第八章 液压传动的设计与计算 本章重点： 1. 设计方案的选择：速度控制回路、压力控制回路的设计 2. 主要参数 的确定：工作压力的选定；液压缸主要尺寸的确定；液压缸流量的确定； 压力图、流量图和功率图的绘制 第一节 液压传动系统的设计内容与步骤 液压传动系统设计的基本内容和一般流程： (1)明确对液压系统的要求； (2)分析主机工况，确定液压系统的主要参数； (3)进行方案设计，初拟液压系统原理图； (4)计算和选择液压元件； (5)验算液压系统的性能； (6)绘制正式系统工作图，编制技术文件。 一、明确对液压系统的设计要求 液压系统的设计必须能全面满足主机的各项功能和技术性能。因此，首先要了解主机设计人员对 液压部分提出的要求。一般应明确以下要点： (1)主机的用途、类型、工艺过程及总体布局，要求用液压传动完成的动作和空间位置的限制； (2)对液压系统动作和性能的要求， 如工作循环， 运动方式 （往复直线运动或旋转运动、 同步、 顺 序或互锁等要求） ，自动化程度，调速范围，运动平稳性和精度，负载状况，工作行程等； (3)工作环境：如温度、湿度、污染、腐蚀及易燃等情况； (4)其他要求：如可靠性，经济性等。 二、分析工况，确定液压系统的主要参数 明确了液压系统的设计依据后，对主机的工作过程进行分析，即负载分析和运动分析，确定负载 和速度在整个工作循环中的变化规律，然后即可计算执行元件的主要结构参数（指液压缸的有效工作 面积或液压马达的排量） ，以及确定液压系统的主要参数——工作压力和最大流量。 1、工况分析 主机工作过程中， 其执行机构所要克服的负载包括工作负载 （切削力、 注射力、 压力等） 、惯 性 负 载和阻力负载（摩擦力、密封阻力、背压阻力等） 。各工作阶段的负载可按以下各式计算 (1)启动阶段 F=F fs ± F G （ 8-1） (2)加速阶段 F=F fd +F m ± F G （ 8-2） (3)恒速阶段 F=± F t ± F fd ± F G （ 8-3） (4)制动阶段 1 F=± F t ± F fd － F m ± F G （ 8-4） 式中 F G ——重力，若工作部件水平放置则 F G =0； F fs ——静摩擦力， F fs =f s F n ， F n 为对支承面的正压力， f s 为静摩擦系数，一般 f s ≤ 0.2～ 0.3； F fd ——动摩擦力， F fd =f d F n ， f d 为动摩擦系数，一般 f d ≤ 0.05～ 0.1； F m ——惯性阻力， F m = g F G . t? ?υ ， t? 为启动或制动时间， υ? 为速度变化量； F t ——切削阻力。 图 8-1 执行机构负载和速度循环图 另外， 液压缸还有密封阻力、 背压力等。 根据各工作阶段内的负载和所经历时间， 可绘制出负载 循环图，如图 8-1（ a）所示。 同样，也可计算出执行机构在各阶段的运动速度，绘制出速度循环图，如图 8-1（ b）所示。 2、确定液压系统的主要参数 执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型来确定， 见表 8-1 和表 8-2。 表 8—1 按负载选择执行元件的工作压力 负载 F/kN ＜ 5 5~10 10~20 20~30 30~50 ＞ 50 工作压力 p/MPa <0.8~1.0 1.5~2.0 2.5~3.0 3.0~4.0 4.0~5.0 ＞ 5.0~7.0 表 8—2 各类主机常用工作压力 主机类型 精加工机床 半精加工 机床 粗加工或 重型机床 农业机械、 小 型工程机械 液压机、 重型机械、 大中型 挖掘机械、起重运输机械 工作压力 p/MPa 0.8~2.0 3.0~5.0 5.0~10.0 10.0~16.0 20.0~32.0 最大流量由执行机构速度循环图中的最大速度计算出来，它与执行元件的结构参数有关。通常， 按最大负载 Fmax 或 Tmax 和选取的工作压力，求出液压缸的有效工作面积 A 或液压马达的排量 V M 。 A= m p F η max (8-5) 2 V M = m p T η π max 2 (8-6) 式中 p ——选取的系统工作压力； m η ——泵或马达的机械效率。 液压缸或液压马达的最大流量可由式（ 8-7）或式（ 8-8）计算 q max =Aυ (8-7) max q = V max M n M max (8-8) 式中 υ ——液压缸的最大速度； max n M max ——液压马达的最大转速。 对于要 求工作速度很低的执行元件，在计算最大流量之前，需检验所求得的执行元件的主要结构 参数能否在系统最小稳定流量 q 下使该执行元件获得要求的最低工作速度 υ 或 n 即 min min min A≥ min min υ q （ 8-9） V M ≥ min min M n q (8-10) 否则， 需要调整 A、 V M 或 p。 在节流 调速系统中 q 决定于节流阀或调速阀的最小稳定流量， 由 产品的性能表查出。在容积调速系统中 q 决定于变量泵的最小稳定流量。 min min 由已确定的 A 值可以计算液压缸的内径 D，再参考有关手册，根据系统工作压力或液压缸往复运 动速比或活塞杆的受力情况（受拉力或压力）计算活塞杆的直径 d，计 算出的 D 和 d 最后还必须 圆整 成国家标准所规定的标准规格数值。 各液压执行元件的主要结构参数确定之 后， 即可根据负载循环图、 速度循环图 以及 A 和 V M 作出各执行元件的工况图（见图 8-2） 。 最后还需将各个执行元件的 q-t 图、 P-t 图综合 叠加，归并成整个液压系统的工况图，以显示 出整个工作循环中系统压力、流量和功率的最 大值以及在不同工作阶段的分布情况，作为后 续步骤中进行方案设计、选择液压元件等的依 据之一。 三、进行方案设计，初拟液压系统原理图 方案设计及初拟液压系统原理图是整个液 压系统设计中的重要步骤。它具体体现了主机 对液压系统提出的各项要求。主要工作包括两项内容：一是根据对液压系统的各项要求，选择液压回 路，进行方案设计；二是把选出的液压回路有机地组成液压系统。 图 8-2 执行元件工况图 3 1、选择液压回路 选择液压回路时既要考虑调速、 压力控制、 换向、 顺序或同步动作、 互锁等， 还要考虑节省能源， 提高效率，减少发热，安全可靠，减少冲击等问题。 2、初拟液压系统原理图 将选定的各液压回路组合、归并在一起，再加上一些辅助元件或回路，就初步形成了液压系统原 理图。在合成液压系统原理图时应注意以下几点： (1)尽可能合并作用相同或相近的多余元件； (2)消除回路合并可能带来的相互干扰； (3)对可靠性要求很高的主机，在液压系统中设置必要的备用元件或备用回路； (4)尽量采用标准元件，减少制造周期和成本； (5)为了便于调整和检修，在需要检测系统参数的地方设置工艺接头以便安装检测仪器。 四、计算与选择液压元件 液压元件的选择通常是由以下诸因素共同决定的： （ 1）参 考同类设备； （ 2）系统所需要的最高压 力和最大流量； （ 3）对稳态功率以及整个运动过程的考虑； （ 4）可供选用的液压元件及其成本。 1、液压泵及电动机的选择 首先确定液压泵的最大工作压力 p P =p 1 +Σ?p (8-11) 式中 p 1 ——执行元件的最高工作压力，由其工况图中得到； Σ?p——油液流经执行元件进油路上各液压元件及管路的总压力损失。 在整个液压系统尚未组成前， Σ?p 的取 值可估算， 也可以按经验资料估计。 例如， 对简单的系统 取 p=0.2~0.5MPa； 对复杂 的系统取Σ? Σ?p=0.5~1.5 MPa 。 当执行元件的最大工作压力出现在其停止 运动状态（如保压、夹紧等） ，则取 p=0 。 Σ? 其次根据系统工况图中的最大流量 q 确定液压泵的最大供油量 max q P ≥ k q max （ 8-12） 对于工作过程始终处于节流调速状态的系统，在确定液压泵的最大供油量时，尚需考虑溢流阀的 最小稳定溢流量，其一般为溢流阀额定流量的 15﹪以上。 对于采用差动液压缸的系统，液压泵的供油量为 q P ≥ k（ A 1 － A ） υ （ 8-13） 2 max 对于采 用蓄 能器共 同供 油的系 统， 液压泵 的最 大供油 量可 由系统 一个 工作循 环中 的平均 流量 确 定，即 q P ≥ T Vk i∑ （ 8-14） 式中 k——考虑系统泄漏的修正系数，一般取 1.1～ 1.3； A 1 、 A ——差动液压缸无杆腔、有杆腔的有效面积； 2 υ ——差动连接时活塞或液压缸的运动速度； max 4 V i ——系统在一个工作循环中第 i 个阶段内所需的供油量； T——一个工作循环的时间。 根据设计要求和系统工况可确定液压泵的类型， 然后按上面计算出的 p P 和 q P ， 参 照 产品样本即可 选择液压泵的规格型号。考虑到动态压力超调，并确保泵有足够的使用寿命，应使液压泵具有一定的 压力储备，从产品样本中选择的泵的额定压力应比 p P 高出 25~60﹪，其额定流量则只需与 q P 相当。 驱动液 压泵所需的电动机功率可直接从泵的产品样本上查出，然后结合泵的转速选择电动机。液 压泵的驱动功率也可以根据具体工况计算出来。 若在整个工作循环中，液压泵的工作压力和流量比较恒定，则液压泵的驱动功率为 P PP P qp P η = (8-15) 式中 p P ——液压泵的最大工作压力； q P ——液压泵的输出流量； P η ——液压泵的总效率，可由泵的产品样本中查出。 若一个 工作循环中，液压泵的最大工作压力和流量变化较大，则需分别计算出工作循环中各个阶 段所需的驱动功率，然后按下式求出平均驱动功率 n nn Pa ttt tPtPtP P +++ +++ = L L 21 2 2 2 21 2 1 (8-16) 式中 P 、 P 、…、 P 1 2 n ——一个工作循环中各个阶段所需的驱动功率； t 1 、 t 、…、 t 2 n ——一个工作循环中各个阶段所需的时间。 按平均驱动功率选择电动机时，应将求得的 P Pa 值与整个工作循环中所需的最大驱动功率进行比 较，核算短期超载量是否在允许的范围之内。 2、控制阀的选择 各种控制阀的规格型号按该阀所在油路的最大工作压力和流经此油路的最大流量选定。 即各种 阀 的额定压力和额定流量应与上述压力和流量相接近。 必要时可允许阀最大通过流量超过其额定流量的 20%。 此外，需确定液压阀的安装方式。液压阀可分为管式阀、板式阀、和叠加阀等。 管式阀是靠螺纹管接头将阀的各进出油口直接与系统管路相连接，如图 8— 3 所示。 板式阀有两种连接安装方式。 如图 8— 4 所示为采 用安装底板的板式连接结构。 图 8— 5 所示为采 用集成块的另一种板式连接结构。 叠加阀式安装连接 (见图 8— 6)是板式 阀集成块安装连接的一种新型发展形式，用于液压阀的集成 化 。 阀 与 阀 之 间 无 须 任 何 中 间 连 接 体 ， 阀 体 本 身 就 起 到 了 连 接 板 和 油 路 通 道 的 作 用 。 5 图 8-3 管式连接结构 1-管式液压阀 2-管接头 3-密封圈 4-螺母 5-接管 图 8-4 采用安装底板的板式连接结构 1-板式阀 2-底板 3-管接头 4-密封圈 5-螺母 6-接头 、 辅 助 、 确 定 5-7）估算。 箱 的 对 于行走机械的液压系统， 其油箱容积可适当减小， 但须配冷却装置。 五、验算液压系统性能 验 算 失 = + + （ 8-17） 式中 、 ——系统管道沿程压力损失和局部压力损失， 可分别参照第一章第四节中有关公 ； 系 V 在 中往往是主要部分， 若经过阀类元件的实际流量 q 与其额定流量 q 相差较大， 实 与额定压力损失 （由产品样本中查出）有如下关系 = （ 元 件 的 选 择 油 箱 总 容 量 应 倍。 图 8-5 板式阀用集成块连接 1-底板 2-螺栓 3-集成块 4-板式阀 5-管接头 6-顶盖 3 选择油管和管接头的简便方法是使它们的通径与其所连接的液压元件接口处的尺寸一致。 图 8-6 叠加阀式安装连接 [2] 4 容 量 为 其 有 效 容 量 V 的 1.25 油箱的有效容量可根据系统压力和液压泵的流量，按经验公式（ 油 1、 系 统 压 力 损 失 的 当系统的元、辅件规格和管道尺寸确定后，即可绘出油路的安装草图，对系统进油路上总压力损 p （包括将回油路的压力损失折算到进油路的部分在内）进行验算，即 Σ? pΣ? V ——阀和辅助元件的局部压力损失，可根据各自的型号规格从产品样本中查出。 统 在 不 同 工 作 阶 段 的 压 力 损 失 要 求 分 开 计 算 。 pΣ? pΣ? L pΣ? r pΣ? V V Vn pΣ? L pΣ? r Vn 2 式 计 算 pΣ? 际压力损失 pΣ? p V ? p? 件 规 格 管 道 尺 寸 。 计 算 出 的 系 统 压 力 损 失 可 作 为 确 定 系 统 调 整 压 力 的 依 据 之 一 ， 并 可 考 查 V Vn Vn q p? p? V q ） （ 8-18） 如 果 计 算 出的系统进油路上总压力损失 pΣ? 比 前 面 选 泵 时 估 计 的 数 值 大 得 多 ， 则 应 重 新 调 整 液 压 元 件 、 辅 和 6 系统的回路效率，在对不同的方案进行比较时作为参考。 2、系统效率的计算 油液流经控制阀、辅助元件和管路时会有压力损失、泄漏或溢流，也要消耗一定功率，即反映了 一定的效率。液压系统的效率 η Pi P Ei P PO P 式中 η P ——液压泵的总效率，由产品样本查出； 是系统的输出功率 P EO 与其输入功率 P Pi 之比，即 η= EO P （ 8-19） Pi P 它也可以写成 η= EO Ei P =η P η E η C η C P Ei qp∑ （ 8-21） PO P P （ 8-20） × × η E Eii ——执行元件的总效率，由产品样本查出，对于液压缸一般取 0.95； η POO q ——同时运转的液压泵的输出功率之和。 ——回路效率，它反映了从泵出口到执行元件进口这段油路的功率利用程度。 C PO Ei P POPO Ei qp∑ = = 式中 ——同时工作的执行元件工作压力与输入流量乘积之和； 3、系统发热和温升的验算 液压系统的压力、容积和机械损失所消耗的功率转化为热量，使系统的油温升高。连续工作一定 时间后，系统所产生的热量便和散发的热量相等达到平衡状态，油温不再升高。对于不同的主机，因 环境条件与工况不同， 最高允许油温也不相同 （参见表 8-3） 。 因此， 必 须运用热平衡原理对系统的温 升值进行估算，使其不得超过允许值。 若执行元件的有效功率为 ，液压泵的输入功率为 ，则系统的总发热量 H 可按下式估算 H= － （ 8-22） H= （ 1－ E qpΣ P pΣ EO P Pi P Pi EO 如果系统的总效率已由式（ 8-20）求出，则系统的总发热量也可按下式计算 P P Pi P η 50 55~70 ≤ 25 ） （ 8-23） 表 8-3 各种机械允许油温（℃） [3] 液压设备名称 正常工作油温 最高允许油温度 油及油箱的温升 机 床 30~50 55~70 ≤ 30~35 工程机械、矿山机械 50~80 70~90 ≤ 35~40 数控机床 30~ 金属粗加工机床 40~70 60~90 机车车辆 40~60 70~80 船舶 30~60 80~90 1： 1： 间 ， 油对于油箱三个边的尺寸比例在 1 到 1： 2： 3 之 平面高度是油箱高度的 80%， 且油箱 7 通 风 良 好 时 ， 油 液 温 升 T? 3 10× （ 的计算可用下式来估算 [4] T? = 3 2 V H 8-24） 式中 V——油箱的有效容积。 计 算 正式工作图包括液压系统原理图、 液压系统装配图、 各种非标准元件、 辅件的零件图及其装配图。 液压系统原理图中应附有液压元件明细表。表中标明各种液压元件的型号和规格。一般还应给出 序 表 和 简 要 说 明 。 图 等 。 技术文件包括液压系统设计计算书、标准件和非标准件明细表、液压系统操作使用说明书等内容。 略 结 果 如 果 超 出 最 高 允 许 油 温 ， 需 增 加 油 箱 表 面 积 ， 采 取 冷 却 措 施 或 改 进 液 压 系 统 设 计 。 六、绘制正式工作图，编制技术文件 各 执 行 元 件 的 工 作 循 环 图 、 动 作 顺 液压系统装配图是液压系统的正式安装、 施工的图纸， 包括油箱装配图、 泵装置图、 管 路 安 装 第二节 液压传动系统设计与计算举例 8