工况分析和确定液压系统的主要参数

9.2　工况分析和确定液压系统的主要参数

在明确了液压系统的设计要求后，即可对主机的工作过程进行分析，包括负载分析和运动分析，确定负载和速度在整个工作循环中的变化规律，然后计算执行元件的主要结构参数，以及确定液压系统的主要参数。

9.2.1　工况分析

工况分析就是分析主机在工作过程中各执行元件的运动速度和负载的变化规律。主机在不同的工作阶段，其执行元件所需要克服的负载一般由下列几项组成：工作负载（如切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等）、惯性负载和阻力负载（如摩擦阻力、背压阻力、密封阻力等）。这些负载的大小可按具体情况，根据有关手册、资料计算出来（其中密封阻力一般以执行机构的机械效率来估算）。按其所经历的时间，将液压各执行元件在各个阶段所需克服的负载用图9－1（a）所示的负载－位移（F－l）曲线表示，称为负载图。

图9－1　液压系统执行元件的负载图和速度图

同样，液压执行元件在各个工作阶段的运动速度可以计算出来，用图9－1（b）所示的速度－位移（v－l）曲线表示，称为速度图。设计简单的液压系统时，这两种图可省略不画。

9.2.2　确定主要参数

确定主要参数是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。

液压系统采用的执行元件的形式，依据主机所要实现的运动种类和性质而定，如表9－1所示。

表9－1　执行元件形式的选择

执行元件的工作压力可以根据负载图中的最大负载来选取（见表9－2），也可以根据主机的类型来选取（见表9－3），而最大流量则由执行元件速度图中的最大速度计算出来。这两者都与执行元件的结构参数（液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量VM）有关。一般的做法是先选定执行元件的形式及其工作压力p，再按最大负载和预估的执行元件机械效率求出A或VM，并通过各种必要的验算、修正和圆整后定下这些结构参数，最后再算出最大流量q_max。

表9－2　按负载选择执行元件工作压力

表9－3　按主机类型选择执行元件工作压力

在机床的液压系统中，工作压力选得小些，对系统的可靠性、低速平稳性和降低噪声都是有利的，但在结构尺寸和造价方面则须付出一定的代价。

在本步骤的验算中，必须使执行元件的最低工作速度v_min或最低转速n_min符合下述要求：

对于液压缸，有

对于液压马达，有

式中，q_min为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量，可由产品性能表查出。

此外，有时还需对液压缸的活塞杆进行稳定性验算，验算工作常常和这里的参数确定工作交叉进行。

以上的一些验算结果如不能满足有关的规定要求时，A或VM的量值就必须进行修改。这些执行元件的结构参数最后还必须圆整成标准值（见GB/T 2347—1980和GB/T 2348—1993）。

液压系统执行元件的工况图是在执行元件结构参数确定之后，根据设计任务的要求，算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率之后作出的（见图9－2）。工况图显示液压系统在实现整个工作循环时这三个参数的变化情况。当系统中包含多个执行元件时，其工况图是各个执行元件工况图的综合。

图9－2　执行元件的工况图

液压执行元件的工况图是选择液压系统中其他液压元件和液压基本回路的依据，也是拟定液压系统方案的依据，其原因具体如下。

（1）液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定的。

（2）各种液压回路及其油源形成都是按工况图中不同阶段内的压力和流量变化情况初选后，再通过比较确定的。

（3）将工况图中所反映的情况与调研得来的参考方案进行比较，可以对原来设计参数的合理性做出鉴别或进行调整。例如，在整机设计要求允许的条件下，适当调整有关工作阶段的时间或速度，可以减小所需的功率；当功率分布不均衡时，适当修改参数，可以避开或削减功率“峰值”等。