液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟與設(shè)計要求

1、液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟與設(shè)計要求液壓傳動系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計要同主機(jī)的總體設(shè)計同時進(jìn)行。著手設(shè)計時，必須從實際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。1.1 設(shè)計步驟液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟并無嚴(yán)格的順序，各步驟間往往要相互穿插進(jìn)行。一般來說，在明確設(shè)計要求之后，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)的性能驗算；6）繪制工作圖，編制技術(shù)文件。1.2 明確設(shè)計要求設(shè)計

2、要求是進(jìn)行每項工程設(shè)計的依據(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)計之前，必須把設(shè)計要求以及與該設(shè)計內(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)要完成哪些動作，動作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；3）液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形式，運(yùn)動速度；4）各動作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；5）對調(diào)速范圍、運(yùn)動平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；6）自動化程序、操作控制方式的要求；7）對防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求；8）對效率、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)動方向和運(yùn)動速度的控制是擬定液壓回路的

3、核心問題。方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多通過換向閥的有機(jī)組合實現(xiàn)所要求的動作。對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實現(xiàn)。速度控制通過改變液壓執(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實現(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)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，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合。容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒有溢流損失和節(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)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常用于有負(fù)載荷的場合，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)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(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。開式回路結(jié)構(gòu)簡單，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，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，也有的需要多級或無級連續(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，有時需要流量不大的高壓油，這時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)的某個局部，工作壓力需低于主油源壓力時，要考慮

6、采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。（3）制定順序動作方案主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作，根據(jù)設(shè)備類型不同，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，一般用手動的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動到一定位置時，通過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開關(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)接比較方便的場合。另外還有時間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關(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)等場合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動作時，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，通過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油通過，來啟動下一個動作。（4）選擇液壓動力源液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，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。對長時間所

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，通過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其他型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，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。各回路相互組合時要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動作發(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，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度

9、計等）。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)生時能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設(shè)計的非標(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)行元件的名稱和動作，注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號，并附有電磁鐵、行程閥及其他控制元件的動作表。液壓元件的選擇與專用件設(shè)計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)確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進(jìn)行，初算時可按

10、經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取：管路簡單、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)同時工作時，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力源時式中 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)品樣本或本手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為

11、使液壓泵有一定的壓力儲備，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)動功率，可按流量特性曲線拐點(diǎn)處的流量、壓力值計算。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，則須分別計算出各個動作階段內(nèi)所需功率，驅(qū)動功率取其平均功率式中 t1、t2、tn一個循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的時間（s）；P1、P2、Pn一個循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的功率（W）。按平均功率選出電動機(jī)功率后，還要驗算一下每一階段內(nèi)電動機(jī)超載量是否都在允許范圍內(nèi)。電動機(jī)允許的短時間超載量一般為25%。4.2 液壓閥的選擇1）閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過該閥的最大流量，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，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際通過的流量大一些，必要時也允許有20%以內(nèi)的

13、短時間過流量。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，確定其類型和主要參數(shù)。1）液壓執(zhí)行元件短時間快速運(yùn)動，由蓄能器來補(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動作時間（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)徑計算式中 Q通過管道內(nèi)的流量（m3/

14、s）； 管內(nèi)允許流速（m/s），見表10。計算出內(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)，對鋼管來說，p7MPa時，取n=8；p17.5MPa時，取n=6；p17.5MPa時，取n=4。4.5 油箱容量的確定初始設(shè)計時，先按經(jīng)驗公式（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)驗系數(shù)，見表11。表11 經(jīng)驗系數(shù)系統(tǒng)類型行走機(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，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，油箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時，油箱的油位不低于最低限度。液壓系統(tǒng)性能驗算液壓系統(tǒng)初步設(shè)計是在某些估計參數(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，針對實際情況對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行各項性能分析。對一般液壓傳動系統(tǒng)來說，主要是進(jìn)一步確切地計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

16、算發(fā)現(xiàn)問題，對某些不合理的設(shè)計要進(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通過閥的實際流量（m3/s）； pn閥的額定壓力損失（Pa）（可從產(chǎn)品樣本中查到）。對于泵到執(zhí)行元件間的壓力損失，如果計算出的p比選泵時估計的管路損失大得多時，

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)熱溫升計算5.2.1 計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)工作時，除執(zhí)行元件驅(qū)動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數(shù)；Pri液壓泵的輸入功率（W）； Pi各臺液壓泵的總效率； ti第i臺泵工作時間（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個執(zhí)行元件工作時間（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）適用于回路比較簡單的液壓系統(tǒng)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于功率損失的環(huán)節(jié)太多，一一計算較麻煩，通常用下式計算液壓系統(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臺泵的實際輸出壓力、流量、效率； ti第i臺泵工作時間（s）；TWj、j、tj液壓馬達(dá)的外載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作時間（Nm、rad/s、s）； FWi、si液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程（Nm）。5.2.2 計算液壓系統(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，而且用式（41）計算發(fā)熱功率時，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)，見表12； K2管路散熱系數(shù)，見表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，最大溫差環(huán)境溫度為T0，則油溫T=T0+T。如果計算出的油溫超過該液壓設(shè)備允許的最高油溫（各種機(jī)械允許油溫見表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，或加大一些也無濟(jì)于事時，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)車車輛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)散熱要求計算油箱容量式（46）是在初步確定油箱容積的情況下，驗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）可簡化為油箱主要設(shè)計參數(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)動中突然停止，換向閥的迅速開啟和關(guān)閉，都會產(chǎn)生高于靜態(tài)值的沖擊壓力。它不僅伴隨產(chǎn)生振動和噪聲，而且會因過高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。對系統(tǒng)影

23、響較大的壓力沖擊常為以下兩種形式：1）當(dāng)迅速打開或關(guān)閉液流通路時，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊壓力。直接沖擊（即t）時，管道內(nèi)壓力增大值 （52）間接沖擊（即t）時，管道內(nèi)壓力增大值式中 液體密度（kg/m3）； 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間（s）；=管道長度為l時，沖擊波往返所需的時間（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)動速度時，由于液體及運(yùn)動機(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與活塞連動的運(yùn)動部件質(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間（s）。計算出沖擊壓力后，此壓力與管道的靜態(tài)壓力之和即為此時管道的實際壓力。實際壓力若比初始設(shè)計壓力大得多時，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?。機(jī)床、工程機(jī)械等可移動式設(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，板上鉆有與閥口對應(yīng)的孔，通過管接頭聯(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。液壓實驗臺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)振場合要用鍛鋼。塊體加工成正方體或長方體。對于較簡單的液壓系統(tǒng)，其閥件較少，可安裝在同一個集成塊上。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)一通過公用泄漏油孔流回油箱。集成塊的其余四個表面，一般后面接通液壓執(zhí)行元件的油管，另三個面用以安裝

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。對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，需要多個集成塊疊積時，一定要保證三個公用油孔的坐標(biāo)相同，使之疊積起來后形成三個主通道。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。一般來說，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，一方面防止使用過程中，由于油的壓力而擊穿，另一方面避免加工時，因油孔的偏斜而誤通。對于中低壓系統(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。除用元件圖形符號表示的原理圖外，還包括動作循環(huán)表和元件的規(guī)格型號表。圖中各元件一般按系統(tǒng)停止位置表示，如特殊需要，也可以按某時刻運(yùn)動狀態(tài)畫出，但要加以說明。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)計任務(wù)書、設(shè)計說明書和設(shè)備的使用、維護(hù)說明書等。進(jìn)行工況分析、確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)通過工況分析，可以看出液壓執(zhí)行元件在工作過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)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。2.1 載荷的組成和計算2.1.1 液壓缸的載荷組成與計算圖1表示一個以液壓缸為執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)計算簡圖。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)計算簡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)動方向相同為負(fù)，相反為正。（2）導(dǎo)軌摩擦載荷Ff對于平導(dǎo)軌 （1）對于V型導(dǎo)軌 （2）式中 G運(yùn)動部件所受的重力（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)軌類型導(dǎo)軌材料運(yùn)動狀態(tài)摩擦系數(shù)滑動導(dǎo)軌鑄鐵對鑄鐵起動時低速（0.16m/s)高速（0.16m/s）滾動導(dǎo)軌鑄鐵對滾柱（珠）淬火鋼導(dǎo)軌對滾柱靜壓導(dǎo)軌鑄鐵式中 g2； 速度變化量（m/s）；t起動或制動時間（s）。一般機(jī)械t=0.10.5s，對輕載低速運(yùn)動部件取小值，對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為液壓缸的外載荷FW。起動加速時 FW=Fg+Ff+Fa （4）穩(wěn)態(tài)運(yùn)動時 FW=Fg+Ff （5）減速制動時 FW=Fg+Ff-Fa

31、（6）工作載荷Fg并非每階段都存在，如該階段沒有工作，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算（1）工作載荷力矩Tg常見的載荷力矩有被驅(qū)動輪的阻力矩、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起動或制動時間（s）； J回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）。起動加速時 （11）穩(wěn)定運(yùn)行時 （12）減速制動時 （13） 計算液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩T時還要考慮液壓馬達(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，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，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。一般來說，對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 計算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量（1）計算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸有關(guān)設(shè)計參數(shù)見圖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)。活塞桿受壓時 （15）活塞桿受壓時 （16）式中無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，初算時可參照表4取值。差動連接時要另行考慮

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)類型背壓力/MPa簡單系統(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）采用差動連接時，1/2=（D2-d2）/d2。如果求往返速度相同時，應(yīng)取d=0.71D。對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)定性驗算。當(dāng)工作速度很低時，還須按最低速度要求驗算液壓缸尺寸式中 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，可按載荷的要求和液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸來確定系統(tǒng)的工作壓力。液壓缸直徑D和活塞桿直徑d的計算值要按國標(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，最好選用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，免于自行設(shè)計加工。常用液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑見表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無桿腔進(jìn)油時活塞運(yùn)動速度； 2有桿腔進(jìn)油時活塞運(yùn)動速度。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通過液壓馬達(dá)的最小流量； nmin液壓馬達(dá)工作時的最低轉(zhuǎn)速。2.4 計算液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量（1）液壓缸工作時所需流量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 通過最后確定的液壓執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，再根據(jù)實際載荷的大小，倒求出液壓執(zhí)行元件在其動作循環(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)動速度算出它在工作循環(huán)中每一階段的實際流量，把它繪制成（Q-t）圖。若系統(tǒng)中

39、有多個液壓執(zhí)行元件同時工作，要把各自的流量圖疊加起來繪出總的流量循環(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)計要點(diǎn)油箱油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲油外，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、空氣過濾器及液位計等。油箱可分為開式油箱和閉式油箱二種。開式油箱，箱中液面與大氣相通，在油箱蓋上裝有空氣過濾器。開式油箱結(jié)構(gòu)簡單，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)計要點(diǎn)圖10為油箱簡圖。設(shè)計油箱時應(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)停止工作時應(yīng)能容納系統(tǒng)中的所有工作介質(zhì)；而工作時又能保持適當(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