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第8章 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
第8章 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算
在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，完成了系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)計(jì)算部分之后，還有對(duì)系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升及液壓沖擊進(jìn)行驗(yàn)算，以便使所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)更加可靠和完善。
8．1 液壓系統(tǒng)壓力損失
?壓力損失包括管路的沿程損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部損失，總的壓力損失為：
????????? （8-1）
??????????? （8-2）
???????? ??????（8-3）
?式中： l—管道的長度（m）
????d—管道內(nèi)徑（m）
??? υ—液流平均速度（m/s）
??? ρ—液壓油密度（kg/m3）
??? λ—沿程阻力系數(shù)
??? ζ—局部阻力系數(shù)
（8-4）
?式中：—閥的額定流量（m3/s）
—通過閥的實(shí)際流量（m3/s）
—閥的額定壓力損失（Pa）（可從產(chǎn)品樣本中查到）
沿程損失是油液流經(jīng)直流管時(shí)的粘性阻力損失，一般比較小，局部壓力損失是油液流經(jīng)各種閥、管路截面突然變化或彎管處的損失，在液壓系統(tǒng)中，局部損失是主要的。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免不必要的管路彎曲和節(jié)流，避免直徑突變，減少管接頭，采用元件集成化，以減少壓力損失。
?8．2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升
?8.2.1 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
液壓系統(tǒng)工作時(shí)，除執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)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
（8-5）
式中：—工作循環(huán)周期（s）
?? z—投入工作液壓泵的臺(tái)數(shù)
?? —液壓泵的輸入功率（W）
?? —各臺(tái)液壓泵的總效率
? ?—第i臺(tái)泵工作時(shí)間（s）
（2）液壓執(zhí)行元件的功率損失
（8-6）
式中：M—液壓執(zhí)行元件的數(shù)量
? —液壓執(zhí)行元件的輸入功率（W）
? —液壓執(zhí)行元件的效率
? —第j個(gè)執(zhí)行元件工作時(shí)間（s）
（3）溢流閥的功率損失
??????????????????? （8-7）
式中：—溢流閥的調(diào)整壓力（Pa）
? —經(jīng)溢流閥流回油箱的流量（m3/s）
（4）油液流經(jīng)閥或管路的功率損失
=△p·Q?????????????????????? （8-8）
式中：△p—通過閥或管路的壓力損失（Pa）
???Q—通過閥或管路的流量（m3/s）
由以上各種損失構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的功率損失，即液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率
?????? ????（8-9）
式（8-9）適用于回路比較簡單的液壓系統(tǒng)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，由于功率損失的環(huán)節(jié)太多，一一計(jì)算較麻煩，通常用下式計(jì)算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率:
=Pr-Pc??????? ???????? （8-10）
式中：Pr是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，PC是輸出的有效功率。
（8-11）
（8-12）
其中： —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
、、—第i臺(tái)泵的實(shí)際輸出壓力、流量、效率
????—第i 臺(tái)泵工作時(shí)間（s）
、、—液壓馬達(dá)的外載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間（Nm、rad/s、s）
????、—液壓缸外載荷及驅(qū)動(dòng)此載荷的行程（Nm）
?8.2.2 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，對(duì)行走機(jī)械，系統(tǒng)外接管路較長的發(fā)熱功率與散熱一般是平衡的，可以不用考慮，而且在液壓系統(tǒng)中要加專門的散熱裝置，這里只介紹油箱的散熱計(jì)算。
油箱的散熱功率：
??? ???????（8-13）
式中：K—油箱散熱系數(shù)，見表8.1
??A—油箱散熱面積（m2）
??△T—油溫與環(huán)境溫度之差（℃）
表8.1? 油箱散熱系數(shù)K（W/（m2·℃））
冷卻條件
K1
通風(fēng)條件很差
8～9
通風(fēng)條件良好
15～17
用風(fēng)扇冷卻
23
循環(huán)水強(qiáng)制冷卻
110～170
若系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則，油溫不再升高，此時(shí)，最大溫差
（8-14）
環(huán)境溫度為T0，則油溫T=T0+△T。如果計(jì)算出的油溫超過該液壓設(shè)備允許的最高油溫（部分機(jī)械允許油溫見表8.2），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(shí)，需要裝設(shè)冷卻器。
表8.2 各種機(jī)械允許油溫（℃）
液壓設(shè)備類型
正常工作溫度
最高允許溫度
機(jī)車車輛
40～60
70～80
冶金機(jī)械、液壓機(jī)
40～70
60～90
工程機(jī)械、礦山機(jī)械
50～80
70～90
冷卻器的散熱面積：
（8-15）
式中 ：K—冷卻器的散熱系數(shù)
?? △tm—平均溫升（℃）
（8-16）
????T1、T2—液壓油入口和出口溫度
?? ?t1、t2—冷卻水或風(fēng)的入口和出口溫度
8．3 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(yùn)動(dòng)中突然停止，換向閥的迅速開啟和關(guān)閉，都會(huì)產(chǎn)生高于靜態(tài)值的沖擊壓力。它不僅伴隨產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，而且會(huì)因過高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。
對(duì)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(shí)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊壓力。
?直接沖擊（即t＜τ）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值
????????????????? （8-17）
?間接沖擊（即t＞τ）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值
（8-18）
式中：ρ—液體密度（kg/m3）
???△υ—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(shí)間（s）
—管道長度為l時(shí)，沖擊波往返所需的時(shí)間（s）
? ?—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影響，沖擊波在管內(nèi)的傳播速度
（8-19）
式中：E0—液壓油的體積彈性模量（Pa），其推薦值為E0=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=2.1×1011Pa，紫銅E=1.18×1011Pa
2）急劇改變液壓缸運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，由于液體及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性作用而引起的壓力沖擊，其壓力的增大值為
（8-20）
式中：—液流第i段管道的長度（m）
? Ai—第i段管道的截面積（m2）
??A—液壓缸活塞面積（m2）
??M—與活塞連動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量（kg）
??△υ—液壓缸的速度變化量（m/s）
??t—液壓缸速度變化△υ所需時(shí)間（s）
??由于產(chǎn)生液壓沖擊的原因很多，，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，很難準(zhǔn)確地計(jì)算，只能大致的驗(yàn)算，而關(guān)鍵是液壓系統(tǒng)必須采取緩沖裝置。一般可采取下列緩沖措施：
1．盡量減慢換向速度。操縱換向閥時(shí)要平穩(wěn)，或者在換向閥的閥芯棱邊上開切口或者作出錐度，以減慢滑閥完全關(guān)閉前的油液流速。
2．設(shè)置過載閥。在液壓缸或液壓馬達(dá)的進(jìn)出口處設(shè)置過載閥，其調(diào)定壓力是系統(tǒng)壓力的110～125%，對(duì)液壓元件起緩沖保護(hù)作用。
3．在液壓油路中設(shè)置蓄能器。發(fā)生液壓沖擊時(shí)，蓄能器則立即將其吸收。
4．換向閥的滑閥機(jī)能采用H型。其操縱的液壓缸或液壓馬達(dá)在換向閥處于中位時(shí)是浮動(dòng)的，即進(jìn)出油路是連通的，以便減小換向沖擊。
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