第十章液压系统的设计计算

10液压系统的设计计算本章主要讨论液压传动系统设计和计算的程序、内容和方法。在此讨论的是静态的、经验的设计方法，它可以提供一个能实现预期功能（即满足力和速度要求）的传动系统。而系统仅仅能实现所预期的功能是不够的，系统的动作质量及动作发生的时间历程也是很重要的，而且对于现代机械设备往往是更加重要的，这些问题需要用现代设计方法和手段进行系统的动态分析和设计。随着液压技术特别是计算机技术的迅速了展，液压系统的计算机辅助设计等已得到大力推广和应用。液压传动系统的设计是整个机器设计的一部分，它与主机的设计是紧密相关的。当经过全面方案论证，确定一部机器，或机器的某一部分的传动方式采用液压传动后，则液压系统的设计计算步骤大致如下：(1)明确系统设计要求；(2)分析主机工况,确定液压系统的主要参数；(3)拟定液压系统原理图；(4)液压元件的计算与选择；(5)液压系统的性能验算；(6)进行结构设计,编写技术文件。在以上的设计步骤中，前五项属于性能设计，它们互相影响，互相渗透，本章将扼要叙述这些内容；最后一项属于结构设计，进行时须先查明液压元件的结构和配置方式，仔细检阅有关产品样本、设计手册和资料，本章不作液压系统的设计计算183介绍。10.1明确系统的设计要求液压系统的设计必须能全面满足主机的各项功能和技术性能。因此，在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析，明确主机对液压系统提出的要求，具体包括：（1）主机的用途、类型、主要结构、总体布局以及对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。（2）对液压系统动作和性能的要求：如主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（往复直线运动或旋转运动或摆动），自动化程度，调速范围，运动平稳性和精度，负载状况及其工作范围。（3）主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。（4）液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等。（5）其它方面的要求，如液压装置在重量、外形尺寸、可靠性、经济性等方面的规定或限制。10．2分析工况确定主要参数在明确了液压系统的设计依据后，就可以对主机的工作过程进行分析，即负载分析和运动分析，确定负载和速度在整个工作循环中的变化规律，然后即可计算执行元件的主要结构参数，以及确定液压系统的主要参数----工作压力184液压传动与控制vr54i910.2.1工况分析工况分析，就是分析主机在工作过程中各执行元件的运动速度和负载的变化规律。主机在不同的工作阶段，其执行机构所需要克服的负载一般由下列几项组成：工作负载（如切削力、注射力，重力等）、惯性负载和阻力负载（如摩擦阻力、密封阻力、背压阻力等）。这些负载的大小可按具体情况，根据有关手册、资料计算出来（其中密封阻力一般以执行机构的机械效率来估算反映）按其所经历的时间，将各执行元件在各阶段所需克服的负载用图10-1（a）所示的负载－位移（F-l）曲线表示，称为负载图同样，执行机构有各个工作阶段的运动速度可以计算出来，用图10-1（b）所示的速度-位移（υ-l）曲线表示，称为速度图，设计简单的液压系统时，这两种图可省略不画。摩擦力0密封及背压阻力l切削力惯性力快进工进制动0lv快进启动加速工进制动F启动加速(a)负载图(b)速度图图10-1液压系统执行元件的负载图和速度图液压系统的设计计算18510.2.2确定主要参数这里是指确定液压执行元件的工作压力和最大流量。执行元件的工作压力，可以根据负载图中的最大负载来选取（见表10-1），也可根据主机的类型来选取（见表10-2）；而最大流量则由执行元件速度图中的最大速度计算出来。这两者都与执行元件的结构参数（指液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量qM）有关。表10－1按负载选择执行元件工作压力负载F/N＜50005000-1000010000-2000020000-3000030000-50000＞50000工作压力p/MPa＜0.8-11.5-22.5-33-44-5＞5-7表10－2按主机类型选择执行元件工作压力主机类型机床农业机械小型工程机械工程机械辅助机构液压机中、大型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/MPa≤23-5≤88-1010－1620-32一般的做法是，先选定工作压力p,再按最大负载和预估的执行元件机械效率求出A或qM，经过各种必要的验算、修正和圆整后定下这些结构参数，最后再算出最大流量QM来。在机床的液压系统中，工作压力选得小些，对系统的可靠性、低速平稳性和降低噪声都是有利得，但在结构尺寸和造价方面则须付出一定的代价。在本步骤的验算中，必须使执行元件的最低工作速度υmin或ωmin（=2πnmin/60）符合下述要求：186液压传动与控制液压缸AQmin≤υmin液压马达MqQmin≤ωmin（10-1）式中Qmin为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量，由产品性能表查出。此处，有时还需对液压缸的活塞杆进行稳定性验算，验算工作常常和这里的参数确定工作交叉进行。以上的一些验算结果如不能满足有关规定的要求时，A或qM的量值就必须进行修改。这些执行元件的结构参数最后还必须圆整成标准值（见国标GB2347-80和GB/T2348-93）。液压系统执行元件的工况图是在执行元件结构参数确定之后，根据设计任务要求，算出不同阶段中的实际工作压力、流量和功率之后做出的（见图10-2）。工况图显示液压系统在实现整个工作循环时这三个参数的变化情况。当系统中包含多个执行元件时，其工况图是各个执行元件工况图的综合。液压执行元件的工况图是选择系统中其他液压元件和液压基本回路的依据，也是拟订液压系统方案的依据，这是因为：（1）液压泵和各种控制阀的规格是根据工况图中的最大压力和最大流量选定p,q,PqpPl0制动启动加速快进工进10-2执行元件的工况图液压系统的设计计算187的。（2）各种液压回路及其油源形成都是按工况图中不同阶段内的压力和流量变化情况初选后，再通过比较确定的。（3）将工况图所反映的情况与调研得来的参考方案进行比较，可以对原来设计参数的合理性作出鉴别，或进行调整。例如，在工艺情况允许的条件下，调整有关工作阶段的时间或速度，可以减少所需的功率；当功率分布很不均匀时，适当修改参数，可以避开（或削减）功率“峰值”等。10．3拟定液压系统原理图10.3.1概述拟定液压系统原理图是液压系统设计中重要的一步，它对系统的性能及设计方案的经济、合理性具有决定性的影响。这一步涉及面广，需要综合运用已学过的知识经过反复分析比较后才能确定。拟定液压系统原理图一般分为两步进行：第一步：分别选择各个基本回路。选择时应从对主机性能影响较大的回路开始，并应对各种方案进行分析比较。对于大多数机械来说，总是有调速的要求，因此采用容积调速或节流调速是一个首先要确定的问题。例如对于组合机床，速度变换问题比较突出，拟定液压系统时也应从调速回路开始。由于组合机床要求调速范围大，低速稳定性好，故应采用调速阀调速。考虑到系统长期连续运行，限制发热和温升以及提高系统效率问题也很重要，因此常采用效率较高的容积节流调速回路。188液压传动与控制第二步：将选择的基本回路进行归并、整理，再增加一些必要的元件或辅助油路组合成一个完整的液压系统。10.3.2拟定系统原理图时应注意的问题（1）控制方式在液压系统中，执行元件需改变运动速度和方向。此外如果一个系统有多个液压执行元件时，则还有动作顺序及互锁等要求。这些都存在一个动作转换的控制方式问题。如果机器只要求手动操作，则采用手动换向阀改变运动方向。某些执行机构较多的工程机械、船舶以及起重机等设备中常采用多路阀。如果机器要求完成某些自动循环动作，就要慎重地选择各种控制方式，一般讲行程控制动作比较可靠，是最通用地控制方式。合理地选择压力控制可以简化系统，但在一个系统内不宜多次使用。时间控制一般不单独使用，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，其繁简程度差别较大，因此要求设计者合理地使用各种控制方式，设计出简单、可靠、性能完善的系统。（2）系统安全可靠拟定液压系统图时，应对系统的安全性和可靠性予以足够的重视。为防止系统过载，安全阀是必不缺少的。为防止垂直运动部件在系统失压情况下自动下落，必须有平衡回路。起重机液压马达回路除有平衡回路外，还常有机械、液压制动装置，以确保安全。系统中有多个执行元件时，如果用一个泵供给两个以上执行元件运动时，则必须考虑防干扰问题。对要求可靠性较高的系统有时要设置一些备用元件或备用回路，以便个别工作元件或回路发生故障时，确液压系统的设计计算189保系统仍能正常工作。（3）节约能量节能的目的在于提高能量利用率。对于液压系统而言，提高系统的效率不仅能节约能量，而且可防止系统过热。拟定液压系统时应对节能问题予以重视。如在工作循环中，系统所需流量差别较大时，应采用双泵和变量泵供油，或采用蓄能器；在系统处于保压或停止工作时应使泵卸荷等等。这些都是提高系统效率的有效措施。（4）其它尽可能采用标准元件，借用本厂现有产品中的元件和系统，以缩短设计和制造周期，降低成本等。10.4液压元件的计算与选择液压泵的最大工作压力必须等于或超过液压执行元件最大工作压力及进油路上总压力损失这两者之和。液压执行元件的最大工作压力可以从工况图中找到；进油路上的总压力损失可以通过估算求得，也可以按经验资料估计(见表10-3)。表10-3进油路压力损失经验值系统结构情况总压力损失△p/MPa一般节流调速及管路简单的系统0.2-0.5进油路有调速阀及管路复杂的系统0.5-1.5液压泵的流量必须等于或超过几个同时工作的液压执行元件总流量的最大190液压传动与控制值以及回路中泄漏量这两者之和。液压执行元件总流量的最大值可以从工况图中找到(当系统中备有蓄能器时,此值应为一个工作循环中液压执行元件的平均流量)，而回路中的泄漏量则可按总流量最大值的10%～30%估算。在参照产品样本选取液压泵时，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力高20%～60%，以便留有压力储备；额定流量则只须选得能满足上述最大流量需要即可。液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电机的功率一般可以直接从产品样本上查到。电机功率也可以根据具体工况计算出来，有关的算式和数据见液压工程手册。阀类元件的规格按液压系统的最大压力和通过该阀的实际流量从产品样本上选定。选择节流阀和调速阀时，还要考虑它的最小稳定流量是否符合设计要求。各类阀都须选得使其实际通过流量最多不超过其公称流量的120%，以免引起发热、噪声和过大的压力损失。对于可靠性要求特别高的系统来说，阀类元件的额定压力应高出其工作压力较多。油管规格的确定和油箱容量的估算见本书第七章。10.5液压系统的性能验算在确定了各个液压元件之后，有时还要根据需要对整个液压系统的某些技术性能进行必要的验算，以便对所选液压元件和液压系统参数作进一步调整。液压系统性能验算的项目很多，常见的有回路压力损失验算和发热温升验算。液压系统的设计计算19110.5.1回路压力损失验算压力损失包括管道内的沿程损失和局部损失以及阀类元件处的局部损失三项。管道内的这两种损失可用第三章中的有关公式估算；阀类元件处的局部损失则须从产品样本中查出。当通过阀类元件的实际流量Q不是其公称流量Q0时，它的实际压力损失△p与其额定压力损失△p0之间将呈如下的近似关系：200)(ΔΔQQpp(10-2)计算液压系统的回路压力损失时，不同的工作阶段要分开来计算。回油路上的压力损失一般都须折算到进油路上去。计算时所得的总压力损失如果与计算液压元件时假定的压力损失相差太大，则应对设计进行必要的修改。10.5.2发热温升验算这项验算是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E(以W计)是液压泵输入功率P1和液压执行元件有效功率P0之差。假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其它部分的散热效能，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找出来。例如，当油箱三个边的尺寸比例在1：1：1到1：2：3之间、油面高度是油