液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式、液压元件及联接管路等完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。对一般液压传动系统来说，主要是进一步确切地计算液压回路各段压力损失、容积损失及系统效率，压力冲击和发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不合理的设计要进行重新调整，或采取其他必要的措施。
液压系统压力损失
压力损失包括管路的沿程损失Δp1，管路的局部压力损失ΔP2和阀类元件的局部损失Δp3，总的压力损失为
Δp=Δpl+ΔP2+Δp3
△P1=λlv^2ρ/2d
ΔP2=ζv^2ρ/2
式中 l-管道的长度(m)；
d-管道内径(m)；
v-液流平均速度（m/s）；
ρ-液压油密度( kg/m^3)；
λ-沿程阻力系数；
ζ-局部阻力系数。
λ、ζ的具体值可参考流体力学有关内容。
△p3=Δpn(Q/Qn)^2
式中 Qn——阀的额定流量(m^3/s)；
Q——通过阀的实际流量(m^3/s)；
△pn——阀的额定压力损失(Pa)（可从产品样本中查到）。
对于泵到执行元件间的压力损失，如果计算出的Ap比选泵时估计的管路损失大得多时，应该重新调整泵及其他有关元件的规格尺寸等参数。
系统的调整压力
Pt≥Pi+ Δp
液压系统工作时，除执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。液压系统的功率损失主要有以下几种形式：
(1)液压泵的功率损失
Phl=1/Tt * ∑Pri(1 - ηPi)ti
式中 Tt——工作循环周期(s)；
Z——投入工作液压泵的台数；
Pri——液压泵的输入功率(W)；
ηPi——各台液压泵的总效率；
ti：——第i台泵工作时间(s)。
(2)液压执行元件的功率损失
Ph2=1/Tt *ΣPrj(1-ηj)tj
式中 M——液压执行元件的数量；
Prj——液压执行元件的输入功率(W)；
ηj——液压执行元件的效率；
tj——第j个执行元件工作时间(s)。
(3)溢流阀的功率损失
Ph3=pyQy
式中 py——溢流阀的调整压力(Pa)；
Qy——经溢流阀流回油箱的流量(m^3/S)。
(4)油液流经阀或管路的功率损失
Ph4= ΔpQ
式中 Δp——通过阀或管路的压力损失(Pa)；
Q——通过阀或管路的流量(m^3/S)。
由以上各种损失构成了整个系统的功率损失，即液压系统的发热功率
Phr=Phl+ Ph2+ Ph3+ Ph4
上式适用于回路比较简单的液压系统，对于复杂系统，由于功率损失的环节太多，一一计算较麻烦，通常用下式计算液压系统的发热功率
Phr =Pr-Pc
式中Pr是液压系统的总输入功率，Pc是输出的有效功率。
Pr=1/Tt * Σpiqiti/ηpi
Pc=1/Tt(ΣFwisi+ΣTWjωjtj)
式中 Tt-工作周期(s)；
Pi、Qi、ηPi-第i台泵的实际输出压力、流量、效率；
ti-第i台泵工作时间(s)；
TWj、ωj、tj-液压马达的外载转矩、转速、工作时间(N*m、rad/s、s)；
FWi、si-液压缸外载荷及驱动此载荷的行程(N*m)。
计算液压系统的散热功率
液压系统的散热渠道主要是油箱表面，但如果
系统外接管路较长，而且计算发热功率时，也应考
虑管路表面散热。
Phc= (K1A1+ K2A2) ΔT
式中 K1——油箱散热系数，见表2.5-1;
K2——管路散热系数，见表2.5-2;
Ai、A2——分别为油箱、管道的散热面积（m^2）；
△T——油温与环境温度之差(℃)。
表2.5-1油箱散热系数K1
(W/ ( m^2*°C))
|
冷却条件 |
K1 |
|
通风条件很差
通风条件良好
用风扇冷却
循环水强制冷却 |
8～9
15～17
23
110～170 |
表2.5-2管道散热系数K，
( W/ (m^2*℃))
|
风速
/m- s-1 |
管道外径/m |
|
0. 01 |
0.05 |
0.1 |
|
0
l
5 |
8
25
69 |
6
14
40 |
5
10
23 |
若系统达到热平衡，则Phr=Phc，油温不再升高，此时，最大温差
△T=Phr/(K1A1+K2A2)
环境温度为To，则油温T= To+ ΔT。如果计算出的油温超过该液压设备允许的最高油温（各种机械允许油温见表2.5-3），就要设法增大散热面积，如果油箱的散热面积不能加大，或加大一些也无济于事时，需要装设冷却器。冷却器的散热面积
A= (Phr-Phc)/KΔtm
式中K-冷却器的散热系数，见本篇第8章液压辅助元件有关散热器的散热系数；
Δtm -平均温升(℃)，
Δtm=（Ti十T2）/2-(t1+t2)/2
T1 T2——液压油入口和出口温度；
t1、t2——冷却水或风的人口和出口温度。
表2.5-3各种机械允许油温(°C)
|
液压设备类型 |
正常工作温度 |
最高允许温度 |
|
数控机床 |
30～50 |
55～70 |
|
一般机床 |
30～55 |
55～70 |
|
机车车辆 |
40～60 |
70～80 |
|
船舶 |
30～60 |
80～90 |
|
|
40～70 |
60—90 |
|
工程机械、矿山机械 |
50—80 |
70—90 |
根据散热要求计算油箱容量
最大温差AT是在初步确定油箱容积的情况下，验算其散热面积是否满足要求。当系统的发热量求出之后，可根据散热的要求确定油箱的容量。
由AT公式可得油箱的散热面积为
A1=（Phr/ΔT一K2A2）／K1
如不考虑管路的散热，上式可简化为
A1=Phr/ΔTK1
油箱主要设计参数如图2.5-1所示。一般油面的高度为油箱高^的0.8倍，与油直接接触的表面算全散热面，与油不直接接触的表面算半散热面，图示油箱的有效容积和散热面积分别为
V=0.8abh
A1= 1.8h（a+b）+1.5ab
若A1求出，再根据结构要求确定a、b、h的比例关系，即可确定油箱的主要结构尺寸。
图2.5-1 油箱结构尺寸
如按散热要求求出的油箱容积过大，远超出用油量的需要，且又受空间尺寸的限制，则应适当缩小油箱尺寸，增设其他散热措施。
计算液压系统冲击压力
压力冲击是由于管道液流速度急剧改变而形成的。例如液压执行元件在高速运动中突然停止，换向阀的迅速开启和关闭，都会产生高于静态值的冲击压力。它不仅伴随产生振动和噪声，而且会因过高的冲击压力而使管路、液压元件遭到破坏。对系统影响较大的压力冲击常为以下两种形式：
1)当迅速打开或关闭液流通路时，在系统中产生的冲击压力。
直接冲击（即t<τ）时，管道内压力增大值
Δp=acρΔv
间接冲击（即t>τ）时，管道内压力增大值
Δp=acρΔvτ/t
式中 ρ——液体密度(kg/m^3)；
Δv——关闭或开启液流通道前后管道内流速之差( m/s)；
T——关闭或打开液流通道的时间(s)；
τ=2l/ac——管道长度为l时，冲击波往返所需的时间(s)；
ac——管道内液流中冲击波的传播速度(m/s)。
若不考虑粘性和管径变化的ccc影响，冲击波在管内的传播速度
ac=√(Eo/ρ)/ √(1+Eod/Eδ)
式中 Eo——液压油的体积弹性模量(Pa)，其推荐值为Eo= 700MPa;
δ、d——管道的壁厚和内径(m)；
E——管道材料的弹性模量(Pa)，常用管道材料弹性模量：钢E - 2.1×10^11Pa，紫铜E=1.18×l0^11Pa。
2)急剧改变液压缸运动速度时，由于液体及运动机构的惯性作用而引起的压力冲击，其压力的增大值为
△p=（∑liρA/Ai+M/A）*Δv/t
式中 li——液流第i段管道的长度(m)；
Ai——第i段管道的截面积(m^2)；
A——液压缸活塞面积(m^2)；
M——与活塞连动的运动部件质量(kg)；
Δv——液压缸的速度变化量(m/s)；
t——液压缸速度变化Δv所需时间(s)。
计算出冲击压力后，此压力与管道的静态压力之和即为此时管道的实际压力。实际压力若比初始设计压力大得多时，要重新校核一下相应部位管道的强度及阀件的承压能力，如不满足，要重新调整。
设计液压装置，编制技术文件
液压装置总体布局
液压系统总体布局有集中式、分散式。
集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或安装在地下，组成液压站。如冷轧机、锻压机、电弧炉等有强烈热源和烟尘污染的冶金设备，一般都是采用集中供油方式。
分散式结构是把液压系统中液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的地方。机床、工程机械等可移动式设备一般都采用这种结构。
1)板式配置板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上，板上钻有与阀口对应的孔，通过管接头联接油管而将各阀按系统图接通。这种配置可根据需要灵活改变回路形式。液压实验台等普遍采用这种配置。
2)集成式配置 目前液压系统大多数都采用集成形式。它是将液压阀件安装在集成块上，集成 块一方面起安装底板作用，另一方面起内部油路作用。这种配置结构紧凑、安装方便。
集成块设计
1)块体结构 集成块的材料一般为铸铁或锻钢，低压固定设备可用铸铁，高压强振场合要用锻钢。块体加工成正方体或长方体。
对于较简单的液压系统，其阀件较少，可安装在同一个集成块上。如果液压系统复杂，控制阀较多，就要采取多个集成块叠积的形式。
相互叠积的集成块，上下面一般为叠积接合面，钻有公共压力油孔P，公用回油孔T，泄漏油孔L和4个用以叠积紧固的螺栓孔。
P孔，液压泵输出的压力油经调压后进入公用压力油孔P．作为供给各单元回路压力油的公用油源。
T孔，各单元回路的回油均通到公用回油孔T，流回到油箱。
L孔，各液压阀的泄漏油，统一通过公用泄漏油孔流回油箱。
集成块的其余四个表面，一般后面接通液压执行元件的油管，另三个面用以安装液压阀。块体内部按系统图的要求，钻有沟通各阀的孔道。
2)集成块结构尺寸的确定 外形尺寸要满足阀件的安装，孔道布置及其他工艺要求。为减少工艺孔，缩短孔道长度，阀的安装位置要仔细考虑，使相通油孔尽量在同一水平面或是同一竖直面上。对于复杂的液压系统，需要多个集成块叠积时，一定要保证三个公用油孔的坐标相同，使之叠积起来后形成三个主通道。
各通油孔的内径要满足允许流速的要求，一般来说，与阀直接相通的孔径应等于所装阀的油孔通径。
油孔之间的壁厚δ不能太小，一方面防止使用过程中，由于油的压力而击穿，另一方面避免加工时，因油孔的偏斜而误通。对于中低压系统，δ不得小于5mm，高压系统应更大些。
绘制正式工作图，编写技术文件
液压系统完全确定后，要正规地绘出液压系统图。除用元件图形符号表示的原理图外，还包括动作循环表和元件的规格型号表。图中各元件一般按系统停止位置表示，如特殊要求，也可以按某时刻运动状态画出，但要加以说明。
装配图包括泵站装配图、管路布置图、操纵机构装配图，电气系统图等。
技术文件包括设计任务书、设计说明书和设备的使用、维护说明书等。
液压系统设计计算实例——250克塑料注射机液压系统设计计算
大型塑料注射机目前都是全液压控制。其基本工作原理是：粒状塑料通过料斗进入螺旋推进器中，螺杆转动，将料向前推进，同时，因螺杆外装有电加热器，而将料熔化成粘液状态，在此之前，合模机构已将模具闭合，当物料在螺旋推进器前端形成一定压力时，注射机构开始将液状料高压快速注射到模具型腔之中，经一定时间的保压冷却后，开模、把成型的塑料制品顶出，便完成了一个动作循环。
现以250克塑料注射机为例，进行流压系统设计计算。
塑料注射机的工作循环为：
合模一>注射一>保压一>冷却一>开模一>顶出—>螺杆预塑进料
其中合模的动作又分为：快速合模、慢速合模、锁模。锁模的时间较长，直到开模前这段时间都是锁模阶段。
250克塑料注射机液压系统设计要求及有关设计参数
1对液压系统的要求
1)合模运动要平稳，两片模具闭合时不应有冲击；
2)当模具闭合后，合模机构应保持闭合压力，防止注射时将模具冲开。注射后，注射机构应保持注射压力，使塑料充满型腔：
3)预塑进料时，螺杆转动，料被推到螺杆前端，这时，螺杆同注射机构一起向后退，为使螺杆前端的塑料有一定的密度，注射机构必需有一定的后退阻力：
4)为保证安全生产，系统应设有安全联锁装置。 |
