液壓系統(tǒng)的設(shè)計及計算

1、本章提要本章提要 本章介紹設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的基本步驟和方法，對于本章介紹設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的基本步驟和方法，對于一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下幾個一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下幾個步驟：步驟： 明確設(shè)計要求，進行工況分析；明確設(shè)計要求，進行工況分析； 擬定液壓系統(tǒng)原理圖；擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 計算和選擇液壓元件；計算和選擇液壓元件； 發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算；發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算； 繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。 上述工作大部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較上述工作大部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計簡復(fù)

2、雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計簡單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，要求對液壓系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容、步驟、方法有一個基本的要求對液壓系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容、步驟、方法有一個基本的了解。了解。 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它除了應(yīng)符合主機動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面的要求外，還應(yīng)當滿足結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，效率高，經(jīng)濟性好，使用維護方便等條件。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡、借鑒的資料多少和設(shè)計人員經(jīng)驗的不同，在做法上有所差異。各部分的設(shè)計有時還要交替進行，甚至要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。 下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟予以介紹。液

3、壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有： 運動方式、行程、速度范圍、負載條件、運動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖等。就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等。 要使所設(shè)計的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。 工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的速度速度和負負載載的變化規(guī)律，必要時還應(yīng)作出速度、負載隨時間或位移變化的曲線圖。 就缸而言，負載主要由六部分組成，即工作負工作負載，導(dǎo)向摩擦負載，慣性負載，重力負載，密封負載，導(dǎo)向摩擦負載，慣性負載，重力負載，密封負載和背壓負載載和背壓負載。負載圖負載圖速度圖速度圖wF 不同的機器有不同的

4、工作負載。工作負載與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負值。 導(dǎo)向摩擦負載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時所受的導(dǎo)軌摩擦阻力。fF 慣性負載是運動部件在啟動加速或制動減速時的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。aFgF 密封負載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過液壓缸的機械效率加以考慮，常取機械效率值為0.900.97。sF 背壓負載是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。bF液壓缸各個主要工作階段的機械負載F可按下列公式計算 （10.4）mgafFFFF/ )( （10.5）mgfFFF/ )( （10.6）mgwfFFFF/ )( （10.7）mgawfFFFFF/ )( 液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓

5、系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計液壓系統(tǒng)的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理性、經(jīng)濟性具有決定性的影響。 一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進行補油，并借此進行冷卻交換來達到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路式回路。 根據(jù)各類主機的工作特點、負載性質(zhì)和性能要求，先確定對主機主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其它輔助回路。例如: 對于機床液壓系統(tǒng),是主要回路； 對于壓力機液壓系統(tǒng)，是主要回路； 有垂直運動部件的系統(tǒng)要考

6、慮； 慣性負載較大的系統(tǒng)要考慮。 有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮； 有空載運行要求的系統(tǒng)要考慮等。 將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖。 結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是指根據(jù)執(zhí)行元件工作壓力和最大流量確定執(zhí)行元件的排量或油缸面積。運動形式往復(fù)直線運動回轉(zhuǎn)運動往復(fù)擺動短行程長行程高速低速建議采用的執(zhí)行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達與齒輪/齒條或螺母/絲杠機構(gòu)高速液壓馬達低速大扭矩液壓馬達高速液壓馬達帶減速器擺動液壓缸表10.1選擇執(zhí)行元件的形式 工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)

7、構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能，工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵。 反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大，所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取適當?shù)墓ぷ鲏毫Α?以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計算后按系列標準值確定D和d。 對有低速運動要求的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進行驗算，即應(yīng)保證：minminvqA（10.8） 驗算結(jié)果若不能滿足式（10.8），則說明按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計。式中：A液壓缸工作腔的

8、有效工作面積； 控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量； 液壓缸要求達到的最低工作速度。minqminv 當液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按系列標準圓整，有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進行一次復(fù)算。 在按上述方法確定的工作壓力還沒有計算回油路的背壓，所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機械總負載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，取適當?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力。對于單桿液壓缸，其工作壓力P可按下列公式復(fù)算。有桿腔進油階段bpAAAFp212（10.10）式中：F液壓缸在各工作階段的最大機械總負載； 、 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； 液壓缸回油路的背壓。1Ab

9、pbpAAAFp121（10.9）無桿腔進油工進階段2A 即執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量、功率對時間或位移的變化曲線圖。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，便得到整個系統(tǒng)的工況圖。 液壓系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個工作循環(huán)中的系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續(xù)設(shè)計步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計提供合理的依據(jù)。 對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略。 先根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格。（10.11） lpppp式中: 執(zhí)行元件的最高工作壓力； 進油路上總的壓力損失。plp液壓泵的最大供油量為：（10.11） ma

10、xqkqp式中: K系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取 K=1.11.3； 同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。maxq 液壓泵的規(guī)格型號按計算值在產(chǎn)品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應(yīng)有一定的壓力儲備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%60%。泵的額定流量則宜與相當，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。 驅(qū)動泵的電機根據(jù)驅(qū)動功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇。 在整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內(nèi)皆達到最大工作值時，驅(qū)動泵的電動機功率為：pppqpP（10.13） 式中： 液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本。 限壓式變量葉片泵的驅(qū)動功率，可按泵的實際壓力流量特性曲線拐點處的功率來計算。

11、 工作中泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出各個階段所需的驅(qū)動功率，然后求其均方根值即可。p 各種閥類元件的規(guī)格型號，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)與其工作壓力和最大通過流量相接近。 具體選擇時，應(yīng)注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選?。涣髁块y還需考慮最小穩(wěn)定流量，以滿足低速穩(wěn)定性要求。 油管的規(guī)格尺寸大多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要的管道才驗算其內(nèi)徑和壁厚。 對于固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動力源，閥類元件集中安裝在主機外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源的振動與油溫變化對主機工作精度的影響。 液

12、壓系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，需要對它的主要性能加以驗算，以便評判其設(shè)計質(zhì)量，并改進和完善液壓系統(tǒng)。 畫出管路裝配草圖后，即可計算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，它們的計算公式詳見液壓流體力學(xué)，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和。 在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進行概略地估算。 液壓系統(tǒng)在工作時，有壓力損失，容積損失和機械損失，這些損耗能量的大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高從而導(dǎo)致油的粘度下降，油液變質(zhì)，機器零件變形，影響正常工作。為此，必須將溫升控制在許可范圍內(nèi)。 單位時間的發(fā)熱量為液壓泵的輸入功率與執(zhí)行元件的輸出功率之差。 一般情況下，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)往往有好幾個階段，其平均發(fā)熱量為各個工作周期發(fā)熱量的時均值，即inioiiitPPt1)(1（10.14） 式中第個工作階段系統(tǒng)的輸入功率；第個工作階段系統(tǒng)的輸出功率； 工作循環(huán)周期；第個工作階段的持續(xù)時間；總的工作階段數(shù)。iiPoiPtitn 液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，主要經(jīng)油箱散發(fā)到空氣中去，油箱在單位時間散發(fā)熱量的可按下式計算（10.15） tAkh式中: A油箱的散熱面積； 液壓系統(tǒng)的溫升； 油箱的散熱系數(shù)，其值可查閱液壓設(shè)計手冊。thk系統(tǒng)的溫升為（10.16） Akth計算溫升值如果超過允許值，應(yīng)采取適當?shù)睦鋮s措施。