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1、,1,第9章 液压传动系统的设计计算,液压传动系统设计是液压设备主机设计的重要组成部分，当从必要行、可行性和经济性等几个方面对机械、电气、液压和气动等传动形式进行全面比较和论证，决定采用液压传动系统后，液压传动系统设计和主机设计往往同时进行。其设计一般要求为从实际出发，重视调查研究，注意吸取国内外先进技术，力求做到所设计的液压传动系统在满足主机拖动、工作循环要求的前提下，符合结构组成简单、体积小、重量轻、工作安全可靠、使用维护方便、经济性好等公认的设计原则。,9.1 液压系统设计的步骤与要求,2,9.1.1 设计内容与步骤 液压传动系统的设计主要分为两大部分： 一、是系统的功能原理设计： 它包
2、括系统功能设计、组成元件设计和液压系统验算等三个环节。 二、是系统的结构设计亦称施工设计： 它包括液压装置及电气控制装置的设计，其设计的成果是液压传动系统产品的工作图样和有关技术文件，为制造、组装和调试液压系统提供依据。,图9-1 液压传动系统的一般设计流程,3,按图9-1所示内容与步骤进行设计。但由于各类主机设备对液压传动系统的要求不同及设计者经验的多寡，其中有些内容与步骤可以省略和从简，或将其中某些内容与步骤合并交叉进行。,9.1.2 明确液压系统的技术要求设计者在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，应进行调查研究，以求对下列技术要求达到定量了解和掌握： 1)主机的概况：用途(
3、工艺目的)、结构布局 (卧式、立式等)、使用条件 (连续运转、间歇运转、特殊液体的使用)、技术特性 (工作负载的性质及大小；运动形式；位移、速度、加速度等运动参数的大小和范围)等。由此确定哪些机构需要采用液压传动，所需执行元件形式和数量及其工作范围、尺寸、质量和安装等限制条件； 2)机器的循环时间、执行元件的动作循环与周期及各机构运动之间的联锁和安全要求；,4,3 )主机对液压系统的工作性能(如调速范围、运动平稳性、转换精度、传动效率、控制方式及自动化程度等)的要求； 4 )原动机的类型 (内燃机还是电动机)及其功率、转速和转矩特性； 5 )工作环境条件，如室内或室外、温度、湿度、尘埃、冲击振
4、动、易燃易爆及腐蚀情况等； 6 )限制条件，如压力脉动、冲击、振动噪声的允许值等； 7 )对防尘、防爆、防寒、躁声、安全可靠性的要求； 8 )经济性要求，如投资费用、运行能耗和维护保养费用等。,5,9.2 液压系统的功能设计 液压系统功能设计，就是根据技术要求配置液压执行元件，然后通过动力和运动分析，确定系统主要参数，编制执行元件的工况图，从而草拟液压系统原理图的过程。 9.2.1 配置液压执行元件考虑液压设备的总体方案时，确定液压执行元件和确定主机整体结构布局是同时进行的，液压执行元件的选择由主机的动作要求、载荷大小及布置空间条件确定，液压执行机构的选择可参考表9-1。,6,表9-1 常用液
5、压执行元件的类型、特点和应用,7,图9-2 典型执行元件动作周期顺序图(挖掘机) A.斗杆缸伸出；B.斗杆缸缩回；C.铲斗缸伸出；D.铲斗缸缩回；E.动臂缸伸出；F.动臂缸缩回；G.顺时针回转；H.逆时针回转,8,9,选定执行元件的类型和数量后，即可将机器的循环时间合理细分为各执行元件的顺序动作时间、间歇时间等，并做出执行元件动作周期顺序图，其典型示例如图9-2所示。对于简单的系统或单执行元件，则可直接做出动作循环图，其典型示例如图9-3所示。,图9-3 典型动作循环,9.2.2 液压执行元件动力与运动分析运动分析是确定液压系统主要参数的基本依据，包括每个液压执行元件的动力分析(负载循环图)和
6、运动分析(运动循环图)。以了解运动过程的本质，查明每个执行器在其工作中的负载、位移及速度的变化规律，并找出最大负载点和最大速度点。 1. 动力分析(负载循环图) 液压执行元件的负载包括工作负载和摩擦负载两类，工作负载又分阻力负载、超越负载(负载)和惯性负载三种类型。 摩擦负载也分静摩擦负载和动摩擦负载两种类型。执行元件的负载大小可由主机规格确定，也可用实验方法或理论分析计算得到。 根据计算出的外负载和循环周期，即可绘制负载循环图(F-t)图，参见图9-4。,10,11,图9-4 液压缸的速度、负载循环图,2. 运动分析(运动循环图) 液压执行元件在工作过程中，一般要经历启动 (工作循环的起点)
7、加速、恒速(稳态)和减速制动等工况，执行机构在一个工作循环中的运动规律用运动循环图即速度循环图(v-t)图表示，参见图9-4。 绘制速度循环图是为了计算液压执行元件的惯性负载及绘制其负载循环图，因而速度循环图的绘制通常与负载循环图同时进行。,9.2.3 确定液压系统主要参数，绘制液压系统工况图 液压系统的主要参数包括压力、流量和功率。通常，首先选择系统工作压力，然后根据对执行元件的速度(或转速)要求，确定其流量。压力和流量一经确定，即可确定其功率，并做出液压系统的工况图。 1. 确定系统工作压力 液压系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平而定，还要考虑执行元件的装配空间、经济条件
8、及元件供应情况等的限制。 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，而对于像行走机械等重载设备，压力要选得高一些。系统工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是液压系统的发展方向，但要注意泄漏、噪声控制和可靠性等问题的妥善处理。具体选择参考表9-2，表9-3。,12,表9-2 按载荷选择工作压力,13,表9-3 各类设备常用的工作压力,表9-4 执行元件的回油背压,2. 液压执行元件主要结构参数的计算根据液压系统负载图、和已确定的系统工作压力，计算： (1)活塞缸的内径、活塞杆直径、柱塞缸的柱塞杆直径等。 (2)液压马达的排量。 计算时要用到回油背压的数据，见表9-4。,14,(
9、9-1),当工作速度很低时，还需按最低速度要求验算液压执行元件 (1) 液压缸 (2) 液压马达 式中 A 液压缸有效作用面积 ,cm2； V 液压马达排量, L/r ； qmin 系统最小稳定流量在节流调速系统中，qmin取决于流 量阀的最小稳定流量；在容积调速系统中，qmin取决 于变量泵或变量马达的最小稳定流量,L/min ； nmin 液压马达最小稳定转速，r/min； vmin 液压缸最小稳定速度，m/s。,15,(9-2),3. 计算液压执行元件所需的流量 (1) 液压缸的流量 q=6Av (9-3) 式中 q 液压缸所需的流量，L/min； A 液压缸有效作用面积,cm2； v
10、活塞(柱塞)与缸体的相对速度 ,m/s。 (2) 液压马达的流量 q=Vn (9-4) 式中 q 液压马达所需的流量，L/min ； V 液压马达排量 ，L； n 液压马达的转速，r/min 。,16,4. 绘制液压系统工况图 液压系统工况图包括压力循环图( p-t图)、流量循环图(q-t 图)和功率循环图(P-t图)，它反映了一个循环周期内，液压系统对压力、流量及功率的需要量及变化情况。 (1) 压力循环图 p-t图 通过最后确定的液压执行元件的结构尺寸，再根据实际载荷的大小，倒求出液压系统在其动作循环各阶段的工作压力，然后把它们绘制成 图。 (2) 流量循环图 q-t图 根据已确定的液压缸
11、有效工作面积或液压马达的排量，结合其运动速度算出它在工作循环中每一阶段的实际流量，把它绘制成q-t图。 若系统中有多个液压执行元件同时工作，要把各自的流量图叠加起来给出总的系统流量循环图(图9-5为双缸系统的(q-t)图例)。 (3) 功率循环图 P-t图 给出系统压力循环图和总流量循环图后，根据P=pq，即可绘出系统的功率循环图，图9-6为某液压系统的工况图示例。,17,18,图9-5 双缸系统的流量循环图,图9-6 某液压系统的工况图示例,9.2.4 液压系统原理图的拟订拟定液压系统原理图的一般方法是，根据主机动作和性能要求先分别选择和拟定基本回路，然后将各个基本回路组合成一个完整的系统。
12、 1. 液压回路的选择 构成液压系统的回路有主回路 (直接控制液压执行元件的部分)和辅助回路 (保持液压系统连续稳定地运行的部分)两大类。 (1) 调速方式的选择 常用的液压调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速，三种调速方案的比较见表9-5。,19,20,调速方式的选择及速度控制的实现，与油泵的驱动形式有关。常见的组成与应用场合为： 1) 定量泵节流调速回路，因调节方式简单，一次性投资少，在中小型液压设备，特别是机床中得到广泛应用。2)若原动机为柴油机、汽油机，可采用定量泵变速调节流量，同时用手动多路换向阀实现微调，常用于液压汽车起重机、液压机和挖掘机等设备。 3)变量泵的容
13、积调速按控制方式可分为手动变量调速和压力 (压力差)适应变量调速。前者通过外部信号 (手动或比例电磁铁驱动)实现开环或大闭环控制；后者通过泵的出口压力或调节元件的前后压力差反馈控制。,(2) 油路循环方式的选择 调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定。 1)节流调速一般采用开式循环形式，开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。 2)容积调速大多采用闭式循环形式，闭式回路结构紧凑，但散热条件差。 (3) 液压动力源的选择 液压动力源的核心是液压泵。液压泵的选定与调速方案有关，当采用节流调速时，只能采用定量泵作动力源。在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的用油量，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。当采用容积调速时，可选用定量泵或变量泵作动力源；当采用容积-节流调速时，必须采用变量泵作动力源。在容积调速或容积-节流调速系统中，用安全阀限定系统的最高压力。 动力源中泵的数量视执行元件的工况图而定，要考虑到系统的温升、效率及可能的干扰等。,
