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1、第十一章第十一章 液压系统的设计计算液压系统的设计计算111 明确设计要求明确设计要求,进行工况分析进行工况分析 112 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图 113 计算和选择液压元件计算和选择液压元件 114 绘制工作图，编写技术文件绘制工作图，编写技术文件1111 明确设计要求，进行工况分析明确设计要求，进行工况分析一、明确设计要求一、明确设计要求二、工况分析二、工况分析2一、明确设计要求一、明确设计要求 液压系统是主机的配套部分，设计液压系液压系统是主机的配套部分，设计液压系统时首先要明确主机对液压系统提出的要求，统时首先要明确主机对液压系统提出的要求，具体包括：具体包括：1、主机的动
2、作要求、主机的动作要求 这是指主机的哪些动作要求用液压传动来这是指主机的哪些动作要求用液压传动来实现，这些动作间有无联系以及要不要完成一实现，这些动作间有无联系以及要不要完成一定自动循环等。主机可能对液压系统提出许多定自动循环等。主机可能对液压系统提出许多要求，设计这应在了解主机用途、工作过程和要求，设计这应在了解主机用途、工作过程和总体布局的基础上对这些要求做出分析。总体布局的基础上对这些要求做出分析。32、主机的性能要求、主机的性能要求 这是指主机内采用液压传动的各执行机构这是指主机内采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶
3、段所需的力和速度的大小、调速的范围、速阶段所需的力和速度的大小、调速的范围、速度的平彻性以及完成一个循环的时间等方面都度的平彻性以及完成一个循环的时间等方面都必须有明确的数据。现代化机械要求高精度、必须有明确的数据。现代化机械要求高精度、高生产力以及高度自动化，这不仅要求其液压高生产力以及高度自动化，这不仅要求其液压系统具有良好的静态指标，还常对其动态指标系统具有良好的静态指标，还常对其动态指标提出要求。提出要求。43、液压系统的工作环境、液压系统的工作环境 工作环境的温度和湿度，污染和振动冲击工作环境的温度和湿度，污染和振动冲击情况以及是否有腐蚀性和易燃性物质存在等问情况以及是否有腐蚀性和易
4、燃性物质存在等问题均应有明确答案。这涉及液压元件和介质的题均应有明确答案。这涉及液压元件和介质的选用。必要时设计中还应附加防护措施。选用。必要时设计中还应附加防护措施。54、其他要求、其他要求 如液压装置在重量、外形尺寸方面的限制如液压装置在重量、外形尺寸方面的限制以及经济性、能耗方面的要求等。以及经济性、能耗方面的要求等。6二、工况分析二、工况分析 工况分析就是分析主机在工作过程中速工况分析就是分析主机在工作过程中速度和负载的变化规律，即进行运动分析和负载度和负载的变化规律，即进行运动分析和负载分析。对于动作复杂的机械需绘制速度循环图分析。对于动作复杂的机械需绘制速度循环图和负载循环图，简单
5、的系统可以不绘图，但需和负载循环图，简单的系统可以不绘图，但需要找出其最大负载和最大速度点。实际上，工要找出其最大负载和最大速度点。实际上，工况分析是进一不明确主机在性能方面的要求。况分析是进一不明确主机在性能方面的要求。71、运动分析、运动分析 根据工作要求，将主机各执行元件在一根据工作要求，将主机各执行元件在一个完整的工作循环内各阶段的速度用图表示出个完整的工作循环内各阶段的速度用图表示出来。一般用速度来。一般用速度时间（时间（v-t）或速度）或速度位移位移（v-s）曲线表示，称为速度循环图。图）曲线表示，称为速度循环图。图a为组为组合机床动力滑台的工作循环，图合机床动力滑台的工作循环，图
6、b是速度是速度-位移位移（v-s）曲线。）曲线。82、负载分析、负载分析 根据工况要求，将执行元件在各阶段所需根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用图表示出来。一般用负载克服的负载用图表示出来。一般用负载时间时间（F-t）或负载）或负载位移（位移（F-s）曲线表示，称为）曲线表示，称为负载循环图。负载循环图。（1）液压缸的负载分析）液压缸的负载分析 用液压缸带动主机执行机构作直线往复用液压缸带动主机执行机构作直线往复运动时，所需克服的外负载动力为：运动时，所需克服的外负载动力为： FL=F+Ff=Fa9a.工作负载工作负载F 不同机械的工作负载其形式各不同。对于不同机械的工作负载其形
7、式各不同。对于金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。负值负载。10b.摩擦阻力负载摩擦阻力负载Ff 摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动时所需克服的支承面上的摩擦力。时所需克服的支承面上的摩擦力。 Ff= Ni i 式中式中 Ni作用在第作用在第i个支承面上的法向力；个支
8、承面上的法向力； i该支承面的摩擦系数。该支承面的摩擦系数。ki=111c. 惯性负载惯性负载Fa 惯性负载是指运动部件启动或制动过程中惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯性力。可按牛顿第二定律计算：的惯性力。可按牛顿第二定律计算： Fa=ma=(G/g).( v/ t) 液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和工作压力有关。工作压力有关。12 计算出工作循环中各阶段的外负载后，便计算出工作循环中各阶段的外负载后，便可作出负载循环图。上述组合机床动力滑台的可作出负载循环图。上述组
9、合机床动力滑台的负载循环图如下。负载循环图如下。13（2）液压马达负载分析）液压马达负载分析 以液压马达为执行元件时，液压马达需克以液压马达为执行元件时，液压马达需克服的外负载为：服的外负载为： ML=M+Mf+Ms式中式中M工作负载折合到液压马达上的力矩；工作负载折合到液压马达上的力矩；Mf执行机构等的摩擦力折合到液压马达上执行机构等的摩擦力折合到液压马达上的力矩；的力矩；Ms执行机构、运动装置和液压马达等在启执行机构、运动装置和液压马达等在启动和制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩动和制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩的总和。的总和。143、执行元件容量的确定、执行元件容量的确定（1）选
10、定工作压力）选定工作压力 工作压力的选定关系到设计出和系统是否工作压力的选定关系到设计出和系统是否经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根据机械的类型来选择工作压力。据机械的类型来选择工作压力。15（2）液压缸有效面积的确定）液压缸有效面积的确定从满足负载力的要求出发从满足负载力的要求出发 A=FL/ cmp当工作
11、速度很低时，按上式计算出的工作面当工作速度很低时，按上式计算出的工作面积不一定能满足最低稳定速度的要求，因此积不一定能满足最低稳定速度的要求，因此应按最低运动速度来进行验算，即液压缸的应按最低运动速度来进行验算，即液压缸的有效工作面积应满足下式：有效工作面积应满足下式： AQmin/vmin如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工作面积按上式选取。作面积按上式选取。16（3）液压马达每转排量的确定）液压马达每转排量的确定从满足负载力矩的要求出发从满足负载力矩的要求出发 q=2 ML/p. Mm必要时，也需按最低转速要求进行验算，即必要时，也需按最低转速要求进
12、行验算，即 qQmin/nmin174.绘制液压执行元件工况图绘制液压执行元件工况图 应绘制的液压执行元件工况图包括压力应绘制的液压执行元件工况图包括压力循环图、流量循环图以及功率循环图。根据负循环图、流量循环图以及功率循环图。根据负载循环图，将各阶段的负载除以液压缸的面积载循环图，将各阶段的负载除以液压缸的面积或液压马达的容量，即可作出流量循环图。在或液压马达的容量，即可作出流量循环图。在根据根据N=pQ可绘制出功率循环图。组合机床动可绘制出功率循环图。组合机床动力滑台液压缸的工况图如图。力滑台液压缸的工况图如图。18工况图的作用如下：工况图的作用如下：（1）可以很方便地找出最高压力点、最大
13、流）可以很方便地找出最高压力点、最大流量点和最大功率点。量点和最大功率点。（2）对合理地选择系统的主机回路有知道意）对合理地选择系统的主机回路有知道意义。义。结束结束19 11-2 拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图一、执行元件的类型一、执行元件的类型二、调速方案二、调速方案三、控制方案三、控制方案四、系统安全可靠性四、系统安全可靠性五、节约能量五、节约能量六、其它六、其它20一、执行元件的类型一、执行元件的类型 根据主机部件所要求的运动形式，确定根据主机部件所要求的运动形式，确定采用液压缸还是液压马达作为执行元件。主机采用液压缸还是液压马达作为执行元件。主机要求往复运动，则选用液压缸；主机
14、要求连续要求往复运动，则选用液压缸；主机要求连续的旋转运动，则应选用液压马达。至于液压缸的旋转运动，则应选用液压马达。至于液压缸或液压马达的具体结构形式，可参照第三、四或液压马达的具体结构形式，可参照第三、四章提出的原则选用。实际上它们的选用还和工章提出的原则选用。实际上它们的选用还和工厂的惯例以及货源有关。厂的惯例以及货源有关。21二、调速方案二、调速方案 调速方案主要是根据调速范围、功率大小、调速方案主要是根据调速范围、功率大小、低速稳定性、允许的温升以及投资的多少等因低速稳定性、允许的温升以及投资的多少等因素来考虑选用。节流调速结果简单，投资少，素来考虑选用。节流调速结果简单，投资少，调
15、速范围大，低速稳定性好，但系统效率低。调速范围大，低速稳定性好，但系统效率低。故在功率不大，温升限制不严的情况下优先考故在功率不大，温升限制不严的情况下优先考虑。在功率较大的中高压系统中，以采用容积虑。在功率较大的中高压系统中，以采用容积调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常用容积调速。如果同时对低速稳定性有较高要用容积调速。如果同时对低速稳定性有较高要求，则可采用容积节流调速。求，则可采用容积节流调速。22三、控制方案三、控制方案 控制方式主要根据主机工艺要求来确定。控制方式主要根据主机工艺要求来确定。执行机构较多的工程机械、工程船舶以及起重执行机构
16、较多的工程机械、工程船舶以及起重机械等设备则可采用多路阀。一般说来行程控机械等设备则可采用多路阀。一般说来行程控制动作可靠，是一种最通用的控制方式；合理制动作可靠，是一种最通用的控制方式；合理地使用压力控制可以简化系统，但在一个系统地使用压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜多次使用；时间控制不单独使用，往往内不宜多次使用；时间控制不单独使用，往往和行程或压力控制组合使用。按不同控制方式和行程或压力控制组合使用。按不同控制方式设计出的系统、其繁简程度可能差别很大。设计出的系统、其繁简程度可能差别很大。23四、系统安全可靠性四、系统安全可靠性 拟定液压系统图时，应对系统的安全性和拟定液压系统图
17、时，应对系统的安全性和可靠性予以足够的重视。为防止过载，安全阀可靠性予以足够的重视。为防止过载，安全阀是必不可少的。为避免垂直运动部件在系统失是必不可少的。为避免垂直运动部件在系统失压情况下自由下落，在回油路中增加平衡阀或压情况下自由下落，在回油路中增加平衡阀或液控单向阀是常用措施。用于起重机的液压马液控单向阀是常用措施。用于起重机的液压马达除了有平衡回路外，还有机械制动装置以确达除了有平衡回路外，还有机械制动装置以确保安全。在用一个泵供给两个以上执行元件运保安全。在用一个泵供给两个以上执行元件运动时，系统设计中应防止互相干扰。在系统中动时，系统设计中应防止互相干扰。在系统中合理地配置滤油器，
18、是其长期工作重要保证。合理地配置滤油器，是其长期工作重要保证。24五、节约能量五、节约能量 容积调速固然减少能耗，但双泵供油及增容积调速固然减少能耗，但双泵供油及增加蓄能器等也能达到相当好的效果。为了减少加蓄能器等也能达到相当好的效果。为了减少能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。25六、其它六、其它 如尽量采用标准元件以缩短设计和制造如尽量采用标准元件以缩短设计和制造周期降低成本等。周期降低成本等。结束结束26113 计算和选择液压元件计算和选择液压元件一、选择液压泵
19、一、选择液压泵二、选择控制阀二、选择控制阀三、选取液压附件三、选取液压附件27一、选择液压泵一、选择液压泵1、计算液压泵的工作压力、计算液压泵的工作压力 泵的工作压力是执行元件工作压力以及管泵的工作压力是执行元件工作压力以及管道压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积道压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积相等的液压缸，则有：相等的液压缸，则有： ps=p+p式中式中 ps泵的工作压力；泵的工作压力； p液压缸或液压马达的工作压力，由于液压缸或液压马达的工作压力，由于执行元件回油腔常有压力，实际上执行元件回油腔常有压力，实际上p是压差；是压差；p油流经管道和各阀类时的全部压力损失。油流经管道和各
20、阀类时的全部压力损失。28 对于两腔工作面积不等和液压缸（如图），对于两腔工作面积不等和液压缸（如图），则有则有:Ps=FL/ cm+pi+(A2/A1)p0管道中的压力损失包括沿程管道中的压力损失包括沿程 损失和局部损失两中。而流损失和局部损失两中。而流 经各种阀类的压力损失则以经各种阀类的压力损失则以 局部损失为主，并且它在全局部损失为主，并且它在全 部压力损失中占有较大的比部压力损失中占有较大的比 重。重。29 在额定流量下流各种阀类的压力损失可由在额定流量下流各种阀类的压力损失可由产品样本查得。当流经阀的实际流量为时，产品样本查得。当流经阀的实际流量为时，其实际压力损失可按下式估算。其
21、实际压力损失可按下式估算。 p= pr(Q/Qr)2对于压力损失较为准确的估算，只有在系统对于压力损失较为准确的估算，只有在系统的阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进的阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进行。现阶段只能进行粗细估算。行。现阶段只能进行粗细估算。302、计算泵的流量、计算泵的流量液压泵的流量液压泵的流量Qp为：为： QpK( Q)max对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小溢流量。溢流量。系统中有蓄能器时，则泵的流量按一个工作循系统中有蓄能器时，则泵的流量按一
22、个工作循环的平均流量选取，即：环的平均流量选取，即： Qp(K/T). Qi tini=1313、选取液压泵规格、选取液压泵规格 参照产品样本选取其额定压力比参照产品样本选取其额定压力比p，高，高2560%，其流量与上述计算结果一，其流量与上述计算结果一致的液压泵。致的液压泵。324、计算功率，选用原动机、计算功率，选用原动机（1）按工作循环中最高功率点选用，即）按工作循环中最高功率点选用，即 N=(psQp)max/ p式中式中 N原动机功率；原动机功率； (psQp)max泵的压力和流量乘积的最大值；泵的压力和流量乘积的最大值； p泵的总效率。对齿轮泵取泵的总效率。对齿轮泵取0.600.7
23、5，柱塞泵取柱塞泵取0.800.85。33（2）如果带动泵的原动机为电动机，而在一）如果带动泵的原动机为电动机，而在一个循环中泵的功率变化较大，且最高功率点持个循环中泵的功率变化较大，且最高功率点持续的时间很短，则按前式的计算结果来选电动续的时间很短，则按前式的计算结果来选电动机，功率就会偏大，不经济。在在这种情况下，机，功率就会偏大，不经济。在在这种情况下，可根据电动机允许的发热来选取电动功率。先可根据电动机允许的发热来选取电动功率。先算出循环中各阶段所需功率，即：算出循环中各阶段所需功率，即： N1=p1Q1/ p1 N2=p2Q2/ p2 Nn=pnQn/ pn34则电动机功率为：则电动
24、机功率为：N=(N12t1+N22t2+Nn2tn)/(t1+t2+tn)1/2 将两式的计算结果进行比较，如果最大功将两式的计算结果进行比较，如果最大功率在电动机超载能力范围内（一般为率在电动机超载能力范围内（一般为25%）。）。则可按第二式选取电机。则可按第二式选取电机。35二、选择控制阀二、选择控制阀 一般要求控制阀的额定压力和额定流量大一般要求控制阀的额定压力和额定流量大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量。于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量。必要时，通过的流量可略大于该阀的额定流量，必要时，通过的流量可略大于该阀的额定流量，但一般不超过但一般不超过20%，以避免压力损失过大，引
25、，以避免压力损失过大，引起油液发热、噪声和其它性能恶化。流量阀按起油液发热、噪声和其它性能恶化。流量阀按系统中流量调节范围来选取，其最小稳定流量系统中流量调节范围来选取，其最小稳定流量应能满足机器性能的要求。应能满足机器性能的要求。36三、选取液压附件三、选取液压附件 滤油器、蓄能器、和管接头等可按第五滤油器、蓄能器、和管接头等可按第五章中有关原则选取。选取油管和管接头时比章中有关原则选取。选取油管和管接头时比较简便的办法是使它们的通径和阀的通径一较简便的办法是使它们的通径和阀的通径一致。致。油箱既有储油又有散热的作用，因此必须有油箱既有储油又有散热的作用，因此必须有足够容积和散热面积。油箱容
26、积的推荐数值足够容积和散热面积。油箱容积的推荐数值如下：低压系统（如下：低压系统（p2.5MPa, V=(24)Qp 中压系统中压系统 (p6.3MPa), V=(612)Qp结束结束37114 绘制工作图，编写技术文件绘制工作图，编写技术文件一、绘制工作图一、绘制工作图工作图包括：工作图包括：1、液压系统图、液压系统图图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的调整值，画出执行元件完成的工作循环图，列调整值，画出执行元件完成的工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态图。出相应电磁铁和压力继电器的工作状态图。2、元件集成块装配图、元件集成块装配图通常
27、用板将部分控制元件组合起来，称为集成通常用板将部分控制元件组合起来，称为集成板。液压件厂生产能完成各种功能的集成块，板。液压件厂生产能完成各种功能的集成块，38设计者只需选用并绘制集成块组合装配图。如设计者只需选用并绘制集成块组合装配图。如没有合适的集成可供选用，则需专门设计。没有合适的集成可供选用，则需专门设计。3、泵站装配图、泵站装配图泵、拖动泵的电动机以及油箱等集合在一起构泵、拖动泵的电动机以及油箱等集合在一起构成一个独立的液压源，称为泵站。小型泵站有成一个独立的液压源，称为泵站。小型泵站有标准化产品供选用，但大、中型泵站往往需个标准化产品供选用，但大、中型泵站往往需个别设计，需绘出其装配图和零件图。别设计，需绘出其装配图和零件图。4、液压缸和其它专用件的装配图的零件图。、液压缸和其它专用件的装配图的零件图。395、管路装配图、管路装配图一般只需绘制示意图说明管道走向，但要注明一般只需绘制示意图说明管道走向，但要注明管道尺寸、接头规格和装配技术要求等。管道尺寸、接头规格和装配技术要求等。6、电气线路图、电气线路图二、编写技术文件二、编写技术文件 应编写的技术文件包括设计计算书、系应编写的技术文件包括设计计算书、系统工作原理和操作说明书等。设计计算书中还统工作原理和操作说明书等。设计计算书中还需对系统的某些性能进行必要的验算。需对系统的某些性能进行必要的验算。结束结束40
