液压系统设计篇

液压系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 篇 天津工程机械研究院培训教材 94 液压系统设计篇 液压传动系统设计，除了应符合其主机在动作循环和静、动态性能等方面所提出的要求外， 还必须满足结构简单、使用维护方便、工作安全可靠、性能好、成本低、效率高、寿命长等条件。 液压传动系统的设计一般依据流程图见图4-1的步骤进行设计。 明确技术要求 拟定液压系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 液压参数设计 液压装置设计 液压系统性能计算 技术文件编制 符合要求吗？ 否是 方案评价，最优吗？ 是 否 图4-1 液压传动系统设计流程图 第一节 明确设计要求 设计新的液压系统，首先要明确机器对液压系统有哪些动作和性能要求，掌握这些技术要求， 作为设计的出发点和依据。需要掌握的技术要求可能有： 1．机器的特性 (1)全面了解主机的结构和总体布局，了解机构与被驱动部分的连接条件及安装上的限制条件 以及其用途和工作目的等。 (2)负载种类（恒定负载、变化负载及冲击负载）及大小和变化范围；运动方式（直线运动、 回转运动、摆动）及运动量（位移、速度、加速度）的大小和要求的调节范围；惯性力、摩擦力、 动作特性、动作时间和精度要求（定位精度、跟踪精度、同步精度）。 (3)原动机的种类（电动机、内燃机等）、容量（功率、转速、转矩）及稳定性。 (4)操作方式（手动、自动）、信号处理方式（继电器控制、逻辑电路、可编程控制器、微机 程序控制）。 (5)系统中各执行元件的动作顺序、动作时间的相互关系。 2．使用条件 (1)设置场所。 (2)环境温度、湿度（高温、寒带、热带），粉尘种类和浓度（防护、净化等），腐蚀性气体 （所有元件的结构、材质、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面处理、涂覆等），易爆气体（防爆 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ），机械振动（机械强度、 耐振结构），噪声限制（降低噪声措施）。 (3)维护程度与周期；维护人员的技术水平；维护空间、作业性、互换性。 3．适用标准、法则 根据用户要求采用相关标准、法则。 4．安全性、可靠性 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 95 (1)用户在安全性方面有无特殊要求。 (2)明确保用期、保用条件。 5．经济性 不能只考虑投资费用，还要考虑能源消耗、维护保养等运行费用。 6．工况分析 对液压系统进行工况分析，是查明其每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载的变化规 律，它是由主机提出的相应动作要求和承载能力确定的。 第二节 液压系统方案设计 液压系统方案设计的目的是在满足主机功能的前提下，优选出综合指标最优的液压系统方案。 首先根据技术要求确定执行元件的种类、数量、动作顺序和动作条件,拟定驱动执行元件的基本 回路。分步考虑驱动回路、控制回路、液压源回路等基本控制部分，然后综合得到总的液压系统。 最后再进一步考虑安全性、节能、寿命等因素，对此基本系统进行修改补充，使之臻于完善，获 得在满足技术要求的条件下，最少液压元件组成的最优液压系统。可遵循以下步骤进行设计。 一、确定执行元件的种类 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，选用不同的执行元件配件，见表4-1。 表4-1 执行元件配置的选择 名称 特点 应用场合 双杆活塞缸 双向输出力、输出速度一样，杆受力状态一样。 双向工作的往复运动 单杆活塞缸 双向输出力、输出速度不一样，杆受力状态不同。 差动连接时可实现快速运动。 往复不对称直线运动 柱塞缸 结构简单 长行程、单向工作 摆动缸 单叶片缸转角小于300°，双叶片缸转角小于150°。 往复摆动运动 齿轮、叶片马达 结构简单、体积小、惯性小。 高速小转矩回转运动 轴向柱塞马达 运动平稳、转矩大、转速范围宽。 大转矩回转运动 径向柱塞马达 结构复杂、转矩大、转速低。 低速大转矩回转运动 二、确定控制方式 执行元件的控制方式有泵控制方式和阀控制方式。泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵 的流量实现执行元件的速度控制，通过控制泵的出流方向实现执行元件的方向控制。这种方式中 每个执行元件需要一个变量泵。负载惯性大、起动停止冲击大的场合可以采用。 阀控制方式中，用方向控制阀实现执行元件的方向控制，用流量控制阀实现执行元件的速度 控制。这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行元件的场合或输入信号很复杂 而要求快速响应的场合。泵控制方式与阀控制方式的对比见表4-2。 表4-2 两种控制方式的对比 项目 方式 泵控制方式 阀控制方式 液压泵 双向变量 定量或单向变量 执行元件 不能多个同时动作 多个同时作用 液压回路 简单 稍复杂 功率损失 小 大 起停冲击 小 稍大 控制元件 泵的变量机构 换向阀、流量阀、压力阀、比例阀、伺服阀 用途 大功率、慢响应 小功率、快响应 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 96 三、设计控制液压回路 由于设计者的思路、经验或对所用元件的考虑方法不同，即使针对同样目的设计出来的液压 回路也是千差万别的。因此可以拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方 面进行对比论证，确定最合适的液压回路。 液压回路基本上由第三章所述的基本回路组成。工程机械的发展，已经形成了许多简便成熟、 行之有效的液压控制系统，设计时可酌情选用。 现有的各类机械设备的液压系统，有很多是设计得很成功的，在设计新的系统时，可以参考 借鉴、移植裁剪。 用标准图形符号绘制拟定的液压系统原理图。 四、设计液压过滤系统 确保液压系统中的油液质量是设计和使用好液压传动装置的关键，这是因为油液质量不合要 求往往会引起液压车辆早期损坏、失效。油液质量指标包括油液的污染度和工作状态下的油液粘 度。前者由过滤装置保证。 1.油液污染种类与来源 油液中存在着各种各样的污染物，其中最主要的是固体颗粒物，此外，还油水、空气以及有 害化学物质。如图 4-2 所示，污染物的来源主要有三方面： (1)潜在污染 液压系统内中原来残留的污染物。如液压元件加工和系统装配过程中残留的金属切屑、沙粒 及清洗溶剂等。 (2)侵入污染 从外界侵入液压系统的污染物。它主要产生于使用过程，取决于工程机械工作环境、维护和 保养水平。 图 4-2 液压系统油液污染 在液压系统工作环境中，存在各种类的污染物。在大气中，主要是砂粒及灰尘，其它如水 汽、热能、化学物品及放射物质等在不同的场合下都可能存在。砂粒一般指尺寸在 74~1000μm 的颗粒，主要成分为 SiO2，砂粒的硬度足以划伤或磨损液压元件。灰尘一般指尺寸 74μm 以下 的颗粒，一般存在于地面表层。大气中的灰尘浓度于许多因素有关，浓度范围为 9~183mg/m³。 而工程机械工作过程中，大气灰尘浓度会明显增加，平地机工作环境灰尘浓度为 9~183mg/m³， 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 97 上述灰尘通过液压缸活塞杆、油箱通气孔等进入液压系统。 (3)固生污染 系统内部生成的污染物。液压元件在工作过程中，由于相对运动表面的磨损及液流冲击零件 表面的磨损、材料的疲劳脱落、化学反应（氧化、电解等）、振动和冲击等影响不断生成污染物。 液压元件生成污染物是相当可观的，液压泵流量为 75L/min，工作 4000h，其生成污染物为：齿 轮泵 37.5 mg/h，柱塞泵为 34 mg/h。 2.污染引起液压系统失效的形式 液压油的污染将直接影响液压系统工作的可靠性和液压元件的使用寿命。根据对装载机早期 故障统计分析，发现故障中 60%是液压元件的故障，而在液压元件故障中有 75%是由于液压油的 污染造成的。液压污染造成液压系统失效的形式主要有一下几种： (1)使液压系统工作性能下降，动作失调 由于液压油中的污染物堵塞液压元件的节流孔或节流间隙，改变了液压系统工作的性能，引 起动作失调。 液压油污染物中的固体颗粒进入液压元件运动副的间隙内，对零件表面切削磨损或疲劳磨损， 致使液压元件的泄漏增加，造成液压阀流量放大系数降低，控制灵敏度下降，也使液压泵、液压 马达和液压缸容积效率降低。液压系统的刚性减少。 (2)使液压元件失效，造成系统故障 对于液压泵类元件，液压油中的固体颗粒使液压泵相对运动部件的表面磨损加剧（如：柱塞 泵柱塞与缸孔、滑履与斜盘；齿轮泵中齿轮端面与侧板、齿顶与泵体内壁），表面刮伤，咬死， 泵的效率降低，致使液压泵失效。如一台压路机在使用中，发现存在驱动无力、速度达不到技术 要求故障，对液压油检测其清洁度为 NAS16 级，拆开液压泵发现配油盘已严重磨损。 对于液压阀类元件，固体颗粒堵塞液压阀的间隙和孔口，引起阀芯组滞和卡紧，影响阀的工 作性能，甚至导致动作失灵，造成系统故障。如一台装载机工作压力一直不稳定，经分析检查， 确任安全阀故障，拆开安全阀发现污染物堵塞在阻尼孔处，致使安全阀压力不稳定。 对于液压缸，污染物将加速密封的磨损和缸内表面的滑伤，将造成泄漏增大，推力不足或动 作不稳定、爬行、速度下降等故障。 (3)加速液压油性能的恶化，造成经济损失 液压油中的水分和空气是液压油氧化的必要条件，而液压油中的金属颗粒对油液的氧化起着 重要的催化作用。试验研究表明，当油液中存在金属颗粒和水时，油液的氧化速度急剧增快，铁 和铜的催化作用使油液氧化速度分别增加 10 和 30 倍以上。油液的氧化将造成重大的经济损失。 液压过滤系统设计设计就是通过在液压系统中增加滤油器而阻止污染物进入液压系统中。在 静液压驱动系统中，补油回路为主回路的入口，且补油量小，易于配置滤油装置。因此，采用补 油回路过滤可以有效保证系统的油液质量。静液压驱动系统液压泵集成的补油泵一般提供吸油口 过滤和出油口过滤（又称为压力油过滤）两种方式（如图 4-3）。较早期产品如 Sauer20 系列液压 泵，则只提供吸油过滤方式。 开式液压系统除采用吸油过滤和压力油过滤方式外，还此基础上派生出来的压差控制式压力 过滤和回油过滤几种方式。 (1)吸油口过滤 如图 4-3a 所示，在油箱与液压泵吸油口处设置 10μm 精吸滤器，可防止侵入污染物景如液压 系统中。该方式结构简单，可以充分保证液压系统油液得到可靠过滤；当滤油器堵塞时，补油压 力降低，工作压力下降，机器降速乏力。吸油口过滤存在的问题是滤油精度越高，越易堵塞。 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 98 图 4-3 吸油和压力油过滤回路 (2)压力过滤方式 如图 4-3b 所示，利用液压泵的供油压力使油液强制通过精滤油器，系统工作对滤油器的堵塞 不敏感。在选用压力过滤方式时，往往在补油泵吸油口另加装一粗滤油器（80~100 μm），该滤油 器过滤了进入补油泵的较粗颗粒，避免了液压泵受污染物影响，同时减小了补油泵出口油液的污 染颗粒浓度，增加了出口滤油器的工作寿命。这种滤油方式可有效地保护控制元件和执行元件的 污染。 由于在补油泵出口与滤油器之间无溢流阀，因此压力滤油器必须带有单向旁通阀来防止滤芯 因堵塞而被击穿。这种压力过滤的缺点为：滤油器承受高压作用，可靠性降低；滤油器安装在管 路上，装配维护不方便；旁通阀打开时，进入主回路的油液未经精细过滤。 (3)回油过滤方式 为了避免压力过滤方式的缺点，将液压泵出口滤油器移之液压系统回油路上，采用低压精滤 油器，可有效地防止固生污染对液压系统的影响，但是降低了对控制元件和执行元件的保护。 (4)联合补油过滤回路 这种补油回路如图 4-4 所示。液压主泵 1 吸油口有精滤器 6。辅助泵系统回油经回油滤油器 3 后进入主泵 1 的吸口处，即主泵吸油口为两路进油：一路为吸油过滤，另一路为回油过滤，因而 称为联合补油过滤回路，充分保证了补油泵进油的可靠性。 图 4-4 联合补油过滤回路 1.主泵 2.辅助泵 3.回油滤油器 4.单向阀 5.稳压单向阀 5.吸油细滤器 当滤油器 3 堵塞时可通过单向阀 4 旁通油路，防止破坏滤油器。单向阀 5 保证补油泵吸口处 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 99 压力稳定。当辅助系统油缸进行换向、大小腔转换时会使回油流量发生变化，流量增加时可通过 单向阀 5 卸压以防冲坏吸油滤油器 6；若辅助泵排量大于主泵，当发动机转速增大时也会有多余 流量经单向阀 5 排泄；流量减小时可通过吸油滤油器 6 补油以防吸空。单向阀 4 的开启压力高于 单向阀 5 的开启压力，两者之差即为滤油器 3 的最大工作压差。 这种联合补油过滤回路的最大特点为： ① 利用辅助系统的回油作为主泵进油，回油滤油器 3 为压力过滤方式，成本低、工作可靠； ② 以传统的吸油滤油器支路为主泵的辅助进油支路，避免了因单一回油支路流量不足产生的 吸空现象； ③ 与传统单一的吸油滤油器相比，由于吸油滤油器为辅助工作，因而工作寿命大大提高。 第三节 液压系统参数设计 经过上一节液压系统方案的设计，液压系统的控制逻辑已经确定。接下来的任务就是选择合 理的工作参数和确定适宜的液压元件。我们知道对于统一方案的液压系统，由于参数设计的不同， 其液压元件的选型是有区别的。例如，ZL40装载机工作液压系统在工作压力16.2Mpa和19Mpa下， 将形成表4-3两种不同的元件选型。由于不同参数液压元件的性能不同，见导致液压系统性能的差 异，为了获得最佳的工作参数和合理的液压元件，液压元件选型与参数设计时同步进行的。 表4-3 装载机工作液压系统选型 系统工作压力 (Mpa) 液压泵排量 (mL/r) 多路换向阀通径 (mm) 动臂液压缸 铲斗液压缸 缸径(mm) 杆径(mm) 缸径(mm) 杆径(mm) 16.2 125 32 140 70 110 55 19 100 32 125 63 100 50 液压系统参数设计过程为：液压参数匹配计算—执行元件选型—动力元件选型—控制元件选 型—辅件选型。 一、液压系统参数匹配计算 工程机械液压系统匹配就是使液压系统输出功率与主机要求相匹配。即液压系统工作压力与 负载压力误差EP、液压泵输出流量与负载速度的误差ET最小。以执行元件液压缸为例说明： 0 0 )( )( TZTET FZFEF −= −= 式中： )(),( ZTZF —液压系统设计力和时间响应。 00 ,TF —主机液压缸输出力与动作时间要求。 其中： )( 4 )( 2 ppDZF Δ−= π )/( 4 )( 2 QqnLDZT p Δ−= π 其中： p—系统工作压力 D—液压缸缸径 L—液压缸行程 q—液压泵排量 pΔ —压力损失 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 100 QΔ —流量损失 在参数设计中q、D都是由液压元件系列决定的离散量，而 p使连续量。考虑到ET与EF的相 关性，在设计中应首先确定系统压力使EF匹配，然后再使ET接近目标值。 液压系统的工作效率趋势是由液压泵和液压马达等效率曲线决定的，如果使液压泵、液压马 达工作在最高效率区（如图4-5）内，液压系统的效率必然最高。也就是说液压泵、液压马达主 要工作参数应在额定工况附近,液压系统的工作压力也就确定了。 在确定了工作压力后，通过上式可计算出执行元件和液压泵的参数。 图4-5液压泵等效率曲线 二、液压执行元件选型 1.液压缸选择 液压缸的安装方式要根据负载特性和运动形式妥善选择，要使液压缸所受载荷沿动作方向而 在径向不受载荷。 液压缸内径根据所需液压缸力F和可利用的系统压力p来确定。以单杆双作用液压缸为例，其 推力F1和拉力F2分别为: ( )pdDpAF pDpAF 22 22 2 11 4 4 −== == π π 式中: A1—无杆腔活塞受压面积（㎡）； A2—有杆腔活塞受压面积（㎡）； D—液压缸内径（m）； d—活塞杆外径（m）； F1—推力（N）； F2—拉力（N）； p—工作压力（MPa）； 根据上式算出受压面积后，选出合适的液压缸内径。 缸速的确定涉及工程机械工作循环时间和液压缸的行程，一般推荐的速度范围是15～300㎜ /s。缸速过高时，密封的寿命缩短。速度过低时还容易发生爬行现象，无法平稳地动作。 有些液压缸内装式缓冲装置，以便在活塞接近行程末端时，使活塞逐渐减速，防止活塞撞击 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 101 缸头。但是，如果使很大的负载高速动作，则进入缓冲段时产生的冲击压力有时会使机械装置或 液压缸损坏。当缸速超过7m/s 且运动质量较大时，单靠缸内的缓冲装置无法吸收全部惯性能量， 所以还必须考虑液压回路上的减速措施。 活塞杆直径必须足够大，以承受负载和缸所施加的应力。活塞杆受拉力时，活塞杆面积等于 活塞受力除以活塞杆屈服强度再乘以安全系数。但活塞杆受推力时，必须有足够的纵弯强度。当 纵弯强度不够而产生较大的挠度时，由于滑动面的摩擦等引起导向套及活塞上有较大的偏载荷， 造成卡咬、爬行、密封件异常磨损等问题。防止纵向弯曲所需的附加强度取决于行程及支点连接 方式。 2.液压马达选定 液压马达时要考虑的因素有工作压力、转速范围、堵转扭矩、运行扭矩、总效率、容积效率、 滑差特性、寿命等机械性能及在机械设备上的安装条件、外观等。 确定了所用液压马达的种类之后，可根据所需要的转速和转矩从产品系列中选出能满足需要 的若干种规格，然后利用各种规格的特性曲线查出（或算出）相应的压降、流量和总效率。接下 去进行综合技术经济评价来确定某个规格。 需要低速运行的马达，要核对其最低稳定转速。如果缺乏数据，应在有关系统的所需工况下 实际试验后再定取舍。为了在极低转速下平稳运行，马达的泄漏必须恒定，负载要恒定，要有一 定的回油背压（如0.3～0.5MPa）。 根据轴承寿命计算关系可知，如果转速减半则轴承寿命延长为原来的2倍。轴上载荷每减小10% 则轴承寿命加长40%。 需要马达带载起动时，例如起重机下放重物或静液传动系在溜坡时，马达工作于泵工况。这 时在给定的压降下，制动扭矩与马达的有效扭矩的关系如下： 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= hm mot br MM η 式中: Mbr—制动扭矩； Mmot —有效扭矩； ηkm—机械效率 按上式算出的制动扭矩不得大于马达的最大工作扭矩。 这防止作为泵工作的制动马达发生气蚀或丧失制动能力，应保证这时马达的“吸油口”有足 够的补油压力。这可以靠闭式回路中的补油泵或开式回路中的背压阀来实现。当液压马达驱动大 惯量负载时，为了防止停车过程中惯性运动的马达缺油，应设置与马达并联的旁通单向阀补油。 需要长时间防止负载运动时，应使用在马达轴上的液压释放机械制动器。 三、液压泵选型 液压泵是液压系统的动力源。要选用能适应执行元件所要求的压力发生回路的泵，同时要充 分考虑可靠性、寿命、维修性等以便所选的泵能在系统中长期运行。 选择液压泵时要考虑的因素有工作压力、流量、转速、定量或变量、变量方式、容积效率、 总效率、寿命、原动机的种类、噪声、压力脉动率、自吸能力等，主要考虑与液压油的相容性、 尺寸、重量、经济性、维修性。这些因素一般已写在产品样本或技术资料里，要仔细研究，不明 确的地方最好询问制造厂。 液压泵的输出压力应是执行元件所需压力与配管的压力损失和控制阀的压力损失之和。它不 得超过样本上的额定压力。强调安全性、可靠性时，还应留有较大的余地。样本上的最高工作压 力是短期冲击时允许的压力。如果每个循环中都发生冲击夺力，泵的寿命会显著缩短，甚至损坏。 液压泵的输出流量应包括执行元件所需流量（有多个执行元件时由时间图求出总流量）、溢 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 102 流阀的最小溢流量、各元件的泄漏量的总和，泵的输出流量为： v qnQ η 1000 = 式中:n—转速（r/min）； Q—输出流量（L/min）； q—排量（Ml/r）； ηv—容积效率（%） 四、液压控制元件选型 选定液压控制元件时，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 性、稳定性、油口尺寸、外形尺寸、重量等，但价格、寿命、维修性等也需考虑。液压控制元件 的容量要参考制造厂样本上的最大流量值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的压力损失。 2 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛Δ=Δ r r Q Qpp 式中:△p—Q时的压力损失； △pr—流量Qr时的压力损失。 另外，如果粘度变化时，要乘以表4-4中给出的系数。 表4-4 粘度修正系数 运动粘度㎜2/s 14 32 43 54 65 76 87 系数 0.93 1.11 1.19 1.25 1.32 1.97 1.41 1.换向阀 换向阀使用时的压力、流量不要超过制造厂样本的额定压力、额定流量，否则液 压卡紧现象和液动力的影响往往引起动作不良。尤其在液压缸回路中，活塞杆外伸和内缩时回油 流量是不同的。内缩时回油流量比泵的输出流量还大，流量放大倍数等于缸两腔活塞面积之比， 要特别注意。压力损失对液压系统的回路效率有很大影响，所以确定阀的通径时不仅考虑换向阀 本身，而且要综合考虑回路中所有阀的压力损失、油路块的内部阻力和管路阻力等。 换向阀的中位滑阀机能关系到执行元件停止状态下位置保持的安全性，必须考虑内泄漏和背 压情况，从回路上充分论证。另外，最大流量值随滑阀机能的不同会有很大变化，应予注意。 2.单向阀和液控单向阀 单向阀的开启压力取决于内装弹簧的刚度。一般来说为减小流动力 可使用开启压力低的单向阀。当流过单向阀的流量远小于额定流量时，单向阀有时会产生振动。 流量越小，开启压力越高，油中含气越多，则越容易振动。 打开液控单向阀所需要的控制压力取决于负载压力、阀芯受压面积及控制活塞的受压面积。 3.流量控制阀 流量控制阀有节流阀、调速阀、分流集流阀等，这里介绍调速阀的使用注意 事项。 应用场合所需的流量调节精度，应由所选的凋速阀在整个调节范围内加以保证。样本上的精 度值一般是针对额定压力、最大流量时的调节精度。实际使用压力、流量不同时精度也不同。 对流量进行控制需要一定的压差，高精度的流量控制约需1MPa的压差。 普通调速阀存在着流量跳动现象，这是因为开始调节时调速阀中的压力补偿器尚处于开启位 置，全部压降都作用在节流口上，致使流量过大。为了克服它的不良影响，可选用手调补偿初始 开度的调速阀或带外控关闭功能的调速阀。 4.溢流阀 溢流阀有直动式和先导式。一般说来直动式响应较快，宜用作安全阀，先导式启 闭特性较好，宜用作调压阀。 启闭特性是选用溢流阀时要考虑的重要因素。如果启闭特性太差，则负载压力低于设定压力 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 103 时溢流阀开始溢流，随着压力升高溢流流量加大，执行元件速度减慢，达到设定压力时执行元件 停止。因此，执行元件速度在负载力大时变得不稳定，回路效率也显著降低。 溢流阀的动态特性是很重要的。在负载激烈变化下，希望溢流阀既响应快又稳定。 溢流阀的调压范围可通过更换调压弹簧改变，但所用的弹簧的设定压力可能改变启闭特性。 5.减压阀 启闭特性的变化趋势与溢流阀相反，即通过减压阀的流量加大时二次压力有所降 低。必须注意减压阀设定压力与执行元件工作压力的关系。 先导式减压阀的泄油量比其他控制阀多。始终有油液从先导阀流出来，可能多达1L/min以 上，影响到泵容量的选择。 二次压力的调节范围取决于所用弹簧和通过阀的流量。最低调节压力要保证一次压力与二次 压力之差为0.5～1MPa。 五、过滤器选型 1. 液压油的污染程度评定 对于定量评定液压油的污染程度，国际上通常采用质量测定法和计数法。质量测定法是测 定单位体积油液中所含固体颗粒污染物的质量，其测定法所需的测试设备比较简单，测定结果仅 反映油液中污染物的总量，并不能反映污染物颗粒的大小和尺寸分布。而污染物对液压元件的危 害与颗粒尺寸分布及数量密切相关，因此随着颗粒计数技术的发展，目前已普遍采用颗粒污染度 的表示方法。 计数法通常采用美国 NAS1638 油液污染度等级和 ISO4406 油液污染度等级国际标准。 NAS1638 是美国航天工业部门提出的，它以颗粒浓度为基础，按照 100mL 油液中在 5～15、15～ 25、25～50、50～100 和＞100μm 五个尺寸区间内的最大允许颗粒数划分为 14 个污染度等级， 见表 4-5。 ISO4406 油液污染度国际标准采用两个数码表示油液的污染度等级，前面代码代表 1 mL 油 液中尺寸大于 5μm 的颗粒数的等级，后面的代码代表 1 mL 油液中尺寸大于 15μm 的颗粒数的 等级，两个码之间用一斜线分隔。表 4-6 为 ISO4406 油液污染度等级和相应的颗粒浓度。根据颗 粒浓度的大小共划分 26 个等级。新标准 ISO11218 采用三个数码表示油液的污染度等级，在 ISO4406 的基础上，前面增加了大于 2μm 的颗粒数的等级。 表 4-5 NAS1638 油液污染度等级（100mL 中的颗粒数） 污染度等 级 颗 粒 尺 寸 范 围 μm 5～15 15～25 25～50 50～100 〉100 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 32000 64000 128000 256000 512000 1024000 22 44 88 178 356 712 1425 2850 5700 11400 22800 45600 91200 182400 4 8 16 32 63 126 253 506 1012 2025 4050 8100 16200 32400 1 2 3 6 11 22 45 90 180 360 720 1440 2880 5760 0 0 1 1 2 4 8 16 32 64 128 258 512 1024 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 104 表 4-6 ISO4402：1987 污染度等级 每 mL 颗粒数 等级代码 每 mL 颗粒数 等级代码 大 于 上限值 大 于 上限值 80000 40000 20000 10000 5000 2500 1300 640 320 160 80 40 20 160000 80000 40000 20000 10000 5000 2500 1300 640 320 160 80 40 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 10 5 2.5 1.3 0.64 0.32 0.16 0.08 0.04 0.02 0.01 0.005 0.0025 20 10 5 2.5 1.3 0.64 0.32 0.16 0.08 0.04 0.02 0.01 0.005 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.9 2. 液压系统目标清洁度 工程机械液压系统污染度取决于系统的敏感度。而敏感度与液压系统工作状态和液压元件临 界间隙相关。在选择液压系统主要滤油器过滤精度时，主要考虑系统中关键元件的污染敏感性及 工作条件。各类液压元件对油液清洁度的要求可参看表 4-7。 表 4-7 典型液压元件对油液清洁度的要求（ISO4406） 元 件 类 型 工 作 压 力/Mpa 液压泵 <14 14~21 >21 定量齿轮泵 定量叶片泵 定量柱塞泵 变量叶片泵 变量柱塞泵 18/15 18/15 17/15 16/14 16/14 17/15 17/14 16/14 15/13 15/13 16/13 16/13 15/13 15/13 14/12 液 压 阀 <21 >21 方向阀(电磁阀) 压力控制阀(调压阀) 流量控制阀(标准型) 单向阀 插装阀 液压遥控阀 比例方向阀(节流阀) 比例压力控制阀 比例插装阀 伺服阀 18/15 17/14 17/14 18/15 18/15 16/13 15/12 16/13 15/12 14/11 17/14 17/14 17/14 18/15 17/14 15/12* 13/11* 15/12* 14/11* 13/10* 液 压 执 行 器 <14 14~21 >21 缸 叶片马达 轴向柱塞马达 齿轮马达 径向柱塞马达 摆线马达 18/15 18/15 17/14 19/17 18/14 16/14 18/15 17/14 16/13 18/15 17/13 15/13 18/15 16/13 15/12 17/14 16/13 14/12* 注: * 需要精确取样进行清洁度测定 参考上表确定系统油液的目标清洁度，然后根据环境工作条件和对污染侵入控制的程度，确 定滤油器的设置和所需的过滤精度。 3. 滤油器类型的选择 在选用液压滤油器时，一般需要参考滤油器制造厂提供的产品样本。然而产品的样本一般只 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 105 是给出基本的参数，而对具体使用条件不可能一一说明。因此，还必须根据具体的系统及其工作 条件，考虑元件对污染的敏感性、工作压力及负载特性、流量波动、环境条件和对污染侵入的控 制程度等因素。 当设计过滤系统的选用滤油器时，用户可向生产厂家提出工作系统对滤油器的技术要求，以 便厂家能够提供尽可能符合用户使用要求的产品。表 4-8 列出了订货时需要提出的滤油器主要技 术要求（根据 ISO7744）。 表 4-8 滤油器主要技术要求 关于液压滤油器的尺寸和性能参数，目前尚没有统一的标准，在选用滤油器时需要依照产品 样本和有关行业标准。国产滤油器的流量和过滤精度系列见表 4-9 和表 4-10。 表 4-9 流量系列 公 称 流 量/（L/min） 10 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 表 4-10 过滤精度系列 过 滤 精 度/μm 1 3 5 10 20 30 50 80 100 180 滤油器的类型和结构与他在液压回路中的位置有关，在液压系统中，滤油器根据需要可安装 在吸油路、压力油路和回油路中，也可以安装在主系统之外，组成单独的外过滤系统。 合理选择滤油器的过滤精度是保证液压系统油液达到所要求清洁度的关键。滤油器在液压系 统中的作用主要有两个方面：一是控制元件的污染磨损；二是防止污染引起的故障。对于中等污 染侵入率以及正常维护的状况，滤油器过滤精度的选择可参考表 4-11。 表 4-11 目标清洁度与滤油器的设置及过滤精度 单位：μm 滤油器的设置 油液目标清洁度（ISO4406） 17/15 16/14 15/13 14/12 13/11 12/10 压力油路或回油路 5 5 3 3 压力油路或回油路 10 10 5 5 3 3 压力油路或回油路，加外过滤 10 5 5 5 3 3 压力油路或回油路，加外过滤 10 10 5 5 5 3 外过滤（流量 20%）* 5 5 3 3 外过滤（流量 10%）* 5 3 3 注:* 流量为系统油液体积(L)的 20%或 10%，L/min。 参 数 单 位 备 注 额定压力 初始压差 最大压差 最大流量 油液类型 油液运动粘度 温度 最高 最低 正常 过滤精度 系统油液容积 其他要求 Mpa Mpa Mpa L/min Mm2/s ℃ ℃ ℃ 过滤比βx 或绝对精度μm L 连接方式 旁通罚 堵塞指示器 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 106 根据实际经验，对于不同类型和要求的液压系统，可参考表 4-12 选择滤油器的过滤精度。 表 4-12 滤油器过滤精度的选择 液压系统类型和实例 目标清洁度 ISO4406 推荐过滤精度 x βx≥75 可靠性要求极高，对污染非常敏感的液 压控制系统，如航天实验室（高性能伺服 阀） 工业设备伺服系统和重要的高压液压系 统，如飞机、精密机床等（伺服阀，比例 阀） 高压或中压液压系统，如工程机械，车 辆（一般液压泵和阀） 元件间隙较大的低压液压系统 13/9 15/11 18/14~19/15 21/17 1~2 3~5 10~20 30~40 4. 滤油器尺寸的确定 滤油器的尺寸与通过流量有着对应的关系。通常是根据液压系统的流量来确定滤油器所需的 通过流量，从而确定滤油器的尺寸。 在选择滤油器尺寸时，主要参考制造厂产品样本提供的技术参数。国产滤油器型号标明公称 流量以供选用。国外滤油器产品一般用无量纲的公称流量值来表征滤油器的尺寸。 应当指出，公称流量是在给定的条件（油液粘度、过滤精度和压差）下的流量值。例如德国 标准DIN24550规定滤油器的公称流量是在油液粘度为32mm2/s，滤芯过滤精度25μm（β25≥75）， 以及给定压差情况下通过的流量。一定尺寸或公称流量的滤油器，对于不同粘度的油液和不同过 滤精度的的滤芯，其允许通过的流量是不同的。 工作油液的粘度对滤油器的通过流量有很大影响。在一定的压差下，油液的粘度越高，滤油 器允许的通过流量越小，由于厂家提供的滤油器流量—压差曲线是在标准粘度（如 32mm2/s）下 得出的，因而根据流量—压差曲线确定滤油器通过流量时，需要将实际工作油液粘度下的系统流 量换算成为标准粘度下的流量，换算公式如下： qfqs V ∗= 式中 q ——实际系统流量 q s——标准粘度下的流量 f v——粘度变换系数 2 '' v v v v fv + = 式中 v 和 v ’分别为工作油液的实际粘度和试验时的标准粘度。 滤油器尺寸应根据通过滤油器的最大流量确定。对于液压缸传动系统的回油路滤油器，需考 虑液压缸活塞与活塞杆的面积比，滤油器的通过流量应按回程时的流量来确定。此外，在确定滤 油器尺寸时还需要考虑滤芯的使用寿命。为了避免频繁更换滤芯，一般应根据环境污染状况和对 污染侵入的控制能力，适当增大滤油器的尺寸。 实例 确定某一液压缸传动系统回油路滤油器的尺寸。已知：泵的流量为 100L/min，工作油 液的粘度为 46mm2/s，滤油器的过滤精度为 5μm，液压缸活塞与活塞杆的面积比为 2。 ①确定滤油器的最大通过流量：回油路滤油器的最大流量为泵的流量乘活塞与活塞杆面积 比： q max = 100×2 =200L/min 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 107 ②将 q max 换算为标准粘度下的流量 q s = f v q max 200 2 32 46 32 46 × + = =264L/min ③根据以上计算出的流量 q s，从产品压差—流量曲线中选择合适的滤油器型号为 ZU-A630， 其公称流量为 630 L/min。图 4-6 为所选用滤油器滤芯的压差—流量曲线，滤芯初始压差取 0.05Mpa，过滤精度 5μm 的滤芯其允许通过流量为 300L/min。 0.02 0.04 0.06 0.08 100 200 300 400 500 600 流量（L/min） 压 差 MPa 图 4-6 滤芯压差流量特性曲线 油箱上的空气过滤器也不容忽视。该过滤器要有与系统要求相适应的过滤精度，以防止环境 污染物浸入。同时又要有足够的通流能力，保证油箱液面升降时通气顺畅。 第四节 液压装置设计 一、液压油箱设计 (一）油箱的功能 每个液压设备都应该有自己的油箱，而且油箱通常都是自制的。油箱的作用主要是: （1）盛放液压油液-油箱必须能够盛放系统中的全部油液。液压泵从油箱里抽走油液送入系 统，油液在系统中完成传递动力的任务后返回油箱。 （2）散发热量-液压系统中的功率损失导致油液温度升高。油液从系统中带回来的热量有很 大一部分靠油箱壁散发到周围的空气中。这就要求油箱应具有足够的尺寸，尽量设置在通风良好 的位置上，必要时油箱外壁要设置翅片来增加散热能力。 （3）逸出空气-油液泡沫导致噪声和液压元件的损坏，尤其在液压泵中会引起气蚀。低压区 压力低于溶解空气的饱和点、吸油管漏气或液位过低时由旋涡作用引起液压泵吸入空气以及回油 的搅动作用等都导致形成气泡。未溶解的空气可在油箱中逸出，因此希望有尽可能大的油液面积， 并应让油液在油箱里逗留更长的时间。 （4）沉淀杂质-未被过滤器捕获的细小污染物，如磨屑或油液的老化生成物，可以沉落到油 箱底部。 （5）分离水分-由于温度的变化，空气中的水蒸气在油箱内壁上凝结成水滴而落入油液中， 其中只有很少数量溶解在油液里。未溶解的水会使油液乳化变质。油箱提供了油水分离的机会， 使这些游离水聚积在油箱中的最低点，以备清除。 （6）安装元件-往往把液压滤油器等液压元件直接装在油箱板上。 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 108 （二）确定油箱容量 液油箱容量包括油液容量和空气容量。油液容量是指油箱中的油液最多时，即液面在液位计 的上刻度线时的油液体积。在最高液面以上要留出等于油液容量１０％～１５％的空气容量。 按经验，固定设备用油箱的油液容量应是系统液压泵每分钟流量的３～５倍，行走设备为 ０.3～3倍每分钟液压泵流量。提出上述理论依据是液压油箱就是冷却器。但是实践表明，移动机 械液压油箱的表面积不超过液压元件表面积的30%，而大部分热量是从液压油箱中通过热传导的 方式散发出去的。据有些国外资料介绍，油箱容量也可以用公式估算： Ｖ＝１.２～１.２５（０.２～０.３３×Ｑ＋ＥＺ） 式中：Ｖ—油箱总容量（Ｌ）（包括１０％～１５％的空气容量） Ｑ—开式回路部分液压泵流量的总和（L / min） ＥＺ—单作用液压缸的总容积（Ｌ） 此外，还要验算机器上所有液压缸全伸状态下，油箱的油位不低于最低允许油位；所有液 压缸全缩时，油箱的油位不高于最高油位。 (三)油箱的结构设计 1.油箱的形状 油箱的形状取决于主机的要求和安装空间的限制，工程机械常用的有方形和异型。如图 4-7 所示。 图4-7液压油箱 2.箱顶 油箱顶部的结构取决于它上面装些什么。箱顶上安装其他控制元件时，顶板的厚度应为侧板 厚度的2-4倍，以免产生振动，且应设隔振垫。为了便于布置和维修，有时采用装在箱顶上的回 油过滤器。箱顶上的螺纹孔应该用不通孔，以防污染物落入油箱之内。箱顶上各类元件的设置见 图4-8。箱顶结构如图4-9。 . 图4-8 油箱顶部元件设置 图4-9箱顶与侧壁的连接 3．箱壁、清洗口、吊耳 当箱盖与箱壁之间为不可拆连接时，应在箱壁上至少设置一个清洗口。清洗口的数量和位置 应便于用手清理所有内表面。清洗口盖板应该能由一个人拆装。盖板应配有可以重复使用的弹性 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 109 密封件。清洗盖板及密封件的细节见图4-10。 图4-10 清洗口盖板细节 搬动油箱时，可以使用叉车，也可以使用吊车。起吊时可以利用焊在油箱四角箱壁上方的 吊耳。圆柱形焊接吊耳见图4-11和表4-13，钩形焊接吊耳见图4-12 和表4-14。估算吊耳的起重 量时不要忘记油液的重量。 图4-11圆柱形焊接吊耳 图4-12钩形焊接吊耳 表4-13 圆柱形焊接吊耳尺寸 单位mm 每吊耳起重量/吨 d d1 L l R r c K 重量kg 0.7 φ26 φ36 20 10 6 1.6 1 5 0.09 1.7 φ40 φ55 33 16 10 3 2 6 0.4 3.9 φ55 φ80 48 23 16 4 2 9 1.28 7.4 φ70 φ100 62 30 20 5 3 12 3.04 11.2 φ80 φ120 80 38 25 6 4 15 5.64 表4-14 钩形焊接吊耳尺寸 单位mm 每吊耳起重 量/吨 b h1 h2 h L l S R r1 r2 r3 K 重量kg 1.6 8 80 70 20 50 20 20 15 8 20 10 4 0.35 3.3 10 112 100 25 60 25 26 20 8 25 13 5 0.64 5.4 12 145 130 30 75 32 30 25 9 30 15 7 1.54 7.8 14 178 160 35 90 38 36 30 12 35 18 8 2.7 10.3 16 210 190 40 105 45 40 35 14 40 20 9 3.85 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 110 4.箱底 油箱底部应该向清洗口倾斜，倾斜度通常为1/25～1/20。这样可以促使沉积物（油泥或水） 聚集到油箱中的最低点。应在最低点设置不小于M18*1.5的放油塞。 5.隔板、隔墙与除气网 为了延长油液在油箱中逗留的时间，促进油液在油箱中的环流，促使更多的油液参与在系统 中的循环，从而更好地发挥油箱的散热、除气、沉淀等功能，油箱中，尤其在油液容量超过100L 的油箱中应设置内部隔板。隔板要把系统回油区与吸油区隔开，并尽可能使油液在油箱内沿着油 箱壁环流。隔板缺口处要有足够大的过流面积，使环流流速为0.3～0.6m/s。典型的隔板结构见 图4-13。如果隔板与油箱内表面之间采用焊接连接，则焊缝应该满焊，不要留下可能无法清理的 藏污纳垢的缝隙。隔板的设置给油箱内部清洗带来一定困难，在清洗口及放油口的设置上应作相 应的考虑。 图4-14所示的除气网有助于油液中的气泡浮出液面。除气网用网眼直径为0.5mm的金属网， 倾斜10°～30°布置。 图4-13 隔板 图4-14 除气网 (四)油箱附件的配置及其注意事项 油箱附件的配置，一般是根据液压系统的要求来进行的，但不外乎包括空气滤清器、吸回油 滤油器、液位液温计等等。 1.空气滤清器 对开式油箱来说，空气滤清器是必备的。通常，它兼作注油口用，其容量一般按泵最大流量 的１.５～２倍选取，以便即使在系统尖峰需要期间液面迅速下降时也能在油箱内保持大气压力。 通常将它置于油箱的顶部，对行走机械，滤清器安放位置应考虑车辆爬最大坡度和下坡时不致使 油液从其中溢出（见图4-15）。 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 111 图4-15 2.吸油滤油器 吸油滤油器一般作保护型过滤器用，用来保护液压泵不被较大颗粒污染物所损坏。常常安放 在液压油箱的里面。带滤芯和滤壳的滤油器不仅有自封能力而且可方便地带有真空表，被应用得 越来越广。 ３. 回油滤油器 回油滤油器一般作工作型过滤器用，常选用精滤器。安放位置：它可以被安放在油箱的顶部 或侧面。但必须保证油液的出口始终淹没在液面以下，以防产生泡沫。 (３) 液位、液温计 小型油箱液位计的最高刻度线对应油液最高位置，最低刻度线对应最低允许油位（为了确保 液压泵不吸空，最低允许油位一般设在泵吸油口以上７５ｍｍ左右）。大型油箱，在最低允许油 位处设一小液位计，或使用液位传感器。当液位达到最低允许油位时，发出报警信号，提醒操作 者加油。液位计安放在便于观察的地方。 二、液压管路设计 管路把元件连接起来组成液压系统。管路为传递能量的有压油液提供流动通路，为完成能量 传递后的油液提供返回油箱的通路，有时还为控制油液提供通路。要在硬管与软管之间作出基本 选择。应尽量用硬管，因为硬管成本低、阻力小、安全。元件运动时要用软管，有时为了装拆方 便也用软管。软管还可以防振隔振。 (一)硬管 硬管可分成两类，一类是通径定寸的，另一类是外径定寸的。 通径定寸管的规格按公称口径确定。公称口径表示近似内径的参考尺寸，其外径决定于对应 的锥管螺纹的尺寸。每种规格的实际内径随着管壁厚度而变化，而壁厚有普通型和加厚型之分。 GB/T3091-1993低压流体输送用镀锌焊接钢管就属于这一类。通径定寸管一般比外径定寸管成本 低。它可以不用管接头而直接连接于元件或底板上的管螺纹油口，用聚四氟乙烯生料带密封，用 于很少拆卸的场合，输送很大流量的场合或者管路长而直的场合。 外径定寸管的规格按外径和壁厚确定。液压系统主要用这种管子。例如GB/T3639-2000冷拔或 冷轧精密无缝钢管。外径定寸管比通径定寸管更坚固更整洁，容易弯成系统所需要的形状，并且 有各种品种的管接头可以选用。 确定硬管尺寸时要计算管子内径、壁厚、弯头、压力损失。 1.管内油液的推荐流速 表4-15 液压系统管路推荐流速 吸油管 压力管 回油管流速 （m/s） 运动粘度(㎜2/s) 流速（m/s） 压力(MPa) 流速（m/s） 150 100 50 30 0.6 0.75 1.2 1.3 2.5 5.0 10 20 2.5～3 3.5～4 4.5～5 5～6 1.7～4.5 液压系统设计篇 天津工程机械研究院培训教材 112 2.管道内径的计算 πυ qd 4≤ 式中：d—管道内径； q—通过管道油液的流量； υ—管内油液的流速，按推荐流速选取。 3.管道壁厚的计算 [ ]σδ 2 pd≥ 式中:δ—金属管壁厚； d—管道内径； p—工作压力； ［σ］—许用应力，对于钢管，［σ］=σb