第9章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第9章液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

§9.1液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算§9.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分，它除了應(yīng)符合主機(jī)動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠，效率高，經(jīng)濟(jì)性好，使用維護(hù)方便等條件

下面對液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟予以介紹

§9.1液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.明確設(shè)計(jì)要求、工作環(huán)境，進(jìn)行工況分析液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有：運(yùn)動方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯(lián)鎖等。就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等要使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應(yīng)具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型（1）明確設(shè)計(jì)要求及工作環(huán)境

工況分析，就是查明每個(gè)執(zhí)行元件的速度和負(fù)載的變化規(guī)律，必要時(shí)還應(yīng)作出速度、負(fù)載隨時(shí)間或位移變化的曲線圖就缸而言，負(fù)載主要由六部分組成，即工作負(fù)載，導(dǎo)向摩擦負(fù)載，慣性負(fù)載，重力負(fù)載，密封負(fù)載和背壓負(fù)載（2）執(zhí)行元件的工況分析

液壓缸各個(gè)主要工作階段的機(jī)械負(fù)載F可按下列公式計(jì)算空載啟動加速階段:快速階段:工進(jìn)階段:制動減速:液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術(shù)文件。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)方案的合理性、經(jīng)濟(jì)性具有決定性的影響2.液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

（1）確定油路類型

一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進(jìn)行補(bǔ)油，并借此進(jìn)行冷卻交換來達(dá)到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路

根據(jù)各類主機(jī)的工作特點(diǎn)、負(fù)載性質(zhì)和性能要求，先確定對主機(jī)主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其它輔助回路。例如:對于機(jī)床液壓系統(tǒng),調(diào)速和速度換接回路是主要回路對于壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，調(diào)壓回路是主要回路有垂直運(yùn)動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路

1)選擇液壓回路（2）

液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)要考慮緩沖制動回路有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮順序動作、同步回路有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等

將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖2)繪制液壓系統(tǒng)原理圖

(3)液壓元件的計(jì)算和選擇

結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是指根據(jù)執(zhí)行元件工作壓力和最大流量確定執(zhí)行元件的排量或油缸面積1)執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定

建議采用的執(zhí)行元件的形式柱塞式液壓缸與齒輪/齒條或螺母/絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式

往復(fù)直線運(yùn)動

回轉(zhuǎn)運(yùn)動往復(fù)擺動短行程長行程高速低速活塞式液壓缸高速液壓馬達(dá)低速大扭矩液壓馬達(dá)高速液壓馬達(dá)帶減速器擺動液壓缸表9.1選擇執(zhí)行元件的形式

工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個(gè)系統(tǒng)的性能，工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，但對元件的強(qiáng)度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，使結(jié)構(gòu)變得龐大，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?)初選執(zhí)行元件的工作壓力

3)確定執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

以缸為例，主要結(jié)構(gòu)尺寸指缸的內(nèi)徑D和活塞桿的直徑d，計(jì)算后按系列標(biāo)準(zhǔn)值確定D和d

對有低速運(yùn)動要求的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進(jìn)行驗(yàn)算，即應(yīng)保證：

驗(yàn)算結(jié)果若不能滿足上式，則說明按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸和方案達(dá)不到所需要的最低速度，必須修改設(shè)計(jì)式中：A—液壓缸工作腔的有效工作面積

qmin—控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量

vmin—液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度4)復(fù)算執(zhí)行元件的工作壓力

當(dāng)液壓缸的主要尺寸D、d計(jì)算出來以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對工作壓力進(jìn)行一次復(fù)算在按上述方法確定的工作壓力還沒有計(jì)算回油路的背壓，所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機(jī)械總負(fù)載所需要的那部分壓力，在結(jié)構(gòu)參數(shù)D、d確定之后，取適當(dāng)?shù)谋硥汗浪阒担纯汕蟪鰣?zhí)行元件工作腔的壓力

對于單桿液壓缸，其工作壓力p可按下列公式復(fù)算

有桿腔進(jìn)油階段式中：F—液壓缸在各工作階段的最大機(jī)械總負(fù)載

A1

、A2—分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積

pb—液壓缸回油路的背壓

無桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段5)執(zhí)行元件的工況圖

即執(zhí)行元件在一個(gè)工作循環(huán)中的壓力、流量、功率對時(shí)間或位移的變化曲線圖。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，便得到整個(gè)系統(tǒng)的工況圖液壓系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個(gè)工作循環(huán)中的系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續(xù)設(shè)計(jì)步驟中選擇元件、選擇回路或修正設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù)對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略

先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格(2)選擇液壓泵式中：p—執(zhí)行元件的最高工作壓力

pl—進(jìn)油路上總的壓力損失1)液壓泵的最高供油壓力

液壓泵的最大供油量為：2)確定液壓泵的最大供油量式中：K—系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)，一般取K=1.1-1.3；

qmax—同時(shí)動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值

液壓泵的規(guī)格型號按計(jì)算值在產(chǎn)品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應(yīng)有一定的壓力儲備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%—60%。泵的額定流量則宜與相當(dāng)，不要超過太多，以免造成過大的功率損失3)選擇液壓泵的規(guī)格型號驅(qū)動泵的電機(jī)根據(jù)驅(qū)動功率和泵的轉(zhuǎn)速來選擇在整個(gè)工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時(shí)間內(nèi)皆達(dá)到最大工作值時(shí)，驅(qū)動泵的電動機(jī)功率為：4)選擇驅(qū)動液壓泵的電動機(jī)

式中：p—液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本限壓式變量葉片泵的驅(qū)動功率，可按泵的實(shí)際壓力流量特性曲線拐點(diǎn)處的功率來計(jì)算工作中泵的壓力和流量變化較大時(shí)，可分別計(jì)算出各個(gè)階段所需的驅(qū)動功率，然后求其均方根值即可

各種閥類元件的規(guī)格型號，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況提供的情況從產(chǎn)品樣本中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應(yīng)與其工作壓力和最大通過流量相接近具體選擇時(shí)，應(yīng)注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選?。涣髁块y還需考慮最小穩(wěn)定流量，以滿足低速穩(wěn)定性要求(3)選擇閥類元件

油管的規(guī)格尺寸大多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要的管道才驗(yàn)算其內(nèi)徑和壁厚對于固定式的液壓設(shè)備，常將液壓系統(tǒng)的動力源，閥類元件集中安裝在主機(jī)外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源的振動與油溫變化對主機(jī)工作精度的影響(4)選擇液壓輔助元件3.液壓系統(tǒng)技術(shù)性能的驗(yàn)算

液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)完成之后，需要對它的主要性能加以驗(yàn)算，以便評判其設(shè)計(jì)質(zhì)量，并改進(jìn)和完善液壓系統(tǒng)（1）

系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算

畫出管路裝配草圖后，即可計(jì)算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，它們的計(jì)算公式詳見《液壓流體力學(xué)》，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進(jìn)行概略地估算（2）系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗(yàn)算

液壓系統(tǒng)在工作時(shí)，有壓力損失，容積損失和機(jī)械損失，這些損耗能量的大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高從而導(dǎo)致油的粘度下降，油液變質(zhì)，機(jī)器零件變形，影響正常工作。為此，必須將溫升控制在許可范圍內(nèi)單位時(shí)間的發(fā)熱量為液壓泵的輸入功率與執(zhí)行元件的輸出功率之差

一般情況下，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)往往有好幾個(gè)階段，其平均發(fā)熱量為各個(gè)工作周期發(fā)熱量的時(shí)均值，即式中

—第個(gè)工作階段系統(tǒng)的輸入功率

—第個(gè)工作階段系統(tǒng)的輸出功率

—工作循環(huán)周期

—第個(gè)工作階段的持續(xù)時(shí)間

液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的熱量，主要經(jīng)油箱散發(fā)到空氣中去，油箱在單位時(shí)間散發(fā)熱量的可按下式計(jì)算式中:

A—油箱的散熱面積

—液壓系統(tǒng)的溫升

—油箱的散熱系數(shù)，其值可查閱液壓設(shè)計(jì)手冊系統(tǒng)的溫升為計(jì)算溫升值如果超過允許值，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施4.繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件

（1）

繪制正式工作圖

正式工作圖包括液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝配圖、液壓缸等非標(biāo)準(zhǔn)元件裝配圖及零件圖。液壓系統(tǒng)原理中