《液壓與氣動技術》課件第八章 液壓系統(tǒng)的設計與計算

液壓傳動系統(tǒng)的設計是整機設計的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設計主要還是經(jīng)驗法，即使使用計算機輔助設計，也是在專家的經(jīng)驗指導下進行的。因而就其設計步驟而言，往往隨設計的實際情況，設計者的經(jīng)驗不同而各有差異，但是，從總體上看，其基本內(nèi)容是一致的，具體為：

1)明確設計要求、進行工況分析

2)擬定液壓系統(tǒng)原理圖

3)計算和選擇液壓元件

4)驗算液壓系統(tǒng)的性能

5)繪制工作圖，編制技術文件第8章

液壓傳動系統(tǒng)設計與計算

一.明確設計要求第一節(jié)液壓傳動系統(tǒng)的設計

設計要求是做任何設計的依據(jù)。液壓傳動系統(tǒng)的設計通常要考慮以下幾方面的問題：

（一）了解主機的基本情況

液壓傳動系統(tǒng)設計通常是主機設計的一部分，設計要求主要是由主機根據(jù)工藝過程提出的。因此要了解下列基本情況：

(1)主機的用途、總體情況、主要結(jié)構(gòu)、技術參數(shù)及性能要求；

(2)主機對液壓執(zhí)行元件的布置位置及空間尺寸的限制；

(3)

主機的工作循環(huán)、作業(yè)環(huán)境等。（二）明確液壓系統(tǒng)的任務與要求

液壓系統(tǒng)應該完成的運動方式（移動、轉(zhuǎn)動或擺動）；

液壓執(zhí)行元件承受負載的大小和性質(zhì)、運動速度的大小和變化范圍；

液壓執(zhí)行元件的動作順序和聯(lián)鎖關系，各動作的同步要求；

液壓系統(tǒng)的自動化程度、運動平穩(wěn)性、定位精度、工作效率、安全性和可維護性等；

液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境（如環(huán)境的溫度、濕度、塵埃和外界振動等）；

液壓系統(tǒng)的成本核算。

二.分析液壓系統(tǒng)工況工況分析主要分析計算液壓執(zhí)行元件的負載、運動速度等。通常需求出一個工作循環(huán)內(nèi)各階段的負載和速度，畫出負載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖。1、負載分析（以液壓缸為例）通常液壓缸承受的負載包括工作負載、摩擦負載、慣性負載、重力負載、密封阻力和背壓負載。圖8-1-2所示是負載圖，這個圖是按設備的工藝要求，把執(zhí)行元件在各階段的負載用曲線表示出來，由此圖可直觀地看出在運動過程中何時受力最大，何時最小等各種情況，以此作為以后的設計依據(jù)。現(xiàn)具體分析液壓缸所承受的負載，液壓缸驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行直線往復運動時，所受到的外負載情況：

（1）工作負載Fw

工作負載與設備的工作情況有關，在機床上，與運動的方向同軸的切削力的分量是工作負載，而對于提升機、千斤頂?shù)葋碚f所移動的物體的重量就是工作負載，工作負載可以是定量，也可以是變量，可以是正值，也可是負值，有時還可以是交變的。

（2）摩擦阻力負載Ff

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

式中，F(xiàn)N為運動部件及外負載對支承面的正壓力；f為摩擦系數(shù)，分為靜摩擦系數(shù)（fs≤0.2~0.3）和動摩擦系數(shù)（fd≤0.05~0.1）。（3）慣性負載Fa

慣性負載式運動部件的速度變化時，由其慣性而產(chǎn)生的負載，可用牛頓第二定律計算

式中，m為運動部件的質(zhì)量（kg）；a為運動部件的加速度（）；G為運動部件的重力（N）；g為重力加速度（）；△v為速度的變化量（m/s）；△t為速度變化所需的時間（s）。除此以外，液壓缸的受力還有密封阻力（一般用效率η＝0.85~0.95來表示），背壓力（可在最后計算時確定）等。若執(zhí)行機構(gòu)為液壓馬達，其負載力矩計算方法與液壓缸相類似。執(zhí)行元件的運動分析是弄清在一個工作循環(huán)中，執(zhí)行元件的運動速度的大小和變化范圍、運動行程的長短、運動變化的周期等。一般設計時，常由主機給出要求的快速運動、工進速度的具體數(shù)值。據(jù)此可畫出速度的循環(huán)圖。如圖8-1-2（b）所示。2、運動分析液壓系統(tǒng)方案設計是根據(jù)主機的工作情況、主機對液壓系統(tǒng)的技術要求、液壓系統(tǒng)的工作條件和環(huán)境條件以及成本、經(jīng)濟性、供貨情況等諸多因素，進行全面、綜合的設計，從而擬定出一個各方面比較合理的、可實現(xiàn)的液壓系統(tǒng)的方案。其內(nèi)容包括：執(zhí)行元件形式的分析與選擇，油路循環(huán)方式的分析與選擇，油源類型的分析與選擇，液壓回路的分析、選擇與合并等。三、液壓系統(tǒng)方案設計液壓系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件的形式，視主機所要實現(xiàn)的運動種類和性質(zhì)而定，可按表8-1-2來選擇。1.執(zhí)行元件形式的分析與選擇液壓系統(tǒng)油路循環(huán)方式為開式和閉式兩種，它們各自的特點及其相互比較見表8-1-3。液壓系統(tǒng)在類型上究竟采用開式還是閉式，主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。一般說來，凡備有較大空間可以存放油箱且不另設置散熱裝置的系統(tǒng)、要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)，或采用節(jié)流調(diào)速或容積節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用開式；凡容許采用輔助泵進行補油并通過換油來達到冷卻目的的系統(tǒng)、對工作穩(wěn)定和效率有較高要求的系統(tǒng)，或采用容積調(diào)速的系統(tǒng)都宜采用閉式。2.油路循環(huán)方式的分析與選擇液壓系統(tǒng)油源類型的選擇，應在分析下列因素后確定：（1）根據(jù)系統(tǒng)工作壓力的高低，選擇液壓泵的壓力等級和結(jié)構(gòu)形式。（2）根據(jù)油源輸出流量變化的大小和系統(tǒng)節(jié)能的要求，選擇用定量泵還是變量泵。（3）根據(jù)執(zhí)行元件的多寡和系統(tǒng)工作循環(huán)中壓力、流量的變化情況，選擇單泵供油還是多泵供油。（4）根據(jù)系統(tǒng)對油源綜合性能的要求，選擇泵的控制方式，是限壓式、恒壓式、恒流量式，還是恒功率式等等。3.油源類型的分析與選擇調(diào)速方案對對主機主要性能起決定性的作用。選擇調(diào)速方案時，應依據(jù)液壓執(zhí)行元件的負載特性和調(diào)速范圍以及經(jīng)濟性等因素，最后選出合適的調(diào)速方案。4.調(diào)速方案的分析與選擇（1）初選執(zhí)行元件的工作壓力工作壓力可以根據(jù)負載循環(huán)圖中的最大負載按表8-1-4或表8-1-5選取。工作壓力的選取既影響結(jié)構(gòu)尺寸又對系統(tǒng)的性能影響較大。選擇高壓力，執(zhí)行元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，裝置體積小，但對元件強度、剛度及密封性要求高，需高壓的液壓泵。四、液壓系統(tǒng)參數(shù)設計（2）確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)尺寸執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)尺寸，主要指液壓缸的缸筒內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，其計算公式見第4章所述。對于有最小運動速度要求的系統(tǒng)，尚需驗算液壓缸面積，即

（8-1-8）（3）復算執(zhí)行元件的工作壓力當液壓缸的主要尺寸在計算出來以后，都按各自的系列標準作了圓整，經(jīng)過圓整的標準值與計算值之間一般都存在一定的差別，因此有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進行一次復算。（4）做液壓工況圖各執(zhí)行元件的主要參數(shù)確定后，不但可以計算工作循環(huán)階段的工作壓力，還可以求出各階段所需流量和功率。這時就可作出各執(zhí)行元件工作過程中的工況圖。工況圖是壓力、流量、功率對時間（或位移）的變化曲線圖（如圖8-1-3為某一機床進給液壓缸工況圖）。從圖中可以知道在整個動作循環(huán)中，系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及分布情況，為選擇基本回路、液壓元件等提供設計依據(jù)。

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圖樣。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設計液壓系統(tǒng)的關鍵一步，它對系統(tǒng)的性能及設計方案的合理性、經(jīng)濟性具有決定性的影響。一般的方法是：根據(jù)設備的性能要求選擇合理的液壓基本回路，再將基本回路組合成完整的液壓系統(tǒng)。1.擬定基本回路在擬定基本回路時，應根據(jù)主機要求，首先擬定對主機性能影響最大的主要回路。例如在機床液壓系統(tǒng)中，調(diào)速回路是主要回路；壓力機液壓系統(tǒng)中，調(diào)壓回路是主要回路等等，然后再擬定其它基本回路。選擇液壓回路是根據(jù)系統(tǒng)的設計要求和工況圖，從眾多成熟的方案中（參見第6章和有關設計手冊）經(jīng)過分析、評比挑選出來的。選擇液壓回路一般可按如下步驟進行：

五、液壓系統(tǒng)原理圖的擬定（1）選擇系統(tǒng)一般都必須設置的基本回路

通常液壓系統(tǒng)都必須設置調(diào)壓回路、調(diào)速回路、換向回路、卸荷回路及安全回路等。（2）根據(jù)系統(tǒng)負載性質(zhì)選擇基本回路

液壓執(zhí)行元件存在外負載對系統(tǒng)作功的工況（例如有垂直運動部件的系統(tǒng)）時，要設置平衡回路，以防止外負載使液壓執(zhí)行元件超速運動。在外負載慣性較大的系統(tǒng)中，為防止產(chǎn)生液壓沖擊，要設置制動回路。對有快速運動部件的系統(tǒng)或要求精確換向的系統(tǒng)，要設置減速回路或緩沖回路，等等。（3）根據(jù)系統(tǒng)特殊要求選擇基本回路

如有多個液壓執(zhí)行元件的系統(tǒng)，根據(jù)需要設置順序回路、同步回路或互不干擾回路。有些系統(tǒng)還要設置速度換接回路、增速回路、增壓回路、鎖緊回路等。對液壓機而言，釋壓回路是必不可少的。對閉式系統(tǒng)而言，必須有補油冷卻回路。選擇一些主要液壓回路時，還需注意以下幾點：(1)調(diào)壓回路的選擇主要決定于系統(tǒng)的調(diào)速方案。在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用調(diào)壓回路；在容積調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速或旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，則均采用限壓回路。一個油源同時提供兩種不同工作壓力時，可以采用減壓回路。對于工作時間相對輔助時間較短而功率又較大的系統(tǒng)，可以考慮增加一個卸荷回路。(2)速度換接回路的選擇主要依據(jù)換接時位置精度和平穩(wěn)性的要求。同時還應結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、控制靈活。(3)多個液壓缸順序動作回路的選擇主要考慮順序動作的可變換性、行程的可調(diào)性、順序動作的可靠性等。(4)多個液壓缸同步動作回路的選擇主要考慮同步精度、系統(tǒng)調(diào)整、控制和維護的難易程度等。

液壓系統(tǒng)的合成是把選出來的各種液壓回路綜合在一起，進行歸并整理，增添必要的元件或輔助油路，使之成為完整的系統(tǒng)，在合成時，應注意以下問題：該液壓系統(tǒng)能否完成主機所要求的各項功能；是否存在多余的元件或油路；油路之間有無干擾；所涉及的液壓系統(tǒng)在滿足主機要求的前提下，力求簡單、安全可靠，動作平穩(wěn)，效率高，使用和維護方便。2.液壓系統(tǒng)的合成初步擬定液壓系統(tǒng)原理圖后，便可進行液壓元件的計算和選擇，也就是通過計算各液壓元件在工作中承受的壓力和通過的流量，來確定各元件的規(guī)格和型號。1、液壓泵的選擇先根據(jù)設計要求和系統(tǒng)工況確定液壓泵的類型（已確定），然后根據(jù)液壓泵的最高供油壓力和最大供油量來選擇液壓泵的規(guī)格。六、選擇液壓元件(1)確定液壓泵的最大工作壓力PP。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力Pmax，再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失ΣΔP，即

PP=Pmax+ΣΔP(2)確定液壓泵的流量QP。泵的流量QP根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量Qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。(3)選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力PP和流量QP，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與PP和QP相當?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。(4)確定驅(qū)動液壓泵的功率。2、閥類元件的選擇液壓泵的規(guī)格確定后，參照液壓系統(tǒng)原理圖可以估算出各控制閥承受的最大工作壓力和實際最大流量，查產(chǎn)品樣本確定閥的型號規(guī)格。選擇閥類元件應注意的問題：(1)應盡量選用標準定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設計專用件。(2)閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時，應按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求。(3)一般選擇控制閥的額定流量應比系統(tǒng)管路實際通過的流量大一些，必要時，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%。3、液壓輔助元件的選擇液壓系統(tǒng)中除了液壓泵、液壓閥、液壓缸等主要元件外，還有很多輔助元件，如油管、接頭、濾油器、壓力表、油箱等。油管的規(guī)格尺寸常由與之連接的液壓元件接口尺寸決定。必要時，驗算器內(nèi)徑和壁厚，其它輔助元件的選擇參見第五章內(nèi)容。為了判斷液壓系統(tǒng)的設計質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升、效率和系統(tǒng)的動態(tài)特性等進行驗算。由于液壓系統(tǒng)的驗算較復雜，只能采用一些簡化公式近似地驗算某些性能指標，如果設計中有經(jīng)過生產(chǎn)實踐考驗的同類型系統(tǒng)供參考或有較可靠的實驗結(jié)果可以采用時，可以不進行驗算。1、回路壓力損失驗算回路壓力損失包括沿程壓力損失、局部壓力損失和所有控制閥的壓力損失，這三項壓力損失可按第二章中相應的計算公式來計算。七、液壓系統(tǒng)性能驗算2、發(fā)熱溫升驗算系統(tǒng)發(fā)熱來源于系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，如液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失、溢流閥的溢流損失、液壓閥及管道的壓力損失等。這些能量損失轉(zhuǎn)換為熱能，使油液溫度升高。油液的溫升使粘度下降，泄漏增加，同時，使油分子裂化或聚合，產(chǎn)生樹脂狀物質(zhì)，堵塞液壓元件小孔，影響系統(tǒng)正常工作，因此必須使系統(tǒng)中油溫保持在允許范圍內(nèi)。3、系統(tǒng)效率驗算液壓系統(tǒng)的效率是由液壓泵、執(zhí)行元件和液壓回路效率來確定的。液壓系統(tǒng)設計的最后一項工作是繪制工作圖和編寫技術文件。1、繪制工作圖它包括繪制液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝配圖和各種非標準元件設計圖。（1）液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)原理圖上應附有液壓元件明細表，標明各液壓元件的規(guī)格、型號和壓力、流量的調(diào)整值。執(zhí)行元件動作循環(huán)圖和電磁鐵的動作表。（2）液壓系統(tǒng)裝配圖液壓系統(tǒng)裝配圖是液壓系統(tǒng)的安裝施工圖，包括油箱裝配圖、液壓泵裝置圖、集成油路裝配圖和管路安裝圖等。八、繪制工作圖和編寫技術文件（3）非標準元件設計圖自行設計的非標準件，應繪出裝配圖和零件圖。2.編寫技術文件編寫的技術文件一般包括液壓系統(tǒng)設計計算說明書，液壓系統(tǒng)工作原理說明書和操作使用及維護說明書，零部件明細表、專用件、通用件、標準件、外購件總表等。第二節(jié)液壓系統(tǒng)設計計算舉例(1)負載分析在負載分析中，先不考慮回油腔的背壓力。因工作部件是水平放置，重力的水平分力為零，在運動過程中的力有：切削力、導軌摩擦力、慣性力。導軌的正壓力等于動力部件的重力。1、負載分析與速度分析根據(jù)計算出的各階段的負載和已知的各階段的速度，可繪制出負載圖

和速度圖

，見圖8-2-1（a）和（b)所示，橫坐標以上為液壓缸活塞前進時的曲線，以下為液壓缸活塞退回時的曲線。（2）繪制負載圖和速度圖（1）初定液壓缸的工作壓力根據(jù)切削力計算液壓缸的工作面積A。參考同類型組合機床，查表初定液壓缸的工作壓力為4MPa。（2）確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸本設計中動力滑臺的快進、快退速度相等，可選用單出桿活塞缸，快進時采用差動連接，在這種情況下可算得液壓缸無桿腔的工作面積A1應為有桿腔工作面積=A2的兩倍，即A1=2A2，即活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D成d=0.707D的關系。為了防止在鉆孔鉆通時滑臺突然前沖，查表可取背壓P2=0.6MPa。2、確定液壓缸主要參數(shù)（3）繪制工況圖根據(jù)液壓缸的負載圖和速度圖以及液壓缸的有效工作面積，可以得出液壓缸工作過程各階段的壓力、流量和功率，見表8-2-2所示，并根據(jù)可以畫出工況圖，如圖8-2-2所示。由于系統(tǒng)的功率較小，運動部件速度也較低，工作負載變化不大，因此采用調(diào)速閥的進口節(jié)流調(diào)速回路。由于液壓系統(tǒng)采用了調(diào)速閥調(diào)速方式，所以系統(tǒng)的液壓油循環(huán)是開式的。從工況圖中可以看出，快進、快退和工進的流量相差較大，要求交替地供應低壓大流量和高壓小流量的液壓油，而且快進、工進的速度變化較大，所以宜采用雙泵供油和差動連接兩種快進運動回路來實現(xiàn)。即快進時，由大小泵同時供油，液壓缸實現(xiàn)差動連接。本例采用二位二通電磁閥來控制由快進轉(zhuǎn)為工進，采用外控順序閥與單向閥來切斷差動油路，所以速度換接回路是行程和壓力聯(lián)合控制，換向閥須選用三位五通電磁換向閥，為提高換向的位置精度，采用死擋鐵和壓力繼電器的行程終點返程控制。最后組成如圖8-2-3的液壓系統(tǒng)圖。3、液壓系統(tǒng)方案的設計（1）液壓泵及驅(qū)動電機的選擇根據(jù)上面計算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本，選用YYB-AA9/6