第9章液压传动系统的设计计算
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(3) 液压系统的工作温度及其变化范围，湿度大小，风沙与粉尘情况，防火与防爆要 求，安装空间的大小、外廓尺寸与质量限制等。
(4) 经济性与成本等方面的要求。 只有明确了设计要求及工作环境，才能使设计的系统不仅满足性能要求，且具有较高 的可靠性、良好的空间布局及造型。
第 9 章 液压传动系统的设计计算
第 9 章 液压传动系统的设计计算
液压传动系统是机械设备动力传动系统，因此，它的设计是整个机械设备设计的一部 分，必须与主机设计联系在一起同时进行。一般在分析主机的工作循环、性能要求、动作 特点等基础上，经过认真分析比较，在确定全部或局部采用液压传动方案之后才会提出液 压传动系统的设计任务。
液压系统设计必须从实际出发，注重调查研究，吸收国内外先进技术，采用现代设计 思想，在满足工作性能要求、工作可靠要求的前提下，力求使系统结构简单、成本低、效 率高、操作维护方便、使用寿命长。
作用在执行元件上的负载有约束性负载和动力性负载两类。 约束性负载的特征是其方向与执行元件运动方向永远相反，对执行元件起阻止作用， 不会起驱动作用。例如库仑固体摩擦阻力、粘性摩擦阻力是约束性负载。 动力性负载的特征是其方向与执行元件的运动方向无关，其数值由外界规律所决定。 执行元件承受动力性负载时可能会出现两种情况：一种情况是动力性负载方向与执行元件 运动方向相反，起着阻止执行元件运动的作用，称为阻力负载(正负载)；另一种情况是动 力性负载方向与执行元件运动方向一致，称为超越负载(负负载)。超越负载变成驱动执行 元件的驱动力，执行元件要维持匀速运动，其中的流体要产生阻力功，形成足够的阻力来 平衡超越负载产生的驱动力，这就要求系统应具有平衡和制动功能。重力是一种动力性负 载，重力与执行元件运动方向相反时是阻力负载；与执行元件运动方向一致时是超越负载。 对于负载变化规律复杂的系统必须画出负载循环图。不同工作目的的系统，负载分析的着 重点不同。例如，对于工程机械的作业机构，着重点为重力在各个位置上的情况，负载图 以位置为变量；机床工作台的着重点为负载与各工序的时间关系。
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液压传动
1) 液压缸的负载计算
一般说来，液压缸承受的动力性负载有工作负载 Fw、惯性负载 Fm、重力负载 Fg，约
束性负载有摩擦阻力 Ff、背压负载 Fb、液压缸自身的密封阻力 Fsf。即作用在液压缸上的外
负载为
F = ±Fw ± Fm ± Ff ± Fg ± Fb ± Fsf
液压系统设计步骤如下： (1) 明确液压系统的设计要求及工况分析。 (2) 主要参数的确定。 (3) 拟定液压系统原理图，进行系统方案论证。 (4) 设计、计算、选择液压元件。 (5) 对液压系统主要性能进行验算。 (6) 设计液压装置，编制液压系统技术文件。
9.1 液压系统的设计依据和工况分析
9.1.1 液压系统的设计依据
(9.1)
① 工作负载 Fw。工作负载与主机的工作性质有关，它可能是定值，也可能是变值。
一般工作负载是时间的函数，即 Fw＝f (t)，需根据具体情况分析决定。 ② 惯性负载 Fm。惯性负载是运动部件在启动加速或减速制动过程中产生的惯性力，
其值可按牛顿第二定律求出
Fm
=
ma
=
m
Δv Δt
(9.2)
式中 m——运动部件总质量；
设计要求是进行工程设计的主要依据。设计前必须把主机对液压系统的设计要求和与 设计相关的情况了解清楚，一般要明确下列主要问题：
(1) 主机用途、总体布局与结构、主要技术参数与性能要求、工艺流程或工作循环、 作业环境与条件等。
(2) 液压系统应完成哪些动作，各个动作的工作循环及循环时间；负载大小及性质、 运动形式及速度快慢；各动作的顺序要求及互锁关系，各动作的同步要求及同步精度；液 压系统的工作性能要求，如运动平稳性、调速范围、定位精度、转换精度，自动化程度、 效率与温升、振动与噪声、安全性与可靠性等。
平放置时，Fg＝0。
⑤ 背压负载 Fb。液压缸运动时还必须克服回油路压力形成的背压阻力 Fb，其值为
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9.1.2 液压系统的工况分析
ห้องสมุดไป่ตู้
工况分析的目的是明确在工作循环中执行元件的负载和运动的变化规律，它包括运动 分析和负载分析。
1. 运动分析
运动分析就是研究工作机构根据工艺要求应以什么样的运动规律完成工作循环、运动 速度的大小、加速度是恒定的还是变化的、行程大小及循环时间长短等。为此必须确定执 行元件的类型，并绘制位移―时间循环图或速度―时间循环图。
a——加速度；
Δv——Δt 时间内速度的变化量； Δt——启动或制动时间。一般机械系统取 0.1s～0.5s ；行走机械系统取 0.5s～1.5s；
机床运动系统取 0.25s～0.5s；机床进给系统取 0.05s～0.2s。工作部件较轻或
运动速度较低时取小值。
③ 导向摩擦阻力 Ff。摩擦阻力是指液压缸驱动工作机构所需克服的导轨摩擦阻力，其 值与导轨形状、安放位置和工作部件的运动状态有关。
液压执行元件的类型可按表 9-l 进行选择。
表 9-1 液压执行元件的类型
名称 双杆活塞缸
单杆活塞缸
柱塞缸 摆动缸 齿轮、叶片马达 轴向柱塞马达 径向柱塞马达
特点
应用场合
双向输出力、输出速度一样，杆受力状态一样
双向工作的往复运动
双向输出力、输出速度不一样，杆受力状态不同。差 往复不对称直线运动
动连接时可实现快速运动
对于平导轨 对于 V 形导轨
Ff = f (mg + FN )
Ff
=
f (mg + FN ) sin(α / 2)
(9.3) (9.4)
式中 FN——作用在导轨上的垂直载荷； α ——V 形导轨夹角，通常取α ＝90°；
f——导轨摩擦系数，其值可参阅相关设计手册。
④ 重力负载 Fg。当工作部件垂直或倾斜放置时，自重也是一种负载，当工作部件水
结构简单
长行程、单向工作
单叶片缸转角小于 300°，双叶片缸转角小于 150° 往复摆动运动
结构简单、体积小、惯性小
高速小转矩回转运动
运动平稳、转矩大、转速范围宽
大转矩回转运动
结构复杂、转矩大、转速低
低速大转矩回转运动
2. 负载分析
负载分析就是通过计算确定各液压执行元件的负载大小和方向，并分析各执行元件运 动过程中的振动、冲击及过载能力等情况。
(4) 经济性与成本等方面的要求。 只有明确了设计要求及工作环境，才能使设计的系统不仅满足性能要求，且具有较高 的可靠性、良好的空间布局及造型。
第 9 章 液压传动系统的设计计算
第 9 章 液压传动系统的设计计算
液压传动系统是机械设备动力传动系统，因此，它的设计是整个机械设备设计的一部 分，必须与主机设计联系在一起同时进行。一般在分析主机的工作循环、性能要求、动作 特点等基础上，经过认真分析比较，在确定全部或局部采用液压传动方案之后才会提出液 压传动系统的设计任务。
液压系统设计必须从实际出发，注重调查研究，吸收国内外先进技术，采用现代设计 思想，在满足工作性能要求、工作可靠要求的前提下，力求使系统结构简单、成本低、效 率高、操作维护方便、使用寿命长。
作用在执行元件上的负载有约束性负载和动力性负载两类。 约束性负载的特征是其方向与执行元件运动方向永远相反，对执行元件起阻止作用， 不会起驱动作用。例如库仑固体摩擦阻力、粘性摩擦阻力是约束性负载。 动力性负载的特征是其方向与执行元件的运动方向无关，其数值由外界规律所决定。 执行元件承受动力性负载时可能会出现两种情况：一种情况是动力性负载方向与执行元件 运动方向相反，起着阻止执行元件运动的作用，称为阻力负载(正负载)；另一种情况是动 力性负载方向与执行元件运动方向一致，称为超越负载(负负载)。超越负载变成驱动执行 元件的驱动力，执行元件要维持匀速运动，其中的流体要产生阻力功，形成足够的阻力来 平衡超越负载产生的驱动力，这就要求系统应具有平衡和制动功能。重力是一种动力性负 载，重力与执行元件运动方向相反时是阻力负载；与执行元件运动方向一致时是超越负载。 对于负载变化规律复杂的系统必须画出负载循环图。不同工作目的的系统，负载分析的着 重点不同。例如，对于工程机械的作业机构，着重点为重力在各个位置上的情况，负载图 以位置为变量；机床工作台的着重点为负载与各工序的时间关系。
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液压传动
1) 液压缸的负载计算
一般说来，液压缸承受的动力性负载有工作负载 Fw、惯性负载 Fm、重力负载 Fg，约
束性负载有摩擦阻力 Ff、背压负载 Fb、液压缸自身的密封阻力 Fsf。即作用在液压缸上的外
负载为
F = ±Fw ± Fm ± Ff ± Fg ± Fb ± Fsf
液压系统设计步骤如下： (1) 明确液压系统的设计要求及工况分析。 (2) 主要参数的确定。 (3) 拟定液压系统原理图，进行系统方案论证。 (4) 设计、计算、选择液压元件。 (5) 对液压系统主要性能进行验算。 (6) 设计液压装置，编制液压系统技术文件。
9.1 液压系统的设计依据和工况分析
9.1.1 液压系统的设计依据
(9.1)
① 工作负载 Fw。工作负载与主机的工作性质有关，它可能是定值，也可能是变值。
一般工作负载是时间的函数，即 Fw＝f (t)，需根据具体情况分析决定。 ② 惯性负载 Fm。惯性负载是运动部件在启动加速或减速制动过程中产生的惯性力，
其值可按牛顿第二定律求出
Fm
=
ma
=
m
Δv Δt
(9.2)
式中 m——运动部件总质量；
设计要求是进行工程设计的主要依据。设计前必须把主机对液压系统的设计要求和与 设计相关的情况了解清楚，一般要明确下列主要问题：
(1) 主机用途、总体布局与结构、主要技术参数与性能要求、工艺流程或工作循环、 作业环境与条件等。
(2) 液压系统应完成哪些动作，各个动作的工作循环及循环时间；负载大小及性质、 运动形式及速度快慢；各动作的顺序要求及互锁关系，各动作的同步要求及同步精度；液 压系统的工作性能要求，如运动平稳性、调速范围、定位精度、转换精度，自动化程度、 效率与温升、振动与噪声、安全性与可靠性等。
平放置时，Fg＝0。
⑤ 背压负载 Fb。液压缸运动时还必须克服回油路压力形成的背压阻力 Fb，其值为
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9.1.2 液压系统的工况分析
ห้องสมุดไป่ตู้
工况分析的目的是明确在工作循环中执行元件的负载和运动的变化规律，它包括运动 分析和负载分析。
1. 运动分析
运动分析就是研究工作机构根据工艺要求应以什么样的运动规律完成工作循环、运动 速度的大小、加速度是恒定的还是变化的、行程大小及循环时间长短等。为此必须确定执 行元件的类型，并绘制位移―时间循环图或速度―时间循环图。
a——加速度；
Δv——Δt 时间内速度的变化量； Δt——启动或制动时间。一般机械系统取 0.1s～0.5s ；行走机械系统取 0.5s～1.5s；
机床运动系统取 0.25s～0.5s；机床进给系统取 0.05s～0.2s。工作部件较轻或
运动速度较低时取小值。
③ 导向摩擦阻力 Ff。摩擦阻力是指液压缸驱动工作机构所需克服的导轨摩擦阻力，其 值与导轨形状、安放位置和工作部件的运动状态有关。
液压执行元件的类型可按表 9-l 进行选择。
表 9-1 液压执行元件的类型
名称 双杆活塞缸
单杆活塞缸
柱塞缸 摆动缸 齿轮、叶片马达 轴向柱塞马达 径向柱塞马达
特点
应用场合
双向输出力、输出速度一样，杆受力状态一样
双向工作的往复运动
双向输出力、输出速度不一样，杆受力状态不同。差 往复不对称直线运动
动连接时可实现快速运动
对于平导轨 对于 V 形导轨
Ff = f (mg + FN )
Ff
=
f (mg + FN ) sin(α / 2)
(9.3) (9.4)
式中 FN——作用在导轨上的垂直载荷； α ——V 形导轨夹角，通常取α ＝90°；
f——导轨摩擦系数，其值可参阅相关设计手册。
④ 重力负载 Fg。当工作部件垂直或倾斜放置时，自重也是一种负载，当工作部件水
结构简单
长行程、单向工作
单叶片缸转角小于 300°，双叶片缸转角小于 150° 往复摆动运动
结构简单、体积小、惯性小
高速小转矩回转运动
运动平稳、转矩大、转速范围宽
大转矩回转运动
结构复杂、转矩大、转速低
低速大转矩回转运动
2. 负载分析
负载分析就是通过计算确定各液压执行元件的负载大小和方向，并分析各执行元件运 动过程中的振动、冲击及过载能力等情况。