主讲老师 : 臧红彬

第二节

第二节 液压系统设计计算实例

负载分析与速度分析1

确定参数2

拟定液压系统图3

液压元件的选择4

系统油液温升验算5

例：设计一台卧式单面钻镗两用组合机床，其工作循环是“快进——

工进——快退——原位停止”；工作时最大轴向力为 30kN ，运动部件重为 19.6kN ；快进、快退速度为 6m/min ，工进速度为 0.02~0.12m/

min ；最大行程 400mm ，其中工进行程 200mm ；启动换向时间 t=0.2s ；采用平导轨，其摩擦系数 f=0.1 。

计算实例

1. 负载分析与速度分析1 ）负载分析 由工作负载 Fw =30kN ，重力负载 FG=0 ，按启动换向时间和

运动部件重量（ F·t=m(v2–v1) ）计算得到惯性负载 Fa=1000N ，摩擦阻力 Ff=1960N 。

取液压缸机械效率 ηm =0.9 ，则液压缸工作阶段的负载值见表。

2 ）速度分析

由快进、快退速度为 6m/min ，工进速度范围为 20mm/min~120mm/min 按上述分析可绘制出负载循环图和速度循环图（略）。

2. 确定参数

1 ）初选液压缸的工作压力

由最大负载值查教材中表 9-3 ，取液压缸工作压力为 4MPa 。

2 ）计算液压缸结构参数 为使液压缸快进与快退速度相等，选用单出杆活塞缸差动连接的

方式实现快进，设液压缸两有效面积为 A1 和 A2 ，且 A1=2 A2 ，即d=0.707D 。为防止钻通时发生前冲现象，液压缸回油腔背压 p2 取

0.6MPa ，而液压缸快退时背压取 0.5MPa 。

由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程 p1 A1= p2 A2+F ，可得：

A1=F/ （ p1 － 0.5p2 ） =35511/ （ 4×106 － 0.5×0.6×106 ） cm2 ≈96cm2

液压缸内径 D 就为： D= = =11.06cm

对 D 圆整，取 D=110mm 。由 d=0.707D ，经圆整得 d=80mm 。计算出液压缸的有效工作面积 A1=95cm2 ， A2=44.77 cm2 。 工进时采用调速阀调速，其最小稳定流量 qmin=0.05L/min ，设计要求最低工进速度 vmin=20mm/min ，经验算可知满足教材中式（ 9-1 ）要求。

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964×

3 ）计算液压缸在工作循环各阶段的压力、流量和功

率值

差动时液压缸有杆腔压力大于无杆腔压力，取两腔间回路及阀的压

力损失为 0.5MPa ，则 p2= p1+0.5MPa 。计算结果见表9.5 。

由教材中 9-5 表即可画出液压缸的工况图（略）。

工作循环 计算公式 负载 回油背压 进油压力 输入流量 输入功率 F kN p2MPa p1MPa q110-3 m3/s P kW快 启动加速 p1=F+A2(p2 － p1) 3289 1.10 － － A1 － A2

q1=(A1 － A2)v1 p2= p1+0.5 进 恒 速 P= p1 q1 2178 0.88 0.50 0.44 p1= F+ A2p2 0.0031 0.012工 进 A1

q1=A1 v1 35511 0.6 4.02 P= p1 q1 ～ 0.019 ～ 0.076

快 启动加速 p1= F+ A1p2 3289 1.79 － － A2

q1=A2 v1 0.5退 恒 速 P= p1 q1 2178 1.55 0.448 0.69

表 9-5 ：液压缸工作循环各阶段压力、流量和功率值

3. 拟定液压系统图1 ）选择基本回路（ 1 ）调速回路：因为液压系统功率较小，且只有正值负载，所以选

用进油节流调速回路。为有较好的低速平稳性和速度负载特性，可选用调速阀调速，并在液压缸回路上设置背压。

（ 2 ）泵供油回路：由于系统最大流量与最小流量比为 156 ，且在整个工作循环过程中的绝大部分时间里泵在高压小流量状态下工作，为此应采用双联泵（或限压式变量泵），以节省能源提高效率。

（ 3 ）速度换接回路和快速回路：由于快进速度与工进速度相差很大，为了换接平稳，选用行程阀控制的换接回路。快速运动通过差动回路来实现。

（ 4 ）换向回路：为了换向平稳，选用电液换向阀。为便于实现液压缸中位停止和差动连接，采用三位五通阀。

（ 5 ）压力控制回路：系统在工作状态时高压小流量泵的工作压力由溢流阀调整，同时用外控顺序阀实现低压大流量泵卸荷。

2 ）回路合成 对选定的基本回路在合成时，有必要进行整理、修改和归并。

具体方法为：（ 1 ）防止工作进给时液压缸进油路、回油路相通，需接入单向阀 7

。（ 2 ）要实现差动快进，必须在回油路上设置液控顺序阀 9 ，以阻止

油液流回油箱。此阀通过位置调整后与低压大流量泵的卸荷阀合二为一。

（ 3 ）为防止机床停止工作时系统中的油液回油箱，应增设单向阀。（ 4 ）设置压力表开关及压力表。 合并后完整的液压系统如图所示。

4 、液压元件的选择1 ）液压泵及驱动电机功率的确定（ 1 ）液压泵的工作压力

已知液压缸最大工作压力为 4.02MPa ，取进油路上压力损失为 1MPa ，则小流量泵最高工作压力为 5.02MPa ，选择泵的额定压力应为 pn=5.02+5.02×25%=6.27MPa 。大流量泵在液压缸快退时工作压力较高，取液压缸快退时进油路上压力损失为 0.4MPa ，则大流量泵的最高工作压力为 1.79+0.4=2.19MPa ，卸荷阀的调整压力应高于此值。

（ 2 ）液压泵流量 取系统的泄漏系数 K=1.2 ，则泵的最小供油量为： qp =Kq1max =1.2×0.5×10-3m3/s =0.6×10-3m3/s =36L/min 由于工进时所需要的最大流量是 1.9×10-5 m3/s ，溢流阀最小

稳定流量为 0.05×10-3 m3/s ，小流量泵最小流量为： qp1 =Kq1 +0.05×10-3m3/s =7.25×10-5m3/s =4.4L/min

（ 3 ）确定液压泵规格

对照产品样本可选用 YB1—40/6.3 双联叶片泵，额定转速 960r/min ，容积效率

ηv 为 0.9 ，大小泵的额定流量分别为 34.56 和 5.43L/min ，满足以上要求。

（ 4 ）确定液压泵驱动功率

液压泵在快退阶段功率最大，取液压缸进油路上压力损失为 0.5MPa ，则液压泵输出压力为 2.05MPa 。液压泵的总效率 ηp=0.8 ，液压泵流量 40L/min ，则液压泵驱动调集所需的功率为：

P=ppqp/ηp=2.05×106×40×10-3W=1708W

据此选用 Y112M—6—B5立式电动机，其额定功率为 2.2kW ，转速为 940r/min

，液压泵输出流量为 33.84L/min 、 5.33L/min ，仍能满足系统要求。

2 ）元件、辅件选择 根据实际工作压力以及流量大小即可选择液压元、辅件（略）。

油箱容积取液压泵流量的 6倍，管道由元件连接尺寸确定。

5 、系统油液温升验算

系统在工作中绝大部分时间是处在工作阶段，所以可按工作状态来计算温升。

小流量泵工作状态压力为 5.02MPa ，流量为 0.33L/min ，经计算其输入功率为 557W 。

大流量泵经外控顺序阀卸荷，其工作压力等于阀上的局部压力损失数值 pv 。阀额定流量为 63L/min ，额定压力损失为 0.3MPa ，大流量泵流量为 33.84L/min ，则：

pv =0.3×106× Pa=0.1×106 Pa

大流量泵的输入功率经计算为 70.5W 。

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95/33.577.4484.33

液压缸的最小有效功率为 Po =FV= （ 30000+1960 ） ×0.02/60W=10.7W

系统单位时间内的发热量为 Hi = Pi － Po =557+70.5 － 10.7=616.8W

当油箱的高、宽、长比例在 1 ： 1 ： 1 到 1 ： 2 ： 3 范围内，且油面高度为油箱高度的 80% 时，油箱散热面积近似为：

A=6.66 ， 式中 V—— 油箱有效容积，单位为 m3

A——散热面积，单位为 m2

取油箱有效容积 V 为 0.25 m3,散热系数 K 为 15W/ （ m2℃ ），由教材中式（ 9-

13 ）得 t= = =15.6℃

即在温升许可范围内。

3 2

V

KA

Hi3 252.066.615

8.616