液壓系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算

液壓系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算設(shè)計(jì)方法：具體步驟：明確任務(wù)、工況分析→擬定系統(tǒng)原理圖→計(jì)算、選擇液壓元件→驗(yàn)算→繪制工作圖、編制技術(shù)文件

◎液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程◎§9.1明確任務(wù)、工況分析一、明確設(shè)計(jì)任務(wù)（1）液壓系統(tǒng)的動作和性能要求，如：執(zhí)行元件的運(yùn)動方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動的平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖要求、工作可靠性要求等。（2）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如：環(huán)境溫度、濕度塵埃、通風(fēng)情況、是否易燃、外界沖擊振動的情況及安裝空間的大小等。二、工況分析——分析液壓執(zhí)行元件的工作情況。目的：了解其工作時(shí)的速度、負(fù)載變化的規(guī)律，并將此曲線表示出來，做為擬定液壓系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)主要參數(shù)（壓力和流量）的依據(jù)。注意：若動作簡單，可不作圖，只需找出最大負(fù)載和最大速度即可。

1.運(yùn)動速度分析按設(shè)備的工藝要求，把所研究的執(zhí)行元件在完成一個(gè)工作循環(huán)時(shí)的運(yùn)動規(guī)律用圖表示出來，稱速度圖。以圖9-1a）所示的液壓缸驅(qū)動的組合機(jī)床滑臺為例來說明。圖9-1a）是機(jī)床的動作循環(huán)圖。由圖可見，工作循環(huán)為快進(jìn)→工進(jìn)→快退；圖9-1b）是完成一個(gè)工作循環(huán)的速度→位移曲線，即速度圖。圖9-1c）是該組合機(jī)床的負(fù)載圖。2.負(fù)載分析圖9-1c）是該組合機(jī)床的負(fù)載圖，按設(shè)備的工藝要求，把執(zhí)行元件在各階段的負(fù)載用曲線表示出來，可直觀地看出在運(yùn)動過程中何時(shí)受力最大、最小等各種情況，作為以后的設(shè)計(jì)依據(jù)。

負(fù)載的具體分析液壓缸驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動時(shí)，所受到的外負(fù)載為：

式中FL—工作負(fù)載；Ff—摩擦阻力負(fù)載；Fa—慣性負(fù)載;

Fg—執(zhí)行元件重力負(fù)載（有時(shí)要考慮）。（9-1）（1）工作負(fù)載FL

工作負(fù)載與設(shè)備的工況有關(guān)。有效負(fù)載是在運(yùn)動方向上的分力；垂直方向的負(fù)載與摩擦有關(guān)。（2）摩擦阻力負(fù)載Ff

摩擦阻力是指運(yùn)動部件與支承面間的摩擦力，它與支承面的形狀、放置情況、潤滑條件以及運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)（9-2）式中

FN——運(yùn)動部件及外負(fù)載對支撐面的正壓力；f——摩擦系數(shù)，分靜摩擦系數(shù)（fS≤0.2~0.3）和動摩擦系數(shù)（fd≤0.05~0.1）。（3）慣性負(fù)載Fa

慣性負(fù)載是運(yùn)動部件的速度變化時(shí)，由其慣性而產(chǎn)生的負(fù)載，可用牛頓第二定律計(jì)算：

式中m—運(yùn)動部件的質(zhì)量（kg）；

a—運(yùn)動部件的加速度（m/s2）；

G—運(yùn)動部件的重力（N）；

g—重力加速度（m/s2）；⊿v—速度的變化量（m/s）；⊿t—速度變化所需的時(shí)間（s）。（9-3）（4）執(zhí)行元件重力負(fù)載Fg（有時(shí)要考慮）當(dāng)執(zhí)行元件的重力不與運(yùn)動方向垂直時(shí)，要考慮其作用力。

除上述的以外，液壓缸的受力還有密封阻力（一般用效率η=0.85~0.9來表示）、背壓力（指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力，在系統(tǒng)方案和缸結(jié)構(gòu)確定前無法計(jì)算，可在最后計(jì)算時(shí)確定）。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓馬達(dá)，其負(fù)載力矩計(jì)算方法與液壓缸相類似。液壓缸各階段中的負(fù)載計(jì)算公式

工況計(jì)算公式F（N）液壓缸推力F（N）啟動F=Ffs+FL±Fg

F=(Ffs+FL±Fg)/ηm加速F=Ffd+FL+Fa±Fg

F=(Ffd+FL+Fa±Fg)/ηm快速（快進(jìn)）F=Ffd+FL±FgF=(Ffd+FL±Fg)/ηm減速F=Ffd+FL—

Fa±FgF=(Ffd+FL—

Fa±Fg)/ηm慢速（工進(jìn)）F=Ffd+FL±FgF=(Ffd+FL±Fg)/ηm制動F=Ffd+FL—

Fa±FgF=(Ffd+FL—

Fa±Fg)/ηm反向加速F=Ffs+Fa±FgF=(Ffs+Fa±Fg)/ηm快退F=Ffd±FgF=(Ffd±Fg)/ηm制動（使停止）F=Ffd—

Fa±FgF=(Ffd—

Fa±Fg)/ηm3.執(zhí)行元件的參數(shù)確定（1）初算工作壓力當(dāng)負(fù)載確定后，工作壓力就決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。根據(jù)

（F為負(fù)載）

若p↑，則執(zhí)行元件的尺寸D↓，則密封要求就高，元件的制造精度也就更高，容積效率也就會降低；若p↓，則執(zhí)行元件的尺寸D↑，重量大，完成給定速度所需的流量也大。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負(fù)載值或主機(jī)設(shè)備類型選取。見表9-1和表9-2。表9-1按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力設(shè)備類型粗加工機(jī)床半精加工機(jī)床粗加工或重型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械、小工程機(jī)械重大型機(jī)械工作壓力p（Mpa）0.8~2.03.0~5.05.0~10.010.0~16.020.0~32.0負(fù)載F（kN）<55~1010~2020~3030~50>50工作壓力p（Mpa）<0.8~1.01.5~2.02.5~3.03.0~4.04.0~5.0>5.0~7.0表9-2各類液壓設(shè)備常用工作壓力（2）確定執(zhí)行元件的幾何參數(shù)

液壓缸：它的幾何參數(shù)就是有效工作面積A

，對液壓馬達(dá)來說就是排量V。液壓缸有效面積A可由下式求得

式中F——液壓缸上的外負(fù)載（N）；ηcm——液壓缸的機(jī)械效率；p——液壓缸的工作壓力（Pa）；A——所求液壓缸的有效工作面積（m2）。（9-4）

計(jì)算出的工作面積A還必須按液壓缸的最低穩(wěn)定速度vmin來驗(yàn)算，即（9-5）qmin—流量閥最小穩(wěn)定流量。

液壓馬達(dá)：排量的計(jì)算式為

式中T—液壓馬達(dá)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N.m；ηMm—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率；

p—液壓馬達(dá)的工作壓力，pa；V—所求液壓馬達(dá)的排量，m3/r。同樣，上式所求的排量也必須滿足液壓馬達(dá)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nmin要求，即式中qmin——輸入液壓馬達(dá)的最低穩(wěn)定流量。（9-7）（9-6）排量確定后，可從產(chǎn)品樣本中選擇液壓馬達(dá)的型號。（3）執(zhí)行元件最大流量的確定

對于液壓缸，它所需的最大流量qmax

就等于液壓缸有效工作面積A與液壓缸最大移動速度vmax的乘積，即

qmax=Avmax（9-8）對于液壓馬達(dá)，它所需的最大流量qmax應(yīng)為馬達(dá)的排量V與其最大轉(zhuǎn)數(shù)nmax的乘積，即

qmax=Vnmax（9-9）4.繪制液壓執(zhí)行元件的工況圖工況三圖：壓力圖、流量圖、功率圖。（1）工況圖的繪制（壓力p，流量q，功率P均為時(shí)間t的函數(shù)）。復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力（考慮背壓pb，A1、A2分別為無、有桿腔有效面積）。

快進(jìn)時(shí)：差動系統(tǒng)非差動系統(tǒng)工進(jìn)時(shí)：

快退壓力圖9-2a，流量圖9-2b，功率圖9-2c。圖9-2組合機(jī)床執(zhí)行元件工況圖（2）工況圖的作用

直觀、方便地找出pmax、qmax、Pmax

，可選擇泵、電動機(jī)的P和n。亦對選擇液壓元件具有指導(dǎo)意義。§9.2擬定液壓系統(tǒng)原理圖一、執(zhí)行元件（根據(jù)設(shè)備的工況選擇執(zhí)行元件）1、往復(fù)直線運(yùn)動——液壓缸（單、雙出桿）、（差動）。2、往復(fù)擺動——擺動缸等。3、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動——液壓馬達(dá)。

二、液壓回路的選擇（按主機(jī)工作特點(diǎn)及性能要求選擇）1、機(jī)床——調(diào)速、速度換接要平穩(wěn)；2、壓力機(jī)——調(diào)壓回路；3、起重機(jī)——平衡回路；4、多缸動作——順序動作回路。三、液壓回路的綜合把選出來的各種液壓回路放在一起，進(jìn)行歸并、整理，再增加一些必要的元件或輔助油路，使之成為完整的液壓傳動系統(tǒng)，進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)還必須注意以下幾點(diǎn)：（1）安全可靠——加安全閥；（2）系統(tǒng)效率、發(fā)熱、卸荷、差動、雙泵供油；（3）經(jīng)濟(jì)合理，便于維修檢測——板式連接、集成塊；（4）輔助元件——油箱、濾油器、壓力表等。§9.3液壓元件的計(jì)算與選擇根據(jù)p、q選擇元件的規(guī)格、型號。一、液壓泵的選擇1、液壓泵的最高工作壓力

——在系統(tǒng)正常工作時(shí)泵所能提供的最高壓力。定量泵系統(tǒng)：由溢流閥調(diào)定；

變量泵系統(tǒng)：與泵的特征曲線上的流量相對應(yīng)的。分兩種情況：（p1—執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大壓力）（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動行程終了，停止時(shí)才需最高工作壓力：

（2）是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行程中出現(xiàn)的：式中為總壓力損失，先估算式中K——泄漏系數(shù)，取1.1~1.3。2、確定液壓泵的最大供油量—同時(shí)動作各缸流量之和的最大值。3、選擇泵的規(guī)格根據(jù)前面設(shè)計(jì)計(jì)算的pp、qp從產(chǎn)品樣本中選擇，壓力要高出pp的25~60%。流量與qp不要高出太多，基本相當(dāng)。4、電動機(jī)的功率（1）在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較小時(shí)，可按下式計(jì)算液壓泵所需驅(qū)動功率，即（9-13）pp——液壓泵的最大工作壓力，Pa；qp——液壓泵的輸出流量，m3/s；ηp——液壓泵的總效率。

(2)當(dāng)在整個(gè)工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較大，且在功率循環(huán)圖中最高功率所持續(xù)的時(shí)間很短時(shí)，按式(9-13)分別計(jì)算出工作循環(huán)各階段的功率，然后用下式計(jì)算其所需電機(jī)的平均功率:（9-14）

式中：ti為一個(gè)工作循環(huán)中第i

階段持續(xù)的時(shí)間。

求出了平均功率，還要驗(yàn)算每個(gè)階段電機(jī)的超載量是否在允許的范圍內(nèi)，一般允許短期超載25%。在范圍內(nèi)時(shí)，可根據(jù)平均功率P和泵的轉(zhuǎn)速n從產(chǎn)品樣本中選擇。

對于限壓式變量泵系統(tǒng)，按（9-13）式分別計(jì)算快速與慢速兩種工況時(shí)所需要的驅(qū)動功率，計(jì)算后按較大的作為選擇電機(jī)的依據(jù)。由于限壓式變量泵在快速與慢速轉(zhuǎn)換過程中，必須經(jīng)過泵流量特性曲線的最大功率點(diǎn)（拐點(diǎn)），為使其在經(jīng)過Pmax點(diǎn)時(shí)不停轉(zhuǎn)，需進(jìn)行演算，即（9-15）式中pB—拐點(diǎn)壓力，qB—壓力為pB時(shí)的泵輸出流量；Pn—電機(jī)額定功率，ηp—泵的效率（注意：限壓式變量泵輸出流量較小時(shí)，ηp會急劇下降，一般輸出流量為0.2~1L/min時(shí)，ηp=0.03~0.14，流量大取大）。二、閥類元件的選擇根據(jù)閥的最大工作壓力和流經(jīng)閥的最大流量來選擇控制閥的規(guī)格。即：所選用的閥類元件的額定壓力、額定流量要大于系統(tǒng)的最高工作壓力及實(shí)際通過閥的最大流量。在條件不允許時(shí)，可適當(dāng)增大通過閥的流量，但不得超過閥額定流量的20%，否則會引起壓力損失過大。三、液壓輔助元件的選擇油箱、濾油器、蓄能器、油管、管接頭、冷卻等液壓輔助元件可按第五章的有關(guān)原則選取?！?.4液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算一、液壓系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算在前面確定液壓泵的最高工作壓力時(shí)提及壓力損失，當(dāng)時(shí)由于系統(tǒng)還沒有完全設(shè)計(jì)完畢，管道的設(shè)置也沒有確定，因此只能作粗略的估算?，F(xiàn)在液壓系統(tǒng)的元件、安裝形式、油管和管接頭均定下來了，需驗(yàn)算管路系統(tǒng)的總壓力損失，看其是否在前述假設(shè)的范圍內(nèi)，借此可較準(zhǔn)確地確定泵的工作壓力，較準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)變量泵或溢流閥，保證系統(tǒng)的工作性能。若計(jì)算結(jié)果與前設(shè)壓力損失相差較大，則應(yīng)對原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。具體方法：將計(jì)算出來的壓力損失代替原假設(shè)值按下式重算系統(tǒng)的壓力：當(dāng)執(zhí)行元件為液壓缸時(shí)

（9-16）F為作用在液壓缸上的外負(fù)載；A1、A2分別為液壓缸進(jìn)、回油腔的有效面積；△p1、△p2分別為進(jìn)、回油管路的總的壓力損失；ηcm為液壓缸的機(jī)械效率

計(jì)算時(shí)注意：快速運(yùn)動時(shí)：液壓缸上的外負(fù)載小，管路中流量大，壓力損失也大；慢速運(yùn)動時(shí)：外負(fù)載大，流量小，壓力損失也小。所以應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算出的系統(tǒng)壓力值應(yīng)小于泵（因有一定的壓力儲備），否則就應(yīng)另選額定壓力較高的液壓泵，或者采用其它方法降低系統(tǒng)的壓力，如增大液壓缸直徑等方法。2.當(dāng)執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)時(shí)（9-17）二、液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算

發(fā)熱原因：液壓系統(tǒng)在工作時(shí)由于存在著各種各樣的機(jī)械損失、壓力損失和流量損失，這些損失大都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瓜到y(tǒng)發(fā)熱、油溫升高。油溫升高過多會造成系統(tǒng)的泄漏增加，運(yùn)動件動作失靈，油液變質(zhì)，縮短橡膠密封圈的壽命等不良后果，所以為了使液壓系統(tǒng)保持正常工作，應(yīng)使油溫保持在允許的范圍之內(nèi)。

產(chǎn)生熱能的元件：液壓缸、液壓泵、溢流閥和節(jié)流閥，散熱的元件主要是油箱，系統(tǒng)經(jīng)一段時(shí)間后，發(fā)熱與散熱會相等，即達(dá)到熱平衡，不同的設(shè)備在不同的情況下，達(dá)到熱平衡的溫度也不一樣，所以必須進(jìn)行驗(yàn)算。1.系統(tǒng)發(fā)熱量的計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量按下式計(jì)算：

H=P（1－

η）（9-18）

P—液壓泵的輸出功率kW；η—液壓系統(tǒng)的總效率，是液壓泵的效率ηP、回路的效率η

c

、液壓執(zhí)行元件的效率η

M的乘積，即

式中A—油箱的散熱面積（m2

），⊿t—系統(tǒng)溫升（0C），h—散熱系數(shù)[kW/（m2·

0C）]，不同情況h不同（見教材）。

2.系統(tǒng)散熱量的計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)油箱的散熱量為（9-20）3.系統(tǒng)熱平衡溫度的驗(yàn)算及散熱面積計(jì)算當(dāng)液壓系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)有：H0=H，即

（9-21）

當(dāng)油箱的三個(gè)邊長之比在1:1:1到1:2:3范圍內(nèi)，且油位是油箱高度的0.8倍時(shí)，散熱面積近似為（9-22）式中V為油箱有效容積（L）；A為散熱面積（m2）。由式（9-21）計(jì)算出的系統(tǒng)溫升⊿t+環(huán)境溫度應(yīng)不超過油液的最高允許溫度，否則應(yīng)采取進(jìn)一步的散熱措施?！?.5繪制工作圖和編制技術(shù)文件一、繪制工作圖（1）液壓系統(tǒng)原理圖

圖上除畫出整個(gè)系統(tǒng)的回路之外，還應(yīng)注明各元件的規(guī)格、型號、壓力調(diào)整值，并給出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖，列出電磁鐵及壓力繼電器的動作順序表。（2）集成油路裝配圖若選用油路板，應(yīng)將各元件畫在油路板上，便于裝配；若采用集成塊或疊加閥時(shí)，因有通用件，設(shè)計(jì)者只需選用，最后將選用的產(chǎn)品組合起來繪制成裝配圖。

（3）泵站裝配圖將集成油路裝置、泵、電動機(jī)與油箱組合在一起畫成裝配圖，表明它們的相互位置、安裝尺寸及總體外形。（4）畫出非標(biāo)準(zhǔn)專用件的裝配圖及零件圖。（5）管路裝配圖表示出油管的走向，注明管道的直徑及長度，各種管接頭的規(guī)格、管夾的安裝位置和裝配技術(shù)要求等。（6）電器線路圖表示出電動機(jī)的控制線路，電磁閥的控制線路、壓力繼電器和行程開關(guān)等。二、編寫技術(shù)文件包括液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，使用及維護(hù)技術(shù)說明書，零部件目錄表、標(biāo)準(zhǔn)件和通用件及外購件總表等。

§9.5液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算舉例以上料機(jī)的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例。動作：快速上升→慢速上升→停留→快速下降。已知條件：（1）工件1重量為5kN，滑臺2的重量為1kN。（2）快速上升行程350mm，速度45mm/s；（3）慢速上升行程100mm，速度8mm/s；（4）快速下降行程450mm，速度55mm/s。（5）其它：滑臺采用V形導(dǎo)軌，導(dǎo)軌面夾角900，滑臺與導(dǎo)軌的最大間隙2mm，啟動加速減速時(shí)間均為0.5s，液壓缸的機(jī)械效率η=0.91。一、負(fù)載分析1、工作負(fù)載

FL=FG=（5000+1000）=6000N2、摩擦負(fù)載

因工件是垂直起升，作用在導(dǎo)軌上的正壓力根據(jù)其間隙和結(jié)構(gòu)尺寸求得：FN=120N，取fs=0.2，fd=0.1，則靜摩擦負(fù)載：Ffs=33.94N

動摩擦負(fù)載：Ffd=16.97N3、慣性負(fù)載

加速Fa155.05N減速Fa245.26N制動Fa39.79N反向加速Fa467.28N反向制動Fa567.28N

根據(jù)以上計(jì)算，考慮液壓缸垂直安放，重量較大，為防止因自重自行下滑，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置平衡回路。故對快速向下運(yùn)動負(fù)載分析時(shí)，就不考慮滑臺2的重量，則液壓缸各階段的負(fù)載如下表所示（ηm=0.91）表9-3液壓缸各階段負(fù)載工況計(jì)算公式F（N）總負(fù)載液壓缸推力F（N）缸推力啟動F=Ffs+FL6033.94F=(Ffs+FL)/ηm6630.70加速F=Ffd+FL+Fa16072.02F=(Ffd+FL+Fa)/ηm6672.55快上F=Ffd+FL6016.97F=(Ffd+FL)/ηm6612.05減速F=Ffd+FL—

Fa25971.71F=(Ffd+FL—

Fa)/ηm6562.32慢上F=Ffd+FL6016.97F=(Ffd+FL)/ηm6612.05制動F=Ffd+FL—

Fa36007.18F=(Ffd+FL—

Fa)/ηm6601.30反向加速F=Ffs+Fa484.25F=(Ffs+Fa)/ηm92.58快下F=Ffd16.97F=Ffd/ηm18.65制動F=Ffd—

Fa5－50.31F=(Ffd—

Fa)/ηm－55.29二、負(fù)載圖及速度圖的繪制（圖9-4）按照負(fù)載分析結(jié)果及已知速度、行程等繪制。三、液壓缸主要參數(shù)的確定1、初選液壓缸的工作壓力因?yàn)樨?fù)載不大，初選液壓缸的工作壓力為2.00MPa。2、計(jì)算液壓缸的尺寸根據(jù)快上和快下的速度來確定活塞桿的直徑：d=26.86mm（按標(biāo)準(zhǔn)