液压系统设计方法
液压系统是液压机械的一个组成部分，液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
液压系统的设计步骤
液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。 ⑴确定液压执行元件的形式；
⑵进行工况分析，确定系统的主要参数； ⑶制定基本方案，拟定液压系统原理图； ⑷选择液压元件；
⑸液压系统的性能验算：
⑹绘制工作图，编制技术文件。
1.明确设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。 ⑴主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； ⑵液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何； ⑶液压驱动机构的运动形式，运动速度； ⑷各动作机构的载荷大小及其性质；
⑸对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； ⑹自动化程度、操作控制方式的要求；
⑺对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求；
⑻对效率、成本等方面的要求。
2.进行工况分析、确定液压系统的主要参数
通过工况分析，可以看出液压执行元件在工作过程中速度和载荷变化情况，为确定系统及各执行元件的参数提供依据。
液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。
2.1载荷的组成和计算 2.1.1液压缸的载荷组成与计算
图1表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数已标注在图上，其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷。Fm是活塞与缸壁以及活塞杆与导向
1 / 16
套之间的密封阻力。
作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg，导轨的摩擦力Ff和由于速度变化而产生的惯性力Fa。 ⑴工作载荷Fg
常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的 重力、切削力、挤压力等。这些作用力的方向 如与活塞运动方向相同为负，相反为正。
⑵导轨摩擦载荷Ff 对于平导轨
Ff＝μ（G＋FN） 对于V型导轨
Ff＝μ（G＋FN）/sin（α/2） 式中 G——运动部件所受的重力（N）；
FN——外载荷作用于导轨上的
正压力（N）；
μ——摩擦系数，见表2—1；
α——V型导轨的夹角，一般为90°。 表2—1摩擦系数μ
⑶惯性载荷Fa Fa?G?v g?t式中 g——重力加速度；
g＝9.81m/s2
Δv——速度变化量(m/s)；
Δt——起动或制动时间(s)。 一般机械Δt＝0.1～0.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。
行走机械一般取Δv/Δt＝0.5～
1.5m/s2。
以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷FW。 起动加速时FW＝Fg＋Ff＋Fa 稳态运动时FW＝Fg＋Ff 减速制动时FW＝Fg＋Ff－Fa
工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg＝0。
除外载荷FW外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力Fm，
2 / 16
由于各种缸的密封材质和密封形成不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 Fm＝（1－ηm）F
式中 ηm——液压缸的机械效率，一般取0.90～0.95。 F?FW?m
2.1.2液压马达载荷力矩的组成与计算 ⑴工作载荷力矩Tg
常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷简的阻力矩等。 ⑵轴颈摩擦力矩Tf
Tf＝μGr
式中 G——旋转部件施加于轴颈上的径向力（N）；μ——摩擦系数，参考表2—1选用；r——旋转轴的半径（m）。 ⑶惯性力矩Ta
Ta?J??J?? ?t式中 ε——角加速度（rad/s2）；Δω——角速度变化量（rad/s）； Δt——起动或制动时间(s)；J——回转部件的转动惯量(kg·m2)。 起动加速时Tw＝Tg＋Tf＋Ta 稳定运行时Tw＝Tg＋Tf 减速制动时Tw＝Tg＋Tf－Ta
计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率ηm＝0.9～0.98。 T?TW?m
根据液压缸或液压马达各阶段的载荷，绘制出执行元件的载荷循环图，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。
2.2初选系统工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的、尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械、重载设备压力要选得高一些。具体选择可参考表2—2和表2—3。
注意，高压化是液压系统发展趋势之一，因此压力应选得高一些，以减小系统的体积是可行的。此外，低压阀已逐渐淘汰，即使是低压系
3 / 16
统也应采用高压阀。
A=
2.3计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量
⑴计算液压缸的主要结构尺寸
液压缸主要设计参数见图2。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为活塞杆工作在受拉状态。
活塞杆受压时，F?p1A1?p2A2 活塞杆受拉时，F?p1A2?p2A1 式中 A1——无杆腔活塞有效作用
面积(m2)；
A2——有杆腔活塞有效作用
面积(m2)； P1——液压缸工作腔压力(Pa)； P2——液压缸回油腔压力(Pa)，即背压力。其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表2—4取值。差动连接时则要另行考虑。
D——活塞直径(m)；
d——活塞杆直径(m)。
一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为
4 / 16
A1?F?p2A2 p1运用上式须事先确定Al与A2的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比θ＝d／D，其比值可按表2—5和表2—6选取。
D?4F 2?p1?p2(1??)??采用差动连接时，vl/v2＝（D2－d2）/d2。如要求往返速度相同时，应取d＝0.71D。
对行程与活塞杆直径比l／d＞10的受压柱塞或活塞杆，还要做压杆稳定性验算。
当工作速度很低时，还须按最低速度要求验算液压缸尺寸
A?
qmin vmin式中 A——液压缸有效工作面积(m2)； qmin——系统最小稳定流量(m3/s)，在节流调速中取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。容积调速中决定于变量泵的最小稳定流量。 vmin——运动机构要求的最小工作速度(m/s)。 如果液压缸的有效工作面积A不能满足最低稳定速度的要求，则应按最低稳定速度确定液压缸的结构尺寸。 另外，如果执行元件安装尺寸受到
限制，液压缸的缸径及活塞杆的直径须事先确定时，可按载荷的要求和液压缸的结构尺寸来确定系统的工作压力。
液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。如与标准液压缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。常用液压缸内径及活塞扦直径见表2－7和表2—8。 ⑵计算液压马达的排量
5 / 16