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
表8-5 定量泵与变量泵比较
(2)确定调速方法
选择调速方法时，除了满足工艺上提出的速度要求外，还应考虑液压系统的功率、调速范围、速度刚性、温升、经济性等要求，表8-6为各种调速方法的应用比较。

表8-6调速方法的应用比较
(3)速度换接回路选择
速度换接回路的形式常用行程阀或者电磁阀来实现。

表8-7为采用行程阀或者电磁阀回路的比较。

(4)换向回路选择
根据执行元件对换向性能要求，选择换向阀机能和控制方式，表8-8为换向阀控制方式的比较。

表8-7 行程阀和电磁阀回路的比较
表8-8 换向阀控制方式比较
(5)压力控制回路选择
节流调速中，常用溢流阀组成恒压控制回路。

容积调速和容积节流调速中，常用溢流阀组成限压安全保护回路。

(6)其他回路的设置
根据液压系统要求，可以设置卸荷回路、减压回路、增压回路、多级调压回路、远程调压回路、顺序动作回路、同步回路等等。

二、基本回路组合成液压系统
液压基本回路确定之后，即可综合成完整的液压系统，在综合过程中应该注意以下几点：
1）综合成的液压系统应该保证其循环时的每一个动作都安全可靠、相互间互不干涉。

2）综合成的液压系统应该尽量选用标准元件，力求做到系统结构简单。

3）尽可能使液压系统经济合理，便于维修检测。

第四节液压元件的计算和选择
初步拟定液压系统原理图后，便可以进行液压元件的计算和选择，也就是通过计算各液压元件在工作中承受的压力和通过的流量，来确定各元件的规格和型号。

一、液压泵的选择
先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型（已确定），然后根据液压泵的最高供油压力和最大供油量来选择液压泵的规格。

1．确定液压泵的最高工作压力p p
执行元件最大工作压力Pmax的出现有两种情况：其一是执行元件在运动行程终了，停止运动时（如液压机、夹紧缸）出现；其二是执行元件在运动过程中（如机床、提升机）出现。

确定液压泵的最高工作压力p p，就应该分别对待：
对于第一种情况： p p ≥ Pmax （8-12）
对于第二种情况： p p ≥ Pmax + ∑ΔP （8-13）
公式中，Pmax为执行元件的最大工作压力，∑ΔP 为管路总压力损失。

初步估算时，一般节流调速和管路简单的系统取∑ΔP =0.2～0.5Mpa ；有调速阀和管路比较复杂的系统取∑ΔP = 0.5～1.5Mpa。

2．确定液压泵的最大供油量q p
q p≥KΣq max (8-14)
公式中，K 为系统泄漏系数，一般取K =1.1～1.3 ；Σq max 为同时工作的执行元件流量之和和最大值。

对于节流调速系统，如果最大供油量出现在调速时，尚需加溢流阀的最小溢流量0.05m/s3,来保持溢流阀溢流稳压状况。

3．选择液压泵规格
1）液压泵的额定压力p n
p n ≥ (1.25 ～ 1.6)p p (8-15)
以保证液压泵安全可靠和有一定的压力储备。

2）液压泵额定流量q n
q n ≥q p (8-16)
4．确定液压泵驱动功率
1）使用定量泵时p n (W)
p n≥ pq/ηp (8-17)
公式中，p为液压泵的工作压力(Pa)；q为液压泵流量（m/s3）；ηp为液压泵的总效率。

2）使用限压式变量泵时p n (W)（按最大功率点估算）
p n≥ p B q B/ηp (8-18)
式中，p B为限压式变量泵拐点压力(Pa)；q B为限压式变量泵拐点流量（m/s3）；ηp为液压泵的总效率。

二、液压阀的选择
液压泵的规格型号确定之后，参照液压系统原理图可以估算出各控制阀承受的最大工作压力和实际最大流量，查产品样本确定阀的型号规格。

一般要求选定的阀类元件的公称压力和流量大于系统最高工作压力和通过该阀的实际最大流量，但不超过20%，流量阀按系统中流量调节范围来选取，其最小稳定流量应该能满足执行元件最低稳定速度的要求。

三、液压辅助元件选择
根据液压系统对各辅助元件的要求，按第四章内容进行选择。

第五节液压系统的性能验算
一、液压系统压力损失的验算
前面已经初步确定了管路的总压力损失∑ΔP，当时由于系统还没有完全设计完毕，管道的设置也没有确定，因此只是粗略估算。

当液压系统的元件型号、管路布置等确定后，需要验算管路的总压力损失∑ΔP，看其是否与初步确
定值相符，并可借此比较准确的确定泵的工作压力，比较准确的调节变量泵或者压力阀的调整压力，保证系统的工作性能，若计算结果与初步确定值相差比较大的时候，则可对原设计进行修正。

1．管路压力损失计算
管路内的压力损失包括沿程损失ΔPλ、局部损失ΔPξ1、阀类元件的局部损失ΔPξ2即∑ΔP = ΔPλ +ΔPξ1 +ΔPξ2公式中的ΔPλ、ΔPξ1、ΔPξ2可以按照第一章中有关公式和数据进行计算。

实用中：管路计算简单而且短时，ΔPλ、ΔPξ1这些数值比较小，常省略不计，当管路比较长时应计算。

计算时先进行流态判断，以确定流态为层流，再用经验公式计算ΔPλ（Mpa）
ΔPλ= 80υql/d4（8-19）
式中，υ为油液粘度（cm2/s）；q 为通过管路的流量（L/min）；l为油管长度（m）；d 为油管内径（mm）；
ΔPξ 1 = （0.05～0.1）ΔPλ（8-20）
ΔPξ 2 =ΔP n（q/q n）2（8-21）
式中，ΔP n为阀的额定压力损失（Mpa），q n为阀的额定流量（L/min），q 为阀的实际通过流量（L/min），ΔP n、q n的值从产品目录中查阅。

液压回路（包括进油路和回油路）中的压力损失在计算时都必须折算到进油路上，这样便于确定系统的供油压力。

因而进油路和回油路的压力损失应该分别计算，然后在折算。

液压系统在不同工作阶段的压力损失是不相同的，因而必须对各种不同工作阶段的压力损失应该分别计算。

2．压力阀的调整压力
1）定量泵节流调速系统中溢流调整压力，按工进时泵的工作压力P P调整。

2）双联泵供油系统，溢流阀调整压力同上，卸荷阀（液体顺序阀）按高于快进、快退时泵工作压力（P P）0.5～0.8 Mpa调整。

3）减压阀、背压阀、顺序阀按实际工作需要调整。

二、液压系统发热温升的验算
液压系统在工作时有压力损失、机械效率、容积效率，这些大都转变为热能，使系统发热，油温升高，产生不良后果、影响正常工作。

为此必须控制油液温升ΔT在许可范围内。

如果机床系统温升ΔT≤25～30℃，工程机械ΔT≤35～40℃。

精密机床的温升ΔT≤10～15℃。

液压系统中产生热量的元件很多，散热的元件主要是油箱，在达到热平衡时控制温升，必须验算。

1．发热量计算
功率损失转换为热量，因此系统单位时间内的发热量为
Φ = P m– P Z=P M（1-η）（8-22）
公式中，P m液压泵输入功率（kW），P Z为液压执行元件输出功率（kW），η为液压系统总效率，它等于液压泵效率ηP、回路效率ηL，液压执行元件效率ηC的乘积，即η=ηPηLηC
2．油箱单位时间散热量计算
Φ′=CrAΔT （8-23）
公式中，Cr 为油箱散热系数（kW/m2·C），取Cr=（15～18）×10-3；A为油箱散热面积（m2），ΔT油液温升（℃）。

3．达到热平衡时的温升
ΔT=Φ/C T A （8-24）
计算所得温升大于允许温升时，可以采取增大油箱散热面积或者增设冷却装置。

第六节绘制工作图和编制技术文件
一、绘制工作图
1．液压系统原理图
应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的型号和压力阀、流量阀的调整值，画出执行元件工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态表。

2．液压系统装配图
液压系统装配图包括泵站装配图、集成油路装配图、管路安装图。

3．非标准件的装配图和零件图。

二、编写技术文件
技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压系统原理图，液压系统工作原理说明和操作使用以及维护说明书，部件目录表，标准件、通用件以及外购汇总表等。

第七节液压CAD技术简介
计算机在液压技术领域的应用已正日益发展，从液压产品的设计、制造、测试和性能仿真，到液压设备的计算机控制等，所涉及的范围越来越大，下面简单介绍一下液压系统计算机辅助设计（液压CAD）
一、液压CAD的内容
目前，液压系统计算机辅助设计主要包括以下几个方面的内容：
（1）液压系统原理图CAD，它包括液压系统的设计、计算和元件的选择，能得出液压系统原理图和元件明细表及各种相关数据。

（2）液压专用件CAD，它包括专用的液压缸、液压阀、集成阀快、油箱等元件和装置的设计计算以及
工作图的绘制。

（3）液压系统安装图CAD，它包括设计和绘制两维或者三维的液压系统管路安装图，编制元件明细表等。

（4）液压系统的性能分析CAD，它包括静态特性分析和动态特性分析与预测。

静态特性分析是通过对系统的负载特性、压力损失、系统发热与温升和系统效率的验算，反复修改参数，优化设计；动态性能分析和预测是根据前面设计好的液压系统建立起来的数学模型，进行稳定性分析或动态响应数字仿真，通过数据或图形曲线显示其结果。

并可反复修改系统参数，直到获得满意的结果为止。

二、液压CAD系统的组成
采用液压系统计算机辅助设计，应具备相应的硬件和软件，硬件就是拥有一套具有足够储存空间和较强的图形处理与显示输出能力的普通微型计算机。

它包括执行运算与图形处理的中央处理器（CPU）和存储器、软盘驱动器、彩色显示器、绘图机等。

软件包括除计算机系统软件（操作系统等）外，还应有专用的液压系统设计软件包——液压CAD。

它是在通用绘图工具软件包二次应用开发的基础上构成的。

CAD系统的功效在很大程度上取决于软件的水平，目前一般液压CAD软件主要组成如下：
1．图形库
图形库是参考国家标准和国内重要液压元件生产厂家标准，通过对液压原理图、装配图的构图分析，在液压CAD软件系统中，建立一整套完整的图形库支撑软件，以解决液压CAD中对图形输入输出的要求。

图形库中含有各种液压元件的图形符号，常用液压回路块符号、各种通用液压集成块符号、各种通用叠加阀符号、插装阀符号，各类通用液压元件外形图和通用油箱外形图等。

2．数据库
进行液压系统的计算机辅助设计，需要利用数据库技术，将设计时所需要的各种数据、标准以及其他设计资料、信息和中间设计结果等存入数据库中，以供设计人员使用。

数据库中含有各种图形的有关数据（如基点准、所占位置尺寸等），各类通用元件的结构和性能参数，设计计算所需的各种数据等。

3．程序库
程序库中含有各类设计计算公式和完成液压系统CAD各项功能的程序等。

总之，我国液压CAD/CAM的研究与开发虽然起步较晚，但进展很快，随着软件系统的不断开发和完善，CAD在液压技术中的应用必将越来越广泛和深入，在生产设计中发挥越来越大的作用。

第八节液压系统设计计算举例(自学)
小结
1．换向回路可以采用各种操纵方向的换向阀换向，对于单作用缸可采用二位三通阀实现换向，对于双作用缸可采用二位(或三位)四通(或五通)阀换向，三位阀能使执行元件在任意位置停留。

2．采用电液换向阀时，要注意维持控制油压力。

3．卸荷的方法有压力卸荷和流量卸荷，对于定量泵常用压力卸荷，对于变量泵常用流量卸荷。

4．调速回路包括节流调速、容积调速和容积节流调速三种方式。

节流调速有进油路、回油路和旁油路调速，它们的共同缺点是速度负载特性软，功率损失大，为了提高速度平稳性，可以用调速阀代替节流阀。

容积调速也有三种形式，它们的损失小，但低速稳定性差。

容积节流调速综合容积和节流调速的优点。

5．快速回路的目的是提高生产率，常用的快速回路有双泵供油和液压缸差动连接等多种回路
6．速度换接常用的是采用行程阀和电磁阀控制，电磁阀安装、连接方便，动作迅速，但换接的平稳性差，行程阀安装、连接麻烦，但换接的平稳性好。

7．常用的实现顺序动作的控制方式有压力控制和行程控制。

8．液压传动系统的分析要从设备的功能要求入手，从子系统到基本回路再到具体元件，逐步深步。

9．液压系统的设计是整机设计的一部分,要根据整机的用途、特点和要求,明确设计要求。

10．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。

11．液压系统设计的一般步骤是：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。