设计要求与工况分析

对于简单的液压系统，如设备的润滑散热系统，本身没有执行元件，只需根据系统所要求润滑的润滑点及发热量，按照设备的润滑油路情况，确定润滑油液的流量，确定其分配，甚至不需要定压阀。对于复杂液压系统，则需要按照一定的规则步骤进行设计。

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）主机的概况，如用途、性能、工艺流程、总体布局等。

（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、温升等的要求。

（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进行具体介绍。

1.运动分析

运动分析就是研究工作机构根据工艺要求应以什么样的运动规律完成工作循环，运动速度的大小、加速度是恒定的还是变化的，行程大小及循环时间长短等。为此必须确定执行元件的类型，并绘制位移-时间循环图（L-t）或速度-时间循环图（v-t），由此对运动规律进行分析。

1）位移-时间循环图L-t

图7.6.2为液压机的液压缸位移-时间循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞起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、卸压慢回和快速回程6个阶段组成。

2）速度-时间循环图v-t（或v-L）

工程中液压缸的运动特点可归纳为3种类型。图7.6.3为3种类型液压缸的v-t图，第一种如图中实线所示，液压缸开始做匀加速运动，然后匀速运动，最后匀减速运动到终点；第二种如图中虚线所示，液压缸在总行程的前一半做匀加速运动，在另一半做匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种如图中点划线所示，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度做匀加速运动，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7.6.2　位移-时间循环图

图7.6.3　速度-时间循环图

2.动力分析

动力分析是研究机械设备在其工作过程中执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。

1）液压缸的负载

（1）液压缸的负载力计算。

工作机构做直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由6部分组成：

式中，Fc——工作负载；

Ff——摩擦负载；

Fi——惯性负载；(www.xing528.com)

FG——重力负载；

Fm——密封阻力负载；

Fb——回油阻力负载。

（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，一般包括起动加速、快进、慢进、快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。

①起动加速阶段：这时液压缸或活塞由静止到起动并加速到一定速度，其总负载力包括摩擦力、密封阻力（按缸的机械效率ηm=0.95计算）、重力和惯性力等项，即

②快进阶段：

③慢进阶段：

④减速阶段：

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，只需计算慢进阶段的总负载力；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慢进阶段的总负载力。

（3）液压缸的负载循环图。

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（F-t）或负载-位移（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。

图7.6.4为某液压缸的F-t图，其中，0～t1为起动过程；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。图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。

图7.6.4　液压缸负载-时间循环图

2）液压马达的负载

工作机构做旋转运动时，液压马达必须克服的外负载为

式中，Te——工作负载力矩；

Tf——摩擦转矩；

Ti——惯性转矩。

根据式（7.6.6），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。