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1、第4章 液压系统的设计1 液压传动系统设计11 液压传动系统的设计环节和内容液压系统设计流程图见图41。111 明确技术规定 设计新的液压系统，一方面要仔细查明机器对液压系统究竟有哪些规定，要与用户或主机厂共同讨论，力求定量地掌握这些技术规定，作为设计的出发点和依据。需要掌握的技术规定也许有： 1机器的特性 (1)用途及工作目的。 (2)功能、性能及负载特性 负载种类(恒定负载、变化负载及冲击负载)及大小；运动方式(直线运动、旋转运动、摆动)及运动量(位移、速度、加速度)，惯性力，摩擦力(静摩擦、动摩擦、粘性摩擦)，动作特性、动作时间，精度(定位精度、跟踪精度、同步精度)。 (3)结构 机构、
2、与被驱动部分的连接条件、安装上的限制条件等。 (4)驱动方式 原动机的种类(电动机、内燃机等)、容量(功率、转速、转矩)、稳定性。(5)控制方式 操作方式(手动、自动)、信号解决方式(继电器、逻辑电路、可编程控制器、微计算机)。(6)循环时间 系统中各种执行器的动作顺序、动作时间的互相关系。2使用条件 (1)工作时间。 (2)设立场合(室内、室外)。 (3)设立环境 环境温度、湿度(高温、寒带、热带)，粉尘种类和浓度(防护、净化等)，腐蚀性气体(所用元件的结构、材质、表面解决、涂覆等)，易爆气体(防爆措施)，机械振动(机械强度、耐振结构)，噪声限制(减少噪声措施)。 (4)维护条件 维护限度与
3、周期，维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性。 3合用标准、法规 4安全性、可靠性 (1)用户在安全性方面有无特殊规定。 (2)明保证用期、保用条件。 5经济性 不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运营费用。112 系统功能设计根据技术规定拟定执行器的种类、数量、动作顺序和动作条件。根据动作条件拟定驱动执行器的基本回路。作为控制执行器的方式，有用双向变量泵的闭式回路和使用控制阀的开式回路。当系统中有多个执行器时，要绘制表达动作顺序的顺序图，拟定实现动作顺序的控制回路。此时假如有同步规定，还耍采用保证必要的同步精度的同步回路。然后再设计液压源回路。此时要考虑节能、维持液压油液的
4、清洁度、液压油液的温度控制、油箱的油量调节和气压调节。综合以上驱动回路、控制回路、液压源回路三个部分，即得到总的基本液压系统。然后再进一步考虑安全性、减小冲击、减小压力脉动、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善。 1拟定执行器的种类、数量和动作 执行器是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的规定及结构、安装上的限制。根据所规定的负载运动形态，选用不同的执行器配置，见表41。表41 执行器配置的选择运动形态执行器配置直线运动液压缸液压马达+齿轮齿条机构液压马达+螺旋机构旋转运动液压马达摆动摆动马达液压缸+连杆机构液压马达+齿轮机构根据执行器的种类和负载重量、位
5、移量、速度、加速度、摩擦力等，通过基本计算，拟定所需的压力、流量。压力可根据受压面积与机械力求出，流量可用移动体积与移动时间的关系求出。2拟定系统压力多数情况下压力可以自由选定。适当提高压力可以减少成本。因此，系统压力有逐渐提高的趋势，但液压系统的压力受到所用元件的限制。提高系统压力，可以使响应速度提高、输出力加大、功率密度提高、管路的压力传播速度提高，并且不容易发生执行器低速爬行现象。但是提高压力也带来一些问题，如元件寿命缩短，易于发生阀的卡死及自激振荡，液压油易变质，内泄漏加大，油温升高，必须采用措施防止漏油。3拟定循环时间根据生产设备的预定年产量和全年工作日数求出日产量，再根据机器的能力
6、和每日开机时间求出单位产量所需时间即循环时间。此循环时间要进一步细分出各执行器的顺序动作时间、停歇时间等，要合理地分派循环中各个节拍所需要的时间。为此要把表达各执行器动作顺序的顺序图、表达动作特性的工作图及表达各节拍所需压力流量的压力流量图综合起来，绘制出时间图。假如循环中仅个别节拍需要大流量时，设立作为辅助油源的蓄能器，可以提高系统效率，同时也减少成本。4拟定控制方式执行器的控制方式有泵控制方式和阀控制方式，泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行器的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行器的方向控制。这种方式中每个执行器需要一个变量泵。重视能源的经济的场合或者负载惯性大、起动停止
7、冲击成问题时可以采用。阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制。这种方式应用最广泛，合用于一个液压源同时驱动多个执行器的场合或者输入信号很复杂而规定快速响应的场合。5设计液压回路由于设计者的思绪、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的的设计出来的液压回路也是千差万别的。因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，拟定最合适的液压回路。液压回路涉及油压发生回路、执行器控制回路、油液解决回路、其他辅助回路等。无论多么复杂的液压系统，都则由实现种种功能的基本回路组成的。通过数年的经验积累，已经形成了许多简便成熟、行
8、之有效的基本回路。用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图，并注明压力控制阀、压力继电器等设定压力和液压泵或蓄能器工作时各段路的流量，以便后面选定元件和拟定管子口径。（1）油压发生回路 此回路涉及液压泵部分和压力控制部分，要设计成能在必要的时候最有效地供应所需要的压力和流量。液压泵的功率在泵控制方式中根据执行器的最大功率算出，在阀控制方式中根据各执行器所需的最大功率算出，在蓄能器驱动的卖命根据蓄能器的最高工作压力、一循环中消耗的所有液量在充液过程中补充所需的泵流量和卸载时间算出。在实际的工作循环中，有时低速大负载、有时高速小负载、有时卸载，可以求出平均功率并据以拟定泵的驱动电机的容量。但是循环中
9、的峰值负载不得超过电动机额定功率的1。5倍。（2）执行器控制回路 执行器控制回路要根据负载特性，适本地控制方向、速度等。泵控制方式中，在双向变量泵回路上加压力控制回路即可组成执行器控制回路。阀控制方式中的执行器控制回路，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路适当组合而成：1）方向控制回路 用方向控制阀来实现执行器动作方向的控制，掌握方向控制阀的通油时间来控制执行器的位移量。调整换向阀的切换时间、设立二速回路、与行程减速阀并用，或者采用比例阀、伺服阀都可以控制执行器起动、停止时的加速减速特性。2）速度控制回路 用流量控制阀来实现执行器速度的控制。根据负载变化情况和流量精度规定选定采用节流阀还
10、是调速阀来控制。考虑对负载方向的适应性，负载变化对精度的影响及回路的效率等因素，决定采用进口节流、出口节流还是旁通节流方式。3）压力控制回路 压力控制回路不仅涉及控制执行器输出力（或力矩）的回路，还涉及用来吸取执行器起停时的制动力、外负载引起的冲击力的安全回路。作为输出力控制回路，有用溢流冷漠限制最高压力的调压回路，尚有用减压阀把某个执行器限制到低于油源压力的压力的减压回路。制动回路、平衡回路、安全回路等中所用的压力控制阀，有直动式、先导式、内控式、外控式等各种结构，性能和特性也有多种不同，实际使用时必须十分注意。（3）液压油解决回路 液压油解决回路涉及进行液压油液污染控制的过滤回路和油液温度
11、控制回路。在过滤回路中，要根据所用液压元件和液压油的种类拟定过滤器的容量，过滤精度和设立部位。当环境温度较高或液压装置内部发热较多，单靠油箱和管路系统自然散热无法维持与所用元件相适应的温度和精度时，必须设立油冷却器，环境温度过低，液压泵超支困难时，必须考虑设立加热器或其他暖机运营方式。（4）辅助回路 辅助回路涉及液压系统维修所需的回路和作为安全措施专门设立的回路。在保养维修方面，要考虑测压口、油液取样口、元件拆卸时防止油液外流的措施、易于组成冲洗回路等，在安全方向，要考虑长期停机时防止自重引起下落的措施，防止误动作的措施，双重安全措施等。113 组成元件的设计液压回路中所用的元件分类四大类，即
12、能量输入元件，例如泵；控制元件，如阀；能量输出元件，如马达；辅件，如管子、油箱、接头等。前三类直接参与回路的能量传递功能，辅件虽不直接参与能量传递，但是保证和改善回路功能所必须的。上述元件的选择顺序是执行器-阀-泵-辅件，但一方面要选定液压油液。1 选定液压油油液在液压系统中实现润滑与传递动力的双重功能，必须根据使用环境和目的慎重造反。油液的对的选择保证系统元件的工作与寿命。系统中工作最繁重的元件是泵和马达，针对泵和马达造反的油液也合用于阀。液压油的种类可按图所示的流程选择。油液与密封材料的相容性见下表推荐的油液粘度范围见下表。泵与马达类型推荐粘度范围（mm2/S）40下的粘度运营粘度起动时最
13、高粘度直轴柱塞式32681354220齿轮式、叶片式、斜轴式860低速大扭矩叶片马达110起动时粘度过度会引起泵气蚀和噪声；连续工作在较高粘度下会使空气悬浮在油液中，从而引起泵、马达的提前失效和阀的冲刷磨损；粘度过低会导致系统效率减少和动力润滑破坏。不同粘度等级的油液，其精度为表5的推荐值时相应的温度见表6粘度等级（40以下）(mm2/s)起动时最高粘度(mm2/s)运营粘度(mm2/s)860220110541332-12 6 14 27 62 46-6 12 22 34 71 680 19 29 42 81 2拟定液压执行器 在前面的系统功能设计中，已经拟定了执行器的种类、数量和动作。现在
14、要拟定具体的结构形式，规格及安装方式。 (1)液压缸 单作用液压缸仅在靠自重、外负载或弹簧力等机械方式实现回程时才使用，一般多使用双作用缸。需要以较短的安装长度来实现很长的工作行程时，可考虑使用多级伸缩缸或增设能放大行程的倍增机构(图48)。 缸的行程取决于负载运动距离。行程较长时需要活塞杆较粗，也许还要在缸内装有止动套管，以提高抗纵弯能力。缸筒的结构，一般机械设备多用拉杆式和螺纹式，冶金工业、锻压机械等的重型缸及高压大直径缸用焊接式。安装方式要根据负载特性和运动形式妥善选择，要使液压缸所受载荷沿动作方向而在径向不受载荷。常用的安装方式见图49。 法兰安装提供高强度的中线支座，但对找正的规定较
15、高。可以用有杆端法兰或无仟端法兰来安装缸，有杆端法兰比较适合于拉力负载；水平安装的长缸也许需要亿自由端设立附加支座以防止下垂(图410)。 中线凸耳沿活塞杆中心线所在平面支承缸体。这种安装使安装螺栓只受单纯的拉伸或剪切，不受复合力。规定精确找正，但精确找正后是很牢固的。耳轴安装使缸可以驱动曲线运动的负载。耳轴通常布置在活塞杆中心线所在平面内，并且只承受剪切载荷。由于它是-种铰接安装所以有助于补偿不对正度。耳环安装的整体式耳环是缸底盖的一部分。由于支点在缸体以外，所以这种安装的杠杆臂较长。 加长拉杆安装象法兰安装同样也提供中线支座，但刚度较低。脚架安装由于脚架低于活塞杆的中心线而使缸承受倾翻力矩。应力值高于中线凸耳安装而刚度较低。脚架安装式能允许稍大的不对正度。往往用键或销来承受剪切载荷以便安装螺栓仅受拉力。缸内径根据所需缸力F和可运用的系统压力p来拟定。以单杆双作用液压缸为例，其推力F1和拉力F2分别为F1=A1p
