液压系统设计计算与实例

液压系统的设计计算
液压传动系统的设计是整机设计的一部分，在目前液压系统 的设计主要还是经验法，即使使用计算机辅助设计，也是在专家 的经验指导下进行的。因而就其设计步骤而言，往往随设计的实 际情况，设计者的经验不同而各有差异，但是，从总体上看，其 基本内容是一致的，具体为： 1) 2) 3) 4) 5) 明确设计要求、进行工况分析 拟定液压系统原理图 液压元件的计算和选择 液压系统的性能验算 绘制工作图和编制技术文件 （第一节） （第二节） （第三节） （第四节） （第五节）

第一节 明确设计要求、进行工况分析 一.明确设计要求
设计要求是做任何设计的依据。液压传动系统的设计通常要考虑以下几 方面的问题： （一）了解主机的基本情况 液压传动系统设计通常是主机设计的一部分，设计要求主要是由主机根 据工艺过程提出的。因此要了解下列基本情况： 主机的工艺流程、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。 （二）明确液压系统的任务与要求 液压系统应该完成的运动方式（移动、转动或摆动）； 液压执行元件承受负载的大小和性质、运动速度的大小和变化范围； 液压执行元件的动作顺序和联锁关系，各动作的同步要求； 液压系统的自动化程度、运动平稳性、定位精度、工作效率、安全性和 可维护性等； 液压系统的工作环境（如环境的温度、湿度、尘埃和外界振动等）； 液压系统的成本核算。

二.工况分析
这里所指的工况分析主要指对液压执行 元件的工作情况的分析，分析的目的式了解 再工作过程中执行元件的速度、负载变化的 规律，并将此规律用曲线表示出来，作为拟 定液压系统方案确定系统主要参数（压力和 流量）的依据。若液压执行元件动作比较简 单，也可不作图，只需找出最大负载和最大 速度即可。 1.运动分析 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，这个图称为速度图。现以右图 所示 的液压 缸驱动的组合机床滑台为例说明，图 a 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b 是完成一个工 作循环的速度——位移曲线，即速度图。

2.负载分析
前图c所示是该组合机床的负载图，这个图是按设备的工艺要求，把 执行元件在各阶段的负载用曲线表示出来，由此图可直观地看出在运动 过程中何时受力最大，何时最小等各种情况，以此作为以后的设计依据。 现具体分析 液压缸所承受的负载，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 F = FL + Ff + Fa （9－1）
（1）工作负载FL 工作负载与设备的工作情况有关，在机床上，与运 动的方向同轴的切削力的分量是工作负载，而对于提升机、千斤顶等来 说所移动的物体的重量就是工作负载，工作负载可以是定量，也可以是 变量，可以是正值，也可是负值，有时还可以是交变的。

（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 Ff = f FN （9－2） 式中FN为运动部件及外负载对支承面的正压力；f为摩擦系数，分为静摩擦系 数（fs≤0.2~0.3）和动摩擦系数（fd≤0.05~0.1）。 （3）惯性负载Fa 惯性负载式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 Fa = ma = G △v / g △t （9－3） 式中m为运动部件的质量（kg）；a为运动部件的加速度（m/s^2）；G为运动 部件的重力（N）；g为重力加速度（ m/s^2）； △v 为速度的变化量m/s）； △t 为速度变化所需的时间（s）。 除此以外，液压缸的受力还有密封阻力（一般用效率η＝0.85 ~ 0.95来表 示），背压力（可在最后计算时确定）等。 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。

3.执行元件的参数确定
（1）选定工作压力 当负载确定后，工作压力就决定了系统的经济性和 合理性。若工作压力低，则执行元件的尺寸就大，重量也大，完成给定速度所需 的流量也大；若压力过高，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。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的工作压力 负载 F / kN ＜5 5～10 1.5~2.0 10～20 2.5~3.0 20～30 3.0~4.0 30～50 4.0~5.0 ＞50 ＞5.0~7.0
工作压力 ＜0.8~1.0 p / MPa
表9－2 粗加 设备类型 工作压力 p/MPa 工机床 0.8~2.0
各类液压设备常用工作压力 粗加工或重 农业机械、 液压压力机、重型 型机床 小型工程机 机械大中型挖掘机 械 械、起重运输机械 5.0~10.0 10.0~16.0 20.0~32.0
半精加 工机床 3.0~5.0

（2）确定执行元件的几何参数 对于液压缸来说，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。液压缸有效工作面积可由 下式求得 A＝F/ηom p （9－4） 式中F为液压缸上的外负载（N）；ηom 为液压缸的机械效率；p为液压缸的 工作压力（Pa）；A即为所求液压缸的有效工作面积（m^2）。 这样计算出来的工作面积还必须按液压缸所求的最低稳定速度vmin来验 算，即 A ≥ qmin / vmin （9－5） 式中qmin为流量阀最小稳定流量。 若执行元件为液压马达，则其排量的计算式为 V＝2πT / pηMm （9－6） 式中T为液压马达的总负载转矩（N·m）；ηMm为液压马达的机械效率； p为液压马达的工作压力（Pa）；V为所求液压马达的排量（m^3/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的要求， 即 V ≥ qmin / nmin （9－7） 式中qmin 指能输入液压马达的最低稳定流量。排量确定后，可从产品检本 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 ＝ A vmax （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 ＝V nmax （9－9）
4.绘制液压执行元件的工况图
（1）工况图的绘制 按照上面所确定的液压执行元件的工作面积 （或排量）和工作循环中各阶段的负载（或负载转矩），即可绘制压力图； 根据执行元件的工作面积（ 或排量 ）以及工作循环中各阶段所要求的运 动速度（ 或转速 ），即可绘制流量图；根据所绘制的压力图和流量图， 即可计算出各阶段所需的功率，绘制出功率图。

（2）工况图的作用 从工况图上可以直观地、方便地找 出最大工作压力、最大流量和最大功率，根据这些参数即可 选择液压泵及其驱动电动机，同时对系统中所有液压元件地 选择也具有指导意义，通过分析工况图，有助于设计者选择 合理的基本回路，例如：在工况图上可观察到最大流量维持 时间，如这个时间较短则不宜选用一个大流量的定量泵供油， 而可选用变量泵或者采用泵和蓄能器联合供油的方式。另一 方面，利用工况图可以对各阶段的参数进行鉴定，分析其合 理性，在必要时还可进行调整。例如，若在工况图中看出各 阶段所需的功率相差较大，为了提高功率应用的合理性，使 得功率分配比较均衡，则可在工艺允许的条件下对其进行适 当调整，使系统所需的最大功率值有所降低。

第二节 拟定液压系统原理图
液压系统图是整个液压系统设计中最重要的一环，它的好 坏从根本上影响整个液压系统。拟定液压系统原理图所需的知 识面较广，要综合应用前面的各章内容，一般的方法是：先根 据具体的动作性能要求选择液压基本回路，然后将基本回路加 上必要的措施有机地组合成一个完整地液压系统，拟定液压系 统图时，应考虑以下几个方面地问题： 一.所用液压执行元件的类型 二.液压回路的选择 三.液压回路的综合

一.所用液压执行元件的类型
由第三章所述内容可知，液压执行元件有提供往复直线运动的液 压缸，提供往复摆动的摆动缸和提供连续回转运动的液压马达。在设 计液压系统时，可按设备所要求的运动情况来选择，在选择时还应比 较、分析、以求设计的整体效果最佳。例如，系统若需要输出往复摆 动运动，要实现这个运动，既可采用摆动缸又可使用齿条式液压缸， 也可以使用直线往复式液压缸和滑轮钢丝绳传动机构来实现。因此要 根据实际情况进行比较，分析，综合考虑作出选择。又如，在设备的 工作行程比较长时，为了提高其传动刚性，常采用液压马达通过丝杆 螺母机构来实现往复直线运动。此类实例很多，设计时应灵活应用。 在实际设计中，液压执行元件的选用往往还受到使用范围的大小和使 用习惯的限制。

二.液压回路的选择 在确定了液压执行元件后，要根据设备的工作 特点和性能要求，首先确定对主机的只要性能起决 定性影响的主要回路。例如机床液压系统、调速和 速度换接是主要回路；压力机液压系统，调压回路 是主要回路等。然后再考虑其它辅助回路，例如有 垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有多个执行 元件的系统要考虑顺序动作，同步和防干扰回路等。 同时也要考虑节省能源，减少发热，减少冲击，保 证动作精度等问题。

三.液压回路的综合
液压回路的综合是把选出来的各种液压回路放再一起, 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） 尽可能省去不必要的元件，以简化系统结构。 （2） 最终综合出来的液压系统应保证其工作循环中的 每个动作都安全可靠，无相互干扰。 （3） 尽可能提高系统的效率，防止系统过热。 （4） 尽可能使系统经济合理，便于维修检测。 （5） 尽可能采用标准元件，减少自行设计的专用件。

第三节 液压元件的计算和选择
所谓液压元件的计算，是要计算该元件在 工作中承受的压力和通过的流量，以便确定元 件的规格和型号。 一般要计算和选择的液压元件有以下几类： 一.动力元件的选择 二.执行元件的选择 三.控制元件的选择 四.辅助元件的选择

一.动力元件的选择
液压泵是液压系统中的动力元件。选择液压泵时要考虑系统工 况和液压泵主要参数—压力和流量。 1.确定液压泵的最高工作压力Pp 液压泵的最高工作压力就是在系统正常工作时泵所能提供的最 高压力，对于定量泵系统来说这个压力是由溢流阀调定的，对于变 量泵系统来说这个压力是与泵的特性曲线上的流量相对应的。 泵的最高工作压力的确定要分两种情况，其一是，执行机构在 运动行程终了，停止时才需要最高工作压力的情况，泵的最高工作 压力Pp也就是执行机构的所需的最大压力P1 ；其二是最高工作压力 是在执行机构的运动行程中出现的，这种情况下，除了考虑执行机 构的压力外还要考虑油液在管路系统中流动时产生的总压力损失， 即 式中，p1—执行元件的最高工作压力；∑Δp—从液压泵的出口到执 行元件入口总的管路损失。

2.确定液压泵的最大供油量qp 液压泵的最大供油量qp按执行元件工况图上的最大工 作流量及回路系统中的泄漏量来确定， 即
式中，K—考虑系统泄漏和溢流阀保留最小溢流量（约为 额定流量的15%）的系数，一般取K=1.1∽1.3。Σqmax—同 时动作的各执行元件所需流量之和的最大值。当系统中有 蓄能器时，泵的最大供油量为一个工作循环中执行元件的 平均流量与回路泄漏量之和。

3.选择液压泵的规格 液压泵的规格可以根据实际工况和液压泵的最大 工作压力选取，然后根据液压泵的最大流量确定其型 号。值得注意的是，泵的额定压力应该比上述最大工 作压力高25%~60%，以留有压力储备。额定流量则只 需满足上述最大流量即可。

4.确定液压泵的驱动功率 液压泵的规格型号确定以后，驱动液压泵的电机功率可 以按下式计算：
式中， Δpp — 液压泵的进、出口压力之差； qp — 液压泵的实际流量； ηp — 液压泵的总效率。 限压式变量叶片泵驱动电机的功率可按该泵流量-压力 曲线拐点处的流量和压力计算。 应该注意，驱动液压泵的电机除了在功率上要满足泵的 需要以外 ，电机的转速也要与泵的额定转速相符合 ，即泵 的实际转速不应高于其额定转速。

二.执行元件的选择
执行元件是指各种类型的液压缸和液压马达。液压执行元件的 类型是根据主机运动特点来确定的。 1.液压缸的主要技术参数和相应的计算公式 液压缸的主要技术参数和相应的计算公式如此表所示。 公式中所需要的数据分别见下表9.13 。上述计算结果要按有关 标准圆成标准值，以此作为液压缸选择和设计（ 在某些特殊情况下 需要自己设计液压缸）的依据。