第8章液压系统设计

1、液压系统的设计原则和依据液压系统的设计原则和依据8.1液压系统的工况分析和主要参数的确定液压系统的工况分析和主要参数的确定8.2液压系统原理图的拟定和方案论证液压系统原理图的拟定和方案论证8.3 液压系统的设计步骤如下。液压系统的设计步骤如下。 （1）明确设计原则和依据。）明确设计原则和依据。 （2）进行工况分析，确定系统的主要参）进行工况分析，确定系统的主要参数。数。 （3）进行系统方案论证，拟定液压系统）进行系统方案论证，拟定液压系统原理图。原理图。（4）计算和选择液压元件。）计算和选择液压元件。（5）验算液压系统的主要性能。）验算液压系统的主要性能。（6）绘制工作图，编制技术文件。）绘制

2、工作图，编制技术文件。1液压系统的设计原则液压系统的设计原则 注意吸收国内外先进技术，力求设计出注意吸收国内外先进技术，力求设计出重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简重量轻、体积小、成本低、效率高、结构简单、性能良好及操作方便的液压装置。单、性能良好及操作方便的液压装置。 （1）主机的用途、性能、工艺流程、作）主机的用途、性能、工艺流程、作业环境及总体布局等。业环境及总体布局等。 （2）液压系统要完成哪些动作，动作顺）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此间的联锁关系等。序及彼此间的联锁关系等。 （3）液压驱动机构的运动形式及运动速）液压驱动机构的运动形式及运动速度。度。 （4）各动作机构的

3、载荷大小及其性质。）各动作机构的载荷大小及其性质。 （5）对液压系统性能（如工作平稳性、）对液压系统性能（如工作平稳性、转换精度等）、工作效率、自动化程度转换精度等）、工作效率、自动化程度等方面的要求。等方面的要求。 （6）自动化程序及操作控制方式的要求。）自动化程序及操作控制方式的要求。 （7）对防尘、防爆、防寒、噪声及安全可）对防尘、防爆、防寒、噪声及安全可靠性的要求。靠性的要求。 （8）对效率及成本等方面的要求。）对效率及成本等方面的要求。8.2.1 液压系统的工况分析液压系统的工况分析1运动分析运动分析名称名称特点特点应用场合应用场合双杆活塞缸双杆活塞缸双向输出力、输出速度相同，杆受力

4、状态相同双向输出力、输出速度相同，杆受力状态相同双向工作的往复运动双向工作的往复运动单杆活塞缸单杆活塞缸双向输出力、输出速度不相同，杆受力状态不同。双向输出力、输出速度不相同，杆受力状态不同。差动连接时可实现快速运动差动连接时可实现快速运动往复不对称直线运动往复不对称直线运动表表8-1液压执行元件的类型液压执行元件的类型名称名称特点特点应用场合应用场合柱塞缸柱塞缸结构简单结构简单长行程、单向工作长行程、单向工作摆动缸摆动缸单叶片缸转角小于单叶片缸转角小于300，双叶片缸转角小于，双叶片缸转角小于150往复摆动运动往复摆动运动齿轮、叶片马达齿轮、叶片马达结构简单、体积小、惯性小结构简单、体积小、

5、惯性小高速小转矩回转运动高速小转矩回转运动轴向柱塞马达轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩回转运动大转矩回转运动径向柱塞马达径向柱塞马达结构复杂、转矩大、转速低结构复杂、转矩大、转速低低速大转矩回转运动低速大转矩回转运动续表续表 （1）液压缸的负载计算。）液压缸的负载计算。（8-1） 工作负载工作负载Fw 即即Fwf（t），需根据具体情况分析），需根据具体情况分析决定。决定。 惯性负载惯性负载Fm （8-2）wmfgbsfFFFFFFF mvFmamt 式中，式中，m为运动部件总质量；为运动部件总质量；a为加为加速度；速度；v为为t时间内速度的变化量；时间

6、内速度的变化量；t为启动或制动时间，一般机械系统取为启动或制动时间，一般机械系统取0.10.5 s，行走机械系统取，行走机械系统取0.51.5 s，机，机床运动系统取床运动系统取0.250.5 s，机床进给系统，机床进给系统取取0.050.2s。工作部件较轻或运动速度。工作部件较轻或运动速度较低时取小值。较低时取小值。 导向摩擦阻力导向摩擦阻力Ff对于平导轨对于平导轨（8-3）对于对于V形导轨形导轨（8-4）()fNFmgF()sin(/2)NfmgFF 重力负载重力负载Fg 当工作部件垂直或倾斜放当工作部件垂直或倾斜放置时，自重也是一种负载；当工作部件水置时，自重也是一种负载；当工作部件水平

7、放置时，平放置时，Fg=0。 背压负载背压负载Fb 液压缸运动时还必须克服液压缸运动时还必须克服回油路压力形成的背压阻力回油路压力形成的背压阻力Fb，其值为，其值为（8-5）2bbFp A 中低压系统或轻载节流调速系统取中低压系统或轻载节流调速系统取0.20.5 MPa，回油路有调速阀或背压，回油路有调速阀或背压阀的系统取阀的系统取0.51.5 Mpa，采用补油泵补，采用补油泵补油的闭式系统取油的闭式系统取1.01.5 MPa，采用多，采用多路阀的复杂中高压工程机械系统取路阀的复杂中高压工程机械系统取1.23.0 MPa。液压缸自身的密封阻力液压缸自身的密封阻力Fsf 液压缸工液压缸工作时还必

8、须克服其内部密封装置产生的作时还必须克服其内部密封装置产生的摩擦阻力摩擦阻力Fsf ，其值与密封装置的类型、，其值与密封装置的类型、油液工作压力，特别是液压缸的制造质油液工作压力，特别是液压缸的制造质量有关，计算比较繁琐，一般将它计入量有关，计算比较繁琐，一般将它计入液压缸的机械效率液压缸的机械效率m中考虑，通常取中考虑，通常取m0.900.97。 （2）液压缸运动循环各阶段的负载。）液压缸运动循环各阶段的负载。启动时启动时 （8-6）加速时加速时 （8-7）恒速运动时恒速运动时 （8-8）减速制动时减速制动时 （8-9）()/fgmFFF()/mfgbmFFFFF()/wfgbmFFFFF

9、()/wmfgbmFFFFFF 图图8-1某液压缸的速度图和负载图某液压缸的速度图和负载图1系统工作压力的确定系统工作压力的确定负载负载/kN551010202030305050系统压力系统压力/MPa0.8l1.622.53344557表表8-2按负载选择系统工作压力按负载选择系统工作压力设设备备类类型型机床机床农业机械农业机械汽车工业汽车工业小型工程小型工程机械及辅机械及辅助机械助机械工程机械工程机械重型机械重型机械锻压设备锻压设备液压支架液压支架船用船用系统系统磨床磨床组合机床组合机床牛头刨床牛头刨床插床插床齿轮加工机床齿轮加工机床车床车床铣床铣床镗床镗床珩磨珩磨机床机床拉床拉床龙门刨床

10、龙门刨床压力压力/MPa2.56.32.56.310101616321425表表8-3按主机类型选择系统工作压力按主机类型选择系统工作压力2执行元件参数的确定执行元件参数的确定3执行元件流量的确定执行元件流量的确定（8-10）（8-11）maxmaxmaxmax/MqAqn或 minmin/qA （1）液压泵和各种控制阀的规格是根据工）液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定的。况图中的最大压力和最大流量选定的。 （2）液压系统中的基本回路及其油源形式）液压系统中的基本回路及其油源形式主要是根据工况图中不同阶段内的压力和主要是根据工况图中不同阶段内的压力和流量变化情况选择

11、出来后，再通过分析比流量变化情况选择出来后，再通过分析比较后确定的。较后确定的。 （3）将工况图所反映的情况与调研得来）将工况图所反映的情况与调研得来的参考方案进行对比，可以对原来设计的参考方案进行对比，可以对原来设计参数的合理性作出鉴别、对各参数值进参数的合理性作出鉴别、对各参数值进行调整。例如，在工艺情况允许的条件行调整。例如，在工艺情况允许的条件下，调整有关工作阶段的时间和速度，下，调整有关工作阶段的时间和速度，以减少所需的功率；当功率分布很不均以减少所需的功率；当功率分布很不均匀时，适当修整参数，以避开或削减功匀时，适当修整参数，以避开或削减功率率“峰值峰值”等。等。图图8-2液压缸的

12、工况图液压缸的工况图1选择系统的类型选择系统的类型 系统有开式系统和闭式系统两种类系统有开式系统和闭式系统两种类型。型。 选择系统的类型主要取决于它的调选择系统的类型主要取决于它的调速方式和散热要求。速方式和散热要求。 选择基本回路时，首先要抓住各类选择基本回路时，首先要抓住各类机器的液压系统的主要矛盾机器的液压系统的主要矛盾。 合成液压系统时应特别注意以下几合成液压系统时应特别注意以下几点。点。 （1）防止回路间可能存在的相互干扰。）防止回路间可能存在的相互干扰。 （2）系统应力求简单，并将作用相同或）系统应力求简单，并将作用相同或相近的回路合并，避免存在多余回路。相近的回路合并，避免存在多

13、余回路。系统要安全可靠，要有安全、联锁等回系统要安全可靠，要有安全、联锁等回路，力求控制油路可靠。路，力求控制油路可靠。 （3）组成系统的元件要尽量少，并应尽）组成系统的元件要尽量少，并应尽量采用标准元件，减少自行设计的专用量采用标准元件，减少自行设计的专用件。件。 （4）组成系统时还要考虑节省能源，提）组成系统时还要考虑节省能源，提高效率，减少发热，防止液压冲击。高效率，减少发热，防止液压冲击。 （5）测压点分布合理。）测压点分布合理。8.4.1 液压泵的确定与驱动功率液压泵的确定与驱动功率的计算的计算1.确定液压泵的最大工作压力和流量确定液压泵的最大工作压力和流量（8-12） 取取p 0.

14、51.5 MPa。（8-13）maxppppmax()PqKq2确定原动机的功率确定原动机的功率（8-14） 式中，式中，p为液压泵的总效率，齿轮泵为液压泵的总效率，齿轮泵p0.60.8，叶片泵，叶片泵p0.70.8，柱塞，柱塞泵泵p0.80.85。具体数值可参阅产品样。具体数值可参阅产品样本。本。（8-15）/ppppPp q222112212nnpnP tP tP tPttt 选择压力控制阀时，应考虑压力阀选择压力控制阀时，应考虑压力阀的压力调节范围、流量变化范围、所要的压力调节范围、流量变化范围、所要求的压力灵敏度和平稳性等。求的压力灵敏度和平稳性等。 特别是溢流阀的额定流量必须满足特别

15、是溢流阀的额定流量必须满足液压泵最大流量的要求。液压泵最大流量的要求。 选择流量控制阀时，应考虑流量阀选择流量控制阀时，应考虑流量阀的流量调节范围、流量的流量调节范围、流量压力特性、最压力特性、最小稳定流量、压力补偿要求或温度补偿小稳定流量、压力补偿要求或温度补偿要求，以及对油液过滤精度的要求，同要求，以及对油液过滤精度的要求，同进还应考虑阀进、出口压差大小及阀内进还应考虑阀进、出口压差大小及阀内泄漏量的大小等。泄漏量的大小等。 选择方向控制阀时，应考虑方向阀选择方向控制阀时，应考虑方向阀的换向频率、响应时间、操作方式、滑的换向频率、响应时间、操作方式、滑阀机能、阀口压力损失及阀内泄漏量的阀机

16、能、阀口压力损失及阀内泄漏量的大小等。大小等。 对于单杆液压缸系统，若无杆腔有对于单杆液压缸系统，若无杆腔有效作用面积为有杆腔有效作用面积的几效作用面积为有杆腔有效作用面积的几倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进倍，当有杆腔进油时，则回油流量为进油流量的几倍，此时，应以几倍的流量油流量的几倍，此时，应以几倍的流量来选择方向控制阀。来选择方向控制阀。 通过各类阀件的实际流量最多不应超通过各类阀件的实际流量最多不应超过其公称流量的过其公称流量的120%，以免引起发热、噪，以免引起发热、噪声和过大的压降损失。声和过大的压降损失。1确定管道尺寸确定管道尺寸 （1）管内油液的推荐流速。对于液压泵）管内油液

17、的推荐流速。对于液压泵吸油管道一般取吸油管道一般取1 m/s以下；系统压力管以下；系统压力管道一般取道一般取36 m/s，压力高、管道短、黏，压力高、管道短、黏度小时取大值；系统回油管道一般取度小时取大值；系统回油管道一般取1.52.6 m/s。（2）管道内径的计算。）管道内径的计算。 （8-16）（3）管道壁厚的计算。）管道壁厚的计算。（8-17）4qd 2pdV=qp （8-18）8.5.1 液压系统压力损失验算液压系统压力损失验算（8-19）2()nnqppq 1液压系统的发热功率液压系统的发热功率 （1）液压泵的损失功率为）液压泵的损失功率为（8-20） （2）液压执行元件的损失功率为

18、）液压执行元件的损失功率为（8-21）11(1)nppipiiiPPtT22211(1)mjjjjPPtT （3）溢流阀的损失功率为）溢流阀的损失功率为（8-22） （4）节流功率损失为）节流功率损失为（8-23） （5）液压系统的发热功率为）液压系统的发热功率为（8-24）（8-25）1kyyiyiiPp q1kjjijiiPp q2PyjPPPPP ioPPP(1)iPP或或（8-26） 式中，式中， 为油温与环境温度之差（为油温与环境温度之差（）；）；A为油箱散热面积（为油箱散热面积（m2）；）；K为油箱散热系数为油箱散热系数（W/m2），其值按表），其值按表8-4选择。选择。cPKA

19、TT散热条件散热条件通风条件较差通风条件较差通风条件良好通风条件良好用风扇冷却用风扇冷却循环水强制冷却循环水强制冷却散热系数散热系数89151723110175表表8-4油箱散热系数油箱散热系数K值值 经过对液压系统性能的验算和必要经过对液压系统性能的验算和必要的修改之后，便可绘制正式工作图，它的修改之后，便可绘制正式工作图，它包括正式的液压系统原理图、液压站装包括正式的液压系统原理图、液压站装配图（包括油箱装配图、液压泵机架、配图（包括油箱装配图、液压泵机架、集成块装配图等）、液压装置的总体结集成块装配图等）、液压装置的总体结构图、管路布置图以及各种非标准元件构图、管路布置图以及各种非标准元

20、件的零件图等。的零件图等。8.7.1 负载分析负载分析1工作负载工作负载（8-28）对对 13.9 mm的孔来说的孔来说 n1360 r/min，s10.147 mm/r对对 8.5 mm的孔来说的孔来说 n2550 r/min，s20.096 mm/r0.80.625.5()tFDsHB（N）98107()()5839.8160 0.2mGFgt静摩擦阻力静摩擦阻力 （N）动摩擦阻力动摩擦阻力 （N） 液压缸的机械效率取液压缸的机械效率取m = 0.9，由此，由此得出液压缸在各工作阶段的负载如表得出液压缸在各工作阶段的负载如表8-5所示。所示。0.2 9 8101962fsF0.1 9810

21、981fdF图图8-3组合机床液压缸的负载图和速度图组合机床液压缸的负载图和速度图工况工况负载组成负载组成负载值负载值F（N）推力推力 （N）启启 动动F Ffs1 9622 180加加 速速F Ffd Fm1 5641 500快快 进进F Ffd9811 090工工 进进F Ffd Ft31 44934 943快快 退退F Ffd9811 090mF 表表8-5液压缸在各工作阶段的负载值液压缸在各工作阶段的负载值工况工况负载负载F（N）回油腔压回油腔压力力p2（MPa）进油腔进油腔压力压力p1（MPa）输入流输入流量量q（L/min）输入功输入功率率P（kW）计算式计算式快进快进（差动）（差

22、动）启动启动2 18000.434p1=(F+A2p)/(A1 A2)q= (A1A2) P=p1q回速回速1 738p2= p1+p(p=0.5 MPa)0.791恒速恒速1 0900.66235.190.39工进工进34 9430.84.0540.50.034p1=(F+p2 2)/A1q= A12P=p1q快退快退启动启动2 18000.487p1=(F+p2A1)/A2q= A22P=p1q加速加速1 7380.51.45恒速恒速1 0901.30531.340.68表表8-6液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值1液压回路的选择液压回路的选择

23、 （1）调速回路的选择。）调速回路的选择。 （2）快速运动和换向回路的选择。）快速运动和换向回路的选择。 （3）速度换接回路的选择）速度换接回路的选择 （4）压力控制回路的选择。）压力控制回路的选择。 （1）为了解决滑台工进时图中进油路、回）为了解决滑台工进时图中进油路、回油路相互接通，无法建立压力的问题，必油路相互接通，无法建立压力的问题，必须在液动换向回路中串接一个单向阀须在液动换向回路中串接一个单向阀a，将工进时的进油路、回油路隔断。将工进时的进油路、回油路隔断。 （2）为了解决滑台快速前进时回油路接）为了解决滑台快速前进时回油路接通油箱，无法实现液压缸差动连接的问通油箱，无法实现液压缸

24、差动连接的问题，必须在回油路上串接一个液控顺序题，必须在回油路上串接一个液控顺序阀阀b，以阻止油液在快进阶段返回油箱。，以阻止油液在快进阶段返回油箱。 （3）为了解决机床停止工作时系统中的）为了解决机床停止工作时系统中的油液流回油箱，导致空气进入系统，影油液流回油箱，导致空气进入系统，影响滑台运动平稳性的问题，另外考虑到响滑台运动平稳性的问题，另外考虑到电液换向阀的启动问题，必须在电液换电液换向阀的启动问题，必须在电液换向阀的出口处增设一个单向阀向阀的出口处增设一个单向阀c。在泵卸。在泵卸荷时，使电液换向阀的控制油路保持满荷时，使电液换向阀的控制油路保持满足换向要求的压力。足换向要求的压力。

25、（4）为了便于系统自动发出快速退回信）为了便于系统自动发出快速退回信号，在调速阀输出端需增设一个压力继号，在调速阀输出端需增设一个压力继电器电器d。 （5）如果将顺序阀）如果将顺序阀b和背压阀的位置对调和背压阀的位置对调一下，就可以将顺序阀与油源处的卸荷一下，就可以将顺序阀与油源处的卸荷阀合并。经过修改、整理后的液压系统阀合并。经过修改、整理后的液压系统原理图如图原理图如图8-7所示。所示。图图8-6液压回路的综合和整理液压回路的综合和整理1双联叶片泵（双联叶片泵（1A小流量泵小流量泵1B大流量泵）；大流量泵）；2电液换向阀；电液换向阀；3行程阀；行程阀；4调速阀；调速阀；5单向阀；单向阀；6

26、液压缸；液压缸；7卸荷阀；卸荷阀；8背压阀；背压阀；9溢流阀；溢流阀；10单向阀；单向阀；11过滤器；过滤器；12压力表开关；压力表开关；a单向阀；单向阀；b顺序阀；顺序阀；c单向阀；单向阀；d压力继电器压力继电器图图8-7整理后的液压系统图整理后的液压系统图1双联叶片泵；双联叶片泵；2三位五通电液换向阀；三位五通电液换向阀；3行程阀；行程阀；4调速阀；调速阀；5单向阀；单向阀；6单向阀；单向阀；7液控顺序阀；液控顺序阀；8背压阀；背压阀；9溢流阀；溢流阀；10单向阀；单向阀；11过滤器；过滤器；12压力表开关；压力表开关；13单向阀；单向阀；14压力继电器；压力继电器；15液压缸液压缸1液压

27、泵液压泵（MPa）（MPa） （L/min） （kW） 1(4.0540.80.5)5.354pp2(1.3050.5)1.805pp1.1 35.1938.71pq 6331.805 1040 101.60.75 60 10pppp qP序号序号元件名称元件名称 流量流量型号型号规格规格生产厂家生产厂家1双联叶片泵双联叶片泵PV2R1214 MPa,36和和6 L/min阜新液压件厂阜新液压件厂2三位五通电液换向阀三位五通电液换向阀7535DY3YE10B16 MPa,通径通径10高行液压件厂高行液压件厂3行程阀行程阀84AXQFE10B4调速阀调速阀15单向阀单向阀756单向阀单向阀44A

28、F3En10B7液控顺序阀液控顺序阀35XF3E10B8背压阀背压阀1YF3E10B9溢流阀溢流阀35AF3E10B10单向阀单向阀35AF3En10B表表8-7元件的型号及规格元件的型号及规格序号序号元件名称元件名称 流量流量型号型号规格规格生产厂家生产厂家11过滤器过滤器40YYL1051021 MPa,90 L/min新乡新乡116厂厂12压力表开关压力表开关KF3E3B16 MPa，3测点测点无锡穆格公司无锡穆格公司13单向阀单向阀75AF3Ea20B16 MPa,通径通径20高行液压件厂高行液压件厂14压力继电器压力继电器PFB8C14 MPa,通径通径8榆次液压件厂榆次液压件厂续表续表6312 (79.43 10 )/(3 106023.7d ）（mm）6322 (42 10 )/(3 106017.2d ）（mm