設計液壓系統的常識
     液壓系統是液壓機械的一個組成部分,液壓系統的設計要同主機的總體設計同時進行。著手設計時,必須從實際情況出發,有機地結合各種傳動形式,充分發揮液壓傳動的優點,力求設計出結構簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統。
2.1  液壓系統的設計步驟與設計要求
2.1.1設計步驟
    液壓系統的設計步驟并無嚴格的順序,各步驟間往往要相互穿插進行。一般來說,在明確設計要求之后,大致按如下步驟進行。
    1)確定液壓執行元件的形式;
    2)進行工況分析,確定系統的主要參數;
    3)制定基本方案,擬定液壓系統原理圖;
    4)選擇液壓元件;
    5)液壓系統的性能驗算;
    6)繪制工作圖,編制技術文件。
2.1.2明確設計要求
    設計要求是進行每項工程設計的依據。在制定基本方案并進一步著手液壓系統各部分設計之前,必須把設計要求以及與該設計內容有關的其他方面了解清楚。
1) 主機的概況:用途、性能、工藝流程、作業環境、總體布局等;
2) 液壓系統要完成哪些動作,動作順序及彼此聯鎖關系如何;
3) 液壓驅動機構的運動形式,運動速度;
4) 各動作機構的載荷大小及其性質;
5) 對調速范圍、運動平穩性、轉換精度等性能方面的要求;
        6)  自動化程度、操作控制方式的要求;
        7)  對防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求;
8)   對效率、成本等方面的要求。
2.2進行工況分析、確定液壓系統的主要參數
    通過工況分析,可以看出液壓執行元件在工作過程中速度和載荷變化情況,為確定系統及各執行元件的參數提供依據。
    液壓系統的主要參數是壓力和流量,它們是設計液壓系統,選擇液壓元件的主要依據。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執行元件的運動速度和結構尺寸。
2.2.1載荷的組成和計算
2.2 .1.1液壓缸的載荷組成與計算    ’
    圖2.2-1表示一個以液壓缸為執行元件的液壓系統計算簡圖。各有關參數標注圖上,其中Fw是作用在活塞桿上的外部載荷,L是活塞與缸壁以及活塞桿與導向套之間的密封阻力。
   
    圖2.2-1  液壓系統計算簡圖
    作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷Fg,導軌的摩擦力Ff,和由于速度變化而產生的慣性力Fa。
    (1)工作載荷Fg    常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力、切削力、擠壓力等。這些作用力的方向如與活塞運動方向相同為負,相反為正。

    (2)導軌摩擦載荷Ff    

對于平導軌

    Ff=μ(G+FN)
    對于V型導軌
    F=μ(G+FN)/(sinα/2)
式中  G-運動部件所受的重力(N);
      FN——外載荷作用于導軌上的正壓力(N);
      μ——摩擦系數,見表2. 2-1;
α——V型導軌的夾角,一般為90°。
    表2.2-1摩擦系數μ
導軌
類型
導軌材料
  運動狀態
  摩擦系數
滑動
導軌
鑄鐵對鑄鐵
    起動時
    低速
(ν<0 .16m/s)
    高速
(ν>0 .16m/s)
0.150.20
0 .1 0 .12
0.050.08
滾動
導軌
鑄鐵對滾柱
    (珠)
淬火鋼導軌
  對滾柱
0.0050.02
0.0030.006
靜壓
導軌
  鑄鐵
    0.005
    (3)慣性載荷Fa
    Fa=(G/g )* (Δvt)
式中  g-重力加速度;g=9.81m/s2;
    Δv-速度變化量(m/s);
    Δt-起動或制動時間(s)。一般機械Δt=0.1~0.5s,對輕載低速運動部件取小值,對重載高速部件取大值。行走機械一般取Δvt=0.5~1. 5m/s2。
    以上三種載荷之和稱為液壓缸的外載荷Fw。
    起動加速時Fw= Fg+ Ff+ Fa
    穩態運動時Fw= Fg+ Ff
    減速制動時Fw= Fg+ F- Fa
工作載荷Fg并非每階段都存在,如該階段沒有工作,則F=0。
    除外載荷Fw外,作用于活塞上的載荷F還包括液壓缸密封處的摩擦阻力Fm,由于各種缸的密封材質和密封形成不同,密封阻力難以精確計算,一般估算為
    Fm=(1-ηm)F
式中ηm一液壓缸的機械效率,一般取0.90~0.95。
F= Fwm
    2.2.1.2火影忍者博人传日语中字載荷力矩的組成與計算
    (1)工作載荷力矩Tg
    常見的載荷力矩有被驅動輪的阻力矩、液壓卷筒的阻力矩等。
    (2)軸頸摩擦力矩Tf
                  TfGr
式中G-旋轉部件施加于軸勁上的徑向力(N);
    μ-摩擦系數,參考表2-1選用;
    r-旋轉軸的半徑(m)。
    (3)慣性力矩Ta
    Ta=Jε=JΔw/Δt
式中  ε-角加速度(rad/s2);
     w-角速度變化量( rad/s);
     Δt-起動或制動時間(s);
       J-回轉部件的轉動慣量(kg*m2)。
    起動加速時Tw= Tg+ Tf+ Ta
    穩定運行時Tw= Tg+ .Tf
    減速制動時Tw= Tg+ T- Ta
    計算液壓馬達載荷轉矩T時還要考慮液壓馬達的機械效率ηm(ηm =0.9~0.99)。
    T= Twm
根據液壓缸或液壓馬達各階段的載荷,繪制出執行元件的載荷循環圖,以便進一步選擇系統工作壓力和確定其他有關參數。
2.2.2初選系統工作壓力
    壓力的選擇要根據載荷大小和設備類型而定。還要考慮執行元件的裝配空間、經濟條件及元件供應情況等的限制。在載荷一定的情況下,工作壓力低,勢必要加大執行元件的結構尺寸,對某些設備來說,尺寸要受到限制,從材料消耗角度看也不經濟;反之,壓力選得太高,對泵、缸、閥等元件的材質、密封、制造精度也要求很高,必然要提高設備成本。一般來說,對于固定的尺寸不太受限的設備,壓力可以選低一些,行走機械重載設備壓力要選得高一些。具體選擇可參考表2.2-2和表2.2-3。
2.2-2按載荷選擇工作壓力
載荷/kN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作壓力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
5
2.2-3各種機械常用的系統工作壓力
機械類型
    
農業機械
小型工程機械
建筑機械
液壓鑿巖機
液壓機
大中型挖掘機
重型機械
起重運輸機械
  
組合機床
龍門刨床
拉床
工作壓力/MPa
O82
35
28
810
1018
2032
2.2.3計算液壓缸的主要結構尺寸和液壓馬達的排量
    (1)計算液壓缸的主要結構尺寸
    液壓缸主要設計參數見圖2.2-2。圖a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態,圖b為活塞桿工作在受拉狀態。
a)
b)
圖2.2-2液壓缸主要設計參數
    活塞桿受壓時
    F=Fwm= p1A1 - P2A2
    活塞桿受拉時
    F=Fwm=p1A2 - P2A1
式中  A1D2/4——無桿腔活塞有效作用面積(m2);
A2=π/4(D2-d2)——有桿腔活塞有效作用面積(m2);
P1——液壓缸工作腔壓力(Pa);
P2——液壓缸回油腔壓力(Pa),即背壓力。其值根據回路的具體情況而定,初算時可參照表2.2-4取值。差動連接時要另行考慮;
D——活塞直徑(m);
d——活塞桿直徑(m)。
2.2-4執行元件背壓力
系統類型
背壓力/MPa
簡單系統或輕載節流調速系統
0.20.5
回油路帶調速閥的系統
0.40.6
回油路設置有背壓閥的系統
0.51.5
用補油泵的閉式回路
0.81.5
回油路較復雜的工程機械
1.23
回油路較短,且直接回油箱
可忽略不計
    一般,液壓缸在受壓狀態下工作,其活塞面積
    A1=(F+P2A2)/P1
    運用上式須事先確定A1與A2的關系,或是活塞桿徑d與活塞直徑D的關系,令桿徑比φ=d/D,其比值可按表2.2-5和表2.2-6選取。
2.2-5按工作壓力選取d/D
工作壓力/MPa
5:0
5.07.0
7.0
d/D
O50.55
0.620.70
0.7
2.2-6按速比要求確定d/D
V2/V1
1.15
1. 25
1.33
1. 46
1. 61
2
d/D
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
    注:Vl-無桿腔進油時活塞運動速度;
        V2-有桿腔進油時活塞運動速度。
    D={4F/π[P1-P2(1-φ2)]}
    采用差動連接時,V1/V2=(D2一d2)/d2。如要求往返速度相同時,應取d= 0.71D。
    對行程與活塞桿直徑比l/d >10的受壓柱塞或活塞桿,還要做壓桿穩定性驗算。
    當工作速度很低時,還須按最低速度要求驗算液壓缸尺寸
    A≥旦 Qmin/Vmin
式中   A——液壓缸有效工作面積(m2);
    Qmin——系統最小穩定流量(m3/s),在節流調速中取決于回路中所設調速閥或節流閥的最小穩定流量。容積調速中決定于變量泵的最小穩定流量。
    Vmin——運動機構要求的最小工作速度(m/s)。
    如果液壓缸的有效工作面積A不能滿足最低穩定速度的要求,則應按最低穩定速度確定液壓缸的結構尺寸。
    另外,如果執行元件安裝尺寸受到限制,液壓缸的缸徑及活塞桿的直徑須事先確定時,可按載荷的要求和液壓缸的結構尺寸來確定系統的工作壓力。
    液壓缸直徑D和活塞桿直徑d的計算值要按國標規定的液壓缸的有關標準進行圓整。如與標準液壓缸參數相近,最好選用國產標準液壓缸,免于自行設計加工。常用液壓缸內徑及活塞桿直徑見表
2.2-7和表2.2-8。
2.2-7常用液壓缸內徑D(mm)
40
125
50
140
63
160
80
180
90
200
100
220
110
250
2.2-8活塞桿直徑d  (mm)
速比
    
40
50
63
80
90
100
110
1. 46
3
22
28
35
45
45
50
50
60
55
70
63
80
速比
    
125
140
160
180
200
220
250
1. 46
2
70
90
80
100
90
110
100
125
110
140
125
140
    (2)計算液壓馬達的排量
    液壓馬達的排量為
    Q=2πT/Δp
式中     T——液壓馬達的載荷轉矩(N*m);
Δp=p1- P2——液壓馬達的進出口壓差(Pa)。
    液壓馬達的排量也應滿足最低轉速要求
    q≥Qmin/nmin
式中  Qmin——通過液壓馬達的最小流量;
      nmin——液壓馬達工作時的最低轉速。
2.2.4計算液壓缸或液壓馬達所需流量
    (1)液壓缸工作時所需流量
    Q= Av
式中 A-液壓缸有效作用面積(m2);
     v-活塞與缸體的相對速度( m/s)。
    (2)液壓馬達的流量
    Q= qnm
式中 q-液壓馬達排量( m3/r);
nm-液壓馬達的轉速( r/s)。
2.2.5繪制液壓系統工況圖
    工況圖包括壓力循環圖、流量循環圖和功率循環圖。它們是調整系統參數、選擇液壓泵、閥等元件的依據。
    1)壓力循環圖-( p-t)圖通過最后確定的液壓執行元件的結構尺寸,再根據實際載荷的大小,,倒求出液壓執行元件在其動作循環各階段的工作壓力,然后把它們繪制成( p-t)圖。

    2)流量循環圖- (Q-t)圖根據已確定的液壓缸有效工作面積或液壓馬達的排量,一結合其運動速度算出它在工作循環中每一階段的實際流量,把它繪制成( Q-t)圖。若系統中有多個液壓執行元件同時工作,要把各自的流量圖疊加起來繪出總的流量循環圖。

3)功率循環圖- (P-t)圖  繪出壓力循環圖和總流量循環圖后,根據P= pQ,即可繪出系統的功率循環圖。


本文標題:設計液壓系統的常識


分類:液壓行業知識
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