1、液压系统的设计 液压系统的设计1 液压传动系统设计11 液压传动系统的设计步骤和内容液压系统设计流程图见图41。111 明确技术要求 设计新的液压系统，首先要仔细查明机器对液压系统究竟有哪些要求，要与用户或主机厂共同讨论，力求定量地掌握这些技术要求，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)用途及工作目的。 (2)功能、性能及负载特性 负载种类(恒定负载、变化负载及冲击负载)及大小；运动方式(直线运动、旋转运动、摆动)及运动量(位移、速度、加速度)，惯性力，摩擦力(静摩擦、动摩擦、粘性摩擦)，动作特性、动作时间，精度(定位精度、跟踪精度、同步精度)。 (3)结构
2、机构、与被驱动部分的连接条件、安装上的限制条件等。 (4)驱动方式 原动机的种类(电动机、内燃机等)、容量(功率、转速、转矩)、稳定性。(5)控制方式 操作方式(手动、自动)、信号处理方式(继电器、逻辑电路、可编程控制器、微计算机)。(6)循环时间 系统中各种执行器的动作顺序、动作时间的相互关系。 2使用条件 (1)工作时间。 (2)设置场所(室内、室外)。 (3)设置环境 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(所用元件的结构、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)。 (4)维护条件 维
3、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、法规 4安全性、可靠性 (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。112 系统功能设计根据技术要求确定执行器的种类、数量、动作顺序和动作条件。根据动作条件拟定驱动执行器的基本回路。作为控制执行器的方式，有用双向变量泵的闭式回路和使用控制阀的开式回路。当系统中有多个执行器时，要绘制表示动作顺序的顺序图，拟定实现动作顺序的控制回路。此时如果有同步要求，还耍采用保证必要的同步精度的同步回路。然后再设计液压源回路。此时要考虑节能、维持液
4、压油液的清洁度、液压油液的温度控制、油箱的油量调节和气压调节。综合以上驱动回路、控制回路、液压源回路三个部分，即得到总的基本液压系统。然后再进一步考虑安全性、减小冲击、减小压力脉动、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。 1确定执行器的种类、数量和动作 执行器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，选用不同的执行器配置，见表41。表41 执行器配置的选择运动形态执行器配置直线运动液压缸液压马达+齿轮齿条机构液压马达+螺旋机构旋转运动液压马达摆动摆动马达液压缸+连杆机构液压马达+齿轮机构根据执行器的种类和负载
5、重量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，经过基本计算，确定所需的压力、流量。压力可根据受压面积与机械力求出，流量可用移动体积与移动时间的关系求出。2确定系统压力多数情况下压力可以自由选定。适当提高压力可以降低成本。因此，系统压力有逐渐提高的趋势，但液压系统的压力受到所用元件的限制。提高系统压力，可以使响应速度提高、输出力加大、功率密度提高、管路的压力传播速度提高，并且不容易发生执行器低速爬行现象。但是提高压力也带来一些问题，如元件寿命缩短，易于发生阀的卡死及自激振荡，液压油易变质，内泄漏加大，油温升高，必须采取措施防止漏油。3确定循环时间根据生产设备的预定年产量和全年工作日数求出日产量，再根据机
6、器的能力和每日开机时间求出单位产量所需时间即循环时间。此循环时间要进一步细分出各执行器的顺序动作时间、停歇时间等，要合理地分配循环中各个节拍所需要的时间。为此要把表示各执行器动作顺序的顺序图、表示动作特性的工作图及表示各节拍所需压力流量的压力流量图综合起来，绘制出时间图。如果循环中仅个别节拍需要大流量时，设置作为辅助油源的蓄能器，可以提高系统效率，同时也降低成本。4确定控制方式执行器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器的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行器的方向控制。这种方式中每个执行器需要一个变量泵。重视能源的经济的场合或者负载惯性大、
7、起动停止冲击成问题时可以采用。阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制。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器的场合或者输入信号很复杂而要求快速响应的场合。5设计液压回路由于设计者的思路、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的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。液压回路包括油压发生回路、执行器控制回路、油液处理回路、其他辅助回路等。无论多么复杂的液压系统，都则由实现种种功能的基本回路组成的。经过多年的经验积累，已经形成了许多简便
8、成熟、行之有效的基本回路。用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图，并注明压力控制阀、压力继电器等设定压力和液压泵或蓄能器工作时各段路的流量，以便后面选定元件和确定管子口径。（1）油压发生回路 此回路包括液压泵部分和压力控制部分，要设计成能在必要的时候最有效地供给所需要的压力和流量。液压泵的功率在泵控制方式中根据执行器的最大功率算出，在阀控制方式中根据各执行器所需的最大功率算出，在蓄能器驱动的卖命根据蓄能器的最高工作压力、一循环中消耗的全部液量在充液过程中补充所需的泵流量和卸载时间算出。在实际的工作循环中，有时低速大负载、有时高速小负载、有时卸载，可以求出平均功率并据以确定泵的驱动电机的容量。但
9、是循环中的峰值负载不得超过电动机额定功率的1。5倍。（2）执行器控制回路 执行器控制回路要根据负载特性，适当地控制方向、速度等。泵控制方式中，在双向变量泵回路上加压力控制回路即可组成执行器控制回路。阀控制方式中的执行器控制回路，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路适当组合而成：1）方向控制回路 用方向控制阀来实现执行器动作方向的控制，掌握方向控制阀的通油时间来控制执行器的位移量。调整换向阀的切换时间、设置二速回路、与行程减速阀并用，或者采用比例阀、伺服阀都可以控制执行器起动、停止时的加速减速特性。2）速度控制回路 用流量控制阀来实现执行器速度的控制。根据负载变化情况和流量精度要求选定采用
10、节流阀还是调速阀来控制。考虑对负载方向的适应性，负载变化对精度的影响及回路的效率等因素，决定采用进口节流、出口节流还是旁通节流方式。3）压力控制回路 压力控制回路不仅包括控制执行器输出力（或力矩）的回路，还包括用来吸收执行器起停时的制动力、外负载引起的冲击力的安全回路。作为输出力控制回路，有用溢流冷漠限制最高压力的调压回路，还有用减压阀把某个执行器限制到低于油源压力的压力的减压回路。制动回路、平衡回路、安全回路等中所用的压力控制阀，有直动式、先导式、内控式、外控式等各种结构，性能和特性也有多种不同，实际使用时必须十分注意。（3）液压油处理回路 液压油处理回路包括进行液压油液污染控制的过滤回路和
11、油液温度控制回路。在过滤回路中，要根据所用液压元件和液压油的种类确定过滤器的容量，过滤精度和设置部位。当环境温度较高或液压装置内部发热较多，单靠油箱和管路系统自然散热无法维持与所用元件相适应的温度和精度时，必须设置油冷却器，环境温度过低，液压泵超支困难时，必须考虑设置加热器或其他暖机运行方式。（4）辅助回路 辅助回路包括液压系统维修所需的回路和作为安全措施专门设置的回路。在保养维修方面，要考虑测压口、油液取样口、元件拆卸时防止油液外流的措施、易于组成冲洗回路等，在安全方向，要考虑长期停机时防止自重引起下落的措施，防止误动作的措施，双重安全措施等。113 组成元件的设计液压回路中所用的元件分类四
12、大类，即能量输入元件，例如泵；控制元件，如阀；能量输出元件，如马达；辅件，如管子、油箱、接头等。前三类直接参与回路的能量传递功能，辅件虽不直接参与能量传递，但是保证和改善回路功能所必须的。上述元件的选择顺序是执行器-阀-泵-辅件，但首先要选定液压油液。1 选定液压油油液在液压系统中实现润滑与传递动力的双重功能，必须根据使用环境和目的慎重造反。油液的正确选择保证系统元件的工作与寿命。系统中工作最繁重的元件是泵和马达，针对泵和马达造反的油液也适用于阀。液压油的种类可按图所示的流程选择。油液与密封材料的相容性见下表推荐的油液粘度范围见下表。泵与马达类型推荐粘度范围（mm2/S）40下的粘度运行粘度起
13、动时最高粘度直轴柱塞式32681354220齿轮式、叶片式、斜轴式860低速大扭矩叶片马达110起动时粘度过度会引起泵气蚀和噪声；连续工作在较高粘度下会使空气悬浮在油液中，从而引起泵、马达的提前失效和阀的冲刷磨损；粘度过低会造成系统效率降低和动力润滑破坏。不同粘度等级的油液，其精度为表5的推荐值时对应的温度见表6粘度等级（40以下）(mm2/s)起动时最高粘度(mm2/s)运行粘度(mm2/s)860220110541332-12 6 14 27 62 46-6 12 22 34 71 680 19 29 42 81 2确定液压执行器 在前面的系统功能设计中，已经确定了执行器的种类、数量和动作
14、。现在要确定具体的结构形式，规格及安装方式。 (1)液压缸 单作用液压缸仅在靠自重、外负载或弹簧力等机械方式实现回程时才使用，一般多使用双作用缸。需要以较短的安装长度来实现很长的工作行程时，可考虑使用多级伸缩缸或增设能放大行程的倍增机构(图48)。 缸的行程取决于负载运动距离。行程较长时需要活塞杆较粗，可能还要在缸内装有止动套管，以提高抗纵弯能力。缸筒的结构，一般机械设备多用拉杆式和螺纹式，冶金工业、锻压机械等的重型缸及高压大直径缸用焊接式。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。常用的安装方式见图49。 法兰安装提供高强度的中线支座，但对找正的
15、要求较高。可以用有杆端法兰或无仟端法兰来安装缸，有杆端法兰比较适合于拉力负载；水平安装的长缸可能需要亿自由端设置附加支座以防止下垂(图410)。 中线凸耳沿活塞杆中心线所在平面支承缸体。这种安装使安装螺栓只受单纯的拉伸或剪切，不受复合力。要求精确找正，但精确找正后是很牢固的。耳轴安装使缸可以驱动曲线运动的负载。耳轴通常布置在活塞杆中心线所在平面内，并且只承受剪切载荷。由于它是-种铰接安装所以有助于补偿不对正度。耳环安装的整体式耳环是缸底盖的一部分。由于支点在缸体以外，所以这种安装的杠杆臂较长。 加长拉杆安装象法兰安装一样也提供中线支座，但刚度较低。脚架安装由于脚架低于活塞杆的中心线而使缸承受倾
16、翻力矩。应力值高于中线凸耳安装而刚度较低。脚架安装式能允许稍大的不对正度。往往用键或销来承受剪切载荷以便安装螺栓仅受拉力。缸内径根据所需缸力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F1=A1p= D2p/4F2=A2p= (D2-d2)p/4式中 A1为无杆腔活塞受压面积 A2为有杆腔活塞受压面积 D为缸内径 d为活塞杆外径 F1为推力 F2为拉力 p为工作压力 考虑滑动部分的阻力、管路及元件的压力损失的系数。惯性力小时取为0.60.8，惯性力大时取为0.250.35。根据上式算出受压面积后，再从受压面积表中选出合适的缸内径。 缸速的确定涉及循环时间和缸
17、的行程。一般推荐的速度范围是15300ms。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。 有些缸带有内装式缓冲装置，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200mms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。 油口直径要根据缸速及活塞面积加以确认，油口流速不应超过7ms，以免压力损失过大影响缸的出力。 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
18、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。当纵弯强度不够面生产较大的挠度时，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、密封件导常磨损等问题。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。 密封材料的选择，要考虑材料与油液的相容性、适用温度范围及速度范围。相容性参见表44。适用温度及速度范围见表48。表48 密封材料的适用范围 密封材料温度范围（）速度范围（mm/s）丁腈橡胶-10+858500聚氨酯橡胶-10+858500氟橡胶01008300高温用丁腈橡胶-10+1208500(2)液压马达 选定液压马达时要考虑的因素有工作压力、转
19、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。液压马达种类很多，特性显著不同，应针对具体用途选择最合适的马达。典型液压马达的特性对比见表49。低速场合可以用低速马达，也可以用带减速装置的高速马达。二者在结构布置、占用空间、成本、效率等方面各有优点，必须仔细论证。 确定了所用液压马达的种类之后，可根据所需要的转速和扭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。如果原始成本最重要，则应选择流量最小的，这样泵、阀、管路等都最小，如果运行成
20、本最重要，则应选择总效率最高的：如果工作寿命最重要，则应选择压降最小的，也许最佳选择是上述方案的折衷。 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0.20.5MPa)和至少35mm2/s的油液粘度。表4-9 典型液压马达的比较高速马达低速马达齿轮式叶片式柱塞式径向柱塞式额定压力（MPa）211753521排量(mL/r)43002530010100012538000转速(r/min)300500040030001050001500总效率（%）75907590
21、85958092堵转效率（%）5085708580907585堵转泄漏大大小小污染敏感度大小小小变量能力不能困难可可轴承寿命与转速、载荷有关式中 Lnew轴承实际寿命（h） Lref额定工况下的轴承B10寿命(h) nnew实际转速(r/min) nref额定转速(r/min) Pnew实际轴上载荷(N) Pref额定轴上载荷(N)根据这些关系，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%由轴承寿命加长40%。需要马达带载起动时，要核对堵转扭矩。用液压马达制动时，例如起重机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关系如下：Mbr
22、制动扭矩Mmot-马达的有效扭矩km液压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。为了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。 3确定液压控制阀 选定液压控制阀时，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、维修性等也须考虑。阀的容量要参考制造
23、厂样本卜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。p=pr(Q/Q2)2式中 p流量为Q时的压力损失； pr一额定流量Q，时的压力损失。 另外，如果粘度变化时，要乘以表4lo中给出的系数。 表410 粘度修正系数运动粘度(mm2/s)14324354657687系数0.931.111.191.261.321.371.41 阀的连接方式如果用板式连接，则更换阀时不用拆卸油管。另外，板式连接的阀可以装在油路块或集成块上，使液压装置的整体设计合理化。控制回路有时要用很多控制阀，可考虑采用插装式、叠加式等集成式控制阀，集成化有配
24、管少、漏油少、结构紧凑的优点。 螺纹插装阀、叠加阀和盖板插装阀统称为集成式阀。各种集成式阀的适用范围见图413。 (1)换向阀 换向阀使用时的压力、流量不要超过制造厂样本上的额定压力、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，要特别汴意。另外还要注意的是，四通阀堵住A口或B口只用一侧流动时，额定流量显著减小。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、管路阻力等。
25、电磁阀及电液换向阀中的电磁铁，有直流式、交流式、自整流式、而结构上有干式和湿式之分。各种电磁铁的吸力特性、励磁电流、最高切换频率、机械强度、冲击电压、吸合冲击、切换时间等特性不同，必须选用合适的电磁铁。特殊的电磁铁有安全防爆式、耐压防爆式。而高湿度环境使用时要进行热带处理，高温环境使用时要注意绝缘性。 换向阀的中位滑阀机能关系到执行器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。 换向阀的阀芯形状，影响阀芯开口面积随阀心位移的变化规律、阀的切换时间及过渡位置时执行器的动作情况，必须认真选择。 换向阀的切换时间，受
26、电磁阀中电磁铁的类型和阀的结构、电液换向阀中控制压力和控制流量的影响。用节流阀控制流量，可以调整电液换向阀的切换时间。 有些回路里，如在行走设备的液压系统中，用换向阀切换流动并调节流量。选用这类换向阀时要注意其节流特性，即不同的阀心位移下流量与压降的关系。 (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阻力可使用开启压力低的单向阀。但是阀归座迟钝引起逆流时或用于保待电液换向阀的控制压力或马达背压时，应选用开启压力高的单向阀。过滤器旁通用的单向阀，其开启压力由滤芯堵塞压力确定。 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，
27、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。卸掉控制压力时，如果阀芯归座迟钝，则需要研究液控单向阀的背压和开启压力。外泄式液控单向阀的泄油口必须无压回油，否则会抵消一部分控制压力。 (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。 选定流量控制阀时，首先要考虑负载类型。如果系统要移动的是阻力负载，宜采用进口节流控制回路。出口节流回路宜用于超越负载。有些情况下应采用旁通节流控制，虽然仅用流量控制处理一部分流量，却能收到节能的效果。 负载压力循环影响阀的选择，负载流量循环则决定系统中哪里和什
28、么时候需要流量控制阀。例如机床工作台的“工进”阶段需要用调速阀保持稳定流量,快进转。工进之前可以用行程节流阀减速。环境温度变化较大时可能要用带温度补偿的调速阀。 应用场合所需的流量调节精度，应由所选的调速阀在整个调节范围内加以保证。注意，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，这是因为齐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，可选用手调补偿器初始开度的调速阀或带外控关闭功能的调
29、速阀。 (4)溢流阀 溢流阀有直动式和先导式。一般来说直动式响应较快，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娄因素。如果启闭特性太差，则负载压力低于设定压力时溢流阀开始溢流，随着压力升高溢流量加大，执行器速度减慢，达到设定压力时执行器停止。因此，执行器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002阀既响应快又稳定。直动式响应很快，；冲击压力较低；但是稳定性比先导式稍差。 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。先导式溢流阀最低压力为0.51MPa
30、(6)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器工作压力的关系。 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0.31MPa。 通过阀的流量远小于额定流量时，容易产生振动或其他不稳定现象。此时要在回路上采取措施。 (6)顺序阀顺序阀根举装配结构的不同，可以实现不同的回路功能，如溢流阀、顺序阀和平衡阀的功能。 顺序阀的启闭特性如果太差，则流量较大时一次压力过高，回路效率降低。 启闭特性带有滞环，开启压力低于闭合压力，负载流量变化时应予注意， 开启压力过低的阀，在压力低于设定压力时发生前漏，引起执行器误动作。 通过阀的流量远小于额定流量时，产生振动或其他不稳定现象。此时要在回路上采取措施； (7)卸荷溢流阀 卸荷溢流阀主要用于装有蓄能器的液压回路中，当蓄能器充液压力达到阀的设定压力时自动地使液压泵卸荷。阀中有内装单向阀防止蓄能器中的有压油液倒流。此时由蓄能器维持对系统供油而泵卸荷，从而收到节能效果。当蓄能器中油液压力降至阀设定压力的85
