液压传动系统设计与计算

液压传动系统设计与计算 第九章第九章 液压传动系统设计与计算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。 第一节第一节明确设计要求进行工况分析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， 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(L—t)， 速度循环图(v—t)， 或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。 1.1.位移循环图位移循环图 L L——t t 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 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。 2.2.速度循环图速度循环图 v v——t(t(或或 v v——L)L) 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 v—t 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， 液压传动系统设计与计算 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。 1.1.液压缸的负载及负载循环图液压缸的负载及负载循环图 (1)(1)液压缸的负载力计算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=FF=F c c+F +F f f+F +F i i+F +F G G+F +F m m+F +F b b (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 ①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。 ②摩擦阻力 Ff： 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： Ff=f∑Fn (9-2) V 形导轨： Ff=f∑Fn/[sin(α/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；α为 V 形角，一般为 90°。 ③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： F i  ma  G v N g t (9-4) 液压传动系统设计与计算 表表 9-19-1摩擦因数摩擦因数 f f 导轨类型导轨材料 滑动导轨铸铁对铸铁 铸铁对滚柱(珠) 淬火钢导轨对滚柱 (珠) 运动状态 启动时 低速(v＜0.16m/s) 高速(v＞0.16m/s) 摩擦因数(f) 0.15～0.200.1～ 0.12 0.05～0.08 0.005～ 0.020.003～0.006滚动导轨 静压导轨铸铁0.005 2 式中：m 为运动部件的质量(kg)；a 为运动部件的加速度(m/s )；G 为运动部件的重量(N)；g 2 为重力加速度，g=9.81 (m/s )；Δv 为速度变化值(m/s)； Δt 为启动或制动时间(s)，一般机床 Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。 ④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。 ⑤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 (ηm=0.9)考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。 ⑥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)(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。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。 ①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 ηm=0.9 计算)、 重力和惯性力等项， 即： F=FF=Ff f+F+Fi i±F±FG G+F+Fm m+F+Fb b (9-5) (9-5) ②快速阶段： F=F F=Ff f±F±FG G+F+Fm m+F+Fb b (9-6) (9-6) ③工进阶段： F=F F=Ff f+F+Fc c±F±FG G+F+Fm m+F+Fb b (9-7) (9-7) ④减速： F=F F=Ff f±F±FG G-F-Fi i+F+Fm m+F+Fb b (9-8) (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)(3)液压缸的负载循环图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