液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、本章提要本章提要 本章介紹設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本步驟和方法，對(duì)于本章介紹設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本步驟和方法，對(duì)于一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)步驟：步驟： 明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析；明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析； 擬定液壓系統(tǒng)原理圖；擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 計(jì)算和選擇液壓元件；計(jì)算和選擇液壓元件； 發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算；發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算； 繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。 上述工作大部分情況下要穿插、交叉進(jìn)行，對(duì)于比較上述工作大部分情況下要穿插、交叉進(jìn)行，對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)復(fù)

2、雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)時(shí)，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，單系統(tǒng)時(shí)，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，要求對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、步驟、方法有一個(gè)基本的要求對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、步驟、方法有一個(gè)基本的了解。了解。 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分，它除了應(yīng)符合主機(jī)動(dòng)作循環(huán)和靜、動(dòng)態(tài)性能等方面的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠，效率高，經(jīng)濟(jì)性好，使用維護(hù)方便等條件。 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡(jiǎn)、借鑒的資料多少和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的不同，在做法上有所差異。各部分的設(shè)計(jì)有時(shí)還要交替進(jìn)行，甚至要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。 下面對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟予以介紹。液

3、壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求主要有： 運(yùn)動(dòng)方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動(dòng)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、防火要求及安裝空間的大小等。 要使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。 工況分析，就是查明每個(gè)執(zhí)行元件的速度速度和負(fù)負(fù)載載的變化規(guī)律，必要時(shí)還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時(shí)間或位移變化的曲線圖。 就缸而言，負(fù)載主要由六部分組成，即工作負(fù)工作負(fù)載，導(dǎo)向摩擦負(fù)載，慣性負(fù)載，重力負(fù)載，密封負(fù)載，導(dǎo)向摩擦負(fù)載，慣性負(fù)載，重力負(fù)載，密封負(fù)載和背壓負(fù)載載和背壓負(fù)載。負(fù)載圖負(fù)載圖速度圖速度圖wF 不同的機(jī)器有不同的

4、工作負(fù)載。工作負(fù)載與液壓缸運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)為正值，方向相同時(shí)為負(fù)值。 導(dǎo)向摩擦負(fù)載是指液壓缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)所受的導(dǎo)軌摩擦阻力。fF 慣性負(fù)載是運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)加速或制動(dòng)減速時(shí)的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。aFgF 密封負(fù)載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過液壓缸的機(jī)械效率加以考慮，常取機(jī)械效率值為0.900.97。sF 背壓負(fù)載是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。bF液壓缸各個(gè)主要工作階段的機(jī)械負(fù)載F可按下列公式計(jì)算 （10.4）mgafFFFF/ )( （10.5）mgfFFF/ )( （10.6）mgwfFFFF/ )( （10.7）mgawfFFFFF/ )( 液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓

5、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(jì)液壓系統(tǒng)的第一步，它對(duì)系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性具有決定性的影響。 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(bǔ)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。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路式回路。 根據(jù)各類主機(jī)的工作特點(diǎn)、負(fù)載性質(zhì)和性能要求，先確定對(duì)主機(jī)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: 對(duì)于機(jī)床液壓系統(tǒng),是主要回路； 對(duì)于壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，是主要回路； 有垂直運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)要考

6、慮； 慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)要考慮。 有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮； 有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)要考慮等。 將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠、動(dòng)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。 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。運(yùn)動(dòng)形式往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)短行程長(zhǎng)行程高速低速建議采用的執(zhí)行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達(dá)與齒輪/齒條或螺母/絲杠機(jī)構(gòu)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(dòng)液壓缸表10.1選擇執(zhí)行元件的形式 工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)

7、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(gè)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(duì)元件的強(qiáng)度，剛度及密封要求高，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(huì)增大執(zhí)行元件及整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Α?以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計(jì)算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定D和d。 對(duì)有低速運(yùn)動(dòng)要求的系統(tǒng)，尚需對(duì)液壓缸有效工作面積進(jìn)行驗(yàn)算，即應(yīng)保證：minminvqA（10.8） 驗(yàn)算結(jié)果若不能滿足式（10.8），則說明按所設(shè)計(jì)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(jì)。式中：A液壓缸工作腔的

8、有效工作面積； 控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量； 液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度。minqminv 當(dāng)液壓缸的主要尺寸D、d計(jì)算出來以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對(duì)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(jì)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(jī)械總負(fù)載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力。對(duì)于單桿液壓缸，其工作壓力P可按下列公式復(fù)算。有桿腔進(jìn)油階段bpAAAFp212（10.10）式中：F液壓缸在各工作階段的最大機(jī)械總負(fù)載； 、 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； 液壓缸回油路的背壓。1Ab

9、pbpAAAFp121（10.9）無桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段2A 即執(zhí)行元件在一個(gè)工作循環(huán)中的壓力、流量、功率對(duì)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的工況圖。 液壓系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個(gè)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(jì)步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)。 對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略。 先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，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。（10.11） lpppp式中: 執(zhí)行元件的最高工作壓力； 進(jìn)油路上總的壓力損失。plp液壓泵的最大供油量為：（10.11） ma

10、xqkqp式中: K系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取 K=1.11.3； 同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。maxq 液壓泵的規(guī)格型號(hào)按計(jì)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(chǔ)備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%60%。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損失。 驅(qū)動(dòng)泵的電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇。 在整個(gè)工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時(shí)間內(nèi)皆達(dá)到最大工作值時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)功率為：pppqpP（10.13） 式中： 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(dòng)功率，可按泵的實(shí)際壓力流量特性曲線拐點(diǎn)處的功率來計(jì)算。

11、 工作中泵的壓力和流量變化較大時(shí)，可分別計(jì)算出各個(gè)階段所需的驅(qū)動(dòng)功率，然后求其均方根值即可。p 各種閥類元件的規(guī)格型號(hào)，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，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(shí)，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。 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，只有對(duì)一些重要的管道才驗(yàn)算其內(nèi)徑和壁厚。 對(duì)于固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，閥類元件集中安裝在主機(jī)外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動(dòng)力源的振動(dòng)與油溫變化對(duì)主機(jī)工作精度的影響。 液

12、壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)它的主要性能加以驗(yàn)算，以便評(píng)判其設(shè)計(jì)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(jì)算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，它們的計(jì)算公式詳見液壓流體力學(xué)，管路總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，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對(duì)管路的壓力損失進(jìn)行概略地估算。 液壓系統(tǒng)在工作時(shí)，有壓力損失，容積損失和機(jī)械損失，這些損耗能量的大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高從而導(dǎo)致油的粘度下降，油液變質(zhì)，機(jī)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)。 單位時(shí)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。 一般情況下，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)往往有好幾個(gè)階段，其平均發(fā)熱量為各個(gè)工作周期發(fā)熱量的時(shí)均值，即inioiiitPPt1)(1（10.14） 式中第個(gè)工作階段系統(tǒng)的輸入功率；第個(gè)工作階段系統(tǒng)的輸出功率； 工作循環(huán)周期；第個(gè)工作階段的持續(xù)時(shí)間；總的工作階段數(shù)。iiPoiPtitn 液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，主要經(jīng)油箱散發(fā)到空氣中去，油箱在單位時(shí)間散發(fā)熱量的可按下式計(jì)算（10.15） tAkh式中: A油箱的散熱面積； 液壓系統(tǒng)的溫升； 油箱的散熱系數(shù)，其值可查閱液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)。thk系統(tǒng)的溫升為（10.16） Akth計(jì)算溫升值如果超過允許值，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。