第十一章液压系统的设计计算

1、了解液体系统设计计算的了解液体系统设计计算的方法方法哪些动作哪些动作、动作间有无联系动作间有无联系、自动循环自动循环等。主机可能对液压系统提出许多要求，等。主机可能对液压系统提出许多要求，设计这应在了解主机用途、工作过程和总体布局的设计这应在了解主机用途、工作过程和总体布局的基础上对这些要求做出分析。基础上对这些要求做出分析。方面的要求方面的要求、的的大小大小、以及完成一个以及完成一个等。现代化机械要求高精度、高生产等。现代化机械要求高精度、高生产力以及高度自动化，这不仅要求其液压系统具有力以及高度自动化，这不仅要求其液压系统具有良好的良好的静态指标静态指标，还常对其，还常对其动态指标动态指标

2、提出要求提出要求。 工作环境的工作环境的温度和湿度温度和湿度，污染和振动冲击污染和振动冲击情况情况以及是否有以及是否有腐蚀性腐蚀性和和易燃性物质易燃性物质存在等问题均应有明存在等问题均应有明确答案。这涉及确答案。这涉及液压元件和介质的选用液压元件和介质的选用。必要时设计。必要时设计中还应附加防护措施。中还应附加防护措施。 如液压装置在如液压装置在重量、外形尺寸方面重量、外形尺寸方面的限制以及的限制以及经济性、能耗方面经济性、能耗方面的要求等的要求等。工况分析：分析主机在工作过程中工况分析：分析主机在工作过程中速度和负载的变速度和负载的变化规律，化规律，即进行运动分析和负载分析。即进行运动分析和

3、负载分析。对于动作复杂的机械需对于动作复杂的机械需绘制速度循环图和负载绘制速度循环图和负载循环图，循环图，简单的系统可以不绘图，但需要找出其最简单的系统可以不绘图，但需要找出其最大负载和最大速度点。大负载和最大速度点。 1、运动分析、运动分析2、负载分析、负载分析 根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用根据工况要求，将执行元件在各阶段所需克服的负载用图表示出来。一般用负载图表示出来。一般用负载时间（时间（F-t）或负载）或负载位移（位移（F-s）曲线表示，称为负载循环图。曲线表示，称为负载循环图。（1）液压缸的负载分析）液压缸的负载分析 用液压缸带动主机执行机构作直线往复用液压缸带动

4、主机执行机构作直线往复运动时，所需克服的外负载动力为：运动时，所需克服的外负载动力为： FL=F+FfFaa.工作负载工作负载F 不同机械的工作负载其形式各不同。对于金属切削机床，不同机械的工作负载其形式各不同。对于金属切削机床，作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提作用在运动部件运动方向上的切削力是工作负载；而对于提升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定升机械，其重物的重量就是工作负载。工作负载可以是恒定的，也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。的，也可以是变化的；可能是正值负载，也可能是负值负载。b.摩擦阻力负载摩擦阻力负载Ff 摩擦阻力负载是指主机

5、执行机构在运动时所需克服的摩擦阻力负载是指主机执行机构在运动时所需克服的支承面上的摩擦力。支承面上的摩擦力。 Ff= Ni i 式中式中 Ni作用在第作用在第i个支承面上的法向力；个支承面上的法向力； i该支承面的摩擦系数。该支承面的摩擦系数。c. 惯性负载惯性负载Fa 惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯惯性负载是指运动部件启动或制动过程中的惯性力。可按牛顿第二定律计算：性力。可按牛顿第二定律计算： Fa=ma=(G/g).( v/ t) 液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其液压缸运动时还需克服密封装置的摩擦阻力，其大小与密封形式、液压缸的制造质量和工作压力有关。大小与密封形式、液

6、压缸的制造质量和工作压力有关。（2）液压马达负载分析）液压马达负载分析 以液压马达为执行元件时，液压马达需克服以液压马达为执行元件时，液压马达需克服的外负载为：的外负载为： ML=M+Mf+Ms式中式中M工作负载折合到液压马达上的力矩；工作负载折合到液压马达上的力矩；Mf执行机构等的摩擦力折合到液压马达上的力执行机构等的摩擦力折合到液压马达上的力矩；矩；Ms执行机构、运动装置和液压马达等在启动和执行机构、运动装置和液压马达等在启动和制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩的总和。制动时的惯性力折合到液压马达上的力矩的总和。3、确定液压系统主要参数、确定液压系统主要参数 工作压力的选定关系到设计出和

7、系统是否经济工作压力的选定关系到设计出和系统是否经济合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即合理；工作压力低，则要求执行元件的容量大，即尺寸大、重量重，系统所需流量也大；压力过高，尺寸大、重量重，系统所需流量也大；压力过高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求提高，并使容积效率降低。一般是根据机械的类型来选择并使容积效率降低。一般是根据机械的类型来选择工作压力。工作压力。3、确定液压系统主要参数、确定液压系统主要参数 A=FL/ cmp当工作速度很低时，按上式计算出的工作面积不一当工作速度很低时，按上式计算出的工作面积不一定能满足最低稳定速度的

8、要求，因此应按最低运动定能满足最低稳定速度的要求，因此应按最低运动速度来进行验算，即液压缸的有效工作面积应满足速度来进行验算，即液压缸的有效工作面积应满足下式：下式：qmin/ Avmin如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工作面积如验算结果不能满足要求，则液压缸有效工作面积按上式选取。按上式选取。 q=2 ML/p. Mm必要时，也需按最低转速要求进行验算，即必要时，也需按最低转速要求进行验算，即qmin /Vmnmin4.绘制液压执行元件工况绘制液压执行元件工况图图执行元件工况图：执行元件工况图：压力循环图压力循环图流量循环图流量循环图功率循环图。功率循环图。1、执行元件的类型、执行元件的

9、类型2、调速方案、调速方案3、控制方案、控制方案4、系统安全可靠性、系统安全可靠性5、节约能量、节约能量6、其它、其它1、执行元件的类型、执行元件的类型 根据主机部件所要求的根据主机部件所要求的运动形式运动形式，确定采用液，确定采用液压缸还是液压马达作为执行元件。压缸还是液压马达作为执行元件。 主机要求主机要求往复运动往复运动，则选用，则选用液压缸液压缸； 主机要求主机要求连续的旋转运动连续的旋转运动，则应选用，则应选用液压马达液压马达。2、调速方案、调速方案 调速方案：调速方案：主要是根据调速范围、功率大小、低速稳主要是根据调速范围、功率大小、低速稳定性、允许的温升以及投资的多少等因素来考虑

10、选用。定性、允许的温升以及投资的多少等因素来考虑选用。 节流调速：节流调速：结果简单，投资少，调速范围大，低速稳结果简单，投资少，调速范围大，低速稳定性好，但系统效率低。故在功率不大，温升限制不严的情定性好，但系统效率低。故在功率不大，温升限制不严的情况下优先考虑。况下优先考虑。容积调速：容积调速：在功率较大的中高压系统中，以采用容积在功率较大的中高压系统中，以采用容积调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常用容积调速调速为宜。但在某些功率不大的系统中，也常用容积调速容积节流调速：容积节流调速：如果同时对低速稳定性有较高要求，如果同时对低速稳定性有较高要求，则可采用容积节流调速。则可采用容积节

11、流调速。3、控制方案、控制方案 控制方式主要根据主机工艺要求来确定。控制方式主要根据主机工艺要求来确定。 多路阀：多路阀：执行机构较多的工程机械、工程船舶以及起重机执行机构较多的工程机械、工程船舶以及起重机械等设备则可采用械等设备则可采用多路阀多路阀。行程控制：行程控制：动作可靠，是一种最通用的控制方式；动作可靠，是一种最通用的控制方式； 合理地使用合理地使用压力控制压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜可以简化系统，但在一个系统内不宜多次使用；多次使用； 时间控制：时间控制：不单独使用，往往和行程或压力控制组合使用。不单独使用，往往和行程或压力控制组合使用。 按不同控制方式设计出的系统、其

12、繁简程度可能差别很大。按不同控制方式设计出的系统、其繁简程度可能差别很大。4、系统安全可靠性、系统安全可靠性 ：安全阀：安全阀是必不可少的。是必不可少的。 为避免垂直运动部件在系统失压情况为避免垂直运动部件在系统失压情况下自由下落，在回油路中增加下自由下落，在回油路中增加平衡阀或液控单向阀平衡阀或液控单向阀是常用措是常用措施。用于起重机的液压马达除了有平衡回路外，还有机械制施。用于起重机的液压马达除了有平衡回路外，还有机械制动装置以确保安全。动装置以确保安全。在用一个泵供给两个以上执行元件在用一个泵供给两个以上执行元件运动时，系统设计中应运动时，系统设计中应防止互相干扰防止互相干扰。 在系统中

13、合理地配置在系统中合理地配置滤油器滤油器，是其长期工作重，是其长期工作重要保证。要保证。5、节约能量、节约能量 容积调速容积调速固然减少能耗，但固然减少能耗，但双泵供油双泵供油及增及增加加蓄能器蓄能器等也能达到相当好的效果。为了减少等也能达到相当好的效果。为了减少能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运能耗，有时需增加一些投资，但考虑到长期运行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。行所需的费用及社会效益，这样做仍是可取的。6、其它、其它 如尽量采用标准元件以缩短设计和制造如尽量采用标准元件以缩短设计和制造周期降低成本等。周期降低成本等。1、选择液压泵、选择液压泵2、选择控制阀、选择控制阀3、

14、选取液压附件、选取液压附件4、验算液压系统性能、验算液压系统性能1）计算液压泵的工作压力）计算液压泵的工作压力 泵的工作压力是执行元件工作压力以及管道压泵的工作压力是执行元件工作压力以及管道压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积相等的液压力损失之和。对液压马达或两腔工作面积相等的液压缸，则有：缸，则有：对于两腔工作面积不等液压缸：对于两腔工作面积不等液压缸：Ps=FL/ cm+pi+(A2/A1)p0 ：沿程损失和局部损失。沿程损失和局部损失。：压力损失则以局部损失为主压力损失则以局部损失为主并且它在全部压力损失中占并且它在全部压力损失中占有较大的比重。有较大的比重。管道压力损失 在额定流量下

15、流经各种阀类的压力损失可由产在额定流量下流经各种阀类的压力损失可由产品样本查得。当流经阀的实际流量为时，其实际压品样本查得。当流经阀的实际流量为时，其实际压力损失可按下式估算。力损失可按下式估算。 p= pr(Q/Qr)2 对于压力损失较为准确的估算，只有在系统的对于压力损失较为准确的估算，只有在系统的阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进行。现阶阀类元件规格以及管道尺寸选定后才能进行。现阶段只能进行粗细估算。段只能进行粗细估算。2）计算泵的流量）计算泵的流量液压泵的流量液压泵的流量Qp为：为： QpK( Q)max对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速对于节流调速系统，如果最大流量点处于调速

16、状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小溢流状态，则泵的供油量中还要增加溢流阀的最小溢流量。量。系统中有蓄能器时，则泵的流量按一个工作循环的系统中有蓄能器时，则泵的流量按一个工作循环的平均流量选取，即：平均流量选取，即： Qp(K/T). Qi tini=13）选取液压泵规格）选取液压泵规格 参照产品样本选取其额定压力比参照产品样本选取其额定压力比p，高高2560%，其流量与上述计算结果一，其流量与上述计算结果一致的液压泵。致的液压泵。4）计算功率，选用原动机）计算功率，选用原动机（1）按工作循环中最高功率点选用，即）按工作循环中最高功率点选用，即 N=(psQp)max/ p式中式中 N原动

17、机功率；原动机功率； (psQp)max泵的压力和流量乘积的最大值；泵的压力和流量乘积的最大值； p泵的总效率。对齿轮泵取泵的总效率。对齿轮泵取0.600.75，柱塞泵，柱塞泵取取0.800.85。（2）如果带动泵的原动机为电动机，而在一个循环）如果带动泵的原动机为电动机，而在一个循环中泵的功率变化较大，且最高功率点持续的时间很中泵的功率变化较大，且最高功率点持续的时间很短，则按前式的计算结果来选电动机，功率就会偏短，则按前式的计算结果来选电动机，功率就会偏大，不经济。在在这种情况下，可根据电动机允许大，不经济。在在这种情况下，可根据电动机允许的发热来选取电动功率。先算出循环中各阶段所需的发热

18、来选取电动功率。先算出循环中各阶段所需功率，即：功率，即： N1=p1Q1/ p1 N2=p2Q2/ p2 Nn=pnQn/ pn则电动机功率为：则电动机功率为：N=(N12t1+N22t2+Nn2tn)/(t1+t2+tn)1/2 将两式的计算结果进行比较，如果最大功率在电动将两式的计算结果进行比较，如果最大功率在电动机超载能力范围内（一般为机超载能力范围内（一般为25%）。则可按第二式）。则可按第二式选取电机。选取电机。 一般要求一般要求控制阀的额定压力和额定流量控制阀的额定压力和额定流量大于系大于系统最高工作压力和通过该阀的最大流量。必要时，统最高工作压力和通过该阀的最大流量。必要时，通

19、过的流量可略大于该阀的额定流量，但一般不超通过的流量可略大于该阀的额定流量，但一般不超过过20%，以避免压力损失过大，引起油液发热、噪，以避免压力损失过大，引起油液发热、噪声和其它性能恶化。声和其它性能恶化。流量阀按系统中流量调节范围流量阀按系统中流量调节范围来选取，其最小来选取，其最小稳定流量应能满足机器性能的要求。稳定流量应能满足机器性能的要求。 滤油器、蓄能器、和管接头滤油器、蓄能器、和管接头等可按第五章中有等可按第五章中有关原则选取。选取油管和管接头时比较简便的办法关原则选取。选取油管和管接头时比较简便的办法是使它们的通径和阀的通径一致。是使它们的通径和阀的通径一致。油箱油箱既有储油又

20、有散热的作用，因此必须有足既有储油又有散热的作用，因此必须有足够容积和散热面积。油箱容积的推荐数值如下：够容积和散热面积。油箱容积的推荐数值如下： 低压系统（低压系统（p2.5MPa, V=(24)Qp 中压系统中压系统 (p6.3MPa), V=(612)Qp 液压系统性能验算的项目很多，常见的有回路压力损失和液压系统性能验算的项目很多，常见的有回路压力损失和发热温升验算发热温升验算 压力损失包括管道内的损失和局部损失以及阀类元件处的压力损失包括管道内的损失和局部损失以及阀类元件处的局部损失三项。管道内的损失采用第三章有关公式估算，阀类局部损失三项。管道内的损失采用第三章有关公式估算，阀类元

21、件处的局部损失则需从产品样本中查出。元件处的局部损失则需从产品样本中查出。此项验算采用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单此项验算采用热平衡原理来对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入和液压执行元件有位时间内进入液压系统的热量是液压泵输入和液压执行元件有效之差，饶恕这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他效之差，饶恕这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中查出。分别从有关的手册中查出。 当验算出来的油液温升值超过允许数值时，系当验算出来的

22、油液温升值超过允许数值时，系统中必须考虑设置适当的冷却器。油箱中油液允许统中必须考虑设置适当的冷却器。油箱中油液允许的温升值随主机的不同而不同：一般机床为的温升值随主机的不同而不同：一般机床为25-30，工程机械为工程机械为35-40 等。等。（3）冲击消振验算）冲击消振验算冲击消振验算参看第五章第三节冲击消振验算参看第五章第三节P101（缓冲计（缓冲计算）算）（4）动态性能验算）动态性能验算此部分参看第十二章此部分参看第十二章工作图包括：工作图包括：1）液压系统图）液压系统图图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的调整图上应注明各种元件的规格、型号以及压力的调整值，画出执行元件完成的工作循环图，列出相应电值，画出执行元件完成的工作循环图，列出相应电磁铁和压力继电器的工作状态图。磁铁和压力继电器的工作状态图。2）元件集成块装配图）元件集成块装配图通常用板将部分控制元件组合起来，称为集成板。通常用板将部分控制元件组合起来，称为集成板。液压件厂生产能完成各种功能的集成块，液压件厂生产能完成各种功能的集成块，设计者只需选用并绘制集成块组合装