第八章第八章

液压传动系统的设计与计算液压传动系统的设计与计算

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第八章 液压传动系统的设计与计第八章 液压传动系统的设计与计算算

第一节 液压系统的设计步骤和设计计算 第二节 工况分析和确定执行元件主要参数 第三节 拟定液压系统原理图 第四节 选择液压元件并确定安装连接形式 第五节 液压系统主要性能的验算 第六节 绘制工作图和编制技术文件 第七节 液压系统设计计算举例 第八节 液压系统计算机辅助设计概述

第一节 液压系统的设计步骤和设计计算

一 设计步骤

二 液压系统的设计要求 （ 1 ）系统的动作和性能要求 液压传动系统的动作和性能要求，主要包括有：运动方式、行程

和速度范围、载荷情况、运动平稳性和精度、工作循环和动作周期、同步或联锁要求、工作可靠性等。

（ 2 ）系统的工作环境 液压传动系统的工作环境，主要是指：环境温度、湿度、尘埃、

是否易燃、外界冲击振动的情况以及安装空间的大小等。（ 3 ） 其它方面的要求 ，如：液压装置的重量、外观造型、外观尺寸

及经济性。

第二节 工况分析和确定执行元件主要参数

对执行元件的工况进行分析，就是查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的大小、方向及其变化规律。并将此规律用曲线表示出来，作为拟定液压系统方案确定系统主要参数（压力和流量）的依据。

一、运动分析

运动分析即对液压执行元件一个工作循环中各阶段的运动速度变化情况进行分析，并画出速度循环图

图 8-2a 为滑台工作循环图图 8-2b 为滑台的速度—位移曲线图

二、负载分析

F- 液压缸总负载（ N ）FW - 液压缸工作负载（ N ）Ff – 导轨摩擦负载（ N ）Fb – 背压负载（ N ）Fs – 密封摩擦阻力（ N ）Fi – 惯性负载（ N ）

把执行元件工作的各个阶段所需克服的负载，用负载—位移曲线表示，称为负载循环图。绘制负载循环图时，应先分析执行元件的受力情况。

F=FW+Ff+Fb+FS+Fi （ 8-1 ）

( 一 ) 工作负载 FW

不同的机器有不同的工作负载。对于金属切削机床来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载；对液压机来说，工作的压制抗力即为工作负载。工作负载 FW

与液压缸运动方向相反时为正值，方向相同时为负值（如顺铣加工的切削力）。工作负载可能为恒值，也可能为变值，其大小要根据具体情况进行计算，有时还要由样机实测确定。

（二） 导轨摩擦负载 Ff

导轨摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导轨摩擦阻力，其值与运动部件的导轨型式、放置情况及运动状态有关。各种型式导轨的摩擦负载计算公式可查阅有关手册。机床上常用平导轨和 V 形导轨支承运动部件，其摩擦负载值的计算公式（导轨水平放置时）为：

平导轨Ff = f (G + FN )

V 形导轨

式中： f —— 摩擦系数； G —— 运动部件的重力； FN —— 垂直于导轨的工作负载； —— V 形导轨面的夹角，一般 =90 。

Nf

sin2

G FF f

（三）背压负载 Fb

背压负载是指液压缸回油腔背压所造成的阻力。在系统方案及液压缸结构尚未确定之前， Fb 也无法计算，在负载计算时可暂不考虑。

（四） 密封负载 Fs

密封负载是指密封装置的摩擦力，其值与密封装置的类型和尺寸、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关， Fs 的计算公式详见有关手册。在未完成液压系统设计之前，不知道密封装置的参数， Fs 无法计算，一般用液压缸的机械效率 m 加以考虑，常取 m = 0.90 ～ 0.97 。

（五）惯性负载 Fi

惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性力，其值可按牛顿第二定律求出。在加速时取 +Fi ；减速时取 - Fi ；恒速时 Fi=0 。

绘出液压缸工作负载循环图 8-4

三、液压缸的主要参数

液压缸的主要结构尺寸是指缸的内径 D 和活塞杆的直径 d （第四章已介绍过）。

对有低速运动要求的系统（如精镗机床的进给液压系统），尚需对液压缸的有效工作面积 A 进行验算，即应保证

（ 8.2 ） 式中： qmin—— 控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量

； min—— 液压缸要求达到的最低工作速度。 验算结果若不能满足式（ 8.2 ），则说明按所设计的结

构尺寸和方案达不到所需的低速，必须修改设计。

Aq

min

min

四、绘制执行元件工况图

各执行元件的主要参数确定之后，不但可以复算液压执行元件在工作循环各阶段内的工作压力，还可求出需要输入的流量和功率。这时就可作出系统中各执行元件在其工作过程中的工况图，即液压执行元件在一个工作循环中的压力、流量和功率随时间（或位移）的变化曲线图（如图 8-5）。

第三节、拟定液压系统原理图

液压传动系统原理图是表示液压传动系统的组成和工作原理的图样。 （ 1 ）确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的系统，都采用开式油路；凡允许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到冷却目的的系统，都采用闭式油路。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。

（ 2 ）选择液压回路 在拟订液压传动系统原理图时，应根据各类主机的工作特点和

性能要求，首先确定对主机主要性能起决定性影响的主要回路。 （ 3 ）确定控制方式 （ 4 ）组成液压系统

第四节 选择液压元件并确定安装连接形式

1. 选择液压泵 (1) 确定液压泵的最高供油压力 pp

对于执行元件在行程终了才需要最高压力的工况（此时执行元件本身只需要压力不需要流量，但液压泵仍需向系统提供一定的流量，以满足泄漏流量的需要），可取执行元件的最高压力作为泵的最大工作压力。对于执行元件在工作过程中需要最大工作压力的情况，可按下式确定

pp ≥ p＋ Δp （ 8-3 ） 式中： pp —— 液压泵的最高工作压力； p —— 液压缸工况图中所示的最高工作压力； Δp—— 系统压力损失

(2) 确定液压泵的最大供油量 一般情况： qp=K qmax

采用节流调速： qp=K qmax+Δq 采用许能器 ： qp=K q 式中： qp —— 液压泵最大供油量（ m3/s ） qmax —— 同时动作的各液压缸所需流量之间的最大值（ m3/s ） Δq ——溢流阀最小溢流量， Δq = （ 3.3 ～ 5 ） ×105 （ m3/s ） k —— 系统的泄漏修正系数，一般取 k = （ 1.1～ 1.3 ），大流量取

小值，小流量取大值； q —— 采用蓄能器时的液压缸平均流量（ m3/s ） 为保证液压泵的正常工作，所选液压泵的公称压力可比系统的最高压力高

出 25% ～ 40% 。液压泵的流量则与系统所需流量相当，不宜超过太大。 液压泵电动机的功率按下式计算 p=ppqp ×10-3 /ηp 式中： p——电动机功率（ m3/s ） ηp —— 液压泵的总效率，见液压泵产品说明书

2.选择阀类元件

各种阀类元件的规格型号，按液压传动系统原理图和系统工况图中提供的该阀所在支路最大工作压力和通过的最大流量从产品样本中选取。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，必要时，可允许其最大通过流量超过额定流量的 20% 。

3 、选择液压辅助元件 （一）油管 油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处尺寸决定，只有对一些重要的管道才验算其内径和壁厚。

d=2 d—— 油管内径（ m ） qv ——通过油管的流量（ m3/s ） v —— 油管允许流速（ m/s ），其值见表 8-1

油管壁厚可下式计算 δ=pd/2 ［ σ］ 式中 δ—— 油管壁厚（ m ） p ——管内压力 (MPa) d —— 油管内径 (MPa) ［ σ］ ——油管材料的许用拉应力 (MPa) ，对于钢管［ σ］ = σb

=/n, σb 是材料抗拉强度， n 是安全系数（ n=4 ～ 8 ） ,铜管可取［ σ］≤ 25MPa 。

算出的油管尺寸须按有关资料选取规格的标准油管。

（二）油箱 为了储油和散热，油箱必须有足够的容积和散热面积。油箱的有效容量（指液面高度为油箱高度的 80% 时，油箱所储液压油的体积）。

当 pp≤2.5MPa 时： V= （ 120 ～ 240 ） qp;

当 2.5MPa ＜ pp≤6.3MPa 时： V= （ 300 ～ 420 ） qp ；

当 pp＞ 6.3MPa 时： V= （ 360 ～ 720 ） qp

式中 V—— 油箱有效容积（ m3 ） qp —— 液压泵流量（ m3/ s ） ( 三 ) 其他辅助 按照有关资料或手册选取。

3 、液压元件安装连接形式的确定 对于机床等固定式的液压设备，常将液压传动系统的动力源、阀

类元件（包括某些辅助元件）集中安装在主机外的液压站上。这样能使安装与维修方便，并消除了动力源振动与油温变化对主机工作精度的影响。而阀类元件在液压站上的配置也有多种形式可供选择。配置形式不同，液压系统元件的连接安装结构和压力损失也有所不同。

集中式结构 （一）按系统的结构形式 分散式

（二）按阀类元件的配置方式确定

（ 1 ）、箱体式配置

（ 2 ）、集成块式（ 3 ）、叠加阀式配置

第五节 液压系统的主要性能的验算

一、系统压力损失即泵的工作压力 通过系统压力损失的计算，我们可以把整个系统的各段

压力折合到液压泵出口处，以便于确切地算出液压泵出口、液压缸进、出口的实际工作压力，从而确定各压力阀的调整压力。

（一）单杠液压缸一般连接时 Δp 的计算

P1A1=F1+P2A2

PP=P1+ Δp 1

由于系统油管通油箱，故P2= Δp 1 ，带入上式，解得泵的工作压力 PP 和 Δp 为：

P1—— 液压缸工作压力（ MPa); P1=F1/A

Δp 1 —— 进油路上的总压力损失（ MPa);

Δp 2 —— 回油路上的总压力损失（ MPa);

8-13

8-14

（二）液压缸差动时 Δp 的计算

P1A1=F3+P2A2

PP=P1+ Δp 1 + Δp 3

由于液压缸两腔相连通，其两缸的液压关系为 P2- Δp 2=P1 。代入两式可解得：

式中 P3 — 液压缸差动时工作压力（ MPa ） Δp 1 — 进油路上的总压力损失（ MPa ） Δp 2 — 回油路上的总压力损失（ MPa ） Δp 3 — 合流路上的总压力损失（ MPa ）

8-15

在液压系统中，执行机构（如液压缸）输出的有效功率 PCO

=(PCO=FV) 与输入动力装置（如液压泵）功率 PPi(PPi=ppqq/η ）的比值，称为系统总效率，即：

η=PCO/PPi=ηPFV/ppqq

二 液压系统的总效率 η

三、液压系统发热及温升校核功率损失使系统发热，则单位时间的发热量 φ （ kW ）为： Δ Q1=PPi-PCO （ 8-17 ） ΔQ1=PPi(1-η) （ 8-18 ） 式中： ΔQ1 —— 油箱单位时间散热量（ KW ） P1 —— 系统的输入功率（ KW ） ； P2 —— 系统的输出功率（ KW ） ;

功率损失使系统发热，则单位时间的发热量 φ （ kW ）为： ΔQ2=ΚA ΔΤ （ 8-17 ） 式中： ΔQ —— 油箱单位时间散热量（ KW ） ΔΤ—— 油箱中油液温度与周围空气温度的温差（℃） ； Κ—— 油箱的散热系数（ KW/m2× ℃ ） ; A —— 油箱的散热面积（ m2 ），若油面的高度为油箱高度

的 80% 时，已知油箱的有效容积是 V （ m3 ），则散热面积近似为A≈6.66V2/3

。

散热条件 散热系数 Κ （ KW/m2× ℃ ） 周围通风较差周围通风较好用风扇冷却用循环水强制冷却

（ 8~9 ） ×10-3

15 ×10-3

23 ×10-3

（ 110~175 ） ×10-3

表 8-2 油箱散热系数

当液压系统产生的热量和油箱散热相等时（ ΔQ2= ΔQ1 ），油温不再上升，在热平衡状态下油液所达到的温度为：

t1 = t2+ppi （ 1-η ） /KA （ 8-20 ） t1 ——热平衡状态时油液温度（ ℃ ） t2 —— 环境温度（ ℃ ） 由式（ 8-14 ）计算出的油液温度 t1若超过表 8-3 中规定的允许最高温度时

，系统中就必须考虑添设冷却装置或采取适当措施，提高液压系统的效率

主机类型 正常工作温度 允许温升 允许最高温度普通机床数控机床粗加工机械工程机械

30~55

30~50

40~70

50~80

25~30

≤25

35~40

35~40

55~65

55~65

60~95

70~90

表 8-3 某些液压系统中规定的油温允许值

第六节 绘制工作图和编制技术文件 一、 绘制正式工作图 正式工作图包括液压传动系统原理图、液压传动系统装配图、液

压缸等非标准元件装配图及零件图。 液压传动系统原理图中各元件应按国家标准规定的图形符号绘

制（见附录），另外应附有液压元件明细表，表中标明各液压元件的规格、型号和压力、流量调整值。一般还应绘出各执行元件的工作循环图和电磁铁动作顺序表。

液压传动系统装配图是液压传动系统的安装施工图，包括油箱装配图、液压泵站装配图、集成油路装配图和管路安装图等。在管路安装图中应画出各油管的走向、固定装置结构、各种管接头的形式和规格等。

第七节 液压系统设计计算举例 设计课题：四轴卧式钻孔专用机床液压系统。结构简图如 8-10

钻孔动力部件质量m=2×103Kg ，液压缸机械效率 ηCM=0.9 ，切削力Ft=1.6×104N 。工作循环为：快速前进工作进给快速退回原位停止。快进快退速度约为 75 m/min 。工进速度 1.67mm/min ，行程长度为 150 mm ，其中工进长度为 50 mm 。要求快进转工时进时平稳可靠，工作台能在任何位置停止。

一、工况分析

（二）运动分析 根据已知条件绘制出速度循环图，如图 8-12 所示

（三）确定液压缸尺寸 1 、 初选液压缸的工作压力 取液压缸工作压力为 4MPa 。最大负载为工进阶段的负载 F =

1.996×104 N ，则有：

圆整为标准直径，取 D = 80mm

2 、 确定液压杆直径， 为了实现快进速度与快退速度相等，采用差动连接，则 d =

0.707D ，所以：d = 0.707×80 = 56.8 mm

同样圆整成标准系列活塞直径，取 d = 56.8 mm 。

-26

4 4 22778m = 9.83 10 m

3.14 3 10

FD

p

3 、液压缸实际有效面积

四、绘制液压缸工况图 根据液压缸负载循环图、速度循环图和有效面积，就可以算出液

压缸工作过程各阶段的压力、流量和功率，计算结果见表 8-5 。

二、拟定液压系统原理图

1 、 确定调速方式及供油形式 为了减小负载变化对液压缸运动速度的影响，满足系统对执行元件速

度稳定性的要求，采用调速阀进口节流调速。 液压传动系统的供油主要为快进、快退时低压大流量和工进时高压小

流量两种工况，若采用单个定量泵，显然系统的功率损失大、效率低。为了提高系统效率和节约能源，所以采用双定量泵供油回路。

由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环回路。

2 、 确定换向方式 该系统对换向平稳性的要求不很高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路。为便于差动连接，选用三位五通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路，所以选用 Y 型中位机能。

（三） 确定工作进给油路 使用调速阀和三位五通电磁阀实现工作进给时，液压缸回油腔油液需经换

向阀左位流回油箱；同时又为了实现差动连接，回油腔的油液也需经换向阀左位流入进油腔。为了满足两方面的要求，可在会有路上加一个液控顺序阀。

（四）、确定快进转工进方案 由工况可知，快进转工时，流量变化很大，为了保证快进转工时速度换接平稳可靠，采用行程换向阀比采用电磁换向阀好。为防止孔钻通时发生前冲，在回油路上加背压阀。

（五）、终点转化方式的选择

为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器

的行程终点转换控制。

三、液压元件的选择 ( 一 ) 确定液压泵的工作参数 1 、估算小流量泵的最大工作压力 pp 工进阶段液压缸工作压力为最大，为 3.97 MPa ，如果取进油路总的压力损失是 Δp1= 1MPa，按式（ 8-3 ）计算出：

pp =p+ Δp1=3.97+1=4.97MPa 2 、估算快速移动时的工作压力 快进时压力 p=0.88MPa ，按差动连接计算所需流量是 8.89L/min ，加上有杆腔的回油流量为 9.21L/min，进入液压缸无杆腔的流量是，这样管道内和阀口的压力损失增大，所以取油路的系统压力损失为 Δp1= 1.2MPa ，则：

pp =p+ Δp1=0.88+1.2=2.08MPa

3 、液压泵所需流量计算 ，液压缸所需的最大流量为 9.21L/min ，若取回路泄露系数 Κ=1.1 ，代入（ 8-4 ）计算，两液压泵的总流量为：

qp=Κqmax=1.1×9.21L/min=10.11L/min 工进时液压缸所需流量是 0.5L/min ，取溢流阀的溢流量时 3L/min ，则： qp=Κqmax +Δq = （ 1.1×0.5+3 ） L/min =3.55 L/min

根据计算的压力和流量，查产品样本，选 YB1-4/6 型双联叶片泵

4 、估算液压泵的输入功率 Ppi 液压缸的最大功率出现在快速移动阶段，

YB1 型双联叶片泵总流量 qp=10L/min ，快进估算工作压力 pp =2.08MPa，取叶片泵总效率 η=0.7 ，代入（ 8-7 ），得

PPi=ppqq/η×10-3==0.5KW

用 Y802―4电动机， P = 0.751 kW

( 二 ) 阀类元件的选择 根据所拟定的液压系统原理图，计算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格。

（三）油管的尺寸 由表 8-1 查得，取压油管允许流速为 4m/s,当液压缸快速移动时，

油管中的流量最大是 20L/min,代入（ 8-8 ），可算出内径：d=10.29mm

油管最大压力 p=6.3MPa, 无缝钢管的需用应力为 [σ]=42MPa, 压油管的壁厚可按式（ 8-9 ）计算，得

δ=pd/2 [σ]=6.3×10.29/2×42mm=0.8mm

按标准选用 14×1 的无缝钢管。

（四）油箱容量的确定 V=(300~420)qp= (300~420) ×10/(60 × 103 ) m3

=(50~70)L 可选用容量为 100L 的标准油箱

四、验算液压系统主要技术性能 （一）油管的沿程和局部压力损失 液压控制阀采用集成装配，假定由集成装置到机床液压缸之间进出

油的管道都是 2m长，选用 N32好液压油。一般按最低温度 15℃计算沿程损失。计算各压力损失：

（二）阀类元件的压力损失计算 　　调速阀和背压阀的压力损失分别取０ .5MPa, 液控顺序阀打开时

压力损失近似为零，其余值根据公式（ 2-31 ）计算得出。

（三）计算泵的实际工作压力 （四）确定压力阀的参考调整压力 （五）电动机的功率校核 （六）液压系统的效率 （七）液压系统的发热核算

由于本液压系统比较简单，压力损失验算可以忽略。又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故不必进行系统温升的验算。

第八节 液压系统计算机辅助设计概述

一、引言 目前各公司、企业都把产品的更新和开发作为增强竞争力的重要手段

，而 CAD 正是能大幅度缩短产品设计周期，提高设计质量以及提高公司、企业市场竞争能力的有效手段。随着计算机技术的高速发展，应不断开发更实用、更方便、性能更优越的液压系统 CAD软件包，以跟上时代的步伐。

二、液压 CAD 的内容 1 ）液压系统原理图 CAD 2 ）液压专用件 CAD 3 ）液压系统安装图 CAD 4 ）液压系统性能分析

三、液压 CAD 系统的构成 一、液压 CAD软件包的组成 1 、图形库

2 、数据库

3 、数据库

（二）液压 CAD 系统的构成