第8章液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第8章液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)8.1液壓系統(tǒng)的工況分析和主要參數(shù)的確定8.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證8.3

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）明確設(shè)計(jì)原則和依據(jù)。

（2）進(jìn)行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)。

（3）進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，擬定液壓系統(tǒng)原理圖。（4）計(jì)算和選擇液壓元件。（5）驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的主要性能。（6）繪制工作圖，編制技術(shù)文件。8.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)1．液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

注意吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，力求設(shè)計(jì)出重量輕、體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好及操作方便的液壓裝置。2．液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）主機(jī)的用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境及總體布局等。

（2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動(dòng)作，動(dòng)作順序及彼此間的聯(lián)鎖關(guān)系等。

（3）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式及運(yùn)動(dòng)速度。

（4）各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)。

（5）對(duì)液壓系統(tǒng)性能（如工作平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等）、工作效率、自動(dòng)化程度等方面的要求。

（6）自動(dòng)化程序及操作控制方式的要求。

（7）對(duì)防塵、防爆、防寒、噪聲及安全可靠性的要求。

（8）對(duì)效率及成本等方面的要求。8.2液壓系統(tǒng)的工況分析和主要參數(shù)的確定8.2.1液壓系統(tǒng)的工況分析1．運(yùn)動(dòng)分析名稱特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合雙桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度相同，桿受力狀態(tài)相同雙向工作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)單桿活塞缸雙向輸出力、輸出速度不相同，桿受力狀態(tài)不同。差動(dòng)連接時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)往復(fù)不對(duì)稱直線運(yùn)動(dòng)表8-1

液壓執(zhí)行元件的類型

名稱特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合柱塞缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單長(zhǎng)行程、單向工作擺動(dòng)缸單葉片缸轉(zhuǎn)角小于300°，雙葉片缸轉(zhuǎn)角小于150°往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)齒輪、葉片馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、慣性小高速小轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸向柱塞馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)徑向柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)續(xù)表2．負(fù)載分析

（1）液壓缸的負(fù)載計(jì)算。（8-1）

①工作負(fù)載Fw

即Fw＝f（t），需根據(jù)具體情況分析決定。

②慣性負(fù)載Fm

（8-2）

式中，m為運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量；a為加速度；Δv為Δt時(shí)間內(nèi)速度的變化量；Δt為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般機(jī)械系統(tǒng)取0.1～0.5s，行走機(jī)械系統(tǒng)取0.5～1.5s，機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)取0.25～0.5s，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)取0.05～0.2s。工作部件較輕或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)取小值。

③導(dǎo)向摩擦阻力Ff

對(duì)于平導(dǎo)軌（8-3）

對(duì)于V形導(dǎo)軌（8-4）

④重力負(fù)載Fg

當(dāng)工作部件垂直或傾斜放置時(shí)，自重也是一種負(fù)載；當(dāng)工作部件水平放置時(shí)，F(xiàn)g=0。

⑤背壓負(fù)載Fb

液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)還必須克服回油路壓力形成的背壓阻力Fb，其值為（8-5）

中低壓系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)取0.2～0.5MPa，回油路有調(diào)速閥或背壓閥的系統(tǒng)取0.5～1.5Mpa，采用補(bǔ)油泵補(bǔ)油的閉式系統(tǒng)取1.0～1.5MPa，采用多路閥的復(fù)雜中高壓工程機(jī)械系統(tǒng)取1.2～3.0MPa。

⑥液壓缸自身的密封阻力Fsf

液壓缸工作時(shí)還必須克服其內(nèi)部密封裝置產(chǎn)生的摩擦阻力Fsf，其值與密封裝置的類型、油液工作壓力，特別是液壓缸的制造質(zhì)量有關(guān)，計(jì)算比較繁瑣，一般將它計(jì)入液壓缸的機(jī)械效率ηm中考慮，通常取ηm＝0.90～0.97。

（2）液壓缸運(yùn)動(dòng)循環(huán)各階段的負(fù)載。

啟動(dòng)時(shí)

（8-6）

加速時(shí)

（8-7）

恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)

（8-8）

減速制動(dòng)時(shí)

（8-9）3．工作負(fù)載圖圖8-1某液壓缸的速度圖和負(fù)載圖

8.2.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定1．系統(tǒng)工作壓力的確定負(fù)載/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50系統(tǒng)壓力/MPa＜0.8～l1.6～22.5～33～44～5＞5～7表8-2 按負(fù)載選擇系統(tǒng)工作壓力設(shè)備類型機(jī)床農(nóng)業(yè)機(jī)械汽車工業(yè)小型工程機(jī)械及輔助機(jī)械工程機(jī)械重型機(jī)械鍛壓設(shè)備液壓支架船用系統(tǒng)磨床組合機(jī)床牛頭刨床插床齒輪加工機(jī)床車床銑床鏜床珩磨機(jī)床拉床龍門刨床壓力/MPa＜2.5＜6.32.5～6.3＜1010～1616～3214～25表8-3 按主機(jī)類型選擇系統(tǒng)工作壓力2．執(zhí)行元件參數(shù)的確定3．執(zhí)行元件流量的確定（8-10）（8-11）4．執(zhí)行元件的工況圖

（1）液壓泵和各種控制閥的規(guī)格是根據(jù)工況圖中的最大壓力和最大流量選定的。

（2）液壓系統(tǒng)中的基本回路及其油源形式主要是根據(jù)工況圖中不同階段內(nèi)的壓力和流量變化情況選擇出來后，再通過分析比較后確定的。

（3）將工況圖所反映的情況與調(diào)研得來的參考方案進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)原來設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性作出鑒別、對(duì)各參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。例如，在工藝情況允許的條件下，調(diào)整有關(guān)工作階段的時(shí)間和速度，以減少所需的功率；當(dāng)功率分布很不均勻時(shí)，適當(dāng)修整參數(shù)，以避開或削減功率“峰值”等。圖8-2液壓缸的工況圖8.3液壓系統(tǒng)原理圖的擬定和方案論證1．選擇系統(tǒng)的類型

系統(tǒng)有開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種類型。

選擇系統(tǒng)的類型主要取決于它的調(diào)速方式和散熱要求。2．選擇液壓基本回路

選擇基本回路時(shí)，首先要抓住各類機(jī)器的液壓系統(tǒng)的主要矛盾。3．液壓系統(tǒng)的合成

合成液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

（1）防止回路間可能存在的相互干擾。

（2）系統(tǒng)應(yīng)力求簡(jiǎn)單，并將作用相同或相近的回路合并，避免存在多余回路。系統(tǒng)要安全可靠，要有安全、聯(lián)鎖等回路，力求控制油路可靠。

（3）組成系統(tǒng)的元件要盡量少，并應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)元件，減少自行設(shè)計(jì)的專用件。

（4）組成系統(tǒng)時(shí)還要考慮節(jié)省能源，提高效率，減少發(fā)熱，防止液壓沖擊。

（5）測(cè)壓點(diǎn)分布合理。8.4計(jì)算和選擇液壓元件8.4.1液壓泵的確定與驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算 1.確定液壓泵的最大工作壓力和流量（8-12）

取ΣΔp

＝0.5～1.5MPa。（8-13） 2．確定原動(dòng)機(jī)的功率（8-14）

式中，ηp為液壓泵的總效率，齒輪泵ηp＝0.6～0.8，葉片泵ηp＝0.7～0.8，柱塞泵ηp＝0.8～0.85。具體數(shù)值可參閱產(chǎn)品樣本。（8-15）8.4.2液壓控制閥的選擇

選擇壓力控制閥時(shí)，應(yīng)考慮壓力閥的壓力調(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。

特別是溢流閥的額定流量必須滿足液壓泵最大流量的要求。

選擇流量控制閥時(shí)，應(yīng)考慮流量閥的流量調(diào)節(jié)范圍、流量—壓力特性、最小穩(wěn)定流量、壓力補(bǔ)償要求或溫度補(bǔ)償要求，以及對(duì)油液過濾精度的要求，同進(jìn)還應(yīng)考慮閥進(jìn)、出口壓差大小及閥內(nèi)泄漏量的大小等。

選擇方向控制閥時(shí)，應(yīng)考慮方向閥的換向頻率、響應(yīng)時(shí)間、操作方式、滑閥機(jī)能、閥口壓力損失及閥內(nèi)泄漏量的大小等。

對(duì)于單桿液壓缸系統(tǒng)，若無桿腔有效作用面積為有桿腔有效作用面積的幾倍，當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，則回油流量為進(jìn)油流量的幾倍，此時(shí)，應(yīng)以幾倍的流量來選擇方向控制閥。

通過各類閥件的實(shí)際流量最多不應(yīng)超過其公稱流量的120%，以免引起發(fā)熱、噪聲和過大的壓降損失。8.4.3液壓輔件的計(jì)算與選擇1．確定管道尺寸

（1）管內(nèi)油液的推薦流速。對(duì)于液壓泵吸油管道一般取1m/s以下；系統(tǒng)壓力管道一般取3～6m/s，壓力高、管道短、黏度小時(shí)取大值；系統(tǒng)回油管道一般取1.5～2.6m/s。（2）管道內(nèi)徑的計(jì)算。（8-16）（3）管道壁厚的計(jì)算。（8-17）2．確定油箱容量V=αqp

（8-18）8.5液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算8.5.1液壓系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算（8-19）8.5.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱和溫升驗(yàn)算1．液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率

（1）液壓泵的損失功率為（8-20）

（2）液壓執(zhí)行元件的損失功率為（8-21）

（3）溢流閥的損失功率為（8-22）

（4）節(jié)流功率損失為（8-23）

（5）液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率為（8-24）（8-25）或2．液壓系統(tǒng)的散熱功率（8-26）

式中，

為油溫與環(huán)境溫度之差（℃）；A為油箱散熱面積（m2）；K為油箱散熱系數(shù)（W/m2·℃），其值按表8-4選擇。散熱條件通風(fēng)條件較差通風(fēng)條件良好用風(fēng)扇冷卻循環(huán)水強(qiáng)制冷卻散熱系數(shù)8～915～1723110～175表8-4 油箱散熱系數(shù)K值8.6繪制正式工作圖、編制技術(shù)文件

經(jīng)過對(duì)液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算和必要的修改之后，便可繪制正式工作圖，它包括正式的液壓系統(tǒng)原理圖、液壓站裝配圖（包括油箱裝配圖、液壓泵機(jī)架、集成塊裝配圖等）、液壓裝置的總體結(jié)構(gòu)圖、管路布置圖以及各種非標(biāo)準(zhǔn)元件的零件圖等。8.7液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例8.7.1負(fù)載分析1．工作負(fù)載（8-28）

對(duì)13.9mm的孔來說

n1＝360r/min，s1＝0.147mm/r

對(duì)8.5mm的孔來說

n2＝550r/min， s2＝0.096mm/r2．慣性負(fù)載（N）3．阻力負(fù)載

靜摩擦阻力

（N）

動(dòng)摩擦阻力

（N）

液壓缸的機(jī)械效率取ηm=0.9，由此得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載如表8-5所示。4．負(fù)載圖和速度圖的繪制圖8-3組合機(jī)床液壓缸的負(fù)載圖和速度圖工況負(fù)載組成負(fù)載值F（N）推力（N）啟動(dòng)F＝Ffs19622180加速F＝Ffd＋Fm15641500快進(jìn)F＝Ffd9811090工進(jìn)F＝Ffd＋Ft3144934943快退F＝Ffd9811090表8-5 液壓缸在各工作階段的負(fù)載值8.7.2液壓缸主要參數(shù)的確定工況負(fù)載F（N）回油腔壓力p2（MPa）進(jìn)油腔壓力p1（MPa）輸入流量q（L/min）輸入功率P（kW）計(jì)算式快進(jìn)（差動(dòng)）啟動(dòng)218000.434——p1=(F+A2Δp)/(A1

?A2)q=(A1?A2)

P=p1q回速1738p2=p1+Δp(Δp=0.5MPa)0.791——恒速10900.66235.190.39工進(jìn)349430.84.0540.50.034p1=(F+p2Δ

2)/A1q=A1υ2P=p1q快退啟動(dòng)218000.487——p1=(F+p2A1)/A2q=A2υ2P=p1q加速17380.51.45——恒速10901.30531.340.68表8-6 液壓缸在不同工作階段的壓力、流量和功率值8.7.3液壓系統(tǒng)圖的擬定1．液壓回路的選擇

（1）調(diào)速回路的選擇。

（2）快速運(yùn)動(dòng)和換向回路的選擇。

（3）速度換接回路的選擇

（4）壓力控制回路的選擇。2．液壓回路的綜合

（1）為了解決滑臺(tái)工進(jìn)時(shí)圖中進(jìn)油路、回油路相互接通，無法建立壓力的問題，必須在液動(dòng)換向回路中串接一個(gè)單向閥a，將工進(jìn)時(shí)的進(jìn)油路、回油路隔斷。

（2）為了解決滑臺(tái)快速前進(jìn)時(shí)回油路接通油箱，無法實(shí)現(xiàn)液壓缸差動(dòng)連接的問題，必須在回油路上串接一個(gè)液控順序閥b，以阻止油液在快進(jìn)階段返回油箱。

（3）為了解決機(jī)床停止工作時(shí)系統(tǒng)中的油液流回油箱，導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)，影響滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問題，另外考慮到電液換向閥的啟動(dòng)問題，必須在電液換向閥的出口處增設(shè)一個(gè)單向閥c。在泵卸荷時(shí)，使電液換向閥的控制油路保持滿足換向要求的壓力。

（4）為了便于系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出快速退回信號(hào)，在調(diào)速閥輸出端需增設(shè)一個(gè)壓力繼電器d。

（5）如果將順序閥b和背壓閥的位置對(duì)調(diào)一下，就可以將順序閥與油源處的卸荷閥合并。經(jīng)過修改、整理后的液壓系統(tǒng)原理圖如圖8-7所示。圖8-6液壓回路的綜合和整理

1—雙聯(lián)葉片泵（1A—小流量泵1B—大流量泵）；2—電液換向閥；3—行程閥；4—調(diào)速閥；5—單向閥；

6—液壓缸；7—卸荷閥；8—背壓閥；9—溢流閥；10—單向閥；11—過濾器；12—壓力表開關(guān)；

a—單向閥；b—順序閥；c—單向閥；d—壓力繼電器圖8-7整理后的液壓系統(tǒng)圖

1—雙聯(lián)葉片泵；2—三位五通電液換向閥；3—行程閥；4—調(diào)速閥；5—單向閥；6—單向閥；7—液控順序閥；8—背壓閥；

9—溢流閥；10—單向閥；11—過濾器；12—壓力表開關(guān)；13—單向閥；14—壓力繼電器；15—液壓缸8.7.4液壓元件的選擇1．液壓泵（MPa）

（MPa）

（L/min）

（kW）

2．閥類元件及輔助元件序號(hào)元件名稱

流量型號(hào)規(guī)格生產(chǎn)廠家1雙聯(lián)葉片泵—PV2R1214MPa,36和6L/min阜新液壓件廠2三位五通電液換向閥7535DY3Y—E10B16MPa,通徑10高行液壓件廠3行程閥84AXQF—E10B4調(diào)速閥＜15單向閥756單向閥44AF3—En10B7液控順序閥35XF3—E10B8背壓閥＜1YF3—E10B9溢流閥35AF3—E10B10單向閥35AF3—En10B表8-7 元件的型號(hào)及規(guī)格序號(hào)元件名稱

流量型號(hào)規(guī)格生產(chǎn)廠家11過濾器40YYL—105—1021MPa,90L/min新鄉(xiāng)116廠12壓力表開關(guān)—KF3—E3B16MPa，3測(cè)點(diǎn)無錫穆格公司13單向閥75AF3—Ea20B16MPa,通徑20高行液壓件廠14壓力繼電器—PF—B8C14MPa,通徑8榆次液壓件廠續(xù)表3．油管快進(jìn)工進(jìn)快退輸入流量（L/min）q1=(A1q