第八章 液压系统计算

第八章液压系统设计本章内容及要点掌握液压系统设计的计算方法掌握液压系统设计的步骤熟悉液压系统安装、使用和维护第一节液压系统的设计

计算方法及步骤一、明确设计要求二、液压系统工况分析三、确定系统方案四、液压元件的计算和选择五、液压系统的验算六、绘制工作图和编写技术文件在设计之前，首先要对所设计的主机做调查研究，应重点明确以下几点：主机和工作机构的结构特点和工作原理。主要包括主机的哪些动作采用液压执行元件，各执行元件的运动方式、行程、动作循环以及动作时间是否需要同步或互锁等；主机对液压传动系统的性能要求。主要包括各执行元件在各工作阶段的负载、速度及调速范围和动作行程等具体数据；主机对液压传动系统控制技术的要求；主机的使用条件及工作环境。一、明确设计要求对液压系统进行工况分析，即指对各执行元件进行运动分析和负载分析，对于运动复杂的系统，需要绘制出速度循环图和负载循环图，对简单的系统只需找出最大负载和最大速度点。从而为确定液压系统的工作压力、流量，设计或选择液压执行元件提供数据。

1、整机工作循环图在具有多个液压执行元件的复杂系统中，执行元件通常是按一定的程序循环工作的。因此，必须根据主机的工作方式和生产率，合理安排各执行元件的工作顺序和作业时间，并绘制出整机的工作循环图。2、计算和绘制速度—时间循环图根据整机工作循环图和执行元件的行程或转速以及拟定的加速度变化规律，即可计算并绘制出执行元件的速度—时间循环图。3、计算和绘制负载—时间循环图根据工作负载和速度—时间循环图，计算并绘制出负载—时间循环图进而找出执行元件的最大推动力或扭矩。二、液压系统工况分析（1）执行元件的负载计算执行元件的总负载F（或M）是由外负载Fos（或Mos）和内负载Fit（或Mit）两部分组成。对液压缸，其负载可由下式计算：F=Fos+Fit=（Fw+Fof

+Fom

+Fb）+（Fif+Fim）(12-1)对液压马达，其负载可由下式计算：M=Mos+Mit=（Mw+Mof+Mom+Mb）+（Mif+Mim）(12-2)式中Fw

、Mw

—分别为液压缸和液压马达的工作负载；Fof、Mof

—分别为液压缸和液压马达的外部摩擦负载；Fom、Mom

—分别为液压缸和液压马达的外部惯性负载；

Fb

、Mb

—分别为液压缸和液压马达的回油阻力负载；

Fif

、Mif

分别为液压缸和液压马达的内部摩擦负载；

Fim

、Mim

—分别为液压缸和液压马达的内部惯性负载。故根据上面的分析可知，当执行元件的外部负载Fos

或Mos确定以后，可推出液压缸和液压马达的总负载计算公式如下：—执行元件的机械效率（2）执行元件的负载—时间循环图根据执行元件的工作负载和速度—时间图以及上面介绍的公式进行逐点计算，即可绘出外负载—时间循环图（或总负载—时间图），并从图中找出执行元件的最大外负载或最大总负载。1.确定系统的型式就是确定系统主油路的结构（开式或闭式，串联或并联）、液压泵的形式（定量或变量）、液压泵的数目（单泵、双泵或多泵）和回路数目等。另外，尚需确定操纵的方式、调速的型式及液压泵的卸荷方式等。例如，目前在建设机械上，液压起重机和轮式装载机多采用定量开式系统,小型挖掘机采用单泵定量系统，中型挖掘机多采用双泵双回路定量并联系统，大型挖掘机多采用双泵双回路变量并联系统。

三、确定系统方案采用分动器的多泵驱动分动器泵串联连接和发动机飞轮连接的泵多泵系统的液压泵连接及安装2.确定系统的工作压力液压系统工作压力是指液压系统在正常运行时所能克服外载荷的最高限定压力。确定液压系统工作压力包括压力级的确定，液压泵压力和安全阀（或溢流阀）调定压力的选择。系统的压力级选择与机器种类、主机功率大小、工况和液压元件的型式有密切关系。一般小功率机器用低压，大功率机器用高压。在一定允许的范围提高油压，可使系统的尺寸减小，但容积效率会下降。目前，建设机械所用工作压力等级有：（1）中压：压力为10~20MPa；常用于装载机、起重机、小型挖掘机等建设机械。（2）高压：压力为20~32MPa；常用于中、大型挖掘机、混凝土泵等。（3）超高压：压力超过32MPa。因此在考虑上述各因素的情况下，还应参考国家公称压力系列标准值来确定系统工作压力。3、确定系统流量根据已确定的系统工作压力，再根据各执行元件对运动速度的要求，计算每个执行元件所需流量，然后根据液压系统所采用的型式来确定系统流量。对单泵串联系统，各执行元件所需流量的最大值，就是系统流量。对双泵或多泵液压系统，将同时工作的执行元件的流量进行叠加，则叠加数中最大值，就是系统流量。但应注意，对于串联的执行元件，即使同时工作，也不能进行流量叠加。如果对某一执行元件采用双泵或多泵合流供油，则合流流量就是系统流量。4、拟定液压系统原理图（1）拟订的方法步骤拟订液压系统原理图是液压系统设计中重要的一步，对于系统的性能及设计方案的经济性、合理性都具有决定性的影响。拟订液压系统原理图一般分为两步进行：

1）分别选择和拟订各个基本回路，选择时应从对主机性能影响较大的回路开始，并对各种方案进行分析比较，确定出最佳方案。

2）将选择的基本回路进行归并、整理、再增加一些必要的元件或辅助油路，组合成一个完整的液压系统。（2）应注意的问题1）控制方法在液压系统中，执行元件需改变运动速度和方向，对于多个执行元件，则还应有动作顺序及互锁等要求，如果机器要求实行一定的自动循环，则更应慎重地选择各种控制方式。一般而言，行程控制动作比较可靠，是通用的控制方式；选用压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜多次采用；时间控制不宜单独采用，而常与行程或压力控制组合使用。2）系统安全可靠性为防止系统过载，应设置安全阀；为防止举升机构在其自重及失压情况下自动落下必须有平衡回路；支腿回路应有液压锁，回转机构应有缓冲、限速及制动装置等，以确保安全。另外，要防止回路间的相互干扰。如单泵驱动多个并联连接的执行元件并有复合动作要求时，应在负载小的执行元件的进油路上串联节流阀，对保压油路可采用蓄能器与单向阀，使其与其它动作回路隔开。（2）应注意的问题3）有效利用液压功率提高液压系统的效率不仅能节约能量，并可以防止系统过热。如在工作循环中，系统所需流量差别较大时，应采用双泵和变量泵供油或增设蓄能器；在系统处于保压停止工作时，应使泵卸荷等等。4）防止液压冲击在液压系统中，由于工作机构运动速度的变换、工作负荷的突然消失以及冲击负载等原因，经常会产生液压冲击而影响系统的正常工作。因此在拟订系统原理图时应予以充分重视，并采取相应的预防措施。如对由工作负载突然消失而引起的液压冲击，可在回油路上加背压阀；对由冲击负载产生的液压冲击，可在油路入口处设置安全阀或蓄能器等。（一）选择执行元件初步确定了执行元件的最大外负载和系统的压力后，就可以对执行元件的主要尺寸和所需流量进行计算。计算时应从满足外负载和满足低速运动两方面要求来考虑。1、计算执行元件的有效工作压力由于存在进油管路的压力损失和回油路的背压，所以有效工作压力比系统压力要低。四、液压元件的计算和选择2、计算液压缸的有效面积或液压马达的排量（1）从满足克服外负载要求出发对于液压缸，有效面积为

对于液压马达，其排量应为

（2）从满足最低速度要求出发对于液压缸，有效面积为

（12-7）

（12-8）

（12-9）

（12-10）

对于液压马达，其排量应为

结论：从（12-7）和（12-9）中选取较大的计算值来计算液压缸内径和活塞杆直径。对计算出的结果，按国家标准选用标准值。从（12-8）和（12-10）中选取较大的计算值，作为液压马达排量，然后结合液压马达的最大工作压力和工作转速选择液压马达的具体型号。

（3）计算执行元件所需流量

对于液压缸，所需最大流量为对于液压马达，所需最大流量为

（二）选择液压泵1、确定液压泵的流量

2、选择液压泵的规格选取额定压力比系统压力（指稳态压力）高25~60%，流量与系统所需流量相当的液压泵。由于液压系统在工作过程中其瞬态压力有时比稳态压力高得多，因此选取的额定压力应比系统压力高一定值，以便泵有一定的压力储备。（1）恒压系统驱动液压泵的功率为

（2）非恒压系统当液压泵的压力和流量在工作循环中变化时，可按各工作阶段进行计算，然后用下式计算等效功率：3、确定液压泵所需功率

注意：按等效功率选择电机时，必须对电机的超载量进行检验。当阶段最大功率大于等效功率并超过电机允许的过载范围时，电机容量应按最大功率选取。（三）选择控制阀

根据系统的最大工作压力和通过阀的实际最大流量由产品样本确定阀的规格和型号，被选定阀的额定压力和额定流量应大于或等于它所在支路的最大工作压力和阀的实际流量，必要时通过阀的实际流量可略大于该阀的额定流量，但不许超过20%，以免压力损失过大，引起噪声和发热。选择流量阀时还应考虑最小稳定流量是否满足工作部件最低运动速度要求。另外，在选择各类阀时，还应注意各类阀连接的公称通径，在同一回路上应尽量采用相同的通径。（四）选择液压辅件

滤油器、蓄能器等可按有关原则选用，管道和管接头的规格尺寸可参照它所联接的液压元件接口处尺寸、流量及管路所在位置决定。注意：选择管道时要考虑液压油流速。

油箱容积V须满足液压系统的散热要求，可按下式计算

一般低压系统K=2~4；一般中压系统K=5~7；对行走液压系统K=1~2（油箱散热不能满足要求时，加散热器）。五、液压系统的验算

（一）压力损失的计算根据初步确定的管道尺寸和液压系统装配草图，就可以进行压力损失的计算。压力损失包括沿程阻力损失和局部阻力损失。

沿程阻力损失是油液沿直管流动时的粘性阻力损失，一般比较小。局部阻力损失是油液流经各种阀、管路截面突然变化处及弯管处的压力损失。在液压系统中局部压力损失是主要的，必须加以重视。关于沿程阻力损失和局部阻力损失的计算方法，可参考液压流体力学或有关的液压传动设计手册。在液压系统设计时，应尽量避免不必要的管路弯曲和节流，避免直径突变，减少管接头，采用元件集成化，以便减少压力损失。（二）热平衡验算

液压系统工作时，由于工作油液流经各种液压元件和管路时将产生能量损失，这种能量损失最终转化成热能，从而使油液发热、油温升高，使泄漏增加、容积效率降低。因此，为了保证液压系统良好的工作性能，应使最高油温保持在允许范围内，并不超过80℃。液压系统产生的热量，主要包括液压泵和液压马达的功率损失，溢流阀溢流损失，油液通过阀体及管道等的压力损失所产生的热量。

热平衡验算所算出的油温超过了最高油温允许范围，就必须增大油箱的散热面积或使用冷却装置来降低油温。风冷式散热器液压泵站泵站回油散热器（三）液压冲击的验算在液压传动中产生液压冲击的原因很多，例如液压缸在高速运动时突然停止，换向阀迅速打开或关闭油路，液压执行元件受到大的冲击负载等都会产生液压冲击。因此，在设计液压系统时很难准确的计算，只能进行大致的验算，其具体的计算公式可参考液压流体力学或有关的液压传动手册。所以，在设计液压系统时必须采取一些缓冲措施以缓冲液压冲击，如采取在液压缸或液压马达的进出口设置过载阀，换向阀的滑阀机能采用H型阀等措施。六、绘制工作图和编写技术文件（一）绘制工作图1、液压系统原理图应附有液压元件明细表,注明各种元件的规格、型号以及压力阀、流量阀的调整值，画出执行元件工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态表。