統中液壓泵、控制調節裝置分別安裝在設備上適當的地方?;?、工程機械等可移動式設備一般都采用這種結構。
液壓閥的配置形式
    1)板式配置板式配置是把板式液壓元件用螺釘固定在平板上,板上鉆有與閥口對應的孔,通過管接頭聯接油管而將各閥按系統圖接通。這種配置可根據需要靈活改變回路形式。液壓實驗臺等普遍采用這種配置。
    2)集成式配置  目前液壓系統大多數都采用集成形式。它是將液壓閥件安裝在集成塊上,集成  塊一方面起安裝底板作用,另一方面起內部油路作用。這種配置結構緊湊、安裝方便。
      
集成塊設計    
    1)塊體結構   集成塊的材料一般為鑄鐵或鍛鋼,低壓固定設備可用鑄鐵,高壓強振場合要用鍛鋼??樘寮庸こ燒教寤虺し教?。
    對于較簡單的液壓系統,其閥件較少,可安裝在同一個集成塊上。如果液壓系統復雜,控制閥較多,就要采取多個集成塊疊積的形式。
    相互疊積的集成塊,上下面一般為疊積接合面,鉆有公共壓力油孔P,公用回油孔T,泄漏油L和4個用以疊積緊固的螺栓孔。
    P孔,液壓泵輸出的壓力油經調壓后進入公用壓力油孔P.作為供給各單元回路壓力油的公用油源。
    T孔,各單元回路的回油均通到公用回油孔T,流回到油箱。
    L孔,各液壓閥的泄漏油,統一通過公用泄漏油孔流回油箱。
    集成塊的其余四個表面,一般后面接通液壓執行元件的油管,另三個面用以安裝液壓閥??樘迥誆堪聰低懲嫉囊?,鉆有溝通各閥的孔道。
    2)集成塊結構尺寸的確定  外形尺寸要滿足閥件的安裝,孔道布置及其他工藝要求。為減少工藝,縮短孔道長度,閥的安裝位置要仔細考慮,使相通油孔盡量在同一水平面或是同一豎直面上。對于復雜的液壓系統,需要多個集成塊疊積時,一定要保證三個公用油孔的坐標相同,使之疊積起來后形成三個主通道。
    各通油孔的內徑要滿足允許流速的要求,一般來說,與閥直接相通的孔徑應等于所裝閥的油孔通徑。
油孔之間的壁厚δ不能太小,一方面防止使用過程中,由于油的壓力而擊穿,另一方面避免加工時,因油孔的偏斜而誤通。對于中低壓系統,δ不得小于5mm,高壓系統應更大些。
繪制正式工作圖,編寫技術文件
液壓系統完全確定后,要正規地繪出液壓系統圖。除用元件圖形符號表示的原理圖外,還包括動作循環表和元件的規格型號表。圖中各元件一般按系統停止位置表示,如特殊要求,也可以按某時刻運動狀態畫出,但要加以說明。
裝配圖包括泵站裝配圖、管路布置圖、操縱機構裝配圖,電氣系統圖等。
技術文件包括設計任務書、設計說明書和設備的使用、維護說明書等。
 液壓系統設計計算實例——250克塑料注射機液壓系統設計計算
    大型塑料注射機目前都是全液壓控制。其基本工作原理是:粒狀塑料通過料斗進入螺旋推進器中,螺桿轉動,將料向前推進,同時,因螺桿外裝有電加熱器,而將料熔化成粘液狀態,在此之前,合?;掛呀>弒蘸?,當物料在螺旋推進器前端形成一定壓力時,注射機構開始將液狀料高壓快速注射到模具型腔之中,經一定時間的保壓冷卻后,開模、把成型的塑料制品頂出,便完成了一個動作循環。
    現以250克塑料注射機為例,進行流壓系統設計計算。
    塑料注射機的工作循環為:
合模一>注射一>保壓一>冷卻一>開模一>頂出—>螺桿預塑進料
其中合模的動作又分為:快速合模、慢速合模、鎖模。鎖模的時間較長,直到開模前這段時間都是鎖模階段。
 250克塑料注射機液壓系統設計要求及有關設計參數
1對液壓系統的要求
    1)合模運動要平穩,兩片模具閉合時不應有沖擊;
    2)當模具閉合后,合?;褂Ρ3直蘸涎沽?,防止注射時將模具沖開。注射后,注射機構應保持注射壓力,使塑料充滿型腔:
    3)預塑進料時,螺桿轉動,料被推到螺桿前端,這時,螺桿同注射機構一起向后退,為使螺桿前端的塑料有一定的密度,注射機構必需有一定的后退阻力:
    4)為保證安全生產,系統應設有安全聯鎖裝置。

本文標題:液壓馬達的液壓系統性能驗算


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