林业属于工程类专业吗:【引用】 液压传动系统设计计算2

5.3 计算液压系统冲击压力

压力冲击是由于管道液流速度急剧改变而形成的。例如液压执行元件在高速运动中突然停止，换向阀的迅速开启和关闭，都会产生高于静态值的冲击压力。它不仅伴随产生振动和噪声，而且会因过高的冲击压力而使管路、液压元件遭到破坏。对系统影响较大的压力冲击常为以下两种形式：

1）当迅速打开或关闭液流通路时，在系统中产生的冲击压力。

直接冲击（即t＜τ）时，管道内压力增大值

（52）

间接冲击（即t＞τ）时，管道内压力增大值

式中 ρ——液体密度（kg/m3）；

△υ——关闭或开启液流通道前后管道内流速之差（m/s）；

t——关闭或打开液流通道的时间（s）；

 

τ=

 

 

——管道长度为l时，冲击波往返所需的时间（s）；

 

——管道内液流中冲击波的传播速度（m/s）。

若不考虑粘性和管径变化的影响，冲击波在管内的传播速度

式中 E0——液压油的体积弹性模量（Pa），其推荐值为E0=700MPa；

δ、d——管道的壁厚和内径（m）；

E——管道材料的弹性模量（Pa），常用管道材料弹性模量：钢E=2.1×1011Pa，紫铜E=1.18×1011Pa。

2）急剧改变液压缸运动速度时，由于液体及运动机构的惯性作用而引起的压力冲击，其压力的增大值为

式中 ——液流第i段管道的长度（m）；

Ai——第i段管道的截面积（m2）；

A——液压缸活塞面积（m2）；

M——与活塞连动的运动部件质量（kg）；

△υ——液压缸的速度变化量（m/s）；

t——液压缸速度变化△υ所需时间（s）。

计算出冲击压力后，此压力与管道的静态压力之和即为此时管道的实际压力。实际压力若比初始设计压力大得多时，要重新校核一下相应部件管道的强度及阀件的承压能力，如不满足，要重新调整。

设计液压装置，编制技术文件

6.1 液压装置总体布局

液压系统总体布局有集中式、分散式。

集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装在地下，组成液压站。如冷轧机、锻压机、电弧炉等有强烈热源和烟尘污染的冶金设备，一般都是采用集中供油方式。

分散式结构是把液压系统中液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的地方。机床、工程机械等可移动式设备一般都采用这种结构。

6.2 液压阀的配置形式

1）板式配置 板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上，板上钻有与阀口对应的孔，通过管接头联接油管而将各阀按系统图接通。这种配置可根据需要灵活改变回路形式。液压实验台等普遍采用这种配置。

2）集成式配置 目前液压系统大多数都采用集成形式。它是将液压阀件安装在集成块上，集成块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用。这种配置结构紧凑、安装方便。

6.3 集成块设计

1）块体结构 集成块的材料一般为铸铁或锻钢，低压固定设备可用铸铁，高压强振场合要用锻钢。块体加工成正方体或长方体。

对于较简单的液压系统，其阀件较少，可安装在同一个集成块上。如果液压系统复杂，控制阀较多，就要采取多个集成块叠积的形式。

相互叠积的集成块，上下面一般为叠积接合面，钻有公共压力油孔P，公用回油孔T，泄漏油孔L和4个用以叠积紧固的螺栓孔。

P孔，液压泵输出的压力油经调压后进入公用压力油孔P，作为供给各单元回路压力油的公用油源。

T孔，各单元回路的回油均通到公用回油孔T，流回到油箱。

L孔，各液压阀的泄漏油，统一通过公用泄漏油孔流回油箱。

集成块的其余四个表面，一般后面接通液压执行元件的油管，另三个面用以安装液压阀。块体内部按系统图的要求，钻有沟通各阀的孔道。

2）集成块结构尺寸的确定 外形尺寸要求满足阀件的安装，孔道布置及其他工艺要求。为减少工艺孔，缩短孔道长度，阀的安装位置要仔细考虑，使相通油孔尽量在同一水平面或是同一竖直面上。对于复杂的液压系统，需要多个集成块叠积时，一定要保证三个公用油孔的坐标相同，使之叠积起来后形成三个主通道。

各通油孔的内径要满足允许流速的要求，具体参照本章4.4节确定孔径。一般来说，与阀直接相通的孔径应等于所装阀的油孔通径。

油孔之间的壁厚δ不能太小，一方面防止使用过程中，由于油的压力而击穿，另一方面避免加工时，因油孔的偏斜而误通。对于中低压系统，δ不得小于5mm，高压系统应更大些。

6.4 绘制正式工作图，编写技术文件

液压系统完全确定后，要正规地绘出液压系统图。除用元件图形符号表示的原理图外，还包括动作循环表和元件的规格型号表。图中各元件一般按系统停止位置表示，如特殊需要，也可以按某时刻运动状态画出，但要加以说明。

装配图包括泵站装配图，管路布置图，操纵机构装配图，电气系统图等。

技术文件包括设计任务书、设计说明书和设备的使用、维护说明书等。

进行工况分析、确定液压系统的主要参数

通过工况分析，可以看出液压执行元件在工作过程中速度和载荷变化情况，为确定系统及各执行元件的参数提供依据。

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。

2.1 载荷的组成和计算

2.1.1 液压缸的载荷组成与计算

图1表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注图上，其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm中活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。

图1液压系统计算简图

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力Fa。

（1）工作载荷Fg

常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等。这些作用力的方向如与活塞运动方向相同为负，相反为正。

（2）导轨摩擦载荷Ff

对于平导轨

（1）

对于V型导轨

（2）

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1；

α——V型导轨的夹角，一般为90°。

（3）惯性载荷Fa

表1 摩擦系数μ

 

导轨类型

 

导轨材料

 

运动状态

 

摩擦系数

 

滑动导轨

 

铸铁对铸铁

 

起动时

 

0.15～0.20

 

低速（υ＜0.16m/s)

 

0.1～0.12

 

高速（υ＞0.16m/s）

 

0.05～0.08

 

滚动导轨

 

铸铁对滚柱（珠）

 

 

0.005～0.02

 

淬火钢导轨对滚柱

 

0.003～0.006

 

静压导轨

 

铸铁

 

 

0.005

 

式中 g——重力加速度；g=9.81m/s2；

△υ——速度变化量（m/s）；

 

△t——起动或制动时间（s）。一般机械△t=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

 

 

=0.5～1.5 m/s2。

 

以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷FW。

起动加速时 FW=Fg+Ff+Fa （4）

稳态运动时 FW=Fg+Ff （5）

减速制动时 FW=Fg+Ff-Fa （6）

工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则 Fg=0。

除外载荷FW外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力Fm，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，一般估算为

（7）

式中 ηm——液压缸的机械效率，一般取0.90～0.95。

（8）

2.1.2 液压马达载荷力矩的组成与计算

（1）工作载荷力矩Tg

常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等。

（2）轴颈摩擦力矩Tf

Tf=μGr （9）

式中 G——旋转部件施加于轴劲上的径向力（N）；

μ——摩擦系数，参考表1选用；

r——旋转轴的半径（m）。

（3）惯性力矩Ta

（10）

式中 ε——角加速度（rad/s2）；

△ω——角速度变化量（rad/s）；

△t——起动或制动时间（s）；

J——回转部件的转动惯量（kg·m2）。

起动加速时 （11）

稳定运行时 （12）

减速制动时 （13）

计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率ηm（ηm=0.9～0.99）。

（14）

根据液压缸或液压马达各阶段的载荷，绘制出执行元件的载荷循环图，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。

2.2 初选系统工作压力

压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看出不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，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。具体选择可参考表2和表3。

2.3 计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量

（1）计算液压缸的主要结构尺寸

液压缸有关设计参数见图2。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b活塞杆工作在受拉状态。

活塞杆受压时

（15）

活塞杆受压时

（16）

 

式中

 

 

——无杆腔活塞有效作用面积（m2）；

 

 

 

——有杆腔活塞有效作用面积（m2）；

 

p1——液压缸工作腔压力（Pa）；

p2——液压缸回油腔压力（Pa），即背压力。其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表4取值。差动连接时要另行考虑；

D——活塞直径（m）；

d——活塞杆直径（m）。

图2 液压缸主要设计参数

表2 按载荷选择工作压力

 

载荷/kN

 

＜5

 

5～10

 

10～20

 

20～30

 

30～50

 

＞50

 

工作压力/MPa

 

＜0.8～1

 

1.5～2

 

2.5～3

 

3～4

 

4～5

 

≥5

 

表3 各种机械常用的系统工作压力

 

机械类型

 

机床

 

家业机械

小型工程机械

建筑机械

液压凿岩机

 

液压机

大中型挖掘机

重型机械

起重运输机械

 

磨床

 

组合机床

 

龙门创床

 

拉床

 

工作压力/MPa

 

0.8～2

 

3～5

 

2～8

 

8～10

 

10～18

 

20～32

 

表4 执行元件背压力

 

系统类型

 

背压力/MPa

 

简单系统或轻载节流调速系统

 

0.2～0.5

 

回油路带调速阀的系统

 

0.4～0.6

 

回油路设置有背压阀的系统

 

0.5～1.5

 

用补油泵的闭式回路

 

0.8～1.5

 

回油路较复杂的工程机械

 

1.2～3

 

回油路较短，且直接回油箱

 

可忽略不计

 

一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为

（17）

运用式（17）须事先确定A1与A2的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比φ=d/D，其比值可按表5和表6选取。

（18）

采用差动连接时，υ1/υ2=（D2-d2）/d2。如果求往返速度相同时，应取d=0.71D。

对行程与活塞杆直径比l/d＞10的受压柱塞或活塞杆，还要做压杆稳定性验算。

当工作速度很低时，还须按最低速度要求验算液压缸尺寸

式中 A——液压缸有效工作面积（m2）；

Qmin——系统最小稳定流量（m3/s），在节流调速中取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。容积调速中决定于变量泵的最小稳定流量。

υmin——运动机构要求的最小工作速度（m/s）。

如果液压缸的有效工作面积A不能满足最低稳定速度的要求，则应按最低稳定速度确定液压缸的结构尺寸。

另外，如果执行元件安装尺寸受到限制，液压缸的缸径及活塞杆的直径须事先确定时，可按载荷的要求和液压缸的结构尺寸来确定系统的工作压力。

液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。如与标准液压缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。常用液压缸内径及活塞杆直径见表7和表8。

表5 按工作压力选取d/D

 

工作压力/MPa

 

≤5.0

 

5.0～7.0

 

≥7.0

 

d/D

 

0.5～0.55

 

0.62～0.70

 

0.7

 

表6 按速比要求确定d/D

 

υ2/υ1

 

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：υ1—无杆腔进油时活塞运动速度；

υ2—有杆腔进油时活塞运动速度。

表7 常用液压缸内径D（mm）

 

40

 

50

 

63

 

80

 

90

 

100

 

110

 

125

 

140

 

160

 

180

 

200

 

220

 

250

 

表8 活塞杆直径d（mm）

 

速比

 

缸径

 

40

 

50

 

63

 

80

 

90

 

100

 

110

 

1.46

 

22

 

28

 

35

 

45

 

50

 

55

 

63

 

3

 

 

 

45

 

50

 

60

 

70

 

80

 

速比

 

缸径

 

125

 

140

 

160

 

180

 

200

 

220

 

250

 

1.46

 

70

 

80

 

90

 

100

 

110

 

125

 

140

 

2

 

90

 

100

 

110

 

125

 

140

 

 

 

（2）计算液压马达的排量

液压马达的排量为

式中 T——液压马达的载荷转矩（N·m）；

△p=p1-p2——液压马达的进出口压差（Pa）。

液压马达的排量也应满足最低转速要求

式中Qmin——通过液压马达的最小流量；

nmin——液压马达工作时的最低转速。

2.4 计算液压缸或液压马达所需流量

（1）液压缸工作时所需流量

Q=Aυ （19）

式中 A——液压缸有效作用面积（m2）；

υ——活塞与缸体的相对速度（m/s）。

（2）液压马达的流量

Q=qnm （20）

式中 q——液压马达排量（m3/r）；

nm——液压马达的转速（r/s）。

2.5 绘制液压系统工况图

工况图包括压力循环图、流量循环图和功率循环图。它们是调整系统参数、选择液压泵、阀等元件的依据。

1）压力循环图——（p-t）图 通过最后确定的液压执行元件的结构尺寸，再根据实际载荷的大小，倒求出液压执行元件在其动作循环各阶段的工作压力，然后把它们绘制成（p-t）图。

2）流量循环图——（Q-t）图 根据已确定的液压缸有效工作面积或液压马达的排量，结合其运动速度算出它在工作循环中每一阶段的实际流量，把它绘制成（Q-t）图。若系统中有多个液压执行元件同时工作，要把各自的流量图叠加起来绘出总的流量循环图。

3）功率循环图——（P-t）图 绘出压力循环图和总流量循环图后，根据P=pQ，即可绘出系统的功率循环图。