液压传动讲义第10章液压传动系统的设计和计算

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1、10 液压传动系统的设计和计算10.1液压传动系统的设计步骤10.2 液压系统设计举例本章提要：本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法，对于一般的液压系统，在设计过程中应遵循以下几个步骤：明确设计要求，进行工况分析；拟定液压系统原理图；计算和选择液压元件；发热及系统压力损失的验算；绘制工作图，编写技术文件。上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行，对于比较复杂的系统，需经过多次反复才能最后确定；在设计简单系统时，有些步骤可以合并或省略。通过本章学习，要求对液压系统设计的内容、步骤、方法有一个基本的了解。教学内容：本章介绍了液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。教学重点：1液压元件的计算和选择；

2、 2液压系统技术性能的验算。教学难点：1泵和阀以及辅件的计算和选择；2液压系统技术性能的验算。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示设计的步骤及方法。教学要求：初步掌握液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。10.1 液压传动系统的设计步骤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、借鉴的资料多少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替进行，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

3、绍。 明确设计要求、工作环境，进行工况分析.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、同步或联锁等。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。要使所设计的系统不仅能满足一般的性能要求，还应具有较高的可靠性、良好的空间布局及造型。.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、负载随时间或位移变化的曲线图。下面以液压缸为例，液压马达可作类似处理。就液压缸而

4、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

5、公式为平导轨：（10.1）V形导轨： （10.2）式中：G运动部件的重力； 垂直于导轨的工作负载； aV形导轨的夹角，一般a=90； 摩擦系数，其值可查机床设计手册。(3)惯性负载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 （10.3）式中：g重力加速度； 启动、制动或速度转换时间。 时间内的速度变化值；(4)重力负载垂直或斜放置的运动部件，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

6、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；（10.4）快速阶段； （10.5）工进阶段； （10.6）制动减速； （10.7） 液压系统原理图的拟定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。.1 确定油

7、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回路。.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、负载性质和性能要求，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；惯性负载较大的系统要考虑缓冲制动回路。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

8、虑卸荷回路等。.3 绘制液压系统原理图将挑选出来的各典型回路合并、整理，增加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。 液压元件的计算和选择.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

9、压马达低速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，见表10.2。表10.2按负载选择执行元件的工作压力负载(KN)50工作压力(MPa)0.81.21.52.53.04.04.05.05.0（2）确定执行元件的主要结构

10、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（10.8）式中：A液压缸工作腔的有效工作面积； 控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量，可从液压阀产品样本上查得； 液压缸要求达到的最低工作速度。验算结果若不能满足式（10.8），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

11、，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（10.9）有杆腔进油阶段 （10.10）式中：F液压缸在各工作阶段的最大机械总负载； 、分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积； 液压缸回油路的背压，在系统设计完成之前根据设计手册取推荐值。（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

12、的工作压力，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。.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选择液压泵的规格。（1） 液压泵

13、的最高供油压力（10.11）式中:执行元件的最高工作压力； 进油路上总的压力损失。如系统在执行元件停止运动时才出现最高工作压力,则；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MPa，对复杂系统取MPa。（2）确定液压泵的最大供油量液压泵的最大供油量为（10.12）式中 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； 同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。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在产品样本选取，为了使液压泵工

14、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25%60%。泵的额定流量则宜与相当，不要超过太多，以免造成过大的功率损失。（4）选择驱动液压泵的电动机驱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（10.13）式中：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

15、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。.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。.4 选择液压辅助元件油管的规格尺寸

16、大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚，验算公式见液压辅件。滤油器、蓄能器和油箱容量的选择亦见液压辅件。对于固定式的液压设备，常将液压系统的动力源，阀类元件集中安装在主机外的液压站上，这样能使安装与维修方便，并消除了动力源的振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式，配置形式不同，液压系统的压力损失和元件的连接、安装结构也有所不同。液压阀的连接方式有板式、叠加式、插装式和管式（螺纹连接、法兰连接）等多种，它们的特点和选用参见5.5节。 液压系统技术性能的验算液压系统初步设计完成之后，需要对它的主要性能加以验算，以便评判其设计

17、质量，并改进和完善液压系统，下面说明系统压力损失及发热温升的验算方法。.1 系统压力损失的验算画出管路装配草图后，即可计算管路的沿程压力损失，局部压力损失，它们的计算公式详见液压流体力学，管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和。在系统的具体管道布置情况没有明确之前，沿程损失和局部损失仍无法计算。为了尽早地评估系统的主要性能，避免后面的设计工作出现大的反复，在系统方案初步确定之后，通常用液流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行概略地估算，因为这部分损失在系统的整个压力损失中占很大的比重。在算出系统油路的总的压力损失后，将此验算值与前述设计过程中初步选取的油路压力损失经验值相比较，若

18、误差较大，一般应对原设计进行必要的修改，重新调整有关阀类元件的规格和管道尺寸等，以降低系统的压力损失。需要指出的是，对于较简单的液压系统，压力损失验算可以省略。.2 系统发热温升的验算液压系统在工作时，有压力损失，容积损失和机械损失，这些损耗能量的大部分转化为热能，使油温升高从而导致油的粘度下降，油液变质，机器零件变形，影响正常工作。为此，必须将温升控制在许可范围内。功率损失使系统发热，则单位时间的发热量为液压泵的输入功率与执行元件的输出功率之差，一般情况下，液压系统的工作循环往往有好几个阶段，其平均发热量为各个工作周期发热量的时均值，即（10.14）式中第个工作阶段系统的输入功率；第个工作阶

19、段系统的输出功率；工作循环周期；第个工作阶段的持续时间；总的工作阶段数。液压系统在工作中产生的热量，经过所有元件、附件的表面散发到空气中去，但绝大部分是由油箱散发的，油箱在单位时间的散发热量可按下式计算（10.15）式中A油箱的散热面积； 液压系统的温升； 油箱的散热系数，其值可查阅液压设计手册。当液压系统的散热量等于发热量时，系统达到了热平衡，这时系统的温升为 （10.16）按式（10.22）算出的温升值如果超过允许数值时，系统必须采取适当的冷却措施或修改液压系统的设计。 绘制正式工作图和编制技术文件所设计的液压系统经过验算后，即可对初步拟定的液压系统进行修改，并绘制正式工作图和编制技术文件

20、。.1 绘制正式工作图正式工作图包括液压系统原理图、液压系统装配图、液压缸等非标准元件装配图及零件图。液压系统原理中应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的型号规格、压力和流量等参数值，一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁的动作顺序表。液压系统装配图是液压系统的安装施工图，包括油箱装配图，集成油路装配图和管路安装图等，在管路安装图中应画出各油管的走向，固定装置结构，各种管接头的形式、规格等。.2 编制技术文件技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压系统使用及维护技术说明书，零、部件目录表及标准件、通用件、外购件表等。返回本章目录10.2 液压系统设计举例某厂要设计制造一台双头车床，

21、加工压缩机拖车上一根长轴两端的轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定，刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进工进快退停止。同时要求各个车削头能单独调整。其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N，所要移动的总重量估计为15000N，工作进给要求能在0.0201.2mmin范围内进行无级调速，快速进、退速度一致，为 4 mmin，试设计该液压传动系统。图10.1为该机床的外形示意图。图10.1双头车床外形示意图 确定对液压系统的工作要求根据加工要求，刀具旋转由机械传动来实现；主轴头沿导轨中心线方向的“快进一工进快退停止”工作循环拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。 考虑到

22、车削进给系统传动功率不大，且要求低速稳定性好，粗加工时负载有较大变化，故拟选用调速阀、变量泵组成的容积节流调速方式。为了自动实现上述工作循环，并保证零件一定的加工长度（该长度并无过高的精度要求），拟采用行程开关及电磁换向阀实现顺序动作。 拟定液压系统工作原理图 该系统同时驱动两个车削头，且动作循环完全相同。为了保证快速进、退速度相等，并减小液压泵的流量规格，拟选用差动连接回路。 在行程控制中，由快进转工进时，采用机动滑阀。使速度转换平稳，且工作安全可靠。工进终了时。压下电器行程开关返回。快退到终点，压下电器行程开关，运动停止。快进转工进后，因系统压力升高，遥控顺序阀打开，回油经背压阀回油箱，系

23、统不再为差动连接。此处放置背压阀使工进时运动平稳，且因系统压力升高，变量泵自动减少输出流量。两个车削头可分别进行调节。要调整一个时， 另一个应停止，三位五通阀处中位即可。分别调节两个调速阀，可得到不同进给速度；同时，可使两车削头有较高的同步精度。由此拟定的液压系统原理图如图10.2所示。图10.2双头车床液压系统工作原理图 计算和选择液压元件.1 液压缸的计算(1)工作负载及惯性负载计算计算液压缸的总机械载荷, 根据机构的工作情况，液压缸受力如图10.3所示,其在不同阶段的总机械载荷可参照式(10.4)-(10.7)计算。图10.3液压缸受力图根据题意，工作负载：N油缸所要移动负载总重量：N根

24、据题意选取工进时速度的最大变化量：m/s，根据具体情况选取：s(其范围通常在0.01- 0.5s)，则惯性力为:（N）(2)密封阻力的计算液压缸的密封阻力通常折算为克服密封阻力所需的等效压力乘以液压缸的进油腔的有效作用面积。若选取中压液压缸，且密封结构为Y型密封，根据资料推荐，等效压力取MPa，液压缸的进油腔的有效作用面积初估值为mm,则密封力为：启动时：（N）运动时：（N）（3）导轨摩擦阻力的计算若该机床材料选用铸铁对铸铁，其结构受力情况如图10.4，根据机床切削原理，一般情况下，由题意知，N，则由于切削力所产生的与重力方向相一致的分力N，选取摩擦系数，V型导轨的夹角，则导轨的摩擦力为：图1

25、0.4导轨结构受力示意图（4）回油背压造成的阻力计算回油背压，一般为，取回油背压MPa,考虑两边差动比为2,且已知液压缸进油腔的活塞面积mm,取有杆腔活塞面积mm，将上述值代入公式得：（N）分析液压缸各工作阶段中受力情况，得知在工进阶段受力最大，作用在活塞上的总载荷（N）（5）确定液压缸的结构尺寸和工作压力根据经验确定系统工作压力，选取MPa，则工作腔的有效工作面积和活塞直径分别为：因为液压缸的差动比为2，所以活塞杆直径为根据液压技术行业标准，选取标准直径则液压缸实际计算工作压力为实际选取的工作压力为由于左右两个切削头工作时需做低速进给运动，在确定油缸活塞面积之后，还必须按最低进绘速度验算油缸

26、尺寸。即应保证油缸有效工作面积为：式中：流量阀最小稳定流量，在此取调速阀最小稳定流量为50ml/min；活塞最低进绘速度，本题给定为20mmmin；根据上面确定的液压缸直径，油缸有效工作面积为：验算说明活塞面积能满足最小稳定速度要求。.2 油泵的计算(1)确定油泵的实际工作压力，选择油泵对于调速阀进油节流调速系统，管路的局部压力损失一般取，在系统的结构布局未定之前，可用局部损失代替总的压力损失，现选取总的压力损失，则液压泵的实际计算工作压力当液压缸左右两个切削头快进时，所需的最大流量之和为按照常规选取液压系统的泄露系数，则液压泵的流量为：根据求得的液压泵的流量和压力，又要求泵变量，选取YBN-

27、40M型叶片泵。(2)确定液压泵电机的功率因该系统选用变量泵，所以应算出空载快速、最大工进时所需的功率，按两者的最大值选取电机的功率。最大工进：此时所需的最大流量为选取液压泵的总效率为：h=0.8，则工进时所需的液压泵的最大功率为：快速空载：此时，液压缸承受以下载荷惯性力：密封阻力：导轨摩擦力：空载条件下的总负载：选取空载快速条件下的系统压力损失，则空载快速条件下液压泵的输出压力为：空载快速时液压泵所需的最大功率为：故应按最大工进时所需功率选取电机。.3 选择控制元件控制元件的规格应根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取。方向阀：按，选35D25B（滑阀机能O型）

28、；单向阀：按，选I25B；调速阀：按工进最大流量，工作压力选Q10B背压阀：调至，流量为选B10；顺序阀：调至大于，保证快进时不打开。选XB10B行程阀：按，选22C25B；.3 油管及其它辅助装置的选择查GB/T2351-93和JB82766，确定钢管公称通经、外径、壁厚、连接螺纹及推荐流量。在液压泵的出口，按流量27.5lmin，查表取管路通径为f10；在液压泵的入口,选择较粗的管道，选取管径为f12；其余油管按流量12.51min，查表取f8。对于一般低压系统，油箱的容量一般取泵流量的35倍，本题取4倍，其有效容积：在绘制液压系统装配管路图后，可进行压力损失验算。由于该液压系统较简单，该项验算从略。由于本系统的功率小，又采用限压式变量泵，效率高，发热少，所取油箱容量又较大，故不必进行系统温升的验算。