浙海院液压与气压传动讲义第10章 液压系统的设计计算

液压系统的设计计算内容提要系统的设计和计算是在学习了前面各章之后进行的，是对前面各章内容的综合运用，本章主要介绍了液压传动系统设计的一般步骤和方法，并用实例加以说明。基本要求重点难点基本要求：了解液压传动系统设计的一般步骤，基本掌握系统计算的内容、方法。重点：根据工况要求搭建系统图，并进行各项计算。难点：搭建系统图。10.1液压系统的设计方法与步骤液压系统是整机的重要组成部分，液压系统的设计和主机的设计往往是同时进行，互相协调的。要满足各项性能的要求，液压传动系统往往不是唯一的。但在设计过程中，必须结合各种传动形式，借鉴前人的设计经验，进行深入地分析比较。各步骤之间是相互关联的，常常须穿插进行，经反复修改才能完成，要力求设计出结构简单、操作方便、工作可靠、成本低、效率高、维修方便的液压系统。10.主机对液压系统的要求是完成液压系统设计的主要根据，是设计中必须达到的要求。主要包括以下几个方面。1）主机的用途、性能指标、工艺流程、工作特点、总体布局，主机对液压系统执行元件在位置和空间尺寸的限制；2）主机的工作循环、系统须完成的动作形式、工作范围、动作顺序、动作间的互锁关系、负载和运动速度的大小、变化范围；3）执行元件动作控制方式、控制精度要求；4）综合考虑主机的总体设计，做到机、电、液相互配合，满足系统各方面的要求；5）液压系统的工作环境和条件；6）经济性和成本、效率等方面的要求。10. 1．负载特性分析负载特性分析是指执行元件的负载分析和运动分析，是分析主机在工作过程中各执行元件的负载和运动速度的变化规律。液压系统承受的负载可由主机的规格确定，可由样机通过实验测定，也可由理论分析确定。在分析负载组成时，必须做到理论分析与实际相吻合。图10-1液压系统执行元件的负载图和速度图a)负载图b)速度图负载一般包括：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等）、阻力负载（摩擦力、背压力）和惯性力等。对复杂的液压系统，根据工艺要求，需绘制出如图10-1（a）所示的负载图（负载——位移曲线）和如图10-1（b）所示的速度图（速度－位移曲线）。以确定系统的工作压力和流量。当然也可以用表格表示负载图和速度图。 2．确定主要参数液压系统的主要参数是指液压执行元件的工作压力和最大流量。执行元件的工作压力，可以根据负载图中的最大负载来选取（见表10-1），也可根据主机的类型来选取（见表10-2）。最大流量可由液压执行元件速度图中的最大速度计算出来。工作压力和最大流量的确定都与液压执行元件的结构参数（指液压缸的有效工作面积液压马达的排量）有关。一般的做法是先选定液压执行元件的工作压力，再按最大负载和预估的液压执行元件的机械效率求出和，通过各种必要的验算、修正和圆整成标准值后定下这些结构参数，最后再算出最大流量来。在机床的液压系统中，工作压力需选得小些，这对提高系统的可靠性、低速稳定性和降低噪声非常有利，但会造成结构尺寸变大，使造价升高。表10-1按负载选择液压执行元件的工作压力负载F/(kN)＜55~1010~2020~3030~50＞50工作压力p/(MPa）＜0.8~11.5~22.5~33~44~5＞5~7表10-2按主机类型选择液压执行元件的工作压力主机类型机床农业机械小型工程机械工程机械辅助机构塑料机械液压机中、大型工程机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/(MPa）≤23~5≤88~1010~166~2520~32有些主机（比如机床）的液压系统对液压执行元件有最低稳定速度要求，这时需使液压缸或马达的结构参数和符合下述要求：（10-1）式中——节流阀、调速阀或变量泵的最小稳定流量，由产品性能表查出；——液压缸应达到的最低运动速度；——液压马达应达到的最低运动速度。当验算结果不能满足要求时，就必须修改和的值，这些执行元件的结构参数（如活塞直径、活塞杆等）需圆整成标准值（见国标和）。在执行元件主要结构参数确定后，就可由负载图和速度图画出执行元件的工况图，即执行元件的在一个工作循环中的工作压力、输入流量、输入功率对位移或时间的变化曲线图，如图10-2所示。当系统中有多个执行元件时，把各个执行元件的流量图、功率图按系统总的工作循环综合得到流量图和总功率图。执行元件的工况图显示系统在整个循环回路中压力、流量、功率的分布情况及最大值所在的位置，是选择液压元件、液压基本回路的依据，也是拟定液压系统方案的依据。这是因为1）液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定的。2）各种液压回路及其油源形式都是按工况图中不同阶段内的压力和流量变化情况决定的。3）工况图中所确定的液压系统主要参数的量值反映着原来设计参数的合理性，为主参数的修改和最后认定提供了依据。10.液压系统方案设计是整个设计工作中最主要的步骤，它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以及设计方案的经济性、合理性等因素进行全面、综合的设计，从而拟定一个各方面比较合理的、可实现的液压系统来。具体步骤一般包括以下几个方面1．油路循环方式选择液压系统油路循环方式有开式系统和闭式系统两种。它主要取决于主机的类型、工作环境及液压系统的调速方式和散热条件。一般来说，对固定设备且有较大空间可存放油箱且不需另设散热装置的系统，要求结构尽可能简单的系统，采用节流调速或容积——节流调速的系统，均宜采用开式系统。开式系统是液压缸或马达的回油直接接回油箱，油液经过沉淀、冷却后再进入液压泵的进口。例如，泵向多个液压执行元件供油且功率较小的机器（组合机床、磨床等）、内燃机驱动的机器（铲车、高空作业车、液压汽车起重机、装载机、挖掘机等）。对工作稳定性和效率有较多要求的系统、尽量减少体积和质量的系统，采用容积调速的系统，都宜采用闭式系统。闭式系统是液压缸或马达的回油直接进入液压泵的进口。如外负载惯性大且换向频繁的机构（如一些起重机的旋转、运行机构及龙门刨床、拉床的工作台等）、要求机构特别紧凑的运动式机械（液压汽车平板车、拖拉机、矿车及航空航天装置、大型货轮的舵机、工程船舶调距桨、重力下降机构（不平衡类型的起升、动臂摆动机构等）常用闭式系统。开式系统和闭式系统都有各自的优缺点。2．液压基本回路选择液压回路的选择要根据系统的设计要求和工况图。这一步往往出现多种方案，必须从多种方案中经过分析、挑选，有必要收集、整理和参考同类型液压系统先进回路的成熟经验。一般可按以下步骤进行：1）从主机主要性能起决定性作用的调速回路开始，因为在机床液压系统中，调速回路是核心，它一旦确定，其它回路就可相应确定。调速回路要根据工况图上的压力、流量和功率的大小以及系统对温升、工作平稳性等方面的要求来选择。2）考虑一般液压系统都必须设置的回路，如调压回路、换向回路、卸荷回路、安全回路等。3）考虑系统负载性质和特殊要求来选择回路，如液压执行元件存在外负载对系统作功的工况（垂直运动部件的系统）时，需设置平衡回路，以防止外负载使液压执行元件超速运动。对外负载惯性较大的系统，需设置制动回路，以防止产生液压冲击。对有快速运动要求或精确换向要求的系统，需设置减速回路或缓冲回路。对有多个液压执行元件的系统，需设置顺序回路、同步回路或互不干扰回路等。对液压机，需设置释压回路。有些系统需设置速度换接回路、增速回路、增压回路、锁紧回路等。对闭式循环系统，需设置补油冷却回路。当一个油源同时提供两种不同工作压力时，需采用减压回路等。总之，每一种基本回路都有各自的特点和适用场合，应用时，要反复进行对比，不要轻易作出决定。3．选择液压系统原理图选定调速方案和液压基本回路后，把各种基本回路综合在一起，进行整理，增添一些必要的元件和配置一些辅助油路，如控制油路、润滑油路、测压油路等，正确选择液压油，使之成为完整的液压系统。最后的液压系统必须做到结构简单，工作安全可靠，动作平稳，效率高，使用和维护方便，并尽可能采用标准元件，以降低成本，缩短设计和制造周期。10.2液压元件的设计计算与选择 10.2.1液压泵的计算与液压泵是液压系统的动力装置，要选用符合回路所需性能的液压泵，必须充分考虑泵的自吸能力、抗污染能力、流量脉动性、噪音、价格、节能效果、可靠性、寿命、维修等，以便所选用的泵能在系统中长期运行。确定液压泵的最大工作压力 液压泵的最大工作压力要根据执行元件的最高工作压力确定，并应具有一定的贮备，即或（10-2）式中——液压泵的最大工作压力；——执行元件的最大工作压力； ——进给油路上的总压力损失，系统管路未曾画出前按经验选取：对一般节流调速及管路简单的系统，可取；对进油路有调速阀及管路复杂的系统，可取。 ——计算系数，一般取。2．确定液压泵的流量液压泵的流量按执行元件工况图中的最大工作流量和回路的泄漏量确定。一般按下式计算（10-3）式中——液压泵的流量；——执行元件的最大流量； ——系统的泄漏系数，一般取。如果有多个执行元件同时工作，则为同时工作的执行元件总流量的最大值。液压执行元件总流量的最大值可以从工况图或表中找到（当系统中备有蓄能器时，此值应为一个工作循环中液压执行元件的平均流量）。3．选择液压泵的规格前面计算的仅仅是系统的静态压力，系统在工作过程中常因过渡过程中的压力超调或周期性压力脉动而存在动态压力，其值远远超过静态压力，所以液压泵的额定压力，应比泵的最大工作压力高。至于泵的额定流量只需选得能满足泵的最大流量需要即可。确定了泵的额定压力和额定流量后，再根据系统的工作特性，可以初步确定泵的结构形式和类型。一般压力，选用齿轮泵和叶片泵；压力，则选用柱塞泵；精度高的液压设备可用双作用叶片泵或螺杆泵；有快慢速工作行程的设备可选用限压式变量泵。最后确定泵的基本型号。泵的型号确定后，电动机的功率一般可以直接从产品标本上查到，也可以根据具体工况计算出来。10.2.2液压阀的选择液压控制阀的规格是根据系统的最高工作压力和通过该阀的实际流量，从产品样本上选取的。选择阀时需注意油路有串、并联之分，油路串联时系统的流量为油路中各处通过的流量；油路并联且各油路同时工作时，系统的流量为各条油路通过的流量总和；油路并联且油路顺序工作时的情况与油路串联时相同。阀选定的额定压力和流量应尽可能与计算值相接近，必要时，允许通过阀的实际流量超过其额定流量的20%，否则会引起发热、噪声和过大的压力损失，使阀的性能下降。一般溢流阀按液压泵的最大流量选取；节流阀和调速阀要考虑通过的最小稳定流量是否满足设计要求；对压力阀应考虑其调压范围；对换向阀应考虑其滑阀机能；对可靠性要求特别高的系统，阀类元件的额定压力应高出其所在回路的工作压力较多。选择阀时同时要考虑阀的结构形式、特性、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等。10.2.3油管和油箱的选择油管需确定的两个基本尺寸，即管道的内径和管道的壁厚。其中油管内径的计算为（10-4）式中——通过管道的流量；——管内允许流速，见表10—1。计算出内径后，可按标准系列选取相应的管子。油管管道壁厚的计算为（10-5）式中——管道内最高工作压力；——管道内径；——管道材料的许用应力。油箱的容积与泵的流量有关，一般可根据泵的最大流量选取。油箱的另一个功能是散热，油箱体积大，散热快，但占地面积大；油箱体积小则油温较高。具体可见第6章。10.3液压系统性能验算在选定了液压元件，设计了液压系统后，还需要对整个液压系统的某些技术性能进行必要的验算，以便对所选的液压元件和液压系统的参数作进一步调整。因为液压系统的设计是在某些参数进行估计的情况下进行的，当液压元件确定后应根据实际情况对所设计的系统进行各项性能分析验算。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。10.3.1回路压力损失验算回路压力损失是管道内的沿程压力损失和局部压力损失以及阀类元件处的局部压力损失三项之和。这三项压力损失计算可用第二章中的有关公式估算。进油路和回油路上的压力损失应分别计算，并且回油路上的压力损失应折算到进油路上去。当计算出的压力损失值比确定系统最高工作压力时选定的压力损失相差太大时，则应对设计进行必要的修改。10.3.2发热温升验算系统工作时，液压泵和执行元件存在容积损失和机械损失，管路和阀产生压力损失。所有这些损失所消耗的能量都转变成热能，使油温升高。不同的主机，因工作环境和工况不同，最高允许的油温是不同的，系统发热温升的验算，就是计算系统的实际油温，如实际油温小于最高允许温度，则系统满足要求。如实际油温超过最高允许温度，则必须采取降温措施。10.4液压系统的设计计算实例设计一卧式单面多轴钻孔组合机床动力滑台的液压系统，要求实现的动作顺序为：启动加速快进减速工进快退停止。液压系统的主要参数与性能要求如下：轴向切削力总和，运动部件的总重为；共行程长度为，其中工进长度为，快进快退的速度为，工进速度为，加速、减速时间；静摩擦系数为，动摩擦系数。1．液压缸的载荷组成与计算在负载分析中，先不考虑回油腔的背压力。因工作部件是水平放置，重力的水平分力为零，在运动过程中的力有：切削力、导轨摩擦力、惯性力。导轨的正压力等于动力部件的重力。导轨的静摩擦力为惯性力为设计中不考虑切削力引起的倾覆力矩的作用，并设液压缸的机械效率，则液压缸在各工作阶段的总负载列表如下表10-4液压缸在各工作阶段的负载值运动阶段计算公式负载值推力起动20002105加速15671649快进10001053工进2100022105快退100010532．绘制负载图和速度图根据计算出的各阶段的负载和已知的各阶段的速度，可绘制出负载图和速度图，见图10-3a）和b)所示，横坐标以上为液压缸活塞前进时的曲线，以下为液压缸活塞退回时的曲线。a)b)图10-3负载速度图a)负载图b)速度图3．计算主要参数（液压缸主要结构尺寸）1）初定液压缸的工作压力根据切削力计算液压缸的工作面积A。参考同类型组合机床，查表初定液压缸的工作压力为。2）确定液压缸的主要结构尺寸本设计中动力滑台的快进、快退速度相等，可选用单出杆活塞缸，快进时采用差动连接，在这种情况下可算得液压缸无杆腔的工作面积应为有杆腔工作面积的两倍，即，即活塞杆直径d与缸筒内径D成的关系。为了防止在钻孔钻通时滑台突然前冲。查表可取背压。由表10—4可知最大负载为工进阶段，由工进时的负载计算液压缸面积=缸筒内径，。这些直径按GB2348—80圆整成就近标准值，以便采用标准的密封装置。圆整后得：，。按标准直径可算出液压缸两腔的实际有效面积按最低工进速度验算液压缸尺寸，假如进油腔用调速阀调速，查产品的样本，调速阀最小稳定流量，因工进速度，为最小速度，则本例中，满足最低速度要求。3）绘制工况图根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效工作面积，可以得出液压缸工作过程各阶段的压力、流量和功率，见表10-5所示，并根据可以画出工况图，如图10-4所示。在计算工进时背压，快进时液压缸工作差动连接，管路中有压力损失，有杆腔的压力应大于无杆腔，但差值较小，取考虑，快退时回油路有背压，也可取。10—5液压缸在不同阶段的工况图工况负载回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率计算公式快进（差动）启动201500.712————加速16490.957————匀速10530.74614.150.176工进221050.63.80.6360.04快退启动201500.57————加速16490.61.55————匀速10531.3817.650.406图10-4组合机床液压缸工况图4．液压系统方案的设计由于系统的功率较小，运动部件速度也较低，工作负载变化不大，因此采用调速阀的进口节流调速回路。由于液压系统采用了调速阀调速方式，所以系统的液压油循环是开式的。从工况图中可以看出，快进、快退和工进的流量相差较大，要求交替地供应低压大流量和高压小流量的液压油，而且快进、工进的速度变化较大，所以宜采用双泵供油和差动连接两种快进运动回路来实现。即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。本例采用二位二通电磁阀来控制由快进转为工进，采用外控顺序阀与单向阀来切断差动油路，所以速度换接回路是行程和压力联合控制，换向阀须选用三位三通电磁换向阀，为提高换向的位置精度，采用死挡铁和压力继电器的行程终点返程控制。最后组成如图10-5的液压系统图。图10-5组合机床动力滑台液压系统原理图5．选择液压元件1）液压泵及驱动电机的选择由表10—5可知，工进阶段液压缸工作压力最大，取进油路总压力损失为，为了使压力继电器能可靠地工作，取其调速压力高出系统最高工作压力，则小流量液压泵的最大工作压力应为大流量液压泵在快进、快退运动时才向液压缸输油，由表10—5可知，快退时液压缸的工作压力比快进时大，如取进油路上的压力损失为，则大流量液压泵的最高工作压力为由表可知，两个液压泵向液压缸提供的最大流量为，因系统较简单，取泄漏系数为1.05，则两个液压泵的实际流量为由表可知，工进时所需的流量最小是，设溢流阀的最小溢流量为，则小流量泵的流量规格最小应为，所以大流量泵的流量为。根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用型的双联叶片泵，该泵的额定压力7，最低转速800，最高转速2000，小泵功率1.08，排量，流量，大泵功率1.35，排量，流量。因为液压泵在快退阶段功率最大，取液压缸进油路上的压力损失为，则液压泵输出压力为，取液压泵的总效率为，则液压泵驱动电机所需的功率为。由此数值查阅电动机产品样本选取Y90L-2型电动机，其功率为2.2，转速为1000。2）油管选择各液压阀间连接管道的规格按液压阀连接油口处的尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、输出的最大流量来计算。本例中系统液压缸差动连接时，油管内通油量最大，实际流量为泵的额定流量的2倍达。则液压缸进、出油管直径按产品样本，选用内径为20，外径为25的10号冷拔钢管。3）液压阀的选择根据液压阀在系统中的最高工作压力和通过该阀的最大流量，可选出这些元件的型号及规格。所有阀的额定压力都为，额定流量根据各阀通过的流量，确定为、、。所有元件列表如下：序号元件名称通过最大实际流量/型号1双联