第2章 液压传动系统的设计

第2章液压传动系统的设计

液压系统的设计是整机设计

的一部分，它除了应符合主机动作

循环和静、动态性能等方面的要求

外，还应当满足结构简单、工作安

全可靠、效率高、寿命长、经济性

好、使用维护方便等条件。

液压系统的设计没有固定的

统一步骤，根据系统的繁简、借鉴

的多寡和设计人员经验的不同，在

做法上有所差异。各部分的设计有

时还要交替进行，甚至要经过多次

反复才能完成。图2.1所示为液压

系统设计的基本内容和一般流程。

2.1 明确设计要求、进

行工况分析

图2.1 液压系统设计的一般流程

2.1.1 明确设计要求

1．明确液压系统的动作和性能要求

液压系统的动作和性能要求，主要包括有：运动方式、行程和速度范围、载荷情况、运动平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁要求、工作可靠性等。

2．明确液压系统的工作环境

液压系统的工作环境，主要是指：环境温度、湿度、尘埃、是否易燃、外界冲击振动的情况以及安装空间的大小等。

2.1.2 执行元件的工况分析

对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的大小、方向及其变化规律。通常是用一个工作循环内各阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度和负载随时间（或位移）变化的曲线图（称速度循环图和负载循环图）。

在一般情况下，液压缸承受的负载由六部分组成，即工作负载、导轨摩擦负载、惯性负载、重力负载、密封负载和背压负载，前五项构成了液压缸所要克服的机械总负载。

1. 工作负载F W

不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工作的压制抗力即为工作负载。工作负载F W与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值（如顺铣加工的切削力）。工作负载可能为恒值，也可能为变值，其大小要根据具体情况进行计算，有时还要由样机实测确定。

2. 导轨摩擦负载F f

导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨型式、放置情况及运动状态有关。机床上常用平导轨和V形导轨支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式（导轨水平放置时）为：

平导轨

F f = f (

G + F N ) （2.1）

V形导轨

F f

G F

f

N

=

+

sin

α

2

（2.2）

式中f——摩擦系数，其值参考表2.1；

G ——运动部件的重力（N）；

F N ——垂直于导轨的工作负载（N）；

α—— V形导轨面的夹角，一般α=90o。

表2.1 导轨摩擦系数

导轨种类导轨材料工作状态摩擦系数

滑动导轨铸铁对铸铁

启动

低速运动

高速运动

0.16 ~ 0.2

0.1 ~ 0.22

0.05 ~ 0.08

滚动导轨铸铁导轨对滚动体

淬火钢导轨对滚动体0.005 ~ 0.02 0.003 ~ 0.006

静压导轨铸铁对铸铁0.000 5

3. 惯性负载F a

惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即

F m a G

g t

α

υ

==

∆

∆

（2.3）

式中g——重力加速度（m/s2）；

∆υ——∆t时间内的速度变化值（m/s）；

∆t——启动、制动或速度转换时间（s）。可取∆t=（0.01 ~ 0.5）s，轻载低速时取较小值；重载高速时取较大值。

4. 重力负载F g

重力负载是指垂直或倾斜放置的运动部件在没有平衡的情况下，其自身质量造成的一种

负载力。倾斜放置时，只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正值，反之取负值。

5. 密封负载F s

密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，F s 的计算公式详见有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数，F s 无法计算，一般用液压缸的机械效率ηm 加以考虑，常取ηm = 0.90 ~ 0.97。 6. 背压负载F b

背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前，F b 也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。

液压缸各个主要工作阶段的机械总负载F 可根据实际受力进行分析，通常按下列公式计算：

启动加速阶段

m g a f F F F F η)(±+= （2.4）

快速阶段

()m

g f F F F η/±= （2.5）

工进阶段

()f W g m F F F F η=±± （2.6）

制动减速阶段

()m g a w f F F F F F η/±-±= （2.7）

以液压马达为执行元件时，负载值的计算类同于液压缸。

2.2 执行元件主要参数的确定

主要参数的确定是指确定液压执行元件的工作压力和主要结构尺寸，主要参数确定的主要依据是执行意见的工况分析（即负载循环图和速度循环图）。液压系统采用的执行元件型式可视主机所要实现的运动种类和性质而定，见表2.2。

表2.2 选择执行元件的型式

运动形式

往复直线运动

回 转 运 动

往复摆动

短行程

长 行 程

高 速

低 速

建议采用的

执行元件形式 活塞缸 柱塞缸

液压马达与齿轮齿条机构 液压马达与丝杆螺母机构 高速液压马达

低速液压马达

高速液压马达与减速机构

齿条油缸与

齿轮 摆动马达