1、液压传动技术课程设计指导书液压传动技术课程设计指导书 液压系统的设计是整机设计的重要组成部分,主要任务是综合运用前面各章的基础知识,学习液压系统的设计步骤、内容和方法。通过学习，能根据工作要求确定液压系统的主要参数、系统原理图，能进行必要的设计计算，合理地选择和确定液压元件，对所设计的液压系统性能进行校验算，为进一步进行液压系统结构设计打下基础。液压系统的设计步骤和内容大致如下：(1)明确设计要求，进行工况分析；(2)确定液压系统的主要性能参数；(3)拟订液压系统原理图；(4)计算和选择液压元件；(5)验算液压系统的性能；(6)液压缸设计；（7）绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设
2、计任务书。以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插、交叉进行的。对某些复杂的问题，需要进行多次反复才能最后确定。在设计某些较简单的液压系统时，有些步骤可合并和简化处理。1 明确设计要求，进行工况分析1.1 明确设计要求对液压系统的设计要求是设计液压系统的依据，设计前必须将它搞清楚。明确设计要求往往从以下几个方面考虑：1.1.1主机的概况了解 一般液压系统是为主机配套的，因此明确设计要求一般应从了解主机开始。了解主机概况一般从以下几方面着手：1）主机的用途、总体布局、主要结构，主机对液压装置的位置和空间尺寸的限制。2）主机的工艺流程或工作循环、技术参数与性能要求。3）作业环境与条件等。1.1.2明确
3、主机对液压系统提出的任务和要求1） 主机要求液压系统完成的动作和功能，执行元件的运动方式（转动、移动或摆动）、动作循环及其工作范围。2） 外界负载大小、性质及变化范围，执行元件运动速度大小及变化范围。3） 各液压执行元件的动作顺序、转换及互锁要求。4） 对液压系统的工作性能方面的要求，如运动平稳性、定位和转换精度、停留时间、自动化程度、工作效率、噪声等方面的要求，对于高精度、高生产率的自动化主机，不仅会对液压系统提出静态性能指标，往往还会提出动态性能指标。1.1.3明确其它要求1） 明确液压系统的工作条件和环境条件，如环境的温度、湿度、污染和振动冲击情况。有无腐蚀性和易燃性物质存在，这牵涉到液
4、压元件和工作介质的选用，也牵涉到所需采用的防护措施等。 2）对液压系统的重量、外形尺寸、经济性等方面的要求。1.2工况分析 工况分析就是要分析执行元件在整个工作过程中速度和负载的变化规律，求出工作循环中各动作阶段的速度和负载的大小，画出速度图和负载图（简单系统可不画）。从这两张图中可以方便地看出系统对液压执行元件作用的负载和速度的要求及它们的变化范围，还可方便地确定最大负载值、最大速度值，以及它们所在的工作阶段，这是确定液压系统方案、确定液压系统性能参数和执行元件结构参数的主要依据。1.2.1速度分析 速度图 速度分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求的速度进行分析，速度图即是用图形将
5、这种分析结果表示出来的图形。速度图一般用速度时间（vt）或速度位移（vl）曲线表示。图1（a）为一机床进给油缸的动作循环图例，及图1（b）是其相应的速度图例。 1.2.2负载分析与负载图 负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析，负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载时间（Ft）或负载位移（Fl）曲线表示。1）液压缸的负载分析液压缸在做直线往复运动时，要克服以下负载：工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载，后两种属于内负载。在不同的动作阶段，负载的类型和大小是不同的。下面分别予以讨论。（1） 启
6、动阶段启动阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态，其负载F由以下2项组成 式中 Ffs静摩擦力； Fn作用在摩擦面（如导轨面或支承面）上的正压力； fs摩擦面的静摩擦系数，其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关（见表1）； FG垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量，工作部件向上运动时为正负载，向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时，则FG=0。 (2) 加速阶段 加速阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速（一般为非工作阶段的快速运动）阶段，这时的负载F由下式计算 式中 Ffd动摩擦力; fd动摩擦系数(见表1)； Fm惯性阻
7、力,这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加速（或制动减速）过程中得到惯性阻力, 其值可按牛顿第二定律求出，加速时阻力为正，制动减速时为负； v速度的改变量，即恒速值； t启动或制动时间，机床一般取t =0.010.5s，轻载低速运动部件取小值，重载高速运动部件取大值。行走机械可取v / t =0.51.5m/s2； G运动部件的重量； g重力加速度。表1 导轨摩擦系数导轨种类导轨材料工作状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁启动0.160.2低速运动（v10m/min）0.050.08自润滑尼龙低速中载(也可润滑)0.12金属兼复合材料0.0420.15滚动导轨铸铁导轨+滚珠(柱)00050
8、.02淬火钢导轨+滚珠(柱)0.0030.006静压导轨铸铁0.005气浮导轨铸铁、钢或大理石0.001（3） 恒速阶段 该阶段负载由下式决定 式中 FL工作负载，如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值，相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0.（4） 制动阶段 该阶段负载由下式决定 因制动时是减速，因此惯性力Fm为负值。 上述四个动作阶段，在液压缸的反向运动中，也都存在，只是在快退过程中不存在工作行程，因此整个快退恒速阶段取FL =0。 以上计算均是计算液压缸的外负载，要计算液压缸的总负载力，还应计算液压缸的内负载力，即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零件在相对运
9、动中产生的密封摩擦力, 其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关，具体计算比较繁琐，一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率（m）中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力，它是由回油管路上的液压阻力决定的。在系统方案与结构尚未确定前，它是无法计算的。在液压缸尺寸已知的情况下，可根据表2所示的经验数据进行估算。一般可先忽略不计，待系统回路和液压执行元件结构尺寸确定时再将其计算进去。 根据上述各阶段得到负载及其所经历的移动行程（或时间），便可归纳绘出液压缸的负载图（F-l图或F-t图），如图2所示为一机床进给系统的负载图例。图中的最大负载值将是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构参数时
10、的依据。表2 液压系统中背压力的经验数据系统类型背压/MPa中、低压系统（08MPa）简单系统和一般轻载的节流调速系统0.2 0.5回油路带调速阀的节流调速系统0.5 0.8回油路带背压阀0.5 1.5采用带补油泵的闭式回路0.81.5中、高压系统（816MPa）同上比中、低压系统高（50100）%图2 液压缸负载图高压系统（1632MPa） 如锻压机械系统初算时背压可忽略不计 1.2.3液压马达的负载分析当系统以液压马达作为执行元件时，应计算各阶段折算到液压马达轴上的总负载转矩T。这负载转矩应包含三项之和：TL工作负载折算到马达轴上的等效转矩，Tf执行机构上的摩擦力（力矩）折算到马达轴上的等
11、效转矩，Tm执行机构、传动机构、液压马达轴等在启动和制动时折算到马达轴上的等效惯性力矩。即 将式（1）（4）中的力的计算换成相应的力矩的计算式，即可得到液压马达在各个动作阶段的负载力矩计算式，并可画出相应的负载转矩图。 2液压系统主要性能参数的确定这里，液压系统的主要性能参数是指液压执行元件的工作压力p和最大流量，它们均与执行元件的结构参数（即液压缸的有效工作面积或液压马达的排量）有关。液压执行元件的工作压力和最大流量是计算与选择液压元件、原动机（电机），进行液压系统设计的主要依据。2.1液压执行元件工作压力的确定 液压执行元件的工作压力是指液压执行元件的输入压力。在确定液压执行元件的结构尺寸
12、时，一般要先选择好液压执行元件的工作压力。工作压力选得低，执行元件的尺寸则大，整个液压系统所需的流量和结构尺寸也会变大，但液压元件的制造精度、密封要求与维护要求将会降低。压力选得愈高，结果则相反。因此执行元件的工作压力的选取将直接关系到液压系统的结构大小、成本高低和使用可靠性等多方面的因素。一般可根据最大负载参考表3选取，也可根据设备的类型参考表4选取。 随着目前材质生产水平和液压技术水平的提高，液压系统的工作压力有向高压化发展的趋势，这也是符合经济发展规律的。表3 不同负载条件下的工作压力负载 F/ N50000液压缸工作压力 / MPa0.811.522.53344557表4 常用液压设备
13、工作压力设备类型机床农业机械小型工程机械液压机挖掘机重型机械启重机械磨床车、铣、刨床组合机床 拉床龙门刨床工作压力 / MPa08224351010152032 2.2液压执行元件主要结构参数的确定 要确定液压执行元件的最大流量，必须先确定执行元件的结构参数。这里主要指液压缸的有效工作面积A1、A2及活塞直径D、活塞杆直径d。液压执行元件的结构参数首先应满足所要克服的最大负载和速度的要求。例如图3所示一单杆活塞缸，其无杆腔和有杆腔的有效作用面积分别为A1和A2，当最大负载为F max时的进、回油腔压力分别为p1和 p2，这时活塞上的力平衡方程应为 这样就有式中，A2/A1一般由快速进、退速度比
14、与回路结构有关。例如当快进时是液压缸的无杆腔进油、有杆腔回油，而快退时是有杆腔进油、无杆腔回油，快进、快退时的流量Q均相同（一般为泵的最大供油流量），这时快速进、退的速度比v1 / v2为 即这时的液压缸两腔的面积比由快速进、退的速度比v确定 。当快进时采用差动连接液压回路，快退时采用有杆腔进油、无杆腔回油，并且要求快速进、退速度相等时，则应A2 /A1=1/2。 表5 按活塞杆受力情况选取活塞杆直径活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受 拉-d=(0.30.5)D受压及拉P5d=(0.50.55)D受压及拉57d=0.7D在D、d圆整后，应由式A1=D2/4和A2=(D2-d2)/4
15、重新求出A1和A2。则此时液压缸两腔的有效工作面积A1、A2已初步确定。液压缸两腔的有效工作面积除了要满足最大负载和速度要求外，还需满足系统中流量控制阀最小稳定流量Qvmin的要求，以满足系统的最低速度vmin要求。因此还需对液压缸的有效工作面积A1（或A2）进行验算。即 式中Qvmin可由阀的产品样本中查得。若经验算D、d不满足式（9-11），则需重新修改计算D、d、A1、A2 ，直至满足式（11）为止，才算最后确定液压缸的有效工作面积。 2.3液压马达的排量计算与选择 当执行元件是液压马达时，它要克服的负载是转矩，它的主要结构参数是排量。液压马达的排量qM也是根据最大负载转矩Tmax来确定
16、的，即 式中 p液压马达的工作压力，即进油压力； p0液压马达的回油腔压力，即背压，可参表9-2选取，有的马达对背压有特殊要求，可按要求定； Mm液压马达的机械效率。 对于采用流量阀的节流调速系统，必要时也需按最低转速nmin验算排量，即排量qM应满足下式； 2.4液压执行元件的主要性能参数的确定与工况图这里主要是根据主机的工作循环，结合不同阶段的工作回路，算出不同阶段中液压执行元件的实际工作压力、流量和功率，然后将它们整理成液压执行元件的工况图。液压执行元件的工况图主要包括压力循环p-t图(或p-l图)、流量循环Q-t图（或Q-l图）与功率循环N-t图（或N-l图）。如图4所示。当系统为多液
17、压执行元件时，其工况图应是各个执行元件工况图的综合。液压执行元件的工况图对进一步设计和修改系统是非常重要的，它的作用主要有以下两个方面 2.4.1 工况图中的最大压力和最大流量将直接影响液压泵和液压控制阀等液压元件的最大压力和流量，因此它是选择电动机、液压元件（包括液压泵、液压控制元件和辅助元件）的原始依据。 2.4.2工况图中不同阶段的压力和流量变化情况是液压回路选择的依据。例如工况图中反映整个工作循环中流量、压力变化较大，而且高压小流量的时间占得比例较大，这样在较大功率时采用单定量泵供油就不太合适，可以考虑一大一小的双联泵供油或限压式变量泵供油等方案。当然工况图所确定的液压系统的主要参数量
18、也反映了原来考虑的回路和参数设计的合理性，它是进一步修改系统和系统参数的依据。3拟订液压系统原理图 拟订液压系统原理图是液压系统设计工作中关键的一步。它将影响到系统的性能与设计方案的经济性、合理性。一般方法是先根据主机工作部件的运动要求，确定液压执行元件的类型，然后是根据动作和性能要求，选择并拟订液压基本回路，最后将各个基本回路组合成一个完整的液压系统。3.1确定液压执行元件的类型在拟订液压系统原理图时，首先要根据主机运动部件的运动要求来确定液压执行元件的类型。一般来说，对于直线往复运动，可选用液压缸；对于连续回转运动，可选用液压马达，对于摆动运动，可采用摆动液压缸。但在选择液压执行元件类型时
19、，除了对运动形式要求外，还应注意其运动范围和性能要求，注意运动形式还可通过适当的机械机构进行转换。例如长行程的往复运动，采用一般的活塞式液压缸就不合适了，可以采用柱塞式液压缸，也可采用液压马达通过齿轮齿条机构、链轮链条机构或螺母螺杆机构驱动实现，对于有限角度的连续回转运动，可采用液压缸通过齿条齿轮机构或棘爪棘轮机构，配合超越离合器等动作来驱动实现。具体采用何种类型的执行元件，配何种机械机构实现主机所要求的运动要全面考虑主机的安装条件、制造条件和经济性等因素。3.2选择液压基本回路在确定了液压执行元件后，要根据设备的工作特点及设计要求选择基本回路。首先要选择对主机性能起决定性影响的主要回路。例如
20、机床液压系统，调速回路是系统的核心；压力机液压系统，调压回路是主要回路等。然后再考虑其它功能回路。如快速运动回路与速度换接回路、压力控制回路、换向回路、多缸动作回路等。在选择各基本回路时，要仔细研究系统的设计要求，进行考虑。例如系统有垂直运动部件时，要考虑平衡回路；有多个执行元件时，要根据系统要求，考虑采用相应的顺序动作、同步，互不干扰回路等。同时也要考虑节能、减少发热、减少冲击、保证动作的换接方式和精度等问题。选择回路时可能有多种方案，这时需要反复对比。还应多参考或吸收同类设备液压系统中回路选择的成熟经验。3.3液压系统的综合在选定了各种满足系统要求的液压基本回路后，就可进行液压系统合成工作
21、。也就是将各基本回路放在一起，进行归并、整理。必要时再增加一些液压元件和辅助油路，使之成为完整的液压系统。在进行这项工作时必须注意以下几点：1最后综合出来的液压系统应保证其工作循环中的每个动作都安全可靠，无互相干扰；2尽可能省去不必要的元件，以简化系统结构；3尽可能提高系统效率，防止系统过热；4尽可能是系统经济、合理，便于维修检测；5尽可能采用标准元件，减少自行设计的专用元件。4计算和选择液压元件液压元件的计算是计算该元件在整个工作循环中所承受的最高压力和通过的流量，以便选择和确定元件的型号与规格，以便对系统进行进一步的性能验算和结构设计。4.1液压泵和电机型号与规格的选择4.1.1液压泵的计
22、算和选择1）确定液压泵的最大工作压力液压泵的最大工作压力pp可按下式计算 式中 p1max执行元件进油腔的最大工作压力，可从工况图中找到； p1与执行元件最大工作压力同一工况下进油路上的总压力损失，它包括沿程压力损失和局部压力损失。在此只能先按经验资料估计：一般节流调速和管路较简单的系统取p1=0.20.5MPa,进油路上有调速阀或管路复杂的系统取p1=0.51.5MPa。2）液压泵供油流量Qp的计算液压泵供油流量Qp必须大于或等于同时工作的执行元件流量之和的最大值（Qi）max与回路泄漏量之和，可用下式表示： 式中 Qi工作循环中某一执行元件在第i个动作阶段所需的流量； K回路的泄漏折算系数
23、，K=1.11.3。对于节流调速系统，若最大流量点处于调速状态，则在泵的供油量中还要增加溢流阀稳压时的最小溢流量3L/min。对于蓄能器作辅助能源供油的系统，泵的流量按一个工作循环中液压执行元件的平均流量估计。3）选择液压泵的规格在参照产品样本选取液压液压泵的规格时，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力高20%60%，以便留有一定的压力储备；额定流量则只须满足上述最大流量即可。4.1.2确定液压泵驱动电机选择电动机的主要依据是电动机功率，但要注意电动机的转速应与所选液压泵规定转速范围和所需流量相适应。在确定电动机功率时，应考虑实际工况的差异。当整个工作循环中，泵的功率变化较小，或者功率变化虽然
24、较大，但大功率持续时间较长，可根据泵的最大功率点来选择电动机。电动机的功率Np可按下式计算： 式中，（ppQp）max为液压泵输出压力与输出流量乘积的最大值，即液压泵的最大输出功率。其中的pp与Qp可以利用液压执行元件的工况图查处最大功率点，然后根据该点所对应的执行元件的工作压力p1和流量Q1，利用式（14）和式（15）计算求得。式（16）中的p为液压泵的总效率，初算时可按表6选取。泵的规格大时取大值，反之取小值。变量泵取小值，定量泵取大值。当泵的工作压力只有其额定压力的10%15%时，泵的总效率显著下降，有时只达50%，变量泵流量为其公称流量的1/4或1/3以下时，其容积效率明显下降，计算时
25、应予以注意。表6 液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵叶片泵柱塞泵螺杆泵总效率0.60.70.60.750.80.850.650.8当整个工作循环中泵的功率变化较大，并且最大功率持续时间很短，如按式（16）计算结果选电动机，功率将较大，不经济。此时可利用一般电动机允许短时间具有25%的超载能力，先按下式计算出整个工作循环中各阶段所需的功率： 式中 Npi整个工作循环中，第i阶段液压泵所需功率； ppi第i阶段液压泵的工作压力； Qpi第i阶段液压泵的输出流量。式中 ti整个工作循环中，第i阶段持续的时间； n整个工作循环阶段数； T整个工作循环周期（时间）。 在确定了电动机的功率和转速后，还应考虑电
26、动机的性能及安装连接形式，才能完全确定电动机的型号与规格。4.2液压阀的选择 液压阀的规格主要是根据系统的最高工作压力和通过该阀的最大实际流量从产品样本中选取的。一般要求所选阀的额定压力要大于系统的最高工作压力，选阀的额定流量要大于通过该阀的最大实际流量。如果通过阀的流量超过所选阀的额定流量的20%，将会引起过大的压力损失、发热、噪声及阀的性能下降。具体的讲，选择压力阀时应考虑调压范围、流量变化范围及此范围内的压力平稳性等；选择流量阀时主要应考虑流量调节范围、最小稳定流量、阀的最高工作压力、阀的最小压差、阀对压差和温度变化的补偿作用、工作介质的清洁度要求等；在选择方向控制阀时，除了考虑压力、流
27、量外，还应考虑其中位机能、换向频率、阀口的压力损失和内泄漏大小等。此外，在选择阀时还应注意结构形式、压力等级、连接方式、集成方式及操纵方式等。4.3液压辅件的选择4.3.1确定液压管道尺寸液压管道的尺寸的确定，可参阅第六章。在实际设计中，管道尺寸、管接头尺寸常选得与液压阀等液压元件的接口尺寸相一致，这样可使管接头和管道的选择简单。4.3.2确定油箱的有效容量为了使油液有足够的容积进行热交换，油箱要有足够的有效容量（油面高度为油箱高度80%的容量），油箱的有效容量应根据液压系统的发热、散热平衡的原则来计算，但一般油箱的有效容量V可按下面推荐数值估取：低压系统（p2.5MPa），V=（24）Qp；
28、中压系统（p6.3MPa），V=（57）Qp；中高压系统（p2.5MPa），V=（6-12）Qp。式中的Qp为液压泵每分钟输出的油液体积值。中压以上系统（如工程、建筑机械等液压系统）都带有散热装置，其油箱容量可适当减少。按以上式子确定油箱容积，在一般情况下都能保证正常工作。但在功率较大而又连续工作的工况下，需经发热量验算后确定。4.3.3滤油器、蓄能器等的选用滤油器、蓄能器等可按第六章有关原则选用。5 液压系统的性能验算 液压系统设计初步完成后，应对系统得到技术性能指标进行一些必要的验算，以便初步判断设计的质量。或从几个方案中评选出最好的设计方案来。然而由于影响系统性能的因素较多且较复杂，加上
29、具体得到液压装置尚未设计出来，所以现在的验算工作只能是采用一些简化公式近似估算。如果有经过生产实践考验的同类型系统，这项工作可省略。 液压系统性能验算的项目很多，常见的有系统的压力损失验算和发热温升验算。5.1液压系统的压力损失验算在前面确定液压泵的最高工作压力、执行元件的参数确定时均提及过压力损失，当时由于系统没有完全设计完毕，元件、管道等设置也没有确定，因此只能作粗略的估算。现在元件、管道、安装形式均已基本确定，所以需要验算一下系统各部分的压力损失，看其是否在前述假设的范围内，借此可较准确的确定泵和系统各处的工作压力，以较准确的调节变量泵、溢流阀和各种压力阀。保证系统的正常工作，并达到所要求的工作性能。如果计算结果与原假设得到压力损失相差过大，以使系统无法正确调整，保证系统正常工作，则应对原设计进行修正。当系统执行元件为液压缸时，由式（6）和式（14）可得液压泵的最大工作压力pp应满足 式中，p1、p2分别为液压缸进、回油管路的总压力损失。同理，系统执行元件为液压马达时，液压泵的最大工作压力pp应满足 式中，T为液压马达轴上的总外负载转矩，Mm为液压马达的机械效率，qM为液压马达的排量，p1、p2分别为液压马达进、回油管路的总压力损失。
