液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算
一、 設(shè)計題目 1
二、 明確液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求 1
三、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算 2
1. 進行工況分析，繪制出執(zhí)行機構(gòu)的負載圖和速度圖 2
(1) 外負載 ： 2
(2) 移動部件自重為： 2
(3) 慣性阻力 ： 2
(4) 密封阻力 ： 2
(5) 背壓阻力： 2
(6) 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，繪制出液壓缸的負載圖和速度圖 3
2. 擬定液壓系系統(tǒng)原理圖 4
3. 確定液壓缸主要尺寸 5
(1) 工作壓力的確定 5
(2) 計算液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑 5
(3) 計算液壓缸各運動階段的壓力、和功率 5
4. 確定液壓缸的規(guī)格和電動機的功率 6
(1) 計算液壓泵的壓力 6
(2) 計算液壓泵的流量 7
(3) 選擇液壓泵的規(guī)格及型號 7
(4) 確定電動機功率及型號 7
5. 液壓元件及輔助元件的選擇 7
(1) 液壓元件的選擇 7
(2) 油管的計算與選擇 7
6. 油箱的容量確定 8
7. 液壓系統(tǒng)的驗算 8
(1) 回路壓力損失驗算 8
(2) 液壓回路的效率 10
(3) 液壓系統(tǒng)的溫升驗算 10
四、 液壓缸的設(shè)計計算 11
五、 油箱的設(shè)計計算 12
六、 單泵集成塊液壓系統(tǒng)原理圖 13
參 考 文 獻 14
一、 設(shè)計題目
設(shè)計課目：設(shè)計一臺小型油壓機液壓系統(tǒng)，其油壓機工作循環(huán)為：快速下降——壓制——保壓——快速回退——原位停止。主要性能參數(shù)詳見 下表：
負載（N） 行程（mm） 速度（m/min）
啟動時間
（s）
保壓時間
（s）
備注
移動部件自重(G) 壓制時外負載
快速回移時負載
快進
壓制
快速下降
壓制
快速回移
4000 50000 8000 200 100 5 0.5 5 0.5 30
設(shè)計內(nèi)容：
1．液壓傳動方案的分析
2．液壓原理圖的擬定
3．主要液壓元件的設(shè)計計算（例游缸）和液壓元件，輔助裝置的選擇。
4．液壓系統(tǒng)的驗算。
5．繪制液壓系統(tǒng)圖（包括電磁鐵動作順序表，動作循環(huán)表，液壓元件名稱）A4一張；繪制集成塊液壓原理圖A4一張；油箱結(jié)構(gòu)圖 A4一張；液壓缸結(jié)構(gòu)圖A4一張。
6．編寫設(shè)計計算說明書一分（3000-5000字左右）。
二、 明確液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求
對油壓機液壓系統(tǒng)的基本要求是：
1）為完成一般的壓制工藝，要求主缸驅(qū)動滑塊實現(xiàn)“快速下降——壓制——保壓——快速回退——原位停止”的工作循環(huán)，具體要求可參看題目中的內(nèi)容。
2）液壓系統(tǒng)功率大，空行程和加壓行程的速度差異大，因此要求功率利用合理。
3）油壓機為高壓大流量系統(tǒng)，對工作平穩(wěn)性和安全性要求較高。
三、 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算
1. 進行工況分析，繪制出執(zhí)行機構(gòu)的負載圖和速度圖
液壓缸的負載主要包括：外負載、慣性阻力、重力、密封力和背壓閥阻力
(1) 外負載 ：
壓制時外負載： =50000 N
快速回程時外負載： =8000 N
(2) 移動部件自重為：
N
(3) 慣性阻力 ：
式中： g —— 重力加速度。單位為 。
G —— 移動部件自重力。單位為 。
—— 在t時間內(nèi)速度變化值。單位為 。
—— 啟動加速段或減速制動段時間。單位為 。
(4) 密封阻力 ：
一般按經(jīng)驗取 （F為總負載）
在在未完成液壓系統(tǒng)設(shè)計之前，不知道密封裝置的系數(shù)， 無法計算。一般用液壓缸的機械效率 加以考慮， 。
(5) 背壓阻力：
這是液壓缸回油路上的阻力，初算時，其數(shù)值待系數(shù)確定后才能定下來。
根據(jù)以上分析，可計算出液壓缸各動作階段中負載，見表1：
工況 計算公式 液壓缸的負載（N）
啟動、加速階段
穩(wěn)定下降階段
F =
壓制、保壓階段
快退階段
表1
(6) 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，繪制出液壓缸的負載圖和速度圖
2. 擬定液壓系系統(tǒng)原理圖
3. 確定液壓缸主要尺寸
(1) 工作壓力的確定
工作壓力可根據(jù)負載大小及設(shè)備類型來確定
由文獻<一>表2-1，根據(jù) ，選定工作壓力
(2) 計算液壓缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑
按 ，油缸的機械效率 ，由文獻<一>式2-1：
由文獻<一>表2-5，液壓缸尺寸系列表，將直徑圓整成標準直徑
由文獻<一>表2-4，液壓缸內(nèi)徑D與活塞桿直徑d的關(guān)系，取
由文獻<一>表2-6，活塞桿直徑系列，取
無桿腔面積：
有桿腔面積：
按最低工進速度驗算液壓缸的最小穩(wěn)定速度：
，所以滿足最小穩(wěn)定速度要求。
(3) 計算液壓缸各運動階段的壓力、流量和功率
根據(jù)上述所確定液壓缸D和d以及工進時背壓力 ，則可估算出液壓缸各個工作階段中的壓力、流量和功率如表2所示。并以此用坐標法繪制出“液壓缸工況圖”，此圖可直觀看出液壓缸各運動階段主要參數(shù)變化情況，如圖4所示。
工況 負載（N） 回油腔壓力
進油腔壓力
輸入流量
輸入功率
計算公式
快進啟動 4368.94 0.5 0.65 變化值 變化值
快進恒進 4444.44 0.5 0.66 47.52 0.52 V
P=p q
壓制保壓 51111.11 0.5 5.61 1.91 0.18
快退 13333.33 0.5 4.04 22.38 1.51
4. 確定液壓缸的規(guī)格和電動機的功率
(1) 計算液壓泵的壓力
液壓泵的工作壓力應(yīng)當考慮液壓最高有效工作壓力和管路系統(tǒng)的壓力損失。
所以泵的工作壓力為：
式中： 液壓泵的最大工作壓力。
液壓缸的最高有效工作壓力。
管路系統(tǒng)的壓力損失，取
則:
考慮各方面因素，取泵的實際額定壓力
(2) 計算液壓泵的流量
液壓泵的最大流量 應(yīng)為
式中： ——同時動作各液缸所需流量之和的最大值，
k ——系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，取
則：
(3) 選擇液壓泵的規(guī)格及型號
選 功率
(4) 確定電動機功率及型號
由工況圖可知，液壓缸最大輸入功率在快退階段，可按此階段估算電動機功率。由于工況圖中的壓力值不包括由泵到液壓缸這段管路的壓力損失，在快退時這段管路的壓力損失若取 ，液壓泵總效率 。則電動機功率 為：
由文獻<二>表2.10-1，選用 ，其額定功率為1.5kW，額定轉(zhuǎn)速為 。
5. 液壓元件及輔助元件的選擇
(1) 液壓元件的選擇
根據(jù)所擬定的液壓原理圖，進行計算和分析通過各液壓元件的最大流量和最高工作壓力，而后按液壓元件樣本來選擇液壓元件的規(guī)格。
(2) 油管的計算與選擇
壓油管內(nèi)徑：
吸油管內(nèi)徑：
6. 油箱的容量確定
油箱的容量
7. 液壓系統(tǒng)的驗算
(1) 回路壓力損失驗算
主要驗算液壓缸在各運動階段中的壓力損失。若驗算后與原估算值相差較大，就要進行修改。壓力算出后，可以確定液壓泵各運動階段的輸出壓力機某些元件調(diào)整壓力的參考值。
具體計算可將液壓系統(tǒng)按工作階段進行，例如快進，工進，快退等，按這些階段，將管路劃分成各條油流進液壓缸，而后液壓油從液壓缸流回油箱的路線的管路，則每條管路的壓力損失可由下式計算：
式中： ——某工作階段總的壓力損失；
——液壓油沿等徑直管進入液壓缸沿程壓力損失值之和；
——液壓油沿等徑直管從液壓缸流回油箱的沿程壓力損失值之和；
——液壓油進入液壓缸所經(jīng)過液壓閥以外的各局部的壓力損失值之總和，例如液壓油流進彎頭，變徑等；
——液壓油從液壓缸流回油箱所經(jīng)過的除液壓閥之外的各個局部壓力損失之總和；
——液壓油進入液壓缸時所經(jīng)過各閥類元件的局部壓力損失總和；
——液壓油從液壓缸流回油箱所經(jīng)過各閥類元件局部壓力損失總和；
——液壓油進入液壓缸時液壓缸的面積；
——液壓油流回油箱時液壓缸的面積。
和 的計算方法是先用雷諾數(shù)判別流態(tài)，然后用相應(yīng)的壓力損失公式來計算，計算時必須事先知道管長L及管內(nèi)徑d，由于管長要在液壓配管設(shè)計好后才能確定。所以下面只能假設(shè)一個數(shù)值進行計算。
和 是指管路彎管、變徑接頭等，局部壓力損失 可按下式：
式中 ——局部阻力系數(shù)（可由有關(guān)液壓傳動設(shè)計手冊查得）；
——液壓油的密度
——液壓油的平均速度
此項計算也要在配管裝置設(shè)計好后才能進行。
及 是各閥的局部壓力損失 ，可按下列公式：
式中 ——液壓閥產(chǎn)品樣本上列出的額定流量時局部壓力損失；
q ——通過液壓閥的實際流量；
——通過液壓閥的額定流量。
另外若用差動連接快進時，管路總的壓力損失 應(yīng)按下式計算：
式中 ——AB段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失；
——BC段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失；
——BD段總的壓力損失，它包括沿程、局部及控制閥的壓力損失；
——大腔液壓缸面積；
——小腔液壓缸面積。
現(xiàn)已知該液壓系統(tǒng)的進、回油管長度均為2m，油管內(nèi)徑為 ，局部壓力損失按 進行估算，選用L-HL32液壓油，其油溫為 時的運動粘度 ，油的密度 。按上述計算方法，得出各工作階段壓力損失數(shù)值經(jīng)計算后見表3。
快進時(MPa) 工進時(MPa) 快退時(MPa)
沿程損失 忽略不計 忽略不計 忽略不計
閥件局部損失 三位四通電磁閥
忽略不計
二位二通電磁閥
0.5×10
單向行程調(diào)速閥（調(diào)速閥） 5×10
單向閥7 0.84×10
0.25×10
單向閥6 0.84×10
2.87×10
1.0×10
溢流閥
局部損失 忽略不計 忽略不計
總損失 9.63×10
3.12×10
16.47×10
隨后計算出液壓泵各運動階段的輸出壓力，計算公式及計算數(shù)值見表4所示。
計算公式 液壓泵輸出壓力（Pa）
快進時
工進時
快退時
表4
液壓泵在各階段的輸出壓力，是限壓變量葉片泵和順序閥調(diào)壓時的參考數(shù)據(jù)，在調(diào)壓時應(yīng)當符合下面要求：
其中 ——限定壓力
——快進時泵的壓力
——順序閥調(diào)定壓力
——工進時泵的壓力
從上述驗算表明，無須修改原設(shè)計。
(2) 液壓回路的效率
在各工作階段中，工進所占的時間較長。所以液壓回路的效率按工進時為計算。
(3) 液壓系統(tǒng)的溫升驗算
在整個循環(huán)中，由于工進階段所占時間最長，所以考慮工進時的溫升。另外，變量葉片泵隨著壓力的增加，泄漏也增加，功率損失出增加，效率也很低。此時泵的效率
則有：
.
本系統(tǒng)取油箱容積V=390L,油箱三邊尺寸比例在1:1:1~1:2:3之間,且通風情況良好,則
取油液溫升 為：
通常機床取 ，所以系統(tǒng)溫升 合格。
四、 液壓缸的設(shè)計計算
五、 油箱的設(shè)計計算
六、 單泵集成塊液壓系統(tǒng)原理圖
參 考 文 獻：
1. 《液壓系統(tǒng)設(shè)計指南》, 哈爾濱理工大學出版.
2. 《機械設(shè)計課程設(shè)計》, 哈爾濱理工大學 機械零件教研室.
3. 《液壓傳動設(shè)計手冊》, 上海人民出版社出版.
4. 《機械零件設(shè)計手冊》，冶金工業(yè)出版社.
