第十一章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算

液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算山東科技大學(xué)機電控制與智能裝備研究所液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算明確設(shè)計要求,進行工況分析擬定液壓系統(tǒng)原理圖計算和選擇液壓元件驗算液壓系統(tǒng)的性能；

繪制工作圖，編寫技術(shù)文件主要內(nèi)容教學(xué)要求了解液體系統(tǒng)設(shè)計計算的方法明確設(shè)計要求，進行工況分析一、明確對液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

1)主機的用途、類型、工藝過程及總體布局，要求用液壓傳動完成的動作和空間位置的限制；2)對液壓系統(tǒng)動作和性能要求，如工作循環(huán)，運動方式（往復(fù)直線運動或旋轉(zhuǎn)運動、同步、順序或互鎖等要求），自動化程度，調(diào)速范圍，運動平穩(wěn)性和精度，負載狀況，工作行程等；3)工作環(huán)境：如溫度、濕度、污染、腐蝕及易燃等情況；4)其他要求：如可靠性，經(jīng)濟性等。

主機的動作要求：哪些動作、動作間有無聯(lián)系、自動循環(huán)等。主機可能對液壓系統(tǒng)提出許多要求，設(shè)計這應(yīng)在了解主機用途、工作過程和總體布局的基礎(chǔ)上對這些要求做出分析。性能要求：力和運動方面的要求、力和速度的大小、調(diào)速的范圍、速度的穩(wěn)定性以及完成一個循環(huán)的時間等。現(xiàn)代化機械要求高精度、高生產(chǎn)力以及高度自動化，這不僅要求其液壓系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)指標，還常對其動態(tài)指標提出要求。一、明確對液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境

工作環(huán)境的溫度和濕度，污染和振動沖擊情況以及是否有腐蝕性和易燃性物質(zhì)存在等問題均應(yīng)有明確答案。這涉及液壓元件和介質(zhì)的選用。必要時設(shè)計中還應(yīng)附加防護措施。其他要求

如液壓裝置在重量、外形尺寸方面的限制以及經(jīng)濟性、能耗方面的要求等。一、明確對液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)工況分析：分析主機在工作過程中速度和負載的變化規(guī)律，即進行運動分析和負載分析。對于動作復(fù)雜的機械需繪制速度循環(huán)圖和負載循環(huán)圖，簡單的系統(tǒng)可以不繪圖，但需要找出其最大負載和最大速度點。對主機進行負載和運動分析，確定負載和速度在整個工作循環(huán)中的變化規(guī)律，計算執(zhí)行元件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)：工作壓力和最大流量。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

主機工作過程中，其執(zhí)行機構(gòu)所要克服的負載包括：工作負載（切削力、注射力、壓力等）、慣性負載和阻力負載（摩擦力、密封阻力、背壓阻力等）。1、運動分析2、負載分析

根據(jù)工況要求，將執(zhí)行元件在各階段所需克服的負載用圖表示出來。一般用負載—時間（F-t）或負載—位移（F-s）曲線表示，稱為負載循環(huán)圖。（1）液壓缸的負載分析用液壓缸帶動主機執(zhí)行機構(gòu)作直線往復(fù)運動時，所需克服的外負載動力為：

FL=F+Ff＋Fa二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)a.工作負載F

不同機械的工作負載其形式各不同。對于金屬切削機床，作用在運動部件運動方向上的切削力是工作負載；而對于提升機械，其重物的重量就是工作負載。工作負載可以是恒定的，也可以是變化的；可能是正值負載，也可能是負值負載。b.摩擦阻力負載Ff

摩擦阻力負載是指主機執(zhí)行機構(gòu)在運動時所需克服的支承面上的摩擦力。Ff=Ni

i式中Ni—作用在第i個支承面上的法向力；

i—該支承面的摩擦系數(shù)。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)c.慣性負載Fa

慣性負載是指運動部件啟動或制動過程中的慣性力?？砂磁ｎD第二定律計算：Fa=ma=(G/g).(v/t)液壓缸運動時還需克服密封裝置的摩擦阻力，其大小與密封形式、液壓缸的制造質(zhì)量和工作壓力有關(guān)。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)（2）液壓馬達負載分析

以液壓馬達為執(zhí)行元件時，液壓馬達需克服的外負載為：

ML=M+Mf+Ms式中M—工作負載折合到液壓馬達上的力矩；Mf—執(zhí)行機構(gòu)等的摩擦力折合到液壓馬達上的力矩；Ms—執(zhí)行機構(gòu)、運動裝置和液壓馬達等在啟動和制動時的慣性力折合到液壓馬達上的力矩的總和。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)3、確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)（1）選定工作壓力

工作壓力的選定關(guān)系到設(shè)計出和系統(tǒng)是否經(jīng)濟合理；工作壓力低，則要求執(zhí)行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系統(tǒng)所需流量也大；壓力過高，則對元件的制造精度和系統(tǒng)的使用維護要求提高，并使容積效率降低。一般是根據(jù)機械的類型來選擇工作壓力。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)3、確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)（1）選定工作壓力二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)（2）液壓缸有效面積的確定從滿足負載力的要求出發(fā)

A=FL/

cmp當工作速度很低時，按上式計算出的工作面積不一定能滿足最低穩(wěn)定速度的要求，因此應(yīng)按最低運動速度來進行驗算，即液壓缸的有效工作面積應(yīng)滿足下式：

qmin/A≤vmin如驗算結(jié)果不能滿足要求，則液壓缸有效工作面積按上式選取。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)（3）液壓馬達每轉(zhuǎn)排量的確定從滿足負載力矩的要求出發(fā)q=2ML/p.

Mm必要時，也需按最低轉(zhuǎn)速要求進行驗算，即qmin/Vm≤nmin二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)4.繪制液壓執(zhí)行元件工況圖執(zhí)行元件工況圖：壓力循環(huán)圖流量循環(huán)圖功率循環(huán)圖。二、分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)從而找出最高壓力點、最大流量點和最大功率點。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖1、執(zhí)行元件的類型2、調(diào)速方案3、控制方案4、系統(tǒng)安全可靠性5、節(jié)約能量6、其它1、執(zhí)行元件的類型

根據(jù)主機部件所要求的運動形式，確定采用液壓缸還是液壓馬達作為執(zhí)行元件。主機要求往復(fù)運動，則選用液壓缸；主機要求連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動，則應(yīng)選用液壓馬達。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖2、調(diào)速方案

調(diào)速方案：主要是根據(jù)調(diào)速范圍、功率大小、低速穩(wěn)定性、允許的溫升以及投資的多少等因素來考慮選用。

節(jié)流調(diào)速：結(jié)果簡單，投資少，調(diào)速范圍大，低速穩(wěn)定性好，但系統(tǒng)效率低。故在功率不大，溫升限制不嚴的情況下優(yōu)先考慮。容積調(diào)速：在功率較大的中高壓系統(tǒng)中，以采用容積調(diào)速為宜。但在某些功率不大的系統(tǒng)中，也常用容積調(diào)速容積節(jié)流調(diào)速：如果同時對低速穩(wěn)定性有較高要求，則可采用容積節(jié)流調(diào)速。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖3、控制方案

控制方式主要根據(jù)主機工藝要求來確定。多路閥：執(zhí)行機構(gòu)較多的工程機械、工程船舶以及起重機械等設(shè)備則可采用多路閥。行程控制：動作可靠，是一種最通用的控制方式；合理地使用壓力控制可以簡化系統(tǒng)，但在一個系統(tǒng)內(nèi)不宜多次使用；

時間控制：不單獨使用，往往和行程或壓力控制組合使用。按不同控制方式設(shè)計出的系統(tǒng)、其繁簡程度可能差別很大。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖4、系統(tǒng)安全可靠性

防止過載：安全閥是必不可少的。

平衡與制動：為避免垂直運動部件在系統(tǒng)失壓情況下自由下落，在回油路中增加平衡閥或液控單向閥是常用措施。用于起重機的液壓馬達除了有平衡回路外，還有機械制動裝置以確保安全。

防止互相干擾：在用一個泵供給兩個以上執(zhí)行元件運動時，系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)防止互相干擾。

過濾：在系統(tǒng)中合理地配置濾油器，是其長期工作重要保證。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖5、節(jié)約能量

容積調(diào)速固然減少能耗，但雙泵供油及增加蓄能器等也能達到相當好的效果。為了減少能耗，有時需增加一些投資，但考慮到長期運行所需的費用及社會效益，這樣做仍是可取的。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖6、其它如盡量采用標準元件以縮短設(shè)計和制造周期降低成本等。三、擬定液壓系統(tǒng)原理圖四、計算和選擇液壓元件1、選擇液壓泵2、選擇控制閥3、選取液壓附件4、驗算液壓系統(tǒng)性能1、選擇液壓泵1）計算液壓泵的工作壓力

泵的工作壓力是執(zhí)行元件工作壓力以及管道壓力損失之和。對液壓馬達或兩腔工作面積相等的液壓缸，則有：

ps=p+p四、計算和選擇液壓元件對于兩腔工作面積不等液壓缸：Ps=FL/cm+pi+(A2/A1)p0

管道中的壓力損失：沿程損失和局部損失。流經(jīng)各種閥類：壓力損失則以局部損失為主并且它在全部壓力損失中占有較大的比重。四、計算和選擇液壓元件

在額定流量下流經(jīng)各種閥類的壓力損失可由產(chǎn)品樣本查得。當流經(jīng)閥的實際流量為時，其實際壓力損失可按下式估算。p=pr(Q/Qr)2對于壓力損失較為準確的估算，只有在系統(tǒng)的閥類元件規(guī)格以及管道尺寸選定后才能進行?，F(xiàn)階段只能進行粗細估算。四、計算和選擇液壓元件2）計算泵的流量液壓泵的流量Qp為：QpK(

Q)max對于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如果最大流量點處于調(diào)速狀態(tài)，則泵的供油量中還要增加溢流閥的最小溢流量。系統(tǒng)中有蓄能器時，則泵的流量按一個工作循環(huán)的平均流量選取，即：Qp(K/T).

Qitin四、計算和選擇液壓元件i=13）選取液壓泵規(guī)格參照產(chǎn)品樣本選取其額定壓力比p，高25~60%，其流量與上述計算結(jié)果一致的液壓泵。四、計算和選擇液壓元件4）計算功率，選用原動機（1）按工作循環(huán)中最高功率點選用，即

N=(psQp)max/

p式中N—原動機功率；

(psQp)max—泵的壓力和流量乘積的最大值；

p—泵的總效率。對齒輪泵取0.60~0.75，柱塞泵取0.80~0.85。四、計算和選擇液壓元件（2）如果帶動泵的原動機為電動機，而在一個循環(huán)中泵的功率變化較大，且最高功率點持續(xù)的時間很短，則按前式的計算結(jié)果來選電動機，功率就會偏大，不經(jīng)濟。在在這種情況下，可根據(jù)電動機允許的發(fā)熱來選取電動功率。先算出循環(huán)中各階段所需功率，即：N1=p1Q1/

p1N2=p2Q2/p2

……Nn=pnQn/pn四、計算和選擇液壓元件則電動機功率為：N=[(N12t1+N22t2+……+Nn2tn)/(t1+t2+……tn)]1/2

將兩式的計算結(jié)果進行比較，如果最大功率在電動機超載能力范圍內(nèi)（一般為25%）。則可按第二式選取電機。四、計算和選擇液壓元件2、選擇控制閥

一般要求控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量。必要時，通過的流量可略大于該閥的額定流量，但一般不超過20%，以避免壓力損失過大，引起油液發(fā)熱、噪聲和其它性能惡化。

流量閥按系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)范圍來選取，其最小穩(wěn)定流量應(yīng)能滿足機器性能的要求。四、計算和選擇液壓元件3、選取液壓附件

濾油器、蓄能器、和管接頭等可按第五章中有關(guān)原則選取。選取油管和管接頭時比較簡便的辦法是使它們的通徑和閥的通徑一致。

油箱既有儲油又有散熱的作用，因此必須有足夠容積和散熱面積。油箱容積的推薦數(shù)值如下：

低壓系統(tǒng)（p<2.5MPa,V=(2~4)Qp中壓系統(tǒng)(p<6.3MPa),V=(5~7)Qp中高壓系統(tǒng)(p>6.3MPa),V=(6~12)Qp結(jié)束四、計算和選擇液壓元件五、驗算