液压系统的设计方法

液压与气压传动课程设计指导书

液压系统的设计是整机设计的重要组成部分,主要任务是综合运用前面各章的基础知识,学习液压系统的设计步骤、内容和方法。通过学习，能根据工作要求确定液压系统的主要参数、系统原理图，能进行必要的设计计算，合理地选择和确定液压元件，对所设计的液压系统性能进行校验算，为进一步进行液压系统结构设计打下基础。

液压系统的设计步骤和内容大致如下： (1)明确设计要求，进行工况分析； (2)确定液压系统的主要性能参数； (3)拟订液压系统原理图； (4)计算和选择液压元件； (5)验算液压系统的性能； (6)液压缸设计；

（7）绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设计任务书。 以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插、交叉进行的。对某些复杂的问题，需要进行多次反复才能最后确定。在设计某些较简单的液压系统时，有些步骤可合并和简化处理。

1 明确设计要求，进行工况分析 1.1 明确设计要求

对液压系统的设计要求是设计液压系统的依据，设计前必须将它搞清楚。明确设计要求往往从以下几个方面考虑：

1.1.1主机的概况了解

一般液压系统是为主机配套的，因此明确设计要求一般应从了解主机开始。了解主机概况一般从以下几方面着手：

1）主机的用途、总体布局、主要结构，主机对液压装置的位置和空间尺寸

的限制。

2）主机的工艺流程或工作循环、技术参数与性能要求。 3）作业环境与条件等。

1.1.2明确主机对液压系统提出的任务和要求

1） 主机要求液压系统完成的动作和功能，执行元件的运动方式（转动、移动或摆动）、动作循环及其工作范围。

2） 外界负载大小、性质及变化范围，执行元件运动速度大小及变化范围。 3） 各液压执行元件的动作顺序、转换及互锁要求。

4） 对液压系统的工作性能方面的要求，如运动平稳性、定位和转换精度、停留时间、自动化程度、工作效率、噪声等方面的要求，对于高精度、高生产率的自动化主机，不仅会对液压系统提出静态性能指标，往往还会提出动态性能指标。

1.1.3明确其它要求

1） 明确液压系统的工作条件和环境条件，如环境的温度、湿度、污染和振动冲击情况。有无腐蚀性和易燃性物质存在，这牵涉到液压元件和工作介质的选用，也牵涉到所需采用的防护措施等。

2）对液压系统的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。

1.2工况分析

工况分析就是要分析执行元件在整个工作过程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各动作阶段的速度和负载的大小，画出速度图和负载图（简单系统可不画）。从这两张图中可以方便地看出系统对液压执行元件作用的负载和速度的要求及它们的变化范围，还可方便地确定最大负载值、最大速度值，以及它们所在的工作阶段，这是确定液压系统方案、确定液压系统性能参数和执行元件结构参数的主要依据。 1.2.1速度分析 速度图

速度分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的速度进行分析，速度图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。速度图一般用速度—时间（v—t）或速度—位移（v—l）曲线表示。图1（a）为一机床进给油缸的动作循环图例，及图1（b）是其相应的速度图例。

1.2.2负载分析与负载图

负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析，负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载—时间（F—t）或负载—位移（F—l）曲线表示。

1）液压缸的负载分析

液压缸在做直线往复运动时，要克服以下负载：工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载，后两种属于内负载。在不同的动作阶段，负载的类型和大小是不同的。下面分别予以讨论。

（1） 启动阶段

启动阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态，其负载F由以下2项组成

式中 Ffs——静摩擦力；

Fn——作用在摩擦面（如导轨面或支承面）上的正压力；

fs——摩擦面的静摩擦系数，其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关

（见表1）；

FG——垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量，工作

部件向上运动时为正负载，向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时，则FG=0。

(2) 加速阶段

加速阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速（一般为非工作阶段的快速运动）阶段，这时的负载F由下式计算

式中 Ffd——动摩擦力;

fd——动摩擦系数(见表1)；

Fm——惯性阻力,这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加

速（或制动减速）过程中得到惯性阻力, 其值可按牛顿第二定律求出，加速时阻力为正，制动减速时为负；

△v——速度的改变量，即恒速值；

△t——启动或制动时间，机床一般取△t =0.01~0.5s，轻载低速运动部

件取小值，重载高速运动部件取大值。行走机械可取△v / △t =0.5~1.5m/s2；

G——运动部件的重量； g——重力加速度。

表1 导轨摩擦系数 导轨种类 导轨材料 工作状态 摩擦系数 启动 0.16~0.2 铸铁对铸铁 低速运动（v<10m/0.1~0.12 滑动导轨 min） 高速运动（v>10m/0.05~0.08 min） 自润滑尼龙 低速中载(也可润0.12 滑) 金属兼复合材料 0.042~0.15 铸铁导轨+滚珠(柱) 淬火钢导轨+滚珠(柱) 静压导轨 铸铁 气浮导轨 铸铁、钢或大理石 （3） 恒速阶段 该阶段负载由下式决定 滚动导轨 0．005~0.02 0.003~0.006 0.005 0.001

式中 FL——工作负载，如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值，

相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0.

（4） 制动阶段 该阶段负载由下式决定

上述四个动作阶段，在液压缸的反向运动中，也都存在，只是在快退过程中不存在工作行程，因此整个快退恒速阶段取FL =0。

以上计算均是计算液压缸的外负载，要计算液压缸的总负载力，还应计算液压缸的内负载力，即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零件在相对运动中产生的密封摩擦力, 其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关，具体计算比较繁琐，一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率（ηm）中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力，它是由回油管路上的液压阻力决定的。在系统方案与结构尚未确定前，它是无法计算的。在液压缸尺寸已知的情况下，可根据表2所示的经验数据进行估算。一般可先忽略不计，待系统回路和液压执行元件结构尺寸确定时再将其计算进去。

根据上述各阶段得到负载及其所经历的移动行程（或时间），便可归纳绘出液压缸的负载图（F-l图或F-t图），如图2所示为一机床进给系统的负载图例。图中的最大负载值将是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构参数时的依据。

表2 液压系统中背压力的经验数据 系统类型 背压/MPa 简单系统和一般轻载的节流调速0.2 ~ 0.5 中、低压系统 系统 （0~8MPa） 回油路带调速阀的节流调速系统 0.5 ~ 0.8 回油路带背压阀 0.5 ~1.5 中、高压系统（8~16MPa） 高压系统（16~32MPa） 采用带补油泵的闭式回路 同上 如锻压机械系统 0.8~1.5 比中、低压系统高（50~100）% 初算时背压可忽略不计

1.2.3液压马达的负载分析

当系统以液压马达作为执行元件时，应计算各阶段折算到液压马达轴上的总负载转矩T。这负载转矩应包含三项之和：TL——工作负载折算到马达轴上的等效转矩，Tf——执行机构上的摩擦力（力矩）折算到马达轴上的等效转矩，Tm——执行机构、传动机构、液压马达轴等在启动和制动时折算到马达轴上的等效惯性力矩。即

将式（1）-（4）中的力的计算换成相应的力矩的计算式，即可得到液压马达在各个动作阶段的负载力矩计算式，并可画出相应的负载转矩图。 2液压系统主要性能参数的确定

这里，液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力p和最大流量Ｑ，它们均与执行元件的结构参数（即液压缸的有效工作面积或液压马达的排量）有关。液压执行元件的工作压力和最大流量是计算与选择液压元件、原动机（电机），进行液压系统设计的主要依据。

2.1液压执行元件工作压力的确定

液压执行元件的工作压力是指液压执行元件的输入压力。在确定液压执行元件的结构尺寸时，一般要先选择好液压执行元件的工作压力。工作压力选得低，执行元件的尺寸则大，整个液压系统所需的流量和结构尺寸也会变大，但液压元件的制造精度、密封要求与维护要求将会降低。压力选得愈高，结果则相反。因此执行元件的工作压力的选取将直接关系到液压系统的结构大小、成本高低和使

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