液压传动课程设计指导书 - 图文(2)

第2章 液压系统设计

2． 1明确设计要求

设计要求是进行每项设计的依据。在制定基本方案并进一步行着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。

１．主机的概况：用途、性能指标、工艺流程、工作特点、作业环境、总体布局等； ２．液压系统必须完成的动作，动作顺序及彼此联动、联锁关系如何； ３．液压驱动的运动形式、行程和对速度的要求； ４．各动作机构的载荷大小及其性质； ５．对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； ６．自动化程度、操作控制方式的要求； ７．对防尘、防爆、防寒、躁声、安全可靠性的要求； ８．对效率、成本等方面的要求。 2．2 总体规划、确定液压执行元件 液压执行元件的类型、数量、安装位置和与主机的连接关系，对主机的设计有很大影响，在考虑液压设备的总体方案时，确定液压执行元件和确定主机整体结构布局是同时进行的，液压执行元件的选择由主机的动作要求、载荷大小及布置空间条件确定，液压执行机构的选择可参考表2-1。 2．3 明确液压执行元件的载荷、速度及其变化规律，绘制液压系统工况图 在设计技术任务书阐明的主机规格中，通常能够直接知道作用于液压执行元件的载荷，及其在完成一个工作循环时的运动规律。但若主机的载荷与运动关系是经过机械传动关系作用到液压执行元件上时，则需要经过计算才能明确。有时，例如进行新机型液压系统设计，其载荷与运动往往需要由样机实测，同类设备参数类比或通过理论分析得出。 2．3．1载荷的组成和计算 2．3．1．1液压缸的载荷组成与计算液压执行元件 图2-1液压系统计算简图 图2-1表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注图上，其中Fw是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm是活塞与缸璧以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。 作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg，导轨的摩擦力Ff和由于速度变化而产生的惯性力Fa 。 （1）工作载荷Fg 常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等。这些作用力的方向如与活塞运动方向相同为负，相反为正。

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表2-1 常用液压执行元件的类型、特点和应用 类型

柱塞缸 特 点 结构简单、制造容易；靠自重或外力回程 应 用 液压机、千斤顶、小缸用于定位和夹紧 各类机械 活塞缸 一般连接，往返速度和出力不同；差动单出杆 连接，可实现快进；d=0.71D,差动连接，往返速度和出力相同 双出杆 两杆直径相等，往返速度和出力相同；磨床，往返速度相同或不同的机构 两杆直径不等，往返速度和出力不同 可获得多种出力和速度，结构紧凑，制造较难 体积小，出力大，行程小 行程是缸长的数倍，节省安装空间 单叶片式转角＜3600；双叶片式转角＜1800。体积小，密封较难 转角0～3600或7200；密封可靠，工作压力大，扭矩大 转速高，扭矩小，结构简单，价廉 转速中等，扭矩范围宽，结构简单，价廉 直径小，扭矩大；视定子材料，可用矿物油、清水或含细颗粒介质 转速高，扭矩小，转动惯量小，动作灵敏，脉动小，躁声低 速度中等，扭矩较大，轴向尺寸小 速度大，可变速，扭矩中等，低速平稳性好 扭矩很大，转速低，低速平稳性很好 液压机、注塑机、数控机床换刀机构 模具成型挤压机、金属成型压印机、六面顶 汽车车厢举倾缸、起重机臂伸缩缸 机床夹具、流水线转向调头装置、装载机翻斗 船舶舵机、大扭矩往复回转机构 钻床、风扇传动 塑料机械、煤矿机械、挖掘机行走机构 食品机械、化工机械、凿井设备 磨床回转工作台、机床操纵机构、多作用大排量用于船舶锚机 塑料机械、行走机械 起重机、绞车、铲车、内燃机车、数控机床 挖掘机、拖拉机、冶金机械、起重机、采煤机牵引部件 复合增速缸 复合增压缸 多级液压缸 叶片式摆动缸 活塞齿杆液压缸 齿轮马达 摆线齿轮马达 曲杆马达 叶片马达 球塞马达 轴向柱塞马达 内曲线径向马达

（2）导轨摩擦载荷Ff

对于平导轨： Ff=μ2（G十FN) ?对于V型导轨： Ff=μ2（G十FN)/sin（2）

其中： G——运动部件所受的重力（N）；

FN——外载荷作用于导轨上的正压力（N）； μ——摩擦系数。见表2-2；

α——V型导轨的夹角，一般为90°。

（3）惯性载荷Fa

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G?vFa?g?t其中：g —— 重力加速度；g = 9.81m/s2 ；

Δv ——速度变化量（m/s）； Δt ——起动或制动时间（s）。一般机械Δt = 0.1～0.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。行走机械一般取

?v?0. 5 ～1.5m/s。

?t以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷Fw。 起动加速时 Fw= Fg十Ff十Fa 稳态运动时 Fw= Fg十Ff 减速制动时 Fw= Fg十Ff－Fa

工作载荷Fg非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg= 0。

表2-2 摩檫系数μ 导轨类型 导轨材料 运动状态 起动时 低速 滑动导轨 铸铁对铸铁 (v＜0. 16m/s) 高速 (v﹥0. 16m/s) 滚动导轨 静压导轨 铸铁对滚柱（珠） 淬火钢导轨对滚柱 铸铁 摩檫系数 0．15～0.20 0．1～0.12 0．05～0.08 0.005～0.02 0.003～0.006 0.005

除外载荷Fw外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力，Fm由于各种缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为：

Fm?(1??m)F

式中：ηm— 液压缸的机械效率，一般取0.90—0. 95。

F?FW?m

2．3．1．2 液压马达载荷力矩的组成与计算 （1）工作载荷力矩Tg

常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等。 （2）轴颈摩擦力矩Tf

Tf??Grμ —— 摩擦系数，参考表2-2选用；

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式中 G —— 旋转部件施加于轴颈上的径向力(N)；

r —— 旋转轴的半径 (m)。

（3）惯性力矩Ta

Ta?J??J???t式中 ε—— 角加速度（rad/s2）；

Δω —— 角速度变化量（rad/s）； Δt —— 起动或制动时间（s）；

R —— 回转部件的转动惯量 (kg2m2)。 起动加速时 TW = Tg十Tf 十Ta 稳定运行时 TW = Tg十Tf 减速制动时 TW = Tg十Tf －Ta

计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率ηm（ηm= 0.9～0.99）。

T?TW2．3．2

绘制液压系统工况图

?m

根据液压缸或液压马达各阶段的载荷，对液压系统作迸一步的工况分析，绘制液压系统有关工况图，见表2-3。明确每个液压执行元件在工作循环各阶段中的速度、载荷变化规律，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。

表 2-3 液压系统有关工况图 工况图名称 函数式 动作线图(位移、转角图) 速度图 载荷图 S,??f(t) S：液压缸行程 v,n?f(t) F,??f(t) 式中参数的意义 液压缸行程速度 F：液压缸的载荷(力) v：?：摆动缸或液压马达转角 n：液压马达转速 ?：液压马达的工作扭矩 t：时间；t= 0～T，T为工作循环周期时间 2．4 确定系统工作压力

系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济; 反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是液压的发展方向，但要注意治漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。具体选择参考表2-4，表2-5。

表2-4 按载荷选择工作压力

载荷/kN ＜5 5～10 1.5～2 10～20 2.5～3 20～30 3～4 30～50 4～5 ＞50 ≥5 工作压力/MPa ＜0.8～1 8

表2-5 各类设备常用的工作压力 设备类型 压力范围/MPa 压力等级 说明 设备类型 油压机、冶金重型机械 压力范围/MPa 压力等级 说明 空间有限、响下降低成本 机床、压铸机、汽车 农业机械、工矿车辆、注塑机、＜7 低压 低噪声、高可靠性系统 机械、挖掘机、21～31.5 高压 应速度高、大功率金刚石压一般系统 机、耐压试验饥、＞31.5 飞机、液压机具 超高压 船用机械、搬运7～212 中压 机械、工程机械、冶金机械 追求大作用力、减轻重量 2．5 计算执行元件主要参数

2．5．1 液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量

根据液压系统载荷图、己确定的系统工作压力，计算：（1）活塞缸的内径、活塞杆直径；

柱塞缸的柱塞、柱塞杆直径。计算方法见第3章“液压缸设计”。（2）液压马达的排量。计算方法见教材“液压马达”。计算时用到回油背压的数据，见表2-6。

表 2-6 执行元件的回油背压

系 统 类 型 背压力/MPa 系 统 类 型 背压力/MPa 0.8～1.5 1.2～3 简单系统或轻载节流调速系统 0.2～0.5 用补油泵的闭式回路 0.4～0.6 回油路较复杂的工程机械 回油路带调速阀的系统 0.5～1.5 回油路较短，且直接回油箱 回油路设置有背压阀的系统 2．5．2

液压缸或液压马达所需的流量

可忽略不计 2．5．2．1 液压缸工作时所需流量

Q = A v

式中：A —— 液压缸有效作用面积（m2）； v —— 活塞与缸体的相对速度（m/s）。

2．5．2．2 液压马达的流量

Q = q nm

式中 q —— 液压马达排量 （m3/r）； nm—— 液压马达的转速（r/s）。

2．6 制定基本方案

2．6．1 制定调速方案

液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。方

向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

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