第二十四讲 第九章 液压系统的设计与计算.docx
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第二十四讲第九章液压系统的设计与计算
第九章 液压系统的设计与计算
知识点
1.液压系统的设计计算和液压系统原理图的合成。
2.液压元器件参数的设计计算及规格型号选用，验算液压系统性能的方法。
★学习指导和要求
1.掌握液压系统的设计计算步骤与方法，液压系统原理图的合成。
2.掌握依据设备主机对液压执行元件工作要求进行液压系统使用工况分析的方法与步骤。
3.了解液压元器件参数的设计计算及规格型号选用。
4.了解液压系统性能验算的方法。
9．1 液压传动系统的设计步骤
液压传动系统设计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，确定液压系统的主要参数，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，编制技术文件等。
液压传动系统设计的步骤为：
（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。
以上设计步骤的过程有时需要穿插进行，交叉展开。
对某些比较复杂的液压系统，需经过多次反复比较，才能最终确定。
9．1．1 液压系统的设计要求与使用工况分析
1．设计要求分析
液压传动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，在进行液压系统设计时，必须明确对液压系统中执行元件动作以及性能的要求，应保证执行元件能够完成规定的运动方式、工作循环和动作周期，满足负载条件、速度要求、工作行程、运动平稳性和精度、工作可靠性以及同步、互锁和配合要求等；明确液压系统工作场所环境温度、湿度、尘埃、通风以及易燃易爆、振动、安装空间等的工作环境情况。
2．使用工况分析
液压传动系统使用工况分析是指对液压执行元件的工作情况进行分析，主要是明确液压系统中的执行元件在实现整个工作循环过程中各个工作阶段的流量、压力和功率三个参数的变化规律，并将其用曲线表示出来，即工况图，作为确定液压系统主要参数和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，把执行元件完成一个工作循环时的运动规律用图形表示出来，这个图形称为运动分析图，其中包括工作循环图和速度循环图。
图9.1所示为某组合机床动力滑台运动分析图，其中，图9.1（a）为动力滑台工作循环图，图9.1（b）为动力滑台速度循环图，也称为速度－位移（时间）曲线图。
（2）负载分析
按工作要求，把执行元件在一个工作循环中各阶段的负载与位移关系用图形表示出来，这个图形称为执行元件的负载循环图，也称负载－位移曲线图，如图9.2所示。
（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，执行元件的尺寸就大，重量也大，完成给定速度所需的流量也大；若工作压力过高，密封要求就高，元件的压力等级和制造精度也高，所以应根据实际情况选取适当的工作压力。
通常是采用类比法或负载法选取，见表9.1和表9.2。
表9．1 各类液压设备常用系统工作压力
设备类型
机床
农业机械
小型工程机械
液压机重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力p（MPa）
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
表9．2 根据负载选择系统压力
负载F（kN）
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作压力p（MPa）
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5~7
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=
（9.1）
式中，F为液压缸工作负载（N）；
p为液压缸工作压力（Pa）。
利用上式计算出来的液压缸有效工作面积A可以确定液压缸缸筒内径D、活塞杆直径d。
对于有低速稳定性要求的设备，还应按液压缸所要求的最低稳定速度来验算，即
A≥
（9.2）
式中，qmin为流量阀最小稳定流量（m3/s）；
vmin为液压缸最低速度（m/s）。
3）绘制液压执行元件工况图。
根据负载图和液压执行元件的有效工作面积（或排量）就可绘制液压执行元件工况图，即压力图、流量图和功率图。
图9.3所示为某组合机床动力滑台液压缸工况图，其中，图9.3（a）所示为压力图，图9.3（b）为流量图，图9.3（c）为功率图。
从工况图上可直观方便地找出最大工作压力、最大流量和最大功率，根据这些参数可选择液压泵及其驱动电动机、液压阀，优化供油方式。
9．1．2 液压系统方案设计
1．确定液压系统方案
液压传动系统方案设计是根据主机整机的工作情况及其对液压系统的技术要求、液压系统的工作条件和环境条件以及经济性、供货情况等诸多因素，进行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面都比较合理的、可实现的液压系统的方案。
方案设计的内容主要包括：
油路循环方式的分析与选择，油源形式的分析与选择，液压回路的分析、选择与合成，液压系统原理图的拟定、设计与分析等。
2．选择基本回路
（1）油路循环方式的分析与选择
液压系统油路循环方式分为开式和闭式两种。
油路循环方式的选择主要取决于液压系统的调速方式和散热条件。
一般来说，凡是有较大空间可以存放油箱且不需另设散热装置的系统，要求结构尽可能简单的系统，采用节流调速或容积—节流调速的系统，均宜采用开式系统。
当开式系统中有多个液压执行元件时，系统按油路的不同连接方式，又可分为串联、并联、独联以及它们的组合即复联等形式。
凡是允许采用辅助泵进行补油，并通过换油来达到冷却目的的系统，对工作稳定性和效率有较高要求的系统，采用容积调速的系统，都宜采用闭式系统。
两种油路循环方式的比较见表9.3。
表9．3 开式系统与闭式系统的比较
油液循环方式
开式系统
闭式系统
散热条件
较方便，但油箱较大
较复杂，须用辅助油泵换油冷却
抗污染性
较差，但可采用压力油箱或油箱呼吸器来改善
较好，但油液过滤精度要求较高
系统效率
管路压力损失较大，采用节流调速时效率较低
管路压力损失较小，采用容积调速时效率较高
限速、制动形式
用平衡阀进行能耗减速，用制动阀进行能耗制动，引起油液发热
液压泵由电动机拖动时，限速及制动过程中拖动电机能向电网输电，回收部分能量，即再生限速（可省去平衡网）及再生制动
其它
对泵的自吸性能要求高
对主泵的自吸性能要求低
（2）调速方案的分析与选择
调速方案对主机主要性能起决定性的作用。
选择调速方案时，应依据液压执行元件的负载特性和调速范围以及经济性等因素进行分析比较，最后选出合适的调速方案。
表9．4 调速方法及调速回路主要性能比较
调速方法
节流调速
容积调速
容积－节流调速
进油节流
回油节流
适用
中小功率、速度不高
功率较大，调速范围大
中等功率，温升小，效率高，
速度刚性好
压力控制方便
承受负值负载
应用
车床、镗床、钻床、磨床、
组合机床
刨床、拉床、液压机、注塑机、
组合机床
组合机床、粉末冶金压机
负载
特性
速度刚性
差
较好
好
承载能力
好
较好
好
调速范围
大
较大
大
功率特性
功率
低
最高
较高
发热
大
最小
较小
成本
低
高
最高
（3）液压基本回路的分析与选择
选择液压回路是根据液压传动系统的设计要求和工况图，从众多个成熟的方案中经过分析、评比挑选出来的。
一般液压系统都必须设置调压回路、换向回路、卸荷回路及安全回路等；对于液压执行元件存在外负载对系统做功的工况，还要设置平衡回路，在外负载惯性较大的系统中，还需要设置制动回路，以防止产生液压冲击；对有快速运动部件的系统或者要求精确换向的系统，需要设置减速回路或缓冲回路等；对于有多个液压执行元件的系统，要根据需要设置顺序回路、同步回路或互不干扰回路等。
在选择一些主要液压回路时，要注意调压回路的选择主要取决于系统的调速方案。
在节流调速系统中，一般采用调压回路，在容积调速和容积－节流调速或旁路节流调速系统中，均采用限压回路。
一个油源同时提供两种不同工作压力时，可采用减压回路。
对于工作时间相对辅助时间较短而功率又较大的系统，可以考虑增加一个卸荷回路。
速度换接回路选择的主要依据是对换接时位置精度和平稳性的要求，同时还应考虑到应使结构简单、调整方便、控制灵活。
多个液压缸顺序动作回路的选择主要考虑顺序动作的可变换性、行程的可调性、顺序动作的可靠性等。
多个液压缸同步动作回路的选择主要考虑多个液压缸动作的同步精度、系统调整、控制和维护的难易程度等要求。
3．拟定液压系统原理图
选定调速方案和液压基本回路后，再增添一些必要的元件和配置一些辅助性油路，并对回路进行归并和整理，就可将液压回路合成为液压系统，拟定出液压系统原理图。
拟定好液压系统原理图以后，检查并确认所设计的液压系统达到了各项设计指标，能够保证其工作循环中的每个动作都是安全可靠和无相互干扰的；系统尽可能多地选用了标准元件，去除了不必要的冗余，系统经济合理、结构简化，便于检测和维修。
9．1．3 液压元件的计算与选择
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所承受的压力和通过的流量，来确定各个液压元件的规格和型号。
1．液压泵的选择与液压泵站设计
液压能源装置是液压系统的重要组成部分。
通常有两种形式：
一种是液压装置与主机分离的液压泵站，另一种是液压装置与主机合为一体的液压泵组（包括单个液压泵）。
（1）液压泵站的类型及其组件的选择
1）液压泵站类型的选择。
通常按液压泵组的布置方式、流量特性和规模大小分类，液压泵组置于油箱之上的上置式液压泵站，根据电动机安装方式不同，又分为立式和卧式两种；非上置式液压泵站按液压泵组与油箱是否公用一个底座而分为整体式和分离式两种；整体式液压泵站的液压泵组安置形式又有旁置和下置之分。
2）液压泵站组件的选择。
液压泵站一般由液压泵组、油箱组件、过滤器组件、蓄能器组件和温控组件等组成。
液压泵组由液压泵、原动机、联轴器、底座及管路附件等组成，输出所需压力和流量的工作介质。
根据主机的要求、工作条件和环境条件，设计出与工况相适应的液压泵站方案后，就可计算液压泵站中各主要元件的工作参数。
（2）液压泵的计算与选择
根据设计要求和系统工况确定了液压泵的类型后，然后再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与型号。
1）确定液压泵的最高工作压力pP。
液压泵的最大工作压力就是液压系统正常工作时液压泵所能提供的最高压力，它是选择液压泵规格和型号的重要依据。
泵的最高工作压力视液压执行元件最大工作压力pmax而定，通常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行程中（如机床、提升机）出现。
对于第一种情况，泵的最高工作压力pP就是执行机构所需的最大压力pmax；而对于第二种情况，除了考虑执行机构的压力外还要考虑油液在管路中流动时产生的总压力损失。
在确定液压泵的最高工作压力pP时，对于两种情况要区别对待，即
对于第一种情况：
pP≥pmax （9.3）
对于第二种情况：
pP≥pmax+ΣΔp （9.4）
式中，pmax为执行元件的最大工作压力；
ΣΔp为管路总压力损失，它包括油液从液压泵出口到执行元件进口之间所经各段管路和元件的沿程压力损失和局部压力损失两部分，初步估算时，一般节流调速和管路简单的系统取ΣΔp＝0.2~0.5MPa；有调速阀和管路较复杂的系统取ΣΔp=0.5~1.5MPa。
2）确定液压泵的最大供油量qP。
液压泵的最大供油流量按执行元件工况图上的工作流量及系统回路中的泄漏量来确定，即
qP≥KΣqmax （9.5）
式中，K为系统泄漏系数，通常取K=1.1~1.3，小流量时取大值，大流量时取小值；
Σqmax为各执行元件同时动作时所需流量之和的最大值。
对于节流调速系统，如果最大供油量出现在调速时，尚须加溢流阀的最小溢流量0.05m3/s，来保持溢流阀溢流稳压状况。
对于以蓄能器作辅助能源的系统，泵的流量按一个工作循环中的平均流量选取，即
qP≥
（9.6）
式中，K为系统泄漏系数，意义同上；
T为工作循环的周期时间；
qi为工作循环中第i个阶段所需的流量；
Δti为第i个阶段持续的时间；
n为循环中的阶段数。
3）选择液压泵的规格。
根据前面设计计算过程中计算出的液压泵的最高工作压力pP和最大供油量qP值，即可从产品样本手册中选择出合适的液压泵的型号和规格。
为了保证液压泵安全可靠和具有一定的压力储备，通常泵的额定压力pn可比最高工作压力pP高约25%~60%；泵的额定流量qn则只须选得满足最大流量qmax需要即可，若选择的qn过大，则会造成过大的功率损失。
表9．5 液压泵种类与特性
种类
特性
齿轮泵
叶片泵
柱塞泵
轴向式
径向式
额定压力（MPa）
25
28
35
100
排量（mL/r）
1~500
1~350
4~1000
6~500
最高转速（r/min）
900~4000
1200~3000
5000
1800
总效率（%）
60~70
60~75
80~85
80~92
适用粘度（mm2/s）
20~500
20~200
20~200
自吸能力
非常好
好
差
变量能力
不能
能
好
输出压力脉动
大
小
中
污染敏感度
大
小
小
粘度对效率的影响
很大
较大
很小
噪声
小~大
小~中
中~大
适用场合
工程机械、搬运机械、车辆
机床
冶金机械、锻压机械、建筑机械
4）确定液压泵驱动电动机的功率Pn。
液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电动机的功率一般可以直接从产品样本或技术手册中查到，但其数值在实际使用中往往偏大。
因此，也可根据具体工况计算出来，数值经圆整后，确定电动机的功率。
①使用定量泵时的驱动电动机功率Pn。
整个工作循环中，液压泵功率变化较小时，即液压执行元件的工况图曲线比较平稳时，驱动液压泵所需的电动机功率为
Pn≥
（9.7）
式中，pP为液压泵的最大工作压力（Pa）；
qP为液压泵的输出流量（m3/s）；
ηP为液压泵的总效率。
整个工作循环中，液压泵功率变化较大的情况下，且在功率循环图中最高功率持续时间很短时，可按式（9.7）分别计算出工作循环各阶段的液压泵驱动功率Pi，然后用下式计算出驱动液压泵所需电动机的平均功率
Pn=
（9.8）
式中，ti为一个工作循环中第i阶段持续的时间。
求出平均功率后，还要验算每一个阶段电动机的超载量是否在允许的范围内，一般电动机允许短期超载量为25%。
如果在允许的超载范围内，即可根据平均功率Pn与泵的转速n从产品样本中选取电动机。
②使用限压式变量泵时的驱动电动机功率Pn。
计算限压式变量泵驱动电动机的功率Pn时，可按液压泵的流量—压力特性曲线拐点处的流量qB和压力pB计算。
Pn≥
（9.9）
式中，pB为限压式变量泵的拐点（即最大功率点）压力（Pa）；
qB为限压式变量泵的拐点（即最大功率点）输出流量（m3/s）；
ηP为限压式变量泵的总效率。
2．液压控制元件的选择
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，查阅有关产品样本确定控制阀的规格型号。
一般要求选定的阀类元件的额定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。
对于换向阀，有时也允许短时间通过的实际流量略大于该阀的额定流量，但不应超过20%，以免造成过大的压力损失、发热和噪声。
流量阀按系统中流量调节范围来选取，其最小稳定流量应能满足执行元件最低稳定速度的要求。
此外，在选择阀时，还应注意结构型式、特性、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等问题。
（1）溢流阀的选择
直动式溢流阀响应快，宜作制动阀、安全阀使用；先导式溢流阀启闭特性好，宜作调压阀、背压阀使用，先导式溢流阀的最低调定压力一般只能在0.5~1MPa范围内。
溢流阀的流量应按液压泵的最大流量选取，并应注意其允许的最小稳定流量，一般来说，最小稳定流量为额定流量的15%以上。
（2）流量阀的选择
一般中、低压流量阀最小稳定流量为50~100mL/min；高压流量阀的为2.5~20L/min。
流量阀的进、出口之间需要有一定的压差，高精度流量控制阀约需1MPa的压差。
（3）换向阀的选择
选择换向阀时，流量在190L/min以上的宜用二通插装阀；190L/min以下的可采用滑阀型换向阀，70L/min以下的可用电磁换向阀，否则，需用电液换向阀。
对于三位换向阀的滑阀除考虑压力、流量外，还应考虑阀的中位机能及其操纵方式。
表9．6 换向阀控制方式比较
控制方式
电磁阀
电液阀
行程阀
手动阀
特点
操作方便，便于布置，
用于低速换向
部件重，流量大，
换向速度可调
换向平稳，
换向精度高
换向动作频繁，操作安全，
工作持续时间短
选择单向阀及液控单向阀时，应选择开启压力小的单向阀，外泄式液控单向阀较内泄式的控制压力低，工作可靠，选用时可优先考虑；开启压力较大（0.3~0.5MPa）的单向阀也可作为背压阀使用。
3．液压执行元件的计算与选用
（1）液压执行元件类型的选择
应根据主机所要实现的运动形式（移动、转动或摆动）和性质（速度和负载的大小）选择液压执行元件的类型。
设计时可参照表9.7来选择液压执行元件的类型。
表9．7 液压执行元件类型
名称
特点
适用场合
双活塞杆液压缸
双向对称
双向工作的往复运动
单活塞杆液压缸
有效工作面积大、双向不对称
往返不对称的直线运动，差动连接可实现
快进，当A1＝2A2时，往返速度相等
柱塞缸
结构简单
单向工作，靠重力或其它外力返回
摆动缸
单叶片式转角小于360°
双叶片式转角小于180°
小于360°的摆动运动
小于180°的摆动运动
齿轮马达
结构简单、价格便宜
高转速、低扭矩的回转运动
叶片马达
体积小，转动惯量小
高转速、低扭矩、动作灵敏的回转运动
摆线齿轮马达
体积小，输出扭矩大
低转速、小功率、大扭矩的回转运动
轴向柱塞马达
运动平稳、扭矩大、转速范围宽
大扭矩的回转运动
径向柱塞
转速低，结构复杂，输出大扭矩
低转速、大扭矩的回转运动
注：
A1—无杆腔活塞面积；A2—有杆腔活塞面积。
（2）液压缸的设计计算以及液压马达的计算与选择
表9．8 液压缸内径尺寸系列（GB/T2348－2001） （单位：
mm）
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
表9．9 活塞杆直径尺寸系列（GB/T2348－2001） （单位：
mm）
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
50
56
63
70
80
90
100
110
125
液压缸的主要技术参数和所需流量计算以及液压马达的理论排量V计算参见本书中的有关内容。
计算所得的液压缸活塞直径D、活塞杆直径d以及活塞行程，要参照表9.8、表9.9和表9.10的推荐值进行圆整。
液压马达则可根据其工作压力、转速和排量选择合适的液压马达产品，液压马达的理论排量V也需要按照有关标准圆整成标准值。
表9．10 液压泵活塞行程系列（GB/T2349－1997） （单位：
mm）
25
（40）
50
（63）
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
（280）
320
（360）
400
（450）
500
（550）
630
（700）
800
（900）
1000
（1100）
1250
（1400）
1600
（1800）
2000
2200
2500
（2800）
4．液压辅助元件的选择和设计与计算
根据液压系统对密封装置、油箱、过滤器、热交换器、蓄能器、管件等辅助元件的要求，按照本书中的有关原则进行选择和设计与计算。
9．1．4 液压系统性能验算
1．液压系统压力损失的验算
在前面确定液压系统的最高工作压力pP时，已初步确定了管路的总压力损失ΣΔp，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，只能是粗略估算。
当液压系统的元件型号、管路布置等确定之后，需要验算管路的总压力损失ΣΔp，检验其是否与初步确定的值相符，并可再次较准确地确定液压泵的工作压力，保证系统的工作性能。
若计算结果与初步确定的值相差较大，则应对原设计进行修正。
（1）管路压力损失计算
管路内压力损失包括沿程损失Δpλ、局部损失Δpξ1和阀类元件的局部损失Δpξ2，即
ΣΔp=ΣΔpλ+ΣΔpξ1+ΣΔpξ2（9.10）
式中Δpλ、Δpξ1、Δpξ2根据液体流动中压力损失的有关公式和数据计算。
当液体在较长的圆形直管中流动时，应当计算其中液流的沿程压力损失。
计算时首先要判断液体的流动状态，在确定流态为层流后，再用经验公式计算Δpλ（Pa），有
Δpλ＝
（9.11）
式中，μ为油液的动力粘度（N·s/m2）；
l为油管长度（m）；
d为油管内径（m）；
q为通过管路的流量（m3/s）。
液体流经局部障碍处的流动现象十分复杂，其压力损失一般由试验求得，为简化求解步骤，依据经验，常取沿程压力损失数值的5%~10%作为局部压力损失的量，即
Δpξ1＝（0.05~0.1）Δpλ （9.12）
若是管路简单且较短时，Δpλ、Δpξ1这些数值都较小，通常略去不计。
对于液流通过各种阀类元件的局部压力损失，可在阀类元件的产品样本中直接查得，或可查得在额定流量qn时的额定压力损失Δpn。
通常实际通过阀类元件的流量q并不是额定流量qn，对于通过其中的压力损失又是与流量有关的阀类元件，比如换向阀、过滤器等，在阀类元件中通过实际流量为q的情况下的压力损失可按下式计算，即
Δpξ2＝Δpn
（9.13）
式中，Δpn为阀的额定压力损失（Pa），可从有关产品样本中查阅Δpn的值；
qn为阀的额定流量（m3/s），可从有关产品样本中查阅qn的值；
q为阀的实际通过流量（m3/s）。
液压回路（包括进油路和回油路）的压力损失在计算时都必须折算到进油路上，这样便于确定系统的供油压力。
因而进油路和回油路的压力损失应分别计算，然后再折算。
由于液压系统在不同工作阶段的压力损失随着流量的不同是不相同的，因而，必须对各种不同工作阶段的压力损失情况分别进行计算。
（2）压力阀的调整压力
1）在定量
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