参考文献液压系统设计的步骤大致步骤Word文件下载.docx

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二明确设计要求进行工况分析

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、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求等；

（2）主机对液压系统的性能要求，具体包括：

a液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；

b液压驱动机构的运动形式，运动速度；

c各动作机构的载荷大小及其性质；

d对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求；

e自动化程度、操作控制方式的要求；

f对效率、温升、成本等方面的要求。

（3）液压系统的工作环境的要求，对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；

在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解执行元件的负载和速度随时间变化的规律，为确定系统及各执行元件的参数提供依据。

以下对工况分析的内容作具体介绍。

1、运动分析

主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图（L–t），速度循环图（v–t），

或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。

（1）位移循环图L–t

图2-1为液压机的主液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。

该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。

图2–1位移循环图

（2）速度循环图v–t（或v–L）

图2–2速度循环图

工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。

图2–2为三种类型液压缸的v–t图，第一种如图2–2中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到终点；

第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；

第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。

v–t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。

2、动力分析

动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。

（1）液压缸的负载及负载循环图

A、液压缸的负载力计算

工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：

（2-1）

式中：

Fc为切削阻力；

Ff为摩擦阻力；

Fi为惯性阻力；

FG为重力；

Fm为密封阻力；

Fb为排油阻力。

图2–3所示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。

各有关参数已标注在图上，其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷。

Fm是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。

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阻力Fi。

其中常见的工作载荷Fg有作用于活塞杆轴线上的重力FG、切削阻力Fc、挤压力等。

a、切削阻力Fc

液压缸运动方向的主要工作载荷，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负值。

该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要根据具体情况计算或由实验测定。

b、摩擦阻力Ff

为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的图2–3液压系统计算简图

形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。

图2-4为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：

对于平导轨

Ff＝μ∑（G＋FN）（2-2）

对于V型导轨

Ff＝μ∑（G＋FN）/sin（α/2）（2-3）图2-4导轨形式

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2–1；

α—V型导轨的夹角，一般为90°

。

表2-1摩擦系数μ

导轨类型

导轨材料

运动状态

摩擦系数（μ）

滑动导轨

铸铁对铸铁

启动时

低速（v＜0.16m/s）

高速（v＞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（珠）

0.005～0.02

0.003～0.006

静压导轨

铸铁

0.005

c、惯性阻力Fi

惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算：

（2-4）

式中m—运动部件的质量（kg）；

a—运动部件的加速度（m/s2）；

G—运动部件的重量（N）；

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。

d、重力FG

垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。

e、密封阻力Fm

密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。

，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，在初算时，一般估算为

（2-5）

式中ηm—液压缸的机械效率，一般取0.90～0.95。

验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。

f、排油阻力Fb

排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。

B、液压缸运动循环各阶段的总负载力

液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。

a、启动加速阶段：

这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力（按缸的机械效率ηm=0.9计算）、重力和惯性力等项，即：

（2-6）

b、快速阶段：

（2-7）

c、工进阶段：

（2-8）

d、减速阶段：

（2-9）

对简单液压系统，上述计算过程可简化。

例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。

C、液压缸的负载循环图

对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸（或液压马达）的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载–时间（F–t）或负载–位移（F–L）图，然后将各液压缸在同一时间t（或位移）的负载力叠加。

图2-5负载循环图

图2-5为一部机器的F–t图，其中：

0～t1为启动过程；

t1～t2为加速过程；

t2～t3为恒速过程；

t3～t4为制动过程。

它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。

图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。

（2）液压马达的负载

工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为

（2-10）

A、工作负载力矩Te

工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，应根据机器工作条件进行具体分析。

常见的工作负载力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷简的阻力矩等。

B、摩擦力矩Tf

为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：

（2-11）

式中G—旋转部件施加于轴颈上的径向力（N）；

μ—摩擦系数，参考表2–1选用；

R—旋转轴颈的半径（m）。

C、惯性力矩Mi

为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为：

（2-12）

式中ε—角加速度（rad/s2）；

Δω—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），J=1GD2/4g，GD2为回转部件的飞轮效应（Nm2）。

各种回转体的GD2可查《机械设计手册》。

起动加速时（2-13）

稳定运行时（2-14）

减速制动时（2-15）

计算液压马达负载转矩TM时还要考虑液压马达的机械效率ηm＝0.9～0.98。

（2-16）

根据式（2-10），分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小，便可绘制液压马达的负载循环图，其绘制方法参照图2-5。

不管选择的执行元件是液压缸还是液压马达，先要计算各阶段的载荷，绘制出执行元件的负载循环图，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。

三确定液压系统主要参数

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，故液压系统的主要参数决定了执行元件结构和尺寸，同样也决定了液压系统的结构尺寸与成本。

1、初选系统工作压力

执行元件的工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：

（1）首先要考虑设备类型及各类设备的不同特点和使用场合。

（2）考虑执行元件的装配空间、经济、元件供应情况和重量等因素，工作压力选得低，则元件尺寸大、重量重，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，压力选得高一些，则元件尺寸小、重量轻，但对元件的材质、制造精度、密封性能要求高，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。

所以，执行元件的工作压力的选择有两种方式：

一是根据机械类型选；

二是根据切削负载选。

具体选择可参考表3–1和表3–2。

表3–1按负载选择工作压力

表3–2按机械类型选执行件的工作压力

值得注意的是，高压化是液压系统发展趋势之一，因此压力应选得高一些，以减小系统的体积是可行的。

此外，低压阀已逐渐淘汰，即使是低压系统也应采用高