第2章液压传动系统的设计Word文件下载.docx
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对液压机来说，工作的压制抗力即为工作负载。
工作负载FW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）。
工作负载可能为恒值，也可能为变值，其大小要根据具体情况进行计算，有时还要由样机实测确定。
2.导轨摩擦负载Ff
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型式、放置情况及运动状态有关。
机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式（导轨水平放置时）为：
平导轨
Ff=f（G+FN）（2.1）
V形导轨
（2.2）
式中f——摩擦系数，其值参考表2.1；
G——运动部件的重力（N）；
FN——垂直于导轨的工作负载（N）；
α——V形导轨面的夹角，一般。
表2.1导轨摩擦系数
导轨种类
导轨材料
工作状态
摩擦系数
滑动导轨
铸铁对铸铁
启动
低速运动
高速运动
0.16~0.2
0.1~0.22
0.05~0.08
滚动导轨
铸铁导轨对滚动体
淬火钢导轨对滚动体
0.005~0.02
0.003~0.006
静压导轨
0.0005
3.惯性负载Fa
惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即
（2.3）
式中g——重力加速度（m/s2）；
——时间内的速度变化值（m/s）；
——启动、制动或速度转换时间（s）。
可取=（0.01~0.5）s，轻载低速时取较小值；
重载高速时取较大值。
4.重力负载Fg
重力负载是指垂直或倾斜放置的运动部件在没有平衡的情况下，其自身质量造成的一种负载力。
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。
5.密封负载Fs
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，Fs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，Fs无法计算，一般用液压缸的机械效率加以考虑，常取=0.90~0.97。
6.背压负载Fb
背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力。
在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，Fb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可根据实际受力进行分析，通常按下列公式计算：
启动加速阶段
（2.4）
快速阶段
（2.5）
工进阶段
（2.6）
制动减速阶段
（2.7）
以液压马达为执行元件时，负载值的计算类同于液压缸。
2.2执行元件主要参数的确定
主要参数的确定是指确定液压执行元件的工作压力和主要结构尺寸，主要参数确定的主要依据是执行意见的工况分析（即负载循环图和速度循环图）。
液压系统采用的执行元件型式可视主机所要实现的运动种类和性质而定，见表2.2。
表2.2选择执行元件的型式
运动形式
往复直线运动
回转运动
往复摆动
短行程
长行程
高速
低速
建议采用的
执行元件形式
活塞缸
柱塞缸
液压马达与齿轮齿条机构
液压马达与丝杆螺母机构
高速液压马达
低速液压马达
高速液压马达与减速机构
齿条油缸与齿轮
摆动马达
2.2.1初选执行元件的工作压力
工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。
工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度、刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵；
反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。
所以应根据实际情况选取适当的工作压力。
执行元件工作压力可以根据总负载值或主机设备类型选取，见表2.3和表2.4。
表2.3按负载选择执行元件的工作压力
负载/kN
<
10
10~20
20~30
30~50
>
50
工作压力/MPa
0.8~1.2
1.5~2.5
3.0~4.0
4.0~5.0
≥5.0
表2.4按主机类型选择执行元件的工作压力
设备类型
精加工机床
半精加工机床
粗加工或重型机床
农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构
液压机、重型机械、大中型挖掘机、起重运输机械
0.8~2
3~5
5~10
10~16
20~32
2.2.2确定执行元件的主要结构参数
1.液压缸主要结构尺寸的确定
在这里，液压缸的主要结构尺寸是指缸的内径D和活塞杆的直径d。
计算和确定D和d的一般方法见参考文献[1]的5.1节，例如，对于单活塞杆液压缸，可按参考文献[1]中式（5.3）、式（5.4）、式（5.7）及D、d之间的取值关系计算D和d，并按系列标准值确定D和d。
对有低速运动要求的系统（如精镗机床的进给液压系统），尚需对液压缸的有效作用面积进行验算，即应保证
（m2）（2.8）
式中A——液压缸的有效作用面积（m2）；
——控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量（m3/s），可从液压阀产品样本上查得；
——液压缸要求达到的最低工作速度（m/s）。
验算结果若不能满足式（2.8），则说明按所设计的结构尺寸和方案达不到所需的低速，必须修改设计。
2.液压马达主要参数的确定
液压马达所需排量V可按下式计算
（mL/r）（2.9）
式中T——液压马达的负载转矩（N·
m）；
p——液压马达的两腔工作压差（Pa）；
——液压马达的机械效率。
求得排量V值后，从产品样本中选择液压马达的型号规格。
2.2.3复算执行元件的工作压力
当液压缸的主要尺寸D、d和液压马达的排量V计算出来以后，要按各自的系列标准进行圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。
还须看到，在按上述方法确定工作压力的过程中，没有计算回油路的背压，因此所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需的那部分压力。
在结构参数D、d及V确定之后，若选取适当的背压估算值（如表2.5），即可求出执行元件工作腔的压力。
表2.5执行元件背压的估计值
系统类型
背压/MPa
中低压系统（0~8）MPa
简单系统，一般轻载节流调速系统
回油路带调速阀的调速系统
回油路带背压阀
带补油泵的闭式回路
0.2~0.5
0.5~0.8
0.5~1.5
0.8~1.5
中高压系统（8~16）MPa
同上
比中低压系统高50%~100%
高压系统（16~32）MPa
如锻压机械等
初算时背压可忽略不计
对于单活塞杆液压缸，其工作压力可按下列公式复算：
差动快进阶段
（2.10）
无杆腔进油工进阶段
（2.11）
有杆腔进油快退阶段
（2.12）
式中F——液压缸在各工作阶段的最大机械总负载（N）；
、——分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效作用面积（m2）；
——液压缸回油路的背压（Pa），在系统设计完成之前无法准确计算，可先按表2.5估计。
差动快进时，有杆腔压力大于无杆腔，其压差p=是油液从有杆腔流入无杆腔的压力损失。
2.2.4执行元件的工况图
各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算液压执行元件在工作循环各阶段内的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。
这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即液压执行元件在一个工作循环中的压力、流量和功率随时间（或位移）的变化曲线图（图2.2为某一机床进给液压缸工况图）。
当液压执行元件不只有一个时，将系统中各执行元件的工况图进行叠加，便得到整个系统的工况图。
液压系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压力、流量和功率的最大值及其分布情况，为后续设计中选择元件、回路或修正设计提供依据。
对于单个执行元件的系统或某些简单系统，其工况图的绘制可以省略，而仅将计算出的各阶段压力、流量和功率值列表表示。
图2.2机床进给液压缸工况图
—快进时间；
—工进时间；
—快退时间
2.3液压系统原理图的拟定
液压系统原理图是表示液压系统的组成和工作原理的图样。
拟定液压系统原理图是设计液压系统的关键一步，它对系统的性能及设计方案的合理性、经济性具有决定性的影响。
1.确定油路类型
一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式油路；
凡允许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式油路。
通常节流调速系统采用开式油路，容积调速系统采用闭式回路。
2.选择液压回路
在拟订液压系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。
例如，对于机床液压系统，调速和速度换接回路是主要回路；
对于压力机液压系统，压力回路是主要回路。
然后再考虑其它辅助回路，例如有垂直运动部件的系统要考虑重力平衡回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、同步或互不干扰回路，有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。
3.绘制液压系统原理图
将挑选出来的各个回路合并整理，增加必要的元件或辅助回路，加以综合，构成一个完整的液压系统。
在满足工作机构运动要求及生产率的前提下，力求所设计的液压系统结构简单、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养方便。
2.4液压元件的计算和选择
2.4.1选择液压泵
首先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型，然后根据液压泵的最大供油量来选择液压泵的规格。
1.确定液压泵的最高供油压力pp
（2.13）
式中——执行元件的最高工作压力（Pa）；
——进油路上总的压力损失（Pa）。
如系统在执行元件停止运动时才出现最高工作压力，则；
否则须计算出油液通过进油路上控制调
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