第8章液壓系統(tǒng)設計

第8章液壓系統(tǒng)設計液壓系統(tǒng)的設計原則和依據(jù)8.1液壓系統(tǒng)的工況分析和主要參數(shù)的確定8.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證8.3

液壓系統(tǒng)的設計步驟如下。

（1）明確設計原則和依據(jù)。

（2）進行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)。

（3）進行系統(tǒng)方案論證，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。（4）計算和選擇液壓元件。（5）驗算液壓系統(tǒng)的主要性能。（6）繪制工作圖，編制技術文件。8.1液壓系統(tǒng)的設計原則和依據(jù)1．液壓系統(tǒng)的設計原則

注意吸收國內(nèi)外先進技術，力求設計出重量輕、體積小、成本低、效率高、結構簡單、性能良好及操作方便的液壓裝置。2．液壓系統(tǒng)的設計依據(jù)

（1）主機的用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境及總體布局等。

（2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動作，動作順序及彼此間的聯(lián)鎖關系等。

（3）液壓驅(qū)動機構的運動形式及運動速度。

（4）各動作機構的載荷大小及其性質(zhì)。

（5）對液壓系統(tǒng)性能（如工作平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等）、工作效率、自動化程度等方面的要求。

（6）自動化程序及操作控制方式的要求。

（7）對防塵、防爆、防寒、噪聲及安全可靠性的要求。

（8）對效率及成本等方面的要求。8.2液壓系統(tǒng)的工況分析和主要參數(shù)的確定8.2.1液壓系統(tǒng)的工況分析1．運動分析名稱特點應用場合雙桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度相同，桿受力狀態(tài)相同雙向工作的往復運動單桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度不相同，桿受力狀態(tài)不同。差動連接時可實現(xiàn)快速運動往復不對稱直線運動表8-1

液壓執(zhí)行元件的類型

名稱特點應用場合柱塞缸結構簡單長行程、單向工作擺動缸單葉片缸轉(zhuǎn)角小于300°，雙葉片缸轉(zhuǎn)角小于150°往復擺動運動齒輪、葉片馬達結構簡單、體積小、慣性小高速小轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動軸向柱塞馬達運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動徑向柱塞馬達結構復雜、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動續(xù)表2．負載分析

（1）液壓缸的負載計算。（8-1）

①工作負載Fw

即Fw＝f（t），需根據(jù)具體情況分析決定。

②慣性負載Fm

（8-2）

式中，m為運動部件總質(zhì)量；a為加速度；Δv為Δt時間內(nèi)速度的變化量；Δt為啟動或制動時間，一般機械系統(tǒng)取0.1～0.5s，行走機械系統(tǒng)取0.5～1.5s，機床運動系統(tǒng)取0.25～0.5s，機床進給系統(tǒng)取0.05～0.2s。工作部件較輕或運動速度較低時取小值。

③導向摩擦阻力Ff

對于平導軌（8-3）

對于V形導軌（8-4）

④重力負載Fg

當工作部件垂直或傾斜放置時，自重也是一種負載；當工作部件水平放置時，F(xiàn)g=0。

⑤背壓負載Fb

液壓缸運動時還必須克服回油路壓力形成的背壓阻力Fb，其值為（8-5）

中低壓系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)取0.2～0.5MPa，回油路有調(diào)速閥或背壓閥的系統(tǒng)取0.5～1.5Mpa，采用補油泵補油的閉式系統(tǒng)取1.0～1.5MPa，采用多路閥的復雜中高壓工程機械系統(tǒng)取1.2～3.0MPa。

⑥液壓缸自身的密封阻力Fsf

液壓缸工作時還必須克服其內(nèi)部密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力Fsf，其值與密封裝置的類型、油液工作壓力，特別是液壓缸的制造質(zhì)量有關，計算比較繁瑣，一般將它計入液壓缸的機械效率ηm中考慮，通常取ηm＝0.90～0.97。

（2）液壓缸運動循環(huán)各階段的負載。

啟動時

（8-6）

加速時

（8-7）

恒速運動時

（8-8）

減速制動時

（8-9）3．工作負載圖圖8-1某液壓缸的速度圖和負載圖

8.2.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定1．系統(tǒng)工作壓力的確定負載/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50系統(tǒng)壓力/MPa＜0.8～l1.6～22.5～33～44～5＞5～7表8-2 按負載選擇系統(tǒng)工作壓力設備類型機床農(nóng)業(yè)機械汽車工業(yè)小型工程機械及輔助機械工程機械重型機械鍛壓設備液壓支架船用系統(tǒng)磨床組合機床牛頭刨床插床齒輪加工機床車床銑床鏜床珩磨機床拉床龍門刨床壓力/MPa＜2.5＜6.32.5～6.3＜1010～1616～3214～25表8-3 按主機類型選擇系統(tǒng)工作壓力2．執(zhí)行元件參數(shù)的確定3．執(zhí)行元件流量的確定（8-10）（8-11）4．執(zhí)行元件的工況圖

（1）液壓泵和各種控制閥的規(guī)格是根據(jù)工況圖中的最大壓力和最大流量選定的。

（2）液壓系統(tǒng)中的基本回路及其油源形式主要是根據(jù)工況圖中不同階段內(nèi)的壓力和流量變化情況選擇出來后，再通過分析比較后確定的。

（3）將工況圖所反映的情況與調(diào)研得來的參考方案進行對比，可以對原來設計參數(shù)的合理性作出鑒別、對各參數(shù)值進行調(diào)整。例如，在工藝情況允許的條件下，調(diào)整有關工作階段的時間和速度，以減少所需的功率；當功率分布很不均勻時，適當修整參數(shù)，以避開或削減功率“峰值”等。圖8-2液壓缸的工況圖8.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證1．選擇系統(tǒng)的類型

系統(tǒng)有開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種類型。

選擇系統(tǒng)的類型主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。2．選擇液壓基本回路

選擇基本回路時，首先要抓住各類機器的液壓系統(tǒng)的主要矛盾。3．液壓系統(tǒng)的合成

合成液壓系統(tǒng)時應特別注意以下幾點。

（1）防止回路間可能存在的相互干擾。

（2）系統(tǒng)應力求簡單，并將作用相同或相近的回路合并，避免存在多余回路。系統(tǒng)要安全可靠，要有安全、聯(lián)鎖等回路，力求控制油路可靠。

（3）組成系統(tǒng)的元件要盡量少，并應盡量采用標準元件，減少自行設計的專用件。

（4）組成系統(tǒng)時還要考慮節(jié)省能源，提高效率，減少發(fā)熱，防止液壓沖擊。

（5）測壓點分布合理。8.4計算和選擇液壓元件8.4.1液壓泵的確定與驅(qū)動功率的計算 1.確定液壓泵的最大工作壓力和流量（8-12）

取ΣΔp

＝0.5～1.5MPa。（8-13） 2．確定原動機的功率（8-14）

式中，ηp為液壓泵的總效率，齒輪泵ηp＝0.6～0.8，葉片泵ηp＝0.7～0.8，柱塞泵ηp＝0.8～0.85。具體數(shù)值可參閱產(chǎn)品樣本。（8-15）8.4.2液壓控制閥的選擇

選擇壓力控制閥時，應考慮壓力閥的壓力調(diào)節(jié)范圍、流量變化范圍、所要求的壓力靈敏度和平穩(wěn)性等。

特別是溢流閥的額定流量必須滿足液壓泵最大流量的要求。

選擇流量控制閥時，應考慮流量閥的流量調(diào)節(jié)范圍、流量—壓力特性、最小穩(wěn)定流量、壓力補償要求或溫度補償要求，以及對油液過濾精度的要求，同進還應考慮閥進、出口壓差大小及閥內(nèi)泄漏量的大小等。

選擇方向控制閥時，應考慮方向閥的換向頻率、響應時間、操作方式、滑閥機能、閥口壓力損失及閥內(nèi)泄漏量的大小等。

對于單桿液壓缸系統(tǒng)，若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作用面積的幾倍，當有桿腔進油時，則回油流量為進油流量的幾倍，此時，應以幾倍的流量來選擇方向控制閥。

通過各類閥件的實際流量最多不應超過其公稱流量的120%，以免引起發(fā)熱、噪聲和過大的壓降損失。8.4.3液壓輔件的計算與選擇1．確定管道尺寸

（1）管內(nèi)油液的推薦流速。對于液壓泵吸油管道一般取1m/s以下；系統(tǒng)壓力管道一般取3～6m/s，壓力高、管道短、黏度小時取大值；系統(tǒng)回油管道一般取1.5～2.6m/s。（2）管道內(nèi)徑的計算。（8-16）（3）管道壁厚的計算。（8-17）2．確定油箱容量V=αqp

（8-18）8.5液壓系統(tǒng)性能驗算8.5.1液壓系統(tǒng)壓力損失驗算（8-19）8.5.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗算1．液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率

（1）液壓泵的損失功率為（8-20）

（2）液壓執(zhí)行元件的損失功率為（8-21）

（3）溢流閥的損失功率為（8-22）

（4）節(jié)流功率損失為（8-23）

（5）液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率為（8-24）（8-25）或2．液壓系統(tǒng)的散熱功率（8-26）

式中，

為油溫與環(huán)境溫度之差（℃）；A為油箱散熱面積（m2）；K為油箱散熱系數(shù)（W/m2·℃），其值按表8-4選擇。散熱條件通風條件較差通風條件良好用風扇冷卻循環(huán)水強制冷卻散熱系數(shù)8～915～1723110～175表8-4 油箱散熱系數(shù)K值8.6繪制正式工作圖、編制技術文件

經(jīng)過對液壓系統(tǒng)性能的驗算和必要的修改之后，便可繪制正式工作圖，它包括正式的液壓系統(tǒng)原理圖、液壓站裝配圖（包括油箱裝配圖、液壓泵機架、集成塊裝配圖等）、液壓裝置的總體結構圖、管路布置圖以及各種非標準元件的零件圖等。8.7液壓系統(tǒng)設計計算實例8.7.1負載分析1．工作負載（8-28）

對13.9mm的孔來說

n1＝360r/min，s1＝0.147mm/r

對8.5mm的孔來說

n2＝550r/min， s2＝0.096mm/r2．慣性負載（N）3．阻力負載

靜摩擦阻力

（N）

動摩擦阻力

（N）

液壓缸的機械效率取ηm=0.9，由此得出液壓缸在各工作階段的負載如表8-5所示。4．負載圖和速度圖的繪制圖8-3組合機床液壓缸的負載圖和速度圖工況負載組成負載值F（N）推力（N）啟動F＝Ffs19622180加速F＝Ffd＋Fm15641500快進F＝Ffd9811090工進F＝Ffd＋Ft3144934943快退F＝Ffd9811090表8-5 液壓缸在各工作階段的負載值8.7.2液壓缸主要參數(shù)的確定工況負載F（N）回油腔壓力p2（MPa）進油腔壓力p1（MPa）輸入流量q（L/min）輸入功率P（kW）計算式快進（差動）啟動218000.434——p1=(F+A2Δp)/(A1

?A2)q=(A1?A2)

P=p1q回速1738p2=p1+Δp(Δp=0.5MPa)0.791——恒速10900.66235.190.39工進349430.84.0540.50.034p1=(F+p2Δ

2)/A1q=A1υ2P=p1q快退啟動218000.487——p1=(F+p2A1)/A2q=A2υ2P=p1q加速17380.51.45——恒速10901.30531.340.68表8-6 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值8.7.3液壓系統(tǒng)圖的擬定1．液壓回路的選擇

（1）調(diào)速回路的選擇。

（2）快速運動和換向回路的選擇。

（3）速度換接回路的選擇

（4）壓力控制回路的選擇。2．液壓回路的綜合

（1）為了解決滑臺工進時圖中進油路、回油路相互接通，無法建立壓力的問題，必須在液動換向回路中串接一個單向閥a，將工進時的進油路、回油路隔斷。

（2）為了解決滑臺快速前進時回油路接通油箱，無法實現(xiàn)液壓缸差動連接的問題，必須在回油路上串接一個液控順序閥b，以阻止油液在快進階段返回油箱。

（3）為了解決機床停止工作時系統(tǒng)中的油液流回油箱，導致空氣進入系統(tǒng)，影響滑臺運動平穩(wěn)性的問題，另外考慮到電液換向閥的啟動問題，必須在電液換向閥的出口處增設一個單向閥c。在泵卸荷時，使電液換向閥的控制油路保持滿足換向要求的壓力。

（4）為了便于系統(tǒng)自動發(fā)出快速退回信號，在調(diào)速閥輸出端需增設一個壓力繼電器d。

（5）如果將順序閥b和背壓閥的位置對調(diào)一下，就可以將順序閥與油源處的卸荷閥合并。經(jīng)過修改、整理后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖8-7所示。圖8-6液壓回路的綜合和整理

1—雙聯(lián)葉片泵（1A—小流量泵1B—大流量泵）；2—電液換向閥；3—行程閥；4—調(diào)速閥；5—單向閥；

6—液壓缸；7—卸荷閥；8—背壓閥；9—溢流閥；10—單向閥；11—過濾器；12—壓力表開關；

a—單向閥；b—順序閥；c—單向閥；d—壓力繼電器圖8-7整理后的液壓系統(tǒng)圖

1—雙聯(lián)葉片泵；2—三位五通電液換向閥；3—行程閥；4—調(diào)速閥；5—單向閥；6—單向閥；7—液控順序閥；8—背壓閥；

9—溢流閥；10—單向閥；11—過濾器；12—壓力表開關；13—單向閥；14—壓力繼電器；15—液壓缸8.7.4液壓元件的選擇1．液壓泵（MPa）

（MPa）

（L/min）

（kW）

2．閥類元件及輔助元件序號元件名稱

流量型號規(guī)格生產(chǎn)廠家1雙聯(lián)葉片泵—PV2R1214MPa,36和6L/min阜新液壓件廠2三位五通電液換向閥7535DY3Y—E10B16MPa,通徑10高行液壓件廠3行程閥84AXQF—E10B4調(diào)速閥＜15單向閥756單向閥44AF3—En10B7液控順序閥35XF3—E10B8背壓閥＜1YF3—E10B9溢流閥35AF3—E10B10單向閥35AF3—En10B表8-7 元件的型號及規(guī)格序號元件名稱

流量型號規(guī)格生產(chǎn)廠家11過濾器40YYL—105—1021MPa,90L/min新鄉(xiāng)116廠12壓力表開關—KF3—E3B16MPa，3測點無錫穆格公司13單向閥75AF3—Ea20B16MPa,通徑20高行液壓件廠14壓力繼電器—PF—B8C14MPa,通徑8榆次液壓件廠續(xù)表3．油管快進工進快退輸入流量（L/min）q1=(A1q