液压系统设计篇--天工培训教材

液压系统设计篇天工培训教材液压系统设计篇液压系统设计篇液压传动系统设计，除了应符合其主机在动作循环和静、动态性能等方面所提出的要求外，还必须满足结构简单、使用维护方便、工作安全可靠、性能好、成本低、效率高、寿命长等条件。液压传动系统的设计一般依据流程图见图41的步骤进行设计。图41液压传动系统设计流程图第一节明确设计要求设计新的液压系统，首先要明确机器对液压系统有哪些动作和性能要求，掌握这些技术要求，作为设计的出发点和依据。需要掌握的技术要求可能有1机器的特性1全面了解主机的结构和总体布局，了解机构与被驱动部分的连接条件及安装上的限制条件以及其用途和工作目的等。2负载种类（恒定负载、变化负载及冲击负载）及大小和变化范围；运动方式（直线运动、回转运动、摆动）及运动量（位移、速度、加速度）的大小和要求的调节范围；惯性力、摩擦力、动作特性、动作时间和精度要求（定位精度、跟踪精度、同步精度）。3原动机的种类（电动机、内燃机等）、容量（功率、转速、转矩）及稳定性。4操作方式（手动、自动）、信号处理方式（继电器控制、逻辑电路、可编程控制器、微机程序控制）。5系统中各执行元件的动作顺序、动作时间的相互关系。2使用条件1设置场所。2环境温度、湿度（高温、寒带、热带），粉尘种类和浓度（防护、净化等），腐蚀性气体（所有元件的结构、材质、表面处理、涂覆等），易爆气体（防爆措施），机械振动（机械强度、耐振结构），噪声限制（降低噪声措施）。3维护程度与周期；维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性。3适用标准、法则根据用户要求采用相关标准、法则。4安全性、可靠性天津工程机械研究院培训教材94液压系统设计篇1用户在安全性方面有无特殊要求。2明确保用期、保用条件。5经济性不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。6工况分析对液压系统进行工况分析，是查明其每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规律，它是由主机提出的相应动作要求和承载能力确定的。第二节液压系统方案设计液压系统方案设计的目的是在满足主机功能的前提下，优选出综合指标最优的液压系统方案。首先根据技术要求确定执行元件的种类、数量、动作顺序和动作条件,拟定驱动执行元件的基本回路。分步考虑驱动回路、控制回路、液压源回路等基本控制部分，然后综合得到总的液压系统。最后再进一步考虑安全性、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善，获得在满足技术要求的条件下，最少液压元件组成的最优液压系统。可遵循以下步骤进行设计。一、确定执行元件的种类执行元件是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的要求及结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行元件配件，见表41。表41执行元件配置的选择二、确定控制方式执行元件的控制方式有泵控制方式和阀控制方式。泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行元件的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行元件的方向控制。这种方式中每个执行元件需要一个变量泵。负载惯性大、起动停止冲击大的场合可以采用。阀控制方式中，用方向控制阀实现执行元件的方向控制，用流量控制阀实现执行元件的速度控制。这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行元件的场合或输入信号很复杂而要求快速响应的场合。泵控制方式与阀控制方式的对比见表42。表42两种控制方式的对比天津工程机械研究院培训教材95液压系统设计篇三、设计控制液压回路由于设计者的思路、经验或对所用元件的考虑方法不同，即使针对同样目的设计出来的液压回路也是千差万别的。因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路。液压回路基本上由第三章所述的基本回路组成。工程机械的发展，已经形成了许多简便成熟、行之有效的液压控制系统，设计时可酌情选用。现有的各类机械设备的液压系统，有很多是设计得很成功的，在设计新的系统时，可以参考借鉴、移植裁剪。用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图。四、设计液压过滤系统确保液压系统中的油液质量是设计和使用好液压传动装置的关键，这是因为油液质量不合要求往往会引起液压车辆早期损坏、失效。油液质量指标包括油液的污染度和工作状态下的油液粘度。前者由过滤装置保证。1油液污染种类与来源油液中存在着各种各样的污染物，其中最主要的是固体颗粒物，此外，还油水、空气以及有害化学物质。如图42所示，污染物的来源主要有三方面1潜在污染液压系统内中原来残留的污染物。如液压元件加工和系统装配过程中残留的金属切屑、沙粒及清洗溶剂等。2侵入污染从外界侵入液压系统的污染物。它主要产生于使用过程，取决于工程机械工作环境、维护和保养水平。图42液压系统油液污染在液压系统工作环境中，存在各种类的污染物。在大气中，主要是砂粒及灰尘，其它如水汽、热能、化学物品及放射物质等在不同的场合下都可能存在。砂粒一般指尺寸在741000M的颗粒，主要成分为SIO2，砂粒的硬度足以划伤或磨损液压元件。灰尘一般指尺寸74M以下的颗粒，一般存在于地面表层。大气中的灰尘浓度于许多因素有关，浓度范围为9183MG/M3。而工程机械工作过程中，大气灰尘浓度会明显增加，平地机工作环境灰尘浓度为9183MG/M3，天津工程机械研究院培训教材96液压系统设计篇上述灰尘通过液压缸活塞杆、油箱通气孔等进入液压系统。3固生污染系统内部生成的污染物。液压元件在工作过程中，由于相对运动表面的磨损及液流冲击零件表面的磨损、材料的疲劳脱落、化学反应（氧化、电解等）、振动和冲击等影响不断生成污染物。液压元件生成污染物是相当可观的，液压泵流量为75L/MIN，工作4000H，其生成污染物为齿轮泵375MG/H，柱塞泵为34MG/H。2污染引起液压系统失效的形式液压油的污染将直接影响液压系统工作的可靠性和液压元件的使用寿命。根据对装载机早期故障统计分析，发现故障中60是液压元件的故障，而在液压元件故障中有75是由于液压油的污染造成的。液压污染造成液压系统失效的形式主要有一下几种1使液压系统工作性能下降，动作失调由于液压油中的污染物堵塞液压元件的节流孔或节流间隙，改变了液压系统工作的性能，引起动作失调。液压油污染物中的固体颗粒进入液压元件运动副的间隙内，对零件表面切削磨损或疲劳磨损，致使液压元件的泄漏增加，造成液压阀流量放大系数降低，控制灵敏度下降，也使液压泵、液压马达和液压缸容积效率降低。液压系统的刚性减少。2使液压元件失效，造成系统故障对于液压泵类元件，液压油中的固体颗粒使液压泵相对运动部件的表面磨损加剧（如柱塞泵柱塞与缸孔、滑履与斜盘；齿轮泵中齿轮端面与侧板、齿顶与泵体内壁），表面刮伤，咬死，泵的效率降低，致使液压泵失效。如一台压路机在使用中，发现存在驱动无力、速度达不到技术要求故障，对液压油检测其清洁度为NAS16级，拆开液压泵发现配油盘已严重磨损。对于液压阀类元件，固体颗粒堵塞液压阀的间隙和孔口，引起阀芯组滞和卡紧，影响阀的工作性能，甚至导致动作失灵，造成系统故障。如一台装载机工作压力一直不稳定，经分析检查，确任安全阀故障，拆开安全阀发现污染物堵塞在阻尼孔处，致使安全阀压力不稳定。对于液压缸，污染物将加速密封的磨损和缸内表面的滑伤，将造成泄漏增大，推力不足或动作不稳定、爬行、速度下降等故障。3加速液压油性能的恶化，造成经济损失液压油中的水分和空气是液压油氧化的必要条件，而液压油中的金属颗粒对油液的氧化起着重要的催化作用。试验研究表明，当油液中存在金属颗粒和水时，油液的氧化速度急剧增快，铁和铜的催化作用使油液氧化速度分别增加10和30倍以上。油液的氧化将造成重大的经济损失。液压过滤系统设计设计就是通过在液压系统中增加滤油器而阻止污染物进入液压系统中。在静液压驱动系统中，补油回路为主回路的入口，且补油量小，易于配置滤油装置。因此，采用补油回路过滤可以有效保证系统的油液质量。静液压驱动系统液压泵集成的补油泵一般提供吸油口过滤和出油口过滤（又称为压力油过滤）两种方式（如图43）。较早期产品如SAUER20系列液压泵，则只提供吸油过滤方式。开式液压系统除采用吸油过滤和压力油过滤方式外，还此基础上派生出来的压差控制式压力过滤和回油过滤几种方式。1吸油口过滤如图43A所示，在油箱与液压泵吸油口处设置10M精吸滤器，可防止侵入污染物景如液压系统中。该方式结构简单，可以充分保证液压系统油液得到可靠过滤；当滤油器堵塞时，补油压力降低，工作压力下降，机器降速乏力。吸油口过滤存在的问题是滤油精度越高，越易堵塞。天津工程机械研究院培训教材97液压系统设计篇图43吸油和压力油过滤回路2压力过滤方式如图43B所示，利用液压泵的供油压力使油液强制通过精滤油器，系统工作对滤油器的堵塞不敏感。在选用压力过滤方式时，往往在补油泵吸油口另加装一粗滤油器（80100M），该滤油器过滤了进入补油泵的较粗颗粒，避免了液压泵受污染物影响，同时减小了补油泵出口油液的污染颗粒浓度，增加了出口滤油器的工作寿命。这种滤油方式可有效地保护控制元件和执行元件的污染。由于在补油泵出口与滤油器之间无溢流阀，因此压力滤油器必须带有单向旁通阀来防止滤芯因堵塞而被击穿。这种压力过滤的缺点为滤油器承受高压作用，可靠性降低；滤油器安装在管路上，装配维护不方便；旁通阀打开时，进入主回路的油液未经精细过滤。3回油过滤方式为了避免压力过滤方式的缺点，将液压泵出口滤油器移之液压系统回油路上，采用低压精滤油器，可有效地防止固生污染对液压系统的影响，但是降低了对控制元件和执行元件的保护。4联合补油过滤回路这种补油回路如图44所示。液压主泵1吸油口有精滤器6。辅助泵系统回油经回油滤油器3后进入主泵1的吸口处，即主泵吸油口为两路进油一路为吸油过滤，另一路为回油过滤，因而称为联合补油过滤回路，充分保证了补油泵进油的可靠性。图44联合补油过滤回路1主泵2辅助泵3回油滤油器4单向阀5稳压单向阀5吸油细滤器当滤油器3堵塞时可通过单向阀4旁通油路，防止破坏滤油器。单向阀5保证补油泵吸口处天津工程机械研究院培训教材98液压系统设计篇压力稳定。当辅助系统油缸进行换向、大小腔转换时会使回油流量发生变化，流量增加时可通过单向阀5卸压以防冲坏吸油滤油器6；若辅助泵排量大于主泵，当发动机转速增大时也会有多余流量经单向阀5排泄；流量减小时可通过吸油滤油器6补油以防吸空。单向阀4的开启压力高于单向阀5的开启压力，两者之差即为滤油器3的最大工作压差。这种联合补油过滤回路的最大特点为利用辅助系统的回油作为主泵进油，回油滤油器3为压力过滤方式，成本低、工作可靠；以传统的吸油滤油器支路为主泵的辅助进油支路，避免了因单一回油支路流量不足产生的吸空现象；与传统单一的吸油滤油器相比，由于吸油滤油器为辅助工作，因而工作寿命大大提高。第三液压系统参数设计经过上一节液压系统方案的设计，液压系统的控制逻辑已经确定。接下来的任务就是选择合理的工作参数和确定适宜的液压元件。我们知道对于统一方案的液压系统，由于参数设计的不同，其液压元件的选型是有区别的。例如，ZL40装载机工作液压系统在工作压力162MPA和19MPA下，将形成表43两种不同的元件选型。由于不同参数液压元件的性能不同，见导致液压系统性能的差异，为了获得最佳的工作参数和合理的液压元件，液压元件选型与参数设计时同步进行的。表43装载机工作液压系统选型液压系统参数设计过程为液压参数匹配计算执行元件选型动力元件选型控制元件选型辅件选型。一、液压系统参数匹配计算工程机械液压系统匹配就是使液压系统输出功率与主机要求相匹配。即液压系统工作压力与负载压力误差EP、液压泵输出流量与负载速度的误差ET最小。以执行元件液压缸为例说明EFFZF0ETTZT0式中FZ,TZ液压系统设计力和时间响应。F0,T0主机液压缸输出力与动作时间要求。其中FZTZ4D2PPD2L/NPQQ4其中P系统工作压力D液压缸缸径L液压缸行程Q液压泵排量P压力损失99天津工程机械研究院培训教材液压系统设计篇Q流量损失在参数设计中Q、D都是由液压元件系列决定的离散量，而P使连续量。考虑到ET与EF的相关性，在设计中应首先确定系统压力使EF匹配，然后再使ET接近目标值。液压系统的工作效率趋势是由液压泵和液压马达等效率曲线决定的，如果使液压泵、液压马达工作在最高效率区（如图45）内，液压系统的效率必然最高。也就是说液压泵、液压马达主要工作参数应在额定工况附近,液压系统的工作压力也就确定了。在确定了工作压力后，通过上式可计算出执行元件和液压泵的参数。图45液压泵等效率曲线二、液压执行元件选型1液压缸选择液压缸的安装方式要根据负载特性和运动形式妥善选择，要使液压缸所受载荷沿动作方向而在径向不受载荷。液压缸内径根据所需液压缸力F和可利用的系统压力P来确定。以单杆双作用液压缸为例，其推力F1和拉力F2分别为F1A1PF2A2P44D2P2DD2P式中A1无杆腔活塞受压面积（）；A2有杆腔活塞受压面积（）；D液压缸内径（M）；D活塞杆外径（M）；F1推力（N）；F2拉力（N）；P工作压力（MPA）；根据上式算出受压面积后，选出合适的液压缸内径。缸速的确定涉及工程机械工作循环时间和液压缸的行程，一般推荐的速度范围是15300/S。缸速过高时，密封的寿命缩短。速度过低时还容易发生爬行现象，无法平稳地动作。有些液压缸内装式缓冲装置，以便在活塞接近行程末端时，使活塞逐渐减速，防止活塞撞击天津工程机械研究院培训教材100液压系统设计篇缸头。但是，如果使很大的负载高速动作，则进入缓冲段时产生的冲击压力有时会使机械装置或液压缸损坏。当缸速超过7M/S且运动质量较大时，单靠缸内的缓冲装置无法吸收全部惯性能量，所以还必须考虑液压回路上的减速措施。活塞杆直径必须足够大，以承受负载和缸所施加的应力。活塞杆受拉力时，活塞杆面积等于活塞受力除以活塞杆屈服强度再乘以安全系数。但活塞杆受推力时，必须有足够的纵弯强度。当纵弯强度不够而产生较大的挠度时，由于滑动面的摩擦等引起导向套及活塞上有较大的偏载荷，造成卡咬、爬行、密封件异常磨损等问题。防止纵向弯曲所需的附加强度取决于行程及支点连接方式。2液压马达选定液压马达时要考虑的因素有工作压力、转速范围、堵转扭矩、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差特性、寿命等机械性能及在机械设备上的安装条件、外观等。确定了所用液压马达的种类之后，可根据所需要的转速和转矩从产品系列中选出能满足需要的若干种规格，然后利用各种规格的特性曲线查出（或算出）相应的压降、流量和总效率。接下去进行综合技术经济评价来确定某个规格。需要低速运行的马达，要核对其最低稳定转速。如果缺乏数据，应在有关系统的所需工况下实际试验后再定取舍。为了在极低转速下平稳运行，马达的泄漏必须恒定，负载要恒定，要有一定的回油背压（如0305MPA）。根据轴承寿命计算关系可知，如果转速减半则轴承寿命延长为原来的2倍。轴上载荷每减小10则轴承寿命加长40。需要马达带载起动时，例如起重机下放重物或静液传动系在溜坡时，马达工作于泵工况。这时在给定的压降下，制动扭矩与马达的有效扭矩的关系如下MBRMMOTHM2式中MBR制动扭矩；MMOT有效扭矩；KM机械效率按上式算出的制动扭矩不得大于马达的最大工作扭矩。这防止作为泵工作的制动马达发生气蚀或丧失制动能力，应保证这时马达的“吸油口”有足够的补油压力。这可以靠闭式回路中的补油泵或开式回路中的背压阀来实现。当液压马达驱动大惯量负载时，为了防止停车过程中惯性运动的马达缺油，应设置与马达并联的旁通单向阀补油。需要长时间防止负载运动时，应使用在马达轴上的液压释放机械制动器。三、液压泵选型液压泵是液压系统的动力源。要选用能适应执行元件所要求的压力发生回路的泵，同时要充分考虑可靠性、寿命、维修性等以便所选的泵能在系统中长期运行。选择液压泵时要考虑的因素有工作压力、流量、转速、定量或变量、变量方式、容积效率、总效率、寿命、原动机的种类、噪声、压力脉动率、自吸能力等，主要考虑与液压油的相容性、尺寸、重量、经济性、维修性。这些因素一般已写在产品样本或技术资料里，要仔细研究，不明确的地方最好询问制造厂。液压泵的输出压力应是执行元件所需压力与配管的压力损失和控制阀的压力损失之和。它不得超过样本上的额定压力。强调安全性、可靠性时，还应留有较大的余地。样本上的最高工作压力是短期冲击时允许的压力。如果每个循环中都发生冲击夺力，泵的寿命会显著缩短，甚至损坏。液压泵的输出流量应包括执行元件所需流量（有多个执行元件时由时间图求出总流量）、溢天津工程机械研究院培训教材101液压系统设计篇流阀的最小溢流量、各元件的泄漏量的总和，泵的输出流量为QQNV1000式中N转速（R/MIN）；Q输出流量（L/MIN）；Q排量（ML/R）；V容积效率（）四、液压控制元件选型选定液压控制元件时，要考虑的因素有压力、流量、工作方式、连接方式、节流特性、控制性、稳定性、油口尺寸、外形尺寸、重量等，但价格、寿命、维修性等也需考虑。液压控制元件的容量要参考制造厂样本上的最大流量值及压力损失值来确定。样本上没有给出压力损失曲线时，可用额定流量时的压力损失按下式估算其他流量的压力损失。QPPRQR2式中PQ时的压力损失；PR流量QR时的压力损失。另外，如果粘度变化时，要乘以表44中给出的系数。表44粘度修正系数1换向阀换向阀使用时的压力、流量不要超过制造厂样本的额定压力、额定流量，否则液压卡紧现象和液动力的影响往往引起动作不良。尤其在液压缸回路中，活塞杆外伸和内缩时回油流量是不同的。内缩时回油流量比泵的输出流量还大，流量放大倍数等于缸两腔活塞面积之比，要特别注意。压力损失对液压系统的回路效率有很大影响，所以确定阀的通径时不仅考虑换向阀本身，而且要综合考虑回路中所有阀的压力损失、油路块的内部阻力和管路阻力等。换向阀的中位滑阀机能关系到执行元件停止状态下位置保持的安全性，必须考虑内泄漏和背压情况，从回路上充分论证。另外，最大流量值随滑阀机能的不同会有很大变化，应予注意。2单向阀和液控单向阀单向阀的开启压力取决于内装弹簧的刚度。一般来说为减小流动力可使用开启压力低的单向阀。当流过单向阀的流量远小于额定流量时，单向阀有时会产生振动。流量越小，开启压力越高，油中含气越多，则越容易振动。打开液控单向阀所需要的控制压力取决于负载压力、阀芯受压面积及控制活塞的受压面积。3流量控制阀流量控制阀有节流阀、调速阀、分流集流阀等，这里介绍调速阀的使用注意事项。应用场合所需的流量调节精度，应由所选的凋速阀在整个调节范围内加以保证。样本上的精度值一般是针对额定压力、最大流量时的调节精度。实际使用压力、流量不同时精度也不同。对流量进行控制需要一定的压差，高精度的流量控制约需1MPA的压差。普通调速阀存在着流量跳动现象，这是因为开始调节时调速阀中的压力补偿器尚处于开启位置，全部压降都作用在节流口上，致使流量过大。为了克服它的不良影响，可选用手调补偿初始开度的调速阀或带外控关闭功能的调速阀。4溢流阀溢流阀有直动式和先导式。一般说来直动式响应较快，宜用作安全阀，先导式启闭特性较好，宜用作调压阀。启闭特性是选用溢流阀时要考虑的重要因素。如果启闭特性太差，则负载压力低于设定压力天津工程机械研究院培训教材102液压系统设计篇时溢流阀开始溢流，随着压力升高溢流流量加大，执行元件速度减慢，达到设定压力时执行元件停止。因此，执行元件速度在负载力大时变得不稳定，回路效率也显著降低。溢流阀的动态特性是很重要的。在负载激烈变化下，希望溢流阀既响应快又稳定。溢流阀的调压范围可通过更换调压弹簧改变，但所用的弹簧的设定压力可能改变启闭特性。5减压阀启闭特性的变化趋势与溢流阀相反，即通过减压阀的流量加大时二次压力有所降低。必须注意减压阀设定压力与执行元件工作压力的关系。先导式减压阀的泄油量比其他控制阀多。始终有油液从先导阀流出来，可能多达1L/MIN以上，影响到泵容量的选择。二次压力的调节范围取决于所用弹簧和通过阀的流量。最低调节压力要保证一次压力与二次压力之差为051MPA。五、过滤器选型1液压油的污染程度评定对于定量评定液压油的污染程度，国际上通常采用质量测定法和计数法。质量测定法是测定单位体积油液中所含固体颗粒污染物的质量，其测定法所需的测试设备比较简单，测定结果仅反映油液中污染物的总量，并不能反映污染物颗粒的大小和尺寸分布。而污染物对液压元件的危害与颗粒尺寸分布及数量密切相关，因此随着颗粒计数技术的发展，目前已普遍采用颗粒污染度的表示方法。计数法通常采用美国NAS1638油液污染度等级和ISO4406油液污染度等级国际标准。NAS1638是美国航天工业部门提出的，它以颗粒浓度为基础，按照100ML油液中在515、1525、2550、50100和100M五个尺寸区间内的最大允许颗粒数划分为14个污染度等级，见表45。ISO4406油液污染度国际标准采用两个数码表示油液的污染度等级，前面代码代表1ML油液中尺寸大于5M的颗粒数的等级，后面的代码代表1ML油液中尺寸大于15M的颗粒数的等级，两个码之间用一斜线分隔。表46为ISO4406油液污染度等级和相应的颗粒浓度。根据颗粒浓度的大小共划分26个等级。新标准ISO11218采用三个数码表示油液的污染度等级，在ISO4406的基础上，前面增加了大于2M的颗粒数的等级。表45NAS1638油液污染度等级（100ML中的颗粒数）天津工程机械研究院培训教材103液压系统设计篇表46ISO44021987污染度等级2液压系统目标清洁度工程机械液压系统污染度取决于系统的敏感度。而敏感度与液压系统工作状态和液压元件临界间隙相关。在选择液压系统主要滤油器过滤精度时，主要考虑系统中关键元件的污染敏感性及工作条件。各类液压元件对油液清洁度的要求可参看表47。表47典型液压元件对油液清洁度的要求（ISO4406）参考上表确定系统油液的目标清洁度，然后根据环境工作条件和对污染侵入控制的程度，确定滤油器的设置和所需的过滤精度。3滤油器类型的选择在选用液压滤油器时，一般需要参考滤油器制造厂提供的产品样本。然而产品的样本一般只天津工程机械研究院培训教材104液压系统设计篇是给出基本的参数，而对具体使用条件不可能一一说明。因此，还必须根据具体的系统及其工作条件，考虑元件对污染的敏感性、工作压力及负载特性、流量波动、环境条件和对污染侵入的控制程度等因素。当设计过滤系统的选用滤油器时，用户可向生产厂家提出工作系统对滤油器的技术要求，以便厂家能够提供尽可能符合用户使用要求的产品。表48列出了订货时需要提出的滤油器主要技术要求（根据ISO7744）。关于液压滤油器的尺寸和性能参数，目前尚没有统一的标准，在选用滤油器时需要依照产品样本和有关行业标准。国产滤油器的流量和过滤精度系列见表49和表410。表49流量系列表410过滤精度系列滤油器的类型和结构与他在液压回路中的位置有关，在液压系统中，滤油器根据需要可安装在吸油路、压力油路和回油路中，也可以安装在主系统之外，组成单独的外过滤系统。合理选择滤油器的过滤精度是保证液压系统油液达到所要求清洁度的关键。滤油器在液压系统中的作用主要有两个方面一是控制元件的污染磨损；二是防止污染引起的故障。对于中等污染侵入率以及正常维护的状况，滤油器过滤精度的选择可参考表411。表411目标清洁度与滤油器的设置及过滤精度单位M天津工程机械研究院培训教材105液压系统设计篇根据实际经验，对于不同类型和要求的液压系统，可参考表412选择滤油器的过滤精度。表412滤油器过滤精度的选择4滤油器尺寸的确定滤油器的尺寸与通过流量有着对应的关系。通常是根据液压系统的流量来确定滤油器所需的通过流量，从而确定滤油器的尺寸。在选择滤油器尺寸时，主要参考制造厂产品样本提供的技术参数。国产滤油器型号标明公称流量以供选用。国外滤油器产品一般用无量纲的公称流量值来表征滤油器的尺寸。应当指出，公称流量是在给定的条件（油液粘度、过滤精度和压差）下的流量值。例如德国标准DIN24550规定滤油器的公称流量是在油液粘度为32MM2/S，滤芯过滤精度25M（2575），以及给定压差情况下通过的流量。一定尺寸或公称流量的滤油器，对于不同粘度的油液和不同过滤精度的的滤芯，其允许通过的流量是不同的。工作油液的粘度对滤油器的通过流量有很大影响。在一定的压差下，油液的粘度越高，滤油器允许的通过流量越小，由于厂家提供的滤油器流量压差曲线是在标准粘度（如32MM2/S）下得出的，因而根据流量压差曲线确定滤油器通过流量时，需要将实际工作油液粘度下的系统流量换算成为标准粘度下的流量，换算公式如下QSFVQ式中Q实际系统流量QS标准粘度下的流量FV粘度变换系数VVVVFV2式中V和V分别为工作油液的实际粘度和试验时的标准粘度。滤油器尺寸应根据通过滤油器的最大流量确定。对于液压缸传动系统的回油路滤油器，需考虑液压缸活塞与活塞杆的面积比，滤油器的通过流量应按回程时的流量来确定。此外，在确定滤油器尺寸时还需要考虑滤芯的使用寿命。为了避免频繁更换滤芯，一般应根据环境污染状况和对污染侵入的控制能力，适当增大滤油器的尺寸。实例确定某一液压缸传动系统回油路滤油器的尺寸。已知泵的流量为100L/MIN，工作油液的粘度为46MM2/S，滤油器的过滤精度为5M，液压缸活塞与活塞杆的面积比为2。确定滤油器的最大通过流量回油路滤油器的最大流量为泵的流量乘活塞与活塞杆面积比QMAX1002200L/MIN天津工程机械研究院培训教材106液压系统设计篇将QMAX换算为标准粘度下的流量QSFVQMAX464632322002264L/MIN根据以上计算出的流量QS，从产品压差流量曲线中选择合适的滤油器型号为ZUA630，其公称流量为630L/MIN。图46为所选用滤油器滤芯的压差流量曲线，滤芯初始压差取005MPA，过滤精度5M的滤芯其允许通过流量为300L/MIN。008压差MPA006004002100200300400500600流量（L/MIN）图46滤芯压差流量特性曲线油箱上的空气过滤器也不容忽视。该过滤器要有与系统要求相适应的过滤精度，以防止环境污染物浸入。同时又要有足够的通流能力，保证油箱液面升降时通气顺畅。第四节液压装置设计一、液压油箱设计一）油箱的功能每个液压设备都应该有自己的油箱，而且油箱通常都是自制的。油箱的作用主要是（1）盛放液压油液油箱必须能够盛放系统中的全部油液。液压泵从油箱里抽走油液送入系统，油液在系统中完成传递动力的任务后返回油箱。（2）散发热量液压系统中的功率损失导致油液温度升高。油液从系统中带回来的热量有很大一部分靠油箱壁散发到周围的空气中。这就要求油箱应具有足够的尺寸，尽量设置在通风良好的位置上，必要时油箱外壁要设置翅片来增加散热能力。（3）逸出空气油液泡沫导致噪声和液压元件的损坏，尤其在液压泵中会引起气蚀。低压区压力低于溶解空气的饱和点、吸油管漏气或液位过低时由旋涡作用引起液压泵吸入空气以及回油的搅动作用等都导致形成气泡。未溶解的空气可在油箱中逸出，因此希望有尽可能大的油液面积，并应让油液在油箱里逗留更长的时间。（4）沉淀杂质未被过滤器捕获的细小污染物，如磨屑或油液的老化生成物，可以沉落到油箱底部。（5）分离水分由于温度的变化，空气中的水蒸气在油箱内壁上凝结成水滴而落入油液中，其中只有很少数量溶解在油液里。未溶解的水会使油液乳化变质。油箱提供了油水分离的机会，使这些游离水聚积在油箱中的最低点，以备清除。（6）安装元件往往把液压滤油器等液压元件直接装在油箱板上。天津工程机械研究院培训教材107液压系统设计篇（二）确定油箱容量液油箱容量包括油液容量和空气容量。油液容量是指油箱中的油液最多时，即液面在液位计的上刻度线时的油液体积。在最高液面以上要留出等于油液容量的空气容量。按经验，固定设备用油箱的油液容量应是系统液压泵每分钟流量的倍，行走设备为33倍每分钟液压泵流量。提出上述理论依据是液压油箱就是冷却器。但是实践表明，移动机械液压油箱的表面积不超过液压元件表面积的30，而大部分热量是从液压油箱中通过热传导的方式散发出去的。据有些国外资料介绍，油箱容量也可以用公式估算（）式中油箱总容量（）（包括的空气容量）开式回路部分液压泵流量的总和（L/MIN）单作用液压缸的总容积（）此外，还要验算机器上所有液压缸全伸状态下，油箱的油位不低于最低允许油位；所有液压缸全缩时，油箱的油位不高于最高油位。三油箱的结构设计1油箱的形状油箱的形状取决于主机的要求和安装空间的限制，工程机械常用的有方形和异型。如图47所示。图47液压油箱2箱顶油箱顶部的结构取决于它上面装些什么。箱顶上安装其他控制元件时，顶板的厚度应为侧板厚度的24倍，以免产生振动，且应设隔振垫。为了便于布置和维修，有时采用装在箱顶上的回油过滤器。箱顶上的螺纹孔应该用不通孔，以防污染物落入油箱之内。箱顶上各类元件的设置见图48。箱顶结构如图49。图48油箱顶部元件设置图49箱顶与侧壁的连接3箱壁、清洗口、吊耳当箱盖与箱壁之间为不可拆连接时，应在箱壁上至少设置一个清洗口。清洗口的数量和位置应便于用手清理所有内表面。清洗口盖板应该能由一个人拆装。盖板应配有可以重复使用的弹性天津工程机械研究院培训教材108液压系统设计篇密封件。清洗盖板及密封件的细节见图410。图410清洗口盖板细节搬动油箱时，可以使用叉车，也可以使用吊车。起吊时可以利用焊在油箱四角箱壁上方的吊耳。圆柱形焊接吊耳见图411和表413，钩形焊接吊耳见图412和表414。估算吊耳的起重量时不要忘记油液的重量。图411圆柱形焊接吊耳图412钩形焊接吊耳表413圆柱形焊接吊耳尺寸单位MM109表414钩形焊接吊耳尺寸单位MM天津工程机械研究院培训教材液压系统设计篇4箱底油箱底部应该向清洗口倾斜，倾斜度通常为1/251/20。这样可以促使沉积物（油泥或水）聚集到油箱中的最低点。应在最低点设置不小于M1815的放油塞。5隔板、隔墙与除气网为了延长油液在油箱中逗留的时间，促进油液在油箱中的环流，促使更多的油液参与在系统中的循环，从而更好地发挥油箱的散热、除气、沉淀等功能，油箱中，尤其在油液容量超过100L的油箱中应设置内部隔板。隔板要把系统回油区与吸油区隔开，并尽可能使油液在油箱内沿着油箱壁环流。隔板缺口处要有足够大的过流面积，使环流流速为0306M/S。典型的隔板结构见图413。如果隔板与油箱内表面之间采用焊接连接，则焊缝应该满焊，不要留下可能无法清理的藏污纳垢的缝隙。隔板的设置给油箱内部清洗带来一定困难，在清洗口及放油口的设置上应作相应的考虑。图414所示的除气网有助于油液中的气泡浮出液面。除气网用网眼直径为05MM的金属网，倾斜1030布置。图413隔板图414除气网四油箱附件的配置及其注意事项油箱附件的配置，一般是根据液压系统的要求来进行的，但不外乎包括空气滤清器、吸回油滤油器、液位液温计等等。1空气滤清器对开式油箱来说，空气滤清器是必备的。通常，它兼作注油口用，其容量一般按泵最大流量的倍选取，以便即使在系统尖峰需要期间液面迅速下降时也能在油箱内保持大气压力。通常将它置于油箱的顶部，对行走机械，滤清器安放位置应考虑车辆爬最大坡度和下坡时不致使油液从其中溢出（见图415）。天津工程机械研究院培训教材110液压系统设计篇图4152吸油滤油器吸油滤油器一般作保护型过滤器用，用来保护液压泵不被较大颗粒污染物所损坏。常常安放在液压油箱的里面。带滤芯和滤壳的滤油器不仅有自封能力而且可方便地带有真空表，被应用得越来越广。回油滤油器回油滤油器一般作工作型过滤器用，常选用精滤器。安放位置它可以被安放在油箱的顶部或侧面。但必须保证油液的出口始终淹没在液面以下，以防产生泡沫。液位、液温计小型油箱液位计的最高刻度线对应油液最高位置，最低刻度线对应最低允许油位（为了确保液压泵不吸空，最低允许油位一般设在泵吸油口以上左右）。大型油箱，在最低允许油位处设一小液位计，或使用液位传感器。当液位达到最低允许油位时，发出报警信号，提醒操作者加油。液位计安放在便于观察的地方。二、液压管路设计管路把元件连接起来组成液压系统。管路为传递能量的有压油液提供流动通路，为完成能量传递后的油液提供返回油箱的通路，有时还为控制油液提供通路。要在硬管与软管之间作出基本选择。应尽量用硬管，因为硬管成本低、阻力小、安全。元件运动时要用软管，有时为了装拆方便也用软管。软管还可以防振隔振。一硬管硬管可分成两类，一类是通径定寸的，另一类是外径定寸的。通径定寸管的规格按公称口径确定。公称口径表示近似内径的参考尺寸，其外径决定于对应的锥管螺纹的尺寸。每种规格的实际内径随着管壁厚度而变化，而壁厚有普通型和加厚型之分。GB/T30911993低压流体输送用镀锌焊接钢管就属于这一类。通径定寸管一般比外径定寸管成本低。它可以不用管接头而直接连接于元件或底板上的管螺纹油口，用聚四氟乙烯生料带密封，用于很少拆卸的场合，输送很大流量的场合或者管路长而直的场合。外径定寸管的规格按外径和壁厚确定。液压系统主要用这种管子。例如GB/T36392000冷拔或冷轧精密无缝钢管。外径定寸管比通径定寸管更坚固更整洁，容易弯成系统所需要的形状，并且有各种品种的管接头可以选用。确定硬管尺寸时要计算管子内径、壁厚、弯头、压力损失。1管内油液的推荐流速表415液压系统管路推荐流速天津工程机械研究院培训教材111液压系统设计篇2管道内径的计算D4Q式中D管道内径；Q通过管道油液的流量；管内油液的流速，按推荐流速选取。3管道壁厚的计算PD2式中金属管壁厚；D管道内径；P工作压力；许用应力，对于钢管，B/N，B为抗拉强度，N为安全系数。计算出管道内径和壁厚之后，应按标准选取相应规格的油管。在实际设计中，管道通常按选定液压元件油口的大小来确定其尺寸。液压泵的吸油管应尽可能短，以降低其吸油阻力。吸油阻力直接影响液压泵的容积效率。如表416为CBG125齿轮泵吸油阻力与容积效率关系。吸油阻力超过100HG，液压泵容积效率开始下降，因此，为了保证液压泵发挥正常的工作能力，液压泵吸油压力不应超过样本规定值。表416CBG125齿轮泵吸油阻力与容积效率考虑到液流经弯管时的局部压力损失要小，一般推荐弯管半径R56D。如果按此弯制管道在整体布置时，将占有较大的空间。在工程机械设计时，一般不采用。通过计算局部压力损失，当弯曲半径/管径25时，压力损失相差很小。压力管路弯曲半径/管径值从5减到2，局部压5力损失仅增加000210PA。因此，在保证管壁强度的情况下，只要工艺制造水平能够达到，最小弯曲半径可R2D。表417给出管路工艺上椭圆度小于15可达到最小弯曲半径表417管路最小弯曲半径天津工程机械研究院培训教材112液压系统设计篇管路布置的基本要求是1）为了减少摩擦损失，管子长度应尽可能小。2）固定点之间的管段至少要有一个松弯以适应热胀冷缩。应该不惜任何代价地避免紧死的直管。这种直管能在管路中产生严重的拉压应力，并使得需要管子从接头体后退才能装拆的管接头难以连接，参见图416。图416管子必须有弯3）弯管部位应减至与管路布置的几何形状一致的最少数量，并采用尽可能大的弯管半径。但是，在管端不宜有过大的弯管半径，否则难以与管接头找正。管子总应该有一段直管接近管接头，而把任何管接头近处的弯管调整到远处。4）所有管路，尤其高压管路均应有适当支撑，尤其在高压系统中弯管前后及与软管连接之前必须支撑。流量的任何突然扰动都将在弯管处产生使管路伸直的倾向，如果管路未加支撑则导致“甩动”。但是管夹不应把管子卡死，而应为热胀冷缩留出足够的窜动自由度。二软管软管用于相互运动的液压元件之间的挠性连接，或者用于有关元件布置不利，使得软管连接成为唯一可行解决办法的场合。软管还起吸振和消声的作用。液压系统用的高压软管由合成橡胶制成，与油接触的是耐油合成橡胶制成的内管，内管外面有若干加固层。加固材料可以是天然或合成纤维或纱、金属丝或它们的组合。加固层可以是编织的、缠绕的或两者兼而有之。最外面是一层耐油的蒙皮，各层之间有粘接剂。所需的软管口径取决于通过的流量和流速。如果油液流速过高，则流动为紊流且能量损失大。AEROQUIP公司的软管压降数据见表418。表418软管压降（压降单位KPA）113天津工程机械研究院培训教材液压系统设计篇注表中压降为不带管接头的1M长软管的数据。油液相对密度085，粘度20/S，温度为21。钢丝缠绕加固层往往用于高压系统中有高频冲击的场合。压力冲击时，一般的编织加固软管容易在织纹的钢丝交叉处失效。这些交叉点使已经受很高应力的钢丝弯曲和剪切。缠绕钢丝加固的优点在于它消除了引起麻烦的交叉点，使理论总覆盖面积高达97。高压软管的工作寿命在很大程度上取决于它安装得是否正确。使用软管时，要保证软管不被拉紧（图417）、不被弯成过小半径图图418、不在接头附近受弯曲（图419）、不互相或受机件摩擦（图420），应对软管加以约束，以免软管失效时带来危险。图417软管不被拉紧图图418不被弯成过小半径图419不在接头附近受弯曲图420不互相或受机件摩擦三管子的连接114天津工程机械研究院培训教材液压系统设计篇管子与元件、管子与管子都需要相互连接。连接有永久性连接和可拆连接。永久性连接可以是熔焊的、钎焊的、冷挤压的或胶合的。这种连接（接头）是不能重复使用的。在管道和管道、管道和其他元件（如泵、阀和集成块等）之间可使用可拆卸连接件（管接头）。可拆连接是可以重复使用的，所用的连接件有法兰、管接头、底板之类。管接头与其他元件之间可采用普通细牙螺纹连接或锥螺纹连接（多用于中低压）。管接头除端直通形式外，还有二通、三通、四通和铰接等数种形式，供不同情况下选用，具体可查阅生产厂家的有关样本。硬管接头按管接头和管道的连接方式分类，硬管接头有扩口式管接头、卡套式管接头和焊接式管接头三种。焊接式管接头焊接式管接头由接头体、螺母和接管组成。接管与系统管路中的钢管焊接连接。接头体拧入机件的连接可用细牙螺纹或锥螺纹。采用细牙螺纹时接头体与机件之间用金属垫圈或组合圈密封。焊接式管接头连接牢固、密封可靠、耐高压，但焊接工作量大。按照接管与接头体之间密封方式的不同，焊接式管接头又分为O形圈端面密封、O形圈锥面密封及金属对金属密封等结构，见图421、图421。图421O形圆端面密封管接头图422O形圆锥面密封管接头2扩口式管接头扩口式管接头把管子的扩口端压靠在接头体的锥面上，随着螺母的旋紧，形成金属接触密封。扩口式管接头适用于铜、铝管或薄壁钢管，也可用来连接塑料管和尼龙管等低压管道。广泛用于液压系统的是三件式37O扩口管接头（图423）。由一个短螺母产生压紧力，此力经套管传到扩口管,套管用来协助支撑管路并吸收振动。装配很方便，仅需要尺寸合适的扳手和扩口工具就可以了。图423三件式扩口管接头3卡套式管接头卡套式管接头图423拧紧螺母时把卡套推进接头体的内锥里，进一步拧紧螺母时卡套的刃口在管子外径上形成环形切槽而密封。卡套的弹性作用还在管子、接头体及螺母之间起防松垫圈的作用，使连接可以耐振动。这种管接头在国外使用得很普遍，但对管子要求很严格，这种管接头轴向尺寸要求不严、拆装方便，不须焊接或扩口。但对油管的径向尺寸精度要求较高。采用冷拔无缝钢管，使用压力可达32MPA。油管外径一般不超过42。国内管用于高压系统应该谨慎。如果管子材料符合要求、管子切割得垂直而且施用规定的拧紧扭矩，则可以保证不漏油的连接。天津工程机械研究院培训教材115液压系统设计篇图423卡套式管接头1接头体2卡套3螺母4管子4法兰与管子的连接，可以用螺纹连接（图424），也可以焊接图425）。如用插焊法兰，则内侧角焊缝也要满焊。为了加强油液污染控制，保证液压系统的可靠性，凡与油液接触处不能留有无法清理的缝隙。因为这些缝隙藏污纳垢，在制造过程中未能清除的污染物在系统投入使用后会混入油液引起失效。图424螺纹连接法兰图425插焊法兰美国机动车工程师学会SAE有一种对分法兰（图426），使用起来很方便。软管借助于专用接头（图427）也可以使用图426对分法兰图427用对分法兰的软管接第四节液压系统性能计算工程机械械性能的优劣取决于液压系统性能的好坏。而液压系统性能的好坏则又以系统中所用元件的质量好坏和所选择的基本回路恰当与否为前提。对工程机械液压系统的评价，以液压系天津工程机械研究院培训教材116液压系统设计篇统效率为基准。在保证主机性能要求的前提下，应该使液压系统具有尽可能高的效率。液压系统效率的高低反映了液止系统中能量损大的多少。这种能量损失最终足以热的形式出现。使系统的油温增高。铲土运输机械液压系统的参变量在作业工况中随负载和工况的急剧变化而呈随机变化趋势，工程机械液压系统效率一般采用总效率评价，其定义一个工作循环中所有液压执行元件输出总能量一个工作循环中输入给所有液压泵总能量为计算液压系统总效率，首先获得一个标准循环工况下，液压泵输入转矩与转速、液压执行元件输出力（或转矩）与速度（或转速）随时间变化的连续曲线，经过离散后，计算出每一步长T内液压执行元件输出总能量和输入给所有液压泵总能量，才能够获得精确的液压系统效率。它反映了主机工况与液压系统工作状态，但是获得一个标准循环工况下液压系统工作状态参数是极其困难的,由于设计初期更困难。因此，液压系统总效率的实用价值有一定的局限性。为了合理的评价液压系统的效率，我们采用了压力损失和液压系统热平衡两个间接参数。一、压力损失液压装置设计后，就可以计算管路的沿程压力损失P、局部压力损失P、液流经过阀类元件的局部压力损失P。管路的总压力损失为L22Q2PPPPWD22Q2PNN式中沿程阻力系数；两相邻局部损失之间的距离；D管子内径；液流在管道中的流速；局部阻力系数；QN额定流量；Q实际流量；P额定流量时的压降。对于系统工作循环的不同阶段，应分别计算进油路和回油路的压力损失。但是当系统的管道没有正式布置确定之前，管道的P和P仍无法计算。所以在系统方案初步确定之后，通常用阀类元件的