液压系统的主要参数

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 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）； 摩擦系数，见表1； V型导轨的夹角，一般为90。（3）惯性载荷Fa表1 摩擦系数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0.150.20低速（0.16m/s)0.10.12高速（0.16m/s）0.050.08滚动导轨铸铁对滚柱（珠）0.0050.02淬火钢导轨对滚柱0.0030.006静压导轨铸铁0.005式中 g重力加速度；g=9.81m/s2； 速度变化量（m/s）；t起动或制动时间（s）。一般机械t=0.10.5s，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=0.51.5 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 m液压缸的机械效率，一般取0.900.95。 （8） 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TfTf=Gr （9）式中 G旋转部件施加于轴劲上的径向力（N）； 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 角加速度（rad/s2）；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（kgm2）。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m（m=0.90.99）。 （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/kN551010202030305050工作压力/MPa0.811.522.5334455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/MPa0.82352881010182032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0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23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=d/D，其比值可按表5和表6选取。 （18）采用差动连接时，1/2=（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/d10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。 min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/MPa5.05.07.07.0d/D0.50.550.620.700.7表6 按速比要求确定d/D2/11.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.71注：1无杆腔进油时活塞运动速度； 2有杆腔进油时活塞运动速度。表7 常用液压缸内径D（mm）4050638090100110125140160180200220250表8 活塞杆直径d（mm）速比缸径40506380901001101.462228354550556334550607080速比缸径1251401601802002202501.46708090100110125140290100110125140（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（Nm）；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=A （19）式中 A液压缸有效作用面积（m2）；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。