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1、液压系统的设计步骤与设计要求液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。1.1 设计步骤液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。 1）确定液压执行元件的形式；2）进行工况分析，确定系统的主要参数； 3）制定基本方案，拟定液压系统原理图； 4）计算和选择液压元件； 5）液压系统的性能验算； 6）绘制工作图，编制技术文件。1.2
2、明确设计要求设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。 1）主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境（温度、湿度、振动冲击）、总体布局（及液压传动装置的位置和空间尺寸的要求）等； 2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何；3）液压驱动机构的运动形式，运动速度； 4）各动作机构的载荷大小及其性质； 5）对调速范围、运动平稳性、换向定位精度等性能方面的要求；6）自动化程度、操作控制方式的要求； 7）对防尘、防爆、防腐、防寒、噪声、安全可靠性的要求； 8）对效率、成本等方面的要求。 主机的
3、工况分析通过工况分析，可以看出液压执行元件在工作过程中速度和载荷变化情况，为确定系统及各执行元件的参数提供依据。液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 主机工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。2.1 运动分析主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(Lt)，速度循环图(vt)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。1.位移循环图Lt液压机的液压缸位移循环图
4、纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。2.速度循环图vt(或vL)工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图为三种类型液压缸的vt图，第一种如图中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到终点；第二种，如图中虚线所示，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。vt图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液
5、压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。 位移循环图 速度循环图2.2 动力分析动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。1液压缸的负载及负载循环图(1)液压缸的负载力计算。工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：F=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb (1)式中：Fc为工作阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。工作阻力Fc：为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负
6、值。该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要根据具体情况计算或由实验测定。摩擦阻力Ff：为液压缸带动的运动部件所受的导轨摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。图为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：平导轨： Ff=fFn (2)V形导轨： Ff=fFn/sin(/2) (3)式中：f为摩擦因数；Fn为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；为V形角，一般为90。导轨形式惯性阻力Fi。惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算： (4)式中：m为运动部件的质量(kg)；a为运动部件的加速度(m/s2)；G
7、为运动部件的重量(N)；g为重力加速度，g=9.81(m/s2)；v为速度变化值(m/s)；t为启动或制动时间(s)，一般机床t0.10.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。重力FG：垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。密封阻力Fm：密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初算时，可按缸的机械效率(m=0.9)考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。排油阻力Fb：排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因
8、素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。（2）液压缸运动循环各阶段的总负载力。液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。启动加速阶段：这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力(按缸的机械效率m=0.9计算)、重力和惯性力等项，即：F=Ff+FiFG+Fm+Fb (5)快速阶段： F=FfFG+Fm+Fb(6)工进阶段： F=Ff+FcFG+Fm+Fb(7)减速： F=FfFG-Fi+Fm+Fb(8)对简单液压系统，上述计算过程可简化。例
9、如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。（3）液压缸的负载循环图。对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸(或液压马达)的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(Ft)或负载位移(FL)图，然后将各液压缸在同一时间t(或位移)的负载力叠加。负载循环图图中所示为一部机器的Ft图，其中：0t1为启动过程；t1t2为加速过程；t2t3为恒速过程；t3t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。图中最大负载是初选液压缸
10、工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。2.液压马达的负载工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为：M=Me+Mf+Mi (9)(1)工作负载力矩Me。工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，应根据机器工作条件进行具体分析。常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等。(2)摩擦力矩Mf。为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为： Mf=fGR (Nm)(10)式中：G为旋转部件的重量(施加于轴颈上的径向力)(N)；f为摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；R为轴颈半径(m)。(3)惯性力矩Mi。为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为： （11）式中：为角
11、加速度(rad/s2)；为角速度的变化(rad/s)；t为加速或减速时间(s)；J为旋转部件的转动惯量(kg.m2)，J=1GD2/4g。式中：GD2为回转部件的飞轮效应(Nm2)。各种回转体的GD2可查机械设计手。根据式(9)，分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小，便可绘制液压马达的负载循环图。2.2 初选系统工作压力压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看出不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、
12、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。制定基本方案和绘制液压系统图3.1制定基本方案 （1）制定调速方案 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。 方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。
13、节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。 容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。 容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。进油节流起动冲击较小，
14、回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。 调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。 节流调速一般采用开式循环形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。 容积调速大多采用闭式循环形式。闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。其结构紧凑，但散热条件差。（2）制定压力控制方案 液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力。一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的
