液壓系統的設計

 

    液壓系統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，必須與主機設計聯系在一起同時進行。一般在分析主機的工作循環、性能要求、動作特點等基礎上，經過認真分析比較，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的設計任務。

    液壓系統設計必須從實際出發，注重調查研究，吸收國內外先進技術，采用現代設計思想，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。

    液壓系統設計步驟大體如下：

    ①明確液壓系統的設計要求及工況分析；

    ②主要性能參數的確定；

    ③擬訂液壓系統草圖，進行系統方案論證；

    ④計算和選擇液壓元件；

    ⑤對液壓系統主要性能進行驗算；

    ⑥繪制正式工作圖，編制技術文件。

    液壓系統設計是一種經驗設計。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，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（連續運轉、間歇運轉等）、技術特性（工作負載的性質及大小、運動形式，位移、速度、加速度等運動參數的大小不和范圍）等。由此確定哪些機構需要采用液壓傳動，所需執行元件形式和數量及其工作范圍、尺寸、質量和安裝等限制條件。

    ②各液壓執行元件動作之間的順序、轉換和互鎖要求。

    ③工作性能如速度的平穩性、工作的可靠性、轉換精度、停留時間等方面的要求。

    ④液壓系統的工作環境，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的選用）。

    ⑤其他要求，如液壓裝置的質量、外形尺寸、經濟性等方面的要求。

    2．工況分析

    工況分析就是分析液壓執行元件在工作過程中速度和負載的變化規律，求出工作循環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（稱速度循環圖和負載循環圖），簡單系統可不繪制，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。這是確定系統的性能參數和執行元件的結構參數（結構尺寸）的主要依據。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工藝要求應以什么樣的運動規律來完成工作循環，運動速度的大小，加速度是恒定還是變化的，行程大小及循環時間的長短等。所以必須確定執行元件的類型，并繪制位移一時間循環圖或速度一時間循環圖。

液壓執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有關，它可能是定值，也可能為變值。其大小要根據具體情況加以計算，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，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。一般機械系統可取△t=0.1～0.5s；行走機械系統△t取0.5～1.5s；機床運動系統△t取0.25～0.5s；機床進給系統△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。在未完成液壓系統設計之前，不知道密封裝置的參數，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，如果有若干個執行元件同時或分別完成不同的工作循環，則有必要按上述各階段計算總的負載力，并根據上述各階段的總負載力和經過的工作時間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。