液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

1、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。1.1 設(shè)計(jì)步驟液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟并無(wú)嚴(yán)格的順序，各步驟間往往要相互穿插進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，在明確設(shè)計(jì)要求之后，大致按如下步驟進(jìn)行。1）確定液壓執(zhí)行元件的形式；2）進(jìn)行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)；3）制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖；4）選擇液壓元件；5）液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算；6）繪制工作圖，編制技術(shù)文件。1.2 明確設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)

2、要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其他方面了解清楚。1）主機(jī)的概況：用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境、總體布局等；2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動(dòng)作，動(dòng)作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；3）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)速度；4）各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；5）對(duì)調(diào)速范圍、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；6）自動(dòng)化程序、操作控制方式的要求；7）對(duì)防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求；8）對(duì)效率、成本等方面的要求。制定基本方案和繪制液壓系統(tǒng)圖（1）制定調(diào)速方案液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是擬定液壓回路的

3、核心問(wèn)題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過(guò)換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度控制通過(guò)改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合容積節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來(lái)調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于這種系統(tǒng)必須用閃流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場(chǎng)合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但

4、為了散熱和補(bǔ)充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動(dòng)速度高的液壓系統(tǒng)。容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動(dòng)沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場(chǎng)合，旁路節(jié)流多用于高速。調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。節(jié)流調(diào)速一般采用開(kāi)式循環(huán)形式。在開(kāi)式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開(kāi)式回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)

5、形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊，但散熱條件差。（2）制定壓力控制方案液壓執(zhí)行元件工作時(shí)，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作，也有的需要多級(jí)或無(wú)級(jí)連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力，一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。在有些液壓系統(tǒng)中，有時(shí)需要流量不大的高壓油，這時(shí)可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時(shí)間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。在系統(tǒng)的某個(gè)局部，工作壓力需低于主油源壓力時(shí)，要考慮

6、采用減壓回路來(lái)獲得所需的工作壓力。（3）制定順序動(dòng)作方案主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作，根據(jù)設(shè)備類(lèi)型不同，有的按固定程序運(yùn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動(dòng)，一般用手動(dòng)的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動(dòng)到一定位置時(shí)，通過(guò)電氣行程開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)給電磁鐵推動(dòng)電磁閥或直接壓下行程閥來(lái)控制接續(xù)的動(dòng)作。行程開(kāi)關(guān)安裝比較方便，而用行程閥需連接相應(yīng)的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場(chǎng)合。另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無(wú)載啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時(shí)繼電器發(fā)出電信號(hào)使卸荷閥關(guān)閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具

7、的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場(chǎng)合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動(dòng)作時(shí)，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過(guò)壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)或打開(kāi)順序閥使壓力油通過(guò)，來(lái)啟動(dòng)下一個(gè)動(dòng)作。（4）選擇液壓動(dòng)力源液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來(lái)提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無(wú)其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對(duì)在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間所

8、需流量較小的情況，可增設(shè)蓄能器做輔助油源。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過(guò)濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，通過(guò)相應(yīng)的精過(guò)濾器再次過(guò)濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過(guò)濾器或其他型式的過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。3.2 繪制液壓系統(tǒng)圖整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時(shí)要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動(dòng)作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測(cè)，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測(cè)元件（如壓力表、溫度

9、計(jì)等）。大型設(shè)備的關(guān)鍵部位，要附設(shè)備用件，以便意外事件發(fā)生時(shí)能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號(hào)的常態(tài)位置繪制。對(duì)于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱(chēng)和動(dòng)作，注明各液壓元件的序號(hào)以及各電磁鐵的代號(hào)，并附有電磁鐵、行程閥及其他控制元件的動(dòng)作表。液壓元件的選擇與專(zhuān)用件設(shè)計(jì)4.1 液壓泵的選擇1）確定液壓泵的最大工作壓力ppppp1+p （21）式中 p1液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；p從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。 p的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按

10、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛?jiǎn)單、流速不大的，取p=（0.20.5）MPa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)閥的，取p=（0.51.5）MPa。2）確定液壓泵的流量QP 多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為QPK（Qmax） （22）式中 K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.11.3；Qmax10-4m3/s。系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動(dòng)力源時(shí)式中 K系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2； Tt液壓設(shè)備工作周期（s）； Vi每一個(gè)液壓缸或液壓馬達(dá)在工作周期中的總耗油量（m3）； z液壓缸或液壓馬達(dá)的個(gè)數(shù)。3）選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上求得的pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或本手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵。為

11、使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%60%。4）確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率 在工作循環(huán)中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，即（p-t）、（Q-t）圖變化較平緩，則式中 pp液壓泵的最大工作壓力（Pa）； QP液壓泵的流量（m3/s）； P液壓泵的總效率，參考表9選擇。表9液壓泵的總效率液壓泵類(lèi)型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率限壓式變量葉片泵的驅(qū)動(dòng)功率，可按流量特性曲線拐點(diǎn)處的流量、壓力值計(jì)算。一般情況下，可取pPPmax，QP=Qn，則式中 液壓泵的最大工作壓力（Pa）； 液壓泵的額定流量（m3/s）。在工作循環(huán)中，如果液壓泵的流量和壓力變化較大，即（Q-t），（p

12、-t）曲線起伏變化較大，則須分別計(jì)算出各個(gè)動(dòng)作階段內(nèi)所需功率，驅(qū)動(dòng)功率取其平均功率式中 t1、t2、tn一個(gè)循環(huán)中每一動(dòng)作階段內(nèi)所需的時(shí)間（s）；P1、P2、Pn一個(gè)循環(huán)中每一動(dòng)作階段內(nèi)所需的功率（W）。按平均功率選出電動(dòng)機(jī)功率后，還要驗(yàn)算一下每一階段內(nèi)電動(dòng)機(jī)超載量是否都在允許范圍內(nèi)。電動(dòng)機(jī)允許的短時(shí)間超載量一般為25%。4.2 液壓閥的選擇1）閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過(guò)該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。控制閥的流量一般要選得比實(shí)際通過(guò)的流量大一些，必要時(shí)也允許有20%以內(nèi)的

13、短時(shí)間過(guò)流量。2）閥的型式，按安裝和操作方式選擇。4.3 蓄能器的選擇根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用，確定其類(lèi)型和主要參數(shù)。1）液壓執(zhí)行元件短時(shí)間快速運(yùn)動(dòng)，由蓄能器來(lái)補(bǔ)充供油，其有效工作容積為式中 A液壓缸有效作用面積（m2）； l液壓缸行程（m）； K油液損失系數(shù)，一般取K=1.2； QP液壓泵流量（m3/s）； t動(dòng)作時(shí)間（s）2）作應(yīng)急能源，其有效工作容積為：式中 要求應(yīng)急動(dòng)作液壓缸總的工作容積（m3）。有效工作容積算出后，根據(jù)第8章中有關(guān)蓄能器的相應(yīng)計(jì)算公式，求出蓄能器的容積，再根據(jù)其他性能要求，即可確定所需蓄能器。4.4 管道尺寸的確定（1）管道內(nèi)徑計(jì)算式中 Q通過(guò)管道內(nèi)的流量（m3/

14、s）； 管內(nèi)允許流速（m/s），見(jiàn)表10。計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)的管子。（2）管道壁厚的計(jì)算表10 允許流速推薦值管道推薦流速/（m/s）液壓泵吸油管道0.51.5，一般常取1以下液壓系統(tǒng)壓油管道36，壓力高，管道短，粘度小取大值液壓系統(tǒng)回油管道式中 p管道內(nèi)最高工作壓力（Pa）； d管道內(nèi)徑（m）；管道材料的許用應(yīng)力（Pa），=；b管道材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）；n安全系數(shù)，對(duì)鋼管來(lái)說(shuō)，p7MPa時(shí)，取n=8；p17.5MPa時(shí)，取n=6；p17.5MPa時(shí)，取n=4。4.5 油箱容量的確定初始設(shè)計(jì)時(shí)，先按經(jīng)驗(yàn)公式（31）確定油箱的容量，待系統(tǒng)確定后，再按散熱的要求進(jìn)行校核。油箱容量

15、的經(jīng)驗(yàn)公式為V=QV （31）式中 QV液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）； 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見(jiàn)表11。表11 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)系統(tǒng)類(lèi)型行走機(jī)械低壓系統(tǒng)中壓系統(tǒng)鍛壓機(jī)械冶金機(jī)械12245761210在確定油箱尺寸時(shí)，一方面要滿足系統(tǒng)供油的要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時(shí)，油箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時(shí)，油箱的油位不低于最低限度。液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)是在某些估計(jì)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(duì)實(shí)際情況對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)性能分析。對(duì)一般液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要是進(jìn)一步確切地計(jì)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(jì)

16、算發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)某些不合理的設(shè)計(jì)要進(jìn)行重新調(diào)整，或采取其他必要的措施。5.1 液壓系統(tǒng)壓力損失壓力損失包括管路的沿程損失p1，管路的局部壓力損失p2和閥類(lèi)元件的局部損失p3，總的壓力損失為p=p1+p2+p3 （32） （33） （34）式中 l管道的長(zhǎng)度（m）； d管道內(nèi)徑（m）； 液流平均速度（m/s）； 液壓油密度（kg/m3）； 沿程阻力系數(shù)； 局部阻力系數(shù)。、的具體值可參考第2章有關(guān)內(nèi)容。式中 Qn閥的額定流量（m3/s）； Q通過(guò)閥的實(shí)際流量（m3/s）； pn閥的額定壓力損失（Pa）（可從產(chǎn)品樣本中查到）。對(duì)于泵到執(zhí)行元件間的壓力損失，如果計(jì)算出的p比選泵時(shí)估計(jì)的管路損失大得多時(shí)，

17、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pTp1+p （36）式中 pT液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力。5.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算5.2.1 計(jì)算液壓系統(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）液壓泵的功率損失式中 Tt工作循環(huán)周期（s）； z投入工作液壓泵的臺(tái)數(shù)；Pri液壓泵的輸入功率（W）； Pi各臺(tái)液壓泵的總效率； ti第i臺(tái)泵工作時(shí)間（s）。（2）液壓執(zhí)行元件的功率損失式中 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）； j液壓執(zhí)行元件的效率

18、； tj第j個(gè)執(zhí)行元件工作時(shí)間（s）。（3）溢流閥的功率損失 （39）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（m3/s）。（4）油液流經(jīng)閥或管路的功率損失Ph4=pQ （40）式中 p通過(guò)閥或管路的壓力損失（Pa）； Q通過(guò)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Phr=Ph1+ Ph2+ Ph3+Ph4 （41）式（41）適用于回路比較簡(jiǎn)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Phr=Pr-Pc （42）式中Pr是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，PC是輸出的有效功率。其

19、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、Pi第i臺(tái)泵的實(shí)際輸出壓力、流量、效率； ti第i臺(tái)泵工作時(shí)間（s）；TWj、j、tj液壓馬達(dá)的外載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間（Nm、rad/s、s）； FWi、si液壓缸外載荷及驅(qū)動(dòng)此載荷的行程（Nm）。5.2.2 計(jì)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(zhǎng)，而且用式（41）計(jì)算發(fā)熱功率時(shí)，也應(yīng)考慮管路表面散熱。Phc=（K1A1+K2A2）T （45）式中 K1油箱散熱系數(shù)，見(jiàn)表12； K2管路散熱系數(shù)，見(jiàn)表13； A1、A2分別為油箱、管道的散熱面積（m2）； T油溫與環(huán)境溫

20、度之差（）。表12 油箱散熱系數(shù)K1 （W/（m2）冷卻條件K1通風(fēng)條件很差89通風(fēng)條件良好1517用風(fēng)扇冷卻23循環(huán)水強(qiáng)制冷卻110170表13 管道散熱系數(shù)K2 （W/（m2）風(fēng)速/ms-1管道外徑/m086512514105694023若系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時(shí)，最大溫差環(huán)境溫度為T(mén)0，則油溫T=T0+T。如果計(jì)算出的油溫超過(guò)該液壓設(shè)備允許的最高油溫（各種機(jī)械允許油溫見(jiàn)表14），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(wú)濟(jì)于事時(shí)，需要裝設(shè)冷卻器。冷卻器的散熱面積表14 各種機(jī)械允許油溫（）液壓設(shè)備類(lèi)型正常工作溫度最高允許溫度數(shù)控機(jī)床305

21、05570一般機(jī)床30555570機(jī)車(chē)車(chē)輛40607080船舶30608090冶金機(jī)械、液壓機(jī)40706090工程機(jī)械、礦山機(jī)械50807090式中 K冷卻器的散熱系數(shù)，見(jiàn)本篇第8章液壓輔助元件有關(guān)散熱器的散熱系數(shù)； tm平均溫升（）， 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。5.2.3 根據(jù)散熱要求計(jì)算油箱容量式（46）是在初步確定油箱容積的情況下，驗(yàn)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。由式（46）可得油箱的散熱面積為如不考慮管路的散熱，式（48）可簡(jiǎn)化為油箱主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。一般油面的高度為油箱高h(yuǎn)的0.8

22、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圖3 油箱結(jié)構(gòu)尺寸bh （50）A1=1.6h（b （51）若A1求出，再根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定、b、h的比例關(guān)系，即可確定油箱的主要結(jié)構(gòu)尺寸。如按散熱要求求出的油箱容積過(guò)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。5.3 計(jì)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(yùn)動(dòng)中突然停止，換向閥的迅速開(kāi)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(guò)高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。對(duì)系統(tǒng)影

23、響較大的壓力沖擊常為以下兩種形式：1）當(dāng)迅速打開(kāi)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）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值 （52）間接沖擊（即t）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值式中 液體密度（kg/m3）； 關(guān)閉或開(kāi)啟液流通道前后管道內(nèi)流速之差（m/s）； t關(guān)閉或打開(kāi)液流通道的時(shí)間（s）；=管道長(zhǎng)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)的傳播速度式中 E0液壓油的體積彈性模量（Pa），其推薦值為E0=700MPa； 、d管道的壁厚和內(nèi)徑（m）； E10111011Pa。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)

24、構(gòu)的慣性作用而引起的壓力沖擊，其壓力的增大值為式中 液流第i段管道的長(zhǎng)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）；液壓缸的速度變化量（m/s）； t液壓缸速度變化所需時(shí)間（s）。計(jì)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(shí)管道的實(shí)際壓力。實(shí)際壓力若比初始設(shè)計(jì)壓力大得多時(shí)，要重新校核一下相應(yīng)部件管道的強(qiáng)度及閥件的承壓能力，如不滿足，要重新調(diào)整。設(shè)計(jì)液壓裝置，編制技術(shù)文件6.1 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(gè)設(shè)備液壓系統(tǒng)的油源、控制閥部分獨(dú)立設(shè)置于主機(jī)之外或安裝在地下，組成液壓站。如冷軋

25、機(jī)、鍛壓機(jī)、電弧爐等有強(qiáng)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)牡胤健C(jī)床、工程機(jī)械等可移動(dòng)式設(shè)備一般都采用這種結(jié)構(gòu)。6.2 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(duì)應(yīng)的孔，通過(guò)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(shí)驗(yàn)臺(tái)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。6.3 集成塊設(shè)計(jì)1）塊體結(jié)構(gòu)

26、 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(qiáng)振場(chǎng)合要用鍛鋼。塊體加工成正方體或長(zhǎng)方體。對(duì)于較簡(jiǎn)單的液壓系統(tǒng)，其閥件較少，可安裝在同一個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)公用泄漏油孔流回油箱。集成塊的其余四個(gè)表面，一般后面接通液壓執(zhí)行元件的油管，另三個(gè)面用以安裝

27、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 外形尺寸要求滿足閥件的安裝，孔道布置及其他工藝要求。為減少工藝孔，縮短孔道長(zhǎng)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(duì)于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，需要多個(gè)集成塊疊積時(shí)，一定要保證三個(gè)公用油孔的坐標(biāo)相同，使之疊積起來(lái)后形成三個(gè)主通道。各通油孔的內(nèi)徑要滿足允許流速的要求，具體參照本章4.4節(jié)確定孔徑。一般來(lái)說(shuō)，與閥直接相通的孔徑應(yīng)等于所裝閥的油孔通徑。油孔之間的壁厚不能太小，一方面防止使用過(guò)程中，由于油的壓力而擊穿，另一方面避免加工時(shí)，因油孔的偏斜而誤通。對(duì)于中低壓系統(tǒng)，不得小于5mm，高壓系統(tǒng)應(yīng)更

28、大些。6.4 繪制正式工作圖，編寫(xiě)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(hào)表示的原理圖外，還包括動(dòng)作循環(huán)表和元件的規(guī)格型號(hào)表。圖中各元件一般按系統(tǒng)停止位置表示，如特殊需要，也可以按某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)畫(huà)出，但要加以說(shuō)明。裝配圖包括泵站裝配圖，管路布置圖，操縱機(jī)構(gòu)裝配圖，電氣系統(tǒng)圖等。技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和設(shè)備的使用、維護(hù)說(shuō)明書(shū)等。進(jìn)行工況分析、確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)通過(guò)工況分析，可以看出液壓執(zhí)行元件在工作過(guò)程中速度和載荷變化情況，為確定系統(tǒng)及各執(zhí)行元件的參數(shù)提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷

29、。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。2.1 載荷的組成和計(jì)算2.1.1 液壓缸的載荷組成與計(jì)算圖1表示一個(gè)以液壓缸為執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖。各有關(guān)參數(shù)標(biāo)注圖上，其中FW是作用在活塞桿上的外部載荷，F(xiàn)m中活塞與缸壁以及活塞桿與導(dǎo)向套之間的密封阻力。圖1液壓系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷Fg，導(dǎo)軌的摩擦力Ff和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力Fa。（1）工作載荷Fg常見(jiàn)的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力、切削力、擠壓力等。這些作用力的方向如與活塞運(yùn)動(dòng)方向相同為負(fù)，相反為正。（2）導(dǎo)軌摩擦載荷Ff對(duì)于平導(dǎo)軌 （1）對(duì)于V型導(dǎo)軌 （2）式中 G運(yùn)動(dòng)部件所受的重力（N）； F

30、N外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（N）； 摩擦系數(shù)，見(jiàn)表1； V型導(dǎo)軌的夾角，一般為90。（3）慣性載荷Fa表1 摩擦系數(shù)導(dǎo)軌類(lèi)型導(dǎo)軌材料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)摩擦系數(shù)滑動(dòng)導(dǎo)軌鑄鐵對(duì)鑄鐵起動(dòng)時(shí)低速（0.16m/s)高速（0.16m/s）滾動(dòng)導(dǎo)軌鑄鐵對(duì)滾柱（珠）淬火鋼導(dǎo)軌對(duì)滾柱靜壓導(dǎo)軌鑄鐵式中 g2； 速度變化量（m/s）；t起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間（s）。一般機(jī)械t=0.10.5s，對(duì)輕載低速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值。行走機(jī)械一般取=0.51.5 m/s2。以上三種載荷之和稱(chēng)為液壓缸的外載荷FW。起動(dòng)加速時(shí) FW=Fg+Ff+Fa （4）穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí) FW=Fg+Ff （5）減速制動(dòng)時(shí) FW=Fg+Ff-Fa

31、（6）工作載荷Fg并非每階段都存在，如該階段沒(méi)有工作，則 Fg=0。除外載荷FW外，作用于活塞上的載荷F還包括液壓缸密封處的摩擦阻力Fm，由于各種缸的密封材質(zhì)和密封形成不同，密封阻力難以精確計(jì)算，一般估算為 （7）式中 m液壓缸的機(jī)械效率，一般取0.900.95。 （8）2.1.2 液壓馬達(dá)載荷力矩的組成與計(jì)算（1）工作載荷力矩Tg常見(jiàn)的載荷力矩有被驅(qū)動(dòng)輪的阻力矩、液壓卷筒的阻力矩等。（2）軸頸摩擦力矩TfTf=Gr （9）式中 G旋轉(zhuǎn)部件施加于軸勁上的徑向力（N）； 摩擦系數(shù)，參考表1選用； r旋轉(zhuǎn)軸的半徑（m）。（3）慣性力矩Ta （10）式中 角加速度（rad/s2）；角速度變化量（ra

32、d/s）； t起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間（s）； J回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm2）。起動(dòng)加速時(shí) （11）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) （12）減速制動(dòng)時(shí) （13） 計(jì)算液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩T時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率m（m=0.90.99）。 （14）根據(jù)液壓缸或液壓馬達(dá)各階段的載荷，繪制出執(zhí)行元件的載荷循環(huán)圖，以便進(jìn)一步選擇系統(tǒng)工作壓力和確定其他有關(guān)參數(shù)。2.2 初選系統(tǒng)工作壓力壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類(lèi)型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些設(shè)備來(lái)說(shuō)，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看出不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對(duì)泵、缸

33、、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力可以選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。具體選擇可參考表2和表3。2.3 計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量（1）計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖2。圖a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，圖b活塞桿工作在受拉狀態(tài)?；钊麠U受壓時(shí) （15）活塞桿受壓時(shí) （16）式中無(wú)桿腔活塞有效作用面積（m2）； 有桿腔活塞有效作用面積（m2）；p1液壓缸工作腔壓力（Pa）；p2液壓缸回油腔壓力（Pa），即背壓力。其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表4取值。差動(dòng)連接時(shí)要另行考慮

34、；D活塞直徑（m）；d活塞桿直徑（m）。圖2 液壓缸主要設(shè)計(jì)參數(shù)表2 按載荷選擇工作壓力載荷/kN551010202030305050工作壓力/MPa0.811.522.5334455表3 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力機(jī)械類(lèi)型機(jī)床家業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械建筑機(jī)械液壓鑿巖機(jī)液壓機(jī)大中型挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械磨床組合機(jī)床龍門(mén)創(chuàng)床拉床工作壓力/MPa0.82352881010182032表4 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類(lèi)型背壓力/MPa簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)用補(bǔ)油泵的閉式回路回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械1.23回油路較短，且直接回油箱可忽略不計(jì)一般，液壓缸在受壓狀態(tài)下

35、工作，其活塞面積為 （17）運(yùn)用式（17）須事先確定A1與A2的關(guān)系，或是活塞桿徑d與活塞直徑D的關(guān)系，令桿徑比=d/D，其比值可按表5和表6選取。 （18）采用差動(dòng)連接時(shí)，1/2=（D2-d2）/d2。如果求往返速度相同時(shí)，應(yīng)取d=0.71D。對(duì)行程與活塞桿直徑比l/d10的受壓柱塞或活塞桿，還要做壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)工作速度很低時(shí)，還須按最低速度要求驗(yàn)算液壓缸尺寸式中 A液壓缸有效工作面積（m2）； Qmin系統(tǒng)最小穩(wěn)定流量（m3/s），在節(jié)流調(diào)速中取決于回路中所設(shè)調(diào)速閥或節(jié)流閥的最小穩(wěn)定流量。容積調(diào)速中決定于變量泵的最小穩(wěn)定流量。 min運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求的最小工作速度（m/s）。如果液壓缸的有

36、效工作面積A不能滿足最低穩(wěn)定速度的要求，則應(yīng)按最低穩(wěn)定速度確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸。另外，如果執(zhí)行元件安裝尺寸受到限制，液壓缸的缸徑及活塞桿的直徑須事先確定時(shí)，可按載荷的要求和液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)確定系統(tǒng)的工作壓力。液壓缸直徑D和活塞桿直徑d的計(jì)算值要按國(guó)標(biāo)規(guī)定的液壓缸的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。如與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸參數(shù)相近，最好選用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，免于自行設(shè)計(jì)加工。常用液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑見(jiàn)表7和表8。表5 按工作壓力選取d/D工作壓力/MPad/D表6 按速比要求確定d/D2/12d/D注：1無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度； 2有桿腔進(jìn)油時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度。表7 常用液壓缸內(nèi)徑D（mm）405063809010011

37、0125140160180200220250表8 活塞桿直徑d（mm）速比缸徑40506380901001102228354550556334550607080速比缸徑125140160180200220250708090100110125140290100110125140（2）計(jì)算液壓馬達(dá)的排量液壓馬達(dá)的排量為式中 T液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（Nm）；p=p1-p2液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差（Pa）。液壓馬達(dá)的排量也應(yīng)滿足最低轉(zhuǎn)速要求式中Qmin通過(guò)液壓馬達(dá)的最小流量； nmin液壓馬達(dá)工作時(shí)的最低轉(zhuǎn)速。2.4 計(jì)算液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量（1）液壓缸工作時(shí)所需流量Q=A （19）式中 A液壓缸有效作

38、用面積（m2）；活塞與缸體的相對(duì)速度（m/s）。（2）液壓馬達(dá)的流量Q=qnm （20）式中 q液壓馬達(dá)排量（m3/r）； nm液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速（r/s）。2.5 繪制液壓系統(tǒng)工況圖工況圖包括壓力循環(huán)圖、流量循環(huán)圖和功率循環(huán)圖。它們是調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、選擇液壓泵、閥等元件的依據(jù)。1）壓力循環(huán)圖（p-t）圖 通過(guò)最后確定的液壓執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，再根據(jù)實(shí)際載荷的大小，倒求出液壓執(zhí)行元件在其動(dòng)作循環(huán)各階段的工作壓力，然后把它們繪制成（p-t）圖。2）流量循環(huán)圖（Q-t）圖 根據(jù)已確定的液壓缸有效工作面積或液壓馬達(dá)的排量，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)速度算出它在工作循環(huán)中每一階段的實(shí)際流量，把它繪制成（Q-t）圖。若系統(tǒng)中

39、有多個(gè)液壓執(zhí)行元件同時(shí)工作，要把各自的流量圖疊加起來(lái)繪出總的流量循環(huán)圖。3）功率循環(huán)圖（P-t）圖 繪出壓力循環(huán)圖和總流量循環(huán)圖后，根據(jù)P=pQ，即可繪出系統(tǒng)的功率循環(huán)圖。油箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)油箱油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲(chǔ)油外，還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質(zhì)等作用。油箱中安裝有很多輔件，如冷卻器、加熱器、空氣過(guò)濾器及液位計(jì)等。油箱可分為開(kāi)式油箱和閉式油箱二種。開(kāi)式油箱，箱中液面與大氣相通，在油箱蓋上裝有空氣過(guò)濾器。開(kāi)式油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，液壓系統(tǒng)普遍采用這種形式。閉式油箱一般用于壓力油箱，內(nèi)充一定壓力的惰性氣體，充氣壓力可達(dá)0.05MPa。如果按油箱的形狀來(lái)分，還可分為矩形油箱和圓罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液壓器件，所以被廣泛采用；圓罐形油箱強(qiáng)度高，重量輕，易于清掃，但制造較難，占地空間較大，在大型冶金設(shè)備中經(jīng)常采用。2.1 油箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)圖10為油箱簡(jiǎn)圖。設(shè)計(jì)油箱時(shí)應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)。1）油箱必須有足夠大的容積。一方面盡可能地滿足散熱的要求，另一方面在液壓系統(tǒng)停止工作時(shí)應(yīng)能容納系統(tǒng)中的所有工作介質(zhì)；而工作時(shí)又能保持適當(dāng)?shù)囊何弧?）吸油管及回油管應(yīng)插入最低液面以下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生氣泡。管口與箱底、箱壁距離一般不小于管徑的3倍。吸油管可安裝1