9 液压系统设计与计算

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2 工况分析 执行元件负载分析与运动分析 1）运动行程，工况要求；
2）负载分析：工作负载、惯性负载、摩擦负载和背压负
载等；
3）运动（速度）分析：运动速度（快）、工进速度、速
度差； 4）分析方面：工况图。
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选择方案 确定参数
第一节 液压系统设计步骤和方法
第二节液压系统设计计算实例
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第一节 液压系统设计步骤和方法
设计任务
1 系统原理图 2 元件明细表 3 系统计算书 4 非标准件结构设计
1）油缸参数设计
2）阀板设计
3）油箱及泵装置设计
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设计步骤 1、明确要求 2、选择方案 3、拟定草图 4、系统验算 工况分析 确定参数 选择元件 元件参数调节
要是执行元件的参数确定。
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1）系统的压力
p缸可用初步选取的方法；可参考同类设备选取，也可根
据系统最大负载选取。 2）缸的直径 由结构分析确定缸工作腔和缸的形式。按选取的压力可 以确定缸直径： 例：无杆腔工作，以传力为主时 以运动为主时要考虑 D 的选取情况 但 d、D 确定后要圆整为整数。
1 选择回路
根据动作（速度或压力）要求及其他各项要求，选
择合适的液压基本回路。
2 拟定草图 将上述回路合并拟合后形成系统图，在拟合时注意： 减少元件重复，防止干扰，分析性能，保证效率，发热 少。
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动力源计算
1 液压泵选择
选择元件
泵类型按工况要求及经济性选择
q p k( q缸动 )(k 1.1~1.3 )
调整压力。
λ
Δpξ Δpv
验算后确定泵规格是否合适，然后确定各压力阀
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2 系统发热验算 按系统散热计算发热是
N ij
Hi =Pi -PO =Pi (1-η)
0j
Hi
(P P
j 1
)t j
t
j 1
N
j
按油箱面积计算油箱散热是H0
H0 = kA0t
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3 拟定液压系统图
1）选择基本回路
（1）调速回路 因为液压系统功率较小，且只有正值负载，所以选用进 油节流调速回路。为有较好的低速平稳性和速度负载特性， 可选用调速阀调速，并在液压缸回路上设置背压。 （2）泵供油回路 由于系统最大流量与最小流量比为156，且在整个工作循
5、结构设计
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编写技术文件
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明确要求 工况分析
1 设计要求
1）主机中对液压系统要求（动作）；
2）主机运动对液压系统运动要求；调速、平稳性、温
升、效率、自动化程度；
3）主机各运动间关联要求；互锁、同步、连锁、顺序 等要求； 4）主机工作环境、温度、湿度、经济性和外观尺寸。
2）速度分析
由快进、快退速度为 6m/min，工进速度范围 20mm/min-120 mm/min，按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图（略）。
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表：液压缸在各工作阶段的负载值
工作循环 起动加速
计算公式 F=(Ff+Fa)/ηm
负载f（N） 3289
快
工 快
回油腔背压p2取0.6MPa，而液压缸快退时背压取0.5MPa。
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由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程 p1A1= p2A2+F ， 可得： A1 = F/（p1－0.5p2）
=35511/（4×106－0.5×0.6×106）cm2 ≈96cm2
液压缸内径 D 就为：D=11.06cm 对D圆整，取D=110mm。由d=0.707D，经圆整得：d=80mm。 计算出液压缸的有效工作面积 A1=95cm2，A2=44.77cm2。 工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量：
液压系统设计是整机设计的重要
教学要求 重点难点 本章目录
组成部分，是实现整个系统液压控制
部分的关键。设计主要包括液压系统
工况分析和系统的确定、液压系统参 数的确定、液压系统图的拟定、液压 元件的计算和选取等。
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教学要求
掌握液压系统设计步骤与计算方法；
能够使用液压手册及相应参数表选取参数；
设置压力表开关及压力表。
合并后完整的液压系统如图所示。
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4 液压元件的选择
1）液压泵及驱动电机功率的确定
（1）液压泵的工作压力
已知液压缸最大工作压力为4.02MPa，取进油路上压力损
失为1MPa，则小流量泵最高工作压力为5.02MPa，选择泵的额
qp = Kq1max = 1.2×0.5×10-3 m3/s = 36 L/min 由于工进时所需要的最大流量是0.31×10-5 m3/s，溢流阀 最小稳定流量为0.05×10-3 m3/s，小流量泵最小流量为： qp1 = Kq1 + 0.05×10-3 m3/s = 3.22 L/min （3）确定液压泵规格 对照产品样本可选用 YB1-40/6.3双联叶片泵，额定转速 960r/min，容积效率ηv=0.9，大小泵额定流量分别为 34.56 和 5.43L/min，满足以上要求。
1 选择方案 根据系统对动作的要求及负载的性质（输出力或 转矩），确定执行元件种类及工作形式，从而确定执
行元件的工作状态，为参数确定提供依据。
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2 确定参数 系统参数主要是压力和流量，这是系统计算、元 件选择、系统验算的依据。而无论哪种参数均以保证 执行元件输出工况需要为前提的，因此，参数确定主
经计算其输入功率为557W。 大流量泵经外控顺序阀卸荷，其工作压力等于阀上的局 部压力损失数值pv。阀额定流量为63L/min，额定压力损失 为0.3MPa，大流量泵流量为33.84L/min，则： pv =0.3×106×
33.84 44 .77 5.33 / 95 63 2
定压力应为pn=5.02+5.02×25%=6.27MPa。大流量泵在液压缸 快退时工作压力较高，取液压缸快退时进油路上压力损失为 0.4MPa，则大流量泵的最高工作压力为 1.79+0.4=2.19MPa， 卸荷阀的调整压力应高于此值。
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（2）液压泵流量
取系统的泄漏系数 K=1.2，则泵的最大供油量为：
p p p缸 Δp1( 0.2~ 0.5或 0.5~1.5MPa)
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2 阀选择
按阀实际承载的压力和实际通过的流量来选择阀的规格； 按阀的动作要求和性能要求选择阀的种类。 3 油箱容量确定 按泵每分钟流量选择油箱容量： 一般V≥q泵a a取值 低压系统：2-4 中压系统：5-7 高压系统：6-12
停止和差动连接，采用三位五通阀。 （5）压力控制回路 系统在工作状态时高压小流量泵的工作压力由溢流阀调整， 同时用外控顺序阀实现低压大流量泵卸荷。
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2）回路合成
对选定的基本回路在合成时，有必要进行整理、修改和
归并。具体方法为： 防止工作进给时液压缸进油路、回油路相通，接入单向阀7。 要实现差动快进，必须在回油路上设置液控顺序阀9，以阻止 油液流回油箱。此阀通过位置调整后与低压大流量泵的卸荷 阀合二为一。 为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱，增设单向阀。
能够根据工况要求选取合适的液压元件；
能够根据系统工况要求设计出简单的液压系统，
并绘制出合理的液压回路图。
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重点难点
液压系统设计步骤与计算方法；
选取相应参数及合适的液压元件；
设计简单的液压系统，绘制出合理的
液压回路图。
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Fra Baidu bibliotek
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轨，其摩擦系数 f=0.1。
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1 工况分析
1）负载分析
由工作负载 Fw =30kN，重力负载 FG=0，按启动换向时间和运
动部件重量（F· t=m(v2-v1)）计算得到惯性负载 Fa=1000N，摩擦
阻力 Ff=1960N。 取液压缸机械效率ηm=0.9，则液压缸工作阶段的负载值见表。
环过程中的绝大部分时间里泵在高压小流量状态下工作，为
此应用双联泵（或限压式变量泵），以节省能源提高效率。
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（3）速度换接回路和快速回路 由于快进速度与工进速度相差很大，为了换接平稳，选用 行程阀控制的换接回路。快速运动通过差动回路来实现。 （4）换向回路
为了换向平稳，选用电液换向阀。为便于实现液压缸中位
进
进 退
F= Ff/ηm
F=(Ff+ Fw)/ηm F=Ff/ηm
2178
35511 2178
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2 确定参数
1）初选液压缸的工作压力
由最大负载值查教材中表9-3，取液压缸工作压力4MPa。
2）计算液压缸结构参数
为使液压缸快进与快退速度相等，选用单出杆活塞缸差 动连接的方式实现快进，设液压缸两有效面积为 A1和A2，且 A1=2A2，即 d=0.707D。为防止钻通时发生前冲现象，液压缸
Pa=0.1×106 Pa
大流量泵的输入功率经计算为70.5W。
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液压缸的最小有效功率为
Po = FV =（30000+1960）×0.02/60W = 10.7 W 系统单位时间内的发热量为 Hi = Pi－Po = 557+70.5-10.7 = 616.8W 当油箱的高、宽、长比例在1：1：1到1：2：3范围内，且
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2）元件、辅件选择
根据实际工作压力以及流量大小即可选择液压元、辅
件（略）。油箱容积取液压泵流量的6倍，管道由元件连接
尺寸来确定。
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5 系统油液温升验算
系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段，所以可按 工作状态来计算温升。
小流量泵工作状态压力为5.02MPa，流量为5.33L/min，
验算：H0≥Hi -合适
(k为散热系数）
H0<Hi -重新设计
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第二节 液压系统设计计算实例
例：设计一台卧式单面钻镗两用组合机床，其工作循 环是：快进 - 工进 - 快退 - 原位停止；工作时最大轴 向力为 30kN，运动部件重为19.6kN；快进、快退速度为 6m/min，工进速度为 0.02-0.12m/min；最大行程400mm， 其中工进行程 200mm；起动换向时间t=0.2s；采用平导
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（4）确定液压泵驱动功率
液压泵在快退阶段功率最大，取液压缸进油路上压力损失
为 0.5MPa，则液压泵输出压力为 2.05MPa。液压泵的总效率 ηp=0.8，液压泵流量40L/min，则液压泵所需的功率为： P = ppqp/ηp = 2.05×106×40×10-3 W = 1708 W 据此选用 Y112M-6-B5立式电动机，其额定功率为2.2kW， 转速940r/min，液压泵输出流量为33.84L/min、5.33L/min， 仍能满足系统要求。
qmin=0.05L/min，设计要求最低工进速度
vmin=20mm/min，经验算可知满足教材中式（9-1）要求。
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3）计算液压缸在工作循环各阶段压力、流量和功率
差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔压力，取两腔间回 路及阀的压力损失为 0.5MPa，则 p2= p1+0.5MPa。计算结果 见教材表9-5。 由教材中9-5表即可画出液压缸的工况图（略）。
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4 油管及管接头 油管按内径和壁厚选择：
v：吸油
压油
0.5-1.5m/s
1.5-5m/s
q d 2 v
回油
1.5-2.5m/s
pd 2[ ]
管型按承压情况选择 接头按管型选择
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系统验算
1 压力损失验算
Δp Δp
F π 2 D 4 P缸
4F D pπ
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3）马达排量
2 πTx Vm pηm
4）缸（马达）流量 缸： qx≥A vmin 马达： qx≥V nmin
qx≤Avmax qx≤Vnmax
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拟定系统草图，选择基本回路