设计液压系统的常识
首页 » 液压行业知识 » 设计液压系统的常识
     液压系统是液压机械的一个组成部分，液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
2.1  液压系统的设计步骤与设计要求
2.1.1设计步骤
    液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。
    1)确定液压执行元件的形式；
    2)进行工况分析，确定系统的主要参数；
    3)制定基本方案，拟定液压系统原理图；
    4)选择液压元件；
    5)液压系统的性能验算；
    6)绘制工作图，编制技术文件。
2.1.2明确设计要求
    设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步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、工艺流程、作业环境、总体布局等；
2） 液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；
3） 液压驱动机构的运动形式，运动速度；
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、噪声、安全可靠性的要求；
8)   对效率、成本等方面的要求。
2.2进行工况分析、确定液压系统的主要参数
    通过工况分析，可以看出液压执行元件在工作过程中速度和载荷变化情况，为确定系统及各执行元件的参数提供依据。
    液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
2.2.1载荷的组成和计算
2.2 .1.1液压缸的载荷组成与计算    ’
    图2.2-1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，L是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。
   
    图2.2-1  液压系统计算简图
    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。

    (2)导轨摩擦载荷Ff    

对于平导轨

    Ff=μ(G+FN)
    对于V型导轨
    Ff =μ(G+FN)/(sinα/2)
式中  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. 2-1;
α——V型导轨的夹角，一般为90°。
    表2.2-1摩擦系数μ
导轨
类型
导轨材料
  运动状态
  摩擦系数
滑动
导轨
铸铁对铸铁
    起动时
    低速
(ν<0 .16m/s)
    高速
(ν>0 .16m/s)
0.15～0.20
0 .1～ 0 .12
0.05～0.08
滚动
导轨
铸铁对滚柱
    （珠）
淬火钢导轨
  对滚柱
0.005～0.02
0.003～0.006
静压
导轨
  铸铁
    0.005
    (3)惯性载荷Fa
    Fa=(G/g )* (Δv/Δt)
式中  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Δv/Δt=0．5～1. 5m/s2。
    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+ Ff+ Fa
    稳态运动时Fw= Fg+ Ff
    减速制动时Fw= Fg+ Ff - Fa
工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg =0。
    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成不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为
    Fm=（1-ηm）F
式中ηm一液压缸的机械效率，一般取0.90～0.95。
F= Fw/ηm
    2.2.1.2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=μGr
式中G-旋转部件施加于轴劲上的径向力(N)；
    μ-摩擦系数，参考表2-1选用；
    r-旋转轴的半径(m)。
    (3)惯性力矩Ta
    Ta=Jε=JΔw/Δt
式中  ε-角加速度（rad/s2）；
     △w-角速度变化量( rad/s)；
     Δt-起动或制动时间(s)；
       J-回转部件的转动惯量（kg*m2）。
    起动加速时Tw= Tg+ Tf+ Ta
    稳定运行时Tw= Tg+ .Tf
    减速制动时Tw= Tg+ 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= Tw/ηm
根据液压缸或液压马达各阶段的载荷，绘制出执行元件的载荷循环图，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。
2.2.2初选系统工作压力
    压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。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。具体选择可参考表2.2-2和表2.2-3。
表2.2-2按载荷选择工作压力
载荷/kN
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作压力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表2.2-3各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机    床
农业机械
小型工程机械
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨  床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
O．8～2
3～5
2～8
8～10
10～18
20～32
2.2.3计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量
    (1)计算液压缸的主要结构尺寸
    液压缸主要设计参数见图2.2-2。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为活塞杆工作在受拉状态。
a)
b)
图2.2-2液压缸主要设计参数
    活塞杆受压时
    F=Fw/ηm= p1A1 - P2A2
    活塞杆受拉时
    F=Fw/ηm=p1A2 - P2A1
式中  A1=πD2/4——无杆腔活塞有效作用面积(m2)；
A2=π/4(D2-d2)——有杆腔活塞有效作用面积(m2)；
P1——液压缸工作腔压力(Pa)；
P2——液压缸回油腔压力(Pa)，即背压力。其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表2.2-4取值。差动连接时要另行考虑；
D——活塞直径(m)；
d——活塞杆直径(m)。
表2.2-4执行元件背压力
系统类型
背压力/MPa
简单系统或轻载节流调速系统
0.2—0.5
回油路带调速阀的系统
0.4—0.6
回油路设置有背压阀的系统
0.5—1.5
用补油泵的闭式回路
0.8—1.5
回油路较复杂的工程机械
1.2～3
回油路较短，且直接回油箱
可忽略不计
    一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为
    A1=（F+P2A2）/P1
    运用上式须事先确定A1与A2的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比φ=d/D，其比值可按表2.2-5和表2.2-6选取。
表2.2-5按工作压力选取d/D
工作压力/MPa
≤5:0
5.0～7.0
≥7.0
d/D
O．5—0.55
0.62～0.70
0.7
表2.2-6按速比要求确定d/D
V2/V1
1.15
1. 25
1.33
1. 46
1. 61
2
d/D
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
    注：Vl-无杆腔进油时活塞运动速度；
        V2-有杆腔进油时活塞运动速度。
    D=√{4F/π[P1-P2(1-φ2)]}
    采用差动连接时，V1／V2=（D2一d2）/d2。如要求往返速度相同时，应取d= 0.71D。
    对行程与活塞杆直径比l/d >10的受压柱塞或活塞杆，还要做压杆稳定性验算。
    当工作速度很低时，还须按最低速度要求验算液压缸尺寸
    A≥旦 Qmin/Vmin
式中   A——液压缸有效工作面积(m2)；
    Qmin——系统最小稳定流量(m3/s)，在节流调速中取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。容积调速中决定于变量泵的最小稳定流量。
    Vmin——运动机构要求的最小工作速度(m/s)。
    如果液压缸的有效工作面积A不能满足最低稳定速度的要求，则应按最低稳定速度确定液压缸的结构尺寸。
    另外，如果执行元件安装尺寸受到限制，液压缸的缸径及活塞杆的直径须事先确定时，可按载荷的要求和液压缸的结构尺寸来确定系统的工作压力。
    液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。如与标准液压缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。常用液压缸内径及活塞杆直径见表
2.2-7和表2.2-8。
表2.2-7常用液压缸内径D(mm)
40
125
50
140
63
160
80
180
90
200
100
220
110
250
表2.2-8活塞杆直径d  (mm)
速比
缸    径
40
50
63
80
90
100
110
1. 46
3
22
28
35
45
45
50
50
60
55
70
63
80
速比
缸    径
125
140
160
180
200
220
250
1. 46
2
70
90
80
100
90
110
100
125
110
140
125
140
    (2)计算液压马达的排量
    液压马达的排量为
    Q=2πT/Δp
式中     T——液压马达的载荷转矩(N*m)；
Δp=p1- P2——液压马达的进出口压差(Pa)。
    液压马达的排量也应满足最低转速要求
    q≥Qmin/nmin
式中  Qmin——通过液压马达的最小流量；
      nmin——液压马达工作时的最低转速。
2.2.4计算液压缸或液压马达所需流量
    (1)液压缸工作时所需流量
    Q= Av
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)液压马达的流量
    Q= qnm
式中 q-液压马达排量( m3/r)；
nm-液压马达的转速( r/s)。
2.2.5绘制液压系统工况图
    工况图包括压力循环图、流量循环图和功率循环图。它们是调整系统参数、选择液压泵、阀等元件的依据。
    1)压力循环图-( p-t)图通过最后确定的液压执行元件的结构尺寸，再根据实际载荷的大小，，倒求出液压执行元件在其动作循环各阶段的工作压力，然后把它们绘制成( p-t)图。

    2)流量循环图- (Q-t)图根据已确定的液压缸有效工作面积或液压马达的排量，一结合其运动速度算出它在工作循环中每一阶段的实际流量，把它绘制成( Q-t)图。若系统中有多个液压执行元件同时工作，要把各自的流量图叠加起来绘出总的流量循环图。

3)功率循环图- (P-t)图  绘出压力循环图和总流量循环图后，根据P= pQ，即可绘出系统的功率循环图。


本文标题：设计液压系统的常识

分类：液压行业知识
标签：