液压与气压传动第4版,液压传动系统的设计是整机设计的一部分，它的任务是根据整机的用途、特点和要求，明确整机对液压系统设计的要求，进行工况分析、确定液压系统主要参数，拟定出合理的液压系统原理图，计算和选择液压元件的规格，验算液压系统的性能，绘制工作图、编制技术文件。 第一节 液压系统设计的步骤 第二节 明确设计要求、进行工况分析 第三节 拟定液压系统原理图 第四节 液压元件的计算和选择 第五节 液压系统的性能验算 第六节 绘制工作图和编制技术文件 本章小结,第八章 液压系统设计,第一节 液压系统设计的步骤,液压系统设计的步骤，随设计的实际情况、设计者的经验而各有差异，有时需要穿插进行，交叉展开。对某些比较复杂的液压系统，需要经过多次反复比较，才能最后确定。但其基本内容是一致的，其步骤为： 1)明确设计要求，进行工况分析； 2)拟定液压系统原理图； 3)液压元件的计算和选择； 4)液压系统的性能验算； 5)绘制工作图和编制技术文件。,第二节 明确设计要求、进行工况分析,一、明确设计要求 液压系统设计任务书中规定的各项要求是液压系统设计的依据，设计时必须明确： （1）液压系统的动作要求 液压传动系统应该完成的运动、运动的方式、工作循环和动作周期，以及同步、互锁和配合要求等。 （2）液压系统的性能要求 负载条件，速度要求，工作行程，运动平稳性和精度，工作可靠性等。 （3）液压系统工作环境要求 环境温度、湿度、尘埃、通风情况，以及易燃易爆、振动、安装空间等情况。 二、进行工况分析 液压系统工况分析是指对液压执行元件的工作情况进行分析，即运动分析和负载分析，主要是了解工作过程中执行元件在各个工作阶段中的流量、压力和功率的变化规律，并将该规律用曲线表示出来，作为确定液压系统主要参数，拟定液压系统方案的依据。,1.运动分析 按工作要求和执行元件的运动规律，绘制执行元件的工作循环图和速度循环图。图8-1为某组合机床动力滑台的运动分析图。其中，图8-1a为动力滑台工作循环图。图8-1b为动力滑台速度位移（时间）曲线图。 2.负载分析 绘制执行元件的负载循环图。 图8-2为某组合机床动力滑台的负载位移（时间）曲线图。 绘制负载循环图时，应具体分析并计算执行元件所承受的负载。,图8-1 动力滑台的运动分析图,做往复直线运动的液压缸所承受的工作负载F（N）为: F= Fq + Fu + Fa + FG + Fm + Fb (8-1) 式中：Fq为切削负载 Fu为导轨摩擦负载 Fa为惯性负载 FG为重力负载 Fm 为密封阻力负载 Fb 为背压负载,图8-2 动力滑台的负载位移（时间）曲线图,Fq为切削负载，是指沿液压缸运动方向的切削分力，切削分力与运动方向相反为正值，相同为负值。 Fu为导轨摩擦负载，它与导轨的形状、受力大小以及摩擦系数有关。 对于平导轨： Fu = N (8-2) 对于V形导轨： Fu= N/sin(/2) (8-3) 式中，N 为作用在导轨上的正压力（N）；为V形导轨的夹角；为导轨的摩擦系数，见表8-1。,Fa为惯性负载： 式中，G为运动部件所受的重力（N）； g为重力加速度（m/s2）；v为速度变化量（m/s）；t为启动或者制动时间（s）；一般机械 t =0.10.5s，行走机械 t =0.51.5s 。 FG为重力负载，垂直放置的工作部件向上移动时为正值，向下移动时为负值，水平放置的工作部件为零。 Fm 为密封阻力负载，其值一密封装置的类型、液压缸的制造质量、密封装置装配状况以及液压缸的工作压力有关。常取Fm = 0.1F，或者计入液压缸机械效率cm，并取cm =0.9 0.95。 Fb为背压负载，初算时暂不考虑。 以上切削负载Fq 、导轨摩擦负载Fu 、惯性负载Fa 、重力负载FG为外负载，密封阻力负载Fm 、背压负载Fb 为内负载。密封阻力负载Fm与密封装置的类型、液压缸的制造质量、密封装置装配状况以及液压缸的工作压力有关，取Fm = 0.1F，或者计入液压缸机械效率cm，并取cm =0.9 0.95。背压负载Fb 在初算时暂不考虑。,液压缸在各个工作阶段的工作负载应该分析如下： 启动时： F = （ Fuj FG ）/ cm (8-5) 加速时： F = （ Fud FG + Fa）/ cm (8-6) 快进时： F = （ Fud FG ）/ cm (8-7) 工进时： F = （ Fq + Fud FG ）/ cm (8-8) 快退时： F = （ Fud FG ）/ cm (8-9) 若执行机构为液压马达，其负载力矩计算方法与液压缸相类似。,3.执行元件的参数确定 1）选定工作压力 当负载确定后，工作压力的选定决定了液压系统的经济性和合理性。若工作压力低，则执行元件的尺寸就大，完成给定速度所需要的流量就大；若工作压力过高，则密封要求就高，元件的压力等级高，所以应根据实际情况选取适当的工作压力。常用类比法或者负载法选取，见表8-2和表8-3。 2）确定执行元件的几何参数 对于液压缸来说， 它的几何参数是有效工作面积A，对于液压马达来说就是排量V。 液压缸有效工作面积A（m2）为 A = F / p (8-10) 公式中，F 为液压缸工作负载（N）；p为液压缸工作压力（Pa） 由计算出的工作面积A可以用来确定液压缸的缸筒内径D、活塞杆直径d。 对于有低速稳定性要求的设备，还应该按液压缸所要求的最低稳定速度来验算，即 A qmin / vmin (8-11) 式中， qmin 为流量阀最小稳定流量，可以由产品样本查得（m3/s）; vmin 为液压缸最低速度（m/s）；,3）编制液压执行元件工况图 根据负载图（或者负载转矩图）和液压执行元件的有效工作面积（或排量）就可以编制 液压执行元件工况图，即压力图、流量图、功 率图。图8-3为某组合机床液压缸工况图，其中 图8-3a为压力图，图8-3b为流量图，图8-3c为功 率图。根据工况图可以直观地、方便地找出最 大工作压力、最大流量和最大功率，根据这些 参数即可选择液压泵、液压阀以及其电动机。,图8-3为某组合机床液压缸工况图,第三节 拟定液压系统原理图 拟定液压系统原理图是液压系统设计中最重要的一环，一般的方法是：根据设备的性能要求选择合理的液压基本回路，再将基本回路组合成完成的液压系统。基本回路的性能直接影响整个液压系统的性能，应合理应用各基本回路，多考虑几个方案，进行综合分析比较。 一、液压回路的选择 (1)确定供油方式 一般根据液压系统的工作压力、流量、转速、效率、定量或者变量来选择液压泵。表8-4为液压泵种类和特性比较、表8-5为定量泵与变量泵比较。 (2)确定调速方法 选择调速方法时，除了满足工艺上提出的速度要求外，还应考虑液压系统的功率、调速范围、速度刚性、温升、经济性等要求，表8-6为各种调速方法的应用比较。 (3)速度换接回路选择 速度换接回路的形式常用行程阀或者电磁阀来实现。表8-7为采用行程阀或者电磁阀回路的比较。,(4)换向回路选择 根据执行元件对换向性能要求，选择换向阀机能和控制方式，表8-8为换向阀控制方式的比较。 (5)压力控制回路选择 节流调速中，常用溢流阀组成恒压控制回路。 容积调速和容积节流调速中，常用溢流阀组成限压安全保护回路。 (6)其他回路的设置 根据液压系统要求，可以设置卸荷回路、减压回路、增压回路、多级调压回路、远程调压回路、顺序动作回路、同步回路等等。 二、基本回路组合成液压系统 液压基本回路确定之后，即可综合成完整的液压系统，在综合过程中应该注意以下几点： 1）综合成的液压系统应该保证其循环时的每一个动作都安全可靠、相互间互不干涉。 2）综合成的液压系统应该尽量选用标准元件，力求做到系统结构简单。 3）尽可能使液压系统经济合理，便于维修检测。,第四节 液压元件的计算和选择 初步拟定液压系统原理图后，便可以进行液压元件的计算和选择，也就是通过计算各液压元件在工作中承受的压力和通过的流量，来确定各元件的规格和型号。 一、液压泵的选择 先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型（已确定），然后根据液压泵的最高供油压力和最大供油量来选择液压泵的规格。 1确定液压泵的最高工作压力pp 执行元件最大工作压力pmax 的出现有两种情况:其一是执行元件在运动行程终了,停止运动时（如液压机、夹紧缸）出现；其二是执行元件在运动过程中（如机床、提升机）出现。确定液压泵的最高工作压力pp ,就应该分别对待： 对于第一种情况： pp pmax （8-12） 对于第二种情况： pp pmax + P （8-13） 公式中， pmax为执行元件的最大工作压力，P 为管路总压力损失。 初步估算时，一般节流调速和管路简单的系统取P =0.20.5Mpa ；有调速阀和管路比较复杂的系统取P = 0.51.5Mpa。,2确定液压泵的最大供油量qp qpKqmax (8-14) 式中，K 为系统泄漏系数，一般取K =1.11.3 ；qmax 为同时工作的执行元件流量之和和最大值。对于节流调速系统，如果最大供油量出现在调速时，尚需加溢流阀的最小溢流量0.05m/s3 ,来保持溢流阀溢流稳压状况。 3选择液压泵规格 1）液压泵的额定压力pn pn (1.25 1.6)pp (8-15) 以保证液压泵安全可靠和有一定的压力储备。 2）液压泵额定流量qn qn qp (8-16) 4确定液压泵驱动功率 1）使用定量泵时pn (W) pn pq/p (8-17) 式中，p为液压泵的工作压力(Pa)；q为液压泵流量（m/s3）；p 为液压泵的总效率。 2）使用限压式变量泵时pn (W)（按最大功率点估算） pn pBqB/p (8-18) 式中，pB为限压式变量泵拐点压力(Pa)；qB为限压式变量泵拐点流量（m/s3）；p 为液压泵的总效率。,二、阀类元件选择 液压泵的规格型号确定之后，参照液压系统原理图可以估算出各控制阀承受的最大工作压力和实际最大流量，查产品样本确定阀的型号规格。 一般要求选定的阀类元件的公称压力和流量大于系统最高工作压力和通过该阀的实际最大流量，但不超过20%，流量阀按系统中流量调节范围来选取，其最小稳定流量应该能满足执行元件最低稳定速度的要求。 三、液压辅助元件选择 根据液压系统对各辅助元件的要求，按第四章内容进行选择。 第五节 液压系统的性能验算 一、液压系统压力损失的验算 前面已经初步确定了管路的总压力损失P，当时由于系统还没有完全设计完毕，管道的设置也没有确定，因此只是粗略估算。 当液压系统的元件型号、管路布置等确定后，需要验算管路的总压力损失P，看其是否与初步确定值相符，并可借此比较准确的确定泵的工作压力，比较准确的调节变量泵或者压力阀的调整压力，保证系统的工作性能，若计算结果与初步确定值相差比较大的时候，则可对原设计进行修正。,1.管路压力损失计算 管路内的压力损失包括沿程损失P、局部损失P1 、阀类元件的局部损失P2 即 P = P +P1 +P2 公式中的P 、P1 、P2 可以按照第一章中有关公式和数据进行计算。 实用中：管路计算简单而且短时，P 、P1 这些数值比较小，常省略不计，当管路比较长时应计算。计算时先进行流态判断，以确定流态为层流，再用经验公式计算P（Mpa） P = 80ql/d4 （8-19） 式中，为油液粘度（cm2/s）；q 为通过管路的流