液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 

    液壓系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備的一種動(dòng)力傳動(dòng)裝置，因此，它的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分，必須與主機(jī)設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起同時(shí)進(jìn)行。一般在分析主機(jī)的工作循環(huán)、性能要求、動(dòng)作特點(diǎn)等基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析比較，在確定全部或局部采用液壓傳動(dòng)方案之后，才提出液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。

    液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須從實(shí)際出發(fā)，注重調(diào)查研究，吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高、操作維護(hù)方便及使用壽命長(zhǎng)。

    液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟大體如下：

    ①明確液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)行系統(tǒng)方案論證；

    ④計(jì)算和選擇液壓元件；

    ⑤對(duì)液壓系統(tǒng)主要性能進(jìn)行驗(yàn)算；

    ⑥繪制正式工作圖，編制技術(shù)文件。

    液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。因此，上述設(shè)計(jì)步驟只說(shuō)明一般設(shè)計(jì)的過(guò)程，這些步驟互相聯(lián)系、相互影響。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，各步驟往往交錯(cuò)進(jìn)行，有時(shí)需多次反復(fù)才能完成。

    一、明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析

    1．明確設(shè)計(jì)要求

    設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，在設(shè)計(jì)前，一般應(yīng)具體明確下列設(shè)計(jì)要求。

    ①主機(jī)的概況：用途（工藝目的）、結(jié)構(gòu)布置方式（臥式、斜式或垂直式）、使用條件（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、間歇運(yùn)轉(zhuǎn)等）、技術(shù)特性（工作負(fù)載的性質(zhì)及大小、運(yùn)動(dòng)形式，位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的大小不和范圍）等。由此確定哪些機(jī)構(gòu)需要采用液壓傳動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(dòng)、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(jì)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(guò)程中速度和負(fù)載的變化規(guī)律，求出工作循環(huán)中各動(dòng)作階段的負(fù)載和速度的大小，并繪制速度、負(fù)載隨時(shí)間（或位移）變化的曲線圖（稱速度循環(huán)圖和負(fù)載循環(huán)圖），簡(jiǎn)單系統(tǒng)可不繪制，但應(yīng)找出最大負(fù)載和最大速度點(diǎn)。從這兩圖中可明顯看出最大負(fù)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(jié)構(gòu)參數(shù)（結(jié)構(gòu)尺寸）的主要依據(jù)。它包括運(yùn)動(dòng)分析和負(fù)載分析兩個(gè)部分。

    (1)運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)分析就是研究工作機(jī)構(gòu)根據(jù)工藝要求應(yīng)以什么樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)完成工作循環(huán)，運(yùn)動(dòng)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(shí)間的長(zhǎng)短等。所以必須確定執(zhí)行元件的類型，并繪制位移一時(shí)間循環(huán)圖或速度一時(shí)間循環(huán)圖。

液壓執(zhí)行元件的類型可按下表進(jìn)行選擇。

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

    ①工作負(fù)載F_w工作負(fù)載與主機(jī)的工作性質(zhì)有關(guān)，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(jì)算，有時(shí)還要由樣機(jī)實(shí)測(cè)確定。對(duì)于金屬切削機(jī)床來(lái)說(shuō)，沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負(fù)載；對(duì)液壓機(jī)來(lái)說(shuō)，工件的壓制抗力即為工作負(fù)載。工作負(fù)載F_w與液壓缸運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)為正值，方向相同時(shí)為負(fù)值（如順銑加工的切削力）。

    ②導(dǎo)軌摩擦負(fù)載F_f導(dǎo)軌摩擦負(fù)載是指液壓缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)所受的導(dǎo)軌摩擦阻力，其值與運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌形式、放置情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。各種形式導(dǎo)軌的摩擦負(fù)載計(jì)算公式可查閱有關(guān)手冊(cè)。組合機(jī)床上常用平導(dǎo)軌和V形導(dǎo)軌支承運(yùn)動(dòng)部件，其摩擦負(fù)載F_f值的計(jì)算公式（導(dǎo)軌水平放置時(shí)）為

   對(duì)于平導(dǎo)軌                F_f=f(G+F_N)                    (9-1)

   對(duì)于V形導(dǎo)軌              F_f=f                 (9-2)

式中G——運(yùn)動(dòng)部件的重力；

    F_N——作用在導(dǎo)軌上的垂直載荷；

    α——V形導(dǎo)軌面的夾角，(°)，一般α取=90°；

     f——摩擦因數(shù)，其值可參閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)。

③慣性負(fù)載F_m慣性負(fù)載是運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)加速或制動(dòng)減速時(shí)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(shí)間內(nèi)速度的變化量；

△t——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)加速時(shí)，取正值；減速制動(dòng)時(shí)，取負(fù)值。一般機(jī)械系統(tǒng)可取△t=0.1～0.5s；行走機(jī)械系統(tǒng)△t取0.5～1.5s；機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)△t取0.25～0.5s；機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)△t取0.05～0.2s。工作部件較輕或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)取小值。

④重力負(fù)載F_g垂直或傾斜放置的運(yùn)動(dòng)部件，在沒(méi)有平衡的情況下，其自重也成為一種負(fù)載。傾斜放置時(shí)，只計(jì)算重力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力。液壓缸上行時(shí)重力取正值，反之取負(fù)值。當(dāng)執(zhí)行元件水平放置時(shí)，F_g=0。

⑤密封負(fù)載F_s密封負(fù)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(guān)，F_s的計(jì)算公式詳見(jiàn)有關(guān)手冊(cè)。在未完成液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，不知道密封裝置的參數(shù)，F_s無(wú)法計(jì)算，一般在液壓缸的機(jī)械效率η_m中加以考慮，常取ηm=0.90～0.95。

⑥背壓負(fù)載F_b  背壓負(fù)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(jié)構(gòu)尚未確定之前，F_b也無(wú)法計(jì)算，在負(fù)載計(jì)算時(shí)可暫不考慮。

液壓缸各個(gè)主要工作階段的機(jī)械總負(fù)載F可按下列公式計(jì)算

啟動(dòng)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(jìn)階段              F=(F_f±F_w±F_g)/ η_m               (9-6)

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

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

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