第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第五章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)n基本步驟：一、對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合工況和其他使用要求的調(diào)查研究，取得原始參數(shù)，明確結(jié)構(gòu)和使用的限制條件； 二、擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 三、選擇壓力和流量等級(jí)、液動(dòng)機(jī)、泵和原動(dòng)機(jī)；選擇工作液體；四、選擇控制元件及輔助元件；五、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 5-1對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合工況和其他使用條件的調(diào)查研究 負(fù)載阻力矩或阻力的動(dòng)力學(xué)特性； 負(fù)載運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。一、液動(dòng)機(jī)負(fù)載阻力矩或阻力的動(dòng)力學(xué)特性液動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)載阻力矩、阻力 直接來(lái)自負(fù)載。液動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻力矩或阻力分兩類：1、約束性負(fù)載阻力矩、阻力 特征： 其方向與液動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，其數(shù)值則由不同的外界規(guī)律所決定。 任何時(shí)候都是對(duì)液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)起阻止作用，

2、即任何時(shí)候不會(huì)形成對(duì)液動(dòng)機(jī)起驅(qū)動(dòng)作用。(一)庫(kù)侖固體摩擦力矩、阻力(二)外界靜止流體形成的約束性阻力矩、阻力2、動(dòng)力性負(fù)載阻力矩、阻力特征： 其方向與液動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，而有其自身的方向，不隨液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向而改變其方向。 動(dòng)力性負(fù)載阻力矩、阻力的數(shù)值，由外界規(guī)律所決定。 液動(dòng)機(jī)承受動(dòng)力性負(fù)載阻力矩或阻力可能出現(xiàn)兩種穩(wěn)態(tài)工況：1）常規(guī)工況： 當(dāng)動(dòng)力性負(fù)載阻力矩或阻力的方向與液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，它們的作用和約束性阻力矩、阻力相同，起著阻止液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的作用。 要維持穩(wěn)定勻速運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)必須從液壓系統(tǒng)取得液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以足夠的驅(qū)動(dòng)力矩、驅(qū)動(dòng)力來(lái)與動(dòng)力性負(fù)載阻力矩、阻力平衡。2）非常規(guī)工況制動(dòng)工

3、況： 動(dòng)力性負(fù)載阻力矩、阻力的方向與液動(dòng)機(jī)給出的驅(qū)動(dòng)力、力矩方向相同也稱為具有負(fù)值負(fù)載。 這時(shí)負(fù)載阻力矩或阻力就變成了驅(qū)動(dòng)液動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩或驅(qū)動(dòng)力。要維持穩(wěn)定勻速運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)中液體要產(chǎn)生阻力功來(lái)形成足夠的阻力矩、阻力來(lái)平衡負(fù)載產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩或驅(qū)動(dòng)力，這就是需要液動(dòng)機(jī)起著泵的作用，稱之為液動(dòng)機(jī)的“泵工況”。這樣液壓系統(tǒng)是起著阻止泵工況下液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的作用制動(dòng)作用。 制動(dòng)并不是所有液壓系統(tǒng)都具有的功能： 液動(dòng)機(jī)在泵工況是否能有足夠的阻力矩、阻力來(lái)平衡負(fù)載的驅(qū)動(dòng)力矩或驅(qū)動(dòng)力，取決于液壓系統(tǒng)是否有“制動(dòng)功能”。 例如： 是否以壓力閥來(lái)形成足夠壓力，以形成“泵工況”的阻力矩或阻力。 是否以系統(tǒng)中原來(lái)的泵形

4、成液動(dòng)機(jī)(稱為泵的“液動(dòng)機(jī)工況)，而機(jī)器原動(dòng)機(jī)又產(chǎn)生阻力矩來(lái)支持“液動(dòng)機(jī)工況”的泵使系統(tǒng)產(chǎn)生足夠的壓力，這樣也可以使液動(dòng)機(jī)在泵工況產(chǎn)生足夠的阻力矩或阻力。 要形成制動(dòng)功能，就要在液動(dòng)機(jī)排出口造成高壓，形成液動(dòng)機(jī)的“泵工況”。例 平衡閥系統(tǒng)n舉重上升工況： 系統(tǒng)的力方向與液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)反向常規(guī)工況。負(fù)重下降： 即為制動(dòng)工況，重力與液動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)同向。 系統(tǒng)以平衡閥產(chǎn)生足夠壓力來(lái)支持液動(dòng)機(jī)的泵工況。如果系統(tǒng)不設(shè)置平衡閥，也沒(méi)有其它措施，這一系統(tǒng)就沒(méi)有制動(dòng)功能，重物將加速下降，不再能維持勻速運(yùn)動(dòng)。二、負(fù)載運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。n旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)等；n速度大小、變化范圍；n行程的大小、變化規(guī)律；n.5-2擬

5、定液壓系統(tǒng)原理圖n初步設(shè)計(jì) 選定合適功能的液壓元件 用合理的方式連接，組成能夠完成設(shè)計(jì)任務(wù)和指標(biāo)的系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖。n精確計(jì)算、選定元件 方法：n1、參考同類成熟的設(shè)計(jì)n2、參考手冊(cè)等資料，選定基本回路，綜合完善n3、全新設(shè)計(jì)一、擬定單一負(fù)載系統(tǒng)原理圖應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題n1、調(diào)速方式的選擇n根據(jù)實(shí)際情況加以合理選擇：n (一)大功率系統(tǒng)(液動(dòng)機(jī)功率100kW以上) 采用容積調(diào)速方式，可以節(jié)省大量能量。 在要求速比較大時(shí)，可以采用兩個(gè)變量泵并聯(lián)組成的泵組，在液動(dòng)機(jī)要求最低速時(shí)，只將一臺(tái)泵以相應(yīng)于最小排量的流量壓入液動(dòng)機(jī)，這時(shí)將另一臺(tái)泵排量調(diào)至零。 在液動(dòng)機(jī)要求最高速時(shí)，將兩個(gè)泵都調(diào)至最大排量同時(shí)壓入

6、液動(dòng)機(jī)。例 如果要達(dá)到更大的速比可以用圖88上的系統(tǒng)，將兩臺(tái)液動(dòng)機(jī)軸并接起來(lái)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載。 這樣在要求最低速時(shí)，用一臺(tái)泵在最小排量下，以泵組的最小流量供給并聯(lián)的兩個(gè)液動(dòng)機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，換向閥左位兩個(gè)液動(dòng)機(jī)并聯(lián)，相當(dāng)于一個(gè)排量增大一倍的液動(dòng)機(jī)，故液動(dòng)機(jī)速度就比單個(gè)液動(dòng)機(jī)低一倍； 在要求高速時(shí)，以兩個(gè)泵在最大排量下壓出最大流量，并聯(lián)地供給串聯(lián)的兩個(gè)液動(dòng)機(jī)（換向閥中位），其速度相當(dāng)于兩個(gè)泵的流量供給一個(gè)液動(dòng)機(jī)。居于液動(dòng)機(jī)最高速及最低速之間的任何速度，可以通過(guò)調(diào)節(jié)，兩個(gè)泵的變量無(wú)級(jí)地加以實(shí)現(xiàn)。換向閥右位時(shí)，泵組和液動(dòng)機(jī)都處于卸荷狀態(tài)n應(yīng)用應(yīng)慎重： 這兩臺(tái)液動(dòng)機(jī)及其換向閥可設(shè)計(jì)成一體組成一個(gè)液動(dòng)機(jī)。

7、在串聯(lián)工況時(shí)，第二個(gè)液動(dòng)機(jī)壓入液體壓力是第一個(gè)液動(dòng)機(jī)的排出液體壓力，那么第一個(gè)液動(dòng)機(jī)壓入壓力(也同時(shí)是泵的壓出壓力)往往很高，可能不在一般液動(dòng)機(jī)、泵的壓力等級(jí)之內(nèi)。(二)中功率系統(tǒng)(液動(dòng)機(jī)功率：10100kW)n可根據(jù)速比要求以及一次和二次投資等要求考慮選用容積調(diào)速、節(jié)流調(diào)速，或者容積節(jié)流調(diào)速等。(三)小功率系統(tǒng)(液動(dòng)機(jī)功率：小于30kW)n采用節(jié)流調(diào)速、容積節(jié)流調(diào)速。2、設(shè)計(jì)中有關(guān)調(diào)壓方式問(wèn)題n 有兩類不同系統(tǒng)的問(wèn)題：n1）多自動(dòng)適應(yīng)性系統(tǒng)：n 液動(dòng)機(jī)的壓入或壓出壓力是負(fù)載阻力矩或阻力決定的，即驅(qū)動(dòng)力矩Mz或驅(qū)動(dòng)力Fz都由負(fù)載決定，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的調(diào)壓?jiǎn)栴}。 溢流閥雖然使系統(tǒng)耗能較大，

8、但一次投資節(jié)省，更新也便宜得多，而且調(diào)壓范圍較寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 A）如用流量閥控制液動(dòng)機(jī)速度，需要合理地選擇采用溢流閥還是限壓泵的問(wèn)題。限壓泵有節(jié)省能源的優(yōu)點(diǎn)。B）卸荷問(wèn)題換向閥卸荷溢流閥卸荷C）安全閥問(wèn)題 在容積調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速中一定要設(shè)置。 D）對(duì)于液動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)制動(dòng)工況時(shí)，要選擇制動(dòng)措施，例如采用平衡閥或液控單向閥加節(jié)流閥的措施2)液動(dòng)機(jī)的壓力由旁路溢流閥或前置減壓閥調(diào)定n 驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力矩也因此調(diào)定，稱為力控制系統(tǒng)，系統(tǒng)液動(dòng)機(jī)阻力矩或力，與速度或位移(一般是彈性變形)有關(guān)，在一定的驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力矩作用下，液動(dòng)機(jī)的速度或位移使適應(yīng)于驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力矩。n 根據(jù)負(fù)載阻力矩或阻力的譜圖，設(shè)計(jì)

9、系統(tǒng)。要求設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)通過(guò)不斷調(diào)壓來(lái)控制驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力矩。n 實(shí)現(xiàn)這一負(fù)載譜圖，可以采用電液比例壓力閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。例控制信號(hào)圖譜力圖譜二、擬定多個(gè)不同負(fù)載系統(tǒng)的原理圖應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題n 首先根據(jù)各個(gè)負(fù)載的不同要求分別選定液動(dòng)機(jī)及其控制元件組成除泵源以外的各個(gè)支路。n 各個(gè)支路可能存在的共性問(wèn)題是調(diào)速、壓力控制、運(yùn)動(dòng)方向、開(kāi)停工況等，這與單個(gè)負(fù)載液壓系統(tǒng)類似。n 泵源的組合及組合的流量如何用配流換向閥合理分配給各負(fù)載支路。泵源的組合n對(duì)多個(gè)負(fù)載系統(tǒng)，其工作壓力不同，用單泵泵源會(huì)引起壓力能的浪費(fèi)。 一個(gè)泵在對(duì)多個(gè)支路供給流量，總以最高的支路工作壓力作為泵源的工作壓力，那么對(duì)別的支路就要采用減壓控制，

10、利用的總是節(jié)流原理，而這部分流量的節(jié)流壓力能是損失的，并且產(chǎn)生熱能，提高液體溫度。 采用多泵組成泵源。將多個(gè)負(fù)載按其工作壓力分成兩個(gè)或三個(gè)壓力等級(jí)分路，每個(gè)分路可有幾個(gè)支路。 在一般工況下，配流換向閥使每一個(gè)等級(jí)分路由泵源中的一個(gè)泵供應(yīng)流量，而由分路自身的溢流閥調(diào)定壓力； 在特殊工況下 泵源的幾個(gè)泵或所有的泵通過(guò)配流換向閥合流向一個(gè)分路的液動(dòng)機(jī)集中提供流量，實(shí)現(xiàn)快速，實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的分級(jí)調(diào)速原理（圖77）。 選擇一個(gè)和多個(gè)換向閥和其他閥組成分流和合流機(jī)能是設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的問(wèn)題，目前只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒(méi)有一種規(guī)律性總結(jié)的理論辦法。 一個(gè)多負(fù)載系統(tǒng)的泵組和配流閥組的組合，往往要經(jīng)過(guò)機(jī)器的幾

11、代改造革新，才日趨合理，其中包括要逐步積累資料和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出特殊的配流換向閥或閥組。5-3選擇壓力、流量，液動(dòng)機(jī)、泵、原動(dòng)機(jī)，選擇工作液體n一、壓力、流量、液動(dòng)機(jī)幾何特征參數(shù)確定 壓力、流量額定值液壓元件。方法： 1、由液動(dòng)機(jī)的負(fù)載阻力矩、阻力，運(yùn)動(dòng)學(xué)特性確定額定壓力、流量； 2、根據(jù)元件生產(chǎn)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，選擇元件。 3、幾何特征參數(shù)： 體積小、重量輕。 4、經(jīng)濟(jì)性。二、泵和原動(dòng)機(jī)的選擇n在液動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)調(diào)速方式選定后，選擇泵。泵工作壓力的額定值、最大值確定n 應(yīng)該是與液動(dòng)機(jī)壓入壓力Py1max，加上通過(guò)流量閥、壓力閥、方向閥以及管道總壓力降(即所有的節(jié)流壓力差和壓力損失之和) 的最大值(注意：

12、此值指從泵壓出口起，經(jīng)串聯(lián)的閥和管道至液動(dòng)機(jī)壓入口的壓力降值，而不應(yīng)包括并聯(lián)支路上的各壓力降)。泵流量的額定值確定 所有分支回路入口處的流量之和的額定值加上泵源溢流閥最大溢流量。元件的選擇 根據(jù)確定的額定值留有一定的裕量（1020%）。選擇原動(dòng)機(jī)n主要是選定原動(dòng)機(jī)額定工況功率ND 計(jì)算：n式中：QB額定流量；n Q裕量。BBBBBDppQQN)(12三、工作液體的選擇n1、工作液體必須適用于液壓元件。n2、工作液體必須適應(yīng)工作環(huán)境的需要，主要針對(duì)環(huán)境溫度和污染的影響。n3、持續(xù)工作長(zhǎng)時(shí)期或短期無(wú)條件更換液體的場(chǎng)合，應(yīng)考慮工作液體的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，即不易老化變質(zhì)。5-4控制閥和輔助元件的選擇n一、控制閥的選擇n基本原則：n 閥工作壓力和流量n n 1、選擇閥的工作壓力等級(jí)n 2、流量以公稱通徑的形式體現(xiàn)二、輔助元件的選擇與設(shè)計(jì)n管道、蓄能器、濾油器、油箱略。n冷卻器選擇：n 根據(jù)發(fā)熱功率確定。n冷卻器散熱功率=發(fā)熱功率自然