第4章液压系统的设计1液压传动系统设计1．1液压传动系统的设计步骤和内容液压系统设计流程图见图4—11．1．1明确技术要求设计新的液压系统，首先要仔细查明机器对液压系统究竟有哪些要求，要与用户或主机厂共同讨论，力求定量地掌握这些技术要求，作为设计的出发点和依据需要掌握的技术要求可能有：1．机器的特性(1)用途及工作目的2)功能、性能及负载特性负载种类(恒定负载、变化负载及冲击负载)及大小；运动方式(直线运动、旋转运动、摆动)及运动量(位移、速度、加速度)，惯性力，摩擦力(静摩擦、动摩擦、粘性摩擦)，动作特性、动作时间，精度(定位精度、跟踪精度、同步精度)3)结构机构、与被驱动部分的连接条件、安装上的限制条件等4)驱动方式原动机的种类(电动机、内燃机等)、容量(功率、转速、转矩)、稳定性5)控制方式操作方式(手动、自动)、信号处理方式(继电器、逻辑电路、可编程控制器、微计算机)6)循环时间系统中各种执行器的动作顺序、动作时间的相互关系2．使用条件(1)工作时间2)设置场所(室内、室外)·(3)设置环境环境温度、湿度(高温、寒带、热带)，粉尘种类和浓度(防护、净化等)，腐蚀性气体(所用元件的结构、材质、表面处理、涂覆等)，易爆气体(防爆措施)，机械振动(机械强度、耐振结构)，噪声限制(降低噪声措施)。

　　4)维护条件维护程度与周期，维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性3．适用标准、法规4．安全性、可靠性(1)用户在安全性方面有无特殊要求2)明确保用期、保用条件5．经济性不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用1．1．2系统功能设计根据技术要求确定执行器的种类、数量、动作顺序和动作条件根据动作条件拟定驱动执行器的基本回路作为控制执行器的方式，有用双向变量泵的闭式回路和使用控制阀的开式回路当系统中有多个执行器时，要绘制表示动作顺序的顺序图，拟定实现动作顺序的控制回路此时如果有同步要求，还耍采用保证必要的同步精度的同步回路然后再设计液压源回路此时要考虑节能、维持液压油液的清洁度、液压油液的温度控制、油箱的油量调节和气压调节综合以上驱动回路、控制回路、液压源回路三个部分，即得到总的基本液压系统然后再进一步考虑安全性、减小冲击、减小压力脉动、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善1．确定执行器的种类、数量和动作执行器是液压系统的输出部分，必须满足机器设备的运动功能、性能的要求及结构、安装上的限制根据所要求的负载运动形态，选用不同的执行器配置，见表4—1表4—1执行器配置的选择根据执行器的种类和负载重量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，经过基本计算，确定所需的压力、流量。

　　压力可根据受压面积与机械力求出，流量可用移动体积与移动时间的关系求出2．确定系统压力多数情况下压力可以自由选定适当提高压力可以降低成本因此，系统压力有逐渐提高的趋势，但液压系统的压力受到所用元件的限制提高系统压力，可以使响应速度提高、输出力加大、功率密度提高、管路的压力传播速度提高，并且不容易发生执行器低速爬行现象但是提高压力也带来一些问题，如元件寿命缩短，易于发生阀的卡死及自激振荡，液压油易变质，内泄漏加大，油温升高，必须采取措施防止漏油3．确定循环时间根据生产设备的预定年产量和全年工作日数求出日产量，再根据机器的能力和每日开机时间求出单位产量所需时间即循环时间此循环时间要进一步细分出各执行器的顺序动作时间、停歇时间等，要合理地分配循环中各个节拍所需要的时间为此要把表示各执行器动作顺序的顺序图、表示动作特性的工作图及表示各节拍所需压力流量的压力流量图综合起来，绘制出时间图如果循环中仅个别节拍需要大流量时，设置作为辅助油源的蓄能器，可以提高系统效率，同运动形态执行器配置直线运动液压缸液压马达+齿轮齿条机构液压马达+螺旋机构旋转运动液压马达摆动摆动马达液压缸+连杆机构液压马达+齿轮机构时也降低成本。

　　4．确定控制方式执行器的控制方式有泵控制方式和阀控制方式，泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行器的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行器的方向控制这种方式中每个执行器需要一个变量泵重视能源的经济的场合或者负载惯性大、起动停止冲击成问题时可以采用阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行器的场合或者输入信号很复杂而要求快速响应的场合5．设计液压回路由于设计者的思路、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的的设计出来的液压回路也是千差万别的因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路液压回路包括油压发生回路、执行器控制回路、油液处理回路、其他辅助回路等无论多么复杂的液压系统，都则由实现种种功能的基本回路组成的经过多年的经验积累，已经形成了许多简便成熟、行之有效的基本回路用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图，并注明压力控制阀、压力继电器等设定压力和液压泵或蓄能器工作时各段路的流量，以便后面选定元件和确定管子口径1）油压发生回路此回路包括液压泵部分和压力控制部分，要设计成能在必要的时候最有效地供给所需要的压力和流量。

　　液压泵的功率在泵控制方式中根据执行器的最大功率算出，在阀控制方式中根据各执行器所需的最大功率算出，在蓄能器驱动的卖命根据蓄能器的最高工作压力、一循环中消耗的全部液量在充液过程中补充所需的泵流量和卸载时间算出在实际的工作循环中，有时低速大负载、有时高速小负载、有时卸载，可以求出平均功率并据以确定泵的驱动电机的容量但是循环中的峰值负载不得超过电动机额定功率的12）执行器控制回路执行器控制回路要根据负载特性，适当地控制方向、速度等泵控制方式中，在双向变量泵回路上加压力控制回路即可组成执行器控制回路阀控制方式中的执行器控制回路，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路适当组合而成：1）方向控制回路用方向控制阀来实现执行器动作方向的控制，掌握方向控制阀的通油时间来控制执行器的位移量调整换向阀的切换时间、设置二速回路、与行程减速阀并用，或者采用比例阀、伺服阀都可以控制执行器起动、停止时的加速减速特性2）速度控制回路用流量控制阀来实现执行器速度的控制根据负载变化情况和流量精度要求选定采用节流阀还是调速阀来控制考虑对负载方向的适应性，负载变化对精度的影响及回路的效率等因素，决定采用进口节流、出口节流还是旁通节流方式。

　　3）压力控制回路压力控制回路不仅包括控制执行器输出力（或力矩）的回路，还包括用来吸收执行器起停时的制动力、外负载引起的冲击力的安全回路作为输出力控制回路，有用溢流冷漠限制最高压力的调压回路，还有用减压阀把某个执行器限制到低于油源压力的压力的减压回路制动回路、平衡回路、安全回路等中所用的压力控制阀，有直动式、先导式、内控式、外控式等各种结构，性能和特性也有多种不同，实际使用时必须十分注意3）液压油处理回路液压油处理回路包括进行液压油液污染控制的过滤回路和油液温度控制回路在过滤回路中，要根据所用液压元件和液压油的种类确定过滤器的容量，过滤精度和设置部位当环境温度较高或液压装置内部发热较多，单靠油箱和管路系统自然散热无法维持与所用元件相适应的温度和精度时，必须设置油冷却器，环境温度过低，液压泵超支困难时，必须考虑设置加热器或其他暖机运行方式4）辅助回路辅助回路包括液压系统维修所需的回路和作为安全措施专门设置的回路在保养维修方面，要考虑测压口、油液取样口、元件拆卸时防止油液外流的措施、易于组成冲洗回路等，在安全方向，要考虑长期停机时防止自重引起下落的措施，防止误动作的措施，双重安全措施等1．1．3组成元件的设计液压回路中所用的元件分类四大类，即能量输入元件，例如泵；控制元件，如阀；能量输出元件，如马达；辅件，如管子、油箱、接头等。

　　前三类直接参与回路的能量传递功能，辅件虽不直接参与能量传递，但是保证和改善回路功能所必须的上述元件的选择顺序是执行器-阀-泵-辅件，但首先要选定液压油液1．选定液压油油液在液压系统中实现润滑与传递动力的双重功能，必须根据使用环境和目的慎重造反油液的正确选择保证系统元件的工作与寿命系统中工作最繁重的元件是泵和马达，针对泵和马达造反的油液也适用于阀液压油的种类可按图所示的流程选择油液与密封材料的相容性见下表推荐的油液粘度范围见下表起动时粘度过度会引起泵气蚀和噪声；连续工作在较高粘度下会使空气悬浮在油液中，从而引起泵、马达的提前失效和阀的冲刷磨损；粘度过低会造成系统效率降低和动力润滑破坏不同粘度等级的油液，其精度为表5的推荐值时对应的温度见表62．确定液压执行器在前面的系统功能设计中，已经确定了执行器的种类、数量和动作现在要确定具体的结构形式，规格及安装方式1)液压缸单作用液压缸仅在靠自重、外负载或弹簧力等机械方式实现回程时才使用，一般多使用双作用缸需要以较短的安装长度来实现很长的工作行程时，可考虑使用多级伸缩缸或增设能放大行程的倍增机构(图4—8)缸的行程取决于负载运动距离行程较长时需要活塞杆较粗，可能还要在缸内装有止动套管，以提高抗纵弯能力。

　　缸筒的结构，一般机械设备多用拉杆式和螺纹式，冶金工业、锻压机械等的重型缸及高压大直径缸用焊接式安装方式要根据负载特性和运动形式妥善选择，要使液压缸所受载荷沿动作方向而在径向不受载荷常用的安装方式见图4—9法兰安装提供高强度的中线支座，但对找正的要求较高可以用有杆端法兰或无仟端法兰来安装缸，有杆端法兰比较适合于拉力负载；水平安装的长缸可能需要亿自由端设置附加支座以防止下垂(图4—10)中线凸耳沿活塞杆中心线所在平面支承缸体这种安装使安装螺栓只受单纯的拉伸或剪切，不受复合力要求精确找正，但精确找正后是很牢固的泵与马达类型推荐粘度范围（m m 2/S）40℃下的粘度运行粘度起动时最高粘度直轴柱塞式32~68 13~54 20齿轮式、叶片式、斜轴式860低速大扭矩叶片马达10粘度等级（40℃以下）(m m 2/s)起动时最高粘度(m m 2/s)运行粘度(m m 2/s)860 20 10 54 1332 -12℃6℃14℃27℃62℃46 -6℃12℃2℃34℃71℃68 0℃19℃29℃42℃81℃耳轴安装使缸可以驱动曲线运动的负载耳轴通常布置在活塞杆中心线所在平面内，并且只承受剪切载荷由于它是—-种铰接安装所以有助于补偿不对正度。

　　耳环安装的整体式耳环是缸底盖的一部分由于支点在缸体以外，所以这种安装的杠杆臂较长加长拉杆安装象法兰安装一样也提供中线支座，但刚度较低脚架安装由于脚架低于活塞杆的中心线而使缸承受倾翻力矩应力值高于中线凸耳安装而刚度较低脚架安装式能允许稍大的不对正度往往用键或销来承受剪切载荷以便安装螺栓仅受拉力缸内径根据所需缸力F和可利用的系统压力p来确定以单杆双作用液压缸为例，其推力F1和拉力F2分别为F1=A1pβ=πD2pβ/4F2=A2pβ=π(D2-d2)pβ/4式中A1为无杆腔活塞受压面积A2为有杆腔活塞受压面积D为缸内径d为活塞杆外径F1为推力F2为拉力p为工作压力β考虑滑动部分的阻力、管路及元件的压力损失的系数惯性力小时取为0.6~0.8，惯性力大时取为0.25~0.35根据上式算出受压面积后，再从受压面积表中选出合适的缸内径缸速的确定涉及循环时间和缸的行程一般推荐的速度范围是15—30m／s缸速过高时，密封的寿命缩短速度过低时还容易发生爬行现象，无法平稳地动作有些缸带有内装式缓冲装置，以便在活塞接近行程末端时，使活塞逐渐减速，防止活塞撞击缸头但是，如果使很大的负载高速动作，则进入缓冲段时产生的冲击压力有时会使机械装置或液压缸损坏。

　　当缸速超过20m m／s且运动质量较大时，单靠缸内的缓冲装置无法吸收全部惯性。