液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算

本章提要

本章介紹設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的基本步驟和方法，對于一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下幾個步驟：

①明確設(shè)計要求，進行工況分析；②擬定液壓系統(tǒng)原理圖；③計算和選擇液壓元件；④發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算；⑤繪制工作圖，編寫技術(shù)文件。上述工作大部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計簡單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學(xué)習(xí)，要求對液壓系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容、步驟、方法有一個基本的了解。

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整機設(shè)計的一部分，它除了應(yīng)符合主機動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，效率高，經(jīng)濟性好，使用維護方便等條件。液壓系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡、借鑒的資料多少和設(shè)計人員經(jīng)驗的不同，在做法上有所差異。各部分的設(shè)計有時還要交替進行，甚至要經(jīng)過多次反復(fù)才能完成。

下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計步驟予以介紹。10.1液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算10.1.1明確設(shè)計要求、工作環(huán)境，進行工況分析液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有：運動方式、行程、速度范圍、負載條件、運動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖等。就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等。要使所設(shè)計的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。10.1.1.1明確設(shè)計要求及工作環(huán)境工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的速度和負載的變化規(guī)律，必要時還應(yīng)作出速度、負載隨時間或位移變化的曲線圖。就缸而言，負載主要由六部分組成，即工作負載，導(dǎo)向摩擦負載，慣性負載，重力負載，密封負載和背壓負載。10.1.1.2執(zhí)行元件的工況分析

負載圖速度圖(1)工作負載

不同的機器有不同的工作負載。工作負載與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負值。

導(dǎo)向摩擦負載是指液壓缸驅(qū)動運動部件時所受的導(dǎo)軌摩擦阻力。(2)導(dǎo)向摩擦負載

慣性負載是運動部件在啟動加速或制動減速時的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。(3)慣性負載

(4)重力負載

密封負載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過液壓缸的機械效率加以考慮，常取機械效率值為0.90~0.97。(5)密封負載背壓負載是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。(6)背壓負載液壓缸各個主要工作階段的機械負載F可按下列公式計算空載啟動加速階段:快速階段:

工進階段:

制動減速:

（10.4）

（10.5）

（10.6）

（10.7）

液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計液壓系統(tǒng)的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計方案的合理性、經(jīng)濟性具有決定性的影響。10.1.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定10.1.2.1確定油路類型

一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進行補油，并借此進行冷卻交換來達到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路。

根據(jù)各類主機的工作特點、負載性質(zhì)和性能要求，先確定對主機主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其它輔助回路。例如:對于機床液壓系統(tǒng),調(diào)速和速度換接回路是主要回路；對于壓力機液壓系統(tǒng)，調(diào)壓回路是主要回路；有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路；慣性負載較大的系統(tǒng)要考慮緩沖制動回路。有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮順序動作、同步回路；有空載運行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。10.1.2.2選擇液壓回路

將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖。10.1.2.3繪制液壓系統(tǒng)原理圖10.1.3液壓元件的計算和選擇

結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是指根據(jù)執(zhí)行元件工作壓力和最大流量確定執(zhí)行元件的排量或油缸面積。10.1.3.1執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定運動形式往復(fù)直線運動回轉(zhuǎn)運動往復(fù)擺動短行程長行程高速低速建議采用的執(zhí)行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達與齒輪/齒條或螺母/絲杠機構(gòu)高速液壓馬達低速大扭矩液壓馬達高速液壓馬達帶減速器擺動液壓缸表10.1 選擇執(zhí)行元件的形式

工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能，工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵。反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大，所以應(yīng)根據(jù)實際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。?）初選執(zhí)行元件的工作壓力（2）確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定D和d。對有低速運動要求的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進行驗算，即應(yīng)保證：（10.8）

驗算結(jié)果若不能滿足式（10.8），則說明按所設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計。式中 ：A—液壓缸工作腔的有效工作面積；—控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量；—液壓缸要求達到的最低工作速度。（3）復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力當(dāng)液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進行一次復(fù)算。在按上述方法確定的工作壓力還沒有計算回油路的背壓，所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機械總負載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒?，即可求出?zhí)行元件工作腔的壓力。對于單桿液壓缸，其工作壓力P可按下列公式復(fù)算。有桿腔進油階段（10.10）式中 ：F—液壓缸在各工作階段的最大機械總負載；、—分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； —液壓缸回油路的背壓。（10.9）無桿腔進油工進階段（4）執(zhí)行元件的工況圖

即執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量、功率對時間或位移的變化曲線圖。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，便得到整個系統(tǒng)的工況圖。液壓系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個工作循環(huán)中的系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續(xù)設(shè)計步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計提供合理的依據(jù)。對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略。

先根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格。10.1.3.2選擇液壓泵（10.11）

式中: —執(zhí)行元件的最高工作壓力； —進油路上總的壓力損失。（1）液壓泵的最高供油壓力

液壓泵的最大供