第八章 液压系统的设计与计算

液压系统方案设计是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。其内容包括： 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 、选择与合并等。
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
式中，m为运动部件的质量（kg）；a为运动部件的加速度（ ）；G 为运动部件的重力（N）；g为重力加速度（ ）；△v为速度的变化量 （m/s）；△t为速度变化所需的时间（s）。
（2）确定执行元件结构尺寸
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执行元件结构尺寸，主要指液压缸的缸筒内径D和 活塞杆直径d，其计算公式见第4章所述。对于有最
小运动速度要求的系统，尚需验算液压缸面积，即

（8-1-8）
（3）复算执行元件的工作压力
当液压缸的主要尺寸在计算出来以后，都按各自的 系列标准作了圆整，经过圆整的标准值与计算值之 间一般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整值 对工作压力进行一次复算。
线往复运动时，所受到的外负载情况：
（1）工作负载Fw 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
液压系统采用的执行元件的形式，视主机所要实现 的运动种类和性质而定，可按表8-1-2来选择。
液压系统油路循环方式为开式和闭式两种，它们各 自的特点及其相互比较见表8-1-3。
液压系统在类型上究竟采用开式还是闭式，主要取 决于它的调速方式和散热要求。一般说来，凡备有 较大空间可以存放油箱且不另设置散热装置的系统 、要求结构尽可能简单的系统，或采用节流调速或 容积节流调速的系统，都宜采用开式；凡容许采用 辅助泵进行补油并通过换油来达到冷却目的的系统 、对工作稳定和效率有较高要求的系统，或采用容 积调速的系统都宜采用闭式。
调速方案对对主机主要性能起决定性的作用。选择
调速方案时，应依据液压执行元件的负载特性和调
速范围以及经济性等因素，最后选出合适的调速方 案。
（1）初选执行元件的工作压力
工作压力可以根据负载循环图中的最大负载按表81-4或表8-1-5选取。工作压力的选取既影响结构
尺寸又对系统的性能影响较大。选择高压力，执行 元件和系统结构紧凑，装置体积小，但对元件强度 、刚度及密封性要求高，需高压的液压泵。
液压系统油源类型的选择，应在分析下列因素后确定：
（1）根据系统工作压力的高低，选择液压泵的压力 等级和结构形式。
（2）根据油源输出流量变化的大小和系统节能的要 求，选择用定量泵还是变量泵。
（3）根据执行元件的多寡和系统工作循环中压力、 流量的变化情况，选择单泵供油还是多泵供油。
（4）根据系统对油源综合性能的要求，选择泵的控 制方式，是限压式、恒压式、恒流量式，还是恒功率 式等等。
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。
执行元件的运动分析是弄清在一个工作循环中，执 行元件的运动速度的大小和变化范围、运动行程的 长短、运动变化的周期等。一般设计时，常由主机 给出要求的快速运动、工进速度的具体数值。据此 可画出速度的循环图。如图 8-1-2（b）所示。
（4）做液压工况图
各执行元件的主要参数确定后，不但可以计算工作循环阶 段的工作压力，还可以求出各阶段所需流量和功率。这时 就可作出各执行元件工作过程中的工况图。工况图是压力 、流量、功率对时间（或位移）的变化曲线图（如图81-3为某一机床进给液压缸工况图）。从图中可以知道在
工况分析主要分析计算液压执行元件的负载、运动 速度等。通常需求出一个工作循环内各阶段的负载 和速度，画出负载循环图和速度循环图。
1、负载分析（以液压缸为例）
通常液压缸承受的负载包括工作负载、摩擦负载、 惯性负载、重力负载、密封阻力和背压负载。
图8-1-2所示是负载图，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
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：
(1) 主机的用途、总体情况、主要结构、技术参数及性能要求； (2)主机对液压执行元件的布置位置及空间尺寸的限制； (3) 主机的工作循环、作业环境等。
（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。
液压与气动技术
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)明确设计要求、进行工况分析 2)拟定液压系统原理图 3)计算和选择液压元件 4)验算液压系统的性能 5)绘制工作图，编制技术文件