第9章液壓系統(tǒng)設(shè)計

1、2021-9-241第第9章章 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計9.1 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算9.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計舉例液壓系統(tǒng)設(shè)計舉例2021-9-242液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它液壓傳動系統(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(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，效要求外，還應(yīng)當(dāng)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(hù)方便等條件率高，經(jīng)濟性好，使用維護(hù)方便等條件 下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟予以介紹下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟予以介紹 9.1 9.1 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)

2、計計算液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算2021-9-2431.1.明確設(shè)計要求、工作環(huán)境，進(jìn)行工況分析明確設(shè)計要求、工作環(huán)境，進(jìn)行工況分析 液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有：液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有： 運動方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運動平運動方式、行程、速度范圍、負(fù)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。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，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

3、高的可靠性、良好的空間布局及造型還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型（1 1）明確設(shè)計要求及工作環(huán)境明確設(shè)計要求及工作環(huán)境 2021-9-244工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的速度速度和和負(fù)載負(fù)載的的變化規(guī)律，必要時還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時間或位移變變化規(guī)律，必要時還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時間或位移變化的曲線圖化的曲線圖就缸而言，負(fù)載主要由六部分組成，即就缸而言，負(fù)載主要由六部分組成，即工作負(fù)載工作負(fù)載，導(dǎo)向摩擦負(fù)載導(dǎo)向摩擦負(fù)載，慣性負(fù)載慣性負(fù)載，重力負(fù)載重力負(fù)載，密封負(fù)載密封負(fù)載和和背壓背壓負(fù)載負(fù)載（2 2）執(zhí)行元件的工況分析）執(zhí)行元件的工況分析液壓缸各個主要

4、工作階段的機械負(fù)載液壓缸各個主要工作階段的機械負(fù)載 F F 可按下列公式計算可按下列公式計算2021-9-245空載啟動加速階段空載啟動加速階段: 快速階段快速階段: 工進(jìn)階段工進(jìn)階段: 制動減速制動減速: mgafFFFF/ )(mgfFFF/ )(mgwfFFFF/ )(mgawfFFFFF/ )(2021-9-246液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(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)濟的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理性、

5、經(jīng)濟性具有決定性的影響性具有決定性的影響2.2.液壓系統(tǒng)原理圖的擬定液壓系統(tǒng)原理圖的擬定（1 1）確定油路類型）確定油路類型一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開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(jìn)行補油，并借此進(jìn)式油路；相反，凡允許采用輔助泵進(jìn)行補油，并借此進(jìn)行冷卻交換來達(dá)到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。行冷卻交換來達(dá)到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常通常采用開式油路，采用開式油路，采用采用2021-9-247根據(jù)各類主機的工作特點、負(fù)載性質(zhì)和性能要求，先確定根據(jù)各類主機的工作特點、負(fù)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

6、回路，然后再考慮其它輔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。例如助回路。例如: : 對于機床液壓系統(tǒng)對于機床液壓系統(tǒng), ,是主要回路是主要回路 對于壓力機液壓系統(tǒng)，對于壓力機液壓系統(tǒng)，是主要回路是主要回路 有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮 （2 2） 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)要考慮慣性負(fù)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)要考慮有空載運行要求的系統(tǒng)要考慮等等2021-9-248將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的將挑選出來的各典型回路合并、整

7、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(hù)保養(yǎng)方便的安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖2021-9-249(3) (3) 液壓元件的計算和選擇液壓元件的計算和選擇結(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定執(zhí)行元件的排量或油缸面積1) 1) 執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定建議采用的執(zhí)行元件的形式 柱塞式液壓缸 與 齒

8、 輪 /齒條或螺母/絲杠機構(gòu) 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 活塞式液壓缸 高速液壓馬達(dá) 低速大扭矩液壓馬達(dá)高速液壓馬達(dá)帶減速器 擺動液壓缸 表9.1 選擇執(zhí)行元件的形式2021-9-2410工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。它的工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)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，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的強度，剛度及密封要求高

9、，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(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫θ∵m當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?) 2) 初選執(zhí)行元件的工作壓力初選執(zhí)行元件的工作壓力2021-9-2411確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D D和活塞桿的直徑和活塞桿的直徑d d，計算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定計算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定D D和和d 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(jìn)

10、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(jìn)行驗算，即應(yīng)保證：行驗算，即應(yīng)保證：驗算結(jié)果若不能滿足上式，則說明按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和驗算結(jié)果若不能滿足上式，則說明按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達(dá)不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計方案達(dá)不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計minminvqA式中式中：A A液壓缸工作腔的有效工作面積液壓缸工作腔的有效工作面積 q qminmin控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量 v vminmin液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度2021-9-24124) 4) 復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力當(dāng)

11、液壓缸的主要尺寸當(dāng)液壓缸的主要尺寸D D、d d計算出來以后，要按系列計算出來以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進(jìn)行一次復(fù)算有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進(jìn)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(fù)載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)負(fù)載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D D、d d確定之后，確定之后，取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒担纯汕蟪鰣?zhí)行元件工作腔的壓力取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力2021-9-2413對于單

12、桿液壓缸，其工作壓力對于單桿液壓缸，其工作壓力p p可按下列公式復(fù)算可按下列公式復(fù)算有桿腔進(jìn)油階段有桿腔進(jìn)油階段bpAAAFp212式中式中：F F液壓缸在各工作階段的最大機械總負(fù)載液壓缸在各工作階段的最大機械總負(fù)載 A A1 1 、A A2 2 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積 p pb b液壓缸回油路的背壓液壓缸回油路的背壓bpAAAFp121無桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段無桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段2021-9-24145) 5) 執(zhí)行元件的工況圖執(zhí)行元件的工況圖 即執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量、功率即執(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。

13、將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工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)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)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對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略2021-9-2415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)液壓先根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況確定泵的類

14、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lpppp式中：式中：pp執(zhí)行元件的最高工作壓力執(zhí)行元件的最高工作壓力 plpl進(jìn)油路上總的壓力損失進(jìn)油路上總的壓力損失1) 1) 液壓泵的最高供油壓力液壓泵的最高供油壓力液壓泵的最大供油量為：液壓泵的最大供油量為：2) 2) 確定液壓泵的最大供油量確定液壓泵的最大供油量maxqkqp式中：式中：KK系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取 K=1.1-1.3K=1.1-1.3； qmaxqmax同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值

15、 2021-9-2416液壓泵的規(guī)格型號按計算值在產(chǎn)品樣本選取，為了液壓泵的規(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，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通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%60%25%60%。泵的額定。泵的額定流量則宜與相當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率流量則宜與相當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率損失損失3) 3) 選擇液壓泵的規(guī)格型號選擇液壓泵的規(guī)格型號2021-9-2417驅(qū)動泵的電機根據(jù)驅(qū)動功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇驅(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

16、和流量在較多時間內(nèi)皆達(dá)到在整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內(nèi)皆達(dá)到最大工作值時，驅(qū)動泵的電動機功率為：最大工作值時，驅(qū)動泵的電動機功率為：4) 4) 選擇驅(qū)動液壓泵的電動機選擇驅(qū)動液壓泵的電動機pppqpP式中：式中： p p液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本液壓泵的總效率，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性曲線拐點處的功率來計算 工作中泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出各個階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段所需的驅(qū)動

17、功率，然后求其均方根值即可2021-9-2418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，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取；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)定性要求流量閥還需考慮最小穩(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，油管的規(guī)格尺寸

18、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，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2021-9-24193. 3. 液壓系統(tǒng)技術(shù)性能的驗算液壓系統(tǒng)技術(shù)性能的驗算液壓系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，需要對它的主要性能加以驗液壓系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，需要對它的主要性能加以

19、驗算，以便評判其設(shè)計質(zhì)量，并改進(jìn)和完善液壓系統(tǒng)算，以便評判其設(shè)計質(zhì)量，并改進(jìn)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部壓力損失，它們的計算公式詳見液壓流體力學(xué)液壓流體力學(xué)，管路總，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和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(jìn)行概略地估過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進(jìn)行概略地估算算2021-9-2420液壓系統(tǒng)

20、在工作時，有壓力損失，容積損失和機械損液壓系統(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)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輸出功率之差2021-9-2421一般情況下，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，即平均發(fā)熱量為各個工作周期發(fā)熱量的時均值，即inioiiitPPt1)(1式中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)的輸入功率 第個工作階段系統(tǒng)的輸出功率第個工作階段系統(tǒng)的輸出功率 工作循環(huán)周期工作循環(huán)周期 第個工作階段的持續(xù)時間第個工作階段的持續(xù)時間 iiPoiPtitn2021-9-2422液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，主要經(jīng)油箱散發(fā)到空氣中液壓系統(tǒng)