液压系统设计探讨

注:本文整理自《科技经济导刊》第18期,作者乔令宏。转载请注明佛山兴迪整理。

液压系统设计工作开展之前,设计人员应结合主机对液压系统工作任务要求的相关资料,认真研究液压系统在生产现场所有功能(执行元件动作)的工作要求和特性。液压系统方案的设计,非常关键的一环,就是液压系统工作压力的确定,这也是后续诸多参数设计计算及元件选型的基础数据,重要性不言而喻。

众所周知,一套液压系统,在任何一个工作时间点,它的泵组只能提供一个工作压力参数去满足系统所有执行元件的工作动作。那么,一个问题出现了,那就是如何合理地确定液压系统工作压力。

首先,我们应准确掌握系统各执行元件的工作负载(F1、F2······Fn)特性,依据F=PxS的基本物理参数关系,还需逐一确定各执行元件的有效工作面积,即缸径与杆径。缸径与杆径意味着液压执行元件的外形尺寸和体量,这与主机的结构设置紧密相关,所以要与主机设计人员沟通协商而定。

原则是:

执行元件的外形在满足主机的布置要求并考虑设备有效维修维护工作空间等前提下,若适当考虑选用大缸径的执行元件会有利于降低对液压系统工作压力(物理关系中的压强P)的要求,但却意味着系统流量的必然增大以及液压泵、管路、执行元件投入成本的升高。所以,这里存在一个矛盾,就具体工况,我们设计人员就要权衡利弊,对液压系统各执行元件的型号和系统工作压力的设计理论值给出合理的、最佳的选定。

液压系统工作压力参考值的确定,应遵循的一个原则就是:

基于(大多数)非极端负载值的执行元件的动作要求来设计,也就是说,少部分(或个别的)负载值极小或极大的执行元件应排除在系统压力设计的参考范围之外,负载极小的,可通过在系统的控制部分设置减压元件去满足其功能要求,而个别负载极大的,则要考虑执行元件的缸径选大的可能。

液压系统基本物理参数,除了压力之外,另一个非常重要的就是流量(Q)。系统内部的流量关联着外部的执行元件动作速率(V)。而各执行元件的动作速率,是现场生产要求提出来的,对液压系统而言,是客观存在的,需要液压系统的功能去满足和实现,所以属于液压系统的设计输入(参数)和依据。

执行元件的动作速率诉等同于其内腔的工作介质流速VQ,而流量Q=VQxS,在缸径和杆径已选定的条件下,各执行元件正常工作的流量需求值Q1、Q2······Qn即可求得。

依据现场生产工艺要求,严格考虑系统可能存在多个执行元件同时动作的情况,计算出在一个完整工作周期内,系统所需流量最大值Qmax即为液压系统流量Q的设计理论值。至此,液压系统的工作功率P功率即可依据物理关系PxQmax来求得。

考虑机械摩擦、压力损失及容积效率损失等因素产生的能耗,系统动力部分提供的功率PW=PxQmax/η(η为功率有效系数)。

这样,动力部分的电机和泵的工作参数就已确定,可综合其他因素,完成选型。然后,再谈谈液压系统控制部分的方案设计。

液压系统的控制部分,就是通过对一些具有特定功能特性的控制元件进行组合匹配,让它们“通力合作”,实现对压力、流量及工作介质走向等要素的目的性操控,使得系统的各个执行元件的动作效果能够满足设备现场的生产工艺要求。

由此,我们可以看出,现场生产工艺对系统各执行元件动作效果的要求,就是控制部分的设计依据。

执行元件的动作效果因素包含了驱动压力、动作速率及其变化、启动/停止动作特性、动作方向的切换以及保压要求等等。如果执行元件动作要求很高,例如动作变化多、动作要求精确、响应速度快等,这类情况下,执行元件的控制还要引入比例阀,甚至伺服阀。

控制元件的类型确定之后,还要根据各其所在油路的介质工作压力、流量及动态特性等去确定它的型号,即选用哪个通径的元件是满足使用要求且合理的。

最后,就是液压辅件和工作介质了。液压辅件常见的包括系统内设有的用于工作介质压力、温度、液位等性能参数的检测元件,以及工作介质的加热、冷却、过滤等元件。这部分,在系统设计过程中,可依据具体需要选置。

工作介质常用的有(32#、46#、68#)抗磨液压油、脂肪酸酯以及水乙二醇等,可根据液压系统的具体工况选定。

上述过程完成、完善之后,液压系统的设计方案就基本成形了。液压系统原理和元件选型明细是系统设计方案的“结晶”。下面,谈一下液压系统设计的第二阶段,即详细设计图纸的绘制。

详细设计图纸的设计依据是液压系统原理及元件选型方案。换言之,设计图纸就是液压系统设计方案向实物转化的“桥梁”,是系统设计方案思想的图样展现,同时也是液压系统(设备)实物的图样表达。

液压系统详细设计工作开展之前,设计人员还必须明确的问题有设备使用现场(或主机)对液压系统整体布置结构及形式的约束和要求。尤其是液压系统的最大外形尺寸,必须在现场(或主机)给定的范围内,去布置和设计;另外,液压系统的管路设置设计以及接口位置的设计都必须符合设备使用现场的安排和要求。所以,详细图纸设计工作开展之前、之初,液压系统设计人员必须对现场的布局有相当的了解和掌握,并及时与现场土建、主机设计等人员做好必要的沟通,避免出现差错。

详细设计图纸的设计主要包括系统总装配图、各级部件图、焊接件图以及零件图的绘制。图样设计要求是准确、规范、整洁。至此,液压系统的设计工作就圆满完成。




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