液压传动系统的设计.doc

第2章 液压传动系统设计

图2.1 液压系统设计普通流程
液压系统设计是整机设计一某些，它除了应符合主机动作循环和静、动态性能等方面规定外，还应当满足构造简朴、工作安全可靠、效率高、寿命长、经济性好、使用维护以便等条件。
液压系统设计没有固定统一环节，依照系统繁简、借鉴多寡和设计人员经验不同，在做法上有所差别。各某些设计有时还要交替进行，甚至要通过多次重复才干完毕。图2.1所示为液压系统设计基本内容和普通流程。
2.1 明确设计规定、进行工况分析
2.1.1 明确设计规定
1．明确液压系统动作和性能规定
液压系统动作和性能规定，重要涉及有：运动方式、行程和速度范畴、载荷状况、运动平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁规定、工作可靠性等。
2．明确液压系统工作环境
液压系统工作环境，重要是指：环境温度、湿度、尘埃、与否易燃、外界冲击振动状况以及安装空间大小等。
2.1.2 执行元件工况分析
对执行元件工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中速度和负载大小、方向及其变化规律。普通是用一种工作循环内各阶段速度和负载值列表表达，必要时还应作出速度和负载随时间（或位移）变化曲线图（称速度循环图和负载循环图）。
在普通状况下，液压缸承受负载由六某些构成，即工作负载、导轨摩擦负载、惯性负载、重力负载、密封负载和背压负载，前五项构成了液压缸所要克服机械总负载。
1. 工作负载FW
不同机器有不同工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向切削力即为工作负载；对液压机来说，工作压制抗力即为工作负载。工作负载FW与液压缸运动方向相反时为正值，方向相似时为负值（如顺铣加工切削力）。工作负载也许为恒值，也也许为变值，其大小要依照详细状况进行计算，有时还要由样机实测拟定。
2. 导轨摩擦负载Ff
导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受导轨摩擦阻力，其值与运动部件导轨型式、放置状况及运动状态关于。机床上惯用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载值计算公式（导轨水平放置时）为：
平导轨
Ff = f (G + FN ) （2.1）
V形导轨
（2.2）
式中 f ——摩擦系数，其值参照表2.1；
G —— 运动部件重力（N）；
FN —— 垂直于导轨工作负载（N）；
a —— V形导轨面夹角，普通。
表2.1 导轨摩擦系数
导轨种类
导轨材料
工作状态
摩擦系数
滑动导轨
铸铁对铸铁
启动
低速运动
高速运动
0.16 ~ 0.2
0.1 ~ 0.22
0.05 ~ 0.08
滚动导轨
铸铁导轨对滚动体
淬火钢导轨对滚动体

0.005 ~ 0.02
0.003 ~ 0.006
静压导轨
铸铁对铸铁

0.000 5
3. 惯性负载Fa
惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即
（2.3）
式中 g —— 重力加速度（m/s2）；
——时间内速度变化值（m/s）；
—— 启动、制动或速度转换时间（s）。可取=（0.01 ~ 0.5）s，轻载低速时取较小值；重载高速时取较大值。
4. 重力负载Fg
重力负载是指垂直或倾斜放置运动部件在没有平衡状况下，其自身质量导致一种负载力。倾斜放置时，只计算重力在运动方向上分力。液压缸上行时重力取正值，反之取负值。
5. 密封负载Fs
密封负载是指密封装置摩擦力，其值与密封装置类型和尺寸、液压缸制造质量和油液工作压力关于，Fs计算公式详见关于手册。在未完毕液压系统设计之前，不懂得密封装置参数，Fs无法计算，普通用液压缸机械效率加以考虑，常取= 0.90 ~ 0.97。
6. 背压负载Fb
背压负载是指液压缸回油腔压力所导致阻力。在系统方案及液压缸构造尚未拟定之前，Fb也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。
液压缸各个重要工作阶段机械总负载F可依照实际受力进行分析，普通按下列公式计算：
启动加速阶段
（2.4）
迅速阶段
（2.5）
工进阶段
（2.6）
制动减速阶段
（2.7）
以液压马达为执行元件时，负载值计算类同于液压缸。
2.2 执行元件重要参数拟定
重要参数拟定是指拟定液压执行元件工作压力和重要构造尺寸，重要参数拟定重要根据是执行意见工况分析（即负载循环图和速度循环图）。液压系统采用执行元件型式可视主机所要实现运动种类和性质而定，见表2.2。
表2.2 选取执行元件型式
运动形式
往复直线运动
回 转 运 动
往复摆动
短行程
长 行 程
高 速
低 速
建议采用
执行元件形式
活塞缸
柱塞缸
液压马达与齿轮齿条机构
液压马达与丝杆螺母机构
高速液压马达
低速液压马达
高速液压马达与减速机构
齿条油缸与齿轮
摆动马达
2.2.1 初选执行元件工作压力
工作压力是拟定执行元件构造参数重要根据，它大小影响执行元件尺寸和成本，乃至整个系统性能。工作压力选得高，执行元件和系统构造紧凑，但对元件强度、刚度及密封规定高，且要采用较高压力液压泵；反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统尺寸，使构造变得庞大。因此应依照实际状况选用恰当工作压力。执行元件工作压力可以依照总负载值或主机设备类型选用，见表2.3和表2.4。
表2.3 按负载选取执行元件工作压力
负载/kN
<10
10 ~ 20
20 ~ 30
30 ~ 50
>50
工作压力/MPa
0.8 ~ 1.2
1.5 ~ 2.5
3.0 ~ 4.0
4.0 ~ 5.0
≥5.0
表2.4 按主机类型选取执行元件工作压力
设备类型
精加工机床
半精加工机床
粗加工或重型机床
农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构
液压机、重型机械、大中型挖掘机、起重运送机械
工作压力/MPa
0.8 ~ 2
3 ~ 5
5 ~ 10
10 ~ 16
20 ~ 32
2.2.2 拟定执行元件重要构造参数
1. 液压缸重要构造尺寸拟定
在这里，液压缸重要构造尺寸是指缸内径D和活塞杆直径d。计算和拟定D和d普通办法见参照文献[1]5.1节，例如，对于单活塞杆液压缸，可按参照文献[1] 中式（5.3）、式（5.4）、式（5.7）及D、d之间取值关系计算D和d，并按系列原则值拟定D和d。
对有低速运动规定系统（如精镗机床进给液压系统），尚需对液压缸有效作用面积进行验算，即应保证
（m2） （2.8）
式中 A ——液压缸有效作用面积（m2）；
——控制执行元件速度流量阀最小稳定流量（m3/s），可从液压阀产品样本上查得；
——液压缸规定达到最低工作速度（m/s）。
验算成果若不能满足式（2.8），则阐明按所设计构造尺寸和方案达不到所需低速，必要修改设计。
2. 液压马达重要参数拟定
液压马达所需排量V可按下式计算
（mL/r） （2.9）
式中 T ——液压马达负载转矩（N·m）；
p ——液压马达两腔工作压差Pa）；
——液压马达机械效率。
求得排量V值后，从产品样本中选取液压马达型号规格。
2.2.3 复算执行元件工作压力
当液压缸重要尺寸D、d和液压马达排量V计算出来后来，要按各自系列原则进行圆整，通过圆整原则值与计算值之间普通都存在一定差别，因而有必要依照圆整值对工作压力进行一次复算。
还须看到，在按上述办法拟定工作压力过程中，没有计算回油路背压，因而所拟定工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需那某些压力。在构造参数D、d及V拟定之后，若选用恰当背压估算值（如表2.5），即可求出执行元件工作腔压力。
表2.5 执行元件背压预计值
系 统 类 型
背压/MPa
中低压系统（0 ~ 8）MPa
简朴系统，普通轻载节流调速系统
回油路带调速阀调速系统
回油路带背压阀
带补油泵闭式回路
0.2 ~ 0.5
0.5 ~ 0.8
0.5 ~ 1.5
0.8 ~ 1.5
中高压系统（8 ~ 16）MPa
同上
比中低压系统高50% ~ 100%
高压系统（16 ~ 32）MPa
如锻压机械等
初算时背压可忽视不计
对于单活塞杆液压缸，其工作压力可按下列公式复算：
差动快进阶段
（2.10）
无杆腔进油工进阶段
（2.11）
有杆腔进油快退阶段
（2.12）
式中 F —— 液压缸在各工作阶段最大机械总负载（N）；
、—— 分别为液压缸无杆腔和有杆腔有效作用面积（m2）；
—— 液压缸回油路背压（Pa），在系统设计完毕之前无法精确计算，可先按表2.5预计。差动快进时，有杆腔压力不不大于无杆腔，其压差p=是油液从有杆腔流入无杆腔压力损失。
2.2.4 执行元件工况图
各执行元件重要参数拟定之后，不但可以复算液压执行元件在工作循环各阶段内工作压力，还可求出需要输入流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中工况图，即液压执行元件在一种工作循环中压力、流量和功率随时间（或位移）变化曲线图（图2.2为某一机床进给液压缸工况图）。当液压执行元件不只有一种时，将系统中各执行元件工况图进行叠加，便得到整个系统工况图。液压系统工况图可以显示整个工作循环中系统压力、流量和功率最大值及其分布状况，为后续设计中选取元件、回路或修正设计提供根据。
对于单个执行元件系统或某些简朴系统，其工况图绘制可以省略，而仅将计算出各阶段压力、流量和功率值列表表达。

图2.2 机床进给液压缸工况图
—快进时间；—工进时间；—快退时间
2.3 液压系统原理图拟定
液压系统原理图是表达液压系统构成和工作原理图样。拟定液压系统原理图是设计液压系统核心一步，它对系统性能及设计方案合理性、经济性具备决定性影响。
1. 拟定油路类型
普通具备较大空间可以存储油箱且不另设散热装置系统，都采用开式油路；凡容许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油互换来达到冷却目系统，都采用闭式油路。普通节流调速系统采用开式油路，容积调速系统采用闭式回路。
2. 选取液压回路
在拟订液压系统原理图时，应依照各类主机工作特点和性能规定，一方面拟定对主机重要性能起决定性影响重要回路。例如，对于机床液压系统，调速和速度换接回路是重要回路；对于压力机液压系统，压力回路是重要回路。然后再考虑其他辅助回路，例如有垂直运动部件系统要考虑重力平衡回路，有各种执行元件系统要考虑顺序动作、同步或互不干扰回路，有空载运营规定系统要考虑卸荷回路等。
3. 绘制液压系统原理图
将挑选出来各个回路合并整顿，增长必要元件或辅助回路，加以综合，构成一种完整液压系统。在满足工作机构运动规定及生产率前提下，力求所设计液压系统构造简朴、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调节和维护保养以便。
2.4 液压元件计算和选取
2.4.1 选取液压泵
一方面依照设计规定和系统工况拟定液压泵类型，然后依照液压泵最大供油量来选取液压泵规格。
1. 拟定液压泵最高供油压力pp
（2.13）
式中 —— 执行元件最高工作压力（Pa）；
—— 进油路上总压力损失（Pa）。
如系统在执行元件停止运动时才浮现最高工作压力，则；否则须计算出油液通过进油路上控制调节元件和管道时各项压力损失，初算时可凭经验进行预计，对简朴系统取MPa，对复杂系统取MPa。
2. 拟定液压泵最大供油量
液压泵最大供油量为
（m3/s） （2.14）
式中 K —— 系统泄漏系数，普通取K = 1.1 ~ 1.3，大流量取小值，小流量取大值；
—— 同步动作各液压执行元件所需流量之和最大值（m3/s）。
当系统中采用液压蓄能器供油时，由系统一种工作周期T中平均流量拟定：
（m3/s） （2.15）
式中 —— 系统在整个周期中第i个阶段内用油量。
如果液压泵供油量是按工进工况选用时（如双泵供油方案，其中小流量泵是供应工进工况流量）其供油量应考虑溢流阀最小溢流量。
3. 选取液压泵规格型号
液压泵规格型号按计算值在产品样本中选用。为了使液压泵工作安全可靠，液压泵应有一定压力储备量，普通泵额定压力可比工作压力高25% ~ 60%。泵额定流量则宜与相称，不要超过太多，以免导致过大功率损失。
4. 选取驱动液压泵电动机
驱动液压泵电动机依照驱动功率和泵转速来选取。
（1）在整个工作循环中，泵压力和流量在较多时间内皆达到最大值时，驱动泵电动机功率P为
（W） （2.16）
式中 —— 液压泵最高供油压力（Pa）；
—— 液压泵实际输出流量（m3/s）；
—— 液压泵总效率，数值可见产品样本，普通有上下限，规格大时取上限，规格小时取下限；变量泵取下限，定量泵取上限。
（2）限压式变量叶片泵驱动功率，可按泵实际压力－流量特性曲线拐点处功率来计算。
（3）在工作循环中，泵压力和流量变化较大时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需驱动功率，然后求其均方根值：
（W） （2.17）
式中 ，…，—— 一种工作循环中各阶段所需驱动功率（W）；
，…，—— 一种工作循环中各阶段所需时间（s）。
在选取电动机时，应将求得值与各工作阶段最大功率值比较，若最大功率符合电动机短时超载25%范畴，则按平均功率选取电动机；否则应恰当增大电动机功率，以满足电动机短时超载25%规定，或按最大功率选取电动机。
2.4.2 选取阀类元件
各种阀类元件规格型号，按液压系统原理图和系统工况图中提供该阀所在支路最大工作压力和通过最大流量从产品样本中选用。各种阀额定压力和额定流量，普通应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可容许其最大通过流量超过额定流量20%。
详细选取时，应注意溢流阀按液压泵最大流量来选用；流量阀还需考虑最小稳定流量，以满足低速稳定性规定；单活塞杆液压缸系统若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用面积n倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量n倍，因而应以n倍流量来选取通过该回油路阀类元件。
2.4.3 选取液压辅助元件
油管规格尺寸大多由所连接液压元件接口处尺寸决定，只有对某些重要管道才验算其内径和壁厚，验算公式见参照文献[1]中第7章。
滤油器、液压蓄能器和油箱容量选取亦见参照文献[1]中第7章。
2.4.4 阀类元件配备形式选取
对于机床等固定式液压设备，常将液压系统动力源、阀类元件（涉及某些辅助元件）集中安装在主机外液压站上。这样能使安装与维修以便，并消除了动力源振动与油温变化对主机工作精度影响。而阀类元件在液压站上配备也有各种形式可供选取。配备形式不同，液压系统元件连接安装构造和压力损失也有所不同。阀类元件配备形式当前广泛采用集成化配备，详细有下列三种：
1. 油路板式
油路板又称阀板，它是一块较厚液压元件安装板，板式连接阀类元件由螺钉安装在板正面，管接头安装在板侧面，各元件之间油路所有由板内加工孔道形成，见图2.3。这种配备形式长处是构造紧凑、油管少、调节以便、不易出故障；缺陷是加工较困难、油路压力损失较大。
2. 叠加阀式
叠加阀与普通管式、板式连接原则元件相比，其工作原理没有多大差别，但详细构造却不相似。它是自成系列元件（图2.4），每个叠加阀既起控制阀作用，又起通道体作用。因而，叠加阀式配备不需要此外连接块，只需用长螺栓直接将各叠加阀叠装在底板上，即可构成所需液压系统。这种配备形式长处是构造紧凑、油管少、体积小、质量轻、不需设计专用连接块，油路压力损失小。

图2.3 油路板式配备 2.4 叠加阀式配备
1-油路板；2-板式阀；3-管接头

图2.5 集成块式配备图
1-油管；2-集成块；3-液压阀；
4-电动机；5-液压泵 6-油箱
3. 集成块式
集成块由通道体和其上安装阀类元件及管接头构成。通道体是一块通用化六面体，四周除一面装通向执行元件管接头之外，别的三面均可安装阀类元件。块内由钻孔形成油路，普通一块就是一种惯用典型基本回路。一种液压系统往往由几种集成块构成，块上下两面作为块与块之间结合面，各集成块与顶盖、底板一起用长螺栓叠装起来，即构成整个液压系统，见图2.5。总进油口与回油口开在底板上，通过集成块公共孔道直接通顶盖。这种配备形式长处是构造紧凑、油管少、可原则化、便于设计与制造、更改设计以便、油路压力损失小。
2.5 液压系统技术性能验算
液压系统初步设计完毕之后，需要对它重要性能涉及系统压力损失和发热温升加以验算，以便评价其设计质量，并改进和完善液压系统。下面简介系统压力损失及发热温升验算办法。
2.5.1 系统压力损失验算
画出管路装配草图后，即可计算管路沿程压力损失、局部压力损失，它们计算公式详见参照文献[1]中第3章。管路总压力损失为
（2.18）
应按系统工作循环不同阶段，对进油路和回油路分别计算压力损失。
但是，在系统详细管道布置状况没有明确之前，和仍无法计算。为了尽早地评价系统功率运用状况，避免背面设计工作浮现大重复，在系统方案初步拟定之后，通惯用液流通过阀类元件局部压力损失（见参照文献[1]中第3章式（3.29））来对管路压力损失进行概略地估算，由于这某些损失在系统整个压力损失中占很大比重。
在对进、回油路分别算出和后，将此验算值与前述设计过程中初步选用进、回油路压力损失经验值相比较，若验算值较大，普通应对原设计进行必要修改，重新调节关于阀类元件规格和管道尺寸等，以减少系统压力损失。
需要指出，实践证明，对于较简朴液压系统，压力损失验算可以省略。
2.5.2 系统发热温升验算
液压系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗能量多数转化为热能，使油温升高，导致油粘度下降、油液变质、机器零件变形，影响正常工作。为此，必要控制温升ΔT在容许范畴内，如普通机床DT =（25 ~ 30）℃；数控机床DT ≤ 25 ℃；粗加工机械、工程机械和机车车辆DT=（35 ～ 40）℃。
功率损失使系统发热，则单位时间发热量f（W）为
（2.19）
式中 —— 系统输入功率（即泵输入功率）（W）；
—— 系统输出功率（即缸输出功率）（W）。
若在一种工作循环中有几种工作阶段，则可依照各阶段发热量求出系统平均发热量，即
（2.20）
式中 t —— 工作循环周期（s）；
—— 各工作阶段持续时间（s）；
i —— 工作阶段序号。
液压系统在工作中产生热量，通过所有元件表面散发到空气中去，但绝大某些热量是由油箱散发。油箱在单位时间散热量可按下式计算
（2.21）
式中 h —— 油箱散热系数（kW/（m2·℃））。当自然冷却通风很差时，h =（8 ~ 9）×10-3kW/（m2·℃）；当自然冷却通风良好时，h =15×10-3kW/（m2·℃）用电扇冷却时，h =23×10-3kW/（m2·℃）；用循环水冷却时，h =（110 ~ 170）×10-3kW/（m2·℃）；
A —— 油箱散热面积（m2）；
—— 液压系统温升（℃）。
当液压系统散热量等于发热量时，，系统达到了热平衡，这时系统温升为
（2.22）
如果油箱三个边长比例在1:1:1到1:2:3范畴内，且油面高度为油箱高度80%，其散热面积A近似为
（2.23）
式中 A —— 散热面积（m）；
V —— 油箱有效容积（L）。
按式（2.22）算出温升值如果超过容许数值时，系统必要采用恰当冷却办法或修改液压系统图。