液压系统相关设计和计算

液压系统相关设计和计算设计方法：具体步骤：明确任务、工况分析→拟定系统原理图→计算、选择液压元件→验算→绘制工作图、编制技术文件

◎液压系统设计流程◎§9.1明确任务、工况分析一、明确设计任务（1）液压系统的动作和性能要求，如：执行元件的运动方式、行程、速度范围、负载条件、运动的平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁要求、工作可靠性要求等。（2）液压系统的工作环境，如：环境温度、湿度尘埃、通风情况、是否易燃、外界冲击振动的情况及安装空间的大小等。二、工况分析——分析液压执行元件的工作情况。目的：了解其工作时的速度、负载变化的规律，并将此曲线表示出来，做为拟定液压系统方案确定系统主要参数（压力和流量）的依据。注意：若动作简单，可不作图，只需找出最大负载和最大速度即可。

1.运动速度分析按设备的工艺要求，把所研究的执行元件在完成一个工作循环时的运动规律用图表示出来，称速度图。以图9-1a）所示的液压缸驱动的组合机床滑台为例来说明。图9-1a）是机床的动作循环图。由图可见，工作循环为快进→工进→快退；图9-1b）是完成一个工作循环的速度→位移曲线，即速度图。图9-1c）是该组合机床的负载图。2.负载分析图9-1c）是该组合机床的负载图，按设备的工艺要求，把执行元件在各阶段的负载用曲线表示出来，可直观地看出在运动过程中何时受力最大、最小等各种情况，作为以后的设计依据。

负载的具体分析液压缸驱动执行机构进行直线往复运动时，所受到的外负载为：

式中FL—工作负载；Ff—摩擦阻力负载；Fa—惯性负载;

Fg—执行元件重力负载（有时要考虑）。（9-1）（1）工作负载FL

工作负载与设备的工况有关。有效负载是在运动方向上的分力；垂直方向的负载与摩擦有关。（2）摩擦阻力负载Ff

摩擦阻力是指运动部件与支承面间的摩擦力，它与支承面的形状、放置情况、润滑条件以及运动状态有关（9-2）式中

FN——运动部件及外负载对支撑面的正压力；f——摩擦系数，分静摩擦系数（fS≤0.2~0.3）和动摩擦系数（fd≤0.05~0.1）。（3）惯性负载Fa

惯性负载是运动部件的速度变化时，由其惯性而产生的负载，可用牛顿第二定律计算：

式中m—运动部件的质量（kg）；

a—运动部件的加速度（m/s2）；

G—运动部件的重力（N）；

g—重力加速度（m/s2）；⊿v—速度的变化量（m/s）；⊿t—速度变化所需的时间（s）。（9-3）（4）执行元件重力负载Fg（有时要考虑）当执行元件的重力不与运动方向垂直时，要考虑其作用力。

除上述的以外，液压缸的受力还有密封阻力（一般用效率η=0.85~0.9来表示）、背压力（指液压缸回油腔压力所造成的阻力，在系统方案和缸结构确定前无法计算，可在最后计算时确定）。若执行机构为液压马达，其负载力矩计算方法与液压缸相类似。液压缸各阶段中的负载计算公式

工况计算公式F（N）液压缸推力F（N）启动F=Ffs+FL±Fg

F=(Ffs+FL±Fg)/ηm加速F=Ffd+FL+Fa±Fg

F=(Ffd+FL+Fa±Fg)/ηm快速（快进）F=Ffd+FL±FgF=(Ffd+FL±Fg)/ηm减速F=Ffd+FL—

Fa±FgF=(Ffd+FL—

Fa±Fg)/ηm慢速（工进）F=Ffd+FL±FgF=(Ffd+FL±Fg)/ηm制动F=Ffd+FL—

Fa±FgF=(Ffd+FL—

Fa±Fg)/ηm反向加速F=Ffs+Fa±FgF=(Ffs+Fa±Fg)/ηm快退F=Ffd±FgF=(Ffd±Fg)/ηm制动（使停止）F=Ffd—

Fa±FgF=(Ffd—

Fa±Fg)/ηm3.执行元件的参数确定（1）初算工作压力当负载确定后，工作压力就决定了系统的经济性和合理性。根据

（F为负载）

若p↑，则执行元件的尺寸D↓，则密封要求就高，元件的制造精度也就更高，容积效率也就会降低；若p↓，则执行元件的尺寸D↑，重量大，完成给定速度所需的流量也大。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或主机设备类型选取。见表9-1和表9-2。表9-1按负载选择执行元件工作压力设备类型粗加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小工程机械重大型机械工作压力p（Mpa）0.8~2.03.0~5.05.0~10.010.0~16.020.0~32.0负载F（kN）<55~1010~2020~3030~50>50工作压力p（Mpa）<0.8~1.01.5~2.02.5~3.03.0~4.04.0~5.0>5.0~7.0表9-2各类液压设备常用工作压力（2）确定执行元件的几何参数

液压缸：它的几何参数就是有效工作面积A

，对液压马达来说就是排量V。液压缸有效面积A可由下式求得

式中F——液压缸上的外负载（N）；ηcm——液压缸的机械效率；p——液压缸的工作压力（Pa）；A——所求液压缸的有效工作面积（m2）。（9-4）

计算出的工作面积A还必须按液压缸的最低稳定速度vmin来验算，即（9-5）qmin—流量阀最小稳定流量。

液压马达：排量的计算式为

式中T—液压马达的总负载转矩，N.m；ηMm—液压马达的机械效率；

p—液压马达的工作压力，pa；V—所求液压马达的排量，m3/r。同样，上式所求的排量也必须满足液压马达最低稳定转速nmin要求，即式中qmin——输入液压马达的最低稳定流量。（9-7）（9-6）排量确定后，可从产品样本中选择液压马达的型号。（3）执行元件最大流量的确定

对于液压缸，它所需的最大流量qmax

就等于液压缸有效工作面积A与液压缸最大移动速度vmax的乘积，即

qmax=Avmax（9-8）对于液压马达，它所需的最大流量qmax应为马达的排量V与其最大转数nmax的乘积，即

qmax=Vnmax（9-9）4.绘制液压执行元件的工况图工况三图：压力图、流量图、功率图。（1）工况图的绘制（压力p，流量q，功率P均为时间t的函数）。复算执行元件的工作压力（考虑背压pb，A1、A2分别为无、有杆腔有效面积）。

快进时：差动系统非差动系统工进时：

快退压力图9-2a，流量图9-2b，功率图9-2c。图9-2组合机床执行元件工况图（2）工况图的作用

直观、方便地找出pmax、qmax、Pmax

，可选择泵、电动机的P和n。亦对选择液压元件具有指导意义。§9.2拟定液压系统原理图一、执行元件（根据设备的工况选择执行元件）1、往复直线运动——液压缸（单、双出杆）、（差动）。2、往复摆动——摆动缸等。3、旋转运动——液压马达。

二、液压回路的选择（按主机工作特点及性能要求选择）1、机床——调速、速度换接要平稳；2、压力机——调压回路；3、起重机——平衡回路；4、多缸动作——顺序动作回路。三、液压回路的综合把选出来的各种液压回路放在一起，进行归并、整理，再增加一些必要的元件或辅助油路，使之成为完整的液压传动系统，进行这项工作时还必须注意以下几点：（1）安全可靠——加安全阀；（2）系统效率、发热、卸荷、差动、双泵供油；（3）经济合理，便于维修检测——板式连接、集成块；（4）辅助元件——油箱、滤油器、压力表等。§9.3液压元件的计算与选择根据p、q选择元件的规格、型号。一、液压泵的选择1、液压泵的最高工作压力

——在系统正常工作时泵所能提供的最高压力。定量泵系统：由溢流阀调定；

变量泵系统：与泵的特征曲线上的流量相对应的。分两种情况：（p1—执行机构的最大压力）（1）执行机构在运动行程终了，停止时才需最高工作压力：

（2）是执行机构的运动行程中出现的：式中为总压力损失，先估算式中K——泄漏系数，取1.1~1.3。2、确定液压泵的最大供油量—同时动作各缸流量之和的最大值。3、选择泵的规格根据前面设计计算的pp、qp从产品样本中选择，压力要高出pp的25~60%。流量与qp不要高出太多，基本相当。4、电动机的功率（1）在整个工作循环中，液压泵的功率变化较小时，可按下式计算液压泵所需驱动功率，即（9-13）pp——液压泵的最大工作压力，Pa；qp——液压泵的输出流量，m3/s；ηp——液压泵的总效率。

(2)当在整个工作循环中，液压泵的功率变化较大，且在功率循环图中最高功率所持续的时间很短时，按式(9-13)分别计算出工作循环各阶段的功率，然后用下式计算其所需电机的平均功率:（9-14）

式中：ti为一个工作循环中第i

阶段持续的时间。

求出了平均功率，还要验算每个阶段电机的超载量是否在允许的范围内，一般允许短期超载25%。在范围内时，可根据平均功率P和泵的转速n从产品样本中选择。

对于限压式变量泵系统，按（9-13）式分别计算快速与慢速两种工况时所需要的驱动功率，计算后按较大的作为选择电机的依据。由于限压式变量泵在快速与慢速转换过程中，必须经过泵流量特性曲线的最大功率点（拐点），为使其在经过Pmax点时不停转，需进行演算，即（9-15）式中pB—拐点压力，qB—压力为pB时的泵输出流量；Pn—电机额定功率，ηp—泵的效率（注意：限压式变量泵输出流量较小时，ηp会急剧下降，一般输出流量为0.2~1L/min时，ηp=0.03~0.14，流量大取大）。二、阀类元件的选择根据阀的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择控制阀的规格。即：所选用的阀类元件的额定压力、额定流量要大于系统的最高工作压力及实际通过阀的最大流量。在条件不允许时，可适当增大通过阀的流量，但不得超过阀额定流量的20%，否则会引起压力损失过大。三、液压辅助元件的选择油箱、滤油器、蓄能器、油管、管接头、冷却等液压辅助元件可按第五章的有关原则选取。§9.4液压系统的性能验算一、液压系统压力损失的验算在前面确定液压泵的最高工作压力时提及压力损失，当时由于系统还没有完全设计完毕，管道的设置也没有确定，因此只能作粗略的估算。现在液压系统的元件、安装形式、油管和管接头均定下来了，需验算管路系统的总压力损失，看其是否在前述假设的范围内，借此可较准确地确定泵的工作压力，较准确地调节变量泵或溢流阀，保证系统的工作性能。若计算结果与前设压力损失相差较大，则应对原设计进行修正。具体方法：将计算出来的压力损失代替原假设值按下式重算系统的压力：当执行元件为液压缸时

（9-16）F为作用在液压缸上的外负载；A1、A2分别为液压缸进、回油腔的有效面积；△p1、△p2分别为进、回油管路的总的压力损失；ηcm为液压缸的机械效率

计算时注意：快速运动时：液压缸上的外负载小，管路中流量大，压力损失也大；慢速运动时：外负载大，流量小，压力损失也小。所以应分别进行计算。计算出的系统压力值应小于泵（因有一定的压力储备），否则就应另选额定压力较高的液压泵，或者采用其它方法降低系统的压力，如增大液压缸直径等方法。2.当执行元件为液压马达时（9-17）二、液压系统发热温升的验算

发热原因：液压系统在工作时由于存在着各种各样的机械损失、压力损失和流量损失，这些损失大都转变为热能，使系统发热、油温升高。油温升高过多会造成系统的泄漏增加，运动件动作失灵，油液变质，缩短橡胶密封圈的寿命等不良后果，所以为了使液压系统保持正常工作，应使油温保持在允许的范围之内。

产生热能的元件：液压缸、液压泵、溢流阀和节流阀，散热的元件主要是油箱，系统经一段时间后，发热与散热会相等，即达到热平衡，不同的设备在不同的情况下，达到热平衡的温度也不一样，所以必须进行验算。1.系统发热量的计算单位时间内液压系统的发热量按下式计算：

H=P（1－

η）（9-18）

P—液压泵的输出功率kW；η—液压系统的总效率，是液压泵的效率ηP、回路的效率η

c

、液压执行元件的效率η

M的乘积，即

式中A—油箱的散热面积（m2

），⊿t—系统温升（0C），h—散热系数[kW/（m2·

0C）]，不同情况h不同（见教材）。

2.系统散热量的计算单位时间内油箱的散热量为（9-20）3.系统热平衡温度的验算及散热面积计算当液压系统达到热平衡时有：H0=H，即

（9-21）

当油箱的三个边长之比在1:1:1到1:2:3范围内，且油位是油箱高度的0.8倍时，散热面积近似为（9-22）式中V为油箱有效容积（L）；A为散热面积（m2）。由式（9-21）计算出的系统温升⊿t+环境温度应不超过油液的最高允许温度，否则应采取进一步的散热措施。§9.5绘制工作图和编制技术文件一、绘制工作图（1）液压系统原理图

图上除画出整个系统的回路之外，还应注明各元件的规格、型号、压力调整值，并给出各执行元件的工作循环图，列出电磁铁及压力继电器的动作顺序表。（2）集成油路装配图若选用油路板，应将各元件画在油路板上，便于装配；若采用集成块或叠加阀时，因有通用件，设计者只需选用，最后将选用的产品组合起来绘制成装配图。

（3）泵站装配图将集成油路装置、泵、电动机与油箱组合在一起画成装配图，表明它们的相互位置、安装尺寸及总体外形。（4）画出非标准专用件的装配图及零件图。（5）管路装配图表示出油管的走向，注明管道的直径及长度，各种管接头的规格、管夹的安装位置和装配技术要求等。（6）电器线路图表示出电动机的控制线路，电磁阀的控制线路、压力继电器和行程开关等。二、编写技术文件包括液压系统设计计算说明书，使用及维护技术说明书，零部件目录表、标准件和通用件及外购件总表等。

§9.5液压系统设计计算举例以上料机的液压系统的设计为例。动作：快速上升→慢速上升→停留→快速下降。已知条件：（1）工件1重量为5kN，滑台2的重量为1kN。（2）快速上升行程350mm，速度45mm/s；（3）慢速上升行程100mm，速度8mm/s；（4）快速下降行程450mm，速度55mm/s。（5）其它：滑台采用V形导轨，导轨面夹角900，滑台与导轨的最大间隙2mm，启动加速减速时间均为0.5s，液压缸的机械效率η=0.91。一、负载分析1、工作负载

FL=FG=（5000+1000）=6000N2、摩擦负载

因工件是垂直起升，作用在导轨上的正压力根据其间隙和结构尺寸求得：FN=120N，取fs=0.2，fd=0.1，则静摩擦负载：Ffs=33.94N

动摩擦负载：Ffd=16.97N3、惯性负载

加速Fa155.05N减速Fa245.26N制动Fa39.79N反向加速Fa467.28N反向制动Fa567.28N

根据以上计算，考虑液压缸垂直安放，重量较大，为防止因自重自行下滑，系统应设置平衡回路。故对快速向下运动负载分析时，就不考虑滑台2的重量，则液压缸各阶段的负载如下表所示（ηm=0.91）表9-3液压缸各阶段负载工况计算公式F（N）总负载液压缸推力F（N）缸推力启动F=Ffs+FL6033.94F=(Ffs+FL)/ηm6630.70加速F=Ffd+FL+Fa16072.02F=(Ffd+FL+Fa)/ηm6672.55快上F=Ffd+FL6016.97F=(Ffd+FL)/ηm6612.05减速F=Ffd+FL—

Fa25971.71F=(Ffd+FL—

Fa)/ηm6562.32慢上F=Ffd+FL6016.97F=(Ffd+FL)/ηm6612.05制动F=Ffd+FL—

Fa36007.18F=(Ffd+FL—

Fa)/ηm6601.30反向加速F=Ffs+Fa484.25F=(Ffs+Fa)/ηm92.58快下F=Ffd16.97F=Ffd/ηm18.65制动F=Ffd—

Fa5－50.31F=(Ffd—

Fa)/ηm－55.29二、负载图及速度图的绘制（图9-4）按照负载分析结果及已知速度、行程等绘制。三、液压缸主要参数的确定1、初选液压缸的工作压力因为负载不大，初选液压缸的工作压力为2.00MPa。2、计算液压缸的尺寸根据快上和快下的速度来确定活塞杆的直径：d=26.86mm（按标准