第九章液压系统的设计与计算

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(一)运动分析
运动分析就是分析主机按其工艺要求， 运动分析就是分析主机按其工艺要求，以何种运动 规律完成一个工作循环。要求画出速度循环图。 规律完成一个工作循环。要求画出速度循环图。图 9—2、9—3分别为一组合机床动力滑台的工作循环 2 3 图和速度循环图。 图和速度循环图。
快 进 原 位
减速 启动 快进 工进 制动
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表9—1 1
执行元件 液 压 缸 单活塞杆缸 双活塞杆缸 柱塞缸 齿条活塞缸 液 压 马 达 齿轮式马达 叶片式马达 柱塞式马达 低速大扭矩马达 摆动型马达
常用执行元件的应用
适用工作状况 应用实例 组合机床、拉床、农业机械、工程机 械、建筑机械、液压机等 磨床工作台 龙门刨床、工程机械升降机、自卸汽 车等 机械手、回转工作台、转位夹具等 攻丝、钻床、风扇驱动。对体积受限 制时选摆线齿轮式 磨床回转工作台、机床操纵机构 数控机床、铰车、铲车、内燃机、起 重机等 农业机械、工程机械等 石油机械、机械手、料斗等
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2.机床液压缸在各工作阶段总 2.机床液压缸在各工作阶段总 外负载FfΣ FfΣ的计算 外负载FfΣ的计算
(1) 启动阶段 (2) 加速阶段 (3) 快进阶段 (4) 工进阶段 (5) 制动阶段
F fΣ = Fmj ± FG
F fΣ = Fmd + Fg ± FG
F fΣ = Fmd ± FG
双向工作、往复运动速度不同、 承受负载范围大 双向工作、往复运动相等、承受 负载较小 行程较长时，成对使用或单向回 程靠外力、负载大 负载不大的摆动运动 速度平稳性要求较低、工作环境 差、负载力矩不大 噪声要求较小的场合、负载力矩 较低 有变速和边力矩要求、低速平稳 性要求高、负载力矩较大的场合 转速底、平稳性高、负载力矩大 的场合 往复摆动角<的运动。比齿条活塞 缸的体积要小
(3)惯性阻力Fg——工作部件在 (3)惯性阻力Fg 惯性阻力Fg 工作部件在 启动和制动过程中的惯性力。 启动和制动过程中的惯性力。
FG ∆v Fg = ma = g∆t
式中：a——工作部件的加速度； 工作部件的加速度； 式中： 工作部件的加速度 Δt——启动加速或减速制动的时间， 启动加速或减速制动的时间， Δt 启动加速或减速制动的时间 对一般机床主运动Δt =0.25～ 对一般机床主运动Δt =0.25～0.5s, 进给运动Δt 0.1～0.5s， Δt＝ 进给运动Δt＝0.1～0.5s， 磨床Δt＝0.01～0.05s，低速轻载运动部件取较小值，反 磨床Δt＝0.01～0.05s，低速轻载运动部件取较小值， Δt 之取较大值。 之取较大值。 时间内的速度变化量。 Δv ——在Δt时间内的速度变化量。 在Δt时间内的速度变化量 惯性阻力有正有负，启动时为正，制动时为负。 惯性阻力有正有负，启动时为正，制动时为负。
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第一节
概述
• 在前几章中，对液压传动的基本原理， 在前几章中，对液压传动的基本原理， 液压元件的结构、工作原理和基本回路 液压元件的结构、 等进行了分析. 等进行了分析 • 本章的任务是应用已学基本知识来讨论 液压传动系统设计、计算的步骤和方法。 液压传动系统设计、计算的步骤和方法。 • 液压系统的设计必须重视调查研究，注 液压系统的设计必须重视调查研究， 意借鉴前人的经验。 意借鉴前人的经验。 • 液压系统设计应着重解决的主要问题是 满足工作部件对力和运动两方面的要求， 满足工作部件对力和运动两方面的要求， 在满足工作性能和工作可靠性的前提下， 在满足工作性能和工作可靠性的前提下， 应力求系统简单、经济且维修方便。 应力求系统简单、经济且维修方便。
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4、主机各液压执行元件的动作顺序 或互锁要求。 或互锁要求。 对液压系统工作性能( 5 、 对液压系统工作性能 ( 如工作平 稳性、转换精度等) 工作效率、 稳性、转换精度等)、工作效率、 自动化程度等方面的要求。 自动化程度等方面的要求。 液压系统的工作环境和工作条件。 6、液压系统的工作环境和工作条件。 其它方面的要求。 7、其它方面的要求。
当液压 执行元件为 液压马达时， 液压马达时， 对其负载转 矩M的分析和 计算， 计算，思考 方法与液压 缸相同。 缸相同。
t,s
图 9—5 液压缸负载图 5
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第三节、 第三节、执行元件主要参数的确定
一．确定执行元件的类型 根据工作部件所需的运动形式、速度、 根据工作部件所需的运动形式、速度、 负载的性质和工作环境参考表 9—1，确定执行元件的类型。 1 确定执行元件的类型。
F fΣ = ± Ft + Fmd ± FG
F f Σ = ± F t + F md − F g ± F G
式中： 式中：Fmj——静摩擦阻力 静摩擦阻力
Fmd——动摩擦阻力 动摩擦阻力
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3.绘液压缸负载图 3.绘液压缸负载图
F
启动 加速 快进 工进 制动
FG
Fg F m+ F G F md+ F G
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二、执行元件工况分析
分析系统工况的重要性
对液压系统进行工况分析，就是 要查明它的每个执行元件在各自工作 过程中的运动速度和负载的变化规律。 这是满足主机规定的动作要求和承载 能力所必需具备的。
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■ 液压系统承受的负载 可由主机的规格规定； ①、可由主机的规格规定； 可由样机通过实验测定； ②、可由样机通过实验测定； 可由理论分析确定。 ③、可由理论分析确定。 当用理论分析确定系统的实际负载时， 当用理论分析确定系统的实际负载时， 必须仔细考虑它所有的组成项目， 例如： 必须仔细考虑它所有的组成项目 ， 例如 ： 工作负载（ 切削力、 挤压力、 工作负载 （ 切削力 、 挤压力 、 弹性塑性 变形拉力、 重力等） 变形拉力 、 重力等 ） ， 惯性负载和阻力 负载（ 摩擦力、 背压力） 负载 （ 摩擦力 、 背压力 ） 等 ， 并把它们 绘成图形。 绘成图形。
工 进
快 进
制动
快退
图9—2 工作循环图 2
图9—3 3
速度循环图
反向启动
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(二)动力分析 1．液压缸的负载分析
工作阻力Ft Ft——沿液压缸运动方向 (1) 工作阻力Ft 沿液压缸运动方向 的切削分力、重力、挤压力等。 的切削分力、重力、挤压力等。 摩擦阻力Fm Fm——液压缸工作机构工 (2) 摩擦阻力Fm 液压缸工作机构工 作时所要克服的机械摩擦力。 作时所要克服的机械摩擦力。对于机 床来说，既导轨摩擦阻力， 床来说，既导轨摩擦阻力，它与导轨 形状、放置情况以及运动状态有关。 形状、放置情况以及运动状态有关。
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选最常见的两种导轨型式 （图9—4）为例: 4 为例:
F切 F切
F重
ɑ
F重
(a)平导轨 (a)平导轨
(b)对称V (b)对称V形导轨 对称
图9—4 4
导轨的受力分析
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其摩擦阻力计算公式为： 其摩擦阻力计算公式为： 对平导轨： 对平导轨： F = f ( F + F ′ ) m G G
′ f ( FG + FG ) 形导轨： 对V形导轨： Fm = a sin 2
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设计一个液压传动系统， 设计一个液压传动系统，应 按下列步骤进行： 按下列步骤进行： • 1．明确设计依据，进行工况分析 明确设计依据，
• • • • 2．初步确定液压系统参数 3．拟定液压系统图 计算、 4．计算、选择或设计液压元件 5．液压系统的性能验算和绘制工 作图、 作图、编写技术文件
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◆ 性能验算包括系统压力损失验算和液压系统的
发热与温升验算。 发热与温升验算。 • 正式工作图一般包括正式的液压系统工作原理 图、系统管路装配图和各种非标准液压元件的 装配图和零件图。 装配图和零件图。 • 应该指出，在实际设计过程中，根据所设计机 应该指出，在实际设计过程中， 器的用途和掌握的资料情况， 器的用途和掌握的资料情况，上述步骤有的可 以省略，有的可以合并。同时， 以省略，有的可以合并。同时，各设计步骤是 相互联系、相互影响的。 相互联系、相互影响的。设计中往往是互相穿 插，交叉进行，有时还要经过多次反复才能完 交叉进行， 成。
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表9—2 2 负载F （KN） ＜5
按负载大小选择液压缸工作压力 5~10 10~20 20~30 3பைடு நூலகம்~40 ＞50
＜ 液压缸工作 0.8~1.0 压力（MPa） 表9—3 3 设备 类型 磨 床
组合 机床
1.5~2.0
2.5~3.0
3.0~4.0
4.0~5.0
≥5.0~7.0
设备常用的工作压力
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二、初选执行元件的工作压力
• 液压缸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： 载力来确定，此外，还需要考虑以下因素： • (1)各类设备的不同特点和使用场合。 (1)各类设备的不同特点和使用场合 各类设备的不同特点和使用场合。 • (2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大， (2)考虑经济和重量因素 压力选得低，则元件尺寸大， 考虑经济和重量因素， 重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但 重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻， 对元件的制造精度，密封性能要求高。 对元件的制造精度，密封性能要求高。 • 所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据 所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式： 机械类型选；二是根据切削负载选。 机械类型选；二是根据切削负载选。
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重力FG FG——垂直或倾斜放置的工作 (4) 重力FG 垂直或倾斜放置的工作 部件。 部件。 密封阻力Fmm Fmm——密封件在相对运动 (5) 密封阻力Fmm 密封件在相对运动 中产生的摩擦阻力。 中产生的摩擦阻力。 背压阻力Fb Fb——液压缸回油路上的 (6) 背压阻力Fb 液压缸回油路上的 阻力。 阻力。
第九章 液压系统的设计与计算 苏州大学机电工程学院
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本章主要介绍液压传动系统设计计算的 主要内容、步骤和方法。 主要内容、步骤和方法。本章是本课程 液压传动部分的综合章节。 液压传动部分的综合章节。 重点： 重点： 拟定液压系统原理图，选用液压元件。 拟定液压系统原理图，选用液压元件。 难点： 难点： 液压系统选用限压式变量泵和节流阀的 容积节流调 速回路的功率计算。 速回路的功率计算。 计划学时： 计划学时：2学时
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设计的基本内容和一般流程如下： 设计的基本内容和一般流程如下：
明确系统设计要求 分析系统工况 确定主要参数 拟订液压系统草图 选择液压元件 验算液压系统性能
否
是否符合 要求
是
绘制工作图，编制技术文件
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第二节 明确系统设计要求、 明确系统设计要求、进行工况分析
一、明确系统设计要求
主机的用途、 主要结构、 总体布局； 1 、 主机的用途 、 主要结构 、 总体布局 ； 主机对液 压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。 压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。 主机的工作循环，液压执行元件的运动方式( 2、主机的工作循环，液压执行元件的运动方式(移 摆动或转动)及其工作范围。 动、摆动或转动)及其工作范围。 3 、 液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变 化范围。 化范围。
车床 铣床 镗床 衍磨 机床 龙门 刨床 农业机 械、小 型工程 机械辅 助机构
液压机、 重型机械、 起重运输 机械
拉床
系统 工作 压力 (MPa)
0.8~ 2.0
3.0~5 .0
2.0~4 .0
2.0~5 .0
2.0~ 8.0
8.0~1 0.0
10.0~16. 0
16.0~32.0
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三、 执行元件主要结构参数的确定
′ FG
式中： FG——运动部件的总重(N)； 运动部件的总重(N) 式中： 运动部件的总重(N)； ——对平导轨为垂直于导轨方向上的切 对平导轨为垂直于导轨方向上的切 削分力； 型导轨为沿V 削分力；对V型导轨为沿V形导轨横剖面中心线方向作用 于导轨上的切削分力 90° α ——V型导轨的夹角，一般为90°； V型导轨的夹角，一般为90 摩擦系数， f——摩擦系数，它有静摩擦系数和动摩擦系数 摩擦系数 之分，在机床滑动导轨上，一般f ≤0.2～0.3， 之分，在机床滑动导轨上，一般fj≤0.2～0.3， ≤0.05～0.1。启动时按静摩擦系数计算， fd≤0.05～0.1。启动时按静摩擦系数计算，运动时按 14 动摩擦系数计算。