液压系统设计篇

液压系统设计篇液压传动系统设计，除了应符合其主机在动作循环和静、动态性能等方面所提出的要求外，还必须满足结构简单、使用维护方便、工作安全可靠、性能好、成本低、效率高、寿命长等条件。

液压传动系统的设计一般依据流程图见图4-1的步骤进行设计。

图4-1 液压传动系统设计流程图第一节明确设计要求设计新的液压系统，首先要明确机器对液压系统有哪些动作和性能要求，掌握这些技术要求，作为设计的出发点和依据。

需要掌握的技术要求可能有：1．机器的特性(1)全面了解主机的结构和总体布局，了解机构与被驱动部分的连接条件及安装上的限制条件以及其用途和工作目的等。

(2)负载种类（恒定负载、变化负载及冲击负载）及大小和变化范围；运动方式（直线运动、回转运动、摆动）及运动量（位移、速度、加速度）的大小和要求的调节范围；惯性力、摩擦力、动作特性、动作时间和精度要求（定位精度、跟踪精度、同步精度）。

(3)原动机的种类（电动机、内燃机等）、容量（功率、转速、转矩）及稳定性。

(4)操作方式（手动、自动）、信号处理方式（继电器控制、逻辑电路、可编程控制器、微机程序控制）。

(5)系统中各执行元件的动作顺序、动作时间的相互关系。

2．使用条件(1)设置场所。

(2)环境温度、湿度（高温、寒带、热带），粉尘种类和浓度（防护、净化等），腐蚀性气体（所有元件的结构、材质、表面处理、涂覆等），易爆气体（防爆措施），机械振动（机械强度、耐振结构），噪声限制（降低噪声措施）。

(3)维护程度与周期；维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性。

3．适用标准、法则根据用户要求采用相关标准、法则。

4．安全性、可靠性(1)用户在安全性方面有无特殊要求。

(2)明确保用期、保用条件。

5．经济性不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。

6．工况分析对液压系统进行工况分析，是查明其每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律，它是由主机提出的相应动作要求和承载能力确定的。

第二节液压系统方案设计液压系统方案设计的目的是在满足主机功能的前提下，优选出综合指标最优的液压系统方案。

首先根据技术要求确定执行元件的种类、数量、动作顺序和动作条件,拟定驱动执行元件的基本回路。

分步考虑驱动回路、控制回路、液压源回路等基本控制部分，然后综合得到总的液压系统。

最后再进一步考虑安全性、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善，获得在满足技术要求的条件下，最少液压元件组成的最优液压系统。

可遵循以下步骤进行设计。

一、确定执行元件的种类执行元件是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的要求及结构、安装上的限制。

根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行元件配件，见表4-1。

表4-1 执行元件配置的选择二、确定控制方式执行元件的控制方式有泵控制方式和阀控制方式。

泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行元件的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行元件的方向控制。

这种方式中每个执行元件需要一个变量泵。

负载惯性大、起动停止冲击大的场合可以采用。

阀控制方式中，用方向控制阀实现执行元件的方向控制，用流量控制阀实现执行元件的速度控制。

这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行元件的场合或输入信号很复杂而要求快速响应的场合。

泵控制方式与阀控制方式的对比见表4-2。

表4-2 两种控制方式的对比三、设计控制液压回路由于设计者的思路、经验或对所用元件的考虑方法不同，即使针对同样目的设计出来的液压回路也是千差万别的。

因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路。

液压回路基本上由第三章所述的基本回路组成。

工程机械的发展，已经形成了许多简便成熟、行之有效的液压控制系统，设计时可酌情选用。

现有的各类机械设备的液压系统，有很多是设计得很成功的，在设计新的系统时，可以参考借鉴、移植裁剪。

用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图。

四、设计液压过滤系统确保液压系统中的油液质量是设计和使用好液压传动装置的关键，这是因为油液质量不合要求往往会引起液压车辆早期损坏、失效。

油液质量指标包括油液的污染度和工作状态下的油液粘度。

前者由过滤装置保证。

1.油液污染种类与来源油液中存在着各种各样的污染物，其中最主要的是固体颗粒物，此外，还油水、空气以及有害化学物质。

如图4-2所示，污染物的来源主要有三方面：(1)潜在污染液压系统内中原来残留的污染物。

如液压元件加工和系统装配过程中残留的金属切屑、沙粒及清洗溶剂等。

(2)侵入污染从外界侵入液压系统的污染物。

它主要产生于使用过程，取决于工程机械工作环境、维护和保养水平。

图4-2 液压系统油液污染在液压系统工作环境中，存在各种类的污染物。

在大气中，主要是砂粒及灰尘，其它如水汽、热能、化学物品及放射物质等在不同的场合下都可能存在。

砂粒一般指尺寸在74~1000μm 的颗粒，主要成分为SiO2，砂粒的硬度足以划伤或磨损液压元件。

灰尘一般指尺寸74μm以下的颗粒，一般存在于地面表层。

大气中的灰尘浓度于许多因素有关，浓度范围为9~183mg/m³。

而工程机械工作过程中，大气灰尘浓度会明显增加，平地机工作环境灰尘浓度为9~183mg/m³，上述灰尘通过液压缸活塞杆、油箱通气孔等进入液压系统。

(3)固生污染系统内部生成的污染物。

液压元件在工作过程中，由于相对运动表面的磨损及液流冲击零件表面的磨损、材料的疲劳脱落、化学反应（氧化、电解等）、振动和冲击等影响不断生成污染物。

液压元件生成污染物是相当可观的，液压泵流量为75L/min，工作4000h，其生成污染物为：齿轮泵37.5 mg/h，柱塞泵为34 mg/h。

2.污染引起液压系统失效的形式液压油的污染将直接影响液压系统工作的可靠性和液压元件的使用寿命。

根据对装载机早期故障统计分析，发现故障中60%是液压元件的故障，而在液压元件故障中有75%是由于液压油的污染造成的。

液压污染造成液压系统失效的形式主要有一下几种：(1)使液压系统工作性能下降，动作失调由于液压油中的污染物堵塞液压元件的节流孔或节流间隙，改变了液压系统工作的性能，引起动作失调。

液压油污染物中的固体颗粒进入液压元件运动副的间隙内，对零件表面切削磨损或疲劳磨损，致使液压元件的泄漏增加，造成液压阀流量放大系数降低，控制灵敏度下降，也使液压泵、液压马达和液压缸容积效率降低。

液压系统的刚性减少。

(2)使液压元件失效，造成系统故障对于液压泵类元件，液压油中的固体颗粒使液压泵相对运动部件的表面磨损加剧（如：柱塞泵柱塞与缸孔、滑履与斜盘；齿轮泵中齿轮端面与侧板、齿顶与泵体内壁），表面刮伤，咬死，泵的效率降低，致使液压泵失效。

如一台压路机在使用中，发现存在驱动无力、速度达不到技术要求故障，对液压油检测其清洁度为NAS16级，拆开液压泵发现配油盘已严重磨损。

对于液压阀类元件，固体颗粒堵塞液压阀的间隙和孔口，引起阀芯组滞和卡紧，影响阀的工作性能，甚至导致动作失灵，造成系统故障。

如一台装载机工作压力一直不稳定，经分析检查，确任安全阀故障，拆开安全阀发现污染物堵塞在阻尼孔处，致使安全阀压力不稳定。

对于液压缸，污染物将加速密封的磨损和缸内表面的滑伤，将造成泄漏增大，推力不足或动作不稳定、爬行、速度下降等故障。

(3)加速液压油性能的恶化，造成经济损失液压油中的水分和空气是液压油氧化的必要条件，而液压油中的金属颗粒对油液的氧化起着重要的催化作用。

试验研究表明，当油液中存在金属颗粒和水时，油液的氧化速度急剧增快，铁和铜的催化作用使油液氧化速度分别增加10和30倍以上。

油液的氧化将造成重大的经济损失。

液压过滤系统设计设计就是通过在液压系统中增加滤油器而阻止污染物进入液压系统中。

在静液压驱动系统中，补油回路为主回路的入口，且补油量小，易于配置滤油装置。

因此，采用补油回路过滤可以有效保证系统的油液质量。

静液压驱动系统液压泵集成的补油泵一般提供吸油口过滤和出油口过滤（又称为压力油过滤）两种方式（如图4-3）。

较早期产品如Sauer20系列液压泵，则只提供吸油过滤方式。

开式液压系统除采用吸油过滤和压力油过滤方式外，还此基础上派生出来的压差控制式压力过滤和回油过滤几种方式。

(1)吸油口过滤如图4-3a所示，在油箱与液压泵吸油口处设置10μm精吸滤器，可防止侵入污染物景如液压系统中。

该方式结构简单，可以充分保证液压系统油液得到可靠过滤；当滤油器堵塞时，补油压力降低，工作压力下降，机器降速乏力。

吸油口过滤存在的问题是滤油精度越高，越易堵塞。

图4-3 吸油和压力油过滤回路(2)压力过滤方式如图4-3b所示，利用液压泵的供油压力使油液强制通过精滤油器，系统工作对滤油器的堵塞不敏感。

在选用压力过滤方式时，往往在补油泵吸油口另加装一粗滤油器（80~100 μm），该滤油器过滤了进入补油泵的较粗颗粒，避免了液压泵受污染物影响，同时减小了补油泵出口油液的污染颗粒浓度，增加了出口滤油器的工作寿命。

这种滤油方式可有效地保护控制元件和执行元件的污染。

由于在补油泵出口与滤油器之间无溢流阀，因此压力滤油器必须带有单向旁通阀来防止滤芯因堵塞而被击穿。

这种压力过滤的缺点为：滤油器承受高压作用，可靠性降低；滤油器安装在管路上，装配维护不方便；旁通阀打开时，进入主回路的油液未经精细过滤。

(3)回油过滤方式为了避免压力过滤方式的缺点，将液压泵出口滤油器移之液压系统回油路上，采用低压精滤油器，可有效地防止固生污染对液压系统的影响，但是降低了对控制元件和执行元件的保护。

(4)联合补油过滤回路这种补油回路如图4-4所示。

液压主泵1吸油口有精滤器6。

辅助泵系统回油经回油滤油器3后进入主泵1的吸口处，即主泵吸油口为两路进油：一路为吸油过滤，另一路为回油过滤，因而称为联合补油过滤回路，充分保证了补油泵进油的可靠性。

图4-4 联合补油过滤回路1.主泵2.辅助泵3.回油滤油器4.单向阀5.稳压单向阀5.吸油细滤器当滤油器3堵塞时可通过单向阀4旁通油路，防止破坏滤油器。

单向阀5保证补油泵吸口处压力稳定。

当辅助系统油缸进行换向、大小腔转换时会使回油流量发生变化，流量增加时可通过单向阀5卸压以防冲坏吸油滤油器6；若辅助泵排量大于主泵，当发动机转速增大时也会有多余流量经单向阀5排泄；流量减小时可通过吸油滤油器6补油以防吸空。

单向阀4的开启压力高于单向阀5的开启压力，两者之差即为滤油器3的最大工作压差。

这种联合补油过滤回路的最大特点为： ① 利用辅助系统的回油作为主泵进油，回油滤油器3为压力过滤方式，成本低、工作可靠； ② 以传统的吸油滤油器支路为主泵的辅助进油支路，避免了因单一回油支路流量不足产生的吸空现象；③ 与传统单一的吸油滤油器相比，由于吸油滤油器为辅助工作，因而工作寿命大大提高。