液壓與氣壓傳動8

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院液壓與氣壓傳動Chapter8系統(tǒng)設(shè)計與計算本章主要內(nèi)容：

8.1

概述

8.2

液壓系統(tǒng)設(shè)計與計算

8.3

液壓系統(tǒng)設(shè)計計算舉例

8.4

氣動程序控制系統(tǒng)設(shè)計

第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院液壓與氣壓傳動目的任務(wù):

重點難點:

第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算學(xué)習(xí)典型液氣壓系統(tǒng)設(shè)計實例；掌握液氣壓系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟、注意事項、設(shè)計計算方法；了解可編程序控制器在氣動系統(tǒng)中的應(yīng)用。多氣缸單往復(fù)程序控制系統(tǒng)的設(shè)計；信號——動作（X-D）狀態(tài)線圖的畫法；根據(jù)X-D狀態(tài)線圖判別障礙信號并消除之；多氣缸多往復(fù)程序控制系統(tǒng)的設(shè)計；氣動系統(tǒng)中的常用電氣電路。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.1

概述

液壓與氣動系統(tǒng)有傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之分，這里所說的系統(tǒng)設(shè)計則是指傳動系統(tǒng)的設(shè)計。

從結(jié)構(gòu)組成或工作原理上看：傳動系統(tǒng)：以傳遞動力為主，追求傳動特性的完善，其執(zhí)行元件用來驅(qū)動主機的某個部件?？刂葡到y(tǒng)：以實施控制為主，追求控制特性的完善，其執(zhí)行元件用來驅(qū)動某個控制元件的操縱裝置（例如液壓泵、液壓馬達的變量機構(gòu)、控制閥的閥心等）。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動要求：系統(tǒng)的設(shè)計除應(yīng)滿足主機要求的功能和性能外，還必須符合質(zhì)量輕、體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便等一般要求及工作可靠這一特別重要的要求。出發(fā)點：可以是充分發(fā)揮其組成元件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的絕對可靠。前者著眼于效能，后者著眼于安全；實際的設(shè)計工作則常常是這兩觀點不同程度的組合，視具體要求不同而有所側(cè)重。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2

液壓系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計與主機的設(shè)計是緊密聯(lián)系的，兩者往往同時進行，相互協(xié)調(diào)。

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計迄今仍沒有一個公認(rèn)的統(tǒng)一步驟，常常隨著系統(tǒng)的繁簡、借鑒的多寡、設(shè)計人員經(jīng)驗的不同而在具體做法上有所差異。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動圖8-1液壓傳動系統(tǒng)的一般設(shè)計流程實際設(shè)計工作中，大體上可按圖8-1所示的內(nèi)容和流程來進行。這里除了最后一項外全部屬于性能設(shè)計的范圍。這些步驟是相互關(guān)聯(lián)的，常須穿插進行，并經(jīng)反復(fù)修改才能逐步完成。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.1

液壓系統(tǒng)使用要求和負載特性分析1.液壓系統(tǒng)使用要求

主機對液壓系統(tǒng)的使用要求是設(shè)計液壓傳動系統(tǒng)的依據(jù)。因此設(shè)計開始，首先必須搞清下列問題：（1）主機概況1）主機的用途、總體布局、主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)與性能要求。2）主機對液壓裝置在位置布置和空間尺寸以及質(zhì)量上的限制。3）主機的工藝流程或工作循環(huán)、作業(yè)環(huán)境等。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動（2）液壓系統(tǒng)的任務(wù)與要求

1）液壓系統(tǒng)應(yīng)完成的動作，液壓執(zhí)行元件的運動方式（移動、轉(zhuǎn)動或擺動）及其工作范圍。2）液壓執(zhí)行元件的負載大小及負載性質(zhì)，運動速度的大小及其變化范圍。3）液壓執(zhí)行元件的動作順序及聯(lián)鎖關(guān)系，各動作的同步要求及同步精度。4）對液壓系統(tǒng)工作性能的要求，如運動平穩(wěn)性、定位精度、轉(zhuǎn)換精度、自動化程度、工作效率、溫升、振動、沖擊與噪聲、安全性與可靠性等。5）對液壓系統(tǒng)的工作方式及控制方式的要求。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動（3）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境與條件

1）周圍介質(zhì)、環(huán)境溫度、濕度大小、風(fēng)砂與塵埃情況、外界沖擊振動等。2）防火與防爆要求。（4）經(jīng)濟性與成本等方面的要求

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.負載特性分析

負載特性分析是擬定液壓系統(tǒng)方案、選擇或設(shè)計液壓元件的依據(jù)。包括：動力參數(shù)分析和運動參數(shù)分析兩部分。

液壓系統(tǒng)承受的負載可由主機的規(guī)格規(guī)定，可由樣機通過實驗測定，也可以由理論分析確定。當(dāng)用理論分析確定系統(tǒng)的實際負載時，必須仔細考慮它所有的組成項目，例如：工作負載（切削力、擠壓力、彈性塑性變形抗力、質(zhì)量等）、慣性負載和阻力負載（摩擦力、背壓力）等。此外必須注意負載的性質(zhì)：是單向負載還是雙向負載，是恒定負載還是變化負載；是否存在負值負載，是否有與液壓缸軸線不重合的負載。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，尤其是有多個液壓執(zhí)行元件同時動作的系統(tǒng)，通過動力參數(shù)分析，繪制出如圖8-2a所示的負載圖，以確定系統(tǒng)工作壓力；通過運動參數(shù)分析，繪制出如圖8-2b所示的速度圖，以選定系統(tǒng)所需流量。圖8-2

液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的負載圖和速度圖a）負載圖b）速度圖同時，根據(jù)系統(tǒng)負載圖和速度圖，可以繪制出液壓系統(tǒng)的功率圖，從中確定液壓系統(tǒng)所需的功率。設(shè)計簡單的液壓系統(tǒng)時，負載圖和速度圖均可省略不畫。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動1.動力參數(shù)分析動力參數(shù)分析就是通過計算確定各液壓執(zhí)行元件的載荷大小和方向，并分析各執(zhí)行元件在工作過程中可能產(chǎn)生的沖擊、振動及過載等情況。液壓缸的外負載力F和液壓馬達的外負載轉(zhuǎn)矩T可按表8-1計算。根據(jù)計算所得的外負載就可繪制出上述負載圖。2.運動參數(shù)分析運動參數(shù)分析就是研究主機依據(jù)工藝要求應(yīng)以何種運動規(guī)律完成一個工作循環(huán)，即研究運動的形式（是平移、回轉(zhuǎn)或擺動）、運動的速度大小和變化范圍、運動行程長短、運動變化規(guī)律（循環(huán)過程與周期）等。依據(jù)這些分析就可作出上述速度圖。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-1液壓缸的外負載力F及液壓馬達的外負載轉(zhuǎn)矩T計算公式±Fg+Fnfd+±Tg+Fnfdr+±Fg+Fnfd+m±Fg+Fnfd-m±Tg+Fnfdr-工況F/N、T/（N·m）備注起動Fg、Tg——外負載，其前負號指負值負截Fn——法向力

r——回轉(zhuǎn)半徑fs、fd——分別為外負載與支承面間的靜、動摩擦因數(shù)，表8-2m、I——分別為運動部件的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量Δv、Δω——分別為運動部件的速度、角速度變化量Δt——加速或減速時間，一般機械Δt=0.1~0.5s磨床取Δt=0.01~0.05s行走機械Δv/Δt=0.5~1.5m/s2B＇、B——粘性阻尼系數(shù)v、ω——分別為運動部件的速度及角速度k——彈性元件的剛度kg——彈性元件的扭轉(zhuǎn)剛度S——彈性元件的線位移θ——彈性元件的角位移Fb——回油背壓阻力，F(xiàn)b=p2A，p2為背壓壓力見表8-3Tb——排油腔的背壓轉(zhuǎn)矩，Tb=pbV/(2π),其中V為液壓馬達排量，為背壓壓力，見表8-3±Tg±Fnfsr+Bω±kgθ加速勻速±Tg+Fnfdr+Bω+kgθ+Tb制動SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.2

液壓系統(tǒng)方案設(shè)計液壓系統(tǒng)方案設(shè)計：根據(jù)主機的工作情況、主機對液壓系統(tǒng)的技術(shù)要求、液壓系統(tǒng)的工作條件和環(huán)境條件以及成本、經(jīng)濟性、供貨情況等諸多因素，進行全面、綜合的設(shè)計，從而擬定出一個各方面比較合理的、可實現(xiàn)的液壓系統(tǒng)的方案。

內(nèi)容包括：執(zhí)行元件形式的分析與選擇油路循環(huán)方式的分析與選擇油源類型的分析與選擇液壓回路的分析、選擇與合并SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-2摩擦因數(shù)導(dǎo)軌類型導(dǎo)軌材料運動狀態(tài)摩擦因數(shù)滑動導(dǎo)軌鑄鐵對鑄鐵起動時低速（v<0.16m/s）高速（v>0.16m/s）0.15~0.20.1~0.120.05~0.08滾動導(dǎo)軌鑄鐵對滾柱（珠）淬火鋼導(dǎo)軌對滾柱0.005~0.020.003~0.006靜壓導(dǎo)軌鑄鐵0.0005表8-3背壓壓力系統(tǒng)類型背壓壓力/MPa系統(tǒng)類型背壓壓力/MPa中低壓系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.2~0.5采用輔助泵補油的閉式油路系統(tǒng)1~1.5回油路帶調(diào)速閥或背壓閥的系統(tǒng)0.5~1.5采用多路閥的復(fù)雜的中高壓系統(tǒng)（工程機械）1.2~3SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動1.執(zhí)行元件形式的分析與選擇液壓系統(tǒng)采用的執(zhí)行元件的形式，視主機所要實現(xiàn)的運動種類和性質(zhì)而定，可按表8-4來選擇。表8-4液壓執(zhí)行元件形式的選擇運動形式執(zhí)行元件特點適用場合往復(fù)直線運動短行程雙活塞桿液壓缸雙向?qū)ΨQ雙向工作的往復(fù)運動單活塞桿液壓缸有效工作面積大、雙向不對稱往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進，A1=2A2往返速度相等長行程柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單單向工作，靠重力或其他外力返回，長行程直線運動液壓馬達與齒輪齒條液壓馬達與絲桿螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜雙向工作的往復(fù)運動，長行程直線運動SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動運動形式執(zhí)行元件特點適用場合旋轉(zhuǎn)運動高速齒輪馬達結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜高轉(zhuǎn)速，低扭矩的旋轉(zhuǎn)運動葉片馬達體積小，轉(zhuǎn)動慣量小高速低扭矩，動作靈敏的旋轉(zhuǎn)運動低速擺線齒輪馬達體積小，輸出轉(zhuǎn)矩大低速、小功率、大扭矩的旋轉(zhuǎn)運動軸向柱塞馬達運動平衡、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大扭矩旋轉(zhuǎn)運動徑向柱塞馬達轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大低速大扭矩旋轉(zhuǎn)運動高速馬達與減速機構(gòu)轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩與減速比有關(guān)低速旋轉(zhuǎn)運動往復(fù)擺動擺動馬達單葉片式轉(zhuǎn)角小于300°雙葉片式轉(zhuǎn)角小于150°小于300°的擺動運動小于150°的擺動運動注：A1—無桿腔活塞面積；A2—有桿腔活塞面積。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.油路循環(huán)方式的分析與選擇

液壓系統(tǒng)油路循環(huán)方式為開式和閉式兩種，它們各自的特點及其相互比較見表8-5。表8-5開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)的比較內(nèi)容開式系統(tǒng)閉式系統(tǒng)散熱條件較方便，但油箱較大較復(fù)雜，須用輔助泵換油冷卻抗污染性較差，但可采用壓力油箱或油箱呼吸器來改善較好，但油液過濾要求較高系統(tǒng)效率管路壓力損失較大，用節(jié)流調(diào)速時效率低管路壓力損失較小，容積調(diào)速時效率較高限速、制動形式用平衡閥進行能耗限速，用制動閥進行能耗制動，引起油液發(fā)熱液壓泵由電動機驅(qū)動時，限速及制動過程中驅(qū)動電機能向電網(wǎng)輸電，回收部分能量，即是再生限速（可省去平衡）及再生制動其他對泵的自吸性能要求高對泵的自吸性能要求低SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動油路循環(huán)方式的選擇主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式和散熱條件。一般說來，凡備有較大空間可以存放油箱且不需另設(shè)散熱裝置的系統(tǒng)、要求結(jié)構(gòu)盡可能簡單的系統(tǒng)、采用節(jié)流調(diào)速或容積－節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，均宜采用開式系統(tǒng)。例如，泵向多個液壓執(zhí)行元件供油且功率較小的機器（如組合機床、磨床等）、內(nèi)燃機驅(qū)動的機器（如鏟車、高空作業(yè)車、液壓汽車起重機、裝載機及挖掘機等）以及固定機械。凡允許采用輔助泵進行補油并通過換油來達到冷卻目的的系統(tǒng)、對工作穩(wěn)定性和效率有較高要求的系統(tǒng)、采用容積調(diào)速的系統(tǒng)，都宜采用閉式系統(tǒng)。例如，外負載慣性大且換向頻繁的機構(gòu)（如一些起重機的旋轉(zhuǎn)、運行機構(gòu)及龍門刨床、拉床的工作臺等）、重力下降機構(gòu)（如不平衡類型的起升、動臂擺動機構(gòu)等）、要求結(jié)構(gòu)特別緊湊的運動式機械（如液壓汽車平板車、拖拉機、礦車及飛機等）。大型貨輪的舵機、工程船舶調(diào)距槳等系統(tǒng)也常用閉式系統(tǒng)。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動3.開式系統(tǒng)油路組合方式的分析與選擇

當(dāng)系統(tǒng)有多個液壓執(zhí)行元件時，開式系統(tǒng)按油路的不同連接方式，分為串聯(lián)、并聯(lián)、獨聯(lián)以及它們的組合——復(fù)聯(lián)等。串聯(lián)圖8-3串聯(lián)連接

串聯(lián)方式除第一個液壓執(zhí)行元件的進油口和最后一個執(zhí)行元件的回油口分別與液壓泵和油箱連接外，其余液壓執(zhí)行元件的進、出口依次相連，如圖8-3所示。特點：多個液壓執(zhí)行元件同時動作時，其運動速度不隨外負載而變，故輕載時可多個液壓執(zhí)行元件同時動作；但液壓泵的壓力負擔(dān)重，受原動機功率限制，故重載時不宜多個液壓執(zhí)行元件同時動作。另外，系統(tǒng)的壓力損失也較大。

串聯(lián)連接方式適用于中小型工程機械液壓系統(tǒng)、單泵供油的需保證行走直線性的工程機械。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動并聯(lián)圖8-4并聯(lián)連接

在并聯(lián)連接方式中，液壓泵與所有液壓執(zhí)行元件的進油口相連，而其回油口都接油箱，如圖8-4所示。特點：多個液壓執(zhí)行元件同時動作時，負載小的液壓執(zhí)行元件的速度會增大；但液壓泵的壓力負擔(dān)輕，為任一液壓執(zhí)行元件的負載壓力與其相應(yīng)回路的壓力損失之和。并聯(lián)連接方式適用于多個液壓執(zhí)行元件不要求同時動作；或要求同時動作但功率較小、或工作時間較短的，如機床、機械手等；也常用于大型工程機械的雙液壓泵雙回路系統(tǒng)。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動獨聯(lián)圖8-5獨聯(lián)連接獨聯(lián)是指一個液壓泵在任何時候都只向多路閥控制的一個液壓執(zhí)行元件供油，如圖8-5所示。優(yōu)點：能防止因換向閥誤操作而引起的事故或超載。

適用于要求多個液壓執(zhí)行元件能逐個可靠動作的場合。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動并聯(lián)—獨聯(lián)

這種連接方式兼有并聯(lián)和獨聯(lián)兩者的特點，適用于一個液壓泵向多種作業(yè)裝置供油的系統(tǒng)。例如圖8-6中挖掘機和裝載機共用一個液壓泵，閥A控制挖掘機的液壓執(zhí)行元件，閥B控制裝載機的液壓執(zhí)行元件，當(dāng)系統(tǒng)在進行挖掘作業(yè)時即使誤操作多路閥B，也不會使裝載作業(yè)的機構(gòu)動作。圖8-6并聯(lián)—獨聯(lián)的復(fù)合連接并聯(lián)和獨聯(lián)復(fù)合連接時，由多路閥A控制的幾個液壓執(zhí)行元件是并聯(lián)連接的；由多路閥B控制的幾個液壓執(zhí)行元件也是并聯(lián)連接的。而多路閥A、B分別控制的液壓執(zhí)行元件間則是相獨聯(lián)的，見圖8-6。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動串聯(lián)—獨聯(lián)

這種連接方式兼有串聯(lián)、獨聯(lián)兩者的特點，操作的互鎖性能更好，常用于中小型汽車起重機和高空作業(yè)車的液壓系統(tǒng)中。圖8-7串聯(lián)—獨聯(lián)連接串聯(lián)和獨聯(lián)復(fù)合連接時，由多路閥A控制的幾個液壓執(zhí)行元件是串聯(lián)的；由多路閥B控制的幾個液壓執(zhí)行元件也是串聯(lián)的。而閥A、B分別控制的液壓執(zhí)行元件間則是獨聯(lián)的，見圖8-7。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動4.油源類型的分析與選擇液壓系統(tǒng)油源類型的選擇，應(yīng)在分析下列因素后確定：1）根據(jù)系統(tǒng)工作壓力的高低，選擇液壓泵的壓力等級和結(jié)構(gòu)形式。2）根據(jù)油源輸出流量變化的大小和系統(tǒng)節(jié)能的要求，選擇用定量泵還是變量泵。3）根據(jù)執(zhí)行元件的多寡和系統(tǒng)工作循環(huán)中壓力、流量的變化情況，選擇單泵供油還是多泵供油。4）根據(jù)系統(tǒng)對油源綜合性能的要求，選擇泵的控制方式，是限壓式、恒壓式、恒流量式，還是恒功率式等等。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動5.調(diào)速方案的分析與選擇

調(diào)速方案對主機主要性能起決定性的作用。

選擇調(diào)速方案時，應(yīng)依據(jù)液壓執(zhí)行元件的負載特性和調(diào)速范圍以及經(jīng)濟性等因素，參考表8-6進行分析比較，最后選出合適的調(diào)速方案。

調(diào)速方案與油路循環(huán)方式、液壓泵和液壓執(zhí)行元件的類型等密切相關(guān)。由它們構(gòu)成的系統(tǒng)主回路的應(yīng)用實例列于附錄C，可供選擇調(diào)速方案時參考。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-6三種調(diào)速回路主要性能比較主要性能節(jié)流調(diào)速回路容積調(diào)速回路容積節(jié)流調(diào)速回路簡式節(jié)流調(diào)速回路帶壓力補償閥的節(jié)流調(diào)速回路變量泵定量馬達流量適應(yīng)功率適應(yīng)進油節(jié)流及回油節(jié)流旁路節(jié)流調(diào)速閥在進油路調(diào)速閥在旁油路及溢流節(jié)流調(diào)速回路負載特性速度剛度差很差好較好好承載能力好較差好較好好調(diào)速范圍大小大較大大功率特性效率低較低低較低最高較高高發(fā)熱大較大大較大最小較小小成本低較低高最高適用范圍小功率、輕載或低速的中、低壓系統(tǒng)及工程機械的非經(jīng)常性調(diào)速場合大功率、高速、中、高壓系統(tǒng)負載變化小、速度剛度要大的中小功率、中壓系統(tǒng)負載變化較大、速度剛度要大的大中功率的中、高壓系統(tǒng)SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動6.液壓基本回路的分析與選擇

這里是指除調(diào)速回路以外的液壓基本回路。選擇液壓回路是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求和工況圖，從眾多成熟的方案中（參見第六章和有關(guān)設(shè)計手冊）經(jīng)過分析、評比挑選出來的。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動（1）選擇系統(tǒng)一般都必須設(shè)置的基本回路通常液壓系統(tǒng)都必須設(shè)置調(diào)壓回路、調(diào)速回路、換向回路、卸荷回路及安全回路等。（2）根據(jù)系統(tǒng)負載性質(zhì)選擇基本回路液壓執(zhí)行元件存在外負載對系統(tǒng)作功的工況（例如有垂直運動部件的系統(tǒng)）時，要設(shè)置平衡回路，以防止外負載使液壓執(zhí)行元件超速運動。在外負載慣性較大的系統(tǒng)中，為防止產(chǎn)生液壓沖擊，要設(shè)置制動回路。對有快速運動部件的系統(tǒng)或要求精確換向的系統(tǒng)，要設(shè)置減速回路或緩沖回路，等等。（3）根據(jù)系統(tǒng)特殊要求選擇基本回路如有多個液壓執(zhí)行元件的系統(tǒng)，根據(jù)需要設(shè)置順序回路、同步回路或互不干擾回路。有些系統(tǒng)還要設(shè)置速度換接回路、增速回路、增壓回路、鎖緊回路等。對液壓機而言，釋壓回路是必不可少的。對閉式系統(tǒng)而言，必須有補油冷卻回路。選擇液壓回路一般可按如下步驟進行：SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動選擇一些主要液壓回路時，還需注意以下幾點：1）調(diào)壓回路的選擇主要決定于系統(tǒng)的調(diào)速方案。在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用調(diào)壓回路；在容積調(diào)速和容積節(jié)流調(diào)速或旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，則均采用限壓回路。一個油源同時提供兩種不同工作壓力時，可以采用減壓回路。對于工作時間相對輔助時間較短而功率又較大的系統(tǒng)，可以考慮增加一個卸荷回路。2）速度換接回路的選擇主要依據(jù)換接時位置精度和平穩(wěn)性的要求。同時還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、控制靈活。3）多個液壓缸順序動作回路的選擇主要考慮順序動作的可變換性、行程的可調(diào)性、順序動作的可靠性等。4）多個液壓缸同步動作回路的選擇主要考慮同步精度、系統(tǒng)調(diào)整、控制和維護的難易程度等。當(dāng)選擇液壓回路出現(xiàn)多種可能方案時，應(yīng)平行展開，反復(fù)進行分析對比，不要輕易作出取舍決定。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.3

液壓系統(tǒng)原理圖的擬定選定執(zhí)行元件、油源類型、調(diào)速方案和液壓基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路，如控制油路、潤滑油路、測壓油路等，并對回路進行歸并和整理，就可將液壓回路合成為液壓系統(tǒng)。系統(tǒng)合成時，應(yīng)考慮以下幾個問題：

1）這個系統(tǒng)能否完滿地實現(xiàn)所要求的各項功能？是否要進行補充或修正？2）有無多余或重復(fù)的元件和油路可以去掉或合并？3）各液壓回路之間是否會產(chǎn)生干擾？4）系統(tǒng)會不會產(chǎn)生液壓沖擊？有沒有防止液壓沖擊的措施？SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動5）控制油路是否可靠？當(dāng)直接從主油路上引出控制油路時，應(yīng)保證控制油路始終具有一定的壓力（包括系統(tǒng)卸荷時）。6）系統(tǒng)測壓點的分布是否合理、正確？通常，測壓點應(yīng)設(shè)在：液壓泵的出口、溢流閥的入口油路上；減壓閥或增壓器的出口油路上；順序閥或背壓閥入口油路上；壓力繼電器或過濾器的前油路上；液壓執(zhí)行元件的進、出油口處；潤滑油路、控制油路上。7）系統(tǒng)是否有工作介質(zhì)的凈化裝置？液壓系統(tǒng)中都應(yīng)設(shè)置一般的粗、精過濾器或磁性過濾器，對要求特別高的系統(tǒng)，還需設(shè)置旁路凈化系統(tǒng)。8）系統(tǒng)工作的可靠性如何？對可靠性要求特別高的系統(tǒng)，需設(shè)置備用元件或備用回路。9）系統(tǒng)是否需要設(shè)置冷卻、加熱裝置？SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.4

液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)計是指確定液壓執(zhí)行元件的工作壓力和最大流量。液壓執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負載圖中的最大負載來選取，見表8-7；也可以根據(jù)主機的類型來選取，見表8-8。

最大流量則由液壓執(zhí)行元件速度圖中的最大速度計算出來。

工作壓力和最大流量的確定都與液壓執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)（指液壓缸的有效工作面積A或液壓馬達的排量VM）有關(guān)。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-7按負載選擇液壓執(zhí)行元件的工作壓力（適用于中、低壓液壓系統(tǒng)）載荷/kN<55~1010~2020~3030~50>50工作壓力/MPa<0.8~11.5~22.5~33~44~5≥5~7表8-8按主機類型選擇液壓執(zhí)行元件的工作壓力設(shè)備類型機床農(nóng)業(yè)機械汽車工業(yè)小型工程機械及輔助機構(gòu)工程機械重型機械鍛壓設(shè)備液壓支架等船用系統(tǒng)磨床組合機床齒輪加工機床牛頭創(chuàng)床插床車床銑床鏜床珩磨機床拉床龍門刨床工作壓力/MPa≤1.2<6.32~42~5<1010~1616~3214~25SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動一般的做法是先選定液壓執(zhí)行元件的類型及其工作壓力p，再按最大負載和預(yù)估的液壓執(zhí)行元件的機械效率求出A或者VM，并通過各種必要的驗算、修正和圓整成標(biāo)準(zhǔn)值后定下這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后再算出最大流量qmax來。

有些主機（例如機床）的液壓系統(tǒng)對液壓執(zhí)行元件的最低穩(wěn)定速度有較高的要求，這時所確定的液壓執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)A或VM還必須符合下述條件：液壓缸

（8-1）

液壓馬達式中，qmin為節(jié)流閥或調(diào)速閥、變量泵的最小穩(wěn)定流量，由產(chǎn)品性能表查出。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動圖8-8執(zhí)行元件的工況圖液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工況圖是在液壓執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，根據(jù)主機工作循環(huán)，算出不同階段中的實際工作壓力、流量和功率之后作出的，見圖8-8。

工況圖顯示液壓系統(tǒng)在實現(xiàn)整個工作循環(huán)時三個參數(shù)的變化情況。

當(dāng)系統(tǒng)中有多個液壓執(zhí)行元件時，其工況圖應(yīng)是各個執(zhí)行元件工況圖的綜合。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動液壓執(zhí)行元件的工況圖是選擇系統(tǒng)中其他液壓元件和液壓基本回路的依據(jù)，也是擬定液壓系統(tǒng)方案的依據(jù)，這是因為：1）工況圖中的最大壓力和最大流量直接影響著液壓泵和各種控制閥等液壓元件的最大工作壓力和最大工作流量。2）工況圖中不同階段內(nèi)壓力和流量的變化情況決定著液壓回路和油源形式的合理選用。3）工況圖所確定的液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的量值反映著原來設(shè)計參數(shù)的合理性，為主參數(shù)的修改或最后認(rèn)定提供了依據(jù)。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.5

液壓執(zhí)行元件的設(shè)計計算與選用1.液壓缸的設(shè)計計算

液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)及所需流量計算公式見表8-9，計算公式中所需數(shù)據(jù)分別見表8-3和表8-10。液壓缸空載起動壓力及效率見表8-10。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-9液壓缸的主要技術(shù)參數(shù)及理論流量計算公式類型圖液壓缸的幾何參數(shù)A1、A2液壓缸最大理論流量qmax備注單活塞桿缸p1=(F+p2A2+pminA1)/A1A2=F/[(p1-pmin)φ-p2]p1=[(F/ηm)+p2A2]/A1A2=F/[ηm(p1-p2)]A1=φA2qmax=A1vmaxF——缸的最大外負載p1——缸最大工作壓力p2——缸的背壓見表8-3pmin——缸空載起動壓力見表8-10ηm——缸的機械效率，見表8-10φ——缸往返速比(差動連接時φ=A1/A2）A1——缸無桿腔有效面積A2——缸有桿腔有效面積p1=(F+p2A1+pminA2)/A2A2=F/[(p1-pmin-p2φ)]p1=[(F/ηm)+p2A1]/A2A2=F/[ηm(p1-p2φ)]A1=φA2qmax=A2vmax單活塞桿缸差動：p1=(F+pminA2)/(A1-A2)A2=F/[(p1-(φ-1)-pmin]p1=F/[ηm(A1-A2)]A2=F/[ηm

p1(φ-1)]qmax=(A1–A2)vmax雙活塞桿缸p1=(F/A2)+p2+pminA2=F/(p1-p2-pmin)p1=(F/A2ηm)+p2A2=F/[ηm(p1-p2)]A1=A2qmax=A2vmaxSchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-10液壓缸空載起動壓力及效率活塞密封圈形式pmin/MPaηmO、L、U、X、Y0.30.96V0.50.94活塞環(huán)密封0.10.985注：活塞桿密封圈也采用V形時，表中值要增大50%SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.液壓馬達的計算與選擇

液壓馬達的排量:V=2πT/（p1-p2）ηm

（8-2）式中

T——液壓馬達外負載轉(zhuǎn)矩；

p1——液壓馬達最高工作壓力；

p2——液壓馬達的背壓，由表8-3查得；

ηm——液壓馬達的機械效率，葉片馬達取0.80~0.90；齒輪馬達取0.85~0.95；軸向柱塞馬達取0.92~0.99低速馬達取0.93~0.96。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動液壓馬達最大理論流量:

qmax=Vnmax

（8-3）式中

V——液壓馬達的排量；

nmax——液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速。由以上計算所得的液壓缸活塞直徑D、活塞桿直徑d，液壓馬達的排量V都需要按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整成標(biāo)準(zhǔn)值。然后，液壓缸可按D、d、L（活塞行程）和工作壓力選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品或定做；而液壓馬達則可根據(jù)其工作壓力、轉(zhuǎn)速和排量選擇合適的液壓馬達產(chǎn)品。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.6

液壓能源裝置設(shè)計液壓能源裝置是液壓系統(tǒng)的重要組成部分。通常有兩種形式：一種是液壓裝置與主機分離的液壓泵站；一種是液壓裝置與主機合為一體的液壓泵組（包括單個液壓泵）。1.液壓泵站的類型及其組件的選擇

液壓泵站的類型如表8-11所示。上置式液壓泵站（見圖8-9）結(jié)構(gòu)緊湊，占地小，被廣泛應(yīng)用于中、小功率液壓系統(tǒng)中。

非上置式液壓泵站（見圖8-10）的液壓泵組置于油箱液面以下，有效地改善了液壓泵的吸入性能，且裝置高度低，便于維修，適用于功率較大的液壓系統(tǒng)。上置式與非上置式液壓泵站的比較見表8-12。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-11液壓泵站的類型SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動圖8-9上置式液壓泵站a）立式液壓泵站1—電動機2—聯(lián)軸器3—油箱4—液壓泵b）臥式液壓泵站1—油箱2—電動機3—液壓泵SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動圖8-10整體式液壓泵站a）旁置式b）下置式1—油箱2—電動機3—液壓泵4—過濾器SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-12上置式與非上置式液壓泵站的比較項目上置立式上置臥式非上置式振動較大小占地面積小較大清洗油箱較麻煩容易液壓泵工作條件泵浸在油中，吸油條件好噪聲低，泵的散熱條件差，維修不方便一般好對液壓泵安裝的要求泵與電動機有同軸度要求1.泵與電動機有同軸度要求2.應(yīng)考慮液壓泵的吸油高度3.吸油管與泵的聯(lián)接處密封要求嚴(yán)格1.泵與電動機有同軸度要求2.吸油管與泵的聯(lián)接處密封要求嚴(yán)格應(yīng)用中、小型液壓泵站中、小型液壓泵站較大型液壓泵站SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動柜式液壓泵站是將液壓泵組和油箱整體置于封閉的柜體內(nèi)。這種液壓泵站一般都將顯示儀表和電控按鈕布置在面板上，外形整齊美觀；又因液壓泵體被封閉在柜體內(nèi)，故不易受外界污染，但維修不大方便，熱散條件較差，且一般需設(shè)有冷卻裝置。另外，在工作時液壓泵和管道的振動會引起柜體和面板的振動，噪聲很大。因此，通常僅被應(yīng)用于中、小功率的系統(tǒng)。就液壓泵站的規(guī)模而言，單機型液壓泵站規(guī)模較小，通常將控制閥組一并置于油箱面板上，組成較完整的液壓系統(tǒng)總成，這種液壓泵站應(yīng)用較廣。機組型液壓泵站是一個或多個控制閥組集中安裝在一個或幾個專用閥臺上，然后兩端與液壓泵組和液壓執(zhí)行元件相連接，這種液壓泵站適用于中等規(guī)模的液壓系統(tǒng)中。中央型液壓泵站常被安置在地下室內(nèi)，以利于安裝配管、降低噪聲，保持穩(wěn)定的環(huán)境溫度和清潔度，這種液壓泵站規(guī)模最大，適用于大型液壓系統(tǒng)，如軋鋼設(shè)備的液壓系統(tǒng)中。根據(jù)上述分析，按系統(tǒng)的工作特點選擇合適的液壓泵站類型。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動液壓泵站組件的選擇

液壓泵站一般由液壓泵組、油箱組件、過濾器組件、蓄能器組件和溫控組件等組成。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，經(jīng)深入分析計算后加以選擇、組合。液壓泵組由液壓泵、原動機、聯(lián)軸器、底座及管路附件等組成，輸出所需壓力和流量的工作介質(zhì)。油箱組件由油箱、面板、空氣過濾器、液位顯示器等組成，用以儲存系統(tǒng)所需的工作介質(zhì)，散發(fā)系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的一部分熱量，分離介質(zhì)中的氣體并沉淀污物。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動過濾器組件是保持工作介質(zhì)清潔度必備的輔件，可根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)清潔度的不同要求，設(shè)置不同等級的粗過濾器、精過濾器。蓄能器組件通常由蓄能器、控制裝置、支承臺架等部件組成。它可用于儲存能量、吸收流量脈動、緩和壓力沖擊，故應(yīng)按系統(tǒng)的需求而設(shè)置，并計算其合理的容量（見第二章第四節(jié)），然后選用之。溫控組件由傳感器和溫控儀組成。當(dāng)液壓系統(tǒng)自身的熱平衡不能使工作介質(zhì)處于合適的溫度范圍內(nèi)時，應(yīng)設(shè)置溫控組件，以控制加熱器和冷卻器，使介質(zhì)溫度始終工作在設(shè)定的范圍內(nèi)。根據(jù)主機的要求、工作條件和環(huán)境條件，設(shè)計出與工況相適應(yīng)的液壓泵站方案后，就可計算液壓泵站中主要元件的工作參數(shù)。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.液壓泵的計算與選擇

（8-4）液壓泵的最大工作壓力pp

為：式中p——液壓執(zhí)行元件工作腔的最大工作壓力：ΣΔp——從液壓泵出口到液壓執(zhí)行元件入口處的總管路損失；ΣΔp=ΣΔpλ+ΣΔpζ+ΣΔpVΣΔpλ——進油路上管中的總沿程損失；ΣΔpζ——進油路上管路的總局部損失；ΣΔpV——進油路上閥的總壓力損失。ΣΔp的準(zhǔn)確計算須在選定液壓元件并繪制出管路布置圖后才能進行。初算時，可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。寒?dāng)管路簡單或有節(jié)流閥調(diào)速時，取ΣΔp=0.2~0.5MPa；當(dāng)管路復(fù)雜或有調(diào)速閥調(diào)速時，取ΣΔp=0.5~1.5MPa。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動單個液壓泵和單個液壓執(zhí)行元件的系統(tǒng)（8-5）式中qp——液壓泵的流量；KL——考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保持最小溢流量的系數(shù)，通常取KL=1.1~1.3；qmax——液壓執(zhí)行元件所需最大流量：對于液壓缸，qmax=Avmax，其中A為液壓缸有效工作面積，vmax為液壓缸最大輸出速度；對于液壓馬達，qmax=Vnmax，其中V為液壓馬達排量

nmax為液壓馬達最大輸出轉(zhuǎn)速。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動單個液壓泵和多個液壓執(zhí)行元件的系統(tǒng)（8-6）式中

（Σqi）max——多個液壓執(zhí)行元件同時工作時所需的最大流量。該值可從液壓執(zhí)行元件工況圖中查得。差動回路系統(tǒng)（8-7）式中

Ad——液壓缸活塞桿面積。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動采用蓄能器作輔助能源的系統(tǒng)（8-8）式中Vi——每個液壓執(zhí)行元件在一個工作周期中總耗液量；

T——系統(tǒng)工作周期；

n——液壓執(zhí)行元件數(shù)量。根據(jù)液壓泵的最大工作壓力pp選擇液壓泵的類型，根據(jù)液壓泵的流量確定液壓泵的規(guī)格。在參照產(chǎn)品樣本或技術(shù)手冊選取液壓泵時，泵的額定壓力應(yīng)選得比上述最大工作壓力pp高20%~60%，以留有壓力儲備；額定流量則只須選得滿足上述最大流量qmax需要即可。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動液壓泵在額定壓力和額定流量下工作時，其驅(qū)動電動機的功率一般可以直接從產(chǎn)品樣本或技術(shù)手冊中查到，但其數(shù)值在實際使用中往往偏大。因此，也可以根據(jù)具體工況用下述方法計算出來。當(dāng)液壓執(zhí)行元件的工況圖曲線比較平穩(wěn)時，電動機功率：（8-9）式中Δpp——液壓泵的進、出口壓力之差，對于開式系統(tǒng)即為液壓泵的最大工作壓力pp；

qp——液壓泵的實際流量；

ηp——液壓泵的總效率。初算時，可按表8-13選取。8-13液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵葉片泵柱塞泵螺桿泵總效率0.6~0.70.6~0.750.8~0.850.65~0.8SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動當(dāng)液壓執(zhí)行元件的工況圖曲線變化較大時，電動機功率：（8-10）式中Pi——整個工作周期中第i動作階段內(nèi)所需的功率；ti——整個工作周期中第i動作所需的時間；n——整個工作周期中需用功率的階段數(shù)。按式（8-10）計算得到電動機功率后，還應(yīng)驗算每個階段內(nèi)電動機的超載量是否在允許范圍內(nèi)。一般電動機允許的短期超載量為25%。限壓式變量葉片泵驅(qū)動電動機的功率Pp可按液壓泵的流量—壓力特性曲線拐點處的流量qc和壓力pc計算。一般情況下，可以qc=qn和pc=0.8pp代入式（8-9）得到。qn和pp分別變量泵的額定流量和最大工作壓力。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動3.油箱的設(shè)計與計算

油箱容積的計算

初步設(shè)計時，油箱的有效容積可按經(jīng)驗公式（2-19）確定；或根據(jù)油箱允許的溫升和系統(tǒng)的功率，利用圖2-28所示的圖表查得。（2-19）圖2-28

油箱容量確定圖油箱設(shè)計完成后，還應(yīng)按散熱要求驗算油箱的容積。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動油箱設(shè)計注意事項

1）吸油管和回油管間的距離應(yīng)盡量遠，兩管之間應(yīng)設(shè)置隔板，以增加油液循環(huán)的距離，使油液有足夠的時間分離氣泡，消散熱量。隔板的高度約為油箱內(nèi)最低油面高度的2/3。吸油管離油箱底距離大于吸油管直徑D的2倍，距油箱壁不小于3D。回油箱的管端切成45°，且面向箱壁。2）為防止油液被污染，油箱上各蓋板、管口處都要妥善密封。注油器上要加過濾網(wǎng)。通氣孔上須裝空氣濾清器，其容量至少應(yīng)為液壓泵額定流量的2倍。3）為了易于散熱和便于對油箱進行搬移和維護保養(yǎng)，箱底離地至少應(yīng)在150mm以上。箱底應(yīng)適當(dāng)傾斜，在最低部位處設(shè)置堵塞或放油閥，以便排放污油。箱體上注油口應(yīng)設(shè)在便于操作的地方，在其近旁設(shè)置液位計。過濾器的安裝位置應(yīng)便于裝卸，油箱應(yīng)便于清洗。4）油箱中如要安裝熱交換器，必須考慮好它的安裝位置，以及測溫、控制等措施。5）分離式油箱用鋼板焊成。鋼板厚度視油箱容量而定，建議100L容量的油箱取1.5mm，400L以下的取3mm，400L以上的取6mm。箱底厚度應(yīng)大于箱壁，箱蓋厚度應(yīng)為箱壁的4倍。當(dāng)液壓泵、驅(qū)動電動機以及其他液壓件都要裝在油箱上時，箱蓋要相應(yīng)加厚。大容量的油箱要加焊角板、肋條，以增加剛性。6）油箱內(nèi)壁應(yīng)涂耐油防銹涂料。外壁如涂上一層極薄的黑漆（不超過0.025mm厚），會有很好的輻射散熱效果。鑄造的油箱內(nèi)壁一般僅噴砂處理，不涂漆。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動4.過濾器的選擇

選擇過濾器時，主要考慮過濾器的通流能力、過濾精度和承壓能力。

過濾器的通流能力，一般應(yīng)為液壓泵流量的兩倍以上。

過濾器的過濾精度，主要取決于液壓系統(tǒng)所用元件的類型、系統(tǒng)工作壓力的高低以及過濾器的安裝位置。

過濾器的承壓能力與過濾器的結(jié)構(gòu)形式、濾心材質(zhì)等有關(guān)。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-14液壓元件的過濾精度要求（單位：μm

）元件類型過濾精度元件類型過濾精度齒輪泵、齒輪馬達葉片泵、葉片馬達柱塞泵、柱塞馬達液壓缸溢流閥5030205010~15調(diào)速閥比例閥低增益伺服閥高增益伺服閥10~1510105表8-15液壓系統(tǒng)壓力對過濾精度要求（單位：μm）系統(tǒng)壓力/MPa一般系統(tǒng)伺服系統(tǒng)<414~35>3521過濾精度20~5010~25<10<5表8-16安裝部位對過濾精度要求（單位：μm）安裝部位液壓泵吸入口壓力管路回油管路低壓中低壓中高壓高壓過濾精度80~12030~5020~4015~2510~1550~100SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動過濾器的尺寸與通過流量有著對應(yīng)關(guān)系。目前一般用名義流量表征過濾器的尺寸。ISO13727（草案）規(guī)定，名義流量是在油液粘度為32mm2/s、濾心過濾精度25μm（β25≥75），以及給定壓差條件下通過流量。因此，在選擇過濾器尺寸時，需要考慮實際工作介質(zhì)的粘度，所選濾心的過濾精度，以及濾心的極限壓差等因素。選擇過濾器尺寸的步驟如下：

1）確定過濾器的實際流量。2）按式（8-11）將實際流量qv換算成標(biāo)準(zhǔn)粘度下的流量qvs（8-11）SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動式中kv——粘度變換系數(shù)。（8-11）v和v’分別為實際工作介質(zhì)的粘度和試驗介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粘度（一般為32mm2/s）。3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粘度下的流量值、過濾精度以及給定的極限壓差，從產(chǎn)品的壓差流量特性曲線確定所需過濾器的尺寸。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動此外，選用過濾器時還應(yīng)考慮以下幾點：1）過濾器應(yīng)能在較長時間內(nèi)保持足夠的通流能力，適當(dāng)增大過濾器的尺寸；2）濾心有足夠的強度，不因液壓作用而損壞；3）濾心抗腐性好，能在規(guī)定溫度下持久工作；4）當(dāng)過濾器通流能力過低時，能自動顯示或報警；5）濾心清洗和更換方便。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動5.液壓輔件的計算與選用

熱交換器的計算與選用如果經(jīng)驗算，液壓系統(tǒng)依靠油箱、管道等自然冷卻不能使油溫控制在工作所要求的范圍時，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置冷卻器。冷卻器的散熱面積可按式（8-27）算得。然后，根據(jù)所需之散熱面積查閱有關(guān)技術(shù)手冊或產(chǎn)品樣本選擇其形式。管件的計算與選用油管的內(nèi)徑和壁厚按式（2-30）和式（2-31）計算后，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整后選取。管接頭的名義尺寸與油管相同，其規(guī)格和品種可查閱有關(guān)技術(shù)手冊或產(chǎn)品樣本得到。若因環(huán)境溫度過低而不能起動液壓泵或液壓系統(tǒng)無法正常工作時，須安裝加熱器。加熱器可設(shè)在油箱內(nèi)，也可串聯(lián)在油路上。加熱所需的功率應(yīng)按照系統(tǒng)油液的面積、工作溫度與環(huán)境溫度之差、加熱時間等進行計算。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.7

液壓控制元件選用與設(shè)計一個設(shè)計得好的液壓系統(tǒng)應(yīng)盡可能多地由標(biāo)準(zhǔn)液壓控制元件組成，使自行設(shè)計的專用液壓控制元件減少到最低限度。但是，有時因某種特殊需要，必須自行設(shè)計專用液壓控制元件時，可參閱有關(guān)液壓元件設(shè)計的書籍或資料。這里主要介紹液壓控制元件的選用。選擇液壓控制元件的主要依據(jù)和應(yīng)考慮的問題見表8-17。其中最大流量必要時允許短期超過額定流量的20%，否則會引起發(fā)熱、噪聲、壓力損失等增大和閥性能的下降。

選擇閥時還應(yīng)注意下列的問題：結(jié)構(gòu)形式、特性、壓力等級、連接方式、集成方式及操縱方式等。

SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-17選擇液壓控制元件的主要依據(jù)和應(yīng)考慮的問題液壓控制元件主要依據(jù)應(yīng)考慮的問題壓力控制閥閥所在油路的最大工作壓力和通過該閥的最大實際流量壓力調(diào)節(jié)范圍，流量變化范圍，所要求的壓力靈敏度和平穩(wěn)性等流量控制閥流量調(diào)節(jié)范圍，流量一壓力特性，最小穩(wěn)定流量，壓力與溫度的補償要求，對工作介質(zhì)清潔度的要求，閥進出口壓差的大小以及閥的內(nèi)泄漏大小等方向控制閥性能特點，換向頻率，響應(yīng)時間，閥口壓力損失的大小以及閥的內(nèi)泄漏大小等SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動1.溢流閥的選擇

直動式溢流閥的響應(yīng)快，一般宜作制動閥、安全閥用；先導(dǎo)式溢流閥的啟閉特性好，宜作調(diào)壓閥、背壓閥用。二級同心的先導(dǎo)式溢流閥的泄漏量比三級同心的要小，故在保壓回路中常被選用。先導(dǎo)式溢流閥的最低調(diào)定壓力一般只能在0.5~1MPa范圍內(nèi)。溢流閥的流量應(yīng)按液壓泵的最大流量選取，并應(yīng)注意其允許的最小穩(wěn)定流量，一般來說，最小穩(wěn)定流量為額定流量的15%以上。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.流量閥的選擇

一般中、低壓流量閥的最小穩(wěn)定流量為50~100mL/min；高壓流量閥為2.5~20L/min。流量閥的進出口需要有一定的壓差，高精度流量控制閥約需1MPa的壓差。

要求工作介質(zhì)溫度變化對液壓執(zhí)行元件運動速度影響小的系統(tǒng)，可選用溫度補償型調(diào)速閥。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動3.換向閥的選擇

（1）按通過閥的流量來選擇結(jié)構(gòu)形式，一般來說，流量在190L/min以上時宜用插裝閥；190L/min以下時可采用滑閥型換向閥。70L/min以下時可用電磁換向閥，否則需用電液換向閥。（2）按換向性能等來選擇電磁鐵類型直流濕式電磁鐵壽命長，可靠性高，故應(yīng)盡可能選用直流濕式電磁換向閥。在某些特殊場合，還要選用安全防爆型、耐壓防爆型、無沖擊型以及節(jié)能型等電磁鐵。（3）按系統(tǒng)要求來選擇滑閥機能換向閥的滑閥機能及其性能特點見表4-7~表4-9。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動4.單向閥及液控單向閥的選擇

應(yīng)選擇開啟壓力小的單向閥；開啟壓力較大（0.3~0.5MPa）的單向閥可作背壓閥用。外泄式液控單向閥與內(nèi)泄式相比，其控制壓力低，工作可靠，選用時可優(yōu)先考慮。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.8

液壓系統(tǒng)密封裝置選用與設(shè)計在液壓傳動中，液壓元件和系統(tǒng)的密封裝置用來防止工作介質(zhì)的泄漏及外界灰塵和異物的侵入。工作介質(zhì)的泄漏會給液壓系統(tǒng)帶來調(diào)壓不高、效率下降及污染環(huán)境等諸多問題，從而損壞液壓技術(shù)的聲譽；外界灰塵和異物的侵入則造成對液壓系統(tǒng)的污染，是導(dǎo)致系統(tǒng)工作故障的主要原因。所以，在液壓系統(tǒng)的設(shè)計過程中，必須正確設(shè)計和合理選用密封裝置和密封元件，以提高液壓系統(tǒng)的工作性能和使用壽命。影響密封性能的因素

密封性能的好壞與很多因素有關(guān)，下面列舉其主要方面：1）密封裝置的結(jié)構(gòu)與形式。2）密封部位的表面加工質(zhì)量與密封間隙的大小。3）密封與接合面的裝配質(zhì)量與偏心程度。4）工作介質(zhì)的種類、特性和粘度。5）工作溫度與工作壓力。6）密封接合面的相對運動速度。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動密封裝置的設(shè)計要點1）密封性能良好，并能隨著工作壓力的增大自動提高其密封性能。2）所選用的密封件應(yīng)特性穩(wěn)定，使用壽命長。3）動密封裝置的動、靜摩擦因數(shù)要小而穩(wěn)定，且耐磨。4）工藝性好，維修方便，價格低廉?；疽?/p>

設(shè)計要點

1）明確密封裝置的使用條件和工作要求，如負載情況、壓力高低、速度大小及其變化范圍、使用溫度、環(huán)境條件及對密封性能的具體要求等。2）根據(jù)密封裝置的使用條件和工作要求，正確選用或設(shè)計密封結(jié)構(gòu)并合理選擇密封件。3）根據(jù)工作介質(zhì)的種類，合理選用密封材料。4）對于在塵埃嚴(yán)重的環(huán)境中使用的密封裝置，還應(yīng)選用或設(shè)計與主密封相適應(yīng)的防塵裝置。5）所設(shè)計的密封裝置應(yīng)盡可能符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并選用標(biāo)準(zhǔn)密封件。密封裝置及密封件的選用和設(shè)計見第五章。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動Part8.2.9

液壓系統(tǒng)性能估算目的：評估設(shè)計質(zhì)量，或從幾種方案中評選最佳設(shè)計方案。內(nèi)容：系統(tǒng)壓力損失、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)發(fā)熱與溫升、液壓沖擊等。

對于要求高的系統(tǒng)，還要進行動態(tài)性能驗算或計算機仿真。目前對于大多數(shù)液壓系統(tǒng)，通常只是采用一些簡化公式進行近似估算，以便定性地說明情況。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動1.系統(tǒng)壓力損失驗算

液壓系統(tǒng)壓力損失包括管道內(nèi)的沿程損失和局部損失以及閥類元件的局部損失三項。

計算系統(tǒng)壓力損失時，不同的工作階段要分開來計算?；赜吐飞系膲毫p失要折算到進油路上去。

某一工作階段液壓系統(tǒng)總的壓力損失為

：（8-13）SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動式中ΣΔp1——系統(tǒng)進油路的總壓力損失，即ΣΔp1λ——進油路總的沿程損失；ΣΔp1ζ——進油路總的局部損失；ΣΔp1v——進油路上閥的總損失，即Δpn——閥的額定壓力損失，由產(chǎn)品樣本中查到；qn——閥的額定流量；q——通過閥的實際流量。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動ΣΔp2——系統(tǒng)回油路的總壓力損失，即ΣΔp2λ——回油路總的沿程損失；ΣΔp2ζ——回油路總的局部損失；ΣΔp2v——回油路上閥的總損失，計算方法同進油路；

A1——液壓缸進油腔有效工作面積；

A2——液壓缸回油腔有效工作面積。由此得出液壓系統(tǒng)的調(diào)整壓力（即泵的出口壓力）pT應(yīng)為（8-14）式中p1——液壓缸工作腔壓力。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動2.系統(tǒng)總效率估算

液壓系統(tǒng)的總效率η與液壓泵的效率ηp、回路效率ηc及液壓執(zhí)行元件的效率ηm有關(guān)，其計算式為液壓系統(tǒng)的總效率η

=

ηp

ηc

ηm（8—15）回路效率ηc

（8-16）式中Σp1q1——同時動作的液壓執(zhí)行元件的工作壓力與輸入流量乘積之總和；

Σppqp——同時供液的液壓泵的工作壓力與輸出流量乘積之總和。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動系統(tǒng)在一個工作循環(huán)周期內(nèi)的平均回路效率ηc（8-17）式中

ηci——各個工作階段的回路效率；

ti——各個工作階段的持續(xù)時間；

T——整個工作循環(huán)的周期。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動3.系統(tǒng)發(fā)熱與溫升估算

液壓系統(tǒng)的各種能量損失都將轉(zhuǎn)化為熱量，使系統(tǒng)工作溫度升高，從而產(chǎn)生一系列不利影響。系統(tǒng)中的發(fā)熱功率主要來自于液壓泵、液壓執(zhí)行元件和溢流閥等功率損失。管路的功率損失一般較小，通?？梢院雎圆挥?。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的發(fā)熱功率計算方法之一液壓泵的功率損失ΔPp

（8-18）式中Pp——液壓泵的輸入功率；

ηp——液壓泵的總效率。液壓執(zhí)行元的功率損失

ΔPm

式中Pm——液壓執(zhí)行元件的輸入功率；

ηm——液壓執(zhí)行元件的總效率。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動溢流閥的功率損失

ΔPy式中py——溢流閥的調(diào)定壓力；

qy——溢流閥的溢流量。（8-19）系統(tǒng)的總發(fā)熱功率ΔP（8-20）SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的發(fā)熱功率計算方法之二對于回路復(fù)雜的系統(tǒng)，功率損失的環(huán)節(jié)很多，按上述方法計算較煩瑣，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率ΔP通常采用以下簡化方法進行估算。（8-21）（8-22）式中Pp——液壓泵的輸入功率；

Pe——液壓執(zhí)行元件的有效功率；

ηp——液壓泵的效率；

ηc——液壓回路的效率；

ηm——液壓執(zhí)行元件的效率；

η——液壓系統(tǒng)的總效率。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的散熱功率

液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，一部分使工作介質(zhì)的溫度升高；一部分經(jīng)冷卻表面散發(fā)到周圍空氣中去。因管路的散熱量與其發(fā)熱量基本持平。所以，一般認(rèn)為系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量全部由油箱表面散發(fā)。（8-23）系統(tǒng)的散熱功率

式中ΔP0——系統(tǒng)的散熱功率，單位為kW；

K——油箱散熱系數(shù)，單位為W/(m2·℃)見表8-18；

A——油箱散熱面積，單位為m2；

t1——系統(tǒng)中工作介質(zhì)的溫度，單位為℃；

t2——環(huán)境溫度，單位為℃。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的溫升

當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)熱功率ΔP等于系統(tǒng)的散熱功率ΔP0時，即達到平衡。此時，系統(tǒng)的溫升Δt為（8-24）式中符號意義同前，Δt=t1-t2。表8-19給出各種機械允許的溫升值。當(dāng)按上式計算出的系統(tǒng)溫升超過表中數(shù)值時，就要設(shè)法增大油箱散熱面積或增設(shè)冷卻裝置。SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動表8-19各種機械的允許溫升（單位：℃）設(shè)備類型正常工作溫度最高允許溫度油和油箱允許溫升數(shù)控機床30~5055~70≤25一般機床30~5555~70≤30~35船舶30~6080~90≤35~40機車車輛40~6070~80冶金機械、液壓機40~7060~90工程機械、礦山機械50~8070~90表8-18油箱散熱系數(shù)（單位：W/（m2·℃）散熱條件散熱系數(shù)散熱條件散熱系數(shù)通風(fēng)很差8~9風(fēng)扇冷卻23通風(fēng)良好15~17.5循環(huán)水冷卻110~175SchoolofMechanicalEngineering東南大學(xué)機械工程學(xué)院第八章系統(tǒng)設(shè)計與計算液壓與氣壓傳動散熱面積計算

（8-25）由式（8-24）可計算油箱散熱面積A為當(dāng)油箱三個邊的尺寸比例在1∶1∶1到1∶2∶3之間、液面高度為油箱高度的80%、且油箱通風(fēng)情況良好時，油箱散熱面積A（單位為m2）還可用下式估算（8-26）式中V——油箱有效