液壓系統(tǒng)的設計

 

    液壓系統(tǒng)是機械設備的一種動力傳動裝置，因此，它的設計是整個機械設備設計的一部分，必須與主機設計聯(lián)系在一起同時進行。一般在分析主機的工作循環(huán)、性能要求、動作特點等基礎上，經(jīng)過認真分析比較，在確定全部或局部采用液壓傳動方案之后，才提出液壓傳動系統(tǒng)的設計任務。

    液壓系統(tǒng)設計必須從實際出發(fā)，注重調(diào)查研究，吸收國內(nèi)外先進技術，采用現(xiàn)代設計思想，在滿足工作性能要求、工作可靠的前提下，力求系統(tǒng)結構簡單、成本低、效率高、操作維護方便及使用壽命長。

    液壓系統(tǒng)設計步驟大體如下：

    ①明確液壓系統(tǒng)的設計要求及工況分析；

    ②主要性能參數(shù)的確定；

    ③擬訂液壓系統(tǒng)草圖，進行系統(tǒng)方案論證；

    ④計算和選擇液壓元件；

    ⑤對液壓系統(tǒng)主要性能進行驗算；

    ⑥繪制正式工作圖，編制技術文件。

    液壓系統(tǒng)設計是一種經(jīng)驗設計。因此，上述設計步驟只說明一般設計的過程，這些步驟互相聯(lián)系、相互影響。在設計實踐中，各步驟往往交錯進行，有時需多次反復才能完成。

    一、明確設計要求，進行工況分析

    1．明確設計要求

    設計要求是進行工程設計的主要依據(jù)，在設計前，一般應具體明確下列設計要求。

    ①主機的概況：用途（工藝目的）、結構布置方式（臥式、斜式或垂直式）、使用條件（連續(xù)運轉(zhuǎn)、間歇運轉(zhuǎn)等）、技術特性（工作負載的性質(zhì)及大小、運動形式，位移、速度、加速度等運動參數(shù)的大小不和范圍）等。由此確定哪些機構需要采用液壓傳動，所需執(zhí)行元件形式和數(shù)量及其工作范圍、尺寸、質(zhì)量和安裝等限制條件。

    ②各液壓執(zhí)行元件動作之間的順序、轉(zhuǎn)換和互鎖要求。

    ③工作性能如速度的平穩(wěn)性、工作的可靠性、轉(zhuǎn)換精度、停留時間等方面的要求。

    ④液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度及其變化范圍、濕度、振動、沖擊、污染、腐蝕或易燃等（這涉及到液壓元件和介質(zhì)的選用）。

    ⑤其他要求，如液壓裝置的質(zhì)量、外形尺寸、經(jīng)濟性等方面的要求。

    2．工況分析

    工況分析就是分析液壓執(zhí)行元件在工作過程中速度和負載的變化規(guī)律，求出工作循環(huán)中各動作階段的負載和速度的大小，并繪制速度、負載隨時間（或位移）變化的曲線圖（稱速度循環(huán)圖和負載循環(huán)圖），簡單系統(tǒng)可不繪制，但應找出最大負載和最大速度點。從這兩圖中可明顯看出最大負載和最大速度值及二者所在的工況。這是確定系統(tǒng)的性能參數(shù)和執(zhí)行元件的結構參數(shù)（結構尺寸）的主要依據(jù)。它包括運動分析和負載分析兩個部分。

    (1)運動分析運動分析就是研究工作機構根據(jù)工藝要求應以什么樣的運動規(guī)律來完成工作循環(huán)，運動速度的大小，加速度是恒定還是變化的，行程大小及循環(huán)時間的長短等。所以必須確定執(zhí)行元件的類型，并繪制位移一時間循環(huán)圖或速度一時間循環(huán)圖。

液壓執(zhí)行元件的類型可按下表進行選擇。

    (2)負載分析在一般情況下，液壓缸承受的負載由六部分組成，即工作負載F_w、導軌摩擦負載F_f、慣性負載_Fm、重力負載F_g、密封負載F_s和背壓負載F_b，前五項構成了液壓缸所要克服的機械總負載。

    ①工作負載F_w工作負載與主機的工作性質(zhì)有關，它可能是定值，也可能為變值。其大小要根據(jù)具體情況加以計算，有時還要由樣機實測確定。對于金屬切削機床來說，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負載；對液壓機來說，工件的壓制抗力即為工作負載。工作負載F_w與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負值（如順銑加工的切削力）。

    ②導軌摩擦負載F_f導軌摩擦負載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時所受的導軌摩擦阻力，其值與運動部件的導軌形式、放置情況及運動狀態(tài)有關。各種形式導軌的摩擦負載計算公式可查閱有關手冊。組合機床上常用平導軌和V形導軌支承運動部件，其摩擦負載F_f值的計算公式（導軌水平放置時）為

   對于平導軌                F_f=f(G+F_N)                    (9-1)

   對于V形導軌              F_f=f                 (9-2)

式中G——運動部件的重力；

    F_N——作用在導軌上的垂直載荷；

    α——V形導軌面的夾角，(°)，一般α取=90°；

     f——摩擦因數(shù)，其值可參閱相關設計手冊。

③慣性負載F_m慣性負載是運動部件在啟動加速或制動減速時產(chǎn)生的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出

                     F_m=ma=（G/g）×(△v/△t)                  (9-3)

式中g——重力加速度；

△v——△t時間內(nèi)速度的變化量；

△t——啟動或制動時間，啟動加速時，取正值；減速制動時，取負值。一般機械系統(tǒng)可取△t=0.1～0.5s；行走機械系統(tǒng)△t取0.5～1.5s；機床運動系統(tǒng)△t取0.25～0.5s；機床進給系統(tǒng)△t取0.05～0.2s。工作部件較輕或運動速度較低時取小值。

④重力負載F_g垂直或傾斜放置的運動部件，在沒有平衡的情況下，其自重也成為一種負載。傾斜放置時，只計算重力在運動方向上的分力。液壓缸上行時重力取正值，反之取負值。當執(zhí)行元件水平放置時，F_g=0。

⑤密封負載F_s密封負載是指密封裝置的摩擦力，其值與密封裝置的類型和尺寸、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關，F_s的計算公式詳見有關手冊。在未完成液壓系統(tǒng)設計之前，不知道密封裝置的參數(shù)，F_s無法計算，一般在液壓缸的機械效率η_m中加以考慮，常取ηm=0.90～0.95。

⑥背壓負載F_b  背壓負載是指液壓缸回油腔背壓所造成的阻力。在系統(tǒng)方案及液壓缸結構尚未確定之前，F_b也無法計算，在負載計算時可暫不考慮。

液壓缸各個主要工作階段的機械總負載F可按下列公式計算

啟動階段                   F=(F_f±F_g)/ η_m                  (9-4)

加速階段                  F=(F_m+F_f±F_g)/ η_m                (9-5)

恒速工進階段              F=(F_f±F_w±F_g)/ η_m               (9-6)

制動減速階段             F=(F_f±F_w-F_m±F_g)/ η_m             (9-7)

(3)工作負載圖對于復雜的液壓系統(tǒng)，如果有若干個執(zhí)行元件同時或分別完成不同的工作循環(huán)，則有必要按上述各階段計算總的負載力，并根據(jù)上述各階段的總負載力和經(jīng)過的工作時間t(或位移s），按相同的坐標繪制液壓缸的負載一時間( F-t)或負載一位移(F-s)圖。如圖A所示為一液壓缸的速度圖和負載圖。

以液壓馬達為執(zhí)行元件時，負載值的計算方法類同于液壓缸，只需將上述負載力的計算變換成為負載力矩即可。