1、液壓與氣壓(qy)傳動第八章液壓傳動系統的設計(shj)和計算編寫：石延平共五十二頁本章(bn zhn)提要 本章介紹設計液壓傳動系統的基本步驟和方法，對于一般的液壓系統，在設計過程中應遵循以下幾個步驟： 明確設計要求，進行工況分析； 擬定液壓系統原理圖； 計算和選擇液壓元件； 發熱及系統壓力損失的驗算； 繪制工作圖，編寫技術文件。 上述工作大部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較復雜的系統，需經過(jnggu)多次反復才能最后確定；在設計簡單系統時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學習，要求對液壓系統設計的內容、步驟、方法有一個基本的了解。2共五十二頁 液壓傳動系統的設計是整機設計的一部分，它

2、除了應符合主機動作循環和靜、動態性能等方面(fngmin)的要求外，還應當滿足結構簡單，工作安全可靠，效率高，經濟性好，使用維護方便等條件。 液壓系統的設計，根據系統的繁簡、借鑒的資料多少和設計人員經驗的不同，在做法上有所差異。各部分的設計有時還要交替進行，甚至要經過多次反復才能完成。 下面對液壓系統的設計步驟予以介紹。8.1 液壓傳動系統的設計(shj)計算3共五十二頁8.1.1 明確設計要求、工作環境，進行(jnxng)工況分析液壓系統的動作(dngzu)和性能要求主要有： 運動方式、行程、速度范圍、負載條件、運動平穩性、精度、工作循環和動作周期、同步或聯鎖等。就工作環境而言，有環境溫度、

3、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等。 要使所設計的系統不僅能滿足一般的性能要求，還應具有較高的可靠性、良好的空間布局及造型。8.1.1.1 明確設計要求及工作環境4共五十二頁 工況分析，就是查明每個執行元件的速度和負載的變化規律，必要(byo)時還應作出速度、負載隨時間或位移變化的曲線圖。 就缸而言，負載主要由六部分組成，即工作負載，導向摩擦負載，慣性負載，重力負載，密封負載和背壓負載。8.1.1.2 執行元件(yunjin)的工況分析 5共五十二頁(1) 工作負載 不同的機器有不同的工作負載(fzi)。工作負載(fzi)與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負值。 導向摩擦(mc)負

4、載是指液壓缸驅動運動部件時所受的導軌摩擦(mc)阻力。(2) 導向摩擦負載 慣性負載是運動部件在啟動加速或制動減速時的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。(3) 慣性負載 6共五十二頁(4) 重力負載 密封負載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過(tnggu)液壓缸的機械效率加以考慮，常取機械效率值為0.900.97。(5) 密封負載 背壓負載(fzi)是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。(6) 背壓負載 7共五十二頁液壓缸各個主要(zhyo)工作階段的機械負載F可按下列公式計算空載啟動加速(ji s)階段:快速階段: 工進階段: 制動減速:（10.4） （10.5） （10.6） （10.7）8

5、共五十二頁 液壓系統原理圖是表示液壓系統的組成和工作原理的重要技術文件。擬定(ndng)液壓系統原理圖是設計液壓系統的第一步，它對系統的性能及設計方案的合理性、經濟性具有決定性的影響。10.1.2 液壓系統(xtng)原理圖的擬定10.1.2.1 確定油路類型 一般具有較大空間可以存放油箱的系統，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進行補油，并借此進行冷卻交換來達到冷卻目的的系統，可采用閉式油路。通常節流調速系統采用開式油路，容積調速系統采用閉式回路。9共五十二頁 根據各類主機的工作特點、負載(fzi)性質和性能要求，先確定對主機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:

6、 對于機床液壓系統,調速和速度換接回路是主要回路； 對于壓力機液壓系統，調壓回路是主要回路； 有垂直運動部件的系統要考慮平衡回路； 慣性負載較大的系統要考慮緩沖制動回路。 有多個執行元件的系統可能要考慮順序動作、同步回路； 有空載運行要求的系統要考慮卸荷回路等。8.1.2.2 選擇(xunz)液壓回路10共五十二頁 將挑選出來(ch li)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，構成一個結構簡單，工作安全可靠、動作平穩、效率高、調整和維護保養方便的液壓系統，形成系統原理圖。8.1.2.3 繪制(huzh)液壓系統原理圖11共五十二頁8.1.3 液壓元件(yunjin)的計算

7、和選擇 結構參數(cnsh)的確定是指根據執行元件工作壓力和最大流量確定執行元件的排量或油缸面積。8.1.3.1 執行元件的結構形式及參數的確定運動形式往復直線運動回轉運動往復擺動短行程長行程高速低速建議采用的執行元件的形式活塞式液壓缸柱塞式液壓缸液壓馬達與齒輪/齒條或螺母/絲杠機構高速液壓馬達低速大扭矩液壓馬達高速液壓馬達帶減速器擺動液壓缸表8.1選擇執行元件的形式12共五十二頁 工作壓力是確定執行元件結構參數的主要依據。它的大小影響執行元件的尺寸和成本，乃至整個系統的性能，工作壓力選得高，執行元件和系統的結構緊湊，但對元件的強度，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

8、壓力選得低，就會增大執行元件及整個系統的尺寸，使結構變得龐大，所以應根據實際(shj)情況選取適當的工作壓力。（1）初選執行元件(yunjin)的工作壓力13共五十二頁（2）確定執行(zhxng)元件的主要結構參數 以缸為例，主要結構尺寸指缸的內徑D和活塞桿的直徑d，計算后按系列標準值確定D和d。 對有低速運動要求(yoqi)的系統，尚需對液壓缸有效工作面積進行驗算，即應保證：（10.8） 驗算結果若不能滿足式（10.8），則說明按所設計的結構尺寸和方案達不到所需要的最低速度，必須修改設計。式中：A液壓缸工作腔的有效工作面積； 控制執行元件速度的流量閥最小穩定流量； 液壓缸要求達到的最低工作速

9、度。14共五十二頁（3）復算執行元件(yunjin)的工作壓力 當液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按系列標準圓整，有必要根據圓整值對工作壓力進行一次復算。 在按上述方法確定的工作壓力還沒有計算回油路的背壓，所確定的工作壓力只是執行元件為了克服機械總負載(fzi)所需要的那部分壓力，在結構參數D、d確定之后，取適當的背壓估算值，即可求出執行元件工作腔的壓力。15共五十二頁對于單桿液壓缸，其工作(gngzu)壓力P可按下列公式復算。有桿腔進油階段（10.10）式中：F液壓缸在各工作階段的最大機械總負載； A1、A2 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； 液壓缸回油路的背壓。（10.9）無桿腔進

10、油工進階段16共五十二頁（4）執行(zhxng)元件的工況圖 即執行元件在一個工作循環中的壓力、流量、功率對時間或位移的變化曲線圖。將系統中各執行元件的工況圖加以合并，便得到整個系統的工況圖。 液壓系統的工況圖可以顯示整個工作循環中的系統壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續設計(shj)步驟中選擇元件、選擇回路或修正設計(shj)提供合理的依據。 對于簡單系統，其工況圖的繪制可省略。 17共五十二頁 先根據設計要求和系統工況確定(qudng)泵的類型，然后根據液壓泵的最大供油量和系統工作壓力來選擇液壓泵的規格。8.1.3.2 選擇(xunz)液壓泵（10.11） 式中: 執行元件的最高

11、工作壓力； 進油路上總的壓力損失。（1） 液壓泵的最高供油壓力18共五十二頁液壓泵的最大供油量為：（2）確定(qudng)液壓泵的最大供油量（10.11） 式中: K系統的泄漏修正系數，一般取 K=1.11.3； 同時動作的各執行元件所需流量之和的最大值。19共五十二頁 液壓泵的規格型號按計算值在產品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應有一定(ydng)的壓力儲備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%60%。泵的額定流量則宜與相當，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。（3）選擇(xunz)液壓泵的規格型號20共五十二頁 驅動泵的電機根據驅動功率和泵的轉速(zhun s)來選擇。 在

12、整個工作循環中，泵的壓力和流量在較多時間內皆達到最大工作值時，驅動泵的電動機功率為：（4）選擇(xunz)驅動液壓泵的電動機（10.13） 式中： 液壓泵的總效率，數值可見產品樣本。 限壓式變量葉片泵的驅動功率，可按泵的實際壓力流量特性曲線拐點處的功率來計算。 工作中泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出各個階段所需的驅動功率，然后求其均方根值即可。21共五十二頁 各種閥類元件的規格型號，按液壓系統原理圖和系統工況提供的情況從產品樣本(yngbn)中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應與其工作壓力和最大通過流量相接近。 具體選擇時，應注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選取；流量閥還需考慮最小穩

13、定流量，以滿足低速穩定性要求。8.1.3.3 選擇(xunz)閥類元件22共五十二頁 油管的規格尺寸大多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要的管道才驗算其內徑和壁厚。 對于固定式的液壓設備，常將液壓系統(xtng)的動力源，閥類元件集中安裝在主機外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源的振動與油溫變化對主機工作精度的影響。8.1.3.4 選擇(xunz)液壓輔助元件 23共五十二頁8.1.4 液壓系統技術(jsh)性能的驗算 液壓系統初步設計完成之后，需要對它的主要性能加以驗算，以便評判(pngpn)其設計質量，并改進和完善液壓系統。8.1.4.1 系統壓力損失的驗算

14、畫出管路裝配草圖后，即可計算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，它們的計算公式詳見液壓流體力學，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和。 在系統的具體管道布置情況沒有明確之前，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進行概略地估算。24共五十二頁8.1.4.2 系統發熱(f r)溫升的驗算 液壓系統在工作時，有壓力損失，容積損失和機械損失，這些損耗能量的大部分轉化為熱能，使油溫升高從而導致油的粘度下降，油液變質，機器零件變形，影響(yngxing)正常工作。為此，必須將溫升控制在許可范圍內。 單位時間的發熱量為液壓泵的輸入功率與執行元件的輸出功率之差。25共五十二頁 一般(ybn

15、)情況下，液壓系統的工作循環往往有好幾個階段，其平均發熱量為各個工作周期發熱量的時均值，即（10.14） 式中第個工作階段系統的輸入功率；第個工作階段系統的輸出功率； 工作循環周期；第個工作階段的持續時間；總的工作階段數。26共五十二頁 液壓系統在工作中產生的熱量，主要(zhyo)經油箱散發到空氣中去，油箱在單位時間散發熱量的可按下式計算式中: A油箱的散熱面積； 液壓系統的溫升； 油箱的散熱系數，其值可查閱液壓設計手冊。系統的溫升為計算溫升值如果超過允許值，應采取適當的冷卻(lngqu)措施。27共五十二頁8.1.5 繪制正式工作圖和編制(binzh)技術文件8.1.5.1 繪制正式(zhn

16、gsh)工作圖 正式工作圖包括液壓系統原理圖、液壓系統裝配圖、液壓缸等非標準元件裝配圖及零件圖。液壓系統原理中應附有液壓元件明細表，表中標明各液壓元件的型號規格、壓力和流量等參數值，一般還應繪出各執行元件的工作循環圖和電磁鐵的動作順序表。 液壓系統裝配圖是液壓系統的安裝施工圖，包括油箱裝配圖，管路安裝圖等。28共五十二頁8.1.5.2 編制(binzh)技術文件 技術文件一般(ybn)包括液壓系統設計計算說明書，液壓系統使用及維護技術說明書，零、部件目錄表及標準件、通用件、外購件表等。29共五十二頁8.2 液壓系統(xtng)設計舉例 某廠要設計制造一臺雙頭車床，加工壓縮機拖車上一根長軸兩端的

17、軸頸。由于零件較長，擬采用零件固定，刀具旋轉和進給的加工方式。其加工動作循環(xnhun)是快進工進快退停止。同時要求各個車削頭能單獨調整。其最大切削力在導軌中心線方向估計為12000N，所要移動的總重量估計為15000N，工作進給要求能在0.0201.2mmin范圍內進行無級調速，快速進、退速度一致，為 4 mmin，試設計該液壓傳動系統。 30共五十二頁機床(jchung)的外形示意圖。 1-左主軸頭；2-夾具(jij)；3-右主軸頭；4-床身；5-工件31共五十二頁8.2.1 確定對液壓系統的工作(gngzu)要求 根據加工要求，刀具旋轉由機械傳動來實現；主軸頭沿導軌中心線方向的“快進一

18、工進快退停止”工作循環擬采用液壓傳動(chundng)方式來實現。故擬選定液壓缸作執行機構。 考慮到車削進給系統傳動功率不大，且要求低速穩定性好，粗加工時負載有較大變化，故擬選用調速閥、變量泵組成的容積節流調速方式。 為了自動實現上述工作循環，并保證零件一定的加工長度（該長度并無過高的精度要求），擬采用行程開關及電磁換向閥實現順序動作。 32共五十二頁8.2.2 擬定(ndng)液壓系統工作原理圖 系統同時驅動兩個車削頭，且動作相同。為保證(bozhng)快速進、退速度相等，并減小液壓泵的流量規格，擬選用差動連接回路。33共五十二頁 由快進轉工進時，采用機動滑閥。工進終了時。壓下電器行程開關返

19、回(fnhu)。快退到終點，壓下電器行程開關，運動停止。分別調節(tioji)兩個調速閥，可使兩車削頭有較高的同步精度。快進轉工進后，系統壓力升高，遙控順序閥打開，回油經背壓閥回油箱。背壓閥使工進時運動平穩。34共五十二頁8.2.3 計算和選擇(xunz)液壓元件8.2.3.1 液壓缸的計算(j sun) (1)工作負載及慣性負載計算35共五十二頁 工作負載： N油缸所要移動負載總重量： N選取工進時速度的最大變化量： m/s選取： s 36共五十二頁 缸的密封阻力通常(tngchng)折算為克服密封阻力所需的等效壓力乘以液壓缸的有效面積。若密封結構為Y型，可取 Peq=0.2MPa，缸的有效

20、面積初估值為 A1=80mm,則密封力為：（N） 啟動時：（N）運動時：(2) 密封(mfng)阻力的計算37共五十二頁（3）導軌摩擦阻力的計算(j sun)38共五十二頁（4）回油背壓造成(zo chn)的阻力計算 回油背壓，一般為 0.3-0.5MPa，取回油背壓 Pb=0.3MPa,考慮兩邊差動比為2,且已知液壓缸進油腔的活塞面積 A1=80 mm,取有桿腔活塞面積A2=40 mm，將上述(shngsh)值代入公式得：（N）（N） 分析液壓缸各工作階段中受力情況，得知在工進階段受力最大，作用在活塞上的總載荷：39共五十二頁（5）確定液壓缸的結構尺寸和工作(gngzu)壓力 根據經驗確定(

21、qudng)系統工作壓力，選取 P=3MPa，則工作腔的有效工作面積和活塞直徑分別為：因為液壓缸的差動比為2，所以活塞桿直徑為：40共五十二頁根據液壓技術行業標準，選取標準直徑則液壓缸實際計算工作壓力為:實際選取的工作壓力為:41共五十二頁 由于左右兩個切削頭工作時需做低速進給運動，在確定油缸活塞面積 A1之后(zhhu)，還必須按最低進繪速度驗算油缸尺寸。即應保證油缸有效工作面積 A1為：qmin流量閥最小穩定流量，在此取調速閥最小穩定流量為50ml/min； vmin活塞(husi)最低進繪速度，本題給定為20mmmin。式中：42共五十二頁 根據(gnj)上面確定的液壓缸直徑，油缸有效工

22、作面積為：驗算說明活塞面積能滿足最小穩定(wndng)速度要求。43共五十二頁8.2.3.2 油泵(yubng)的計算 對于調速閥進油節流調速系統，管路的局部壓力損失一般取 ，取總壓力損失 , 則液壓泵的實際計算工作壓力：(1) 確定(qudng)油泵的實際工作壓力，選擇油泵44共五十二頁取液壓系統的泄露系數 kl= 1.1 ，則液壓泵的流量為： 根據求得的液壓泵的流量和壓力，又要求泵變量,選取YBN-40M型葉片泵。當液壓缸左右兩個切削頭快進時，所需的最大流量之和為：45共五十二頁 因該系統選用變量泵，所以應算出空載快速、最大工進時所需的功率(gngl)，按兩者的最大值選取電機的功率(gngl)。最大工進：此時所需的最大流量為： 選取液壓泵的總效率為：=0.8，則工進時所需的液壓泵的最大功率為：(2) 確定液壓泵電機(dinj)的功率46共五十二頁導軌摩擦力：空載條件下的總負載：47共五十二頁空載快速(kui s)時液壓泵所需的最大功率為： 選取(xunq)空載快速條件下的系統壓力損失