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1、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、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。3.液压系统的工作环境
2、，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，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
3、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。vt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
4、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=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb (9-1)式中：Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。 图9-3导轨形式切削阻力Fc：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Ff：为液压缸带动的运
5、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： Ff=fFn (9-2)V形导轨： Ff=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Fi。惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算： (9-4)表9-1 摩擦因数f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
6、.10.12 0.050.08滚动导轨铸铁对滚柱(珠) 淬火钢导轨对滚柱(珠)0.0050.020.0030.006静压导轨铸铁0.005式中：m为运动部件的质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s2)；G为运动部件的重量(N)；g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FG：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，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
7、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Fb：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=Ff+FiFG
8、+Fm+Fb (9-5)快速阶段： F=FfFG+Fm+Fb (9-6)工进阶段： F=Ff+FcFG+Fm+Fb (9-7)减速： F=FfFG-Fi+Fm+Fb (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
9、(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=Me+Mf+Mi (9-9)(1)工作负载力矩Me。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Mf。为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：Mf=GfR(Nm) (9-10)式中：G为旋转部件的重量(N)；f为摩擦因数，
10、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Mi。为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为： Mi=J=J(Nm) (9-11) 式中：为角加速度(r/s2)；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(kgm2)，J=1GD2/4g。式中：GD2为回转部件的飞轮效应(Nm2)。各种回转体的GD2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
11、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。如表9-2、表9-3所示。表9-2 按负载选执行文件的工作压力负载/N50005001000010000200002000030000300005000050000工作压力/MPa0.811.522.5334455表9-3 按机械类型选执行文件的工作压力机械类型机 床农业机械工程机械磨床组合机床龙门刨床拉
12、床工作压力/MPaa2358810101620322.液压缸主要尺寸的计算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： qmax=Avmax (m3/s) (9-12)式中：A为液压缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为液压缸的最大速度(m/s)。液压缸的最小流量： qmin=Avmin(m3/s) (9-13)式中：vmin为液压缸的最小速度。液压缸的最小流量qmin，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qmin
13、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：vm=6.28T/pmmin(m3/r) (9-14)式中：T为液压马达的负载力矩(Nm)；pm为液压马达进出口压力差(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：qmax=vmnmax(m3/s)式中：vm为液压马达排量(m3/r)；nmax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pB=p1+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、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验
