【分享液压系统的设计】液压元件的选择

液压执行元件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，选用不同的液压执行元件配置。

根据液压执行元件的种类和负载质量、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负载力求出。

01 液压泵的选择

1.确定液压泵的最大工作压力P_p

式中，P_{p——液压泵的最大工作压力;}

P_1——液压缸或液压马达最大工作压力;

∑Δp——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。∑Δp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取∑Δp=(0.2~0.5)MPa;管路复杂、进口有调速阀的，∑Δp=(0.5~1.5)MPa。

2.确定液压泵的流量 q_vmax

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

式中,K——系统泄漏系数，一般取K=1.1~1.3;

∑q_vmax——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从q_v-t图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5x10^-4m³/S。

系统使用蓄能器作辅助动力源时

式中，K——系统泄漏系数，一般取K=1.2;

          T_t——液压设备工作周期，s;

          V_i——每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量，m³;

           z——液压缸或液压马达的个数。

3.选择液压泵的规格

根据以上求得的p_p和q_vp值，以及按系统选取的液压泵的形式，从产品样本中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%~60%。

4.确定液压泵的驱动功率

在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即p-t图、q_v-t图变化较平缓，则

式中,p_p——液压泵的最大工作压力，Pa;

q_vp——液压泵的流量，m³/s;

η_p--液压泵的总效率，参考表1选择。

表1 液压泵的总效率

限压式变量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。一般情况下，可取p_p=0.8P_pmax，q_vp=q_vN，则

式中，P_pmax——液压泵的最大工作压力，Pa;

         q_vN——液压泵的额定流量，m3/s。

在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即q_v-t、p-t曲线起伏变化较大，则需分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

式中，t₁，t₂，…，t_n—— 一个循环中每一动作阶段内所需的时间，s;

        p₁，p₂，…，t_n—— 一个循环中每一动作阶段内所需的功率，W。

按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。电动机允许的短时间超载量一般为25%。

5.液压泵类型选择

液压泵一般有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等分类，如果按液压泵的流量特性，又可分为定量泵和变量泵两种类型。

液压泵类型的选用原则：

①是否要求变量：如果要求变量，则选择径向柱塞泵、轴向柱塞泵、单作用叶片泵。

②工作压力：一般来说，柱塞泵压的额定工作压力是31.5MPa，叶片泵一般额定工作压力是16MPa，齿轮泵一般额定工作压力是21MPa。

③工作环境：即对污染源的抵抗能力，其中齿轮泵的抗污染能力最好，其次是叶片泵，最后是柱塞泵。

02 液压控制阀的选择

选定液压控制阀时，要考虑的因素有压力、流量、工作方式、连接方式、节流特性、控制特性、稳定性、油口尺寸、外形尺寸、质量等，但价格、寿命、维修性等也需考虑。

阀的容量要参考制造厂样本上的最大流量及压力损失值来确定。样本上没有给出压力损失曲线时，可用额定流量时的压力损失，按下式估算其他流量下的压力损失。

式中，Δp——流量为q_v时的压力损失;

        Δp_r——额定流量q_vr时的压力损失。

另外，如果黏度变化时，要乘以表2中给出的系数。

表2 黏度修正系数

阀的连接方式如果为板式连接，则更换阀时不用拆卸油管。另外，板式连接的阀可以装在油路块或集成块上，使液压装置的整体设计合理化。控制回路有时要用很多控制阀，可考虑采用插装式、叠加式控制阀。集成化有配管少、漏油少、结构紧凑的优点。

03 蓄能器的选择

根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。

1.蓄能器压力计算

工作压力:蓄能器的公称压力不低于蓄能器接入的系统的最大工作压力P2。

充气压力:作为辅助动力0.25P2<P0<0.9P1

             作为减小脉动PO=(0.6~075)Pm或P0=0.8P1

             作为吸收震动P0=0.6~0.9Pm

其中，P0——充气压力;

         P1——最小工作压力;

         P2——最大工作压力;

         Pm——平均工作压力

2.蓄能器容积计算

蓄能器内部气体的压缩和膨胀是根据 Boyle-Mariotte关于理想气体中的状态变化定律进行的。

当蓄能器用于保压时，气体体积变化缓慢(t>1min)，与外界热交换得以充分进行

可认为是等温变化过程，这时取n=1;

当蓄能器作辅助或应急动力源时，气体体积变化很快(t<1min)，热交换不充分，这时可视为绝热过程，这时取n=1.4。

注:n为时间的函数，如需精确计算，n应根据具体气体变化时间确定。

①蓄能器作为动力源时

当蓄能器作动力源时，蓄能器储存和释放的压力油容量和皮囊中气体体积的变化量相等，根据上述气体方程可求得蓄能器的容积，即:

等温计算，n=1

绝热计算，n=1.4

其中，V0——所需蓄能器容积;V——蓄能器的工作容积。

②蓄能器用作容积补偿时

把蓄能器作为管道容积补偿是在等温状态下进行计算的，蓄能器容积受管道容积，温差，流体及管道膨胀系数的影响。

其中，V_T——管道容积，θ₂——最大温度，θ₁——最小温度，β——流体体积膨胀系数:α——管道线性膨胀系数。

③蓄能器用作吸收冲击时

流量快速增大或减小引起的压力快速增大，即水锤现象，其最大超压受管路长度，液

体流量、密度及关闭阀门时间的影响。

其中，Q——管路内流量，L——管路总长度，γ——液体的比重，v——液体流速，ΔP——超压，t——减速时间。

④蓄能器用作脉动补偿时

脉动补偿需要高速存储和释放液体，是典型的绝热状态，计算需考虑液体容量，与泵

的排量和泵的活塞数量及作用方式有关。

其中，q——泵的排量，k——修正系数，与泵的活塞及作用方式有关。

04 管路的选择

1.管道内径计算

式中， q_v——通过管道内的流量，m3/s;

           v——管内允许流速，m/s，见表3。

表3 允许流速推荐值

计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。

2.管道壁厚的计算

式中，——管道内最高工作压力，Pa;

d——管道内径，m;

[σ]--管道材料的许用应力，Pa，[σ]=σb/n；

σb——管道材料的抗拉强度，Pa;

n——安全系数，对钢管来说，p<7MPa时，取n=8;p<17.5MPa时，取n=6；p>17.5MPa时，取n=4。

05确定油箱容积

初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。

油箱容量的经验公式为V=aq_v

式中， q_v——液压泵每分钟排出压力油的容积，m³/min;

           a——经验系数，见表4.

表4 经验系数a

在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。

06 过滤器的选择

根据液压系统的需要，确定过滤器的类型、过滤精度和尺寸大小。

过滤器的类型是指它在系统中的位置，即吸油过滤器、压油过滤器、回油过滤器、离线过滤器及通气过滤器。

过滤器的过滤精度是指过滤介质的最大孔口尺寸数值。对于不同的液压系统，有不同的过滤精度要求，可根据表5进行过滤精度的选择。

表5推荐液压系统的过滤精度

选择过滤器的通油能力时，一般应大于实际通过流量的2倍以上。过滤器通油能力可按下式计算。

式中， q_v——过滤器通油能力，m³/s;

            μ——液压油的动力黏度，Pa·s;

            A——有效过滤面积，m²;

            Δp——压力差，Pa;

            K——滤芯通油能力系数，网式滤芯K=0.34，线隙式滤芯K=0006，烧结式滤芯K=1.04D²x10³/δ（D为粒子平均直径，单位为m;δ为滤芯的壁厚，单位为m)。

07 液压油的选择

油液在液压系统中实现润滑与传递动力双重功能，必须根据使用环境和目的慎重选择。油液的正确选择保证了系统元件的工作与寿命。系统中工作最繁重的元件是泵、液压缸以及马达，针对泵、液压缸以及马达选择的油液也适用于阀。

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