液壓傳動課程液壓系統(tǒng)舉例

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1、 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算是液壓傳動課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，包括明確設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工況分析 、確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)、擬定液壓系統(tǒng)原理圖、計(jì)算和選擇液壓件以及驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性 能等?，F(xiàn)以一臺臥式單面多軸鉆孔組合機(jī)床動力滑臺液壓系統(tǒng)為例，介紹液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 計(jì)算方法。 1設(shè)計(jì)要求及工況分析 1.1設(shè)計(jì)要求 要求設(shè)計(jì)的動力滑臺實(shí)現(xiàn)的工作循環(huán)是：快進(jìn) 工進(jìn)快退停止。主要性能參數(shù)與 性能要求如下：切削阻力 Fl=30468N ;運(yùn)動部件所受重力 G=9800N ;快進(jìn)、快退速度 1 = 回 3=0.1m/s，工進(jìn)速度 日 2=0.88氷0- 3m/s；快進(jìn)行程L1=100mm，

2、工進(jìn)行程L2=50mm ;往復(fù)運(yùn)動的加速時間 At=0.2s;動力滑臺采 用平導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù) 怡=0.2，動摩擦系數(shù)q=0.1。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件選為液壓缸。 1.2負(fù)載與運(yùn)動分析 (1＞工作負(fù)載工作負(fù)載即為切削阻力 Fl=30468N。 (2＞摩擦負(fù)載摩擦負(fù)載即為導(dǎo)軌的摩擦阻力： 靜摩擦阻力 動摩擦阻力 (3＞慣性負(fù)載 (4＞運(yùn)動時間 快進(jìn) 工進(jìn) 快退 設(shè)液壓缸的機(jī)械效率ncm=0.9，得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載和推力，如表 1所列。 表1液壓缸各階段的負(fù)載和推力 工況 負(fù)載組成 液壓缸負(fù)載F/N 液壓缸推力 Fo=F/nm/N 啟動 加速 快進(jìn)

3、 工進(jìn) 反向啟動 加速 快退 1 = 1 Ld Ld 1 = 1 Ld I960 1480 980 31448 1960 1480 980 2180 1650 1090 34942 2180 1650 1090 根據(jù)液壓缸在上述各階段內(nèi)的負(fù)載和運(yùn)動時間， 即可繪制出負(fù)載循環(huán)圖 F-t和速度循環(huán)圖 - t，如圖1所示。 2確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 2.1初選液壓缸工作壓力 所設(shè)計(jì)的動力滑臺在工進(jìn)時負(fù)載最大，在其它工 況負(fù)載都不太高，參考表 2和表3,初選液壓缸的工作 壓力 p

4、1=4MPa。 2.2計(jì)算液壓缸主要尺寸 鑒于動力滑臺快進(jìn)和快退速度相等，這里的液壓 缸可選用單活塞桿式差動液壓缸 50 工作壓力/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 > 5 表3各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力 機(jī)械類型 機(jī)床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型項(xiàng)目機(jī)械 建筑機(jī)械 液壓鑿巖機(jī)

5、 液壓機(jī) 大中型挖掘機(jī) 重型機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合機(jī)床 龍門刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 表4執(zhí)行元件背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力/MPa 簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 0.4~0.6 回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5~1.5 用補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8~1.5 回油路較復(fù)雜的項(xiàng)目機(jī)械 1.2~3 回油路較短且直接回油 可忽略不計(jì) 表5按工作壓力選取 d/D 工作壓力/MPa < 5.0 5.0~7.0 > 7.0

6、 d/D 0.5~0.55 0.62~0.70 0.7 表6按速比要求確定d/D :.2/自 1 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2 d/D 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 注： i—無桿腔進(jìn)油時活塞運(yùn)動速度; 2—有桿腔進(jìn)油時活塞運(yùn)動速度 由式 得 則活塞直徑 參考表5及表6,得d』0.71D =77mm，圓整后取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值得 D=110mm， d=80mm。 由此求得液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積為 根據(jù)計(jì)算出的液壓缸的尺寸，可估算出液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功 率，

7、如表7所列，由此繪制的液壓缸工況圖如圖 2所示。 表7液壓缸在各階段的壓力、流量和功率值 工況 推力 F0/N 回油腔壓力 P2/MPa 進(jìn)油腔壓力 p"MPa 輸入流量 q X10 3. 3. /m /s 輸入功率 P/KW 計(jì)算公式 快進(jìn) 啟動 2180 — 0.43 — — 匸 3 加速 1650 P1 + Ap 0.77 — — I 恒速 1090 p1 + Ap 0.66 0.5 0.33 工進(jìn) 34942 0.6 3.96 -2 0.84 X102 0.033

8、 快退 啟動 2180 — 0.49 — — 加速 1650 0.5 1.43 — — 恒速 1090 0.5 1.31 0.45 0.59 注：1. p為液壓缸差動連接時，回油口到進(jìn)油口之間的壓力損失，取 侔=0.5MPa。 2.快退時，液壓缸有桿腔進(jìn)油，壓力為 p,，無桿腔回油，壓力為P2。 3擬定液壓系統(tǒng)原理圖 3.1選擇基本回路 2 (1> 選 擇 調(diào) 速 回 由圖2可知，這臺機(jī)床液壓系統(tǒng)功率較小，滑臺運(yùn) 動速度低，工作負(fù)載為阻力負(fù)載且工作中變化小 ，故可選用進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路。為防止孔鉆通時 負(fù)載突然消失引

9、起運(yùn)動部件前沖，在回油路上加 背壓閥。因?yàn)橄到y(tǒng)選用節(jié)流調(diào)速方式，系統(tǒng)必然 為開式循環(huán)系統(tǒng)。 (2> 選 擇 油 源 形 從工況圖可以清楚看出，在工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸 要求油源提供快進(jìn)、快退行程的低壓大流量和工 進(jìn)行程的高壓小流量的油液。最大流量與最小流 量之比 qmax/qmin=0.5/(0.84 10- > 60；其相應(yīng)的時間之比(ti+t3>/t2=(1+1.5>/56.8=0.044。這表明在一個工作循環(huán)中的大部 分時間都處于高壓小流量工作。從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看，選用單定量泵油源 顯然是不合理的，為此可選用限壓式變量泵或雙聯(lián)葉片泵作為油源。考慮到前者流量突變 時液壓沖

10、擊較大，工作平穩(wěn)性差，且后者可雙泵同時向液壓缸供油實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動，最后確 定選用雙聯(lián)葉片泵方案，如圖 2a所示。 (3> 選 擇 快 速 運(yùn) 動 和 換 向 回 路 本系統(tǒng)已選定液壓缸差動連接和雙泵供油兩種快速運(yùn)動回路實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動?？紤]到從工進(jìn) 轉(zhuǎn)快退時回油路流量較大，故選用換向時間可調(diào)的電液換向閥式換向回路，以減小液壓沖 擊。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)液壓缸差動連接，所以選用三位五通電液換向閥，如圖 2b所示。 (4> 選 擇 速 度 換 接 回 路 因?yàn)楸鞠到y(tǒng) 滑 臺 由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)時，速度變化大 < 1/ 2=0.1/(0.88 10K 3> 114),為減少速度換接時的液壓沖擊，選用行程閥控制的

11、換接回路，如圖 2c所示。 (5>選擇調(diào)壓和卸荷回路 在雙泵供油的油源形式確定后，調(diào)壓和卸荷問題都已基本解 決。即滑臺工進(jìn)時，高壓小流量泵的出口壓力由油源中的溢流閥調(diào)定，無需另設(shè)調(diào)壓回 高壓小流量泵在滑臺停止 路。在滑臺工進(jìn)和停止時，低壓大流量泵通過液控順序閥卸荷, 時雖未卸荷，但功率損失較小，故可不需再設(shè)卸荷回路。 圖2選擇的基本回路 3.2組成液壓系統(tǒng) 將上面選出的液壓基本回路組合在一 起，并經(jīng)修改和完善，就可得到完整的液 壓系統(tǒng)工作原理圖，如圖 3所示。在圖3中 ，為了解決滑臺工進(jìn)時進(jìn)、回油 路串通使系統(tǒng)壓力無法建立的問題，增設(shè) 了單向閥6。為了避免機(jī)床停止工作時回路

12、 中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)， 影響滑臺運(yùn)動的平穩(wěn)性，圖中添置了一個 單向閥13?？紤]到這臺機(jī)床用于鉆孔 ＜通孔 與不通孔)加工，對位置定位精度要求較 高，圖中增設(shè)了一個壓力繼電器 14。當(dāng) 滑 臺碰上死擋塊后，系統(tǒng)壓力升高，它發(fā)出 快退信號，操縱電液換向閥換向。 4計(jì)算和選擇液壓件 4.1確定液壓泵的規(guī)格和電動機(jī)功率 7可知，液壓缸在工進(jìn)時工作壓力最大 ，最大工作壓力為Pi=3.96MPa，如在調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路中，選取進(jìn)油路上的總壓力 損失刀?p=0.6MPa，考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差 APe=0.5MPa，則小流量泵的最 高工作壓力估算為 0 大流

13、量泵只在快進(jìn)和快退時向液壓缸供油，由表 7可見，快退時液壓缸的工作壓力為 P! =1.43MPa，比快進(jìn)時大?？紤]到快退時進(jìn)油不通過調(diào)速閥，故其進(jìn)油路壓力損失比前者小 ，現(xiàn)取進(jìn)油路上的總壓力損失 刀？p=0.3MPa，則大流量泵的最高工作壓力估算為 0 (2＞計(jì)算液壓泵的流量 由表7可知，油源向液壓缸輸入的最大流量為 0.5 XI0-3 m3/s,若取回路泄漏系數(shù) K=1.1，則兩個泵的總流量為 0 考慮到溢流閥的最小穩(wěn)定流量為 3L/min，工進(jìn)時的流量為0.84 ＞10-5 m3/s =0.5L/min，則小流量泵的流量最少應(yīng)為 3.5L/min。 (3＞確定液壓泵的規(guī)格

14、和電動機(jī)功率 根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，并考慮液壓泵存在容積損失，最后確定選取 PV2R12- 6/33型雙聯(lián)葉片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分別為 6mL/r和33mL/r，當(dāng)液壓泵的轉(zhuǎn)速 np=940r/min時，其理論流量分別為 5.6 L/min和31L/min，若取液壓泵容積效率 n=0.9，則液壓泵的實(shí)際輸出流量為 因?yàn)橐簤焊自诳焱藭r輸入功率最大，若取液壓泵總效率 n=o.8，這時液壓泵的驅(qū)動電 動機(jī)功率為 根據(jù)此數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的 Y100L — 6型電動機(jī)，其額定功率為 1.5KW，額定轉(zhuǎn)速為94

15、0r/min。 4.2確定其它元件及輔件 (1＞確定閥類元件及輔件 根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過各閥類元件及輔件的實(shí)際流量，查閱產(chǎn)品樣本，選出 的閥類元件和輔件規(guī)格如表 8所列。其中，溢流閥9按小流量泵的額定流量選取，調(diào)速閥 4選 用Q — 6B型，其最小穩(wěn)定流量為 0.03 L/min，小于本系統(tǒng)工進(jìn)時的流量 0.5L/min 。 表8液壓元件規(guī)格及型號 序號 元件名稱 通過的最大流量q/L/min 規(guī)格 型號 額定流量qn/L/min 額定壓力Pn/MPa 額定壓降？Pn 1 雙聯(lián)葉片泵 PV2R12- 6/33 5.1/27.9 16 2

16、 三位五通電液換向閥 70 35DY — 100BY 100 6.3 0.3 3 行程閥 62.3 22C— 100BH 100 6.3 0.3 4 調(diào)速閥 <1 Q—6B 6 6.3 — 5 單向閥 70 I — 100B 100 6.3 0.2 6 單向閥 29.3 I — 100B 100 6.3 0.2 7 液控順序閥 28.1 XY — 63B 63 6.3 0.3 8 背壓閥 <1 B — 10B 10 6.3 — 9 溢流閥 5.1 Y — 10B 10 6.3 —

17、10 單向閥 27.9 I — 100B 100 6.3 0.2 11 濾油器 36.6 XU — 80 >200 80 6.3 0.02 12 壓力表開關(guān) — K—6B — — — 13 單向閥 70 I — 100B 100 6.3 0.2 14 壓力繼電器 — PF— B8L — 14 — 注：此為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 940r/min時的流量。 (2＞確定油管 在選定了液壓泵后，液壓缸在實(shí)際快進(jìn)、工進(jìn)和快退運(yùn)動階段的運(yùn)動速度、時間以及 進(jìn)入和流出液壓缸的流量，與原定數(shù)值不同，重新計(jì)算的結(jié)果如表 9所列。 表

18、9各工況實(shí)際運(yùn)動速度、時間和流量 快進(jìn) 工進(jìn) 快退 呂 [—1 _2Sl E S .EJ E 表10允許流速推薦值 推薦流速/(m/s> 吸油管道 0. 5?1.5，一般取1以下 壓油管道 3?6，壓力高，管道短，粘度小取大值 回油管道 1.5 ?3 由表9可以看出，液壓缸在各階段的實(shí)際運(yùn)動速度符合設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)表9數(shù)值，按表10推薦的管道內(nèi)允許速度取 =4 3 m/s，由式 計(jì)算得與液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為 為了統(tǒng)一規(guī)格，按產(chǎn)品樣本選取所有管子均為內(nèi)徑 20mm、外徑28mm的10號冷

19、拔鋼管 (3>確定油箱 油箱的容量按式 估算，其中a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，低壓系統(tǒng)， a=2?4;中壓系統(tǒng)，a =5?7;高壓系統(tǒng)，a=6?12?，F(xiàn)取a=6,得 5驗(yàn)算液壓系統(tǒng)性能 5.1驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失 因?yàn)橄到y(tǒng)管路布置尚未確定，所以只能估算系統(tǒng)壓力損失。估算時，首先確定管道內(nèi) 液體的流動狀態(tài)，然后計(jì)算各種工況下總的壓力損失。現(xiàn)取進(jìn)、回油管道長為 l=2m，油液 的運(yùn)動粘度取 =1 10-4m2/s，油液的密度??；-=0.9174 103kg/m3。 (1>判斷流動狀態(tài) 在快進(jìn)、工進(jìn)和快退三種工況下，進(jìn)、回油管路中所通過的流量以快退時回油流量 q> = 70L/min為最大，此時，

20、油液流動的雷諾數(shù) 也為最大。因?yàn)樽畲蟮睦字Z數(shù)小于臨界雷諾數(shù) <2000)，故可推出：各工況下的進(jìn)、回油 路中的油液的流動狀態(tài)全為層流。 (2>計(jì)算系統(tǒng)壓力損失 將層流流動狀態(tài)沿程阻力系數(shù) 和油液在管道內(nèi)流速 同時代入沿程壓力損失計(jì)算公式 」，并將已知數(shù)據(jù)代入后，得 可見，沿程壓力損失的大小與流量成正比，這是由層流流動所決定的。 在管道結(jié)構(gòu)尚未確定的情況下，管道的局部壓力損失 ？ p Z常按下式作經(jīng)驗(yàn)計(jì)算 各工況下的閥類元件的局部壓力損失可根據(jù)下式計(jì)算 其中的」Pn由產(chǎn)品樣本查出，qn和q數(shù)值由表8和表9列出?；_在快進(jìn)、工進(jìn)和快退工況下 的壓力

21、損失計(jì)算如下： 1 ?快進(jìn) 滑臺快進(jìn)時，液壓缸通過電液換向閥差動連接。在進(jìn)油路上，油液通過單向閥 10、電 液換向閥2,然后與液壓缸有桿腔的回油匯合通過行程閥 3進(jìn)入無桿腔。在進(jìn)油路上，壓力 損失分別為 在回油路上，壓力損失分別為 將回油路上的壓力損失折算到進(jìn)油路上去，便得出差動快速運(yùn)動時的總的壓力損失 2.工進(jìn) 滑臺工進(jìn)時，在進(jìn)油路上，油液通過電液換向閥 2、調(diào)速閥4進(jìn)入液壓缸無桿腔，在調(diào) 速閥4處的壓力損失為0.5MPa。在回油路上，油液通過電液換向閥 2、背壓閥8和大流量泵 的卸荷油液一起經(jīng)液控順序閥 7返回油箱，在背壓閥8處的壓力

22、損失為0.6MPa。若忽略管路 的沿程壓力損失和局部壓力損失，則在進(jìn)油路上總的壓力損失為 此值略小于估計(jì)值。 在回油路上總的壓力損失為 該值即為液壓缸的回油腔壓力 P2=0.66MPa，可見此值與初算時參考表 4選取的背壓值基本相 符。 按表7的公式重新計(jì)算液壓缸的工作壓力為 此略高于表7數(shù)值。 考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差 .：Pe=0.5MPa，則小流量泵的工作壓力為 0 此值與估算值基本相符，是調(diào)整溢流閥 10的調(diào)整壓力的主要參考數(shù)據(jù)。 3.快退 滑臺快退時，在進(jìn)油路上，油液通過單向閥 10、電液換向閥2進(jìn)入液壓缸有桿腔。在回 油路上，油液

23、通過單向閥 5、電液換向閥2和單向閥13返回油箱。在進(jìn)油路上總的壓力損失 為 此值遠(yuǎn)小于估計(jì)值，因此液壓泵的驅(qū)動電動機(jī)的功率是足夠的。 在回油路上總的壓力損失為 此值與表7的數(shù)值基本相符，故不必重算。 大流量泵的工作壓力為 此值是調(diào)整液控順序閥7的調(diào)整壓力的主要參考數(shù)據(jù)。 5.2驗(yàn)算系統(tǒng)發(fā)熱與溫升 因?yàn)楣みM(jìn)在整個工作循環(huán)中占 96%，所以系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升可按工進(jìn)工況來計(jì)算。在 工進(jìn)時，大流量泵經(jīng)液控順序閥 7卸荷，其出口壓力即為油液通過液控順序閥的壓力損失 液壓系統(tǒng)的總輸入功率即為液壓泵的輸入功率 1 X I 液壓系統(tǒng)輸出的有效功率即為液壓缸輸出的有效功率 由此可計(jì)算出系統(tǒng)的發(fā)熱功率為 按式「計(jì)算工進(jìn)時系統(tǒng)中的油液溫升，即 ￡ [V W/