《流體傳動與控制》課件第9章

第9章流體傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算9.1概述9.2系統(tǒng)設(shè)計計算舉例 9.1概述

流體傳動系統(tǒng)的設(shè)計是機(jī)械裝置整體設(shè)計的一部分，經(jīng)常使用的方法是現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)經(jīng)驗的積累相結(jié)合。在進(jìn)行流體傳動系統(tǒng)的設(shè)計時應(yīng)著重解決工作部件對力和運動兩方面如何滿足要求的問題。在保證滿足工作性能和工作可靠性的前提下，應(yīng)力求系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)且維修方便。液壓系統(tǒng)設(shè)計的步驟大致如下:

（1）明確設(shè)計要求，進(jìn)行工況分析。

（2）初定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。

（3）擬定液壓系統(tǒng)原理圖。

（4）計算和選擇液壓元件。

（5）估算液壓系統(tǒng)性能。

（6）繪制工作圖和編寫技術(shù)文件。

由于不同系統(tǒng)的具體內(nèi)容有所不同，因此以上設(shè)計步驟也會有所不同。下面對液壓系統(tǒng)設(shè)計各步驟的具體內(nèi)容進(jìn)行簡單介紹，氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算參照進(jìn)行。9.1.1明確設(shè)計要求和工況分析

在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，首先應(yīng)明確以下問題，并將其作為設(shè)計依據(jù)。

（1）主機(jī)的用途、工藝過程、總體布局以及對液壓傳動裝置的位置和空間尺寸的要求。

（2）主機(jī)對液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動化程度、調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、換向定位精度以及對系統(tǒng)的效率、溫升等的要求。

（3）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動沖擊以及是否有腐蝕性和易燃物質(zhì)存在等情況。

在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)對主機(jī)進(jìn)行工況分析，工況分析包括運動分析和動力分析，對復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負(fù)載和動作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載和速度隨時間變化的規(guī)律。對工況分析的內(nèi)容如下:

1.運動分析

主機(jī)的執(zhí)行元件按工藝要求的運動情況，可以用位移循環(huán)圖(L—t)、速度循環(huán)圖(v—t或v—L)或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對運動規(guī)律進(jìn)行分析。

1）位移循環(huán)圖（L—t）

圖9－1所示為液壓機(jī)的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示從活塞啟動到返回原位的時間，曲線斜率表示活塞移動速度。該圖清楚地表明液壓機(jī)的工作循環(huán)分別由快速下行、減速下行、壓制、保壓、泄壓慢回和快速回程六個階段組成。圖9－1位移循環(huán)圖

2）速度循環(huán)圖（v—t或v—L)

工程中液壓缸的運動特點可歸納為三種類型。圖9－2所示為三種類型液壓缸的v—t圖，第一種如圖9－2中實線所示，液壓缸開始作勻加速運動，然后勻速運動，最后勻減速運動到終點；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運動，在另一半作勻減速運動，且加速度的數(shù)值相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運動，然后勻減速至行程終點。v—t圖的三條速度曲線不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運動規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動力特性。圖9－2速度循環(huán)圖

2.動力分析

動力分析是研究機(jī)器在工作過程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力情況，對液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載情況。

1)液壓缸的負(fù)載及負(fù)載循環(huán)圖

(1)液壓缸的負(fù)載力計算。工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運動時，液壓缸必須克服的負(fù)載由六部分組成:F=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb

(9－1)式中:Fc為切削阻力；Ff為摩擦阻力；Fi為慣性阻力；FG為重力；Fm為密封阻力；Fb為排油阻力。①切削阻力Fc:

液壓缸運動方向的工作阻力，對于機(jī)床來說就是沿工作部件運動方向的切削力，此作用力的方向如果與執(zhí)行元件運動方向相反則為正值，兩者同向則為負(fù)值。該作用力可能是恒定的，也可能是變化的，其值要根據(jù)具體情況計算或由實驗測定。

②摩擦阻力Ff:

液壓缸帶動的運動部件所受的摩擦阻力，它與導(dǎo)軌的形狀、放置情況和運動狀態(tài)有關(guān)，其計算方法可查有關(guān)的設(shè)計手冊。圖9－3所示為最常見的兩種導(dǎo)軌形式，其摩擦阻力的值如下:(9－2)

V形導(dǎo)軌:(9－3)式中:f為摩擦因數(shù)，可參閱表9－1選取；∑Fn為作用在導(dǎo)軌上總的正壓力或沿V形導(dǎo)軌橫截面中心線方向的總作用力；α為V形角，一般為90°。圖9－3導(dǎo)軌形式表9－1摩擦因數(shù)f

③慣性阻力Fi運動部件在啟動和制動過程中的慣性力?？砂聪率接嬎?(9－4)式中:

M——運動部件的質(zhì)量(kg)；

a——運動部件的加速度(m/s2)；

G——運動部件的重量(N)；

g——力加速度，g=9.81m/s2；

Δv——速度變化值(m/s)；

Δt——啟動或制動時間(s)，一般機(jī)床Δt＝0.1～0.5s，運動部件重量大的取大值。④重力FG:垂直放置和傾斜放置的移動部件，其本身的重量也成為一種負(fù)載，當(dāng)上移時，負(fù)載為正值，下移時為負(fù)值。

⑤密封阻力Fm:密封阻力指裝有密封裝置的零件在相對移動時的摩擦力，其值與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)。在初算時，可按缸的機(jī)械效率(ηm=0.9)考慮；驗算時，按密封裝置摩擦力的計算公式計算。

⑥排油阻力Fb:液壓缸回油路上的阻力，該值與調(diào)速方案、系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、執(zhí)行元件等因素有關(guān)，在系統(tǒng)方案未確定時無法計算，可放在液壓缸的設(shè)計計算中考慮。

(2)液壓缸運動循環(huán)各階段的總負(fù)載力。

液壓缸運動循環(huán)各階段的總負(fù)載力計算，一般包括啟動加速、快進(jìn)、工進(jìn)、快退、減速制動等幾個階段，每個階段的總負(fù)載力是有區(qū)別的。

①啟動加速階段:

這時液壓缸或活塞處于由靜止到啟動并加速到一定速度，其總負(fù)載力包括導(dǎo)軌的摩擦力、密封裝置的摩擦力(按缸的機(jī)械效率ηm=0.9計算)、重力和慣性力等項，即(9－5)②快速階段:F=Ff±FG+Fm+Fb

(9－6)③工進(jìn)階段:F=Ff+Fc±FG+Fm+Fb

(9－7)④減速:F=Ff±FG-Fi+Fm+Fb

(9－8)對簡單液壓系統(tǒng)，上述計算過程可簡化。例如，采用單定量泵供油，只需計算工進(jìn)階段的總負(fù)載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計算快速階段和工進(jìn)階段的總負(fù)載力。

(3)液壓缸的負(fù)載循環(huán)圖。

對較為復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，為了更清楚地了解該系統(tǒng)內(nèi)各液壓缸(或液壓馬達(dá))的速度和負(fù)載的變化規(guī)律，應(yīng)根據(jù)各階段的總負(fù)載力和它所經(jīng)歷的工作時間t或位移L按相同的坐標(biāo)繪制液壓缸的負(fù)載時間(F—t)或負(fù)載位移(F—L)圖，然后將各液壓缸在同一時間t(或位移)的負(fù)載力疊加。

圖9－4所示為一部機(jī)器的F—t圖，其中0～t1為啟動過程，t1～t2為加速過程，t2～t3為恒速過程，t3～t4為制動過程。它清楚地表明了液壓缸在動作循環(huán)內(nèi)負(fù)載的規(guī)律。圖中最大負(fù)載是初選液壓缸工作壓力和確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)。圖9－4負(fù)載循環(huán)圖

2）液壓馬達(dá)的負(fù)載

工作機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動時，液壓馬達(dá)必須克服的外負(fù)載為M=Me+Mf+Mi

(1)工作負(fù)載力矩Me。工作負(fù)載力矩可能是定值，也可能隨時間變化，應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作條件進(jìn)行具體分析。

(2)摩擦力矩Mf。它是旋轉(zhuǎn)部件軸頸處的摩擦力矩，其計算公式為Mf=GfR(N·m)式中:G——旋轉(zhuǎn)部件的重量(N)；f——摩擦因數(shù)，啟動時為靜摩擦因數(shù)，啟動后為動摩擦因數(shù)；R——軸頸半徑(m)。

(3)慣性力矩Mi。它是旋轉(zhuǎn)部件加速或減速時產(chǎn)生的慣性力矩，其計算公式為Mi=Jε=J(N?m)(9－11)式中:ε——角加速度(r/s2)；

Δω——角速度的變化(r/s)；

Δt——加速或減速時間(s)；

J——旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)，J=1GD2/4g。GD2為回轉(zhuǎn)部件的飛輪效應(yīng)(Nm2)。各種回轉(zhuǎn)體的GD2可查《機(jī)械設(shè)計手冊》。根據(jù)式(9－9)，分別算出液壓馬達(dá)在一個工作循環(huán)內(nèi)各階段的負(fù)載大小，便可繪制液壓馬達(dá)的負(fù)載循環(huán)圖。9.1.2主要參數(shù)的確定

1.液壓缸的設(shè)計計算

1）初定液壓缸工作壓力

液壓缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負(fù)載力來確定，此外，還需要考慮以下因素:

(1)各類設(shè)備的不同特點和使用場合。

(2)考慮經(jīng)濟(jì)和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度、密封性能要求高。

因此，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式:一是根據(jù)機(jī)械類型選擇；二是根據(jù)切削負(fù)載選擇，如表9－2、表9－3所示。表9－2按負(fù)載選擇執(zhí)行文件的工作壓力

2）液壓缸主要尺寸的計算

缸的有效面積和活塞桿直徑可根據(jù)缸受力的平衡關(guān)系具體計算，詳見第4章4.2節(jié)。

3）液壓缸的流量計算

液壓缸的最大流量為(9－12)式中:A——液壓缸的有效面積A1或A2(m2)；

vmax——液壓缸的最大速度(m/s)。液壓缸的最小流量:qmax=A·vmax(m3/s)(9－12)式中:A——液壓缸的有效面積A1或A2(m2)；

vmax——液壓缸的最大速度(m/s)。液壓缸的最小流量:qmin=A·vmin(m3/s)(9－13)式中，vmin為液壓缸的最小速度。液壓缸的最小流量qmin應(yīng)等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求，則需重新選定液壓缸的工作壓力，使工作壓力低一些，缸的有效工作面積大一些，所需最小流量qmin也大一些，以滿足上述要求。

流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量可從產(chǎn)品樣本中查到。

2.液壓馬達(dá)的設(shè)計計算

1）計算液壓馬達(dá)排量

液壓馬達(dá)排量根據(jù)下式?jīng)Q定:(9－14)

T——液壓馬達(dá)的負(fù)載力矩(N·m)；

Δpm——液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差(N/m3)；

ηmin——液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，一般齒輪和柱塞馬達(dá)取0.9～0.95，葉片馬達(dá)取0.8～0.9。

2)計算液壓馬達(dá)所需流量

液壓馬達(dá)的最大流量qmax=vm·nmax(m3/s)式中:

vm——液壓馬達(dá)排量(m3/r)；

nmax——液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速(r/s)。9.1.3系統(tǒng)原理圖的擬定

擬定液壓傳動系統(tǒng)原理圖是液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的一步，它將以簡圖的形式全面、具體地體現(xiàn)設(shè)計中提出的動作要求和性能。在這一設(shè)計步驟中需要綜合應(yīng)用前面章節(jié)知識，擬定出一個比較完善的液壓傳動系統(tǒng)，并且必須對各種液壓基本回路、典型液壓傳動系統(tǒng)有全面而深刻的了解。在擬定液壓傳動系統(tǒng)圖的過程中應(yīng)注意以下問題:

（1）選擇回路時既要考慮調(diào)速、調(diào)壓、換向、順序動作、動作互鎖等技術(shù)要求，也要考慮節(jié)省能源、減少發(fā)熱、減少沖擊、保證動作精度等。

（2）擬定出的液壓傳動系統(tǒng)應(yīng)保證其工作循環(huán)中的每個動作都安全可靠，無互相干擾的現(xiàn)象。

（3）盡可能省去不必要的元件，以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（4）盡可能使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理，便于維修檢測。9.1.4元件參數(shù)的計算和選擇

1.液壓泵的確定與所需功率的計算

1)確定液壓泵的最大工作壓力pB

液壓泵所需工作壓力pB，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1及油泵的出油口到缸進(jìn)油口處總的壓力損失∑Δp確定，即pB=p1+ΣΔp

(9－15)∑Δp包括油液流經(jīng)流量閥和其它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)∑Δp為(2～5)×105Pa，用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)∑Δp為(5～15)×105Pa?！痞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或產(chǎn)品樣本中查找，亦可參照表9－4選取。表9－4常用中、低壓各類閥的壓力損失(Δpn)

2)確定液壓泵的流量qB

泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量qmax

和系統(tǒng)的泄漏確定。

（1）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(dá))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(9－16)式中:K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；

(∑q)max——同時動作的液壓缸(或馬達(dá))的最大總流量(m3/s)。（2）采用差動液壓缸回路時，液壓泵所需流量為(9－17)式中:

A1，A2——液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積(m2)；

vmax——活塞的最大移動速度(m/s)。（3）當(dāng)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(9-18)式中：Vi—液壓缸在工作周期中的總耗油量(m3)；Ti—機(jī)器的工作周期(s)；Z—液壓缸的個數(shù)。

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(dāng)?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，則壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，則壓力儲備取大值。

4)確定驅(qū)動液壓泵的功率

(1)當(dāng)液壓泵的壓力和流量比較衡定時，所需功率為(9－19)式中:

pB——液壓泵的最大工作壓力(N/m2)；

qB——液壓泵的流量(m3/s)；

ηB——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。（2）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)式中:t1，t2，…，tn——一個工作循環(huán)中各階段所需的時間(s)；

p1，p2，…，pn——一個工作循環(huán)中各階段所需的功率(kW)。

2.閥類元件的選擇

1）選擇依據(jù)

閥類元件的選擇依據(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(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，除非不得已才自行設(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取；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機(jī)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%。

3.蓄能器的選擇

（1）蓄能器用于補(bǔ)充液壓泵供油不足時，其有效容積為V=ΣAiLiK-qBt(m3)(9－21)式中:A——液壓缸有效面積(m2)；

L——液壓缸行程(m)；

K——液壓缸損失系數(shù)，估算時可取Ｋ＝1.2；

qB——液壓泵供油流量(m3/s)；

t——動作時間(s)。（2）蓄能器作應(yīng)急能源時，其有效容積為V=ΣAiLiK(m3)(9-22)當(dāng)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它要求，即可選擇蓄能器的形式。

4.管道的選擇

1）油管類型的選擇

液壓系統(tǒng)中使用的油管分為硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，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6.5～10MPa以下，易彎曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，可達(dá)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2.5～8MPa，多用于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運動部件爬行，所以不宜裝在液壓缸和調(diào)速閥之間。

2）油管尺寸的確定

(1)油管內(nèi)徑d按下式計算:(9－23)式中:

Q——通過油管的最大流量(m3/s)；

v——管道內(nèi)允許的流速(m/s)，一般吸油管取0.5～5m/s,壓力油管取2.5～5m/s;回油管取1.5～2m/s。

(2)油管壁厚δ按下式計算:(9-24)式中:

P——管內(nèi)最大工作壓力。［σ］——油管材料的許用壓力，［σ］=σb/n。

σb——材料的抗拉強(qiáng)度。

n——安全系數(shù)。鋼管p＜7MPa時，取n=8；p＜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(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管。

5.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)及逸出油中的氣體。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(dāng)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=K∑q(9－25)式中:

K——系數(shù)，低壓系統(tǒng)取2～4，中、高壓系統(tǒng)取5～7；∑q——同一油箱供油的各液壓泵流量總和。

6.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(hù)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(qiáng)度與系數(shù)要求。表9－6濾油器過濾精度的選擇

9.1.5估算系統(tǒng)性能計算

1.管路系統(tǒng)壓力損失的驗算

當(dāng)液壓元件規(guī)格型號和管道尺寸確定之后，就可以較準(zhǔn)確地計算系統(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ΔpL、局部壓力損失Δpc和流經(jīng)閥類元件的壓力損失ΔpV，即Δp=ΔpL+Δpc+ΔpV

(9－26)計算沿程壓力損失時，如果管中為層流流動，可按以下經(jīng)驗公式計算:(9-27)式中:

q——通過管道的流量(m3/s)；

L——管道長度(m)；

d——管道內(nèi)徑(mm)；

υ——油液的運動黏度(m2)。

局部壓力損失可按下式估算:Δpc=(0.05～0.15)ΔpL

(9－28)閥類元件的ΔpV值可按下式近似計算:(9-29)式中:

qVn——閥的額定流量(m3/s)；

qV——通過閥的實際流量(m3/s)；

Δpn——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)的調(diào)整壓力:p0≥p1+Δp

(9－30)式中：

p0—液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力；

p1—執(zhí)行件的工作壓力。

2.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。油液的溫升使黏度下降、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)中的油溫保持在允許范圍內(nèi)。一般機(jī)床液壓系統(tǒng)正常工作油溫為30～50℃，礦山機(jī)械正常工作油溫為50～70℃，最高允許油溫為70～90℃。（1）系統(tǒng)發(fā)熱功率P可按下式計算:P＝PB(1-η)(W)(9－31)式中:

PB——液壓泵的輸入功率(W)；

η——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:(9-32)式中:T——工作循環(huán)周期(s)；

ti——第i個工序的工作時間(s)；

Pi——循環(huán)中第i個工序的輸入功率(W)。（2）系統(tǒng)的散熱和溫升系統(tǒng)的散熱量可按下式計算:(9－33)式中:

Kj——散熱系數(shù)(W/m2°C)。當(dāng)周圍通風(fēng)很差時，Kj≈8～9；周圍通風(fēng)良好時，Kj≈15；用風(fēng)扇冷卻時，Kj≈23；用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻時,冷卻器表面Kj≈110～175。

Aj——散熱面積(m2)。當(dāng)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%時，油箱散熱面積近似看成，式中v為油箱體積(L)。

Δt——液壓系統(tǒng)的溫升(℃)，即液壓系統(tǒng)比周圍環(huán)境溫度的升高值。

j——散熱面積的次序號。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作一段時間后，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，則P＝P′所以液壓系統(tǒng)的溫升為(9－34)計算所得的溫升Δt加上環(huán)境溫度，不應(yīng)超過油液的最高允許溫度。當(dāng)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。

3.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ηn一般可用下式計算:(9－35)式中:p1，q1；p2，q2；…——每個執(zhí)行元件的工作壓力和流量；

pb1，qb1；pb2，qb2——每個液壓泵的供油壓力和流量。液壓系統(tǒng)總效率:η＝ηBηCηm

(9-36)式中:

ηB——液壓泵總效率；

ηm——執(zhí)行元件總效率；

ηC——回路效率。9.1.6繪制工作圖和編制技術(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，它包括繪制液壓系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標(biāo)準(zhǔn)元件設(shè)計圖。

正式液壓系統(tǒng)原理圖上要標(biāo)明各液壓元件的型號規(guī)格。對于自動化程度較高的機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)說明書，專用件、通用件、標(biāo)準(zhǔn)件和外購件明細(xì)表，以及試驗大綱等。 9.2系統(tǒng)設(shè)計計算舉例

1.作F—t圖與v—t圖

1)計算軸向切削阻力

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:

式中:D——鉆頭直徑(mm)；S——每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)。2）計算摩擦阻力

靜摩擦阻力:Fs=fsG=0.2×9800=1960N動摩擦阻力：

3)計算慣性阻力

慣性阻力可按下式計算:

4)計算工進(jìn)速度工進(jìn)速度可按加工￠13.9的切削用量計算，即v2=n1S1=360/60×0.147=0.88mm/s=0.88×10-3m/s

5)計算各工況負(fù)載

根據(jù)以上分析計算各工況負(fù)載，如表9－7所示。其中，取液壓缸機(jī)械效率ηcm=0.9。

6）計算快進(jìn)、工進(jìn)時間和快退時間

快進(jìn)時間:工進(jìn)時間:

7）作F—t圖與v—t圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)作液壓缸F—t圖與v—t圖，如圖9－5所示。圖9－5

F—t圖與v—t圖

2.確定液壓系統(tǒng)參數(shù)

1)初選液壓缸工作壓力

由工況分析可知，工進(jìn)階段的負(fù)載力最大，所以，液壓缸的工作壓力按此負(fù)載力計算，根據(jù)液壓缸與負(fù)載的關(guān)系，選p1=40×105Pa。本機(jī)床為鉆孔組合機(jī)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=6×105Pa，為使快進(jìn)快退速度相等，選用A1=2A2差動油缸，假定快進(jìn)、快退的回油壓力損失Δp=7×105Pa。

2)計算液壓缸尺寸

由(p1A1-p2A2)ηcm=F

得液壓缸直徑:取標(biāo)準(zhǔn)直徑D＝110mm，因為A1=2A2，所以則液壓缸有效面積:3）計算液壓缸在工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率液壓缸工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率計算表見表9－8。表9－8液壓缸工作循環(huán)各階段的壓力、流量和功率計算表

4)繪制液壓缸工況圖圖9－6液壓缸工況圖

3.擬定液壓系統(tǒng)圖

1）選擇液壓回路

(1)調(diào)速方式。由液壓缸工況圖可知，該液壓系統(tǒng)功率小，工作負(fù)載變化小，可選用進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速；為防止鉆通孔時的前沖現(xiàn)象，可在回油路