液压与气压传动9.第八章 液压系统设计

第八章液压系统设计

液压传动系统的设计是整机设计的一部分，它的任务是根据整机的用途、特点和要求，明确整机对液压系统设计的要求，进行工况分析、确定液压系统主要参数，拟定出合理的液压系统原理图，计算和选择液压元件的规格，验算液压系统的性能，绘制工作图、编制技术文件。

第一节液压系统设计的步骤

液压系统设计的步骤，随设计的实际情况、设计者的经验而各有差异，有时需要穿插进行，交叉展开。对某些比较复杂的液压系统，需要经过多次反复比较，才能最后确定。但其基本内容是一致的，其步骤为：

①明确设计要求，进行工况分析；

②拟定液压系统原理图；

③液压元件的计算和选择；

④液压系统的性能验算；

⑤绘制工作图和编制技术文件。

第二节明确设计要求、进行工况分析

一、明确设计要求

液压系统设计任务书中规定的各项要求是液压系统设计的依据，设计时必须明确：

(1）液压系统的动作要求液压传动系统应该完成的运动、运动的方式、工作循环和动作周期，以及同步、互锁和配合要求等。

（2）液压系统的性能要求负载条件，速度要求，工作行程，运动平稳性和精度，工作可靠性等。

（3）液压系统工作环境要求环境温度、湿度、尘埃、通风情况，以及易燃易爆、振动、安装空间等情况。

二、进行工况分析

液压系统工况分析是指对液压执行元件的工作情况进行分析，主要是了解工作过程中执行元件在各个工作阶段中的流量、压力和功率的变化规律，并将该规律用曲线表示出来，作为确定液压系统主要参数，拟定液压系统方案的依据。

1．运动分析

按工作要求和执行元件的运动规律，绘制执行元件的工作循环图和速度循环图。

图8-1为某组合机床动力滑台的运动分析图。其中，图8-1a为动力滑台工作循环图。图8-1b为动力滑台速度—位移（时间）曲线图。

2．负载分析

绘制执行元件的负载循环图。

图8-2为某组合机床动力滑台的负载—位移（时间）曲线图。 绘制负载循环图时，应具体分析并计算执行元件所承受的负载。 做往复直线运动的液压缸所承受的工作负载F （N ）为: F=F q +F u +Fa+F G +Fm+F b (8-1)

式中，F q 为切削负载，是指沿液压缸运动方向的切削分力，切削分力与运动方向相反为正值，相同为负值；F u 为导轨摩擦负载，它与导轨的形状、受力大小以及摩擦系数有关，对于平导轨：

F u =ƒ N (8-2) 对于V 形导轨：

F u =ƒ N/sin(α/2) (8-3)

式中，N 为作用在导轨上的正压力（N ）；α为V 形导轨的夹角；ƒ为导轨的摩擦系数，见表7-6，Fa 为惯性负载：

Fa =

g G t

v

∆∆ (8-4) G 为运动部件所受的重力（N ）； g 为重力加速度（m/s 2

）；Δv 为速度变化量（m/s ）；Δt 为启动或者制动时间（s ）；一般机械 Δt =0.1～0.5s ，行走机械 Δt =0.5～1.5s 。F G 为重力负载，垂直放置的工作部件向上移动时为正值，向下移动时为负值，水平放置的工作部件为零；Fm 为密封阻力负载，其值一密封装置的类型、液压缸的制造质量、密封装置装配状况以及液压缸的工作压力有关。常取Fm = 0.1F ，或者计入液压缸机械效率ηcm ，并取ηcm =0.9 ～0.95，F b 为背压负载，初算时暂不考虑。

表8-1 导轨摩擦系数ƒ

以上切削负载F q ，导轨摩擦负载F u ，惯性负载Fa ，重力负载F G 为外负载，密封阻力负载Fm ，背压负

载F b为内负载。

液压缸在各个工作阶段的工作负载应该分析如下：

启动时： F = （F uj±F G）/ ηcm (8-5)

加速时： F = （F ud±F G + Fa）/ ηcm （8-6）

快进时： F = （F ud±F G）/ ηcm （8-7）

工进时： F = （F q + F ud±F G）/ ηcm （8-8）

快退时： F = （F ud±F G）/ ηcm （8-9）

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，工作压力的选定决定了液压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，完成给定速度所需要的流量就大；若工作压力过高，则密封要求就高，元件的压力等级高，所以应根据实际情况选取适当的工作压力。常用类比法或者负载法选取，见表8-2和表8-3。

表8-2 各类液压设备常用系统压力 Mpa

表8-3 根据负载选择系统压力

2）确定执行元件的几何参数对于液压缸来说，它的几何参数是有效工作面积A，对于液压马达来说就是排量V。

液压缸有效工作面积A（m2）为

A = F / p (8-10)

公式中，F 为液压缸工作负载（N）；p为液压缸工作压力（pa）

这样计算出来的工作面积A可以用来确定液压缸的缸筒内径D、活塞杆直径d.

对于有低速稳定性要求的设备，还应该按液压缸所要求的最低稳定速度来验算，即

A≥qmin/υmin (8-11)

公式中，qmin为流量阀最小稳定流量，可以由产品样本查得（m3/s）;υmin为液压缸最低速度（m/s）；

3）编制液压执行元件工况图根据负载图（或者负载转矩图）和液压执行元件的有效工作面积（或

排量）就可以编制液压执行元件工况图，即压力图、流量图、功率图。图8-3为某组合机床液压缸工况图，其中图8-3a为压力图，图8-3b为流量图，图8-3c为功率图。根据工况图可以直观地、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、液压阀以及其电动机。

第三节拟定液压系统原理图

拟定液压系统原理图是液压系统设计中最重要的一环，一般的方法是：根据设备的性能要求选择合理的液压基本回路，再将基本回路组合成完成的液压系统。基本回路的性能直接影响整个液压系统的性能，应合理应用各基本回路，多考虑几个方案，进行综合分析比较。

一、液压回路的选择

(1)确定供油方式

一般根据液压系统的工作压力、流量、转速、效率、定量或者变量来选择液压泵。表8-4为液压泵种类和特性比较、表8-5为定量泵与变量泵比较。

表8-4 液压泵种类与特性