液压集成系统分析和选型计算

通用件、外购件表等。
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10.2 液压系统设计举例
某厂要设计制造一台双头车床，加工压缩机拖车上 一根长轴两端的轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定， 刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进 —
工进—快退—停止。同时要求各个车削头能单独调整。
其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N，所要移 动的总重量估计为 15000N ，工作进给要求能在 0.020 ～ 1.2m／min范围内进行无级调速，快速进、退速度一致， 为 4 m／min，试设计该液压传动系统。
应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的型号规
格、压力和流量等参数值，一般还应绘出各执行元件的 工作循环图和电磁铁的动作顺序表。
液压系统装配图是液压系统的安装施工图，包括油
箱装配图，管路安装图等。
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10.1.5.2 编制技术文件
技术文件一般包括液压系统设计计算说明书，液压 系统使用及维护技术说明书，零、部件目录表及标准件、
的重要技术文件。拟定液压系统原理图是设计液压系统 的第一步，它对系统的性能及设计方案的合理性、经济 性具有决定性的影响。
10.1.2.1 确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱的系统，都采用开 式油路；相反，凡允许采用辅助泵进行补油，并借此进 行冷却交换来达到冷却目的的系统，可采用闭式油路。 通常节流调速系统采用开式油路，容积调速系统采用闭 式回路。
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10.1.2.2 选择液压回路
根据各类主机的工作特点、负载性质和性能要求，先确 定对主机主要性能起决定性影响的主要回路，然后再考虑其 它辅助回路。例如: 对于机床液压系统,调速和速度换接回路是主要回路；
对于压力机液压系统，调压回路是主要回路；
有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路； 惯性负载较大的系统要考虑缓冲制动回路。 有多个执行元件的系统可能要考虑顺序动作、同步回路； 有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。
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p
（10.13）
10.1.3.3 选择阀类元件
各种阀类元件的规格型号，按液压系统原理图和系 统工况提供的情况从产品样本中选取，各种阀的额定压 力和额定流量，一般应与其工作压力和最大通过流量相
接近。
具体选择时，应注意溢流阀按液压泵的最大流量来 选取；流量阀还需考虑最小稳定流量，以满足低速稳定 性要求。
k h At
式中: A—油箱的散热面积；
（10.15）
t —液压系统的温升；
系统的温升为
k h —油箱的散热系数，其值可查阅液压设计手册。
t

kh A
（10.16）
计算温升值如果超过允许值，应采取适当的冷却措施。
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10.1.5 绘制正式工作图和编制技术文件
10.1.5.1 绘制正式工作图 正式工作图包括液压系统原理图、液压系统装配图、 液压缸等非标准元件装配图及零件图。液压系统原理中
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10.1.4.2 系统发热温升的验算
液压系统在工作时，有压力损失，容积损失和机械 损失，这些损耗能量的大部分转化为热能，使油温升高 从而导致油的粘度下降，油液变质，机器零件变形，影
响正常工作。为此，必须将温升控制在许可范围内。
单位时间的发热量为液压泵的输入功率与执行元件 的输出功率之差。
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一般情况下，液压系统的工作循环往往有好几个阶 段，其平均发热量为各个工作周期发热量的时均值，即
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10.1.3.2 选择液压泵 先根据设计要求和系统工况确定泵的类型，
然后根据液压泵的最大供油量和系统工作压力来
选择液压泵的规格。
（1） 液压泵的最高供油压力
p p p pl
式中:
（10.11）
p
p —执行元件的最高工作压力；
l
—进油路上总的压力损失。
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（2）确定液压泵的最大供油量 液压泵的最大供油量为：
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图10.1为该机床的外形示意图。
1-左主轴头；2-夹具；3-右主轴头；4-床身；5-工件
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10.2.1
确定对液压系统的工作要求
根据加工要求，刀具旋转由机械传动来实现；主轴头 沿导轨中心线方向的“快进一工进—快退—停止”工作循环 拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。
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本章提要
本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法，对于 一般的液压系统，在设计过程中应遵循以下几个步骤： ①明确设计要求，进行工况分析； ②拟定液压系统原理图； ③计算和选择液压元件； ④发热及系统压力损失的验算； ⑤绘制工作图，编写技术文件。 上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行，对于比较
复杂的系统，需经过多次反复才能最后确定；在设计简单
液压系统的设计，根据系统的繁简、借鉴的资料多 少和设计人员经验的不同，在做法上有所差异。各部分
的设计有时还要交替进行，甚至要经过多次反复才能完
成。 下面对液压系统的设计步骤予以介绍。
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10.1.1 明确设计要求、工作环境，进行工况分析
10.1.1.1 明确设计要求及工作环境
液压系统的动作和性能要求主要有：
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10.1.2.3 绘制液压系统原理图
将挑选出来的各典型回路合并、整理，增
加必要的元件或辅助回路，加以综合，构成一
个结构简单，工作安全可靠、动作平稳、效率
高、调整和维护保养方便的液压系统，形成系 统原理图。
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10.1.3 液压元件的计算和选择
10.1.3.1 执行元件的结构形式及参数的确定 结构参数的确定是指根据执行元件工作压力和最大流 量确定执行元件的排量或油缸面积。
10.1.4 液压系统技术性能的验算
液压系统初步设计完成之后，需要对它的主要性能加 以验算，以便评判其设计质量，并改进和完善液压系统。 10.1.4.1 系统压力损失的验算 画出管路装配草图后，即可计算管路的沿程压力损失， 局部压力损失，它们的计算公式详见《液压流体力学》， 管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和。 在系统的具体管道布置情况没有明确之前，通常用液 流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行 概略地估算。
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（2）确定执行元件的主要结构参数 以缸为例，主要结构尺寸指缸的内径 D 和活塞杆的直 径d，计算后按系列标准值确定D和d。 对有低速运动要求的系统，尚需对液压缸有效工作面 积进行验算，即应保证：
q min A v min
式中
（10.8）
：A—液压缸工作腔的有效工作面积； vmin—控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量； qmin —液压缸要求达到的最低工作速度。
1 n ( Pii Poi )t i （10.14） t i 1
式中
Pii —第个工作阶段系统的输入功率；
Poi —第个工作阶段系统的输出功率； t —工作循环周期； t i —第个工作阶段的持续时间； n —总的工作阶段数。
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液压系统在工作中产生的热量，主要经油箱散发到 空气中去，油箱在单位时间散发热量的可按下式计算
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对于单杆液压缸，其工作压力P可按下列公式复算。
A2 F 无杆腔进油工进阶段 p pb （10.9） A1 A1
有杆腔进油阶段
A1 F p pb （10.10） A2 A2
式中 ：F—液压缸在各工作阶段的最大机械总负载；
A1 、 —分别为缸无杆腔和有杆腔的有效面积；
A2
pb —液压缸回油路的背压。
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（4）执行元件的工况图
即执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率对
时间或位移的变化曲线图。将系统中各执行元件的工况图 加以合并，便得到整个系统的工况图。
液压系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压
力、流量和功率的最大值及其分布情况，为后续设计步骤 中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据。 对于简单系统，其工况图的绘制可省略。
表10.1 选择执行元件的形式 运动 形式 往复直线运动 回转运动 往复 摆动
短行 程 建议采 用的执 行元件 的形式 活塞 式液 压缸
长行程
高速
低速
柱塞式液压缸 液压马达与齿 轮/齿条或螺母 /丝杠机构
高 速 液 压 马达
低速大扭矩液压 马达 高速液压马达带 减速器
摆 动 液 压 缸
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（1）初选执行元件的工作压力
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(4) 重力负载 Fg (5) 密封负载 Fs 密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力，一般通过液
压缸的机械效率加以考虑，常取机械效率值为0.90~0.97。
(6) 背压负载 Fb
背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力。
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液压缸各个主要工作阶段的机械负载F可按下列公式计算
空载启动加速阶段: F ( Ff Fa Fg ) / m
快速阶段:
（ 10.4 ）
F (Ff Fg ) / m
（10.5）
（10.6） （10.7）
工进阶段: F ( Ff Fw Fg ) / m 制动减速:
F (Ff Fw Fa Fg ) / m
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10.1.2 液压系统原理图的拟定
液压系统原理图是表示液压系统的组成和工作原理
压力储备量，通常泵的额定压力可比工作压力高
25%—60%。泵的额定流量则宜与相当，不要超过
太多，以免造成过大的功率损失。
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（4）选择驱动液压泵的电动机
驱动泵的电机根据驱动功率和泵的转速来选择。 在整个工作循环中，泵的压力和流量在较多时间内 皆达到最大工作值时，驱动泵的电动机功率为：
P
ppqp
p —液压泵的总效率，数值可见产品样本。 式中： 限压式变量叶片泵的驱动功率，可按泵的实际压力流 量特性曲线拐点处的功率来计算。 工作中泵的压力和流量变化较大时，可分别计算出各 个阶段所需的驱动功率，然后求其均方根值即可。