液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算模板

液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求

液壓傳動系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動形式，充分發(fā)揮液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動系統(tǒng)。一、設(shè)計(jì)步驟

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟并無嚴(yán)格的順序，各步驟間往往要相互穿插進(jìn)行。一般來說，在明確設(shè)計(jì)要求之后，大致按如下步驟進(jìn)行。

1）確定液壓執(zhí)行元件的形式；

2）進(jìn)行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)；

3）制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖；

4）選擇液壓元件；

5）液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算；

6）繪制工作圖，編制技術(shù)文件。

1.1明確設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其它方面了解清楚。

1）主機(jī)的概況：用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境、總體布局等；

2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動作，動作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；

3）液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形式，運(yùn)動速度；

4）各動作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；

5）對調(diào)速范圍、運(yùn)動平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；

6）自動化程序、操作控制方式的要求；

7）對防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求；8）對效率、成本等方面的要求。1.2進(jìn)行工況分析、確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

經(jīng)過工況分析，能夠看出液壓執(zhí)行元件在工作過程中速度和載荷變化情況，為確定系統(tǒng)及各執(zhí)行元件的參數(shù)提供依據(jù)。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。1.3制定基本方案和繪制液壓系統(tǒng)圖

3.1制定基本方案

（1）制定調(diào)速方案

液壓執(zhí)行元件確定之后，其運(yùn)動方向和運(yùn)動速度的控制是擬定液壓回路的核心問題。

方向控制用換向閥或邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多經(jīng)過換向閥的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。

速度控制經(jīng)過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)整方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者的結(jié)合——容積節(jié)流調(diào)速。

節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵供油，用流量控制閥改變輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。此種調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單，由于這種系統(tǒng)必須用溢流閥，故效率低，發(fā)熱量大，多用于功率不大的場合。

容積調(diào)速是靠改變液壓泵或液壓馬達(dá)的排量來達(dá)到調(diào)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)是沒有溢流損失和節(jié)流損失，效率較高。但為了散熱和補(bǔ)充泄漏，需要有輔助泵。此種調(diào)速方式適用于功率大、運(yùn)動速度高的液壓系統(tǒng)。

容積節(jié)流調(diào)速一般是用變量泵供油，用流量控制閥調(diào)節(jié)輸入或輸出液壓執(zhí)行元件的流量，并使其供油量與需油量相適應(yīng)。此種調(diào)速回路效率也較高，速度穩(wěn)定性較好，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

節(jié)流調(diào)速又分別有進(jìn)油節(jié)流、回油節(jié)流和旁路節(jié)流三種形式。進(jìn)油節(jié)流起動沖擊較小，回油節(jié)流常見于有負(fù)載荷的場合，旁路節(jié)流多用于高速。

調(diào)速回路一經(jīng)確定，回路的循環(huán)形式也就隨之確定了。

節(jié)流調(diào)速一般采用開式循環(huán)形式。在開式系統(tǒng)中，液壓泵從油箱吸油，壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后，再排回油箱。開式回路結(jié)構(gòu)簡單，散熱性好，但油箱體積大，容易混入空氣。

容積調(diào)速大多采用閉式循環(huán)形式。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油口直接與執(zhí)行元件的排油口相通，形成一個(gè)封閉的循環(huán)回路。其結(jié)構(gòu)緊湊，但散熱條件差。

（2）制定壓力控制方案

液壓執(zhí)行元件工作時(shí)，要求系統(tǒng)保持一定的工作壓力或在一定壓力范圍內(nèi)工作，也有的需要多級或無級連續(xù)地調(diào)節(jié)壓力，一般在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，一般由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需壓力，并保持恒定。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，用變量泵供油，用安全閥起安全保護(hù)作用。

在有些液壓系統(tǒng)中，有時(shí)需要流量不大的高壓油，這時(shí)可考慮用增壓回路得到高壓，而不用單設(shè)高壓泵。液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)中，某段時(shí)間不需要供油，而又不便停泵的情況下，需考慮選擇卸荷回路。

在系統(tǒng)的某個(gè)局部，工作壓力需低于主油源壓力時(shí)，要考慮采用減壓回路來獲得所需的工作壓力。

（3）制定順序動作方案

主機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作，根據(jù)設(shè)備類型不同，有的按固定程序運(yùn)行，有的則是隨機(jī)的或人為的。工程機(jī)械的操縱機(jī)構(gòu)多為手動，一般用手動的多路換向閥控制。加工機(jī)械的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動作多采用行程控制，當(dāng)工作部件移動到一定位置時(shí)，經(jīng)過電氣行程開關(guān)發(fā)出電信號給電磁鐵推動電磁閥或直接壓下行程閥來控制接續(xù)的動作。行程開關(guān)安裝比較方便，而用行程閥需連接相應(yīng)的油路，因此只適用于管路聯(lián)接比較方便的場合。

另外還有時(shí)間控制、壓力控制等。例如液壓泵無載啟動，經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，延時(shí)繼電器發(fā)出電信號使卸荷閥關(guān)閉，建立起正常的工作壓力。壓力控制多用在帶有液壓夾具的機(jī)床、擠壓機(jī)壓力機(jī)等場合。當(dāng)某一執(zhí)行元件完成預(yù)定動作時(shí)，回路中的壓力達(dá)到一定的數(shù)值，經(jīng)過壓力繼電器發(fā)出電信號或打開順序閥使壓力油經(jīng)過，來啟動下一個(gè)動作。

（4）選擇液壓動力源

液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其它輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。

為節(jié)省能源提高效率，液壓泵的供油量要盡量與系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況，一般采用多泵供油或變量泵供油。對長時(shí)間所需流量較小的情況，可增設(shè)蓄能器做輔助油源。

油液的凈化裝置是液壓源中不可缺少的。一般泵的入口要裝有粗過濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)被保護(hù)元件的要求，經(jīng)過相應(yīng)的精過濾器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性過濾器或其它型式的過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。

3.2繪制液壓系統(tǒng)圖

整機(jī)的液壓系統(tǒng)圖由擬定好的控制回路及液壓源組合而成。各回路相互組合時(shí)要去掉重復(fù)多余的元件，力求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。注意各元件間的聯(lián)鎖關(guān)系，避免誤動作發(fā)生。要盡量減少能量損失環(huán)節(jié)。提高系統(tǒng)的工作效率。

為便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，在系統(tǒng)中的主要路段要裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計(jì)等）。

大型設(shè)備的關(guān)鍵部位，要附設(shè)備用件，以便意外事件發(fā)生時(shí)能迅速更換，保證主要連續(xù)工作。

各液壓元件盡量采用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件，在圖中要按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓元件職能符號的常態(tài)位置繪制。對于自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)元件可用結(jié)構(gòu)原理圖繪制。

系統(tǒng)圖中應(yīng)注明各液壓執(zhí)行元件的名稱和動作，注明各液壓元件的序號以及各電磁鐵的代號，并附有電磁鐵、行程閥及其它控制元件的動作表。二、液壓元件的選擇與專用件設(shè)計(jì)2.1載荷的組成和計(jì)算 2.1.1液壓缸的載荷組成與計(jì)算 2.1.2液壓馬達(dá)載荷力矩的組成與計(jì)算2.2初選系統(tǒng)工作壓力壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看出不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力能夠選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。具體選擇可參考表2和表3。2.3計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量（2）計(jì)算液壓馬達(dá)的排量液壓馬達(dá)的排量為式中T——液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（N?m）；△p=p1-p2——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓差（Pa）。液壓馬達(dá)的排量也應(yīng)滿足最低轉(zhuǎn)速要求式中Qmin——經(jīng)過液壓馬達(dá)的最小流量；nmin——液壓馬達(dá)工作時(shí)的最低轉(zhuǎn)速。2.4計(jì)算液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量（1）液壓缸工作時(shí)所需流量Q=Aυ（19）式中A——液壓缸有效作用面積（m2）；υ——活塞與缸體的相對速度（m/s）。（2）液壓馬達(dá)的流量Q=qnm（20）式中q——液壓馬達(dá)排量（m3/r）；nm——液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速（r/s）。

4.1液壓泵的選擇

1）確定液壓泵的最大工作壓力pp

pp≥p1+Σ△p

（21）

式中p1——液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；

Σ△p——從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。Σ△p的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時(shí)才能進(jìn)行，初算時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)閥的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。

2）確定液壓泵的流量QP多液壓缸或液壓馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，液壓泵的輸出流量應(yīng)為QP≥K（ΣQmax）

（22）

式中K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3；

ΣQmax——同時(shí)動作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，可從（Q-t）圖上查得。對于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。

系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動力源時(shí)

式中K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2；

Tt——液壓設(shè)備工作周期（s）；

Vi——每一個(gè)液壓缸或液壓馬達(dá)在工作周期中的總耗油量（m3）；

z——液壓缸或液壓馬達(dá)的個(gè)數(shù)。

3）選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)以上求得的pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或本手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60%。

4）確定液壓泵的驅(qū)動功率在工作循環(huán)中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，即（p-t）、（Q-t）圖變化較平緩，則

式中pp——液壓泵的最大工作壓力（Pa）；

QP——液壓泵的流量（m3/s）；

ηP——液壓泵的總效率，參考表9選擇。表9液壓泵的總效率液壓泵類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率0.6～0.70.65～0.800.60～0.750.80～0.85

限壓式變量葉片泵的驅(qū)動功率，可按流量特性曲線拐點(diǎn)處的流量、壓力值計(jì)算。一般情況下，可取pP=0.8pPmax，QP=Qn，則

式中——液壓泵的最大工作壓力（Pa）；

——液壓泵的額定流量（m3/s）。

在工作循環(huán)中，如果液壓泵的流量和壓力變化較大，即（Q-t），（p-t）曲線起伏變化較大，則須分別計(jì)算出各個(gè)動作階段內(nèi)所需功率，驅(qū)動功率取其平均功率

式中t1、t2、…tn——一個(gè)循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的時(shí)間（s）；

P1、P2、…Pn——一個(gè)循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的功率（W）。

按平均功率選出電動機(jī)功率后，還要驗(yàn)算一下每一階段內(nèi)電動機(jī)超載量是否都在允許范圍內(nèi)。電動機(jī)允許的短時(shí)間超載量一般為25%。

4.2液壓閥的選擇

1）閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際經(jīng)過該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。

控制閥的流量一般要選得比實(shí)際經(jīng)過的流量大一些，必要時(shí)也允許有20%以內(nèi)的短時(shí)間過流量。

2）閥的型式，按安裝和操作方式選擇。

4.3蓄能器的選擇

根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用，確定其類型和主要參數(shù)。

1）液壓執(zhí)行元件短時(shí)間快速運(yùn)動，由蓄能器來補(bǔ)充供油，其有效工作容積為

式中A——液壓缸有效作用面積（m2）；

l——液壓缸行程（m）；

K——油液損失系數(shù)，一般取K=1.2；

QP——液壓泵流量（m3/s）；

t——動作時(shí)間（s）

2）作應(yīng)急能源，其有效工作容積為：

式中——要求應(yīng)急動作液壓缸總的工作容積（m3）。

有效工作容積算出后，根據(jù)第8章中有關(guān)蓄能器的相應(yīng)計(jì)算公式，求出蓄能器的容積，再根據(jù)其它性能要求，即可確定所需蓄能器。

4.4管道尺寸的確定

（1）管道內(nèi)徑計(jì)算

式中

Q——經(jīng)過管道內(nèi)的流量（m3/s）；

υ——管內(nèi)允許流速（m/s），見表10。

計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)的管子。

（2）管道壁厚δ的計(jì)算表10允許流速推薦值管道推薦流速/（m/s）液壓泵吸油管道0.5～1.5，一般常取1以下液壓系統(tǒng)壓油管道3～6，壓力高，管道短，粘度小取大值液壓系統(tǒng)回油管道1.5～2.6

式中p——管道內(nèi)最高工作壓力（Pa）；

d——管道內(nèi)徑（m）；

[σ]——管道材料的許用應(yīng)力（Pa），[σ]=；

σb——管道材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）；

n——安全系數(shù)，對鋼管來說，p＜7MPa時(shí)，取n=8；p＜17.5MPa時(shí)，取n=6；p＞17.5MPa時(shí)，取n=4。

4.5油箱容量的確定

初始設(shè)計(jì)時(shí)，先按經(jīng)驗(yàn)公式（31）確定油箱的容量，待系統(tǒng)確定后，再按散熱的要求進(jìn)行校核。

油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式為V=αQV

（31）

式中QV——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）；

α——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見表11。表11

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α系統(tǒng)類型行走機(jī)械低壓系統(tǒng)中壓系統(tǒng)鍛壓機(jī)械冶金機(jī)械α1～22～45～76～1210

在確定油箱尺寸時(shí)，一方面要滿足系統(tǒng)供油的要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時(shí)，油箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時(shí)，油箱的油位不低于最低限度。三、液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算

液壓系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)是在某些估計(jì)參數(shù)情況下進(jìn)行的，當(dāng)各回路形式、液壓元件及聯(lián)接管路等完全確定后，針對實(shí)際情況對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)性能分析。對一般液壓傳動系統(tǒng)來說，主要是進(jìn)一步確切地計(jì)算液壓回路各段壓力損失、容積損失及系統(tǒng)效率，壓力沖擊和發(fā)熱溫升等。根據(jù)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)問題，對某些不合理的設(shè)計(jì)要進(jìn)行重新調(diào)整，或采取其它必要的措施。

5.1液壓系統(tǒng)壓力損失

壓力損失包括管路的沿程損失△p1，管路的局部壓力損失△p2和閥類元件的局部損失△p3，總的壓力損失為△p=△p1+△p2+△p3

（32）

（33）

（34）

式中l(wèi)——管道的長度（m）；

d——管道內(nèi)徑（m）；

υ——液流平均速度（m/s）；

ρ——液壓油密度（kg/m3）；

λ——沿程阻力系數(shù)；

ζ——局部阻力系數(shù)。

λ、ζ的具體值可參考流體力學(xué)部分的有關(guān)內(nèi)容。

式中

Qn——閥的額定流量（m3/s）；

Q——經(jīng)過閥的實(shí)際流量（m3/s）；

△pn——閥的額定壓力損失（Pa）（可從產(chǎn)品樣本中查到）。

對于泵到執(zhí)行元件間的壓力損失，如果計(jì)算出的△p比選泵時(shí)估計(jì)的管路損失大得多時(shí)，應(yīng)該重新調(diào)整泵及其它有關(guān)元件的規(guī)格尺寸等參數(shù)。

系統(tǒng)的調(diào)整壓力pT≥p1+△p

（36）

式中pT——液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力。

5.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算

5.2.1計(jì)算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，除執(zhí)行元件驅(qū)動外載荷輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。液壓系統(tǒng)的功率損失主要有以下幾種形式：

（1）液壓泵的功率損失

式中Tt——工作循環(huán)周期（s）；

z——投入工作液壓泵的臺數(shù)；

Pri——液壓泵的輸入功率（W）；

ηPi——各臺液壓泵的總效率；

ti——第i臺泵工作時(shí)間（s）。

（2）液壓執(zhí)行元件的功率損失

式中M——液壓執(zhí)行元件的數(shù)量；

Prj——液壓執(zhí)行元件的輸入功率（W）；

ηj——液壓執(zhí)行元件的效率；

tj——第j個(gè)執(zhí)行元件工作時(shí)間（s）。

（3）溢流閥的功率損失

（39）

式中py——溢流閥的調(diào)整壓力（Pa）；

Qy——經(jīng)溢流閥流回油箱的流量（m3/s）。

（4）油液流經(jīng)閥或管路的功率損失Ph4=△pQ

（40）

式中△p——經(jīng)過閥或管路的壓力損失（Pa）；

Q——經(jīng)過閥或管路的流量（m3/s）。

由以上各種損失構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的功率損失，即液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率Phr=Ph1+Ph2+Ph3+Ph4

（41）

式（41）適用于回路比較簡單的液壓系統(tǒng)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于功率損失的環(huán)節(jié)太多，一一計(jì)算較麻煩，一般見下式計(jì)算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率Phr=Pr-Pc

（42）

式中Pr是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，PC是輸出的有效功率。

其中Tt——工作周期（s）；

z、n、m——分別為液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)的數(shù)量；pi、Qi、ηPi——第i臺泵的實(shí)際輸出壓力、流量、效率；

ti——第i臺泵工作時(shí)間（s）；TWj、ωj、tj——液壓馬達(dá)的外載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間（N·m、rad/s、s）；

FWi、si——液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程（N·m）。

5.2.2計(jì)算液壓系統(tǒng)的散熱功率

液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油箱表面，但如果系統(tǒng)外接管路較長，而且用式（41）計(jì)算發(fā)熱功率時(shí)，也應(yīng)考慮管路表面散熱。Phc=（K1A1+K2A2）△T

（45）

式中K1——油箱散熱系數(shù)，見表12；

K2——管路散熱系數(shù)，見表13；

A1、A2——分別為油箱、管道的散熱面積（m2）；

△T——油溫與環(huán)境溫度之差（℃）。表12

油箱散熱系數(shù)K1

（W/（m2·℃））冷卻條件K1通風(fēng)條件很差8～9通風(fēng)條件良好15～17用風(fēng)扇冷卻23循環(huán)水強(qiáng)制冷卻110～170表13管道散熱系數(shù)K2

（W/（m2·℃））風(fēng)速/m·s-1管道外徑/m0.010.050.1086512514105694023

若系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時(shí)，最大溫差

環(huán)境溫度為T0，則油溫T=T0+△T。如果計(jì)算出的油溫超過該液壓設(shè)備允許的最高油溫（各種機(jī)械允許油溫見表14），就要設(shè)法增大散熱面積，如果油箱的散熱面積不能加大，或加大一些也無濟(jì)于事時(shí)，需要裝設(shè)冷卻器。冷卻器的散熱面積表14各種機(jī)械允許油溫（℃）液壓設(shè)備類型正常工作溫度最高允許溫度數(shù)控機(jī)床30～5055～70一般機(jī)床30～5555～70機(jī)車車輛40～6070～80船舶30～6080～90冶金機(jī)械、液壓機(jī)40～7060～90工程機(jī)械、礦山機(jī)械50～8070～90

式中K——冷卻器的散熱系數(shù)，見本篇第8章液壓輔助元件有關(guān)散熱器的散熱系數(shù)；

△tm——平均溫升（℃），

T1、T2——液壓油入口和出口溫度；

t1、t2——冷卻水或風(fēng)的入口和出口溫度。

5.2.3根據(jù)散熱要求計(jì)算油箱容量

式（46）是在初步確定油箱容積的情況下，驗(yàn)算其散熱面積是否滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)熱量求出之后，可根據(jù)散熱的要求確定油箱的容量。

由式（46）可得油箱的散熱面積為

如不考慮管路的散熱，式（48）可簡化為

油箱主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。一般油面的高度為油箱高h(yuǎn)的0.8倍，與油直接接觸的表面算全散熱面，與油不直接接觸的表面算半散熱面，圖示油箱的有效容積和散熱面積分別為

圖3

油箱結(jié)構(gòu)尺寸V=0.8αbh

（50）A1=1.6h（α+b）+1.5αb

（51）

若A1求出，再根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定α、b、h的比例關(guān)系，即可確定油箱的主要結(jié)構(gòu)尺寸。

如按散熱要求求出的油箱容積過大，遠(yuǎn)超出用油量的需要，且又受空間尺寸的限制，則應(yīng)適當(dāng)縮小油箱尺寸，增設(shè)其它散熱措施。

5.3計(jì)算液壓系統(tǒng)沖擊壓力

壓力沖擊是由于管道液流速度急劇改變而形成的。例如液壓執(zhí)行元件在高速運(yùn)動中突然停止，換向閥的迅速開啟和關(guān)閉，都會產(chǎn)生高于靜態(tài)值的沖擊壓力。它不但伴隨產(chǎn)生振動和噪聲，而且會因過高的沖擊壓力而使管路、液壓元件遭到破壞。對系統(tǒng)影響較大的壓力沖擊常為以下兩種形式：

1）當(dāng)迅速打開或關(guān)閉液流通路時(shí)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊壓力。

直接沖擊（即t＜τ）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值

（52）

間接沖擊（即t＞τ）時(shí)，管道內(nèi)壓力增大值

式中ρ——液體密度（kg/m3）；

△υ——關(guān)閉或開啟液流通道前后管道內(nèi)流速之差（m/s）；

t——關(guān)閉或打開液流通道的時(shí)間（s）；τ=——管道長度為l時(shí)，沖擊波往返所需的時(shí)間（s）；

——管道內(nèi)液流中沖擊波的傳播速度（m/s）。

若不考慮粘性和管徑變化的影響，沖擊波在管內(nèi)的傳播速度

式中E0——液壓油的體積彈性模量（Pa），其推薦值為E0=700MPa；

δ、d——管道的壁厚和內(nèi)徑（m）；

E——管道材料的彈性模量（Pa），常見管道材料彈性模量：鋼E=2.1×1011Pa，紫銅E=1.18×1011Pa。

2）急劇改變液壓缸運(yùn)動速度時(shí)，由于液體及運(yùn)動機(jī)構(gòu)的慣性作用而引起的壓力沖擊，其壓力的增大值為

式中——液流第i段管道的長度（m）；

Ai——第i段管道的截面積（m2）；

A——液壓缸活塞面積（m2）；

M——與活塞連動的運(yùn)動部件質(zhì)量（kg）；

△υ——液壓缸的速度變化量（m/s）；

t——液壓缸速度變化△υ所需時(shí)間（s）。

計(jì)算出沖擊壓力后，此壓力與管道的靜態(tài)壓力之和即為此時(shí)管道的實(shí)際壓力。實(shí)際壓力若比初始設(shè)計(jì)壓力大得多時(shí)，要重新校核一下相應(yīng)部件管道的強(qiáng)度及閥件的承壓能力，如不滿足，要重新調(diào)整。四、設(shè)計(jì)液壓裝置，編制技術(shù)文件

6.1液壓裝置總體布局

液壓系統(tǒng)總體布局有集中式、分散式。

集中式結(jié)構(gòu)是將整個(gè)設(shè)備液壓系統(tǒng)的油源、控制閥部分獨(dú)立設(shè)置于主機(jī)之外或安裝在地下，組成液壓站。如冷軋機(jī)、鍛壓機(jī)、電弧爐等有強(qiáng)烈熱源和煙塵污染的冶金設(shè)備，一般都是采用集中供油方式。

分散式結(jié)構(gòu)是把液壓系統(tǒng)中液壓泵、控制調(diào)節(jié)裝置分別安裝在設(shè)備上適當(dāng)?shù)牡胤?。機(jī)床、工程機(jī)械等可移動式設(shè)備一般都采用這種結(jié)構(gòu)。

6.2液壓閥的配置形式

1）板式配置板式配置是把板式液壓元件用螺釘固定在平板上，板上鉆有與閥口對應(yīng)的孔，經(jīng)過管接頭聯(lián)接油管而將各閥按系統(tǒng)圖接通。這種配置可根據(jù)需要靈活改變回路形式。液壓實(shí)驗(yàn)臺等普遍采用這種配置。

2）集成式配置當(dāng)前液壓系統(tǒng)大多數(shù)都采用集成形式。它是將液壓閥件安裝在集成塊上，集成塊一方面起安裝底板作用，另一方面起內(nèi)部油路作用。這種配置結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便。

6.3集成塊設(shè)計(jì)

1）塊體結(jié)構(gòu)集成塊的材料一般為鑄鐵或鍛鋼，低壓固定設(shè)備可用鑄鐵，高壓強(qiáng)振場合要用鍛鋼。塊體加工成正方體或長方體。

對于較簡單的液壓系統(tǒng)，其閥件較少，可安裝在同一個(gè)集成塊上。如果液壓系統(tǒng)復(fù)雜，控制閥較多，就要采取多個(gè)集成塊疊積的形式。

相互疊積的集成塊，上下面一般為疊積接合面，鉆有公共壓力油孔P，公用回油孔T，泄漏油孔L和4個(gè)用以疊積緊固的螺栓孔。

P孔，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入公用壓力油孔P，作為供給各單元回路壓力油的公用油源。

T孔，各單元回路的回油均通到公用回油孔T，流回到油箱。

L孔，各液壓閥的泄漏油，統(tǒng)一經(jīng)過公用泄漏油孔流回油箱。

集成塊的其余四個(gè)表面，一般后面接通液壓執(zhí)行元件的油管，另三個(gè)面用以安裝液壓閥。塊體內(nèi)部按系統(tǒng)圖的要求，鉆有溝通各閥的孔道。

2）集成塊結(jié)構(gòu)尺寸的確定外形尺寸要求滿足閥件的安裝，孔道布置及其它工藝要求。為減少工藝孔，縮短孔道長度，閥的安裝位置要仔細(xì)考慮，使相通油孔盡量在同一水平面或是同一豎直面上。對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，需要多個(gè)集成塊疊積時(shí)，一定要保證三個(gè)公用油孔的坐標(biāo)相同，使之疊積起來后形成三個(gè)主通道。

各通油孔的內(nèi)徑要滿足允許流速的要求，具體參照本章4.4節(jié)確定孔徑。一般來說，與閥直接相通的孔徑應(yīng)等于所裝閥的油孔通徑。

油孔之間的壁厚δ不能太小，一方面防止使用過程中，由于油的壓力而擊穿，另一方面避免加工時(shí)，因油孔的偏斜而誤通。對于中低壓系統(tǒng)，δ不得小于5mm，高壓系統(tǒng)應(yīng)更大些。

6.4繪制正式工作圖，編寫技術(shù)文件

液壓系統(tǒng)完全確定后，要正規(guī)地繪出液壓系統(tǒng)圖。除用元件圖形符號表示的原理圖外，還包括動作循環(huán)表和元件的規(guī)格型號表。圖中各元件一般按系統(tǒng)停止位置表示，如特殊需要，也能夠按某時(shí)刻運(yùn)動狀態(tài)畫出，但要加以說明。

裝配圖包括泵站裝配圖，管路布置圖，操縱機(jī)構(gòu)裝配圖，電氣系統(tǒng)圖等。

技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)說明書和設(shè)備的使用、維護(hù)說明書等。進(jìn)行工況分析、確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

經(jīng)過工況分析，能夠看出液壓執(zhí)行元件在工作過程中速度和載荷變化情況，為確定系統(tǒng)及各執(zhí)行元件的參數(shù)提供依據(jù)。

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。

2.1載荷的組成和計(jì)算

2.1.1液壓缸的載荷組成與計(jì)算

圖1表示一個(gè)以液壓缸為執(zhí)行元件的液壓系統(tǒng)計(jì)算簡圖。各有關(guān)參數(shù)標(biāo)注圖上，其中FW是作用在活塞桿上的外部載荷，F(xiàn)m中活塞與缸壁以及活塞桿與導(dǎo)向套之間的密封阻力。

圖1液壓系統(tǒng)計(jì)算簡圖

作用在活塞桿上的外部載荷包括工作載荷Fg，導(dǎo)軌的摩擦力Ff和由于速度變化而產(chǎn)生的慣性力Fa。

（1）工作載荷Fg

常見的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力、切削力、擠壓力等。這些作用力的方向如與活塞運(yùn)動方向相同為負(fù)，相反為正。

（2）導(dǎo)軌摩擦載荷Ff

對于平導(dǎo)軌

（1）

對于V型導(dǎo)軌

（2）

式中G——運(yùn)動部件所受的重力（N）；

FN——外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（N）；

μ——摩擦系數(shù)，見表1；

α——V型導(dǎo)軌的夾角，一般為90°。

（3）慣性載荷Fa表1摩擦系數(shù)μ導(dǎo)軌類型導(dǎo)軌材料運(yùn)動狀態(tài)摩擦系數(shù)滑動導(dǎo)軌鑄鐵對鑄鐵起動時(shí)0.15～0.20低速（υ＜0.16m/s)0.1～0.12高速（υ＞0.16m/s）0.05～0.08滾動導(dǎo)軌鑄鐵對滾柱（珠）

0.005～0.02淬火鋼導(dǎo)軌對滾柱0.003～0.006靜壓導(dǎo)軌鑄鐵

0.005

式中

g——重力加速度；g=9.81m/s2；

△υ——速度變化量（m/s）；

△t——起動或制動時(shí)間（s）。一般機(jī)械△t=0.1～0.5s，對輕載低速運(yùn)動部件取小值，對重載高速部件取大值。行走機(jī)械一般取=0.5～1.5m/s2。

以上三種載荷之和稱為液壓缸的外載荷FW。

起動加速時(shí)FW=Fg+Ff+Fa

（4）

穩(wěn)態(tài)運(yùn)動時(shí)FW=Fg+Ff

（5）

減速制動時(shí)FW=Fg+Ff-Fa

（6）

工作載荷Fg并非每階段都存在，如該階段沒有工作，則Fg=0。

除外載荷FW外，作用于活塞上的載荷F還包括液壓缸密封處的摩擦阻力Fm，由于各種缸的密封材質(zhì)和密封形成不同，密封阻力難以精確計(jì)算，一般估算為

（7）

式中ηm——液壓缸的機(jī)械效率，一般取0.90～0.95。

（8）

2.1.2液壓馬達(dá)載荷力矩的組成與計(jì)算

（1）工作載荷力矩Tg

常見的載荷力矩有被驅(qū)動輪的阻力矩、液壓卷筒的阻力矩等。

（2）軸頸摩擦力矩TfTf=μGr

（9）

式中G——旋轉(zhuǎn)部件施加于軸勁上的徑向力（N）；

μ——摩擦系數(shù)，參考表1選用；

r——旋轉(zhuǎn)軸的半徑（m）。

（3）慣性力矩Ta

（10）

式中ε——角加速度（rad/s2）；

△ω——角速度變化量（rad/s）；

△t——起動或制動時(shí)間（s）；

J——回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）。

起動加速時(shí)

（11）

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)

（12）

減速制動時(shí)

（13）

計(jì)算液壓馬達(dá)載荷轉(zhuǎn)矩T時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηm（ηm=0.9～0.99）。

（14）

根據(jù)液壓缸或液壓馬達(dá)各階段的載荷，繪制出執(zhí)行元件的載荷循環(huán)圖，以便進(jìn)一步選擇系統(tǒng)工作壓力和確定其它有關(guān)參數(shù)。

2.2初選系統(tǒng)工作壓力

壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看出不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力能夠選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。具體選擇可參考表2和表3。

2.3計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達(dá)的排量

（1）計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸

液壓缸有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見圖2。圖a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，圖b活塞桿工作在受拉狀態(tài)。

活塞桿受壓時(shí)

（15）

活塞桿受壓時(shí)

（16）式中——無桿腔活塞有效作用面積（m2）；

——有桿腔活塞有效作用面積（m2）；

p1——液壓缸工作腔壓力（Pa）；

p2——液壓缸回油腔壓力（Pa），即背壓力。其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表4取值。差動連接時(shí)要另行考慮；

D——活塞直徑（m）；

d——活塞桿直徑（m）。

圖2液壓缸主要設(shè)計(jì)參數(shù)表2按載荷選擇工作壓力載荷/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50工作壓力/MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5≥5表3各種機(jī)械常見的系統(tǒng)工作壓力機(jī)械類型機(jī)床家業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械建筑機(jī)械液壓鑿巖機(jī)液壓機(jī)大中型挖掘機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械磨床組合機(jī)床龍門創(chuàng)床拉床工作壓力/MPa0.8～23～52～88～1010～1820～32表4執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型背壓力/MPa簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)0.2～0.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)0.4～0.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)0.5～1.5用補(bǔ)油泵的閉式回路0.8～1.5回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械1.2～3回油路較短，且直接回油箱可忽略不計(jì)

一般，液壓缸在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為

（17）

運(yùn)用式（17）須事先確定A1與A2的關(guān)系，或是活塞桿徑d與活塞直徑D的關(guān)系，令桿徑比φ=d/D，其比值可按表5和表6選取。