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四川鸿钛裁断机制造有限公司 发表于:2014-11-22 13:41:04 点击数: 回帖:

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鸿钛裁断机液压系统的设计与计算—液压系统设计计算举例

  

  液压系统设计计算举例

  本节以一台上料机的液压传统系统的设计为例。要求驱动它的液压传动系统完成快速上升-慢速上升-停留-快速下降的工作循环,其结构示意图如图9-3所示。其垂直上升工件1的重力为5000N,滑台2的重量为1000N,快速上升行程350mm,速度要求≥45mm/s;慢速上升行程为100mm,其最小速度为8mm/s;快速下降行程为450mm,速度要求≥55mm/s,滑台采用V形导轨,其导轨面的夹角为90o,滑台与导轨的最大间隙为2mm,起动加速和减速时间均为0.5s,液压缸的机械效率(考虑密封阻力)为0.91

  一、负载分析

  1.工作负载

  FL=FG=(5000+1000)N=6000N

  2.摩擦负载

  Ff=fFN/sin(a/2)

  由于工件为垂直起升,所以垂直作用于导轨的载荷可由其间隙和结构尺寸求得FN=120N,取fs=0.2,fd=0.1则有

  静摩擦负载 Ffs=(0.2×120/sin45o)N=33.94N

  动摩擦负载 Ffd= (0.11×120/sin45o)N=16.97N

  3.惯性负载

  加速Fa1=(G/g)(∆v/∆t)=6000/9.81(0.045/0.5)N=55.05N

  减速 Fa2=(G/g)(∆v/∆t)=6000/9.81[(0.045-0.008)/0.5]N=45.26N

  制动 Fa3=(G/g)(∆v/∆t)=6000/9.81(0.008/0.5)N=9.79N

  反向加速 Fa4=(G/g)(∆v/∆t)=6000/9.81(0.055/0.5)N=67.28N

  反向制动 Fa5=Fa4=67.28N

  根据以上计算,考虑到液压缸垂直安放,其重量较大,为防止因自重而自行下滑,系统中应设置平衡回路。因此,在对快速向下运动的负载分析时,就不考虑滑台2的重量。则液压缸各阶段中的负载如表9-3所示(ηm=0.91)。

  二、负载图和速度图的绘制

  按照前面的负载分析结果及已知的速度要求、行程限制等,绘制出负载图及速度图如图9-4所示

  三、液压缸主要参数的确定

  1.初选液压缸的工作压力

  根据分析此设备的负载不大,按类型属机床类,所以初选液压缸的工作压力为2.0MPa。

  2.计算液压缸的尺寸

  A=F/P=6672.55÷(20×105)m2=33.36×10-4m2

  D2=4A/π=4×33.36×10-4/3.14159m=4.25×10-3m

  D=6.52×10-2m

  按标准取:D=63mm。

  根据快上和快下的速度的比值来确定活塞杆的直径:

  D2/(D2-d2)=55/45

  d=26.86mm

  按标准取d=25mm。

  则液压缸的有效作用面积为:

  无杆腔面积 A1=1/4πD2=π/4×6.32cm2=31.17cm2

  有杆腔面积 A2=1/4π(D2-d2)=π/4(6.32-2.52)cm2=26.26cm2

  3.活塞杆稳定性校核

  因为活塞杆总行程为450mm,而活塞杆直径为25mm,l/d=450/25=18›10,需进行稳定性校核,由材料力学中的有关公式,根据该液压缸一端支承一端铰接取末端系数Ψ2=2,活塞杆材料用普通碳钢则:材料强度试验值f=4.9×108Pa,系数α=1/5000,柔性系数

  .求液压缸的最大流量

  q快上=A1v快上

  =31.17×10-4×45×10-3m3/s=140.27×10-6m3/s=8.42L/min

  q慢上=A1v慢上=31.17×10-4×8×10-3m3/s=×10-6m3/s=1.50L/min

  q快下=A1v快下

  =26.26×10-4×55×10-3m3/s=144.43×10-6m3/s=8.67L/min

  5.绘制工况图

  工作循环中各个工作阶段的液压缸压力、流量和功率

  、液压系统图的拟定

  液压系统图的拟定,主要是考虑以下几个方面的问题:

  (1)供油方式 从工况图分析可知,该系统在快上和快下时所需流量较大,且比较接近,在慢上时所需的流量较小,因此从提高系统的效率,节省能源的角度考虑,采用单个定量泵的、供油方式显然是不合适的,宜选用双联式定量叶片泵作为油源。

  (2)调速回路 由工况图可知,该系统在慢速时速度需要调节,考虑到系统功率小,滑台运动速度低,工作负载变化小,所以采用调速阀的回油节流调速回路。

  (3)速度换接回路 由于快上和慢上之间速度需要换接,但对换接的位置要求不高,所以采用由行程开关发讯控制二位二通电磁阀来实现速度的换接。

  (4)平衡及锁紧 为防止在上端停留时重物下落和停留期间内保持重物的位置,特在液压缸的下腔(无杆腔)进油路上设置了液控单向阀;另一方面,为了克服滑台自重在快下过程中的影响,设置了一单向背压阀。

  本液压系统的换向采用三位四通Y型中位机能的电磁换向阀,图9-6为拟定的液压系统原理图,图9-7为采用叠加式液压阀组成的该液压系统原理图

  五、液压元件的选择

  1.确定液压泵的型号及电动机功率

  液压缸在整个工作循环中最大工作压力为1.93MPa,由于该系统比较简单,所以取其压力损失∑∆p=0.4MPa,所以液压泵的工作压力为

  Pp=p+∑∆p=(1.93+0.4)MPa=2.33MPa

  两个液压泵同时向系统供油时,若回路中的泄漏按10%计算,则两个泵的总流量应为qp=1.1×8.67L/min=9.537L/min,由于溢流阀最小稳定流量为3L/min,而工进时液压缸所需流量为1.5L/min,所以,高压泵的输出流量不得少于4.5L/min

  (1)油管 油管内径一般可参照所接元件接口尺寸确定,也可按管路中允许流速计算。在本例中,出油口采用内径为8mm,外径为10mm的紫铜管。

  (2)油箱 油箱容积根据液压泵的流量计算,取其体积V=(5 ~ 7)qp,即V=70L。

  六、液压系统的性能验算

  1.压力损失及调定压力的确定

  根据计算慢上时管道内的油液流动速度约为0.50m/s,通过的流量为1.5L/min,数值较小,主要压力损失为调速阀两端的压降,此时功率损失最大;而在快下时滑台及活塞组件的重量由背压阀所平衡,系统工作压力很低,所以不必验算。因而必须以快进为依据来计算卸荷阀和溢流阀的调定压力,由于供油流量的变化,其快上时液压缸的速度为

  (1)沿程压力损失 首先要判别管中的流态,设系统采用N32液压油。室温为20oC时,v=1.0× 10-4m2/s,所以有:Re=vd/v=3.23× 8 ×10-3/1.0 ×10-4=258.4<2320,管中为层流,则阻力损失系数λ=75/Re=75/258.4=0.29,若取进、回油管长度均为2m,油液的密度为ρ=890kg/m3,则其进油路上的沿程压力损失为

  2)局部压力损失 局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失,前者视管道具体安装结构而定,一般取沿程压力损失的10%;而后者则与通过阀的流量大小有关,若阀的额定流量和额定压力损失为qn和∆pn,则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失∆pv式(1-48)为

  由此可计算出:

  

  Re=vd/v=2.72×8×10-3/1.0×10-4=217.6(层流),

  λ=75/Re=0.345,所以回油路上的沿程压力损失为

  ∆pλ=λlpv2/2d

  =0.345×2×900×2.722/(8×10-3×2)Pa=2.87×105Pa=0.287MPa 。

  (3)总的压力损失 由上面的计算所得可求出

  ∑∆p=∆p1+A2∆p2/A1=[(0.337+0.0337)+26.26(0.287+0.0287)/31.17]MPa=0.637MPa

  原设∑∆p=0.4MPa,这与计算结果略有差异,应用计算出的结果来确定系统中压力阀的调定值。

  (4)压力阀的调定值 双联泵系统中卸荷阀的调定值应该满足快进的要求,保证双泵同时向系统供油,因而卸荷阀的调定值应略大于快进时泵的供油压力。

  Pp=F/A1+∑∆p=(1.93+0.637)MPa=2.567MPa

  所以卸荷阀的调定压力应取2.6MPa为宜。

  溢流阀的调定压力应大于卸荷阀调定压力0.3~0.5MPa,所以取溢流阀调定压力为3.0MPa。背压阀的调定压力以平衡滑台自重为根据,即

  P背≥1000/31.17×10-4Pa=3.2×105Pa=0.32MPa,取p背=0.4MPa

  2.系统的发热与温升

  根据以上的计算可知,在快上时电动机的输入功率为Pp=ppqp/ηp=2.6×106×9.75×10-3/60×0.75W=563.33W;慢上时的电动机输入功率为Pp1=pp1qp1/ηp=3.0×106×4.875×10-3/60×0.75W=325W;而快上时其有用功率为P1=1.93×106×9.75×10-3/60W=313.63W;慢上时的有效功率为48.25W;所以慢上时的功率损失为276.75W,略大于快上时的功率损失249.7W,现以较大的值来校核其热平衡,求出发热温升。

  设油箱的三个边长在1:1::1~1:2:3范围内,则散热面积为

  

  ,假设通风良好,取h=15×10-3kW/(m2*oC),所以油液的温升为

  ∆t=H/hA=0.27675/(15×10-3×1.104)oC=16.71oC

  室温为20oC,热平衡温度为36.71oC<65oC,没有超出允许范围


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