第八章液压系统的设计计算 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 教学目的要求 掌握各液压元件在系统中的作用和各种基本回路的组成,并掌握分析液压系统的方法 和步骤 4、教学内容要点 液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。 5、重点、难点 液压元件的计算和选择:液压系统技术性能的验算。 6、教学方法和手段 课堂教学为主,充分利用网络课程中的多媒体素材来表示设计的步骤及方法。 7、主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1复习提问 回想一个完整的液压系统有几部分组成,有哪些技术参数? 8.2讲授新课 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)、分析系统工况,确定主要参数 (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,它们相互影响,相互滲透,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形式,仔细 查阅有关产品样本、设计手册和资料,本章不作介绍。 9-1明确系统的设计要求 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
第八章 液压系统的设计计算 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 3、教学目的要求 掌握各液压元件在系统中的作用和各种基本回路的组成，并掌握分析液压系统的方法 和步骤。 4、教学内容要点 液压传动系统设计的内容、基本步骤和方法。 5、重点、难点 液压元件的计算和选择；液压系统技术性能的验算。 6、教学方法和手段 课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示设计的步骤及方法。 7、主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1 复习提问 回想一个完整的液压系统有几部分组成，有哪些技术参数？ 8.2 讲授新课 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)、分析系统工况，确定主要参数； (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，它们相互影响，相互渗透，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形式，仔细 查阅有关产品样本、设计手册和资料，本章不作介绍。 9-1 明确系统的设计要求 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、主要结构、总体布局;主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺 寸上的限制。 (2)主机的工作循环,液压执行元件的运动方式(移动、转动或摆动)及其工作范围。 (3)液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。 (4)主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求 (5)对液压系统工作性能(如工作平稳性、转换精度等)、工作效率、自动化程度等方面的 要求 (6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 (7)其它方面的要求,如液压装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制 9-2分析系统工况,确定主要参数 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。对于 动作较复杂的机械设备,根据工艺要求,将各执行元件在各阶段所需克服的负载用图9-1a 所示的负载位移(F-1曲线表示,称为负载图。将各执行元件在各阶段的速度用图9—1b所 示的速度-位移(v-1)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 v起动加速 起动加速|_快进工进 制动 进 工进 制动 切削力 惯性力 摩擦力 0密封及背压阻力冒z0 (a) 图9-1液压系统执行元件的负载图和速度图 (a)负载图;(b)速度图 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9-1),也可以根据主 机的类型来选取(见表9-2):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VM)有关。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VM,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qmx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 是有利的,但在结构尺寸和造价方面则须付出一定的代价
对液压系统提出的要求，具体包括： (1)主机的用途、主要结构、总体布局；主机对液压系统执行元件在位置布置和空间尺 寸上的限制。 (2)主机的工作循环，液压执行元件的运动方式(移动、转动或摆动)及其工作范围。 (3)液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围。 (4)主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。 (5)对液压系统工作性能(如工作平稳性、转换精度等)、工作效率、自动化程度等方面的 要求。 (6)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。 (7)其它方面的要求，如液压装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。 9-2 分析系统工况，确定主要参数 一、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。对于 动作较复杂的机械设备，根据工艺要求，将各执行元件在各阶段所需克服的负载用图 9—1a 所示的负载-位移(F-t)曲线表示，称为负载图。将各执行元件在各阶段的速度用图 9—1b 所 示的速度-位移(v-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。 二、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 9-1)，也可以根据主 机的类型来选取(见表 9-2)；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 VM)有关。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 VM，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 qmax 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 是有利的，但在结构尺寸和造价方面则须付出一定的代价
表91按负载选择执行元件工作压力 负截F/N 000-1000|1000020002000~3001000-000;>5000 作压力p/MHa5~7 表9-2按主机类型选择执行元件工作压力 农业机楼 液压机 机床 小型工程机槭 中大型挖掘机 主机类型 重型机械 磨床阻组合机床龙门恻冈拉床丁程机桃轴助机构起重运输机憾 工作压力p/MPa 88-10 在本步骤的验算中,必须使执行元件的最低工作速度m或om(=2rmnm⑥0)符合下 述要求 流压缸 液 frin A 式中,9咖血为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量,由产品性能表查出 此外,有时还须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的规定要求时,A或VM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)。 A, 4, P 动加速 快进 工进制动 图92执行元件的工况图 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、流量和功率之后作出的(见图92)。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
在本步骤的验算中，必须使执行元件的最低工作速度 或 符合下 述要求： 流压缸 液压马达 式中， 血为节流阀或调速阀、变量泵的最小稳定流量，由产品性能表查出。 此外，有时还须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的规定要求时，A 或 VM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、流量和功率之后作出的(见图 9—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它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对比,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。 9-3拟定液压系统原理图 拟定液压系统原理图是整个设计工作中最主要的步骤,它对系统的性能以及设计方案 的经济性、合理性具有决定性的影响。其一般方法是,根据动作和性能的要求先分别选择和 拟定基本回路,然后将各个回路组合成一个完整的系统 选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图从众多的成熟方案中(参见本书第七章和 有关的设计手册、资料)评比挑选出来的。选择时,既要考虑调速、调压、换向、顺序动作 动作互锁等要求,也要考虑节省能源、减少发热、减少冲击、保证动作精度等问题 组合液压系统是把挑选出来的各种液压回路综合在一起,进行归并整理,增添必要的 元件或辅助油路,使之成为完整的系统 9-4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9-3) 丧9-3进油路压力损失经验值 系统结构惜况 总压力损失△/MP 般节流调速及管酪信单的系统 4.2~0.5 进油路冇调速阀及管路复杂的系统 0.5~I.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 油管规格的碗定和油箱容量的估算见奉书第六章 9-5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
液压执行元件的工况图是选择系统中其它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对比，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。 9-3 拟定液压系统原理图 拟定液压系统原理图是整个设计工作中最主要的步骤，它对系统的性能以及设计方案 的经济性、合理性具有决定性的影响。其一般方法是，根据动作和性能的要求先分别选择和 拟定基本回路，然后将各个回路组合成一个完整的系统。 选择液压回路是根据系统的设计要求和工况图从众多的成熟方案中(参见本书第七章和 有关的设计手册、资料)评比挑选出来的。选择时，既要考虑调速、调压、换向、顺序动作、 动作互锁等要求，也要考虑节省能源、减少发热、减少冲击、保证动作精度等问题。 组合液压系统是把挑选出来的各种液压回路综合在一起，进行归并整理，增添必要的 元件或辅助油路，使之成为完整的系统。 9-4 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 9—3)。 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。 油管规格的碗定和油箱容量的估算见奉书第六章。 9-5 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沮升验算 、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二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q时,它的实际压力损失△P与其额定压 力损失P间将呈如下的近似关系: q 92) 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汁算。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 二、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Q以W计是液压泵输入功率P和液压执行元件有效功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、油面高度是油箱高度的80%且油箱通风情况良好时,油液温升△T的计算式可以用 单位时间内输入热量Qw)和油箱有效容积V2(m丿近似地表示成 △T 102(℃) 9 当验算出来的油液温升值超过允许数值时,系统中必须考虑设置适当的冷却器。油箱中油液 允许的温升△门随主机的不同而异:一般机床为25-30℃,工程机械为35-40℃,等等。 9-6液压系统的设计计算举例略 8.3课堂小结 通过对液压系统的设计计算过程,掌握设计计算液压系统的步骤和方法,为今后设计 液压系统打基础 8.4布置作业或思考题 对于其他一些回路的设计过程,感兴趣的读者可以根据相关文献查阅。 8.5课后分析 涉及一个系统设计计算时,注意要先确定总体参数,再逐一到各个液压元件的性能参数的设 注意它们之间的关联
多，常见的有回路压力损失验算和发热沮升验算。 一、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二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 qn 时，它的实际压力损失 与其额定压 力损失 间将呈如下的近似关系： 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汁算。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。 二、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 Q(以 W 计)是液压泵输入功率 Pl 和液压执行元件有效功率 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、油面高度是油箱高度的 80％且油箱通风情况良好时，油液温升 的计算式可以用 单位时间内输入热量 Q(w)和油箱有效容积 近似地表示成 当验算出来的油液温升值超过允许数值时，系统中必须考虑设置适当的冷却器。油箱中油液 允许的温升[ ]随主机的不同而异：一般机床为 25—30℃，工程机械为 35—40℃，等等。 9-6 液压系统的设计计算举例 略 8.3 课堂小结 通过对液压系统的设计计算过程，掌握设计计算液压系统的步骤和方法，为今后设计 液压系统打基础。 8.4 布置作业或思考题 对于其他一些回路的设计过程，感兴趣的读者可以根据相关文献查阅。 8.5 课后分析 涉及一个系统设计计算时，注意要先确定总体参数，再逐一到各个液压元件的性能参数的设 计，注意它们之间的关联