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液壓馬達(dá)的液壓系統(tǒng)性能驗算
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液壓系統(tǒng)初步設(shè)計是在某些估計參數(shù)情況下進(jìn)行的，當(dāng)各回路形式、液壓元件及聯(lián)接管路等完全確定后，針對實際情況對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行各項性能分析。對一般液壓傳動系統(tǒng)來說，主要是進(jìn)一步確切地計算液壓回路各段壓力損失、容積損失及系統(tǒng)效率，壓力沖擊和發(fā)熱溫升等。根據(jù)分析計算發(fā)現(xiàn)問題，對某些不合理的設(shè)計要進(jìn)行重新調(diào)整，或采取其他必要的措施。
液壓系統(tǒng)壓力損失
壓力損失包括管路的沿程損失Δp1，管路的局部壓力損失ΔP2和閥類元件的局部損失Δp3，總的壓力損失為
Δp=Δpl+ΔP2+Δp3
△P1=λlv^2ρ/2d
ΔP2=ζv^2ρ/2
式中 l-管道的長度(m)；
d-管道內(nèi)徑(m)；
v-液流平均速度（m/s）；
ρ-液壓油密度( kg/m^3)；
λ-沿程阻力系數(shù)；
ζ-局部阻力系數(shù)。
λ、ζ的具體值可參考流體力學(xué)有關(guān)內(nèi)容。
△p3=Δpn(Q/Qn)^2
式中 Qn——閥的額定流量(m^3/s)；
Q——通過閥的實際流量(m^3/s)；
△pn——閥的額定壓力損失(Pa)（可從產(chǎn)品樣本中查到）。
對于泵到執(zhí)行元件間的壓力損失，如果計算出的Ap比選泵時估計的管路損失大得多時，應(yīng)該重新調(diào)整泵及其他有關(guān)元件的規(guī)格尺寸等參數(shù)。
系統(tǒng)的調(diào)整壓力
Pt≥Pi+ Δp
式中 Pt-液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力。
液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算
計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
液壓系統(tǒng)工作時，除執(zhí)行元件驅(qū)動外載荷輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。液壓系統(tǒng)的功率損失主要有以下幾種形式：
(1)液壓泵的功率損失
Phl=1/Tt * ∑Pri(1 - ηPi)ti
式中 Tt——工作循環(huán)周期(s)；
Z——投入工作液壓泵的臺數(shù)；
Pri——液壓泵的輸入功率(W)；
ηPi——各臺液壓泵的總效率；
ti：——第i臺泵工作時間(s)。
(2)液壓執(zhí)行元件的功率損失
Ph2=1/Tt *ΣPrj(1-ηj)tj
式中 M——液壓執(zhí)行元件的數(shù)量；
Prj——液壓執(zhí)行元件的輸入功率(W)；
ηj——液壓執(zhí)行元件的效率；
tj——第j個執(zhí)行元件工作時間(s)。
(3)溢流閥的功率損失
Ph3=pyQy
式中 py——溢流閥的調(diào)整壓力(Pa)；
Qy——經(jīng)溢流閥流回油箱的流量(m^3/S)。
(4)油液流經(jīng)閥或管路的功率損失
Ph4= ΔpQ
式中 Δp——通過閥或管路的壓力損失(Pa)；
Q——通過閥或管路的流量(m^3/S)。
由以上各種損失構(gòu)成了整個系統(tǒng)的功率損失，即液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
Phr=Phl+ Ph2+ Ph3+ Ph4
上式適用于回路比較簡單的液壓系統(tǒng)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于功率損失的環(huán)節(jié)太多，一一計算較麻煩，通常用下式計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
Phr =Pr-Pc
式中Pr是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，Pc是輸出的有效功率。
Pr=1/Tt * Σpiqiti/ηpi
Pc=1/Tt(ΣFwisi+ΣTWjωjtj)
式中 Tt-工作周期(s)；
z、n、m-分別為液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)的數(shù)量；
Pi、Qi、ηPi-第i臺泵的實際輸出壓力、流量、效率；
ti-第i臺泵工作時間(s)；
FWi、si-液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程(N*m)。
計算液壓系統(tǒng)的散熱功率
液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油箱表面，但如果
系統(tǒng)外接管路較長，而且計算發(fā)熱功率時，也應(yīng)考
慮管路表面散熱。
Phc= (K1A1+ K2A2) ΔT
式中 K1——油箱散熱系數(shù)，見表2.5-1;
K2——管路散熱系數(shù)，見表2.5-2;
Ai、A2——分別為油箱、管道的散熱面積（m^2）；
△T——油溫與環(huán)境溫度之差(℃)。
表2.5-1油箱散熱系數(shù)K1
(W/ ( m^2*°C))
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冷卻條件
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K1
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通風(fēng)條件很差
通風(fēng)條件良好
用風(fēng)扇冷卻
循環(huán)水強制冷卻
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8～9
15～17
23
110～170
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表2.5-2管道散熱系數(shù)K，
( W/ (m^2*℃))
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風(fēng)速
/m- s-1
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管道外徑/m
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||
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0. 01
|
0.05
|
0.1
|
|
|
0
l
5
|
8
25
69
|
6
14
40
|
5
10
23
|
若系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時，最大溫差
△T=Phr/(K1A1+K2A2)
環(huán)境溫度為To，則油溫T= To+ ΔT。如果計算出的油溫超過該液壓設(shè)備允許的最高油溫（各種機械允許油溫見表2.5-3），就要設(shè)法增大散熱面積，如果油箱的散熱面積不能加大，或加大一些也無濟(jì)于事時，需要裝設(shè)冷卻器。冷卻器的散熱面積
A= (Phr-Phc)/KΔtm
式中K-冷卻器的散熱系數(shù)，見本篇第8章液壓輔助元件有關(guān)散熱器的散熱系數(shù)；
Δtm -平均溫升(℃)，
Δtm=（Ti十T2）/2-(t1+t2)/2
T1 T2——液壓油入口和出口溫度；
t1、t2——冷卻水或風(fēng)的人口和出口溫度。
表2.5-3各種機械允許油溫(°C)
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液壓設(shè)備類型
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正常工作溫度
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最高允許溫度
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數(shù)控機床
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30～50
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55～70
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一般機床
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30～55
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55～70
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機車車輛
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40～60
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70～80
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船舶
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30～60
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80～90
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冶金機械、液壓機
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40～70
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60—90
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工程機械、礦山機械
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50—80
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70—90
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根據(jù)散熱要求計算油箱容量
最大溫差A(yù)T是在初步確定油箱容積的情況下，驗算其散熱面積是否滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)熱量求出之后，可根據(jù)散熱的要求確定油箱的容量。
由AT公式可得油箱的散熱面積為
A1=（Phr/ΔT一K2A2）／K1
如不考慮管路的散熱，上式可簡化為
A1=Phr/ΔTK1
油箱主要設(shè)計參數(shù)如圖2.5-1所示。一般油面的高度為油箱高^的0.8倍，與油直接接觸的表面算全散熱面，與油不直接接觸的表面算半散熱面，圖示油箱的有效容積和散熱面積分別為
V=0.8abh
A1= 1.8h（a+b）+1.5ab
若A1求出，再根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定a、b、h的比例關(guān)系，即可確定油箱的主要結(jié)構(gòu)尺寸。
圖2.5-1 油箱結(jié)構(gòu)尺寸
如按散熱要求求出的油箱容積過大，遠(yuǎn)超出用油量的需要，且又受空間尺寸的限制，則應(yīng)適當(dāng)縮小油箱尺寸，增設(shè)其他散熱措施。
計算液壓系統(tǒng)沖擊壓力
壓力沖擊是由于管道液流速度急劇改變而形成的。例如液壓執(zhí)行元件在高速運動中突然停止，換向閥的迅速開啟和關(guān)閉，都會產(chǎn)生高于靜態(tài)值的沖擊壓力。它不僅伴隨產(chǎn)生振動和噪聲，而且會因過高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。對系統(tǒng)影響較大的壓力沖擊常為以下兩種形式：
1)當(dāng)迅速打開或關(guān)閉液流通路時，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊壓力。
直接沖擊（即t<τ）時，管道內(nèi)壓力增大值
Δp=acρΔv
間接沖擊（即t>τ）時，管道內(nèi)壓力增大值
Δp=acρΔvτ/t
式中 ρ——液體密度(kg/m^3)；
Δv——關(guān)閉或開啟液流通道前后管道內(nèi)流速之差( m/s)；
T——關(guān)閉或打開液流通道的時間(s)；
τ=2l/ac——管道長度為l時，沖擊波往返所需的時間(s)；
ac——管道內(nèi)液流中沖擊波的傳播速度(m/s)。
若不考慮粘性和管徑變化的ccc影響，沖擊波在管內(nèi)的傳播速度
ac=√(Eo/ρ)/ √(1+Eod/Eδ)
式中 Eo——液壓油的體積彈性模量(Pa)，其推薦值為Eo= 700MPa;
δ、d——管道的壁厚和內(nèi)徑(m)；
E——管道材料的彈性模量(Pa)，常用管道材料彈性模量：鋼E - 2.1×10^11Pa，紫銅E=1.18×l0^11Pa。
2)急劇改變液壓缸運動速度時，由于液體及運動機構(gòu)的慣性作用而引起的壓力沖擊，其壓力的增大值為
△p=（∑liρA/Ai+M/A）*Δv/t
式中 li——液流第i段管道的長度(m)；
Ai——第i段管道的截面積(m^2)；
A——液壓缸活塞面積(m^2)；
M——與活塞連動的運動部件質(zhì)量(kg)；
Δv——液壓缸的速度變化量(m/s)；
t——液壓缸速度變化Δv所需時間(s)。
計算出沖擊壓力后，此壓力與管道的靜態(tài)壓力之和即為此時管道的實際壓力。實際壓力若比初始設(shè)計壓力大得多時，要重新校核一下相應(yīng)部位管道的強度及閥件的承壓能力，如不滿足，要重新調(diào)整。
設(shè)計液壓裝置，編制技術(shù)文件
液壓裝置總體布局
液壓系統(tǒng)總體布局有集中式、分散式。
集中式結(jié)構(gòu)是將整個設(shè)備液壓系統(tǒng)的油源、控制閥部分獨立設(shè)置于主機之外或安裝在地下，組成液壓站。如冷軋機、鍛壓機、電弧爐等有強烈熱源和煙塵污染的冶金設(shè)備，一般都是采用集中供油方式。
分散式結(jié)構(gòu)是把液壓系統(tǒng)中液壓泵、控制調(diào)節(jié)裝置分別安裝在設(shè)備上適當(dāng)?shù)牡胤?。機床、工程機械等可移動式設(shè)備一般都采用這種結(jié)構(gòu)。
液壓閥的配置形式
1)板式配置板式配置是把板式液壓元件用螺釘固定在平板上，板上鉆有與閥口對應(yīng)的孔，通過管接頭聯(lián)接油管而將各閥按系統(tǒng)圖接通。這種配置可根據(jù)需要靈活改變回路形式。液壓實驗臺等普遍采用這種配置。
2)集成式配置 目前液壓系統(tǒng)大多數(shù)都采用集成形式。它是將液壓閥件安裝在集成塊上，集成 塊一方面起安裝底板作用，另一方面起內(nèi)部油路作用。這種配置結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便。
集成塊設(shè)計
1)塊體結(jié)構(gòu) 集成塊的材料一般為鑄鐵或鍛鋼，低壓固定設(shè)備可用鑄鐵，高壓強振場合要用鍛鋼。塊體加工成正方體或長方體。
對于較簡單的液壓系統(tǒng)，其閥件較少，可安裝在同一個集成塊上。如果液壓系統(tǒng)復(fù)雜，控制閥較多，就要采取多個集成塊疊積的形式。
相互疊積的集成塊，上下面一般為疊積接合面，鉆有公共壓力油孔P，公用回油孔T，泄漏油孔L和4個用以疊積緊固的螺栓孔。
P孔，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入公用壓力油孔P．作為供給各單元回路壓力油的公用油源。
T孔，各單元回路的回油均通到公用回油孔T，流回到油箱。
L孔，各液壓閥的泄漏油，統(tǒng)一通過公用泄漏油孔流回油箱。
集成塊的其余四個表面，一般后面接通液壓執(zhí)行元件的油管，另三個面用以安裝液壓閥。塊體內(nèi)部按系統(tǒng)圖的要求，鉆有溝通各閥的孔道。
2)集成塊結(jié)構(gòu)尺寸的確定 外形尺寸要滿足閥件的安裝，孔道布置及其他工藝要求。為減少工藝孔，縮短孔道長度，閥的安裝位置要仔細(xì)考慮，使相通油孔盡量在同一水平面或是同一豎直面上。對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，需要多個集成塊疊積時，一定要保證三個公用油孔的坐標(biāo)相同，使之疊積起來后形成三個主通道。
各通油孔的內(nèi)徑要滿足允許流速的要求，一般來說，與閥直接相通的孔徑應(yīng)等于所裝閥的油孔通徑。
油孔之間的壁厚δ不能太小，一方面防止使用過程中，由于油的壓力而擊穿，另一方面避免加工時，因油孔的偏斜而誤通。對于中低壓系統(tǒng)，δ不得小于5mm，高壓系統(tǒng)應(yīng)更大些。
繪制正式工作圖，編寫技術(shù)文件
液壓系統(tǒng)完全確定后，要正規(guī)地繪出液壓系統(tǒng)圖。除用元件圖形符號表示的原理圖外，還包括動作循環(huán)表和元件的規(guī)格型號表。圖中各元件一般按系統(tǒng)停止位置表示，如特殊要求，也可以按某時刻運動狀態(tài)畫出，但要加以說明。
裝配圖包括泵站裝配圖、管路布置圖、操縱機構(gòu)裝配圖，電氣系統(tǒng)圖等。
技術(shù)文件包括設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計說明書和設(shè)備的使用、維護(hù)說明書等。
液壓系統(tǒng)設(shè)計計算實例——250克塑料注射機液壓系統(tǒng)設(shè)計計算
大型塑料注射機目前都是全液壓控制。其基本工作原理是：粒狀塑料通過料斗進(jìn)入螺旋推進(jìn)器中，螺桿轉(zhuǎn)動，將料向前推進(jìn)，同時，因螺桿外裝有電加熱器，而將料熔化成粘液狀態(tài)，在此之前，合模機構(gòu)已將模具閉合，當(dāng)物料在螺旋推進(jìn)器前端形成一定壓力時，注射機構(gòu)開始將液狀料高壓快速注射到模具型腔之中，經(jīng)一定時間的保壓冷卻后，開模、把成型的塑料制品頂出，便完成了一個動作循環(huán)。
現(xiàn)以250克塑料注射機為例，進(jìn)行流壓系統(tǒng)設(shè)計計算。
塑料注射機的工作循環(huán)為：
合模一>注射一>保壓一>冷卻一>開模一>頂出—>螺桿預(yù)塑進(jìn)料
其中合模的動作又分為：快速合模、慢速合模、鎖模。鎖模的時間較長，直到開模前這段時間都是鎖模階段。
250克塑料注射機液壓系統(tǒng)設(shè)計要求及有關(guān)設(shè)計參數(shù)
1對液壓系統(tǒng)的要求
1)合模運動要平穩(wěn)，兩片模具閉合時不應(yīng)有沖擊；
2)當(dāng)模具閉合后，合模機構(gòu)應(yīng)保持閉合壓力，防止注射時將模具沖開。注射后，注射機構(gòu)應(yīng)保持注射壓力，使塑料充滿型腔：
3)預(yù)塑進(jìn)料時，螺桿轉(zhuǎn)動，料被推到螺桿前端，這時，螺桿同注射機構(gòu)一起向后退，為使螺桿前端的塑料有一定的密度，注射機構(gòu)必需有一定的后退阻力：
4)為保證安全生產(chǎn)，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有安全聯(lián)鎖裝置。
本文標(biāo)題：液壓馬達(dá)的液壓系統(tǒng)性能驗算
分類：液壓行業(yè)知識
標(biāo)簽： 寧波液壓馬達(dá) 液壓馬達(dá)
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