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1、1 2 本章提要 本章介紹設計液壓傳動系統(tǒng)的基本步驟和方法，對于一般的液壓系統(tǒng)，在設計過程中應遵循以下幾個步驟： 明確設計要求，進行工況分析； 擬定液壓系統(tǒng)原理圖； 計算和選擇液壓元件； 發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算； 繪制工作圖，編寫技術文件。 上述工作大部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較復雜的系統(tǒng)，需經過多次反復才能最后確定；在設計簡單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。通過本章學習，要求對液壓系統(tǒng)設計的內容、步驟、方法有一個基本的了解。 3 液壓傳動系統(tǒng)的設計是整機設計的一部分，它除了應符合主機動作循環(huán)和靜、動態(tài)性能等方面的要求外，還應當滿足結構簡單，工作安全可靠，效率高，經濟性好，使用維護方
2、便等條件。 液壓系統(tǒng)的設計，根據系統(tǒng)的繁簡、借鑒的資料多少和設計人員經驗的不同，在做法上有所差異。各部分的設計有時還要交替進行，甚至要經過多次反復才能完成。 下面對液壓系統(tǒng)的設計步驟予以介紹。 10.1 液壓傳動系統(tǒng)的設計計算液壓傳動系統(tǒng)的設計計算 4 10.1.1 10.1.1 明確設計要求、工作環(huán)境，進行工況分析明確設計要求、工作環(huán)境，進行工況分析 液壓系統(tǒng)的動作和性能要求主要有： 運動方式、行程、速度范圍、負載條件、運動平穩(wěn)性、精度、工作循環(huán)和動作周期、同步或聯鎖等。就工作環(huán)境而言，有環(huán)境溫度、濕度、塵埃、防火要求及安裝空間的大小等。 要使所設計的系統(tǒng)不僅能滿足一般的性能要求，還應具有較
3、高的可靠性、良好的空間布局及造型。 10.1.1.1 10.1.1.1 明確設計要求及工作環(huán)境明確設計要求及工作環(huán)境 5 工況分析，就是查明每個執(zhí)行元件的速度速度和負負載載的變化規(guī)律，必要時還應作出速度、負載隨時間或位移變化的曲線圖。 就缸而言，負載主要由六部分組成，即工作負工作負載載，導向摩擦負載導向摩擦負載，慣性負載慣性負載，重力負載重力負載，密封負密封負載和背壓負載載和背壓負載。 10.1.1.2 10.1.1.2 執(zhí)行元件的工況分析執(zhí)行元件的工況分析 6 (1) 工作負載工作負載 wF 不同的機器有不同的工作負載。工作負載與液壓缸運動方向相反時為正值，方向相同時為負值。 導向摩擦負載是
4、指液壓缸驅動運動部件時所受的導軌摩擦阻力。 (2) 導向摩擦負載導向摩擦負載 fF 慣性負載是運動部件在啟動加速或制動減速時的慣性力，其值可按牛頓第二定律求出。 (3) 慣性負載慣性負載 aF7 (4) 重力負載重力負載 gF 密封負載是指液壓缸密封裝置的摩擦力，一般通過液壓缸的機械效率加以考慮，常取機械效率值為0.900.97。 (5) 密封負載密封負載 sF 背壓負載是指液壓缸回油腔壓力所造成的阻力。 (6) 背壓負載背壓負載 bF8 液壓缸各個主要工作階段的機械負載F可按下列公式計算 空載啟動加速階段空載啟動加速階段: 快速階段快速階段: 工進階段工進階段: 制動減速制動減速: （10.
5、4） mgafFFFF/ )( （10.5） mgfFFF/ )( （10.6） mgwfFFFF/ )( （10.7） mgawfFFFFF/ )(9 液壓系統(tǒng)原理圖是表示液壓系統(tǒng)的組成和工作原理的重要技術文件。擬定液壓系統(tǒng)原理圖是設計液壓系統(tǒng)的第一步，它對系統(tǒng)的性能及設計方案的合理性、經濟性具有決定性的影響。 10.1.2 10.1.2 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 10.1.2.1 10.1.2.1 確定油路類型確定油路類型 一般具有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式油路；相反，凡允許采用輔助泵進行補油，并借此進行冷卻交換來達到冷卻目的的系統(tǒng)，可采用閉式油路。通常節(jié)流調速
6、系統(tǒng)采用開式油路通常節(jié)流調速系統(tǒng)采用開式油路，容積調速系統(tǒng)采用閉容積調速系統(tǒng)采用閉式回路式回路。 10 根據各類主機的工作特點、負載性質和性能要求，先確定對主機主要性能起決定性影響的主要回路，然后再考慮其它輔助回路。例如: 對于機床液壓系統(tǒng),調速和速度換接回路調速和速度換接回路是主要回路； 對于壓力機液壓系統(tǒng)，調壓回路調壓回路是主要回路； 有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路平衡回路； 慣性負載較大的系統(tǒng)要考慮緩沖制動回路緩沖制動回路。 有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)可能要考慮順序動作順序動作、同步回路同步回路； 有空載運行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路卸荷回路等。 10.1.2.2 10.1.2.2 選擇液壓
7、回路選擇液壓回路 11 將挑選出來的各典型回路合并、整理，增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構成一個結構簡單，工作安全可靠、動作平穩(wěn)、效率高、調整和維護保養(yǎng)方便的液壓系統(tǒng)，形成系統(tǒng)原理圖。 10.1.2.3 10.1.2.3 繪制液壓系統(tǒng)原理圖繪制液壓系統(tǒng)原理圖 12 1010. .1 1. .3 3 液壓元件的計算和選擇液壓元件的計算和選擇 結構參數的確定是指根據執(zhí)行元件工作壓力和最大流量確定執(zhí)行元件的排量或油缸面積。 1010. .1 1. .3 3. .1 1 執(zhí)行元件的結構形式及參數的確定執(zhí)行元件的結構形式及參數的確定 運動 形式 往復直線運動 回轉運動 往復擺動 短行程 長行程 高
8、速 低速 建議采用的執(zhí)行元件的形式 活 塞式 液壓缸 柱塞式液壓缸 液壓馬達與齒輪/齒條或螺母/絲杠機構 高 速液 壓馬達 低速大扭矩液壓馬達 高速液壓馬達帶減速器 擺 動液 壓缸 表10.1 選擇執(zhí)行元件的形式 13 工作壓力是確定執(zhí)行元件結構參數的主要依據。它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本，乃至整個系統(tǒng)的性能，工作壓力選得高，執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結構緊湊，但對元件的強度，剛度及密封要求高，且要采用較高壓力的液壓泵。 反之，如果工作壓力選得低，就會增大執(zhí)行元件及整個系統(tǒng)的尺寸，使結構變得龐大，所以應根據實際情況選取適當的工作壓力。 （1 1）初選執(zhí)行元件的工作壓力初選執(zhí)行元件的工作壓力 14 （
9、2 2）確定執(zhí)行元件的主要結構參數）確定執(zhí)行元件的主要結構參數 以缸為例，主要結構尺寸指缸的內徑D和活塞桿的直徑d，計算后按系列標準值確定D和d。 對有低速運動要求的系統(tǒng)，尚需對液壓缸有效工作面積進行驗算，即應保證： minminvqA （10.8） 驗算結果若不能滿足式（10.8），則說明按所設計的結構尺寸和方案達不到所需要的最低速度，必須修改設計。 式中 ：A液壓缸工作腔的有效工作面積； 控制執(zhí)行元件速度的流量閥最小穩(wěn)定流量； 液壓缸要求達到的最低工作速度。 minqminv15 （3）復算執(zhí)行元件的工作壓力復算執(zhí)行元件的工作壓力 當液壓缸的主要尺寸D、d計算出來以后，要按系列標準圓整，有
10、必要根據圓整值對工作壓力進行一次復算。 在按上述方法確定的工作壓力還沒有計算回油路的背壓，所確定的工作壓力只是執(zhí)行元件為了克服機械總負載所需要的那部分壓力，在結構參數D、d確定之后，取適當的背壓估算值，即可求出執(zhí)行元件工作腔的壓力。 16 對于單桿液壓缸，其工作壓力P可按下列公式復算。 有桿腔進油階段 bpAAAFp212（10.10） 式中 ：F液壓缸在各工作階段的最大機械總負載； 、 分別為缸無桿腔和有桿腔的有效面積； 液壓缸回油路的背壓。 1A2AbpbpAAAFp121（10.9） 無桿腔進油工進階段 17 （4）執(zhí)行元件的工況圖執(zhí)行元件的工況圖 即執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)中的壓力、流量
11、、功率對時間或位移的變化曲線圖。將系統(tǒng)中各執(zhí)行元件的工況圖加以合并，便得到整個系統(tǒng)的工況圖。 液壓系統(tǒng)的工況圖可以顯示整個工作循環(huán)中的系統(tǒng)壓力、流量和功率的最大值及其分布情況，為后續(xù)設計步驟中選擇元件、選擇回路或修正設計提供合理的依據。 對于簡單系統(tǒng)，其工況圖的繪制可省略。 18 先根據設計要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來選擇液壓泵的規(guī)格。 1010. .1 1. .3 3. .2 2 選擇液壓泵選擇液壓泵 （10.11） lpppp式中: 執(zhí)行元件的最高工作壓力； 進油路上總的壓力損失。 plp（1） 液壓泵的最高供油壓力液壓泵的最高供油壓力 19 液壓
12、泵的最大供油量為： （2 2）確定液壓泵的最大供油量確定液壓泵的最大供油量 （10.11） maxqkqp式中: K 系 統(tǒng) 的 泄 漏 修 正 系 數 ， 一 般 取 K=1.11.3； 同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。 maxq20 液壓泵的規(guī)格型號按計算值在產品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應有一定的壓力儲備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%60%。泵的額定流量則宜與相當，不要超過太多，以免造成過大的功率損失。 （3）選擇液壓泵的規(guī)格型號選擇液壓泵的規(guī)格型號 21 驅動泵的電機根據驅動功率和泵的轉速來選擇。 在整個工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時間內皆達到最
13、大工作值時，驅動泵的電動機功率為： （4）選擇驅動液壓泵的電動機選擇驅動液壓泵的電動機 pppqpP（10.13） 式中： 液壓泵的總效率，數值可見產品樣本。 限壓式變量葉片泵的驅動功率，可按泵的實際壓力流量特性曲線拐點處的功率來計算。 工作中泵的壓力和流量變化較大時，可分別計算出各個階段所需的驅動功率，然后求其均方根值即可。 p22 各種閥類元件的規(guī)格型號，按液壓系統(tǒng)原理圖和系統(tǒng)工況提供的情況從產品樣本中選取，各種閥的額定壓力和額定流量，一般應與其工作壓力和最大通過流量相接近。 具體選擇時，應注意溢流閥按液壓泵的最大流量來選?。涣髁块y還需考慮最小穩(wěn)定流量，以滿足低速穩(wěn)定性要求。 10.1.3
14、.3 10.1.3.3 選擇閥類元件選擇閥類元件 23 油管的規(guī)格尺寸大多由所連接的液壓元件接口處尺寸決定，只有對一些重要的管道才驗算其內徑和壁厚。 對于固定式的液壓設備，常將液壓系統(tǒng)的動力源，閥類元件集中安裝在主機外的液壓站上，這樣能使安裝與維修方便，并消除了動力源的振動與油溫變化對主機工作精度的影響。 10.1.3.4 10.1.3.4 選擇液壓輔助元件選擇液壓輔助元件 24 1010. .1 1. .4 4 液壓系統(tǒng)技術性能的驗算液壓系統(tǒng)技術性能的驗算 液壓系統(tǒng)初步設計完成之后，需要對它的主要性能加以驗算，以便評判其設計質量，并改進和完善液壓系統(tǒng)。 1010. .1 1. .4 4. .
15、1 1 系統(tǒng)壓力損失的驗算系統(tǒng)壓力損失的驗算 畫出管路裝配草圖后，即可計算管路的沿程壓力損失，局部壓力損失，它們的計算公式詳見液壓流體力學，管路總的壓力損失為沿程損失與局部損失之和。 在系統(tǒng)的具體管道布置情況沒有明確之前，通常用液流通過閥類元件的局部壓力損失來對管路的壓力損失進行概略地估算。 25 1010. .1 1. .4 4. .2 2 系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算 液壓系統(tǒng)在工作時，有壓力損失，容積損失和機械損失，這些損耗能量的大部分轉化為熱能，使油溫升高從而導致油的粘度下降，油液變質，機器零件變形，影響正常工作。為此，必須將溫升控制在許可范圍內。 單位時間的發(fā)熱量為液壓泵的輸
16、入功率與執(zhí)行元件的輸出功率之差。 26 一般情況下，液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)往往有好幾個階段，其平均發(fā)熱量為各個工作周期發(fā)熱量的時均值，即 inioiiitPPt1)(1（10.14） 式中 第個工作階段系統(tǒng)的輸入功率； 第個工作階段系統(tǒng)的輸出功率； 工作循環(huán)周期； 第個工作階段的持續(xù)時間； 總的工作階段數。 iiPoiPtitn27 液壓系統(tǒng)在工作中產生的熱量，主要經油箱散發(fā)到空氣中去，油箱在單位時間散發(fā)熱量的可按下式計算 （10.15） tAkh式中: A油箱的散熱面積； 液壓系統(tǒng)的溫升； 油箱的散熱系數，其值可查閱液壓設計手冊。 thk系統(tǒng)的溫升為 （10.16） Akth計算溫升值如果超過允
17、許值，應采取適當的冷卻措施。 28 1010. .1 1. .5 5 繪制正式工作圖和編制技術文件繪制正式工作圖和編制技術文件 1010. .1 1. .5 5. .1 1 繪制正式工作圖繪制正式工作圖 正式工作圖包括液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝配圖、液壓缸等非標準元件裝配圖及零件圖。液壓系統(tǒng)原理中應附有液壓元件明細表，表中標明各液壓元件的型號規(guī)格、壓力和流量等參數值，一般還應繪出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖和電磁鐵的動作順序表。 液壓系統(tǒng)裝配圖是液壓系統(tǒng)的安裝施工圖，包括油箱裝配圖，管路安裝圖等。 29 1010. .1 1. .5 5. .2 2 編制技術文件編制技術文件 技術文件一般包括液壓系統(tǒng)
18、設計計算說明書，液壓系統(tǒng)使用及維護技術說明書，零、部件目錄表及標準件、通用件、外購件表等。 30 10.2 液壓系統(tǒng)設計舉例液壓系統(tǒng)設計舉例 某廠要設計制造一臺雙頭車床，加工壓縮機拖車上一根長軸兩端的軸頸。由于零件較長，擬采用零件固定，刀具旋轉和進給的加工方式。其加工動作循環(huán)是快進工進快退停止。同時要求各個車削頭能單獨調整。其最大切削力在導軌中心線方向估計為12000N，所要移動的總重量估計為15000N，工作進給要求能在0.0201.2mmin范圍內進行無級調速，快速進、退速度一致，為 4 mmin，試設計該液壓傳動系統(tǒng)。 31 圖10.1為該機床的外形示意圖。 1-左主軸頭；2-夾具；3-
19、右主軸頭；4-床身；5-工件 32 1010. .2 2. .1 1 確定對液壓系統(tǒng)的工作要求確定對液壓系統(tǒng)的工作要求 根據加工要求，刀具旋轉由機械傳動來實現；主軸頭沿導軌中心線方向的“快進一工進快退停止”工作循環(huán)擬采用液壓傳動方式來實現。故擬選定液壓缸作執(zhí)行機構。 考慮到車削進給系統(tǒng)傳動功率不大，且要求低速穩(wěn)定性好，粗加工時負載有較大變化，故擬選用調速閥、變量泵組成的容積節(jié)流調速方式。 為了自動實現上述工作循環(huán)，并保證零件一定的加工長度（該長度并無過高的精度要求），擬采用行程開關及電磁換向閥實現順序動作。 33 1010. .2 2. .2 2 擬定液壓系統(tǒng)工作原理圖擬定液壓系統(tǒng)工作原理圖
20、系 統(tǒng)同 時 驅 動兩 個 車 削頭 ， 且 動作 相 同 。為 保 證 快速 進 、 退速度相等，并 減 小 液壓 泵 的 流量 規(guī) 格 ，擬 選 用 差動 連 接 回路。 34 由快進轉工進時，采用機動滑閥。工進終了時。壓下電器行程開關返回?？焱说浇K點，壓下電器行程開關，運動停止。 分別調節(jié)兩個調速閥，可使兩車削頭有較高的同步精度。 快進轉工進后，系統(tǒng)壓力升高，遙控順序閥打開，回油經背壓閥回油箱。背壓閥使工進時運動平穩(wěn)。 35 圖10.2雙頭車床液壓系統(tǒng)工作原理圖 36 1010. .2 2. .3 3 計算和選擇液壓元件計算和選擇液壓元件 1010. .2 2. .3 3. .1 1 液
21、壓缸的計算液壓缸的計算 10.3液壓缸受力圖 (1)工作負載及慣性負載計算工作負載及慣性負載計算 37 工作負載： N 油缸所要移動負載總重量： N 選取工進時速度的最大變化量： m/s 選?。?s 12000wF15000G02. 0v2 . 0t)(1532 . 002. 081. 915000NtvgGFa則慣性力為38 缸的密封阻力通常折算為克服密封阻力所需的等效壓力乘以液壓缸的有效面積。若密封結構為Y型，可取 Peq=0.2MPa，缸的有效面積初估值為 A1=80mm,則密封力為： 1600008. 010251ApFeqs（N） 啟動時：啟動時： 800%50008. 010225
22、1ApFeqs（N） 運動時：運動時： (2) 密封阻力的計算密封阻力的計算 39 90 圖10.4導軌結構受力示意圖 NfFGfFGFzzf66402sin)2()2(（3）導軌摩擦阻力的計算導軌摩擦阻力的計算 40 （4）回油背壓造成的阻力計算回油背壓造成的阻力計算 回 油 背 壓 ， 一 般 為 0.3-0.5MPa ， 取 回 油 背 壓 Pb=0.3MPa,考慮兩邊差動比為2,且已知液壓缸進油腔的活塞面積 A1=80 mm,取有桿腔活塞面積A2=40 mm，將上述值代入公式得： 1200004. 010352ApFbb（N） （N） 207931200664080015312000b
23、fsawFFFFFF 分析液壓缸各工作階段中受力情況，得知在工進階段受力最大，作用在活塞上的總載荷： 41 （5）確定液壓缸的結構尺寸和工作壓力確定液壓缸的結構尺寸和工作壓力 根據經驗確定系統(tǒng)工作壓力，選取 P=3MPa，則工作腔的有效工作面積和活塞直徑分別為： 25100693. 0103020793mpFAmAD094.000693.0441因為液壓缸的差動比為2，所以活塞桿直徑為： mDd066. 0094. 07 . 0242 根據液壓技術行業(yè)標準，選取標準直徑 mmmD9009. 0mmmd63063. 0PaDFp522107 .3209. 02079344則液壓缸實際計算工作壓力
24、為: Pap51033實際選取的工作壓力為: 43 由于左右兩個切削頭工作時需做低速進給運動，在確定油缸活塞面積 A1之后，還必須按最低進繪速度驗算油缸尺寸。即應保證油缸有效工作面積 A1為： minmin1vqA qmin流量閥最小穩(wěn)定流量，在此取調速閥最小穩(wěn)定流量為50ml/min； vmin活塞最低進繪速度，本題給定為20mmmin。 式中： 44 根據上面確定的液壓缸直徑，油缸有效工作面積為： 232211036. 609. 044mDA234minmin105 . 210250mvq驗算說明活塞面積能滿足最小穩(wěn)定速度要求。 45 1010. .2 2. .3 3. .2 2 油泵的計
25、算油泵的計算 )(104310101033555Pappplp 對于調速閥進油節(jié)流調速系統(tǒng)，管路的局部壓力損失一般取 ，取總壓力損失 , 則液壓泵的實際計算工作壓力： Pa510)155(Papl51010(1) 確定油泵的實際工作壓力確定油泵的實際工作壓力，選擇油泵選擇油泵 46 取液壓系統(tǒng)的泄露系數 kl= 1.1 ，則液壓泵的流量為： min)/(5 .27251 . 1maxlqkqlp 根據求得的液壓泵的流量和壓力，又要求泵變量, 選取選取YBN-40M型葉片泵型葉片泵。 min)/(254063. 042422max2maxlvdq當液壓缸左右兩個切削頭快進時，所需的最大流量之和為
26、： 47 因該系統(tǒng)選用變量泵，所以應算出空載快速、最大工進時所需的功率，按兩者的最大值選取電機的功率。 最大工進：此時所需的最大流量為： min)/(6 . 7129 . 0442max2maxlvDqww 選取液壓泵的總效率為：=0.8，則工進時所需的液壓泵的最大功率為： )(36. 1108 . 0606 . 710432265maxKWqpPwpw(2) 確定液壓泵電機的功率確定液壓泵電機的功率 48 導軌摩擦力： )(180045sin1 . 02150001 . 02150002sin22NfGfGFf空載條件下的總負載： )(24651800155510NFFFFfsae49 空載
27、快速時液壓泵所需的最大功率為： 選取空載快速條件下的系統(tǒng)壓力損失，則空載快速條件下液壓泵的輸出壓力為： )(109 .12105063. 024654. 45522PapdFpeleep)(74. 0108 . 0605 .27109 .1265KWqpPppe故應按最大工進時所需功率選取電機故應按最大工進時所需功率選取電機。 50 1010. .2 2. .3 3. .3 3 選擇控制元件選擇控制元件 控制元件的規(guī)格應根據系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產品樣本中選取。 方向閥方向閥：按 ， 選選35D25B（滑閥機能滑閥機能O型型）。 Pap51043min/5 .12
28、lq 單向閥單向閥：按 ， 選選I25B。 Pap51033min/25lq 調速閥調速閥：按工進最大流量 ， 工作壓力 選選Q10B。 min/6 . 7 lq Pap5103351 背壓閥背壓閥：調至 ， 流量為 選選B10。 Pap51033min/6 . 7 lq 行程閥行程閥：按 ， 選選22C25B。 Pap5109 .12min/5 .12 lq 調速閥調速閥：按工進最大流量 ， 工作壓力 選選Q10B。 min/6 . 7 lq Pap51033順序閥順序閥：調至大于 ，保證快進時不打開。 選選XB10B。 Pap51033min/6 . 7 lq 52 10.2.3.3 油管及其它輔助裝置的選擇油管及其它輔助裝置的選擇 本系統(tǒng)的功率小，又采用限壓式變量泵，發(fā)熱少，所取油箱容量又較大，故不必進行系統(tǒng)溫升的驗算。 )(1105 .2744lqVpt 確定鋼管通經、外徑、壁厚、連接螺紋及推薦流量。 在液壓泵的出口，按流量27.5lmin，查表取管路通徑為10； 在液壓泵的入口,選擇較粗的管道，選取管徑為12； 其余油管按流量12.51min，查表取8。 對于一般低壓系統(tǒng)，油箱的容量一般取泵流量的35倍，本題取4倍，其有效容積：
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