明确设计要求，进行工况分析

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主机的用途、工艺过程、总体布局，以及对液压传动装置的位置和空间尺寸的要求。

②主机对液压系统的性能要求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、换向定位精度，以及对系统的效率、温升等。

③液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击，以及是否有腐蚀性和易燃物质存在等情况。

在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析。工况分析包括运动分析和动力分析。对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律。下面对工况分析的内容作具体介绍。

1）运动分析

主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可用位移循环图（L-t图）、速度循环图（v-t图）或速度与位移循环图来表示。由此对运动规律进行分析。

（1）位移循环图L-t

如图9.1所示为液压机的液压缸位移循环图。纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明，液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回及快速回程6个阶段组成。

（2）速度循环图（v-t图，或v-L图）

工程中，液压缸的运动特点可归纳为3种类型。如图9.2所示为3种类型液压缸的v-t图。

①如图9.2所示的实线，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到终点。

②液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等。

③液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。

v-t图的3条速度曲线，不仅清楚地表明了3种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了3种工况的动力特性。

图9.1　位移循环图

图9.2　速度循环图

2）动力分析

动力分析研究的是机器在工作过程中执行元件的受力情况。对于液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。

（1）液压缸的负载及负载循环图

①液压缸的负载力计算

工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由6个部分组成，即

式中　Fc——切削阻力；

　　　Ff——摩擦阻力；

　　　Fi——惯性阻力；

　　　FG——重力；

　　　Fm——密封阻力；

　　　Fb——排油阻力。

A.切削阻力Fc

切削阻力Fc为液压缸运动方向的工作阻力。对于机床来说，就是沿工作部件运动方向的切削力。此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反，则为正值；若两者同向，则为负值。该作用力可能是恒定的，也可能是变化的。其值要根据具体情况计算或由实验测定。

图9.3　导轨形式

B.摩擦阻力Ff

摩擦阻力Ff为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力。它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关。其计算方法可查有关的设计手册。如图9.3所示为最常见的两种导轨形式。其摩擦阻力的值如下：

平导轨

V形导轨

式中　f——摩擦因数，参阅表9.1选取；

　　　∑Fn——作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；

　　　α——V形角，一般为90°。

表9.1　摩擦因数f

C.惯性阻力Fi

惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力。可计算为

式中　m——运动部件的质量，kg；(www.xing528.com)

　　　a——运动部件的加速度，m/s2；

　　　G——运动部件的质量，N；

　　　g——重力加速度，g=9.81 m/s2；

　　　Δv——速度变化值，m/s；

　　　Δt——启动或制动时间，s，一般机床Δt=0.1~0.5 s，运动部件质量大的取大值。

D.重力FG

垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的质量也是一种负载。当上移时，负载为正值；下移时，为负值。

E.密封阻力Fm

密封阻力Fm是指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力。其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初算时，可按缸的机械效率（ηm=0.9）考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。

F.排油阻力Fb

排油阻力Fb是指液压缸回油路上的阻力。它与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关。在系统方案未确定时，无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。

②液压缸运动循环各阶段的总负载力

液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、快退、减速制动等阶段。每个阶段的总负载力是有区别的。

A.启动加速阶段

这时，液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定速度。其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力（按缸的机械效率ηm=0.9计算）、重力和惯性力等项，即

B.快速阶段

C.工进阶段

D.减速

对简单液压系统，上述计算过程可简化。例如，采用单定量泵供油，只需计算工进阶段的总负载力。若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。

③液压缸的负载循环图

图9.4　负载循环图

对较为复杂的液压系统，为了更清楚地了解该系统内各液压缸（或液压马达）的速度和负载的变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间图（F-t图）或负载位移图（F-L图），然后将各液压缸在同一时间t（或位移）的负载力叠加。

如图9.4所示为一部机器的F-t图。其中，0~t1为启动过程；t1~t2为加速过程；t2~t3为恒速过程；t3~t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在动作循环内负载的规律。其中，最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构尺寸的依据。

（2）液压马达的负载

工作机构作旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为

①工作负载力矩Me

工作负载力矩Me可能是定值，也可能随时间变化。应根据机器工作条件进行具体分析。

②摩擦力矩Mf

摩擦力矩Mf为旋转部件轴颈处的摩擦力矩。其计算公式为

式中　G——旋转部件的质量，N；

　　　f——摩擦因数，启动时为静摩擦因数，启动后为动摩擦因数；

　　　R——轴颈半径，m。

③惯性力矩Mi

惯性力矩Mi为旋转部件加速或减速时产生的惯性力矩。其计算公式为

式中　ε——角加速度，r/s2；

　　　Δω——角速度的变化，r/s；

　　　Δt——加速或减速时间，s；

　　　J——旋转部件的转动惯量，kg·m2，即

　　　GD2——回转部件的飞轮效应，N·m2。

各种回转体的GD2可查《机械设计手册》。根据式（9.9），分别算出液压马达在一个工作循环内各阶段的负载大小，便可绘制液压马达的负载循环图。