液压系统的设计

 液压系统的设计

    液压系统是机械设备的一种动力传动装置，因此，它的设计是整个机械设备设计的一部分，必须与主机设计联系在一起同时进行。一般在分析主机的工作循环、性能要求、动作特点等基础上，经过认真分析比较，在确定全部或局部采用液压传动方案之后，才提出液压传动系统的设计任务。

    液压系统设计必须从实际出发，注重调查研究，吸收国内外先进技术，采用现代设计思想，在满足工作性能要求、工作可靠的前提下，力求系统结构简单、成本低、效率高、操作维护方便及使用寿命长。

    液压系统设计步骤大体如下：

    ①明确液压系统的设计要求及工况分析；

    ②主要性能参数的确定；

    ③拟订液压系统草图，进行系统方案论证；

    ④计算和选择液压元件；

    ⑤对液压系统主要性能进行验算；

    ⑥绘制正式工作图，编制技术文件。

    液压系统设计是一种经验设计。因此，上述设计步骤只说明一般设计的过程，这些步骤互相联系、相互影响。在设计实践中，各步骤往往交错进行，有时需多次反复才能完成。

    一、明确设计要求，进行工况分析

    1．明确设计要求

    设计要求是进行工程设计的主要依据，在设计前，一般应具体明确下列设计要求。

    ①主机的概况：用途（工艺目的）、结构布置方式（卧式、斜式或垂直式）、使用条件（连续运转、间歇运转等）、技术特性（工作负载的性质及大小、运动形式，位移、速度、加速度等运动参数的大小不和范围）等。由此确定哪些机构需要采用液压传动，所需执行元件形式和数量及其工作范围、尺寸、质量和安装等限制条件。

    ②各液压执行元件动作之间的顺序、转换和互锁要求。

    ③工作性能如速度的平稳性、工作的可靠性、转换精度、停留时间等方面的要求。

    ④液压系统的工作环境，如温度及其变化范围、湿度、振动、冲击、污染、腐蚀或易燃等（这涉及到液压元件和介质的选用）。

    ⑤其他要求，如液压装置的质量、外形尺寸、经济性等方面的要求。

    2．工况分析

    工况分析就是分析液压执行元件在工作过程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各动作阶段的负载和速度的大小，并绘制速度、负载随时间（或位移）变化的曲线图（称速度循环图和负载循环图），简单系统可不绘制，但应找出最大负载和最大速度点。从这两图中可明显看出最大负载和最大速度值及二者所在的工况。这是确定系统的性能参数和执行元件的结构参数（结构尺寸）的主要依据。它包括运动分析和负载分析两个部分。

    (1)运动分析运动分析就是研究工作机构根据工艺要求应以什么样的运动规律来完成工作循环，运动速度的大小，加速度是恒定还是变化的，行程大小及循环时间的长短等。所以必须确定执行元件的类型，并绘制位移一时间循环图或速度一时间循环图。

液压执行元件的类型可按下表进行选择。

    (2)负载分析在一般情况下，液压缸承受的负载由六部分组成，即工作负载F_w、导轨摩擦负载F_f、惯性负载_Fm、重力负载F_g、密封负载F_s和背压负载F_b，前五项构成了液压缸所要克服的机械总负载。

    ①工作负载F_w工作负载与主机的工作性质有关，它可能是定值，也可能为变值。其大小要根据具体情况加以计算，有时还要由样机实测确定。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工件的压制抗力即为工作负载。工作负载F_w与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值（如顺铣加工的切削力）。

    ②导轨摩擦负载F_f导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨形式、放置情况及运动状态有关。各种形式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。组合机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载F_f值的计算公式（导轨水平放置时）为

   对于平导轨                F_f=f(G+F_N)                    (9-1)

   对于V形导轨              F_f=f                 (9-2)

式中G——运动部件的重力；

    F_N——作用在导轨上的垂直载荷；

    α——V形导轨面的夹角，(°)，一般α取=90°；

     f——摩擦因数，其值可参阅相关设计手册。

③惯性负载F_m惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时产生的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出

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

式中g——重力加速度；

△v——△t时间内速度的变化量；

△t——启动或制动时间，启动加速时，取正值；减速制动时，取负值。一般机械系统可取△t=0.1～0.5s；行走机械系统△t取0.5～1.5s；机床运动系统△t取0.25～0.5s；机床进给系统△t取0.05～0.2s。工作部件较轻或运动速度较低时取小值。

④重力负载F_g垂直或倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，其自重也成为一种负载。倾斜放置时，只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正值，反之取负值。当执行元件水平放置时，F_g=0。

⑤密封负载F_s密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，F_s的计算公式详见有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，F_s无法计算，一般在液压缸的机械效率η_m中加以考虑，常取ηm=0.90～0.95。

⑥背压负载F_b  背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，F_b也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。

液压缸各个主要工作阶段的机械总负载F可按下列公式计算

启动阶段                   F=(F_f±F_g)/ η_m                  (9-4)

加速阶段                  F=(F_m+F_f±F_g)/ η_m                (9-5)

恒速工进阶段              F=(F_f±F_w±F_g)/ η_m               (9-6)

制动减速阶段             F=(F_f±F_w-F_m±F_g)/ η_m             (9-7)

(3)工作负载图对于复杂的液压系统，如果有若干个执行元件同时或分别完成不同的工作循环，则有必要按上述各阶段计算总的负载力，并根据上述各阶段的总负载力和经过的工作时间t(或位移s），按相同的坐标绘制液压缸的负载一时间( F-t)或负载一位移(F-s)图。如图A所示为一液压缸的速度图和负载图。

以液压马达为执行元件时，负载值的计算方法类同于液压缸，只需将上述负载力的计算变换成为负载力矩即可。