液压与气压传动系统设计是整机设计的一部分，需根据主机的具体工作条件，对负载大小和性质、工况以及使用要求来进行。
(一 )对液压系统的基本要求
1.能传递和输出工作部件所需要的功率、力或力矩。
2.能够实现工作部件所需的各项运动参数及动作要求。如行程、速度、
变速范围、位置精度、循环时间、动作顺序、联动及互锁关系等。
3.传动效率高，液压油温升不超过允许值。
4.工作安全可靠，使用维修方便。
5.价格合理。
（二）液压系统设计通常按以下程序进行
1.分析主机工况。确定执行原件的基本性能参数，绘制运动循环图
（行 程－时间图，速度－时间图）和负载循环图（负载－时间图）。
2.确定系统额定压力，计算执行元件的基本结构参数。
3.拟定液压系统主要回路，确定系统的具体方案，绘制草图。
4.选择标准元件，设计非标准元件。
5.绘制在主机上的总体布置草图，设计和选用管路及附件，绘制管路布置图。
6.进行系统验算。验算管道损失、系统的发热和温升以及液压冲击。
7.绘制正式工作图，编写技术文件。
第九章 液压传动系统设计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.1 明确设计要求、进行工况分析
9.1.1明确设计要求设计要求是任何设计的依据，液压传动系统设计时要明确系统的动作和性能要求。这里一般要考虑以下几个方面：
1.该设备中，哪些运动需要液压或气压传动完成，各执行机构的运动形式及动作幅度。
2.对液压或气压装置的空间布置、安装形式、重量、外形尺寸的限制等。
3.执行机构载荷形式和大小。
4.执行机构的运动速度，速度变化范围以及对运动平稳性的要求。
5.各执行机构的动作顺序，彼此之间的联锁关系，实现这些运动的操作或控制方式。
6.自动化程度、效率、温升、安全保护、制造成本等方面的要求。
7.工作环境方面的要求，如温度、湿度、振动、冲击、防尘、防腐、
抗燃性能等。
另外对主机的功能、用途、工艺流程也必须了解清楚，力求设计的系统更加切合实际。
9.1.2 执行元件的工况分析对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变规律。通常是求出一个工作循环内务阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度、负载随时间
(或位移 )变化的曲线图 (称为速度循环图、负载循环图和功率循环图 )。
在一般情况下，液压传动系统中液压缸承受的负载由六部分组成，即工作负载、导轨摩擦负载、功率、惯性负载、重力负载、
密封负载和背压负载，前五项构成了液压缸所要克服的机械总负载。
1．工作负载 Fw
不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工件的压制抗力即为工作负载。工作负载 Fw，与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值 (如顺铣加工的切削力 )。工作负载既可以为恒值，也可以为变值，大小要根据具体情况加以计算，有时还要由样机实测确定。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
2sin
Nf FGfF
f
sf
kf
2s in
N
f
FGfF (9,2)
f sf kf
—— 摩擦系数，其中,静摩擦系数只和动摩擦系数
G—— 运动部件的重力；
FN—— 垂直于导轨的工作负载； —— V形导轨面的夹角，一般 =900。
式中：
值参考表 9,1；
2．导轨摩擦负载 Ff
导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，
其值与运动部件的导轨形式、放置情况及运动状态有关。各种形式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。机床上常用平导轨和 V形导轨拉支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式 (导轨水平放置时 )为：
平导轨
Ff=f(G+FN) (9,1)
V形导轨第九章 液压与气压传动系统设计计算表 9.1 导轨摩擦系数导轨种类导轨材料 工作状态 摩擦系数滑动导轨 铸铁对铸铁 启动低速运行高速运行
0.10－ 0.2
0.1－ 0.22
0.05－ 0.08
滚动导轨 铸铁导轨对滚动体淬火钢导轨对滚动体
0.005－ 0.02
0.003－ 0.006
静压导轨 铸铁对铸铁 0.0005
3,惯性负载 Fi
惯性负载是运动部件在启动加速或在制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即：
（ 9.3）
式中,g—— 重力加速度：
—— 时间内的速度变化值：
—— 启动、制动或速度转换时间。可取＝ 0.01－
0.05s，轻载低速时可取较小值。
4,重力负载 Fg
垂直或者倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，
其自重也成为一种负载。倾斜放置时只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正直，反之取负值。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
t
v
g
GmaF
i?
v?
t?
4,重力负载 Fg
垂直或者倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，其自重也成为一种负载。倾斜放置时只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正直，反之取负值。
5,密封负载 Fs
密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、
液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，计算查相关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数,Fs无法计算，一般用液压缸的机械效率加以计算，常取 ＝ 0.90－ 0.97。
6,背压负载 Fb
背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力，。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前,Fb也无法计算，在负载计算时也可暂不考虑暂不考虑。
液压缸各个主要工作阶段的机械总负载 F可按下列公式计算：
第九章 液压与气压传动系统设计计算
cm? cm?
第九章 液压与气压传动系统设计计算式中 Fk液压缸的动摩擦力。
9.2 执行元件主要参数的确定执行元件的主要参数是指其工作压力和最大流量。液压传动系统采用的执行元件形式可视主机所需实现的运动种类和性质而定。
见下表。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.2.1 初选执行元件的工作压力工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度、刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵；反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。执行元件工作压力可以根据总负载的大小或主机设备类型选取，具体选择时，
可参考表 9,3和表 9,4。
气压传动控制系统的工作压力一般为 0.5 MPa左右。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.2.2 确定执行元件的主要结构参数
1,液压缸主要结构尺寸的确定在这里，需要确定的主要结构尺寸是指液压缸的内径 D和活塞杆的直径 d。计算和确定 D和 d的一般方法见 4,1,1节。
例如，对于单杆液压缸，可按相应的公式及 D,d之间的取值关系计算活塞直径 D和活塞杆直径 d，并按系列标准值圆整到相近的标准直径 D和 d。一般情况下，当活塞杆在受拉状态下工作时，取 d／ D＝ 0,3--0,5，工作压力高取大值；当活塞杆在受压状态下工作时，取 d／ D＝ 0,5－ 0,7。采用差动连接并要求往返速度相等时，应取 d=0,707D。液压缸的机械效率一般取 ＝ 0,9— 0,97。
对有低速运动要求的系统 (如精镗机床的进给液压系统 )，尚需对液压缸的有效工作面积 A进行验算，即应保证：
cm?
min
minvqA?
第九章 液压与气压传动系统设计计算式中,—— 控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量，可以从液压阀产品样本中查得； —— 液压刚要求达到的最低工作转速。
2,液压马达主要参数的确定液压马达所需的排量 V可按下式计算：
minq
minv
mmP
TV
2
T
mm?
mm?
P?
式中,———— 液压马达的负载扭矩；
—— 液压马达的机械效率，一般,＝ 0.9－ 0.97
—— 马达的两腔工作压差。
求得排量 V值后，从产品样本中选择液压马达的型号。
计算出的液压马达的排量 V也需满足最低稳定速度的要求。
9.2.3 复算执行元件的工作压力当液压缸的主要尺寸 D,d和马达的排量 y计算出来以后，要按各自的系列标准圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。
还需看到，在按上述方法确定工作压力的过程中，没有计算回油路的背压，因此所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需的那部分压力。在结构参数 D,d及 V确定之后，若选取适当的背压估算值 (如表 9,5)，
即可求出执行元件工作腔的压力 p1，液压缸差动连接时另行考虑。
对于单杆液压缸，其工作压力 p1，可按下列公式复算：
差动快进阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算无杆腔进油工近阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算有杆腔进油快退阶段式中,F—— 液压缸在各工作阶段的最大机械总负载；
A1,A2—— 分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积；
Pb—— 液压缸出口的背压，在系统设计完成之前无法准确计算，
可先按表 9,5估计。
根据执行元件的运动速度 v或转速 n以及确定的液压缸有效工作面积
A或液压马达的排量 v，计算出液压执行元件实际所需流量。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,2,4 执行元件的工况图各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算执行元件在工作循环各阶段的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率与时间 (或位移 )的变化曲线图 (图 9,2为某一机床进给液压缸工况图 )。将系统中各执行元件的工况图加以合并，便得到整个系统的工况图。系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压力、流量和功率的最大值及其分布情况
，为后续设计步骤中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据 。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
(1)压力循环图 (p— t图 )
根据最后确定的执行元件结构尺寸和负载循环图反求出执行元件在其工作循环各阶段的工作压力，然后把它们绘制成 p— t图。
(2)流量循环图 (q— t‘图 )
根据缸实际有效工作面积或马达排量以及工作循环各阶段的运动速度，计算出执行元件在 工作循环各阶段中所需的流量，然后绘制成 q— t‘图。若系统中有多个执行元件时，要把各自的 流量循环图叠加起来，绘出总的流量循环图。
(3)功率循环图 (P— t图 )
有了 P— t图和 q— t图后，根据 P=pq的关系即可求出相应的执行元件所需功率在工作循 环各阶段的变化规律，并绘制出 P— t‘图。
对于单个执行元件的系统或某些简单系统，其工况图的绘制可以省略，而仅将计算出的各阶段压力、流量和功率值列表表示。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,3 系统原理图的拟定系统原理图是表示系统的组成和工作原理的图样。拟定系统原理图是设计系统的关键，它对系统的性能及设计方案的合理性、经济性具有决定性的影响。
拟定系统原理图包含两项内容：一是通过分析、对比选出合适的基本回路；二是把选出的基本回路进行有机组合，构成完整的系统原理图。
(1)确定执行元件的形式液压或气压传动系统中的执行元件主要有液压缸 (气缸 )和液压马达
(气马达 )，根据主机动 作机构的运动要求来具体选用哪种形式。通常，直线运动机构一般采用液压缸 (气缸 )驱动，旋转 运动机构采用液压马达 (气马达 )驱动，但也不尽然。总之，要合理地选择执行元件，综合考虑液
(气 )— 机 — 电各种传动方式的相互配合，使所设计的液压 (气压 )传动系统更加简单、高效。
(2)确定回路类型一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式回路；凡允许采用辅 助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式回路。通常节流调速 系统采用开式回路，容积调速系统采用闭式回路第九章 液压与气压传动系统设计计算
(3)选择合适回路在拟定系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，
首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。例如对于机床液压系统，调速和速度换接回路是主要回路；对于压力机液压系统，
调压回路是主要回路。然后再考虑其它辅助回路，有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、
同步或互不干扰回路，有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。
具体有：
1)制订调速控制方案根据执行元件工况图上压力、流量和功率的大小以及系统对温升、
工作平稳性等方面的要求选择调速回路。对于负载功率小、运动速度低的系统，采用节流调速回路。工作平稳性要求不高的执行元件，
宜采用节流阀调速回路；负载变化较大，速度稳定性要求较高的场合，宜采用调速阀调速回路。
对于负载功率大的执行元件，一般都采用容积调速回路，即由变量泵供油，避免过多的溢流调速方式决定之后，回路的循环形式也随之而定。节流调速、容积 — 节流调速一般采用开式回路，容积调速大多采用闭式回路。
2)制订压力控制方案选择各种压力控制回路时，应仔细推敲各种回路在选用时所需注意的问题以及特点和适用场合。例如卸荷回路，选择时要考虑卸荷所造成的功率损失、温升、流量和压力的瞬时变化等。
恒压系统如进口节流和出口节流调速回路等，一般采用溢流阀起稳压溢流作用，同时也限定了系统的最高压力。定压容积节流调速回路本身能够定压不需压力控制阀。另外还可采用恒压变量泵加安全阀的方式。对非恒压系统，如旁路节流调速、容积调速和非定压容积节流调速，其系统的最高压力由安全阀限定。对系统中某一个支路要求比油源压力低的稳压输出，可采用减压阀实现。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
3)制订顺序动作控制方案主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型的不同，有的按固定程序进行，有的则是随机的或人为的。对于工程机械，操纵机构多为手动，一般用手动多路换向阀控制；对于加工机械，各液压执行元件的顺序动作多数采用行程控制，行程控制普遍采用行程开关控制，因其信号传输方便，而行程阀由于涉及油路的连接，只适用于管路安装较紧凑的场合。
另外还有时间控制、压力控制和可编程序控制等。
(4)编制整机的系统原理图整机的系统图主要由以上所确定的各回路组合而成，将挑选出来的各个回路合并整理，增加必要的元件或辅助回路，加以综合，构成一个完整的系统。在满足工作机构运动要求及生产率的前提下，力求所设计的系统结构简单、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养方便。
第九章 液压与气压传动系统设计计算此时应注意以下几个方面的问题：
1)去掉重复多余的元件，力求使系统结构简单，同时要仔细斟酌，
避免由于某个元件的去掉或并用而引起相互干扰。
2)增设安全装置，确保设备及操作者的人身安全。如挤压机控制油路上设置行程阀，只有安全门关闭时才能接通控制油路。
3)工作介质的净化必须予以足够的重视。特别是比较精密、重要的设备，可以单设一套自陌环的油液过滤系统。
4)对于大型的贵重设备，为确保生产的连续性，在液压系统的关键部位要加设必要的备用司路或备用元件。
5)为便于系统的安装、维修、检查、管理，在回路上要适当装设一些截止阀、测压点。
6)尽量选用标准元件和定型的液压装置第九章 液压与气压传动系统设计计算
p
11 ppp p
9,4 元件的计算和选择
9,4,1 动力元件的选择执行元件的尺寸规格及其工作压力与流量确定后，再结合所拟定的液压系统原理图，就可以 对系统中的其它元件进行选择或设计。
首先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型，然后根据液压泵的最大供油量来选择液 压泵的规格。
1．确定液压泵的最高供油压力入对于执行元件在行程终了才需要最高压力的工况 (此时执行元件本身只需要压力不需要流 量，但液压泵仍需向系统提供一定的流量，以满足泄漏流量的需要 )，可取执行元件的最高压力作 为泵的最大工作压力。对于执行元件在工作过程中需要最大工作压力的情况，可按下式确定：
式中,p1—— 执行元件的最高工作压力；
—— 从液压泵出口到执行元件人口之间总的压力损失。
11 ppp p
pp
该值较为准确的计算需要管路和元件的布置图确定后才能进行，初步计算时可按经验数据 选取。对简单系统流速较小时，取 ＝ 0,2－ 0,5 MPa，
对复杂系统流速较大时，取 ＝ 0,5－ 1,5 MPa
1p
1p
1p
第九章 液压与气压传动系统设计计算
m a x1 qkq p
T qkq ip 1
maxq?
1k
max1 qkqp
1k
1k
maxq?
T qkq ip 1
2．确定液压泵的最大供油量 qp
液压泵的最大供油量为：
—— 同时的动作各执行元件所需流量之和的最大值，对于工作中始终需要溢流的系统，尚需加上溢流阀的最小溢流量，溢流阎的最小溢流量可取其额定流量的 10％。系统中采用蓄能器供油时,qp由系统一个工作周期 T中的平均流量确定：
—— 系统的泄漏修正系数 =1.1— 1.3,一般 大流量取小值，小流量取大值；
式中,qi—— 系统在整个周期中第 i个阶段内的流量。
如果液压泵的供油量是按工进工况选取时 (如双泵供油方案，其中小流量泵是供给工进王况流量的 )，其供油量应考虑溢流阀的最小溢流量。
式中,1k
第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．选择液压泵的规格型号根据以上计算所得的液压泵的最大工作压力和最大输出流量以及系统中拟定的液压泵的型式，查阅有关手册或产品样本即可确定液压泵的规格型号。但要注意，选择的液压泵的额定流量要大于或等于前面计算所得的液压泵的最大输出流量，并且尽可能接近计算值；所选泵的额定压力应大于或等于计算所得的最大工作压力。有时尚需考虑一定的压力储备，使所选泵的额定压力高出计算所得的最大工作压力 25％～ 60％。
泵的额定流量则宜与 q。相当，不要超过太多，以造成过大的功率损失。
4．选择驱动液压泵的电动机驱动液压泵的电动机根据驱动功率和泵的转速来选择。
在整个工作循环中，若液压泵的压力和流量比较恒定，即工况图 P— t‘和
q— t曲线或 P— t曲线变化比较平稳时，则驱动泵的电动机功率 P为：
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算应该指出，确定液压泵的原动机时，一定要同时考虑功率和转速两个因素。对电动机来说，除电动机功率满足泵的需要外，电动机的同步转速不应高出泵的额定转速。例如，泵的额定转速为 1 000r／ min，
则电动机的同步转速亦应为 1 000r／ min，当然，若选择同步转速为
750r／ min的电动机，并且泵的流量能满足系统需要时是可以的。同理，
对内燃机来说，也不要使泵的实际转速高于其额定转速。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,4,2 阀类元件的选择各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系统工况图中提供的情况从产品样本中选取。各种阀的额定压力和额定流量，一般应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量 20％。具体选择时，注意溢流阀应使其能通过液压泵的全部流量。另外对所有压力阀来说，都有个合适的调压范围问题，不要使该阀的额定工作压力高出使用压力太多。流量阀要注意该阀的最小稳定流量能够满足液压系统执行机构最低稳定速度的需要。在选用分流集流阀 (同步阀 )等控制阀时，不要使实际流量低于阀的额定流量太多，以免分流
(或集流 )误差过大。单杆缸系统若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用面积的 n倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量的 n倍，因此应以 n倍的流量来选择通过的阀类元件。换向阀必要时可使实际流量最多高出其额定流量 20％，主要是考虑使换向阀的压力损失不要过大。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,4,3 辅助元件的选择
1．蓄能器的选择在液压系统中，蓄能器的作用是用来储存压力能，也用于减小液压冲击和吸收压力脉动。在选择时可根据蓄能器在液压系统中所起作用，
相应地确定其容量；具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
2．过滤器的选择过滤器是保持工作介质清洁，使系统正常工作所不可缺少的辅助元件。过滤器应根据其在系统中所处部位及被保护元件对工作介质的过滤精度要求、工作压力、过流能力及其它性能要求而定，通常应注意以下几点：
(1)其过滤精度要满足被保护元件或系统对工作介质清洁度的要求；
(2)过流能力应大于或等于实际通过的流量的 2倍；
(3)过滤器的耐压应大于其安装部位的系统压力；
(4)适用的场合一般按产品样本上的说明。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．油箱的设计液压系统中油箱的作用是：储油，保证供给系统充分的油液；散热，液压系统中由于能量损失所转换的热量大部分由油箱表面散逸；沉淀油中的杂质；分离油中的气泡，净化油液。在油箱的设计中具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
4．冷却器的选择液压系统如果依靠自然冷却不能保证油温维持在限定的最高温度之下，
就需装设冷却器进行强制冷却。
冷却器有水冷和风冷两种。对冷却器的选择主要是根据其热交换量来确定其散热面积及其所需的冷却介质量。具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
5．加热器的选择环境温度过低，使油温低于正常工作温度的下限，则须安装加热器。具体加热方法有蒸汽加热、电加热、管道加热。通常采用电加热器。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
6．选择的管件管件包括油管和管接头。管件选择是否得当，直接关系到系统能否正常工作和能量损失的大小，一般从强度和允许流速两个方面考虑。
液压传动系统中所用的油管，主要有钢管、紫铜管、钢丝编织或缠绕橡胶软管、尼龙管和塑料管等。油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚。
具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
在选择管接头时，除考虑其有合适的通流能力和较小的压力损失外，
还要考虑到装卸维修方便，连接牢固，密封可靠，支承元件的管道要有相应的强度。另外还要考虑使其结构紧凑、体积小，重量轻。
使用电加热器时，单个加热器的容量不能选得太大；如功率不够，可多装几个加热器，且加热管部分应全部浸入油中。
根据油的温升和加热时间及有关参数可计算出加热器的发热功率，
然后求出所需电加热器的功率 。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,4,4 阀类元件配置形式的选择对于固定式的液压设备，常将液压系统的动力源、阀类元件 (包括某些辅助元件 )集中安装在主机外的液压站上。这样能使安装与维修方便，并消除了动力源振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式可供选择。
配置形式不同，液压系统的压力损失和元件的连接安装结构也有所不同。阀类元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：板式配置、集成块式集成配置和叠加阀式集成配置。
第九章 液压与气压传动系统设计计算图 9.3 液压元件的板式配置
1．板式配置将标准元件与其底板用螺钉固定在竖立着的平板正面上，底板上的油路用油管接通
。这种配置方式的优点在于可按需要连接成各种型式的系统，安装维修方便，缺点是当液压系统的管路较多、较复杂时，油管的连接工作很不方便。图 9,3为板式配置示意图
。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
2．集成块式集成配置根据典型液压系统的各种基本回路做成通用化的集成块，用它们来拼搭出各种液压系统。集成块的上下两面为块与块之间的连接面，块内由钻孔形成油路，四周除一面安装管接头通向执行元件外，其余都供固定标准元件用。一般一块就是一个常用的典型基本回路。一个系统所需集成块的数目视其复杂程度而定，一般常需数块组成。总进油口与回油口开在底板上，通过集成块的公共孔道直接通顶盖。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、可标准化、便于设计与制造、更改设计方便、油路压力损失小，如图
9.4所示图 9.4 集成块式集成装置第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．叠加阀式集成配置叠加阀式与一般管式、板式标准元件相比，
其工作原理没有多大差别，但具体结构却不相同。它是采用标准化的液压元件或零件，通过螺钉将阀体叠加在一起，组成一个系统。每个叠加阀既起控制阀作用，又起通道体的作用。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、体积小、重量轻、不需设计专用的连接块、油路的压力损失很小，但叠加阀需自成系列，如图 9,5所示。 图 9.5 液压元件的叠加阀式配置第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,6 绘制正式工作图和编制技术文件所设计的液压系统经过验算后，即可对初步拟定的系统进行修改，并绘制正式工作图和编制技术文件。
1．绘制正式工作图正式工作图包括按国家标准绘制正规的系统原理图，系统装配图，阀块等非标准元、辅件的装配图及零件图。
系统原理图中应附有元件明细表，表中标明各元件的规格、型号和压力、流量调整值。一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表。
系统装配图是系统布置全貌的总布置图和管路施工图 (管路布置图 )，对液压系统应包括油箱装配图、液压泵站装配图、集成油路块装配图和管路安装图等。在管路安装图中应画出各管路的走向、固定装置结构、各种管接头的形式和规格等。
标准元件、辅件和联接件的清单，通常以表格形式给出：同时给出工作介质的品牌、数量及系统对其它配置 (如厂房、电源、电线布置、基础施工条件等 )的要求。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
2．编制技术文件必须明确设计任务书，据此检查、考核液压系统是否达到设计要求。
技术文件一般包括系统设计计算说明书；系统使用及维护技术说明书；零部件明细表及标准 件、通用件及外购件明细表等；
系统有关的其它注意事项。
9,7 系统设计计算举例下面以一台钻镗两用组合机床液压系统的设计计算为例，对液压与气压传动系统的设计计 算进行说明，所要设计的液压系统，
要完成 8个 414 mm孔的加工进给传动。其设计过程如下。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
t?
sf
kf
cm?
根据加工需要，该系统的工作循环是：快速前进 工作进给快速退回 原位停止。 调查研究及计算结果表明，快进、快退速度约为 4,5 m／ min，工进速度应能在 20— 120mm／ min范围内无级调速，最大行程为 400mm(其中工进行程为 180 mm)，在进给方向最大切削力 18 kN，运动部件自重为 25 kN，启动换向时间
=0.05 s，采用水平放置的平导轨，静摩擦系数 2.0?sf
cm?sf
t?
动摩擦系数 =0,1,油缸机械效率 取 0,9。
启动加速阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算查设计手册，按液压缸内径系列将以上计算值圆整为标准直径，取
D=100mm。为了实现快进速度与快退速度相等，采用差动连接，则 d=0,707
D，所以 d=0,707x100 mm=70mm。同样圆整成标准系列活塞直径，取
d=70mm。由 D=100mm,d=70mm算出液压缸无杆腔有效作用面积为 A1=78.5
cm2，有杆腔有效作用面积为 A2=40.1 cm2。工进若采用调速阀调速，查产品样本，调速阀最小稳定流量 qmin=0.05 L／ min，因 最小工进速度 vmin=20 mm／
min，则：
1．初选液压缸的工作压力由负载值大小查表 9,3，参考同类型组合机床，取液压缸工作压力为 3 MPa。
2．确定液压缸的主要结构参数由表 9,6看出，最大负载为工进阶段的负载 F=22,778 N，则有：
第九章 液压与气压传动系统设计计算因此能满足低速稳定性要求。
3．计算液压缸的工作压力、流量和功率
(1)计算工作压力 根据表 9,5，本系统的背压估计值可在 0.5－ 0,8
MPa范围内选取，故暂定：工进时 Pb=0.8MPa；快速运动时 Pb=0.5 MPa。液压缸在工作循环各阶段的工作压力 P1，即可按式 (9,11),(9,12)或 (9,13)计算
：
差动快进阶段,
第九章 液压与气压传动系统设计计算
（ 2）计算液压缸的输入流量 因快进快退速度 V=0,075 m／ s，
最大工进速度 V2=0.002 m／ s,则液压缸各阶段的输入流量为：
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,7,4 拟定系统原理图根据钻镗两用组合机床的设计任务和工况分析，该机床对调整范围、
低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
1．速度控制回路的选择本机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，
故采用调速阀调速。有三种方案可供选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的调速。本系统为小功率系统，
效率和发热问题并不突出；钻镗属于连续切削加工，切削力变化不大，而且是正负载，在其它条件相同的情况下，进口节流调速比出口节流调速能获得更低的稳定速度，故本机床液压系统采用调速阀式进口节流调速回路，为防止孔钻通时发生前冲，在回油路上应加背压阀。
由表 9,7得知，液压系统的供油主要为低压大流量和高压小流量两个阶段，若采用单个定量泵，显然系统的功率损失大、效率低。
为了提高系统效率和节约能源，采用双泵供油回路。
由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
2．换向和速度换接回路的选择本系统对换向平稳性的要求不很高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路。为便于差动连接，选用三位五通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，选用 Y型中位机能。由计算可知，当滑台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由 17.4 L／ min降为 0.96 L／
min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少液压冲击。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。
3．压力控制回路的选择由于采用双泵供油回路，故用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，
用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压基本回路组合成液压系统，井根据需要作必要的修改调整，最后画出液压系统原理图如图 9,6所示。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,7,5 选择元件
1．选择液压泵由表 9,7可知，工进阶段液压缸工作压力最大，如果取进油路总的压力损失 ∑△ p1＝ 0,5MPa，则液压泵最高工作压力可按式 (9,14)计算出：
将表 9,7中的流量值代人式 (9,15)，可分别求出快速以及工进阶段的供油流量。快进、快退时泵的流量为：
考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，一般取为 3 L／ min，所以小流量泵的流量为：
第九章 液压与气压传动系统设计计算查产品样本，选用小泵排量为 V1=6 mL／ r，大泵排量为 V2=6 mL/r的
YB1型双联叶片泵，其额定转速为 n=960r／ rin，容积效率
pv?
=0.95，则小泵的流量为,
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
2．选择液压阀根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格，列于表 9,8中。
3．选择辅助元件油管内径一般可参照所选元件油口尺寸确定，也可按管路允许流速进行计算，本系统油管选 +18x1,6无缝钢管。油箱容量按 6,3,1节确定，即：
其它辅助元件型号规格按广州机床研究所系列选取，也列于表 9,8中。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,7,6 系统性能验算,
由于本液压系统比较简单，压力损失验算可以忽略。又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故不必进行系统温升的验算。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
(一 )对液压系统的基本要求
1.能传递和输出工作部件所需要的功率、力或力矩。
2.能够实现工作部件所需的各项运动参数及动作要求。如行程、速度、
变速范围、位置精度、循环时间、动作顺序、联动及互锁关系等。
3.传动效率高，液压油温升不超过允许值。
4.工作安全可靠，使用维修方便。
5.价格合理。
（二）液压系统设计通常按以下程序进行
1.分析主机工况。确定执行原件的基本性能参数，绘制运动循环图
（行 程－时间图，速度－时间图）和负载循环图（负载－时间图）。
2.确定系统额定压力，计算执行元件的基本结构参数。
3.拟定液压系统主要回路，确定系统的具体方案，绘制草图。
4.选择标准元件，设计非标准元件。
5.绘制在主机上的总体布置草图，设计和选用管路及附件，绘制管路布置图。
6.进行系统验算。验算管道损失、系统的发热和温升以及液压冲击。
7.绘制正式工作图，编写技术文件。
第九章 液压传动系统设计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.1 明确设计要求、进行工况分析
9.1.1明确设计要求设计要求是任何设计的依据，液压传动系统设计时要明确系统的动作和性能要求。这里一般要考虑以下几个方面：
1.该设备中，哪些运动需要液压或气压传动完成，各执行机构的运动形式及动作幅度。
2.对液压或气压装置的空间布置、安装形式、重量、外形尺寸的限制等。
3.执行机构载荷形式和大小。
4.执行机构的运动速度，速度变化范围以及对运动平稳性的要求。
5.各执行机构的动作顺序，彼此之间的联锁关系，实现这些运动的操作或控制方式。
6.自动化程度、效率、温升、安全保护、制造成本等方面的要求。
7.工作环境方面的要求，如温度、湿度、振动、冲击、防尘、防腐、
抗燃性能等。
另外对主机的功能、用途、工艺流程也必须了解清楚，力求设计的系统更加切合实际。
9.1.2 执行元件的工况分析对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变规律。通常是求出一个工作循环内务阶段的速度和负载值列表表示，必要时还应作出速度、负载随时间
(或位移 )变化的曲线图 (称为速度循环图、负载循环图和功率循环图 )。
在一般情况下，液压传动系统中液压缸承受的负载由六部分组成，即工作负载、导轨摩擦负载、功率、惯性负载、重力负载、
密封负载和背压负载，前五项构成了液压缸所要克服的机械总负载。
1．工作负载 Fw
不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工件的压制抗力即为工作负载。工作负载 Fw，与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值 (如顺铣加工的切削力 )。工作负载既可以为恒值，也可以为变值，大小要根据具体情况加以计算，有时还要由样机实测确定。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
2sin
Nf FGfF
f
sf
kf
2s in
N
f
FGfF (9,2)
f sf kf
—— 摩擦系数，其中,静摩擦系数只和动摩擦系数
G—— 运动部件的重力；
FN—— 垂直于导轨的工作负载； —— V形导轨面的夹角，一般 =900。
式中：
值参考表 9,1；
2．导轨摩擦负载 Ff
导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，
其值与运动部件的导轨形式、放置情况及运动状态有关。各种形式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。机床上常用平导轨和 V形导轨拉支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式 (导轨水平放置时 )为：
平导轨
Ff=f(G+FN) (9,1)
V形导轨第九章 液压与气压传动系统设计计算表 9.1 导轨摩擦系数导轨种类导轨材料 工作状态 摩擦系数滑动导轨 铸铁对铸铁 启动低速运行高速运行
0.10－ 0.2
0.1－ 0.22
0.05－ 0.08
滚动导轨 铸铁导轨对滚动体淬火钢导轨对滚动体
0.005－ 0.02
0.003－ 0.006
静压导轨 铸铁对铸铁 0.0005
3,惯性负载 Fi
惯性负载是运动部件在启动加速或在制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出，即：
（ 9.3）
式中,g—— 重力加速度：
—— 时间内的速度变化值：
—— 启动、制动或速度转换时间。可取＝ 0.01－
0.05s，轻载低速时可取较小值。
4,重力负载 Fg
垂直或者倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，
其自重也成为一种负载。倾斜放置时只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正直，反之取负值。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
t
v
g
GmaF
i?
v?
t?
4,重力负载 Fg
垂直或者倾斜放置的运动部件，在没有平衡的情况下，其自重也成为一种负载。倾斜放置时只计算重力在运动方向上的分力。液压缸上行时重力取正直，反之取负值。
5,密封负载 Fs
密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、
液压缸的制造质量和油液的工作压力有关，计算查相关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数,Fs无法计算，一般用液压缸的机械效率加以计算，常取 ＝ 0.90－ 0.97。
6,背压负载 Fb
背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力，。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前,Fb也无法计算，在负载计算时也可暂不考虑暂不考虑。
液压缸各个主要工作阶段的机械总负载 F可按下列公式计算：
第九章 液压与气压传动系统设计计算
cm? cm?
第九章 液压与气压传动系统设计计算式中 Fk液压缸的动摩擦力。
9.2 执行元件主要参数的确定执行元件的主要参数是指其工作压力和最大流量。液压传动系统采用的执行元件形式可视主机所需实现的运动种类和性质而定。
见下表。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.2.1 初选执行元件的工作压力工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。工作压力选得高，执行元件和系统的结构紧凑，但对元件的强度、刚度及密封要求高，且要采用较高压力的液压泵；反之，如果工作压力选得低，就会增大执行元件及整个系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。执行元件工作压力可以根据总负载的大小或主机设备类型选取，具体选择时，
可参考表 9,3和表 9,4。
气压传动控制系统的工作压力一般为 0.5 MPa左右。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9.2.2 确定执行元件的主要结构参数
1,液压缸主要结构尺寸的确定在这里，需要确定的主要结构尺寸是指液压缸的内径 D和活塞杆的直径 d。计算和确定 D和 d的一般方法见 4,1,1节。
例如，对于单杆液压缸，可按相应的公式及 D,d之间的取值关系计算活塞直径 D和活塞杆直径 d，并按系列标准值圆整到相近的标准直径 D和 d。一般情况下，当活塞杆在受拉状态下工作时，取 d／ D＝ 0,3--0,5，工作压力高取大值；当活塞杆在受压状态下工作时，取 d／ D＝ 0,5－ 0,7。采用差动连接并要求往返速度相等时，应取 d=0,707D。液压缸的机械效率一般取 ＝ 0,9— 0,97。
对有低速运动要求的系统 (如精镗机床的进给液压系统 )，尚需对液压缸的有效工作面积 A进行验算，即应保证：
cm?
min
minvqA?
第九章 液压与气压传动系统设计计算式中,—— 控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量，可以从液压阀产品样本中查得； —— 液压刚要求达到的最低工作转速。
2,液压马达主要参数的确定液压马达所需的排量 V可按下式计算：
minq
minv
mmP
TV
2
T
mm?
mm?
P?
式中,———— 液压马达的负载扭矩；
—— 液压马达的机械效率，一般,＝ 0.9－ 0.97
—— 马达的两腔工作压差。
求得排量 V值后，从产品样本中选择液压马达的型号。
计算出的液压马达的排量 V也需满足最低稳定速度的要求。
9.2.3 复算执行元件的工作压力当液压缸的主要尺寸 D,d和马达的排量 y计算出来以后，要按各自的系列标准圆整，经过圆整的标准值与计算值之间一般都存在一定的差别，因此有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。
还需看到，在按上述方法确定工作压力的过程中，没有计算回油路的背压，因此所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载所需的那部分压力。在结构参数 D,d及 V确定之后，若选取适当的背压估算值 (如表 9,5)，
即可求出执行元件工作腔的压力 p1，液压缸差动连接时另行考虑。
对于单杆液压缸，其工作压力 p1，可按下列公式复算：
差动快进阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算无杆腔进油工近阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算有杆腔进油快退阶段式中,F—— 液压缸在各工作阶段的最大机械总负载；
A1,A2—— 分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积；
Pb—— 液压缸出口的背压，在系统设计完成之前无法准确计算，
可先按表 9,5估计。
根据执行元件的运动速度 v或转速 n以及确定的液压缸有效工作面积
A或液压马达的排量 v，计算出液压执行元件实际所需流量。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,2,4 执行元件的工况图各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算执行元件在工作循环各阶段的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率与时间 (或位移 )的变化曲线图 (图 9,2为某一机床进给液压缸工况图 )。将系统中各执行元件的工况图加以合并，便得到整个系统的工况图。系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压力、流量和功率的最大值及其分布情况
，为后续设计步骤中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据 。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
(1)压力循环图 (p— t图 )
根据最后确定的执行元件结构尺寸和负载循环图反求出执行元件在其工作循环各阶段的工作压力，然后把它们绘制成 p— t图。
(2)流量循环图 (q— t‘图 )
根据缸实际有效工作面积或马达排量以及工作循环各阶段的运动速度，计算出执行元件在 工作循环各阶段中所需的流量，然后绘制成 q— t‘图。若系统中有多个执行元件时，要把各自的 流量循环图叠加起来，绘出总的流量循环图。
(3)功率循环图 (P— t图 )
有了 P— t图和 q— t图后，根据 P=pq的关系即可求出相应的执行元件所需功率在工作循 环各阶段的变化规律，并绘制出 P— t‘图。
对于单个执行元件的系统或某些简单系统，其工况图的绘制可以省略，而仅将计算出的各阶段压力、流量和功率值列表表示。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,3 系统原理图的拟定系统原理图是表示系统的组成和工作原理的图样。拟定系统原理图是设计系统的关键，它对系统的性能及设计方案的合理性、经济性具有决定性的影响。
拟定系统原理图包含两项内容：一是通过分析、对比选出合适的基本回路；二是把选出的基本回路进行有机组合，构成完整的系统原理图。
(1)确定执行元件的形式液压或气压传动系统中的执行元件主要有液压缸 (气缸 )和液压马达
(气马达 )，根据主机动 作机构的运动要求来具体选用哪种形式。通常，直线运动机构一般采用液压缸 (气缸 )驱动，旋转 运动机构采用液压马达 (气马达 )驱动，但也不尽然。总之，要合理地选择执行元件，综合考虑液
(气 )— 机 — 电各种传动方式的相互配合，使所设计的液压 (气压 )传动系统更加简单、高效。
(2)确定回路类型一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式回路；凡允许采用辅 助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式回路。通常节流调速 系统采用开式回路，容积调速系统采用闭式回路第九章 液压与气压传动系统设计计算
(3)选择合适回路在拟定系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和性能要求，
首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。例如对于机床液压系统，调速和速度换接回路是主要回路；对于压力机液压系统，
调压回路是主要回路。然后再考虑其它辅助回路，有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路，有多个执行元件的系统要考虑顺序动作、
同步或互不干扰回路，有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。
具体有：
1)制订调速控制方案根据执行元件工况图上压力、流量和功率的大小以及系统对温升、
工作平稳性等方面的要求选择调速回路。对于负载功率小、运动速度低的系统，采用节流调速回路。工作平稳性要求不高的执行元件，
宜采用节流阀调速回路；负载变化较大，速度稳定性要求较高的场合，宜采用调速阀调速回路。
对于负载功率大的执行元件，一般都采用容积调速回路，即由变量泵供油，避免过多的溢流调速方式决定之后，回路的循环形式也随之而定。节流调速、容积 — 节流调速一般采用开式回路，容积调速大多采用闭式回路。
2)制订压力控制方案选择各种压力控制回路时，应仔细推敲各种回路在选用时所需注意的问题以及特点和适用场合。例如卸荷回路，选择时要考虑卸荷所造成的功率损失、温升、流量和压力的瞬时变化等。
恒压系统如进口节流和出口节流调速回路等，一般采用溢流阀起稳压溢流作用，同时也限定了系统的最高压力。定压容积节流调速回路本身能够定压不需压力控制阀。另外还可采用恒压变量泵加安全阀的方式。对非恒压系统，如旁路节流调速、容积调速和非定压容积节流调速，其系统的最高压力由安全阀限定。对系统中某一个支路要求比油源压力低的稳压输出，可采用减压阀实现。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
3)制订顺序动作控制方案主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型的不同，有的按固定程序进行，有的则是随机的或人为的。对于工程机械，操纵机构多为手动，一般用手动多路换向阀控制；对于加工机械，各液压执行元件的顺序动作多数采用行程控制，行程控制普遍采用行程开关控制，因其信号传输方便，而行程阀由于涉及油路的连接，只适用于管路安装较紧凑的场合。
另外还有时间控制、压力控制和可编程序控制等。
(4)编制整机的系统原理图整机的系统图主要由以上所确定的各回路组合而成，将挑选出来的各个回路合并整理，增加必要的元件或辅助回路，加以综合，构成一个完整的系统。在满足工作机构运动要求及生产率的前提下，力求所设计的系统结构简单、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养方便。
第九章 液压与气压传动系统设计计算此时应注意以下几个方面的问题：
1)去掉重复多余的元件，力求使系统结构简单，同时要仔细斟酌，
避免由于某个元件的去掉或并用而引起相互干扰。
2)增设安全装置，确保设备及操作者的人身安全。如挤压机控制油路上设置行程阀，只有安全门关闭时才能接通控制油路。
3)工作介质的净化必须予以足够的重视。特别是比较精密、重要的设备，可以单设一套自陌环的油液过滤系统。
4)对于大型的贵重设备，为确保生产的连续性，在液压系统的关键部位要加设必要的备用司路或备用元件。
5)为便于系统的安装、维修、检查、管理，在回路上要适当装设一些截止阀、测压点。
6)尽量选用标准元件和定型的液压装置第九章 液压与气压传动系统设计计算
p
11 ppp p
9,4 元件的计算和选择
9,4,1 动力元件的选择执行元件的尺寸规格及其工作压力与流量确定后，再结合所拟定的液压系统原理图，就可以 对系统中的其它元件进行选择或设计。
首先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型，然后根据液压泵的最大供油量来选择液 压泵的规格。
1．确定液压泵的最高供油压力入对于执行元件在行程终了才需要最高压力的工况 (此时执行元件本身只需要压力不需要流 量，但液压泵仍需向系统提供一定的流量，以满足泄漏流量的需要 )，可取执行元件的最高压力作 为泵的最大工作压力。对于执行元件在工作过程中需要最大工作压力的情况，可按下式确定：
式中,p1—— 执行元件的最高工作压力；
—— 从液压泵出口到执行元件人口之间总的压力损失。
11 ppp p
pp
该值较为准确的计算需要管路和元件的布置图确定后才能进行，初步计算时可按经验数据 选取。对简单系统流速较小时，取 ＝ 0,2－ 0,5 MPa，
对复杂系统流速较大时，取 ＝ 0,5－ 1,5 MPa
1p
1p
1p
第九章 液压与气压传动系统设计计算
m a x1 qkq p
T qkq ip 1
maxq?
1k
max1 qkqp
1k
1k
maxq?
T qkq ip 1
2．确定液压泵的最大供油量 qp
液压泵的最大供油量为：
—— 同时的动作各执行元件所需流量之和的最大值，对于工作中始终需要溢流的系统，尚需加上溢流阀的最小溢流量，溢流阎的最小溢流量可取其额定流量的 10％。系统中采用蓄能器供油时,qp由系统一个工作周期 T中的平均流量确定：
—— 系统的泄漏修正系数 =1.1— 1.3,一般 大流量取小值，小流量取大值；
式中,qi—— 系统在整个周期中第 i个阶段内的流量。
如果液压泵的供油量是按工进工况选取时 (如双泵供油方案，其中小流量泵是供给工进王况流量的 )，其供油量应考虑溢流阀的最小溢流量。
式中,1k
第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．选择液压泵的规格型号根据以上计算所得的液压泵的最大工作压力和最大输出流量以及系统中拟定的液压泵的型式，查阅有关手册或产品样本即可确定液压泵的规格型号。但要注意，选择的液压泵的额定流量要大于或等于前面计算所得的液压泵的最大输出流量，并且尽可能接近计算值；所选泵的额定压力应大于或等于计算所得的最大工作压力。有时尚需考虑一定的压力储备，使所选泵的额定压力高出计算所得的最大工作压力 25％～ 60％。
泵的额定流量则宜与 q。相当，不要超过太多，以造成过大的功率损失。
4．选择驱动液压泵的电动机驱动液压泵的电动机根据驱动功率和泵的转速来选择。
在整个工作循环中，若液压泵的压力和流量比较恒定，即工况图 P— t‘和
q— t曲线或 P— t曲线变化比较平稳时，则驱动泵的电动机功率 P为：
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算应该指出，确定液压泵的原动机时，一定要同时考虑功率和转速两个因素。对电动机来说，除电动机功率满足泵的需要外，电动机的同步转速不应高出泵的额定转速。例如，泵的额定转速为 1 000r／ min，
则电动机的同步转速亦应为 1 000r／ min，当然，若选择同步转速为
750r／ min的电动机，并且泵的流量能满足系统需要时是可以的。同理，
对内燃机来说，也不要使泵的实际转速高于其额定转速。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,4,2 阀类元件的选择各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系统工况图中提供的情况从产品样本中选取。各种阀的额定压力和额定流量，一般应与其工作压力和最大通过流量相接近，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量 20％。具体选择时，注意溢流阀应使其能通过液压泵的全部流量。另外对所有压力阀来说，都有个合适的调压范围问题，不要使该阀的额定工作压力高出使用压力太多。流量阀要注意该阀的最小稳定流量能够满足液压系统执行机构最低稳定速度的需要。在选用分流集流阀 (同步阀 )等控制阀时，不要使实际流量低于阀的额定流量太多，以免分流
(或集流 )误差过大。单杆缸系统若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用面积的 n倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量的 n倍，因此应以 n倍的流量来选择通过的阀类元件。换向阀必要时可使实际流量最多高出其额定流量 20％，主要是考虑使换向阀的压力损失不要过大。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,4,3 辅助元件的选择
1．蓄能器的选择在液压系统中，蓄能器的作用是用来储存压力能，也用于减小液压冲击和吸收压力脉动。在选择时可根据蓄能器在液压系统中所起作用，
相应地确定其容量；具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
2．过滤器的选择过滤器是保持工作介质清洁，使系统正常工作所不可缺少的辅助元件。过滤器应根据其在系统中所处部位及被保护元件对工作介质的过滤精度要求、工作压力、过流能力及其它性能要求而定，通常应注意以下几点：
(1)其过滤精度要满足被保护元件或系统对工作介质清洁度的要求；
(2)过流能力应大于或等于实际通过的流量的 2倍；
(3)过滤器的耐压应大于其安装部位的系统压力；
(4)适用的场合一般按产品样本上的说明。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．油箱的设计液压系统中油箱的作用是：储油，保证供给系统充分的油液；散热，液压系统中由于能量损失所转换的热量大部分由油箱表面散逸；沉淀油中的杂质；分离油中的气泡，净化油液。在油箱的设计中具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
4．冷却器的选择液压系统如果依靠自然冷却不能保证油温维持在限定的最高温度之下，
就需装设冷却器进行强制冷却。
冷却器有水冷和风冷两种。对冷却器的选择主要是根据其热交换量来确定其散热面积及其所需的冷却介质量。具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
5．加热器的选择环境温度过低，使油温低于正常工作温度的下限，则须安装加热器。具体加热方法有蒸汽加热、电加热、管道加热。通常采用电加热器。
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6．选择的管件管件包括油管和管接头。管件选择是否得当，直接关系到系统能否正常工作和能量损失的大小，一般从强度和允许流速两个方面考虑。
液压传动系统中所用的油管，主要有钢管、紫铜管、钢丝编织或缠绕橡胶软管、尼龙管和塑料管等。油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚。
具体可参阅本教材的液压与气压传动辅助元件章节内容和相关手册。
在选择管接头时，除考虑其有合适的通流能力和较小的压力损失外，
还要考虑到装卸维修方便，连接牢固，密封可靠，支承元件的管道要有相应的强度。另外还要考虑使其结构紧凑、体积小，重量轻。
使用电加热器时，单个加热器的容量不能选得太大；如功率不够，可多装几个加热器，且加热管部分应全部浸入油中。
根据油的温升和加热时间及有关参数可计算出加热器的发热功率，
然后求出所需电加热器的功率 。
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9,4,4 阀类元件配置形式的选择对于固定式的液压设备，常将液压系统的动力源、阀类元件 (包括某些辅助元件 )集中安装在主机外的液压站上。这样能使安装与维修方便，并消除了动力源振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式可供选择。
配置形式不同，液压系统的压力损失和元件的连接安装结构也有所不同。阀类元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：板式配置、集成块式集成配置和叠加阀式集成配置。
第九章 液压与气压传动系统设计计算图 9.3 液压元件的板式配置
1．板式配置将标准元件与其底板用螺钉固定在竖立着的平板正面上，底板上的油路用油管接通
。这种配置方式的优点在于可按需要连接成各种型式的系统，安装维修方便，缺点是当液压系统的管路较多、较复杂时，油管的连接工作很不方便。图 9,3为板式配置示意图
。
第九章 液压与气压传动系统设计计算
2．集成块式集成配置根据典型液压系统的各种基本回路做成通用化的集成块，用它们来拼搭出各种液压系统。集成块的上下两面为块与块之间的连接面，块内由钻孔形成油路，四周除一面安装管接头通向执行元件外，其余都供固定标准元件用。一般一块就是一个常用的典型基本回路。一个系统所需集成块的数目视其复杂程度而定，一般常需数块组成。总进油口与回油口开在底板上，通过集成块的公共孔道直接通顶盖。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、可标准化、便于设计与制造、更改设计方便、油路压力损失小，如图
9.4所示图 9.4 集成块式集成装置第九章 液压与气压传动系统设计计算
3．叠加阀式集成配置叠加阀式与一般管式、板式标准元件相比，
其工作原理没有多大差别，但具体结构却不相同。它是采用标准化的液压元件或零件，通过螺钉将阀体叠加在一起，组成一个系统。每个叠加阀既起控制阀作用，又起通道体的作用。这种配置形式的优点是结构紧凑、油管少、体积小、重量轻、不需设计专用的连接块、油路的压力损失很小，但叠加阀需自成系列，如图 9,5所示。 图 9.5 液压元件的叠加阀式配置第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,6 绘制正式工作图和编制技术文件所设计的液压系统经过验算后，即可对初步拟定的系统进行修改，并绘制正式工作图和编制技术文件。
1．绘制正式工作图正式工作图包括按国家标准绘制正规的系统原理图，系统装配图，阀块等非标准元、辅件的装配图及零件图。
系统原理图中应附有元件明细表，表中标明各元件的规格、型号和压力、流量调整值。一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表。
系统装配图是系统布置全貌的总布置图和管路施工图 (管路布置图 )，对液压系统应包括油箱装配图、液压泵站装配图、集成油路块装配图和管路安装图等。在管路安装图中应画出各管路的走向、固定装置结构、各种管接头的形式和规格等。
标准元件、辅件和联接件的清单，通常以表格形式给出：同时给出工作介质的品牌、数量及系统对其它配置 (如厂房、电源、电线布置、基础施工条件等 )的要求。
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2．编制技术文件必须明确设计任务书，据此检查、考核液压系统是否达到设计要求。
技术文件一般包括系统设计计算说明书；系统使用及维护技术说明书；零部件明细表及标准 件、通用件及外购件明细表等；
系统有关的其它注意事项。
9,7 系统设计计算举例下面以一台钻镗两用组合机床液压系统的设计计算为例，对液压与气压传动系统的设计计 算进行说明，所要设计的液压系统，
要完成 8个 414 mm孔的加工进给传动。其设计过程如下。
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t?
sf
kf
cm?
根据加工需要，该系统的工作循环是：快速前进 工作进给快速退回 原位停止。 调查研究及计算结果表明，快进、快退速度约为 4,5 m／ min，工进速度应能在 20— 120mm／ min范围内无级调速，最大行程为 400mm(其中工进行程为 180 mm)，在进给方向最大切削力 18 kN，运动部件自重为 25 kN，启动换向时间
=0.05 s，采用水平放置的平导轨，静摩擦系数 2.0?sf
cm?sf
t?
动摩擦系数 =0,1,油缸机械效率 取 0,9。
启动加速阶段第九章 液压与气压传动系统设计计算查设计手册，按液压缸内径系列将以上计算值圆整为标准直径，取
D=100mm。为了实现快进速度与快退速度相等，采用差动连接，则 d=0,707
D，所以 d=0,707x100 mm=70mm。同样圆整成标准系列活塞直径，取
d=70mm。由 D=100mm,d=70mm算出液压缸无杆腔有效作用面积为 A1=78.5
cm2，有杆腔有效作用面积为 A2=40.1 cm2。工进若采用调速阀调速，查产品样本，调速阀最小稳定流量 qmin=0.05 L／ min，因 最小工进速度 vmin=20 mm／
min，则：
1．初选液压缸的工作压力由负载值大小查表 9,3，参考同类型组合机床，取液压缸工作压力为 3 MPa。
2．确定液压缸的主要结构参数由表 9,6看出，最大负载为工进阶段的负载 F=22,778 N，则有：
第九章 液压与气压传动系统设计计算因此能满足低速稳定性要求。
3．计算液压缸的工作压力、流量和功率
(1)计算工作压力 根据表 9,5，本系统的背压估计值可在 0.5－ 0,8
MPa范围内选取，故暂定：工进时 Pb=0.8MPa；快速运动时 Pb=0.5 MPa。液压缸在工作循环各阶段的工作压力 P1，即可按式 (9,11),(9,12)或 (9,13)计算
：
差动快进阶段,
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（ 2）计算液压缸的输入流量 因快进快退速度 V=0,075 m／ s，
最大工进速度 V2=0.002 m／ s,则液压缸各阶段的输入流量为：
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9,7,4 拟定系统原理图根据钻镗两用组合机床的设计任务和工况分析，该机床对调整范围、
低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。
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1．速度控制回路的选择本机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，
故采用调速阀调速。有三种方案可供选择，即进口节流调速、出口节流调速、限压式变量泵加调速阀的调速。本系统为小功率系统，
效率和发热问题并不突出；钻镗属于连续切削加工，切削力变化不大，而且是正负载，在其它条件相同的情况下，进口节流调速比出口节流调速能获得更低的稳定速度，故本机床液压系统采用调速阀式进口节流调速回路，为防止孔钻通时发生前冲，在回油路上应加背压阀。
由表 9,7得知，液压系统的供油主要为低压大流量和高压小流量两个阶段，若采用单个定量泵，显然系统的功率损失大、效率低。
为了提高系统效率和节约能源，采用双泵供油回路。
由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路。
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2．换向和速度换接回路的选择本系统对换向平稳性的要求不很高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路。为便于差动连接，选用三位五通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，选用 Y型中位机能。由计算可知，当滑台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由 17.4 L／ min降为 0.96 L／
min，可选二位二通行程换向阀来进行速度换接，以减少液压冲击。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程终点转换控制。
3．压力控制回路的选择由于采用双泵供油回路，故用液控顺序阀实现低压大流量泵卸荷，
用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为了便于观察和调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压基本回路组合成液压系统，井根据需要作必要的修改调整，最后画出液压系统原理图如图 9,6所示。
第九章 液压与气压传动系统设计计算第九章 液压与气压传动系统设计计算
9,7,5 选择元件
1．选择液压泵由表 9,7可知，工进阶段液压缸工作压力最大，如果取进油路总的压力损失 ∑△ p1＝ 0,5MPa，则液压泵最高工作压力可按式 (9,14)计算出：
将表 9,7中的流量值代人式 (9,15)，可分别求出快速以及工进阶段的供油流量。快进、快退时泵的流量为：
考虑到节流调速系统中溢流阀的性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，一般取为 3 L／ min，所以小流量泵的流量为：
第九章 液压与气压传动系统设计计算查产品样本，选用小泵排量为 V1=6 mL／ r，大泵排量为 V2=6 mL/r的
YB1型双联叶片泵，其额定转速为 n=960r／ rin，容积效率
pv?
=0.95，则小泵的流量为,
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2．选择液压阀根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格，列于表 9,8中。
3．选择辅助元件油管内径一般可参照所选元件油口尺寸确定，也可按管路允许流速进行计算，本系统油管选 +18x1,6无缝钢管。油箱容量按 6,3,1节确定，即：
其它辅助元件型号规格按广州机床研究所系列选取，也列于表 9,8中。
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9,7,6 系统性能验算,
由于本液压系统比较简单，压力损失验算可以忽略。又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故不必进行系统温升的验算。
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