第九章 液压系统的设计与计算

1. 第九章 液压系统的设计与计算

2. 第九章 液压系统的设计与计算 液压系统的设计步骤和方法 液压系统设计计算实例

3. 第一节 液压系统的设计步骤和方法方法 液压系统的主要设计步骤如下: ⑴　明确液压系统的设计要求； ⑵　选定执行元件，进行工况分析，明确系统的主参数； ⑶　拟定液压系统原理图； ⑷　计算和选择液压元件； ⑸　液压系统性能验算和绘制工作图、编制技术文件。

4. 一、 液压系统设计要求 在设计液压系统前需明确以下几方面的内容： 1. 明确主机哪些动作需要液压系统来完成。 2. 对液压系统的动作和运动要求。根据主机的设计要求，确定液压执行元件的数量、运动形式、工作循环、行程范围及各执行元件动作的顺序、同步、联锁等要求。 3. 确定液压执行元件承受的负载和运动速度的大小及其变化范围。 4. 对液压系统的性能要求，如调速性能、运动平稳性、转换位置精度、效率、温升、自动化程度、可靠性程度、使用与维修的方便性。 5. 液压系统的工作条件，如温度、湿度、振动干扰，外形尺寸、经济性等要求。

5. 二、液压系统的工况分析和系统的确定 对执行元件负载分析与运动分析，也称为液压系统的工况分析。工况分析就是分析每个液压执行元件在各自工作过程中负载与速度的变化规律，一般执行元件在一个工作循环内负载、速度随时间或位移而变化的曲线——用负载循环图和速度循环图表示。 1. 负载分析 液压缸与液压马达运动方式不同，但他们的负载都是由工作负载、惯性负载、摩擦负载、背压负载等组成的。 (1) 工作负载FW包括切削力、夹紧力、挤压力、重力等，其方向与液压缸运动方向相反时为正，相同时为负；

6. (2) 惯性负载Fa为运动部件在启动和制动时的惯性力，加速时为正，减速时为负； (3) 摩擦负载包括导轨摩擦阻力Ff和密封装置处的摩擦力Fs，前者在确定摩擦系数后即可计算，后者与密封装置类型、液压缸制造质量和液压油压力有关，一般通过取机械效率ηm =（0.90～0.97）来考虑； (4) 背压负载Fb是液压缸回油路上压力pb所产生的阻力，初算时可暂不考虑，需要估算时背压力pb 2. 运动分析 按各执行元件在工作中的速度v以及位移s或经历的时间t绘制v－s或v－t速度循环图。

7. 三、确定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数——工作压力和流量是选择液压元件的主要依据，而系统的工作压力和流量分别取决于液压执行元件工作压力、回路上压力损失和液压执行元件所需流量、回路泄漏，所以确定液压系统的主要参数实质上是确定液压执行元件的主要参数。 1. 初选液压系统的主要参数 执行元件工作压力是确定其结构参数的重要依据。工作压力选得低一些，对液压系统工作平稳性、可靠性和降低噪声等都有利，但对液压系统和元件的体积、重量就相应增大；工作压力选得过高，虽然液压元件结构紧凑，但对液压元件材质、制造精度和密封要求都相应提高，制造成本也相应提高。执行元件的工作压力一般可根据负载进行选择。

8. 2. 确定执行元件的主要结构参数 （1）确定液压缸主要结构参数 根据负载分析得到的最大负载Fmax和初选的液压缸工作压力p，再设定液压缸回油腔背压pb以及杆径比d/D，即可由第四章中液压缸的力平衡公式来求出缸的内径D、活塞杆直径d和缸的有效工作面积A,其中D、d值应圆整为标准值 。 （2）确定液压马达排量VM由马达的最大负载扭矩Tmax、初选的工作压力p和预估的机械效率ηMm ，即可计算马达排量VM

9. 四、液压系统图的拟定 拟定液压系统图是整个液压系统设计中最重要的一步。它是从油路原理上来具体体现设计任务中提出的各项性能要求的。拟定液压系统包括两项内容： ⑴　分析、对比选出合适的液压回路； ⑵　把选出的回路组成液压系统：常采用经验法，也可用逻辑法。 1. 液压回路的选择 选择液压回路的依据是前面的设计要求和工况图，这一步往往会出现多种方案，因为满足同一种设计要求的液压回路往往不只一种；为此选择必须与分析、对比紧密结合起来进行，在这里，收集、整理和参考同种类型液压系统先进回路的成熟经验是十分必要的。

10. 例如在机床液压系统中，调速回路是核心，它一旦确定，其它回路就对应确定下来了。因为液压回路的选择工作必须从调速回路开始。选择各种回路一般考虑如下事项：例如在机床液压系统中，调速回路是核心，它一旦确定，其它回路就对应确定下来了。因为液压回路的选择工作必须从调速回路开始。选择各种回路一般考虑如下事项： （1）调速回路 根据工况图上压力、流量和功率的大小以及系统对温升、工作平稳性等方面的要求选择调速回路。 （2）快速运动回路和速度换接回路 快速运动回路与调速回路密切相关，它在调速回路考虑油源形式和系统效率、温升等因素时已考虑进去了，调速回路一经确定，快速回路基本上也就确定了。

11. （3）压力控制回路 压力控制回路种类很多，有的已包含在调速回路中，有的则须根据系统要求专门进行选择（如卸压、保压回路）。 选择各种压力控制回路时，应仔细推敲这种回路在选用时所须考虑的问题以及各种方案的特点和适用场合。以卸荷回路为例：选择时要考虑卸荷所造成的功率损失、温升、流量和压力的瞬间变化等，为此系统压力不高，流量不大，或油箱容量较大，系统间隙工作（因而有可能使液压缸停止运转）的场合只设置溢流回路就可以了，在其它的场合则须采用二位二通换向阀式卸荷回路或先导型溢流阀式卸荷回路等等。 （4）多缸回路 多缸回路与单缸回路相比，须多考虑一个多缸之间的相互关系问题，这项关系不外是同时动作时的同步问题，互不干扰问题，先后动作时的顺序问题和不动作时的卸荷问题。

12. 2. 液压系统的合成 液压系统要求的各个液压回路选好之后，再配上一些测压，润滑之类的辅助油路，就可以进行液压系统的合成了，进行这步工作时须注意以下几点： （1）尽可能多的归并掉作用相同或相近的元件，力求系统结构简单。 （2）并出来的系统应保证其循环中的每一个动作都安全可靠，相互之间没有干扰。 （3）尽可能使归并出来的系统保持效率高，发热少。 （4）系统中各种元件的安放位置应正确，以便充分发挥其工作性能。 （5）归并出来的系统应经济合理，不可盲目追求先进，脱离实际。

13. 五、液压元件的计算和选择 液压元件的计算主要是计算元件工作压力和通过的流量，此外还有电机效率和油箱容量。元件应尽量选用标准元件，只有在特殊情况下才设计专用元件。 1. 确定液压泵的容量及驱动电机的功率 （1）计算液压泵的工作压力 液压泵的工作压力是根据执行元件的工作性质来确定的：若执行元件在工作行程终点，运动停止时才需要最大压力，这时液压泵的工作压力就等于执行元件的最大压力。 （2）计算液压泵的流量 分单液压泵供油 、差动连接 、蓄能器储存油液三种情况。

14. 2. 选择液压泵的规格 前面计算的pp仅是系统的静态压力。系统在工作过程中常因过渡过程内的压力超调或周期性的压力脉动而存在着动态压力，其值远远超过静态压力。所以液压泵的额定压力应比系统最高压力大出25%～60%。至于液压泵的q应与系统所需的最大流量相适应。 3.驱动电机的功率 4.确定其它元件的规格 （1）选择控制阀 控制阀的规格是根据系统最高压力和通过该阀的实际流量在标准元件的产品样本中选取的。 （2）确定管道尺寸 （3）确定油箱容量

15. 六、液压系统性能的估算 液压系统设计完成之后，需要对它的技术性能进行验算，以便判断其设计质量或从几个方案中选出最好的设计方案。 1.系统压力损失验算 在系统管路布置确定后，即可计算管路的沿程压力损失⊿pλ、局部压力损失⊿pξ和液流流过阀类元件的局部压力损失⊿pv，他们的计算公式详见第二章。管路中总的压力损失为 ∑⊿p=⊿pλ+⊿pξ+⊿pv

16. 2.系统发热温升的验算 液压系统中所有的能量损失将转变为热量，使油温升高、系统泄漏增大，影响系统正常工作。若系统的输入功率为Pi，输出功率为Po，则单位时间的发热量Hi为 Hi=Pi-Po= Pi(1-η) 系统中产生的热量由各个散热面散发至空气中去，但绝大部分热量是经油箱散发的。油箱在单位时间内的散热量可按下式计算 Ho=KA⊿t 一般机械允许油液温升25～30，数控机床油液温升应小于25，工程机械等允许油液温升35～40。