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1、欢 迎 使 用液压与气压传 动多媒体授课系统 燕 山 大 学液压与气压传动课程组内容编辑：李久彤 姚春东设计制作：姚春东 10.1 液压传动系统的设计计算 10.2 液压系统设计计算举例10 液压传动系统的设计和计算液压传动系统的设计是整机设计的一部分，它 除了应符合主机动作循环和静、动态性能等方 面的要求外，还应当满足结构简单、工作安全 可靠、效率高、经济性好、使用维护方便等条 件。液压系统的设计，根据系统的繁简、借鉴 的资料多寡和设计人员经验的不同，在做法上 有所差异，各部分的设计有时还要交叉进行， 甚至要经过多次反复才能完成。 下面对液压系统的设计步骤予以介绍。10.1 液压传动系统的设
2、计 计算10.1.1明确设计要求、工作环境，进行工况分析10.1.1.1 明确设计要求及工作环境液压系统的动作和性能要求主要有:运动 方式、行程、速度范围、负载条件、运动平 稳性、精度、工作循环和动作周期、同步或 连锁等，就工作环境而言，有环境温度、湿 度、尘埃、防火要求及安装空间的大小等。只有明确了设计要求及工作环境，才能 使设计的系统不仅满足性能要求，且具有较 高的可靠性、良好的空间布局造型。10.1.1.2 执行元件的工况分析对执行元件的工况进行分析，就是查明每个 执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变 化规律，通常是求出一个工作循环内各阶段的 速度和负载值。必要时还应作出速度、负载随
3、 时间或位移变化的曲线图。下面以液压缸为例 予以说明，液压马达可作类似处理。就液压缸而言，承受的负载主要由六部分组 成，即工作负载、导向摩擦负载、惯性负载、 重力负载、密封负载和背压负载，现简述如下 。(1)工作负载FW 不同的机器有不同的工作负载，对于起重 设备来说，为起吊重物的重量；对液压机 来说，压制工件的轴向变形力为工作负载 。工作负载与液压缸运动方向相反时为正 值，方向相同时为负值。工作负载既可以 为定值，也可以为变量，其大小及性质要 根据具体情况加以分析。(2)导向摩擦负载Ff 导向摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导 轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨形式、放置情 况及运动状态
4、有关，各种形式导轨的摩擦负载计算 公式可查阅有关手册。例如，机床上常用平导轨和 V形导轨，当其水平放置时，其导向摩擦负载计算 公式为平导轨： Ff=f (G十FN) (10.1)V形导轨： Ff=f (G十FN) /sin(/2) (10.2)式中 G运动部件的重力(N)；FN垂直于导轨的工作负载(N)；V形导轨的夹角，一般 90；f摩擦系数，其值可查机床设计手册。(3)惯性负载Fa惯性负载是运动部件在启动加速或制动减 速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求 出，即式中 g重力加速度(ms2)；vt时间内的速度变化值(ms)； t启动、制动或速度转换时间(s)。对机 床主运动取0.25 0.5
5、s，进给运动取0.1 0.5 s， 磨床取0.01 0.05 s。(4)重力负载Fg垂直或倾斜放置的运动部件，其自重也成为一 种负载，倾斜放置时，只计算重力在运动方向 上的分力。液压缸上行时重力取正值，反之取 负值。(5)密封负载Fs密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力，其值 与密封装置的类型、尺寸、液压缸的制造质量 和油液的工作压力有关。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的 参数，其值无法计算，一 般通过液压缸的机械 效率加以考虑，常取机械效率值为0.900.97。 (6)背压负载Fb背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力 。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前也无 法计算，在负载计算时
6、可暂不考虑。液压泵各个主要工作阶段的机械负载F可按下 列公式计算。 空载启动加速阶段：F=(Ff+Fa+Fg)/m (10.4)快速阶段：F=(Ff+Fg)/m (10.5)工进阶段：F=(Ff+FW+Fg)/m (10.6)制动减速：F=(Ff+ FW Fa+Fg)/m (10.7)液压系统原理图是表示液压系统的组成和工 作原理的重要技术文件。拟定液压系统原理 图是设计液压系统的第一步，它对系统的性 能及设计方案的合理性、经济性具有决定性 的影响。10.1.2.1 确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱的系统，都 采用开式油路；相反，凡允许采用辅助泵进 行补油，并借此进行冷却交换来达到冷
7、却目 的的系统，可采用闭式油路。通常节流调速 系统采用开式油路，容积调速系统采用闭式 油路。 10.1.2 液压系统原理图的拟定10.1.2.2 选择液压回路在拟定液压系统原理图时，应根据各类主机 的工作特点和性能要求，先确定对主机主要 性能起决定性影响的主要回路，然后再考虑 其它辅助回路。例如对于机床液压系统，调速和速度换接回 路是主要回路；对于压力机液压系统，调压 回路是主要回路；有垂直运动部件的系统要 考虑平衡回路；有多个执行元件的系统要考 虑顺序动作、同步或回路隔离；有空载运行 要求的系统要考虑卸荷回路等。10.1.2.3 绘制液压系统原理图 将挑选出来的各个典型回路合并、整 理，增加
8、必要的元件或辅助回路，加 以综合，构成一个结构简单、工作安 全可靠、动作平稳、效率高、调整和 维护保养方便的液压系统，形成系统 原理图。10.1. 3 液压元件的计算和选择10.1.3.1 执行元件的结构形式及参数的确定 结构参数的确定是指根据液压执行元件的工 作压力和最大流量确定执行元件的几何参数， 液压传动系统采用的执行元件形式可视主机所 要实现的运动种类和性质而定，参见表10.1。表10.1 选择执行元件的形式运动 形式往复直线运动回转运动往复摆动 短行程长行程高 速低 速建议采 用的执 行元件 的形式活塞式 液压缸柱塞式液压缸 、 液压马达与齿 轮齿条或螺 母丝杠机构高速液 压马达低速
9、大扭矩 液压马达、 高速液压马 达带减速器摆动液 压缸(1)初选执行元件的工作压力工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据 。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至 整个系统的性能，工作压力选得高，执行元件 和系统的结构紧凑，但对元件的强度、刚度及 密封要求高，且要采用较高压力的液压泵。反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元 件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大，所以 应根据实际情况选取适当的工作压力，执行元 件工作压力可以根据总负载值选取。(2)确定执行元件的主要结构参数 在这里仍然以液压缸为例，需要确定的主要结 构尺寸是指液压缸的内径D和活塞杆的直径d，计算 和确定D和d的一般方法见液压缸
10、部分，并按系列标 准值确定D和d。对有低速运动要求的系统，尚需对液压缸有效工作 面积进行验算，即应保证 Aqmin/vmin (10.8) 式中 A液压缸工作腔的有效工作面积(m2)；qmin进入执行元件的最小稳定流量(m3s)；vmin液压缸要求达到的最低工作速度(ms) 。验算结果若不能满足式(108)，则说明按所设计的 结构尺寸和方案达不到所需要的最低速度，必须修 改设计。(3) 复算执行元件的工作压力当液压缸的主要尺寸D、d计算出来以后，要按系 列标准圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都 存在一定的偏差，因此，有必要根据圆整值对工作压 力进行一次复算。还须看到，在按上述方法确定工作
11、 压力的过程中，没有计算回油路的背压，因此，所确 定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需 要的那部分压力，在结构参数D、d确定之后，若取适 当的背压估算值，即可求出执行元件工作腔的压力。对于单杆液压缸，其工作压力p可按下列公式复算。无杆腔进油工进阶段 p=F/A1+pbA2/A1 (10.9)有杆腔进油阶段 p=F/A2+pbA1/ A2 (10.10)式中 F液压缸在各工作阶段的最大机械总负载(N) ；A1 、 A2液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积 (m2);pb液压缸回油路的背压(Pa)。(4)执行元件的工况图各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算执 行元件在工作循环各阶段内的工
12、作压力，还可求出 需要输入的流量和功率，这时就可以作出系统中各 执行元件在其工作过程中的工况图，即执行元件在 一个工作循环中的压力、流量、功率对时间或位移 的变化曲线图，将系统中各执行元件的工况图加以 合并，便得到整个系统的工况图。液压系统的工况可以显示整个工作循环中的系统压 力、流量和功率的最大值及其分布情况，为后续设 计步骤中选择元件、选择回路或修正设计提供合理 的依据。对于单执行元件系统或某些简单系统，其工况图的 绘制可省略，而仅将计算出的各阶段压力、流量和 功率值列表表示。10.1.3.2 选择液压泵首先根据设计要求和系统工况确定 泵的类型，然后根据液压泵的最大 供油量和系统工作压力来
13、选择液压 泵的规格。(1)液压泵的最高供油压力 液压泵的工作压力等于系统的压力损失和执 行元件工作压力之和，即：pP= p+pl （8-11） 式中 pP液压泵的最高供油压力(Pa)；p 执行元件的最高工作压力(Pa) ；pl进油路上总的压力损失(Pa)；如系统在执行元件停止运动时才出现最 高工作压力，则pl =0；否则，须计算出油 液流过进油路上的控制、调节元件和管道的 各项压力损失，初算时可凭经验进行估计， 对简单系统取pl =0.20.5MPa，对复杂系 统取pl 0.51.5MPa。(2)确定液压泵的最大供油量液压泵的最大供油量为qP= kqmax （8-12）式中 qP液压泵的最大供
14、油量(m3s)；k系统的泄漏修正系数，一般取k =1.11.3 ，大流量取小值，小流量取大值；qmax同时动作的各执行元件所需流量之和 的最大值(m3s)。如果液压泵的供油量是按工进工况选取时，其供 油量应考虑溢流阀的最小流量。(3)选择液压泵的规格型号液压泵的规格型号按计算值从产品样本中 选取，为了使液压泵工作安全可靠，液压 泵应有一定的压力储备量，通常泵的额定 压力可比工作压力高2560。以保证 泵有较高的容积效率和较长的使用寿命。 泵的额定流量则宜与qp相当，不要超过太 多，以免造成过大的功率损失。 泵只是在其额定压力附近工作时，其能力 才能得到最好的发挥。(4)选择驱动液压泵的电动机驱
15、动液压泵的电动机根据驱动功率和泵的转速来选择 。在整个工作循环中，泵的压力和流量在较多时间内皆 达到最大工作值时，驱动泵的电动机功率为P=pPqP/ P （8-13） 式中 P液压泵的总效率，数值可见产品样本。限压式变量叶片泵的驱动功率，可按泵的实际压力 流量特性曲线拐点处的功率来计算。在工作循环中，泵的压力和流量变化较大时，可分 别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然 后求其均方根值即可。 在选择电动机时，应将求得的功率值与各工作阶段 的最大功率值比较，若最大功率符合电动机短时超 载25的范围，则按平均功率选择电动机；否则应 按最大功率选择电动机。10.1.3.3 选择阀类元件各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理 图和系统工况提供的情况从产品样本中选取 ，各种阀的额定压力和额定流量，一般应与 其工作压力和最大通过流量相接近，必要时 ，可允许其最大通过流量超过额定流量的20 。具体选择时，应注意溢流阀按液压泵的最大 流量来选取；流量阀还需考虑最小稳定流量 ，以满足低速稳定性要求；单杆液压缸系统 ，若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用 面积的几倍，当有杆腔进油时，则回油流量 为进油流量的几倍，此时，应以几倍的流量 来选择通过的阀类元件。 10.1.3.4
