液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

本章提要

本章介紹設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本步驟和方法，對(duì)于一般的液壓系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)步驟：

①明確設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行工況分析；②擬定液壓系統(tǒng)原理圖；③計(jì)算和選擇液壓元件；④發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算；⑤繪制工作圖，編寫(xiě)技術(shù)文件。上述工作大部分情況下要穿插、交叉進(jìn)行，對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能最后確定；在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)時(shí)，有些步驟可以合并或省略。通過(guò)本章學(xué)習(xí)，要求對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、步驟、方法有一個(gè)基本的了解。

液壓傳動(dòng)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(dòng)作循環(huán)和靜、動(dòng)態(tài)性能等方面的要求外，還應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的繁簡(jiǎn)、借鑒的資料多少和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的不同，在做法上有所差異。各部分的設(shè)計(jì)有時(shí)還要交替進(jìn)行，甚至要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能完成。

下面對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟予以介紹。10.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算10.1.1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(dòng)作和性能要求主要有：運(yùn)動(dòng)方式、行程、速度范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動(dòng)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(mǎn)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。10.1.1.1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(xiàn)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。10.1.1.2執(zhí)行元件的工況分析

負(fù)載圖速度圖(1)工作負(fù)載

不同的機(jī)器有不同的工作負(fù)載。工作負(fù)載與液壓缸運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)為正值，方向相同時(shí)為負(fù)值。

導(dǎo)向摩擦負(fù)載是指液壓缸驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件時(shí)所受的導(dǎo)軌摩擦阻力。(2)導(dǎo)向摩擦負(fù)載

慣性負(fù)載是運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)加速或制動(dòng)減速時(shí)的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。(3)慣性負(fù)載

(4)重力負(fù)載

密封負(fù)載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過(guò)液壓缸的機(jī)械效率加以考慮，常取機(jī)械效率值為0.90~0.97。(5)密封負(fù)載背壓負(fù)載是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。(6)背壓負(fù)載液壓缸各個(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(dòng)加速階段:快速階段:

工進(jìn)階段:

制動(dòng)減速:

（10.4）

（10.5）

（10.6）

（10.7）

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(duì)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。10.1.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定10.1.2.1確定油路類(lèi)型

一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開(kāi)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(lái)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(kāi)式油路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路。

根據(jù)各類(lèi)主機(jī)的工作特點(diǎn)、負(fù)載性質(zhì)和性能要求，先確定對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路；慣性負(fù)載較大的系統(tǒng)要考慮緩沖制動(dòng)回路。有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮順序動(dòng)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。10.1.2.2選擇液壓回路

將挑選出來(lái)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(jiǎn)單，工作安全可靠、動(dòng)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。10.1.2.3繪制液壓系統(tǒng)原理圖10.1.3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。10.1.3.1執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的確定運(yùn)動(dòng)形式往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)短行程長(zhǎng)行程高速低速建議采用的執(zhí)行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達(dá)與齒輪/齒條或螺母/絲杠機(jī)構(gòu)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(dòng)液壓缸表10.1 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(duì)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(huì)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（2）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(duì)有低速運(yùn)動(dòng)要求的系統(tǒng)，尚需對(duì)液壓缸有效工作面積進(jìn)行驗(yàn)算，即應(yīng)保證：（10.8）

驗(yàn)算結(jié)果若不能滿(mǎn)足式（10.8），則說(shuō)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；—控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量；—液壓缸要求達(dá)到的最低工作速度。（3）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(lái)以后，要按系列標(biāo)準(zhǔn)圓整，有必要根據(jù)圓整值對(duì)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(méi)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(duì)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（10.10）式中 ：F—液壓缸在各工作階段的最大機(jī)械總負(fù)載；、—分別為缸無(wú)桿腔和有桿腔的有效面積； —液壓缸回油路的背壓。（10.9）無(wú)桿腔進(jìn)油工進(jìn)階段（4）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(duì)時(shí)間或位移的變化曲線(xiàn)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(duì)于簡(jiǎn)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(lèi)型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來(lái)選擇液壓泵的規(guī)格。10.1.3.2選擇液壓泵（10.11）

式中: —執(zhí)行元件的最高工作壓力； —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