液壓計算原件選擇

1、液壓元件的選擇一、液壓泵的確定與所需功率的計算1. 液壓泵的確定(1) 確定液壓泵的最大工作壓力。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力P1,再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失P,即卩Pb =pi+2A p(9-15)SA p包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗估計，一般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)SA p為(25) X105Pa,用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)SAp為(515) X 105Pa,SA p也可只考慮流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊

2、或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表9-4選取。表9-4常用中、低壓各類閥的壓力損失(A pn)閥名A pn( X 105Pa)閥名A pn( X 105Pa)閥名Apn( X 105Pa)閥名A pn( X 105Pa)單向閥0.3 0.5背壓閥38行程閥1.52轉(zhuǎn)閥1.5 2換向閥1.5 3節(jié)流閥23順序閥1.53調(diào)速閥35(2)確定液壓泵的流量qB。泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行兀件動作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。 多液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸(或馬達)所需的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即3qB> K( S q) max(m

3、/s)(9-16)式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 1.11.3，大流量取小值，小流量取大值；(S q)max為同時動作的液壓缸(或馬達)的最大總流量(m3/s)。 采用差動液壓缸回路時，液壓泵所需流量為：3qB> K(A1-A2)v max(m /s)(9-17)式中：A 1 , A 2為分別為液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2) ； Vmax為活塞的最大移動速度(m/s)。 當系統(tǒng)使用蓄能器時，液壓泵流量按系統(tǒng)在一個循環(huán)周期中的平均流量選取，即ZqB= i 1 VK/Ti(9-18)3式中：V為液壓缸在工作周期中的總耗油量(m) ; Ti為機器的工作周期(s) ; Z為液壓缸的個數(shù)。

4、(3) 選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力pb和流量qB,查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與Pb和qB相當?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。上面所計算的最大壓力pb是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動態(tài)壓力，而動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pB應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%60%使液壓泵有一定的壓力儲備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中 低壓范圍，壓力儲備取大值。(4) 確定驅(qū)動液壓泵的功率。當液壓泵的壓力和流量比較衡定時，所需功率為：P=PbC|b/10 3n b (kW)(9-19)式中：pB為液壓泵的最大工作壓力 (N/m ) ； qB為液壓泵的流量(m/s) ;

5、 n為液壓泵的總效率， 各種形式液壓泵的總效率可參考表9-5估取，液壓泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。表9-5 液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.6 0.70.65 0.800.60 0.750.80 0.85在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量有顯著變化時，可分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其平均值，即(9-20)Pl, P2,，Pn為一個工作p= ,：tp2+t2P22+JPn2/ +1?+ +t式中：t1 , t2，tn為一個工作循環(huán)中各階段所需的時間(S)；循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。再進行驗算，使電動機發(fā)按上述功率和泵的

6、轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標準電動機，出最大功率時，其超載量在允許范圍內(nèi)。二、閥類元件的選擇1. 選擇依據(jù)選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性 能參數(shù)和工作壽命等。2. 選擇閥類元件應(yīng)注意的問題(1) 應(yīng)盡量選用標準定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設(shè)計專用件。(2) 閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時, 應(yīng)按液壓泵的最大流量選?。贿x擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速 性能的要求。(3) 一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實際通過的流量大一些，必要時，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%三、蓄能器

7、的選擇1. 蓄能器用于補充液壓泵供油不足時，其有效容積為：3V=S A Li K-q Bt(m )(9-21)式中：A為液壓缸有效面積(m2) ; L為液壓缸行程(m); K為液壓缸損失系數(shù)，估算時可取K =1.2 ; qB為液壓泵供油流量(m3/s) ; t為動作時間(s)。2. 蓄能器作應(yīng)急能源時，其有效容積為：3V=S ALiK(m)(9-22)當蓄能器用于吸收脈動緩和液壓沖擊時，應(yīng)將其作為系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)與其關(guān)聯(lián)部分一起綜合考慮其有效容積。根據(jù)求出的有效容積并考慮其他要求，即可選擇蓄能器的形式。四、管道的選擇1. 油管類型的選擇液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流

8、截面和承壓能力，同時， 應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。(1) 鋼管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價格低，性能好， 使用廣泛。(2) 銅管：紫銅管工作壓力在6.510 MPa以下，易變曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達25MPa不如紫銅管易彎曲。銅管價格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量 少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。(3) 軟管：用于兩個相對運動件之間的連接。高壓橡膠軟管中夾有鋼絲編織物；低壓橡2.58MPa多用所以軟管不宜裝在液壓缸和調(diào)速膠軟管中夾有棉線或麻線編織物；尼龍管是乳白色半透明管，承壓能力為 于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運動部件爬

9、行，閥之間。2. 油管尺寸的確定(1) 油管內(nèi)徑d按下式計算：qd=丫 v式中：q為通過油管的最大流量(m3/s) ; v為管道內(nèi)允許的流速 5(m/s);壓力油管取 2.55(m/s);回油管取1.52(m。(2)油管壁厚3按下式計算：p d/2t式中：P為管內(nèi)最大工作壓力；T為油管材料的許用壓力，31.13 10(9-23)(m/s)。一般吸油管取 0.5(9-24)、6= (T b/n ； (T b為材料的抗拉強度；n為安全系數(shù)，鋼管 p v 7MPa時，取n=8; pv 17.5MPa時，取n=6; p> 17.5MPa時, 取 n=4。根據(jù)計算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊選取標準

10、規(guī)格油管。五、油箱的設(shè)計油箱的作用是儲油， 散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。 其形式有開式和 閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通； 閉式油箱油液液面與大氣隔絕。 開式油箱應(yīng)用較 多。1. 油箱設(shè)計要點(1) 油箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時不滲出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的80%(2) 吸箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大。(3) 油箱底部應(yīng)有適當斜度，泄油口置于最低處，以便排油。(4) 注油器上應(yīng)裝濾網(wǎng)。(5) 油箱的箱壁應(yīng)涂耐油防銹涂料。2. 油箱容量計算油箱的有效容量V可近似用液壓泵單位時間內(nèi)排出油液的體積確定。V=KS q(9-25)式中：K

11、為系數(shù)，低壓系統(tǒng)取 24,中、高壓系統(tǒng)取57; 2 q為同一油箱供油的各液壓泵 流量總和。六、濾油器的選擇選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點：(1) 承載能力：按系統(tǒng)管路工作壓力確定。(2) 過濾精度：按被保護元件的精度要求確定，選擇時可參閱表9-6。(3) 通流能力：按通過最大流量確定。(4) 阻力壓降：應(yīng)滿足過濾材料強度與系數(shù)要求。表9-6濾油器過濾精度的選擇系統(tǒng)過濾精度(卩m)元件過濾精度(卩m)低壓系統(tǒng)100150滑閥1/3最小間隙570 X 10 Pa 系統(tǒng)50節(jié)流孔1/7孔徑(孔徑小于1.8mm)100 X 105Pa 系統(tǒng)25流量控制閥2.5 30140 X 105Pa 系統(tǒng)10 15安

12、全閥溢流閥15 25電液伺服系統(tǒng)5高精度伺服系統(tǒng)2.5第四節(jié)液壓系統(tǒng)性能的驗算為了判斷液壓系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升、效率和系統(tǒng)的動態(tài) 特性等進行驗算。由于液壓系統(tǒng)的驗算較復(fù)雜，只能采用一些簡化公式近似地驗算某些性能 指標，如果設(shè)計中有經(jīng)過生產(chǎn)實踐考驗的同類型系統(tǒng)供參考或有較可靠的實驗結(jié)果可以采用 時，可以不進行驗算。一、管路系統(tǒng)壓力損失的驗算當液壓元件規(guī)格型號和管道尺寸確定之后，就可以較準確的計算系統(tǒng)的壓力損失，壓力損失包括：油液流經(jīng)管道的沿程壓力損失 PL、局部壓力損失 pc和流經(jīng)閥類元件的壓力損失 Pv,即： p= A pl+ pc+ pv(9-26)計算沿程壓力損失

13、時，如果管中為層流流動，可按下經(jīng)驗公式計算：64A Pl= 4.3V q LX 10/d (Pa)(9-27)3式中：q為通過管道的流量(m/s) ; L為管道長度(m); d為管道內(nèi)徑(mm)；u為油液的運動 粘度(m2)。局部壓力損失可按下式估算：A Pc=(0.05 0.15) A Pl(9-28)閥類元件的 pv值可按下式近似計算：2 pv=A pn (qv/qvn) (Pa)(9-29)式中：qvn為閥的額定流量(m3/s) ; qv為通過閥的實際流量(m3/s) ; A pn為閥的額定壓力損失 (Pa)。計算系統(tǒng)壓力損失的目的，是為了正確確定系統(tǒng)的調(diào)整壓力和分析系統(tǒng)設(shè)計的好壞。系統(tǒng)

14、的調(diào)整壓力：po> pi + A p(9-30)式中：po為液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力；pi為執(zhí)行件的工作壓力。如果計算出來的A p比在初選系統(tǒng)工作壓力時粗略選定的壓力損失大得多，應(yīng)該重新調(diào)整有關(guān)元件、輔件的規(guī)格，重新確定管道尺寸。二、系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算系統(tǒng)發(fā)熱來源于系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，如液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失、溢流閥的溢流損失、液壓閥及管道的壓力損失等。這些能量損失轉(zhuǎn)換為熱能，使油液溫度升高。油液的溫升使粘度下降，泄漏增加，同時，使油分子裂化或聚合，產(chǎn)生樹脂狀物質(zhì)，堵塞液壓元件小 孔，影響系統(tǒng)正常工作， 因此必須使系統(tǒng)中油溫保持在允許范圍內(nèi)。一般機床液壓系統(tǒng)正常工作油溫為30

15、50C;礦山機械正常工作油溫5070C;最高允許油溫為 7090C。1. 系統(tǒng)發(fā)熱功率P的計算P= Pb(1- n )(W)(9-31)式中：Pb為液壓泵的輸入功率(W) ；n為液壓泵的總效率。若一個工作循環(huán)中有幾個工序，則可根據(jù)各個工序的發(fā)熱量，求出系統(tǒng)單位時間的平均發(fā)熱量：1 n-&(1 P=T i 1式中：T為工作循環(huán)周期(s) ; ti為第i個工序的工作時間 入功率(W)o2.系統(tǒng)的散熱和溫升系統(tǒng)的散熱量可按下式計算：)ti(w)(s);(9-32)P為循環(huán)中第i個工序的輸mKjAj tsP' = i 1(W)(9-33)式中：K為散熱系數(shù)(W/m2C )，當周圍通風很

16、差時， K89;周圍通風良好時， K 15;用 風扇冷卻時，K 23;用循環(huán)水強制冷卻時的冷卻器表面 3 110175; A為散熱面積(m2), 當油箱長、寬、高比例為 1 : 1 : 1或1 : 2 : 3，油面高度為油箱高度的 80%寸，油箱散熱面 積近似看成A= 0.065 3V2 (m2)，式中V為油箱體積(L);At為液壓系統(tǒng)的溫升(C)，即液壓系統(tǒng)比周圍環(huán)境溫度的升高值；j為散熱面積的次序號。當液壓系統(tǒng)工作一段時間后，達到熱平衡狀態(tài)，則：P= P'所以液壓系統(tǒng)的溫升為:PmKjASjA t= i 1( C)(9-34)計算所得的溫升A t，加上環(huán)境溫度，不應(yīng)超過油液的最高允

17、許溫度。當系統(tǒng)允許的溫升確定后，也能利用上述公式來計算油箱的容量。三、系統(tǒng)效率驗算液壓系統(tǒng)的效率是由液壓泵、執(zhí)行元件和液壓回路效率來確定的。液壓回路效率n c一般可用下式計算：pq p?q2 n c= Pb1qb1 Pb2qb2(9-35)式中：j , q1; P2, q2;為每個執(zhí)行元件的工作壓力和流量；Pb1, qB1； Pb2, qB2為每個液 壓泵的供油壓力和流量。液壓系統(tǒng)總效率：n = n Bn cn m(9-36)式中：n b為液壓泵總效率；n m為執(zhí)行元件總效率；nc為回路效率。第五節(jié)繪制正式工作圖和編寫技術(shù)文件經(jīng)過對液壓系統(tǒng)性能的驗算和必要的修改之后，便可繪制正式工作圖，它包括

18、繪制液壓系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標準元件設(shè)計圖。正式液壓系統(tǒng)原理圖上要標明各液壓元件的型號規(guī)格。對于自動化程度較高的機床，還應(yīng)包括運動部件的運動循環(huán)圖和電磁鐵、壓力繼電器的工作狀態(tài)。管道裝配圖是正式施工圖，各種液壓部件和元件在機器中的位置、固定方式、尺寸等應(yīng)表示清楚。自行設(shè)計的非標準件，應(yīng)繪出裝配圖和零件圖。編寫的技術(shù)文件包括設(shè)計計算書，使用維護說明書，專用件、通用件、標準件、外購件 明細表，以及試驗大綱等。第六節(jié)液壓系統(tǒng)設(shè)計計算舉例某廠汽缸加工自動線上要求設(shè)計一臺臥式單面多軸鉆孔組合機床，機床有主軸16根，鉆14個$ 13.9mm的孔，2個$ 8.5mm的孔，要求的工作循環(huán)是：快速

19、接近工件，然后以工 作速度鉆孔，加工完畢后快速退回原始位置，最后自動停止；工件材料：鑄鐵，硬度HB為240;假設(shè)運動部件重 G= 9800N;快進快退速度v1 = 0.1m/s ;動力滑臺采用平導(dǎo)軌，靜、動 摩擦因數(shù)卩s=0.2，卩d=0.1 ;往復(fù)運動的加速、減速時間為0.2s ;快進行程L1=100mm工進行程L2=50mm試設(shè)計計算其液壓系統(tǒng)。一、作Ft與vt圖1. 計算切削阻力鉆鑄鐵孔時，其軸向切削阻力可用以下公式計算：Fc=25.5DS0.8 硬度 0.6(N)式中：D為鉆頭直徑(mm); S為每轉(zhuǎn)進給量(mm/r)。選擇切削用量：鉆$ 13.9mm孔時，主軸轉(zhuǎn)速 n1 = 360r

20、/min，每轉(zhuǎn)進給量 S仁0.147mm/r;鉆 8.5mm孔時，主軸轉(zhuǎn)速 n2= 550r/min，每轉(zhuǎn)進給量 S2=0.096mm/r。貝UFc=14X 25.5D1S°.81 硬度 °.6+2X 25.5D2S0.82 硬度 0.6 =08 0 6 080 614 X 25.5 X 13.9 X 0.147 X 240 . +2X 25.5 X 8.5 X 0.096 . X 240 . =30500(N)2. 計算摩擦阻力靜摩擦阻力：Fs=fsG=0.2 X 9800=1960N動摩擦阻力：Fd=fdG=0.1 X 9800=980N3. 計算慣性阻力FiG?V98

21、000-1500Ngt9.80.24.計算工進速度 工進速度可按加工$13.9的切削用量計算，即：-3V2=nS=360/60 X 0.147=0.88mm/s=0.88 X 10 m/s5.根據(jù)以上分析計算各工況負載如表9-7所示。表9-7液壓缸負載的計算工況計算公式液壓缸負載F/N液壓缸驅(qū)動力Fo/N啟動F=faG19602180加速F=f dG+G/gA v/ t14801650快進F=fdG9801090工進F=Fc+f dG3148035000反向啟動F=fsG19602180加速F=fdG+G/gA v/ A14801650快退F=fdG9801090制動F=f dG-G/g A

22、v/ A t480532其中，取液壓缸機械效率ncm=0.9。6. 計算快進、工進時間和快退時間快進： t i=Li/v i=100X 10- /0.1=1s工進： t 2=L2/V2=5OX 10-/0.88 X 10- =56.6s 快退： t 3=(L1+L2)/v 1= (100+50) X 10-3/0.1=1.5s7. 根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪液壓缸 Ft與Vt圖見圖9-5 。1>= 1.：ia196014利勺仙0f/srm0圖9-5 F t與Vt圖二、確定液壓系統(tǒng)參數(shù)1. 初選液壓缸工作壓力由工況分析中可知，工進階段的負載力最大， 所以，液壓缸的工作壓力按此負載力計算， 根據(jù)液壓缸與

23、負載的關(guān)系，選p1=40X 105Pa。本機床為鉆孔組合機床，為防止鉆通時發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)有背壓，設(shè)背壓P2=6X 105Pa,為使快進快退速度相等，選用A=2A差動油缸，假定快進、快退的回油壓力損失為p=7X 105Pa。2. 計算液壓缸尺寸由式(P1A1-P 2A2) n cm=F得：A1F31480cm ( p1P2)0.9(40 6/2) 1032 )94 10 4m294cm2液壓缸直徑:10.9cm取標準直徑：D= 110 mm因為 A=2A，所以d= D / . 280mm則液壓缸有效面積：2 2 2A= n D/4= nX 11 /4=95cmA= n /4 (D

24、2-d 2)= n /4 (11 2-8 2)=47cm23. 計算液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率計算表。表9-8液壓缸工作循環(huán)各階段壓力、流量和功率計算表工況計算公式F0/nP2/P aP1/P a33Q/(10 - nVs)P/kw快進啟動P1=F°/A+p 22180P2=054.6*100.5加速Q(mào)=av16505P2=7x10510.5*10快進P=10-3p1q10909x1050.5工進P1=F/a 1+P2/2 q=AV1 p=10 p1q35005P2=6x10540x1050.83x100.033快退反向啟 動P1=

25、Fo/a 計2p22180P2=054.6x10加速1650517.5x10快退Q=AV210905P2=7*10516.4x100.50.8制動-3P=10 p1q532515.2x10圖96液壓缸工況圖4. 繪制液壓缸工況圖見圖 9-6。三、擬定液壓系統(tǒng)圖1.選擇液壓回路 調(diào)速方式；由工況圖知，該液壓系統(tǒng)功率小，工作負載變化小，可選用進油路節(jié)流 調(diào)速，為防止鉆通孔時的前沖現(xiàn)象，在回油路上加背壓閥。(2) 液壓泵形式的選擇； 從qt圖清楚的看出，系統(tǒng)工作循環(huán)主要由低壓大流量和高壓小流 量兩個階段組成，最大流量與最小流量之比qma>/q min=0.5/0.83 X 10-2疋60，其相

26、應(yīng)的時間之比t2/t 1=56。根據(jù)該情況，選葉片泵較適宜，在本方案中，選用雙聯(lián)葉片泵。(3) 速度換接方式：因鉆孔工序?qū)ξ恢镁燃肮ぷ髌椒€(wěn)性要求不高，可選用行程調(diào)速閥 或電磁換向閥。(4) 快速回路與工進轉(zhuǎn)快退控制方式的選擇：為使快進快退速度相等，選用差動回路作 快速回路。2. 組成系統(tǒng)在所選定基本回路的基礎(chǔ)上，再考慮其他一些有關(guān)因素組成圖9-7所示液壓系統(tǒng)圖。四、選擇液壓元件1.選擇液壓泵和電動機(1)確定液壓泵的工作壓力。 前面已確定液壓缸的最大工作壓力為 40X 105Pa,選取進油 管路壓力損失 p=8X 105Pa,其調(diào)整壓力一般比系統(tǒng)最大工作壓力大 5X 105Pa,所以泵的工 作壓力 PB= (40 + 8 + 5) X 10 = 53X 10 Pa這是高壓小流量泵的工作壓力。由圖9-7可知液壓缸快退時的工作壓力比快進時大，取其壓力損失厶p'= 4X 105Pa,則快退時泵的工作壓力為：55Pb=(16.4 + 4) X 10 = 20.4 X 10 Pa這是低壓大流量泵的工作壓力。(2)液壓泵的流量。由圖