第九章液压系统的设计与计算

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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 30~40 ＞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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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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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。
◆ 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。
162.机床液压缸在各工作段总 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
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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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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。
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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。
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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
′ 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。
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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。
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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。
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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
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
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
(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。
F fΣ = ± Ft + Fmd ± FG
F f Σ = ± F t + F md − F g ± F G