第九章  液压系统的设计计算

9.1重点、难点分析

能设计中等复杂程度的液压系统是学习液压课程的目的之一。要能独立设计出符合使用要求的液压系统，必须掌握前八章的基本内容。在此基础上熟悉液压系统的设计步骤、明确设计要求、合理使用设计资料、正确的选取设计参数后，就可以完成设计任务。因此，对设计要求的分析、设计资料的查找与熟悉、设计参数的选取是本章的重点。

由于初学者缺乏设计经验，对于系统回路设计、参数选取难以做到合理恰当。所以，系统液压回路的设计与液压参数的选取是本章的难点。

真正掌握液压系统的设计需要具备一定的实际工作的经验，本章只能通过一个设计实例介绍液压系统的一般设计步骤，从而展示设计要求的分析过程、液压回路的拟定要点、设计参数的确定方法、液压元件的选取原则、系统验算的计算内容和系统参数的设定步骤。由于课内学时有限，可以在课程设计或在大型作业中单独介绍本章内容。在学习本章内容时应注意以下几点：

1．在设计液压系统时首先要对所要设计的设备进行全面的了解，明确设备对液压系统的所有要求，例如：所设计设备的用途、总体布局、对液压装置的位置与空间尺寸的限制；设备的工艺流程、动作循环、技术参数及性能要求；设备对液压系统的工作方式及控制方式的要求；对液压系统的工作条件、工作环境、经济性与成本等方面的要求等等。

2．液压系统原理图的拟定是在系统的方案设定的基础上，通过选择基本回路、拟合回路、优化回路性能、防止回路干扰完成。确定液压系统方案时，要涉及到系统参数的调整、工作介质及回路类型的选择、执行元件与动力装置种类的初定等。

系统参数的调整与控制主要涉及调速、调压、换向三个方面。对于电动机驱动的中小型液压设备，或系统的平稳性要求较高时，可选用节流调速或容积节流调速回路；当要求系统高效节能且速度平稳性要求不高时，可选用容积调速回路；若原动机为内燃机时，可通过改变泵的转速来实现调速。压力控制应根据执行元件的工作需要而确定稳压、安全、减压、卸载、平衡等调压方式。换向方式主要分为电动和手动两大类。当设备要求自动控制时应选电动换向方式；对于行走机械、工程机械，多采用手动操纵方式。

普通液压设备一般选用矿物型液压油，在高温及易燃环境下作业的液压设备应选用难燃工作介质；液压装置可分为开式和闭式回路两种方式，对于普通液压设备应采用开式回路，对于行走机械、工程机械或航空液压装置应选用闭式回路。

液压设备的执行元件是根据设备负载的大小、运动形式、行程长短、空间结构等条件，确定执行元件的类型，计算结构参数；然后制订执行元件的负载—行程、速度—行程、功率—行程工况图；根据此图初步确定液压泵的类型。

3．液压系统参数的计算与液压元件的选择是在初选了执行元件与泵的类型后进行的设计工作。根据选定的液压泵和所拟定的液压系统图，计算各个液压控制阀及辅件等液压元件在不同工作阶段所承受的压力与流量等系统参数，以此选定元件的规格。液压系统参数的计算必须逐一将各工作阶段的系统实际形成的参数计算出后，经过分析对比、加权折扣后，最终才能确定各元件的规格参数，单凭某一工作阶段的工况是无法确定元件的规格参数的。

4．系统的验算与各控制元件调整参数的设定是系统设计的另一项重要工作。根据液压系统的不同，验算性能参数的项目也有所不同，一般要进行系统压力损失验算、系统发热验算、系统散热验算、系统效率演算等。若根据液压装置计算出的压力损失大于预先估计的压力损失值，则应提高泵的额定压力或增大溢流阀的调整压力。系统发热验算的目的是验算油温是否超过允许值，若油温超过允许值则应考虑扩大油箱容积或单独设置冷却装置。控制元件调整参数的设定主要指压力阀调整压力确定与各测压点压力的确定。当系统的验算完成了，各压力阀的调整参数就可以确定，据此可以设置系统的压力控制点，检测系统的工作状态。

5．设计文献的编制与非标液压装置的设计是系统设计的最后一个内容。设计文献主要包括设计任务书、设计计算书、使用说明书、易损件明细表等；非标液压装置设计主要包括非标准件设计、液压装置总图设计、管道安装图设计等。这些文献和设计是依据液压设备的不同、系统复杂程度差异、产品用途不同而不同。

6．液压系统的一般设计过程包括：明确要求与负载分析、选择方案与回路设计、参数计算与元件选择、系统验算与参数设定、文献编写与装置设计等几个设计步骤。由于液压系统的多样性，许多因素无法直接确定，因此设计步骤是灵活的，经常会遇到设计步骤需要穿插进行，特别是对于不同的设计对象(例如机床液压系统、工程机械液压系统、冶金设备液压系统等)，其设计步骤略有差别，对于比较简单的液压系统有些步骤可以简化与合并。

7．随着技术的发展，有许多设计资料可以参阅，多种设计经验可以借鉴。因此，设计资料的查找，设计思想的建立也是本章需要注意的问题。在查找设计手册、阅读产品样本时要注意数据资料使用条件和环境要求；在学习设计方法时应认识到：一个设计方案常要通过分析、对比、选择和估算等过程才能最终确定，一个恰当的设计参数通常需要经过设计—检验—否定，再设计—检验—否定等几个反复过程才能完成。  

9.2典型例题解析

例9-1 一台专用铣床，铣头驱动电机功率为7.5kW，铣刀直径为120mm，转速为350r/min。工作行程为400mm，快进、快退速度为4.5m/min，工进速度为60~1000mm/min，往复运动时加、减速时间为0.05s。工作台水平放置，导轨静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，运动部件总重量为4kN。试设计该机床的液压系统。

解：1.负载分析

负载扭矩：

切削力：

静摩擦力：

动摩擦力：

惯性力：

取液压缸的机械效率η_m=0.9

故可列出液压缸各动作阶段中的负载和推力如下表

力 动作	液压缸负载F（N）	液压缸推力F/ηm（N）
启动	F=Ffs=1078	1198
加速	F=Ffd+ Fa=539+825=1364	1515
快进	F=Ffd=539	599
工进	F= Ffd+ Fw=539+3410=3949	4388
快退	F=Ffd=539	599

2．根据液压缸的工况分析绘制其负载、速度循环图

如图9-1（a）、（b）所示

3．初步确定液压缸的参数

(1)初选液压缸的工作压力

根据液压缸的最大推力为4388牛，按教材表4-7选用液压缸的工作压力p₁=3×10⁶Pa

(2)计算液压缸尺寸

选用差动液压缸，使活塞杆面积保持关系A₁=2A₂，于是d=0.707D。按教材表9-1取背压p₂=0.8×10⁶Pa，当液压缸快进时作差动连接，此时由于管中有压力损失，液压缸有杆腔的压力必须大于无杆腔的压力，这项压力损失可按0.5×10⁶Pa估计，即回油管路压力损失Δp=0.5×10⁶Pa。从满足最大推力出发，计算液压缸面积，

液压缸内腔直径D为：

按教材表4-4取D=50mm，活塞杆直径d=0.707D=0.707×50=35.3mm，取d=36mm。

所以，液压缸实际有效工作面积为，

(3)液压缸工作循环中各阶段的压力、流量及功率计算

1）工进时液压缸需要的流量

2）快进时液压缸需要的流量

3）快退时液压缸需要的流量

4）快进时液压缸的压力

5）工进时液压缸的压力

6）快退时液压缸的压力

7）快进功率

8）工进功率

9）快退功率

根据计算绘制液压缸工作循环中各阶段的压力、流量及功率图，如图9-1（c）、（d）、（e）所示。

4．拟定液压系统

（1）选择液压回路

从液压缸的工况图可以看出该系统有如下特点：

1）系统的流量、压力较小，可以用一个单向定量泵和溢流阀组成供油油源，如图9-1（f）所示。

2）铣床加工零件时，有顺铣和逆铣两种工作状态，宜选用回油路节流调速阀调速，如图9-1（g）所示。

3）行程控制方式，由于一般铣床对终点位置的定位精度要求不高，选用普通的电器行程开关与死挡铁的控制方式。

4）换向回路选用三位四通“O”型电磁换向阀实现液压缸的进退与停止，采用二位三通电磁换向阀实现液压缸的差动连接，如图9-1（h）、（i）所示。

（2）组成液压系统图

组合成的液压系统图如图9-1（j）所示。

5．液压元件的计算和选用

（1）确定液压泵的容量及驱动电机的功率

1）液压泵的工作压力和流量

进油路的压力损失取∑Δp₁=0.3×10⁶Pa，油液的泄漏系数取λ_p=1.1，则

根据所需的压力、流量查表选择YB₁-4型的定量叶片泵，其转速为1450r/min，额定压力为6.3MPa，总效率η_P=0.75

2）确定驱动电机的功率

从所绘制的液压缸工况图可以看出最大功率出现在快退阶段，

查表选择Y801-4型电机，其功率为0.55kW。

（2）确定其它元件的规格

1）控制阀

根据液压泵的控制压力和通过各阀的实际流量选择

序号	元件名称	最大流量（L/min）	最大工作压力（MPa）	型号规格
1	定量叶片泵	5.8	6.3（额定压力）	YB1—4
2	溢流阀	16	21	DT-02-B-22
3	三位四通电磁阀	15	25	4WE5E6.0-6.0/AW220-50Z4
4	单向调速阀	8	14	FCG-01-8-*-11
5	二位三通电磁阀	15	25	3WE5A6.0-6.0/AW220-50Z4
6	单向阀	18～1500	31.5	SA1O
7	压力表开关	—	35	KF-L8/M14E
8	滤油器	16	2.5（额定压力）	XU-B16×100

单向调速阀QI—10B的最小稳定流量q_min=0.04L/min

2)确定油管直径

在快进和快退工况时，因流入或流出液压缸的流量为2.075q_P，所以管道流量按2.075q_P =2.075×5.8=12L/min计算，去压油管的流速v=3m/s，则

取内径d=10mm的管道，吸油管的流速取v=1m/s，通过流量为5.8L/min，则，

取内径d=12mm的管道。

3）油箱容积

4）从满足低速度出发，验算液压缸的面积

前面从满足推力出发计算的液压缸面积为A_1F=16.9cm²>A_1v，故前面从满足推力出发计算的液压缸尺寸是正确的。

6.液压系统性能验算（略）

(a)                                                                                                            (b)

(c)                                 (d)

    

           (e)                     (f)                      (g)

 

   

(h)                         (i)                        (g)

图9-1 例9-1图

 

9.3 练习题

9-1       设计液压系统一般经过那些步骤？要进行哪些方面的计算？

9-2       如何拟定液压系统原理图？

9-3       设计一台小型液压压力机的液压系统，要求实现快速空程下行 → 慢速加压 → 保压 → 快速回程 → 停止的工作循环，快速往返速度为3m/min，加压速度为40~250mm/min，压制力为200000N，运动部件总重量为20000N。

9-4       某立式组合机床采用的液压滑台快进、快退速度为6m/min，工进速度为80mm/min，快速行程为100mm，工作行程为50mm，启动、制动时间为0.05s。滑台对导轨的法向力为1500N，摩擦系数为0.1，运动部分质量为500㎏，切削负载为30000N。试对液压系统进行负载分析。