液压传动系统设计与计算说课材料.docx
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液压传动系统设计与计算说课材料
液压传动系统设计与计算
第九章液压传动系统设计与计算
液压系统设计的步骤大致如下：
1.明确设计要求，进行工况分析。
2.初定液压系统的主要参数。
3.拟定液压系统原理图。
4.计算和选择液压元件。
5.估算液压系统性能。
6.绘制工作图和编写技术文件。
根据液压系统的具体内容，上述设计步骤可能会有所不同，下面对各步骤的具体内容进行介绍。
第一节明确设计要求进行工况分析
在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。
1.主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。
2.主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。
3.液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。
图9-1位移循环图
在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。
一、运动分析
主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图（L—t），速度循环图（v—t），或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。
1.位移循环图L—t
图9-1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。
该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。
2.速度循环图v—t（或v—L）
工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。
图9-2为三种类型液压缸的v—t图，第一种如图9-2中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，
图9-2速度循环图
最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。
v—t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。
二、动力分析
动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。
1.液压缸的负载及负载循环图
（1）液压缸的负载力计算。
工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成：
F=Fc+Ff+Fi+FG+Fm+Fb（9-1）
式中：
Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm为密封阻力；Fb为排油阻力。
图9-3导轨形式
①切削阻力Fc：
为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为正值，两者同向为负值。
该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要根据具体情况计算或由实验测定。
②摩擦阻力Ff：
为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其
计算方法可查有关的设计手册。
图9-3为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：
平导轨：
Ff=f∑Fn（9-2）
V形导轨：
Ff=f∑Fn/[sin（α/2）]（9-3）
式中：
f为摩擦因数，参阅表9-1选取；∑Fn为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；α为V形角，一般为90°。
③惯性阻力Fi。
惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算：
（9-4）
表9-1摩擦因数f
导轨类型
导轨材料
运动状态
摩擦因数（f）
滑动导轨
铸铁对铸铁
启动时
低速（v＜0.16m/s）高速（v＞0.16m/s）
0.15～0.200.1～0.120.05～0.08
滚动导轨
铸铁对滚柱（珠）淬火钢导轨对滚柱（珠）
0.005～0.020.003～0.006
静压导轨
铸铁
0.005
式中：
m为运动部件的质量（kg）；a为运动部件的加速度（m/s2）；G为运动部件的重量（N）；g为重力加速度，g=9.81（m/s2）；Δv为速度变化值（m/s）；
Δt为启动或制动时间（s），一般机床Δt＝0.1～0.5s，运动部件重量大的取大值。
④重力FG：
垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移时，负载为正值，下移时为负值。
⑤密封阻力Fm：
密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。
在初算时，可按缸的机械效率（ηm=0.9）考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。
⑥排油阻力Fb：
排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。
（2）液压缸运动循环各阶段的总负载力。
液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。
①启动加速阶段：
这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力（按缸的机械效率ηm=0.9计算）、重力和惯性力等项，即：
F=Ff+Fi±FG+Fm+Fb（9-5）
②快速阶段：
F=Ff±FG+Fm+Fb（9-6）
③工进阶段：
F=Ff+Fc±FG+Fm+Fb（9-7）
④减速：
F=Ff±FG-Fi+Fm+Fb（9-8）
对简单液压系统，上述计算过程可简化。
例如采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。
（3）液压缸的负载循环图。
对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸（或液压马达）的速度和负载的
变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间（F—t）或负载位移（F—L）图，然后将各液压缸在同一时间t（或位移）的负载力叠加。
图9-4负载循环图
图9-4为一部机器的F—t图，其中：
0～t1为启动过程；t1～t2为加速过程；t2～t3为恒速过程；t3～t4为制动过程。
它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。
图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。
2.液压马达的负载
工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为：
M=Me+Mf+Mi（9-9）
（1）工作负载力矩Me。
工作负载力矩可能是定值，也可能随时间变化，应根据机器工作条件进行具体分析。
（2）摩擦力矩Mf。
为旋转部件轴颈处的摩擦力矩，其计算公式为：
Mf=GfR（N·m）（9-10）
式中：
G为旋转部件的重量（N）；f为摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；R为轴颈半径（m）。
（3）惯性力矩Mi。
为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩，其计算公式为：
Mi=Jε=J
（N·m）（9-11）
式中：
ε为角加速度（r/s2）；Δω为角速度的变化（r/s）；Δt为加速或减速时间（s）；J为旋转部件的转动惯量（kg·m2），J=1GD2/4g。
式中：
GD2为回转部件的飞轮效应（Nm2）。
各种回转体的GD2可查《机械设计手册》。
根据式（9-9），分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小，便可绘制液压马达的负载循环图。
第二节确定液压系统主要参数
一、液压缸的设计计算
1.初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：
（1）各类设备的不同特点和使用场合。
（2）考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。
所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：
一是根据机械类型选；二是根据切削负载选。
如表9-2、表9-3所示。
表9-2按负载选执行文件的工作压力
负载/N
＜5000
500～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作压力/MPa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表9-3按机械类型选执行文件的工作压力
机械类型
机床
农业机械
工程机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
a≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
2.液压缸主要尺寸的计算
缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算，详见第四章第二节。
3.液压缸的流量计算
液压缸的最大流量：
qmax=A·vmax（m3/s）（9-12）
式中：
A为液压缸的有效面积A1或A2（m2）；vmax为液压缸的最大速度（m/s）。
液压缸的最小流量：
qmin=A·vmin（m3/s）（9-13）
式中：
vmin为液压缸的最小速度。
液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。
若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量qmin也大一些，以满足上述要求。
流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。
二、液压马达的设计计算
1.计算液压马达排量液压马达排量根据下式决定：
vm=6.28T/Δpmηmin（m3/r）（9-14）
式中：
T为液压马达的负载力矩（N·m）；Δpm为液压马达进出口压力差（N/m3）；ηmin为液压马达的机械效率，一般齿轮和柱塞马达取0.9～0.95，叶片马达取0.8～0.9。
2.计算液压马达所需流量液压马达的最大流量：
qmax=vm·nmax（m3/s）
式中：
vm为液压马达排量（m3/r）；nmax为液压马达的最高转速（r/s）。
第三节液压元件的选择
一、液压泵的确定与所需功率的计算
1.液压泵的确定
（1）确定液压泵的最大工作压力。
液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失ΣΔp，即
pB=p1+ΣΔp（9-15）
ΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，一般管路简单的节流阀调速系统ΣΔp为（2～5）×105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为（5～15）×105Pa，ΣΔp也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找，也可参照表9-4选取。
表9-4常用中、低压各类阀的压力损失（Δpn）
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
单向阀
0.3～0.5
背压阀
3～8
行程阀
1.5～2
转阀
1.5～2
换向阀
1.5～3
节流阀
2～3
顺序阀
1.5～3
调速阀
3～5
（2）确定液压泵的流量qB。
泵的流量qB根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。
①多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸（或马达）所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降，即
qB≥K（Σq）max（m3/s）（9-16）
式中：
K为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；（Σq）max为同时动作的液压缸（或马达）的最大总流量（m3/s）。
②采用差动液压缸回路时，液压泵所需流量为：
qB≥K（A1-A2）vmax（m3/s）（9-17）
式中：
A1，A2为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积（m2）；vmax为活塞的最大移动速度（m/s）。
③当系统使用蓄能器时，液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取，即
qB=
ViK/Ti（9-18）
式中：
Vi为液压缸在工作周期中的总耗油量（m3）；Ti为机器的工作周期（s）；Z为液压缸的个数。
（3）选择液压泵的规格：
根据上面所计算的最大压力pB和流量qB，查液压元件产品样本，选择与PB和qB相当的液压泵的规格型号。
上面所计算的最大压力pB是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力pB应比系统最高压力大25%～60%，使液压泵有一定的压力储备。
若系统属于高压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。
（4）确定驱动液压泵的功率。
①当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：
p=pBqB/103ηB（kW）（9-19）
式中：
pB为液压泵的最大工作压力（N/m2）；qB为液压泵的流量（m3/s）；ηB为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表9-5估取，液压泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。
表9-5液压泵的总效率
液压泵类型
齿轮泵
螺杆泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
②在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即
p=
（9-20）
式中：
t1，t2，…，tn为一个工作循环中各阶段所需的时间（s）；P1，P2，…，Pn为一个工作循环中各阶段所需的功率（kW）。
按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算，使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。
二、阀类元件的选择
1.选择依据
选择依据为：
额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。
2.选择阀类元件应注意的问题
（1）应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。
（2）阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。
选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。
（3）一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。
三、蓄能器的选择
1.蓄能器用于补充液压泵供油不足时，其有效容积为：
V=ΣAiLiK-qBt（m3）（9-21）
式中：
A为液压缸有效面积（m2）；L为液压缸行程（m）；K为液压缸损失系数，估算时可取Ｋ＝1.2；qB为液压泵供油流量（m3/s）；t为动作时间（s）。
2.蓄能器作应急能源时，其有效容积为：
V=ΣAiLiK（m3）（9-22）
当蓄能器用于吸收脉动缓和液压冲击时，应将其作为系统中的一个环节与其关联部分一起综合考虑其有效容积。
根据求出的有效容积并考虑其他要求，即可选择蓄能器的形式。
四、管道的选择
1.油管类型的选择
液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。
（1）钢管：
中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。
（2）铜管：
紫铜管工作压力在6.5～10MPa以下，易变曲，便于装配；黄铜管承受压力较高，达25MPa，不如紫铜管易弯曲。
铜管价格高，抗震能力弱，易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。
（3）软管：
用于两个相对运动件之间的连接。
高压橡胶软管中夹有钢丝编织物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.5～8MPa，多用于低压管道。
因软管弹性变形大，容易引起运动部件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。
2.油管尺寸的确定
（1）油管内径d按下式计算：
d=
（9-23）
式中：
q为通过油管的最大流量（m3/s）；v为管道内允许的流速（m/s）。
一般吸油管取0.5～5（m/s）；压力油管取2.5～5（m/s）；回油管取1.5～2（m/s）。
（2）油管壁厚δ按下式计算：
δ≥p·d/2〔σ〕（9-24）
式中：
p为管内最大工作压力；〔σ〕为油管材料的许用压力，〔σ〕=σb/n；σb为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。
根据计算出的油管内径和壁厚，查手册选取标准规格油管。
五、油箱的设计
油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。
其形式有开式和闭式两种：
开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。
开式油箱应用较多。
1.油箱设计要点
（1）油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。
（2）吸箱管和回油管的间距应尽量大。
（3）油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。
（4）注油器上应装滤网。
（5）油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。
2.油箱容量计算油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。
V=KΣq（9-25）
式中：
K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；Σq为同一油箱供油的各液压泵流量总和。
六、滤油器的选择
选择滤油器的依据有以下几点：
（1）承载能力：
按系统管路工作压力确定。
（2）过滤精度：
按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅表9-6。
（3）通流能力：
按通过最大流量确定。
（4）阻力压降：
应满足过滤材料强度与系数要求。
表9-6滤油器过滤精度的选择
系统
过滤精度（μm）
元件
过滤精度（μm）
低压系统
100～150
滑阀
1/3最小间隙
70×105Pa系统
50
节流孔
1/7孔径（孔径小于1.8mm）
100×105Pa系统
25
流量控制阀
2.5～30
140×105Pa系统
10～15
安全阀溢流阀
15～25
电液伺服系统
5
高精度伺服系统
2.5
第四节液压系统性能的验算
为了判断液压系统的设计质量，需要对系统的压力损失、发热温升、效率和系统的动态特性等进行验算。
由于液压系统的验算较复杂，只能采用一些简化公式近似地验算某些性能指标，如果设计中有经过生产实践考验的同类型系统供参考或有较可靠的实验结果可以采用时，可以不进行验算。
一、管路系统压力损失的验算
当液压元件规格型号和管道尺寸确定之后，就可以较准确的计算系统的压力损失，压力损失包括：
油液流经管道的沿程压力损失ΔpL、局部压力损失Δpc和流经阀类元件的压力损失ΔpV，即：
Δp=ΔpL+Δpc+ΔpV（9-26）
计算沿程压力损失时，如果管中为层流流动，可按下经验公式计算：
ΔpL=
4.3V·q·L×106/d4（Pa）（9-27）
式中：
q为通过管道的流量（m3/s）；L为管道长度（m）；d为管道内径（mm）；υ为油液的运动粘度（m2）。
局部压力损失可按下式估算：
Δpc=（0.05～0.15）ΔpL（9-28）
阀类元件的ΔpV值可按下式近似计算：
ΔpV=Δpn（qV/qVn）2（Pa）（9-29）
式中：
qVn为阀的额定流量（m3/s）；qV为通过阀的实际流量（m3/s）；Δpn为阀的额定压力损失（Pa）。
计算系统压力损失的目的，是为了正确确定系统的调整压力和分析系统设计的好坏。
系统的调整压力：
p0≥p1+Δp（9-30）
式中：
p0为液压泵的工作压力或支路的调整压力；p1为执行件的工作压力。
如果计算出来的Δp比在初选系统工作压力时粗略选定的压力损失大得多，应该重新调
整有关元件、辅件的规格，重新确定管道尺寸。
二、系统发热温升的验算
系统发热来源于系统内部的能量损失，如液压泵和执行元件的功率损失、溢流阀的溢流损失、液压阀及管道的压力损失等。
这些能量损失转换为热能，使油液温度升高。
油液的温升使粘度下降，泄漏增加，同时，使油分子裂化或聚合，产生树脂状物质，堵塞液压元件小孔，影响系统正常工作，因此必须使系统中油温保持在允许范围内。
一般机床液压系统正常工作油温为30～50℃；矿山机械正常工作油温50～70℃；最高允许油温为70～90℃。
1.系统发热功率P的计算
P＝PB（1-η）（W）（9-31）
式中：
PB为液压泵的输入功率（W）；η为液压泵的总效率。
若一个工作循环中有几个工序，则可根据各个工序的发热量，求出系统单位时间的平均发热量：
P=
（w）（9-32）
式中：
T为工作循环周期（s）；ti为第i个工序的工作时间（s）；Pi为循环中第i个工序的输入功率（W）。
2.系统的散热和温升系统的散热量可按下式计算：
P′=
（W）（9-33）
式中：
Kj为散热系数（W/m2℃），当周围通风很差时，K≈8～9；周围通风良好时，K≈15；用风扇冷却时，K≈23；用循环水强制冷却时的冷却器表面K≈110～175；Aj为散热面积（m2），当油箱长、宽、高比例为1∶1∶1或1∶2∶3，油面高度为油箱高度的80%时，油箱散热面积近似看成A＝0.065
（m2），式中V为油箱体积（L）；
Δt为液压系统的温升（℃），即液压系统比周围环境温度的升高值；
j为散热面积的次序号。
当液压系统工作一段时间后，达到热平衡状态，则：
P＝P′
所以液压系统的温升为：
Δt=
（℃）（9-34）
计算所得的温升Δt，加上环境温度，不应超过油液的最高允许温度。
当系统允许的温升确定后，也能利用上述公式来计算油箱的容量。
三、系统效率验算
液压系统的效率是由液压泵、执行元件和液压回路效率来确定的。
液压回路效率ηc一般可用下式计算：
ηc=
（9-35）
式中：
p1，q1；p2，q2；……为每个执行元件的工作压力和流量；pB1，qB1；pB2，qB2为每个液压泵的供油压力和流量。
液压系统总效率：
η＝ηBηCηm（9-36）
式中：
ηB为液压泵总效率；ηm为执行元件总效率；ηC为回路效率。
第五节绘制正式工作图和编写技术文件
经过对液压系统性能的验算和必要的修改之后，便可绘制正式工作图，它包括绘制液压系统原理图、系统管路装配图和各种非标准元件设计图。
正式液压系统原理图上要标明各液压元件的型号规格。
对于自动化程度较高的机床，还应包
括运动部件的运动循环图和电磁铁、压力继电器的工作状态。
管道装配图是正式施工图，各种液压部件和元件在机器中的位置、固定方式、尺寸等应表示清楚。
自行设计的非标准件，应绘出装配图和零件图。
编写的技术文件包括设计计算书，使用维护说明书，专用件、通用件、标准件、外购件明细表，以及试验大纲等。
第六节液压系统设计计算举例
某厂汽缸加工自动线上要求设计一台卧式单面多轴钻孔组合机床，机床有主轴16根，钻14个φ13.9mm的孔，2个φ8.5mm的孔，要求的工作循环是：
快速接近工件，然后以工
作速度钻孔，加工完毕后快速退回原始位置，最后自动停止；工件材料：
铸铁，硬度HB为240；假设运动部件重G＝
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