液压与气压传动 课件 第12章 液压系统的设计与计算

第12章液压系统的设计与计算液压与气压传动负载分析确定主要参数拟定液压系统原理图选定液压元件验算液压系统性能是否满足要求结构设计，绘制正式工作图，编制技术文件，提出电气系统设计要求否是12.1液压系统的设计步骤(1)明确对液压系统的要求，确定执行元件；(2)分析液压系统工况，确定液压系统的主要参数；(3)方案设计，初拟液压系统原理图；(4)计算和选择液压元件；(5)验算液压系统的性能；（6）液压装置的结构设计(7)绘制正式系统工作图，编制技术文件，提出电气系统设计要求。要求：系统的设计除应满足主机要求的功能和性能外，还必须符合质量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便等一般要求及工作可靠这一特别重要的要求。出发点：可以是充分发挥其组成元件的工作性能，也可以是着重追求其工作状态的绝对可靠。前者着眼于效能，后者着眼于安全；实际的设计工作则常常是这两观点不同程度的组合，视具体要求不同而有所侧重。

液压传动系统的设计与主机的设计紧密联系，两者往往同时进行，相互协调。

液压传动系统的设计迄今仍没有一个公认的统一步骤，常常随着系统的繁简、借鉴的多寡、设计人员经验的不同而在具体做法上有所差异。

12.1.1

明确液压系统设计要求1.主机的基本情况：如主机的用途、工艺流程、作业环境和主要技术参数；主机的总体布局和对液压系统在空间尺寸上的限制。2.液压系统动作的要求：如工作循环，运动方式(往复直线运动或旋转运动、同步、顺序或互锁等要求)，3.液压系统性能的要求：如自动化程度，调速范围，运动平稳性，负载状况，工作行程，控制参量和精度等；4.工作环境和工作条件：如温度、湿度、污染、腐蚀及易燃等情况；5.其他要求：如安全性、可靠性和经济性等。12.1.2

执行元件的工况分析和主要参数的确定（1）动力参数分析

负载分析：工作负载、惯性负载、摩擦负载和背压负载等；（2）运动参数分析

运动（位移、速度）分析：运动速度（快）、工进速度等；

1.工况分析2、确定液压系统的主要参数

按负载选取执行元件工作压力负载F/kN<55～1010～2020～3030～50>50工作压力p/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～55～7设备类型应用范围/MPa压力等级说明机床、压铸机、汽车<7低压低噪声、高可靠性系统农业机械、工矿车辆、注塑机、船用机械、搬运机械、工程机械、冶金机械7～21中压一般系统油压机、冶金机械、挖掘机、重型机械21～31.5高压空间有限、响应速度高、大功率下降低成本金刚石压机、耐压试验机、飞机、液压机具31.5>超高压追求大作用力、减轻重量各类设备常用的工作压力液压缸液压马达确定执行元件主要结构参数内容包括：执行元件形式的分析与选择油路循环方式的分析与选择油源类型的分析与选择液压回路的分析、选择与合并液压系统方案设计：根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及成本、经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统的方案。

12.1.3拟定液压系统原理方案1.确定液压执行元件：类型特点可选用或需设计柱塞缸单出杆结构简单，制造容易；靠自重或外力回程选用或自行设计双出杆结构简单，杆在两处有导向，可做得细长自行设计活塞缸双出杆两杆直径相等，往返速度和出力相同；两杆直径不等，往返速度和出力不同选用或自行设计单出杆一般连接，往返方向的速度和出力不同；差动连接，可以实现快进

选用，非产品型号缸自行设计复合增速缸

可获得多种出力和速度，结构紧凑，制造较难自行设计复合增压缸体积小，出力大，行程小

选用或自行设计多级液压缸

行程是缸长的数倍，节省安装空间

选用叶片式摆动缸

单叶片式转角<3600；双叶片式转角<1800。体积小，密封较难

选用类型特点可选用或需设计齿轮马达转速高，扭矩小，结构简单，价廉选用摆线齿轮马达

速度中等，扭矩范围宽，结构简单，价廉选用叶片马达

转速高，扭矩小，转动惯量小，动作灵敏，脉动小，噪声低

选用轴向柱塞马达

速度大，可变速，扭矩中等，低速平稳性好

选用内曲线径向马达

扭矩很大，转速低，低速平稳性很好

选用种类特点及应用无级调速容积调速手动变量泵－液压泵

系统简单，压力恒定，一般不能在工作中进行调节，效率高，适用于各种场合，应用最广

变量泵－定量马达

输出扭矩恒定，调速范围大，元件泄漏对速度刚性影响大，效率高，适用于大功率场合

定量泵－变量马达

输出功率恒定，调速范围小，元件泄漏对速度刚性影响大，效率高，适用于大功率场合变量泵－变量马达

输出特性综合了上面两种马达调速回路的特性，调速范围大，但结构复杂，价格贵，适用于大功率场合节流调速定量泵－进油节流调速

结构简单，价廉，调速范围大，效率中等，不能承受负值载荷，适用于中等功率场合定量泵－回油节流调速

结构简单，价廉，调速范围大，效率低，适用于低速小功率的场合定量泵－旁路节流调速

结构简单，价廉，调速范围小，效率高，不能承受负值载荷，适用于高速中等功率场合容积节流调速限压式变量泵－进油（回油）节流调速调速范围大，效率较高，价格较贵，适用于中、小功率场合，不宜长期在低速下工作。恒功率变量泵－液压缸

泵的输出流量随压力自动减小，适用于快慢速自动转换的场合和节能系统无级变速

恒压变量泵－液压缸

泵的压力达到设定值输出流量为零，自动防止系统过载2.选择液压基本回路12.1.4选择液压元件1.液压泵液压泵的最大工作压力必须等于或超过液压执行元件最大工作压力及进油路上总压力损失这两者之和。进油路总压力损失经验值系统结构情况总压力损失（MPa）一般节流调速及管路简单的系统0.2～0.5进油路有调速阀及管路复杂的系统0.5～1.5液压泵的主要性能和参数压力：液压泵的压力参数主要是工作压力和额定压力。压力分级低压中压中高压高压超高压p/(MPa)≤2.5＞2.5~8＞8~16＞16~32＞32流量和排量功率液压泵的输入功率Pi为：液压泵的输出功率Po为：

液压系统的输出功率Po1为：

液压系统的回路效率为：性能齿轮泵双作用叶片泵限压式变量叶片泵轴向柱塞泵径向柱塞泵工作压力（MPa）<206.3~21≤720~3510~20转速范围（r/min）500~2000500~4000500~2000600~4000700~1800流量脉动率大小中等中等中等自吸特性好较差较差较差差对油的污染敏感性不敏感敏感敏感敏感敏感噪声大小较大大大寿命较短较长较短长长单位功率造价最低中等较高高高常用液压泵的性能比较液压控制阀选择

(1)

按功能分类压力控制阀：溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器。流量控制阀：节流阀、普通调速阀、溢流节流阀、分流集流阀。方向控制阀：单向阀、液控单向阀、换向阀。

(2)

按连接形式分类

管式（螺纹式）安装连接、片式连接、板式安装连接、叠加式安装连接、插装式安装连接、集成块式连接、法兰式安装连接

(3)

按阀芯结构（形式）分类

液压阀按阀芯形式可分为滑阀、锥阀、球阀和转阀等。

(4)

按操纵方式分类

液压阀按操纵方式可分为手动、机动、液动、气动和电动阀。(5)按输出参数可调节性分类

液压阀按按输出参数可调节性可分为开关（通断）控制阀和连续可调节阀。液压阀主要有两个参数，即额定压力和额定流量。还有一些和具体阀有关的量，如通过额定流量时的额定压力损失、最小稳定流量、开启压力等等。只要工作压力和流量不超过额定值，液压阀即可正常工作。目前对不同的阀也给出一些不同的数据，如最大工作压力、开启压力、允许背压、最大流量等等。同时给出若干条特性曲线，如压力－流量曲线、压力损失－流量曲线、进－出口压力曲线等，供使用者确定不同状态下的参数数据。液压阀的选型选择液压控制元件的主要依据和应考虑的问题液压控制元件主要依据应考虑的问题压力控制阀阀所在油路的最大工作压力和通过该阀的最大实际流量压力调节范围，流量变化范围，所要求的压力灵敏度和平稳性等流量控制阀流量调节范围，流量一压力特性，最小稳定流量，压力与温度的补偿要求，对工作介质清洁度的要求，阀进出口压差的大小以及阀的内泄漏大小等方向控制阀性能特点，换向频率，响应时间，阀口压力损失的大小以及阀的内泄漏大小等

溢流阀的选择

直动式溢流阀的响应快，一般宜作制动阀、安全阀用；先导式溢流阀的启闭特性好，宜作调压阀用。二级同心的先导式溢流阀的泄漏量比三级同心的要小，故在保压回路中常被选用。先导式溢流阀的最低调定压力一般只能在0.5~1MPa范围内。溢流阀的流量应按液压泵的最大流量选取，并应注意其允许的最小稳定流量，一般来说，最小稳定流量为额定流量的15%以上。

换向阀的选择

（1）按通过阀的流量来选择结构形式，一般来说，流量在190L/min以上时宜用插装阀；190L/min以下时可采用滑阀型换向阀。70L/min以下时可用电磁换向阀，否则需用电液换向阀。（2）按换向性能等来选择电磁铁类型直流湿式电磁铁寿命长，可靠性高，故应尽可能选用直流湿式电磁换向阀。在某些特殊场合，还要选用安全防爆型、耐压防爆型、无冲击型以及节能型等电磁铁。（3）按系统要求来选择滑阀机能单向阀及液控单向阀的选择

应选择开启压力小的单向阀；开启压力较大（0.3~0.5MPa）的单向阀可作背压阀用。外泄式液控单向阀与内泄式相比，其控制压力低，工作可靠，选用时可优先考虑。过滤器的选择

选择过滤器时，主要考虑过滤器的通流能力、过滤精度和承压能力。

吸油过滤器的通流能力，一般应为液压泵流量的两倍以上。

过滤器的过滤精度，主要取决于液压系统所用元件的类型、系统工作压力的高低以及过滤器的安装位置。

过滤器的承压能力与过滤器的结构形式、滤心材质等有关。

液压元件的过滤精度要求（单位：μm

）元件类型过滤精度元件类型过滤精度齿轮泵、齿轮马达叶片泵、叶片马达柱塞泵、柱塞马达液压缸溢流阀5030205010~15调速阀比例阀低增益伺服阀高增益伺服阀10~1510105液压系统压力对过滤精度要求（单位：μm）系统压力/MPa一般系统伺服系统<414~35>3521过滤精度20~5010~25<10<5安装部位对过滤精度要求（单位：μm）安装部位液压泵吸入口压力管路回油管路低压中低压中高压高压过滤精度80~12030~5020~4015~2510~1550~100液压接头及管道管接头是油管与油管、油管与液压元件之间的可拆式连接件，它应满足装拆方便、连接牢靠、密封可靠、外形尺寸小、通油能力大、压力损失小、加工工艺性好等要求。管接头主要有焊接式、卡套式、扩口式、扣压式等形式，每种形式的管接头中，按接头的通路数量和方向分为直通、直角、三通等类型；与机体的连接方式有螺纹连接、法兰连接等方式。此外，还有一些满足特殊用途的管接头。管接头及管道

油管按内径和壁厚选择：

v：吸油0.5~1.5m/s

压油1.5~5m/s

回油1.5~2.5m/s

管型按承压情况选择接头按管型选择液压接头图示为卡套式管接头结构。这种管接头主要包括具有24锥形孔的接头体4,带有尖锐内刃的卡套2,起压紧作用的压紧螺母3三个元件。旋紧螺母3时,卡套2被推进24°锥孔,并随之变形,使卡套与接头体内锥面形成球面接触密封:同时,卡套的内刃口嵌入油管I的外壁,在外壁上压出一个环形凹槽,从而起到可靠的密封作用。卡套式管接头具有结构简单。性能良好、质量轻、体积小、使用方便、不用焊接、钢管轴向尺寸要求不严等优点，且抗震性能耗，工作压力可达31.5MPa，是液压系统中理想的管路连接件。q为流量，v为管道中液体流速，A为管道截面确定油箱容量油箱在液压系统中起着重要作用。它不仅贮存供液压系统循环使用的油液，还有散热、释放混在油液中的气体、为液压元件的安装提供位置等功能。油箱体积大，散热快，但占地面积大；油箱体积小则油温较高。一般中、低压系统中油箱的容积可按经验公式计算。 按泵每分钟流量选择油箱容量： 一般V≥q泵a

a:低压系统—2~4

中压系统—5~7

高压系统—6~1212.1.5验算液压系统性能

验算液压系统性能的目的在于判断设计质量，或从几种方案中评选最佳设计方案。液压系统性能验算的项目很多，常见的有回路压力损失验算和发热温升验算。压力损失包括管道内的沿程损失和管路局部损失以及阀类元件处的局部损失。发热验算是用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。液体流动时的压力损失

在液压传动系统中，绝大多数压力损失转变为热能，造成系统温度增高，泄漏增大，影响系统的工作性能。减小压力损失的措施：减小流速，缩短管道长度，减少管道截面突变，提高管道内壁的加工质量等。12.1.6液压装置的结构设计液压能源装置是液压系统的重要组成部分。通常有两种形式：一种是液压装置与主机分离的液压泵站；一种是液压装置与主机合为一体的液压泵组（包括单个液压泵）。1.液压装置的类型

上置式液压泵站：结构紧凑，占地小，被广泛应用于中、小功率液压系统中。非上置式液压泵站：液压泵组置于油箱液面以下，有效地改善了液压泵的吸入性能，且装置高度低，便于维修，适用于功率较大的液压系统。液压泵站的类型上置式液压泵站a）立式液压泵站1—电动机2—联轴器3—油箱4—液压泵b）卧式液压泵站1—油箱2—电动机3—液压泵整体式液压泵站a）旁置式b）下置式1—油箱2—电动机3—液压泵4—过滤器分离型（非上置式）：只有旁置式一种形式。泵组和油箱分离，单独安装在地基上。改善液压泵的吸入性能，便于维修，站地大。项目上置立式上置卧式非上置式振动较大小占地面积小较大清洗油箱较麻烦容易液压泵工作条件泵浸在油中，吸油条件好噪声低，泵的散热条件差，维修不方便一般好对液压泵安装的要求泵与电动机有同轴度要求1.泵与电动机有同轴度要求2.应考虑液压泵的吸油高度3.吸油管与泵的联接处密封要求严格1.泵与电动机有同轴度要求2.吸油管与泵的联接处密封要求严格应用中、小型液压泵站中、小型液压泵站较大型液压泵站上置式与非上置式液压泵站的比较液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件、蓄能器组件和温控组件等组成。应根据系统的实际需要，经深入分析计算后加以选择、组合。（1）液压泵组由液压泵、原动机、联轴器、底座及管路附件等组成，输出所需压力和流量的工作介质。（2）油箱组件由油箱、面板、空气过滤器、液位显示器等组成，用以储存系统所需的工作介质，散发系统工作时产生的一部分热量，分离介质中的气体并沉淀污物。2.液压装置的结构

（3）过滤器组件是保持工作介质清洁度必备的辅件，可根据系统介质清洁度的不同要求，设置不同等级的粗过滤器、精过滤器。（4）蓄能器组件通常由蓄能器、控制装置、支承台架等部件组成。它可用于储存能量、吸收流量脉动、缓和压力冲击，故应按系统的需求而设置，并计算其合理的容量，然后选用之。（5）温控组件由传感器和温控仪组成。当液压系统自身