液壓與氣壓傳動(第5版)

液壓傳動系統(tǒng)的設計是整機設計的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設計主要還是經(jīng)驗法，即使使用計算機輔助設計，也是在專家的經(jīng)驗指導下進行的。因而就其設計步驟而言，往往隨設計的實際情況，設計者的經(jīng)驗不同而各有差異，但是，從總體上看，其基本內容是一致的，具體為：

1)明確設計要求、進行工況分析

2)擬定液壓系統(tǒng)原理圖

3)計算和選擇液壓元件

4)驗算液壓系統(tǒng)的性能

5)繪制工作圖，編制技術文件第九章液壓系統(tǒng)的設計與計算

一.明確設計要求第一節(jié)明確設計要求、進行工況分析

設計要求是做任何設計的依據(jù)。液壓傳動系統(tǒng)的設計通常要考慮以下幾方面的問題：

（一）了解主機的基本情況

液壓傳動系統(tǒng)設計通常是主機設計的一部分，設計要求主要是由主機根據(jù)工藝過程提出的。因此要了解下列基本情況：

主機的工藝流程、作業(yè)環(huán)境和主要技術參數(shù)；

主機的總體布局和對液壓系統(tǒng)在空間尺寸上的限制。

（二）明確液壓系統(tǒng)的任務與要求

液壓系統(tǒng)應該完成的運動方式（移動、轉動或擺動）；

液壓執(zhí)行元件承受負載的大小和性質、運動速度的大小和變化范圍；

液壓執(zhí)行元件的動作順序和聯(lián)鎖關系，各動作的同步要求；

液壓系統(tǒng)的自動化程度、運動平穩(wěn)性、定位精度、工作效率、安全性和可維護性等；

液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境（如環(huán)境的溫度、濕度、塵埃和外界振動等）；

液壓系統(tǒng)的成本核算。

這里所指的工況分析主要指對液壓執(zhí)行元件的工作情況的分析，分析的目的式了解再工作過程中執(zhí)行元件的速度、負載變化的規(guī)律，并將此規(guī)律用曲線表示出來，作為擬定液壓系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)主要參數(shù)（壓力和流量）的依據(jù)。若液壓執(zhí)行元件動作比較簡單，也可不作圖，只需找出最大負載和最大速度即可。1.運動分析

按設備的工藝要求，把所研究的執(zhí)行元件在完成一個工作循環(huán)時的運動規(guī)律用圖表示出來，這個圖稱為速度圖?，F(xiàn)以右圖所示的液壓缸驅動的組合機床滑臺為例說明，圖a是機床的動作循環(huán)圖，由圖可見，工作循環(huán)為快進→工進→快退；圖b是完成一個工作循環(huán)的速度——位移曲線，即速度圖。二.工況分析2.負載分析

前圖c所示是該組合機床的負載圖，這個圖是按設備的工藝要求，把執(zhí)行元件在各階段的負載用曲線表示出來，由此圖可直觀地看出在運動過程中何時受力最大，何時最小等各種情況，以此作為以后的設計依據(jù)?，F(xiàn)具體分析液壓缸所承受的負載，液壓缸驅動執(zhí)行機構進行直線往復運動時，所受到的外負載為

（1）工作負載FL

工作負載與設備的工作情況有關，在機床上，與運動的方向同軸的切削力的分量是工作負載，而對于提升機、千斤頂?shù)葋碚f所移動的物體的重量就是工作負載，工作負載可以是定量，也可以是變量，可以是正值，也可是負值，有時還可以是交變的。

（2）摩擦阻力負載Ff

摩擦阻力是指運動部件與支承面間的摩擦力，它與支承面的形狀、放置情況、潤滑條件以及運動狀態(tài)有關

式中，F(xiàn)N為運動部件及外負載對支承面的正壓力；f為摩擦系數(shù)，分為靜摩擦系數(shù)（fs≤0.2~0.3）和動摩擦系數(shù)（fd≤0.05~0.1）。（3）慣性負載Fa

慣性負載式運動部件的速度變化時，由其慣性而產(chǎn)生的負載，可用牛頓第二定律計算

式中，m為運動部件的質量（kg）；a為運動部件的加速度（）；G為運動部件的重力（N）；g為重力加速度（）；△v為速度的變化量（m/s）；△t為速度變化所需的時間（s）。除此以外，液壓缸的受力還有密封阻力（一般用效率η＝0.85~0.95來表示），背壓力（可在最后計算時確定）等。若執(zhí)行機構為液壓馬達，其負載力矩計算方法與液壓缸相類似。3.執(zhí)行元件的參數(shù)確定

（1）選定工作壓力當負載確定后，工作壓力就決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和合理性。若工作壓力低，則執(zhí)行元件的尺寸就大，重量也大，完成給定速度所需的流量也大；若壓力過高，則密封要求就高，元件的制造精度也就更高，容積效率也就會降低。所以應根據(jù)實際情況選取適當?shù)墓ぷ鲏毫?。?zhí)行元件工作壓力可以根據(jù)總負載值或主機設備類型選取，見表9－1和表9－2。

（2）確定執(zhí)行元件的幾何參數(shù)對于液壓缸來說，它的幾何參數(shù)就是有效工作面積A，對液壓馬達來說就是排量V。液壓缸有效工作面積可由下式求得

式中，F(xiàn)為液壓缸上的外負載（N）；ηcm為液壓缸的機械效率；p為液壓缸的工作壓力（Pa）；A即為所求液壓缸的有效工作面積（）。這樣計算出來的工作面積還必須按液壓缸所求的最低穩(wěn)定速度vmin來驗算，即

式中，qmin為流量閥最小穩(wěn)定流量。若執(zhí)行元件為液壓馬達，則其排量的計算式為

式中，T為液壓馬達的總負載轉矩（N·m）；ηMm為液壓馬達的機械效率；p為液壓馬達的工作壓力（Pa）；V為所求液壓馬達的排量（）。同樣，上式所求的排量也必須滿足液壓馬達最低穩(wěn)定轉速nmin的要求，即式中，qmin指能輸入液壓馬達的最低穩(wěn)定流量。排量確定后，可從產(chǎn)品檢本中選擇液壓馬達的型號。

（3）執(zhí)行元件最大流量的確定對于液壓缸，它所需的最大流量qmax就等于液壓缸有效工作面積A與液壓缸最大移動速度vmax的乘積，即qmax＝

Avmax

對于液壓馬達，它所需的最大流量qmax應為馬達的排量V與其最大轉數(shù)nmax的乘積，即qmax＝Vnmax

4.繪制液壓執(zhí)行元件的工況圖

（1）工況圖的繪制按照上面所確定的液壓執(zhí)行元件的工作面積（或排量）和工作循環(huán)中各階段的負載（或負載轉矩），即可繪制壓力圖；根據(jù)執(zhí)行元件的工作面積（或排量）以及工作循環(huán)中各階段所要求的運動速度（或轉速），即可繪制流量圖；根據(jù)所繪制的壓力圖和流量圖，即可計算出各階段所需的功率，繪制出功率圖。

（2）工況圖的作用從工況圖上可以直觀地、方便地找出最大工作壓力、最大流量和最大功率，根據(jù)這些參數(shù)即可選擇液壓泵及其驅動電動機，同時對系統(tǒng)中所有液壓元件地選擇也具有指導意義，通過分析工況圖，有助于設計者選擇合理的基本回路，例如：在工況圖上可觀察到最大流量維持時間，如這個時間較短則不宜選用一個大流量的定量泵供油，而可選用變量泵或者采用泵和蓄能器聯(lián)合供油的方式。另一方面，利用工況圖可以對各階段的參數(shù)進行鑒定，分析其合理性，在必要時還可進行調整。例如，若在工況圖中看出各階段所需的功率相差較大，為了提高功率應用的合理性，使得功率分配比較均衡，則可在工藝允許的條件下對其進行適當調整，使系統(tǒng)所需的最大功率值有所降低。

液壓系統(tǒng)圖是整個液壓系統(tǒng)設計中最重要的一環(huán)，它的好壞從根本上影響整個液壓系統(tǒng)。擬定液壓系統(tǒng)原理圖所需的知識面較廣，要綜合應用前面的各章內容，一般的方法是：先根據(jù)具體的動作性能要求選擇液壓基本回路，然后將基本回路加上必要的措施有機地組合成一個完整地液壓系統(tǒng)，擬定液壓系統(tǒng)圖時，應考慮以下幾個方面地問題：

一.所用液壓執(zhí)行元件的類型

二.液壓回路的選擇

三.液壓回路的綜合第二節(jié)擬定液壓系統(tǒng)原理圖

由第三章所述內容可知，液壓執(zhí)行元件有提供往復直線運動的液壓缸，提供往復擺動的擺動缸和提供連續(xù)回轉運動的液壓馬達。在設計液壓系統(tǒng)時，可按設備所要求的運動情況來選擇，在選擇時還應比較、分析、以求設計的整體效果最佳。例如，系統(tǒng)若需要輸出往復擺動運動，要實現(xiàn)這個運動，既可采用擺動缸又可使用齒條式液壓缸，也可以使用直線往復式液壓缸和滑輪鋼絲繩傳動機構來實現(xiàn)。因此要根據(jù)實際情況進行比較，分析，綜合考慮作出選擇。又如，在設備的工作行程比較長時，為了提高其傳動剛性，常采用液壓馬達通過絲桿螺母機構來實現(xiàn)往復直線運動。此類實例很多，設計時應靈活應用。在實際設計中，液壓執(zhí)行元件的選用往往還受到使用范圍的大小和使用習慣的限制。一.所用液壓執(zhí)行元件的類型

在確定了液壓執(zhí)行元件后，要根據(jù)設備的工作特點和性能要求，首先確定對主機的只要性能起決定性影響的主要回路。例如機床液壓系統(tǒng)、調速和速度換接是主要回路；壓力機液壓系統(tǒng)，調壓回路是主要回路等。然后再考慮其它輔助回路，例如有垂直運動部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路，有多個執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動作，同步和防干擾回路等。同時也要考慮節(jié)省能源，減少發(fā)熱，減少沖擊，保證動作精度等問題。

二.液壓回路的選擇

液壓回路的綜合是把選出來的各種液壓回路放再一起,進行歸并、整理、再增加一些必要的元件或輔助油路，使之成為完整的液壓傳動系統(tǒng)，進行這項工作時還必須注意以下幾點：（1）盡可能省去不必要的元件，以簡化系統(tǒng)結構。（2）最終綜合出來的液壓系統(tǒng)應保證其工作循環(huán)中的每個動作都安全可靠，無相互干擾。（3）盡可能提高系統(tǒng)的效率，防止系統(tǒng)過熱。（4）盡可能使系統(tǒng)經(jīng)濟合理，便于維修檢測。（5）盡可能采用標準元件，減少自行設計的專用件。

三.液壓回路的綜合

所謂液壓元件的計算，是要計算該元件在工作中承受的壓力和通過的流量，以便確定元件的規(guī)格和型號。一般要計算和選擇的液壓元件有以下幾類：一.動力元件的選擇二.執(zhí)行元件的選擇三.控制元件的選擇

四.輔助元件的選擇第三節(jié)液壓元件的計算和選擇

液壓泵是液壓系統(tǒng)中的動力元件。選擇液壓泵時要考慮系統(tǒng)工況和液壓泵主要參數(shù)—壓力和流量。1.確定液壓泵的最高工作壓力Pp

液壓泵的最高工作壓力就是在系統(tǒng)正常工作時泵所能提供的最高壓力，對于定量泵系統(tǒng)來說這個壓力是由溢流閥調定的，對于變量泵系統(tǒng)來說這個壓力是與泵的特性曲線上的流量相對應的。

泵的最高工作壓力的確定要分兩種情況，其一是，執(zhí)行機構在運動行程終了，停止時才需要最高工作壓力的情況，泵的最高工作壓力Pp也就是執(zhí)行機構的所需的最大壓力P1；其二是最高工作壓力是在執(zhí)行機構的運動行程中出現(xiàn)的，這種情況下，除了考慮執(zhí)行機構的壓力外還要考慮油液在管路系統(tǒng)中流動時產(chǎn)生的總壓力損失，即式中，p1—執(zhí)行元件的最高工作壓力；∑Δp—從液壓泵的出口到執(zhí)行元件入口總的管路損失。

一.動力元件的選擇2.確定液壓泵的最大供油量qp

液壓泵的最大供油量qp按執(zhí)行元件工況圖上的最大工作流量及回路系統(tǒng)中的泄漏量來確定，即式中，K—考慮系統(tǒng)泄漏和溢流閥保留最小溢流量（約為額定流量的15%）的系數(shù)，一般取K=1.1~1.3。Σqmax—同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。當系統(tǒng)中有蓄能器時，泵的最大供油量為一個工作循環(huán)中執(zhí)行元件的平均流量與回路泄漏量之和。3.選擇液壓泵的規(guī)格

液壓泵的規(guī)格可以根據(jù)實際工況和液壓泵的最大工作壓力選取，然后根據(jù)液壓泵的最大流量確定其型號。值得注意的是，泵的額定壓力應該比上述最大工作壓力高25%~60%，以留有壓力儲備。額定流量則只需滿足上述最大流量即可。4.確定液壓泵的驅動功率

當系統(tǒng)中使用定量泵時，視具體工況不同，其驅動功率的計算是不同的。１）當在整個工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較小時，可按下式計算液壓泵所需驅動功率，即式中，pp為液壓泵的最大工作壓力（Pa）；qp為液壓泵的輸出流量（）；為液壓泵的總效率。２）當在整個工作循環(huán)中，液壓泵的功率變化較大，且在功率循環(huán)圖中最高功率所持續(xù)的時間很短時，則可按上式分別計算出工作循環(huán)各階段的功率Pi，然后用下式計算其所需電動機的平均功率，即式中，ti為一個工作循環(huán)中第i階段持續(xù)的時間。求出了平均功率后，還要驗算每一個階段電動機的超載量是否在允許的范圍內，一般電動機允許短期超載量為25%。如果在允許超載范圍內，即可根據(jù)平均功率P與泵的轉速n從產(chǎn)品樣本中選取電動機。二.閥類元件的選擇閥類元件的選擇是根據(jù)閥的最大工作壓力和流經(jīng)閥的最大流量來選擇控制閥的規(guī)格。即所選用的閥類元件的額定壓力和額定流量要大于系統(tǒng)的最高工作壓力及實際通過閥的最大流量。在條件不允許時，可適當增大通過閥的流量，但不得超過閥額定流量的20％，否則會引起壓力損失過大。具體地講，選擇壓力閥時應考慮調壓范圍，選擇流量閥時應注意其最小穩(wěn)定流量，選擇換向閥時除考慮壓力、流量外，還應考慮其中位機能及操縱方式。

蓄能器、過濾器、熱交換器、管件、密封件、壓力檢測元件、油箱等都屬于液壓系統(tǒng)中的輔助元件，它們在液壓系統(tǒng)中起著重要作用。

三、輔助元件的選擇

液壓系統(tǒng)性能驗算的目的是評估設計質量。驗算的內容一般包括：系統(tǒng)的壓力損失、系統(tǒng)總效率、系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升等。如果發(fā)現(xiàn)問題，要對某些不合理的設計做出相應調整。一.液壓系統(tǒng)壓力損失的驗算在前面確定液壓泵的最高工作壓力時提及壓力損失，當時由于系統(tǒng)還沒有完全設計完畢，管道的設置也沒有確定，因此只能作粗略的估算?，F(xiàn)在液壓系統(tǒng)的元件、安裝形式、油管和管接頭均可定下來了。所以需要驗算一下管路系統(tǒng)的總的壓力損失，看其是否在前述假設的范圍內，借此可以較準確地確定泵的工作壓力，較準確地調節(jié)變量泵或溢流閥，保證系統(tǒng)地工作性能。若計算結果與前設壓力損失相差較大，則應對原設計進行修正。具體地方法時將計算出來的壓力損失代替原假設值用以下式子重算系統(tǒng)的壓力：第四節(jié)液壓系統(tǒng)的性能驗算1.當執(zhí)行元件為液壓缸時

式中，F(xiàn)為作用在液壓缸上的外負載；A1、A2分別為液壓缸進、回油腔的有效面積；△P1、△P2分別為進、回油管路的總的壓力損失，ηcm為液壓缸的機械效率。計算時要注意，快速運動時液壓缸上的外負載小，管路中流量大，壓力損失也大；慢速運動時，外負載大，流量小，壓力損失也小，所以應分別進行計算。計算出的系統(tǒng)壓力Pp應小于泵額定壓力的75％，因為應使泵有一定的壓力儲備。否則就應另選額定壓力較高的液壓泵，或者采用其它方法降低系統(tǒng)的壓力，如增大液壓缸直徑等方法。2.當液壓執(zhí)行元件為液壓馬達時式中，V為液壓馬達的排量；T為液壓馬達的輸出轉矩；△P1、△P2分別為進、回油管路的壓力損失；ηMm為液壓馬達的機械效率。液壓系統(tǒng)中的各種能量損失都將轉化為熱量，使系統(tǒng)工作溫度升高，從而產(chǎn)生很多不利影響。系統(tǒng)中的熱源主要來自液壓泵、液壓執(zhí)行元件和一些閥口，管路的功率損失通?？梢院雎圆挥嫛?/p>

系統(tǒng)中產(chǎn)生熱量的元件主要有液壓缸、液壓泵、溢流閥和節(jié)流閥，散熱的元件主要是油箱，系統(tǒng)經(jīng)一段時間工作后，發(fā)熱與散熱會相等，即達到熱平衡，不同的設備在不同的情況下，達到熱平衡的溫度也不一樣，所以必須進行驗算。三.液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算（1）系統(tǒng)發(fā)熱量的計算在單位時間內液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量可按下式計算如在工作循環(huán)中泵所輸出的功率不一樣，則可按各階段的發(fā)熱量求出系統(tǒng)單位時間的平均發(fā)熱量，即式中，Ｔ為工作循環(huán)周期時間（s）；ti為第i工作階段所持續(xù)的時間（s）；Pi為第i工作階段泵的輸入功率（kW）；ηi為第i工作階段液壓系統(tǒng)的總效率。（2）系統(tǒng)散熱量的計算在單位時間內油箱的散熱量可用下式計算，即（3）系統(tǒng)熱平衡溫度的驗算當液壓系統(tǒng)達到熱平衡時有：H=H0，即當油箱的三個邊長之比在1：1：1到1：2：3范圍內，且油位是油箱高度的80％時，其散熱面積可近似計算為

所設計的液壓系統(tǒng)經(jīng)驗算后，即可對初步擬定的液壓系統(tǒng)進行修改，并繪制工作圖和編制技術文件。一.繪制工作圖（1）液壓系統(tǒng)原理圖（2）集成油路裝配圖（3）泵站裝配圖（4）畫出非標準專用件的裝配圖及零件圖。（5）管路裝配圖（6）電氣線路圖二.編寫技術文件技術文件一般包括液壓系統(tǒng)設計計算說明書，液壓系統(tǒng)的使用及維護技術說明書，零部件目錄表、標準件通用件及外購件總表等。第五節(jié)繪制工作圖和編制技術文件

本節(jié)以一臺臥式單面多軸鉆孔組合機床為例，設計出驅動動力滑臺的液壓系統(tǒng)。

設計要求：滑臺實現(xiàn)“快進→工進→快退→停止”的工作循環(huán)。已知機床上有主軸16個，加工Ф13.9mm的孔14個、Ф8.5mm的孔2個。刀具材料為高速鋼，工件材料為鑄鐵，硬度為240HBS；機床工作部件總質量m=1000kg；快進、快退v1、v2均為5.5m/min，快進行程長度L1=100mm，工進行程長度L2=50mm，往復運動的加速度、速度時間不希望超過0.2s；動力滑臺采用平導軌，其靜摩擦系數(shù)fo=0.2，動摩擦系數(shù)fd=0.1；液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件使用液壓缸。

液壓系統(tǒng)的設計過程如下：分析負載確定執(zhí)行元件主要參數(shù)確定液壓系統(tǒng)方案和擬定液壓系統(tǒng)原理圖選擇液壓元件驗算液壓系統(tǒng)性能繪制工作圖和編制技術文件第六節(jié)液壓系統(tǒng)設計計算舉例工作負載

FL＝FG＝(5000+1000)N＝6000N

摩擦阻力負載由于工件為垂直起升，所以垂直作用于導軌的載荷可由其間隙和結構尺寸求得FN=120N，取fs=0.2，fd=0.1，則有靜摩擦阻力負載Ffs=33.94N動摩擦阻力負載Ffd=16.97N

一.分析負載慣性負載液壓缸各階段中的負載見表9-3（ηm=0.91）。按照前面的負載分析結果及已知的速度要求、行程限制等，繪制出負載圖及速度圖，如圖所示。二、負載圖和速度圖的繪制1.初選液壓缸的工作壓力根據(jù)分析，此設備的負載不大，按類型屬機床類，所以初選液壓缸的工作壓力為2.0Mpa。2.計算液壓缸的尺寸按標準取D=63mm。根據(jù)快上和快下的速度比值來確定活塞桿的直徑三、液壓缸主要參數(shù)的確定按標準取d=25mm。則液壓缸的有效作用面積為3.活塞桿穩(wěn)定性校核因為活塞桿總行程為450mm，而活塞桿直徑為25mm，l/d=450/25=18＞10，需進行穩(wěn)定性校核，即4.求液壓缸的最大流量5.繪制工況圖工作循環(huán)中各個工作階段的液壓缸壓力、流量和功率見表9-4。由表9-4可繪制出液壓缸的工況圖，如圖9-5所示。液壓系統(tǒng)原理圖的擬定主要應考慮以下幾個方面的問題：（1）供油方式；（2）調速回路；（3）速度換接回路；（4）平衡及鎖緊。本液壓系統(tǒng)的換向采用三位四通Y型中位機能的電磁換向閥。圖9-6所示為擬定的液壓系統(tǒng)原理圖。四、液壓系統(tǒng)原理圖的擬定圖9-7所示為采用疊加式液壓閥組成的該液壓系統(tǒng)原理圖。1.確定液壓泵的型號及電動機功率

液壓缸在整個工作循環(huán)中最大工作壓力為