第 9 章 液压系统的设计与计算
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液压系统设计属于整机设计范畴内的一部分，它不但得契合主机动作循环以及静、动态性能等方面提出的要求，而且还需达成结构简易、工作安全可靠、效率高、经济性佳、使用维护便利等条件。液压系统的设计，鉴于系统的繁杂程度不同、借鉴资料数量不等以及设计人员经验各异，在做法上存在差别。各部分的设计有时要交替开展，甚至要历经多次反复方可完成。
液压系统设计的步骤大致如下。
① 明确设计要求，进行工况分析。
② 初定液压系统的主要参数。
③ 拟定液压系统原理图。
④ 计算和选择液压元件。
⑤ 验算液压系统性能。
⑥ 绘制工作图和编写技术文件。
9.1，将设计要求予以明确，开展工况分析，9.1.1，把设计要求以及工作环境明确清楚 。
在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。
① 主机有着怎样的用途，其工艺过程是怎样的，总体布局是如何的，还有对液压传动装置的位置有怎样的要求，对其空间尺寸又有怎样的要求 。
② 主机针对液压系统有着性能方面的要求，这些要求包含运动方式，行程，速度范围，负载条件，运动平稳性，精度，工作循环，动作周期，同步或联锁这些情况 。
③ 液压系统所处的工作环境，涵盖温度状况，湿度情形，振动冲击的程度，以及是否存在腐蚀性物质，是否存在易燃物质等方面 。
9.1.2 工况分析
首先要明确设计的要求，在此基础之上就要对主机展开工况分析，而这个工况分析涵盖了运动分析以及动力分析，。
（1）运动分析
依照工艺要求的运动情形，主机执行元件的运动状况，能够借由位移循环图（L-t）以及速度循环图（v-t）予以呈现，进而针对运动规律展开分析。
① 有一个被称作位移循环图（L-t）的图，它是液压机的液压缸位移循环图，此图中纵坐标L所代表的是活塞位移，横坐标t代表的是从活塞启动一直到返回原位的时间，而曲线斜率表示的是活塞移动速度。这个图能够清晰地表明，液压机的工作循环是分别由六个阶段构成的，这六个阶段依次是快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回以及快速回程 。
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图 9-1 液压机的液压位移循环图
②速度循环图（v - t），工程里液压缸的运动特点能够归纳成三种类型，像图9 - 2展示的那样是三种类型液压缸的速度循环图，第一种由实线表示，液压缸一开始做匀加速运动，接着匀速运动，最后匀减速运动抵达终点；第二种由虚线表示，液压缸在总行程的前一半做匀加速运动，在另一半做匀减速运动，并且加速度的数值是相等的；第三种由点划线表示，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度做匀加速运动，随后匀减速至行程终点 。v-t图之中的三条速度曲线，清晰地显示出了三种类型液压缸的运动规章，还间接地显示出了三种工况的动力特性情况。
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图 9-2 三种类型液压缸的速度循环图
（2）动力分析
针对机器在工作进程里其执行机构的受力情形展开的研究，被称作动力分析。对于液压系统来讲，具体指的是针对液压缸或者液压马达的负载状况予以研究。拿液压缸来说，它所承受的负载主要涵盖六个部分，分别是工作负载、导向摩擦负载、惯性负载、重力负载、密封负载以及背压负载。下面进行简要叙述。
每台机器的工作负载Fw都不一样，拿起重设备来讲，其工作负载是起吊重物的重量，而液压机的工作负载则是压制工件的轴向变形力。当工作负载与液压缸运动方向相反时，它的值为正，方向相同时，值为负。工作负载可能是定值，也可能是变量，其大小和性质，得依据具体情形来作出分析。
② 导轨摩擦负载Ff，它是指液压缸驱动运动部件时，运动部件所受的导轨摩擦阻力，其数值跟运动部件的导轨形式、放置情形以及运动状态相关，各种形式导轨的摩擦负载计算公式能够查阅有关手册，比如说机床上常常使用平导轨跟V形导轨，当它们水平放置时，其导轨摩擦负载计算公式如下所述 。
平导轨
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V 形导轨
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式子当中，G是运动部件的重力，FN是垂直于导轨的工作负载，α是V形导轨的夹角，这个夹角一般为90°，f为摩擦系数，摩擦系数的值能够参考表9-1来选取。 ，。
表 9-1 导轨摩擦系数f
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③ 惯性负载Fa，惯性负载乃是运动部件于启动加速之际或者制动减速之时所呈现的惯性力，其数值能够依据牛顿第二定律予以求出，也就是。
加载中... （9-3）
式子当中，g是重力加速度，Δt是启动、制动或者速度转换的时间，Δv是在Δt这个时间里面速度的变化数值，。
④ 重力负载Fg， 存在垂直放置的运动部件， 其自重会成为一种负载， 还有斜放置的运动部件， 其自重同样会成为一种负载， 当部件倾斜放置时， 只需计算重力在运动方向上的分力， 对于液压缸而言， 当它上行时重力取正值， 与之相反的情况， 也就是液压缸下行时重力取负值， 。
⑤密封负载Fs，密封负载指的是液压缸密封装置的摩擦力，摩擦力的值跟密封装置的类型有关，跟密封装置的尺寸有关，跟液压缸的制造质量有关，还跟油液的工作压力有关。在未完成液压系统设计之前，无法知道密封装置的参数，其值没办法计算，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至0.97。
⑥ 背压负载Fb，背压负载是那种由液压缸回油腔压力致使的阻力，在系统方案以及液压缸结构还没有确定以前没有办法去计算，于负载计算的时候能够暂时不予以考虑。
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
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快速阶段
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工进阶段
加载中... （9-6）
制动减速
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针对简单之液压系统，上述计算流程能够予以简化。举例而言，要是采用单定量泵来供应油液，那么仅需对工进阶段的总负载力展开计算，要是简单系统运用限压式变量泵或者双联泵来供应油液，那么仅仅需要计算快速阶段以及工进阶段的总负载力。
若执行机构为液压马达，其负载力矩计算方法与液压缸相类似。
9.2，液压元件实施计算以及去选择，9.2.1，执行元件架构类型还有参数予以确定，。
被液压传动系统采用的执行元件结构类型，需要依据主机所要达成的运动种类以及性质来确定，可去参见表 9 - 2。
表 9-2 执行元件结构类型的选择
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执行元件的结构参数根据工作压力和最大流量来确定。
（1）初选执行元件的工作压力
工作压力是用以确定执行元件结构参数的主要依据，其大小会对执行元件的尺寸及成本具有影响，甚至关乎整个系统的性能，工作压力若选得高，执行元件与系统的结构便紧凑，然而对元件的强度、刚度以及密封要求较高，并且要采用较高压力的液压泵；相反；倘若工作压力选得低，就会令执行元件以及整个系统的尺寸增大，致使结构变得庞大，所以应当依据实际情况选取适宜的工作压力，执行元件工作压力能够依据总负载值选取，见表9-3。
表 9-3 按负载选择执行元件的工作压力
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（2）确定执行元件的主要结构参数
液压缸继续作为例子来说，要确定的最为主要的那些结构尺寸之意指的是，缸的内径D以及活塞杆的直径d，计算并确定D和d的通常方法，查看第4章相关的内容 。
针对存在低速运动需求的系统，还得对液压缸有效工作面积予以验算，也就是说需要确保。
加载中... （9-8）
在式子当中，A是液压缸工作腔那儿的有效工作面积，qmin是用来控制执行元件速度的流量阀的最小稳定流量，这个可以从液压阀产品样本上去查找得到，vmin是液压缸所要求能够达到的最低工作速度 。
若验算结果不能够满足式（9 - 8），情况则表明按照所设计的结构尺寸以及方案，无法达到所需要的最低速度，如此一来就必须修改设计。
（3）验算执行元件的工作压力
当计算得出液压缸的主要尺寸D以及d之后，需依照系列标准去进行圆整，经过圆整的标准值和计算值之间通常都会存在一定偏差，所以，有必要依据圆整值对工作压力开展一次验算。另外，在按照上述方法来确定工作压力的进程之中，并未计算回油路的背压，因而所确定的工作压力仅仅是执行元件为了克服机械总负载所需要的那部分压力，在结构参数D、d确定下来之后，若选取适当的背压估算值，便能够求出执行元件工作腔的压力。
对于单杆液压缸，其工作压力p可按下列公式计算。
无杆腔进油工进阶段
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有杆腔进油阶段
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此处式子里面，F代表的是，液压缸于各个工作阶段的，最大机械总负载；A1、A2分别指的是，液压缸无杆腔的，以及有杆腔的，有效面积；pb是说，液压缸回油路的，背压，在系统设计完成以前，依据设计手册，取推荐值 。
（4）执行元件的工况图
各执行元件的主要参数被确定下来后，不仅能够计算执行元件在工作循环各个阶段里的工作压力，还能够求出需要输入的流量以及功率，此时就能够作出系统里各执行元件在其工作进程中的工况图，也就是执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率针对时间或者位移的变化曲线图。把系统中各执行元件的工况图进行合并，就得到了整个系统的工况图。液压系统的工况图，能够显示整个工作循环里，系统压力的最大值，流量的最大值，功率的最大值，以及它们的分布情况，可为后续设计步骤之中，选择元件，选择回路，或者修正设计，提供合理的依据。
