2022年液压系统设计计算 .pdf

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1、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绍。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

2、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。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

3、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公式为平导轨：（10.1 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

4、- - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 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；V形导轨的夹角，一般=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

5、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 ）10.1.2 液压系统原理图的拟定名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

6、- - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 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。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、负载性

7、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。10.1.3 液压元件的计算和选择10.1.3.1 执

8、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/ 齿条或螺高速液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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 -

9、 - - - - - - - - 母/ 丝杠机构（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) 0.81.2 1.52.5 3.04.0 4.05.0 5.0 （2）

10、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

11、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - （10.9 ）有杆腔进油阶

12、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

13、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选择液压泵的规格。（1） 液压泵的最高供油压力（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

14、（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；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 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

15、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

16、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 选择液压辅助元件油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一

17、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 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、

18、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。10.1.4 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。10.1.4.1 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

19、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。10.1.4.2 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

20、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；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 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

21、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。10.1.5 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。10.1.5.1 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

22、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。10.1.5.2 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -