1、液压传动毕业设计说明书设计目的： 液压系统的设计是整机设计的重要组成部分,主要任务是综合运用前面各章的基础知识,学习液压系统的设计步骤、内容和方法。通过学习，能根据工作要求确定液压系统的主要参数、系统原理图，能进行必要的设计计算，合理地选择和确定液压元件，对所设计的液压系统性能进行校验算，为进一步进行液压系统结构设计打下基础。设计步骤和内容：液压系统的设计步骤和内容大致如下：(1)明确设计要求，进行工况分析；(2)确定液压系统的主要性能参数；(3)拟订液压系统原理图；(4)计算和选择液压元件；(5)验算液压系统的性能；(6)液压缸设计；(7)绘制工作图，编写技术文件，并提出电气控制系统的设计任
2、务书。以上步骤中各项工作内容有时是互相穿插、交叉进行的。对某些复杂的问题，需要进行多次反复才能最后确定。在设计某些较简单的液压系统时，有些步骤可合并和简化处理。摘要1前言2第一章 液压传动的基本介绍.31.1液压传动的早期运用 31.2液压传动的应用范围的基本原理 31.3液压传动系统的组成 41.4液压元件分类 51.5液压传动的优缺点 5第二章 各部件的选型.72.1 电动机的选型72.2 液压泵的选型92.3 液压泵与电动机之间连接的设计122.4 过滤器的选型132.5 压力仪表的选型142.6 接口部件的选型152.7 密封装置的选型17第三章 液压动力单元的结构设计分析193.1
3、液压动力源的几种结构形式.193.2 各种布置的比较.193.3 布置方案的选定.203.4 油箱的设计.213.5 系统压力平衡问题的分析.223.6 总体系统的结构.27第四章 材料的选择284.1 油箱外壁材料的选择284.2 压力平衡结构中的非金属材料的选择294.3 油箱壁的强度校核314.4压力平衡结构的体积校核31总结34谢辞35参考文献36摘要随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，开发“蓝色经济”以势在必行，海洋站地球表面积得71%，在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。要向海洋索要资源，目前，人们共同面临和急需解决的问题便是采用
4、先进的跨学科的技术手段来探索、开发神秘的海洋。因此一个能适应深海环境的液压动力源的出现，已迫在眉睫。本文设计内容为开发一套6000m深海液压动力单元，工作压力位21MPa、额定排量35mL/min。作为液压动力源，在考虑了一般陆地环境必须注意的问题，如液压系统的污染、泄露、液压冲击、振动和噪声外，还必须要考虑在深海环境下的新的问题。深海液压动力单元的设计难点和重点归纳起来包括压力平衡问题、密封问题、电缆的接口问题以及材料的防腐蚀问题。众所周知，海洋深处是有很大的压力的，而且随着深度的加深，压力也就越大，当到达6000m时，压力为60MPa，如果这么大的压力都由液压动力源来承担，再加上系统工作所
5、需的压力，液压泵的负担是很重要的，而且这样也很不经济，液压动力单元的效率会非常低，同时整个结构外壳也必须做得很厚以承受水压，这样就加大了系统的重量，在系统的密封工作方面，也会带来很大难度，所必须要设计一个特别装置来平衡装置，同时也对压力平衡厚的系统密封问题、电缆接口问题和材料的防腐蚀问题进行了分析。关键词：动力单元，压力平衡，液压系统。前言制造业的历史可追溯到几百年前的旧石器的时代。猿进化成人的一个重要的标志就是工具的制造。可见，工具的制造对人类的影响是极其巨大的。从某种程度上说，工具是先进水平决定着生产力的提高发展与变革，是伴随着劳动工具的发展与变革。制造业是任何一个发达国家的基础工业，是一
6、个国家综合国力的重要体现。而在制造业中，液压系统又是制造业的基础，得到了各个国家的高度重视。尤其在今天以知识为驱动的全球化经济浪潮中，由于激烈的市场竞争，夹具工业的内涵、深度和广度都发生着深刻的而变化，各种新的液压系统、制造加工方法不断出现，推动着我们的社会不断的向前发展。液压系统是现代工业的基础。它的技术水平在很大程度上决定了产品的质量和市场的竞争力。随着我们加入“WTO”步伐的日益加快。“入世”将对我们夹工具产生重大而深远的影响，经济全球化的趋势日益明显，同时世界众多知名公司不断进行结构调整，国内市场的国际性进一步显现，该行业的将经受更大的冲击，竞争也会更加剧烈。在如此严峻的行业背景下，我
7、们的技术人员经过不断的改革和创新使得我国的磨具水平有了较大的提高，大型、复杂、精密、高效和长寿命的液压有上了新台阶。液压式每个机制制造方面目前普遍的，它可以大批量生产，节省人力物资，效率相对高，操作方便，结构合理，它的成本低廉，适合广大人群所承受的能力。第一章 液压传动的基本介绍1.1 液压传动的早期运用1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更
8、为迅速。液压元件大约在19 世纪末20 世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战(1941-1945)期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20 多年。在1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会”。近20
9、30 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。1.2液压传动的应用范围的基本原理液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。 液压传动的基
10、本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。 1.3液压传动系统的组成液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。 1、动力元件（油泵）
11、它的作用是利用液体把原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。 2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。 3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。 4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件各种管接头(扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要。 5、工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换
12、。1.4液压元件分类动力元件- 齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵. 执行元件-液压缸：活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸、组合液压缸 液压马达-齿轮式液压马达、叶片液压马达、柱塞液压马达 控制元件-方向控制阀：单向阀、换向阀 压力控制阀-溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等 流量控制阀-节流阀、调速阀、分流阀 辅助元件-蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计、密封装置等。1.5液压传动的优缺点1、液压传动的优点（1）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的1020%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节
13、牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）。 （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； （6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 （8)液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。 2、液压传动的缺点（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁； （2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高； （3）液
14、压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； （4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-1560范围内较合适。 （5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较。第二章 各个部件的选型液压动力源的设计要求各部件布置紧凑、振动和噪声小、结构密封性好、性价比高。本节介绍液压动力系统中的液压泵、电动机、过滤器、压力仪表、接口部件等各个的重要部件的选型。2.1 电动机的选型现在常用的电动机有步进电动机、直流电动机、异步电动机、伺服电动机等。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或
15、直线位移的控制信号，在数控机床上有较广泛的应用，对于本设计是不使用的，所以电动机只可能在直流电动和交流电动机中进行选择。直流电动机是将直流电能转换为机械能，具有启动性能和调速性能好、过载能力大等优点，在大型机床、电力机车、船舶机械和纺织机械等设备有广泛的应用，但直流电动机的电刷机构是一个致命缺陷，影响了电动机的使用寿命，使结构也变得复杂。相对而言，交流电动机，特别是三相交流异步电动机的维护和操作方便、坚固耐用、工作可靠，虽然调速性能没有直流电动机好，功率因数低，但液压泵对电动机速度控制要求不高，异步电动机已经可以很好地控制速度，所以交流电动机的应用范围还是相当广的。深海电动机设计的难点在于其密
16、封技术，由于深海环境下巨大的外界压力以及海水的强导电性能，故电动机一般采用内部充油设计，并进行压力补偿。外壳采用耐腐蚀的金属材料（如钛合金、表面处理的高强度铝等）。这样一来，无论是电动机本体的静密封还是转轴处的动密封均比较容易实现。而对于内部线圈，必须可以在高压油环境下正常工作。根据所查找的资料，一般的深海电动机都是采用直流的，但通过之前的讨论已经知道，直流电动机存在着电刷的问题，直流有刷电动机换相时，电刷与换向器会产生火花，碳化补偿油，造成电动机转子短路，损坏电动机，因此其密封只能采用承压方式，这既增加了电动机的尺寸和重量，又限制了其适用的水下深度。除了直流有刷电动机外，还有直流无刷电动机，
17、直流无刷电动机与直流有刷电动机的价格相当，而密封机构大大简化，电动机壳体内外压力平衡。电动机的定子机壳、前端盖、后端盖构成一个密封壳体，属于静密封问题。因此在前、后端盖处采用O形圈进行密封。轴伸处的密封属于动密封，是水下电动机中最难解决的问题之一。因为电动机轴只要旋转，轴与机壳处就会有间隙。如果仍然采取在轴与机壳间加O形圈密封的方法，当电动机高速旋转时，会导致O形密封圈的磨损、发热乃至变形，在较高的水压下，就容易漏水，所以轴伸处仅采取加O形圈密封的方法已不可靠。工程技术人员在这方面做了大量的工作，如采用德国洪格尔组合密封圈进行动密封。组合密封圈由聚四氟乙烯内环与O形圈外环的有机结合解决了这个问
18、题。当电动机旋转时，轴与聚四氟乙烯环产生相对摩擦。由于聚四氟乙烯材料有极好的耐磨、耐高温性能，大大降低了磨损、发热乃至变形影响。并且电动机内充有压力补偿油，电动机内外压平衡，轴与聚四氟乙烯环间还会形成油膜，从而保证了轴伸处的深水可靠动密封。组合密封只是在O形圈内环增加了聚四氟乙烯环，所以尺寸、重量及安装方法与O形圈类似，具有体积小、结构简单等特点。因此，选用深海直流无刷电动机是个相当不错的选择。本文计算的功率是根据液压泵在满负载额定转速下计算出来的系统最大功率要求。已知液压泵的排量是V=35ml/r,泵的压力=21MPa，这里深海选定泵的转速n=1500r/min，泵的总效率取=0.98。流量
19、：q=Vn10=15003510=52.5（L/min） （3-1）功率：P=19.34（kW） （3-2）式中 q液压泵的流量，L/min； V液压泵的排量，ml/r； n电动机的转速，r/min； 系统总效率； P电动机的功率，kW。最后确定电动机的功率为22kW。2.2 液压泵的选型液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换元件，在液压传动中，液压泵是动力元件，向液压系统提供液压能。就排量而言，液压泵分为定量泵和变量泵。按构成密封工作容积的方法和吸、排油机理可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵四类，如图2-1所示。 图2-1（1） 齿轮泵齿轮泵结构简单、体积小、工作可靠，具有良好的自
20、吸能力并对油污不敏感，耐冲击性负载。但齿轮泵的零件在磨损后不易修复，零件组装是选配，互换性差，常因个别零件损坏而不得不更换新泵。齿轮泵具有较大的转速范围，但转速不能太高，否则油液在离心力的作用下不能充满整个工作空间，并对吸油形成阻力，产生“吸空”现象。齿轮泵的转速也不能太低，否则由于流量减小，容积效率下降，它的吸油口、排油口不能互换，旋转方向有明确规定。（2）叶片泵叶片泵结构紧凑、体积小，流量均匀、运动平稳、噪声小、容积效率高、寿命较长，但为使叶片泵可靠地吸油；转速必须在5001500r/min范围内，转速太低，叶片不能紧压定子的内表面，无法吸油；转速过高，则造成泵的“吸空”现象。叶片泵对油液
21、中的污染物很敏感，污物会影响叶片泵工作的可靠性，油液不清洁会使叶片卡死，因此必须保证油液良好过滤和环境清洁。此外，因叶片有安装倾角，固转子必须按规定的旋转方向使用。（3） 柱塞泵柱塞泵依靠柱塞在缸中往复运动形成密封工作容积的变化实现吸油与排油。与齿轮式和叶片泵相比，柱塞泵具有如下优点。1 柱塞泵的工作压力高。因为柱塞与孔容易加工，尺寸及表面质量可以达到很高的精度，所以配合精度高、泄露小、容积效率高，工作压力一般为2040MPa。最高压力可达到100MPa。2 流量范围大。适当增加柱塞数目或增大柱塞直径，即可增大流量。3 变量形式多。改变柱塞形成，即能改变泵的排量，可构成多种变量泵。柱塞泵主要零
22、件均受压，材料强度可以得到充分利用，寿命长，单位功能的重量小。（4） 螺杆泵螺杆泵与其他容积式液压泵相比，结构紧凑，流量、压力无脉动，自吸能力强，允许较高的转速，工作可靠，寿命长。常用于传动要求十分平稳的精密度机床，如镜面磨床；也用于工作可靠性要求很高的装置中，如飞机和轮船。用于各类泵的比较，以及本设计的要求压力是21MPa，是一个不小的压力，并且是工作在深海作为一些机构的动力源，流量范围要求会比较大，所以选用柱塞泵。柱塞泵有轴向和径向之分，因径向布置不如轴向布置紧凑，故泵的体积和重量都较大。柱塞与定子为点接触，应力高，配油轴磨损后间隙不能补偿，漏损较大，故这种径向泵的工作压力、容积效率和转速
23、都比轴向柱塞泵低。深海液压系统用液压泵的设计还要考虑振动和噪声问题，因为如果振动和噪声较高会影响整个执行系统上其他设备（如声纳等）的正常运行。而在振动和噪声指标满足要求的情况下，一般路上液压系统用液压泵均可满足深海的使用要求。最后选择斜盘轴向式柱塞泵。传统的泵是整个油路的一部分，除了选择泵外，还要连接一些液压阀及相关油路来组成一个基本回路，现在有些泵已经集成了一些基本的液压控制阀，这样就简化了整个油路的设计。考虑到本次设计所要求的排量为35mL/r，压力为21MPa，最终选用某公司的C4低压卸荷控制型液压泵，具体型号为BK35-F-R-C4-A-K-11,起主要参数如下。排量：35ml/r。最
24、高压力：25MPa。额定转速：1500r/min。最高转速:2200r/min。容积效率：0.98。泵的外形结构及主要尺寸如图2-2所示。图2-2 泵的外形结构及主要尺寸图2.3 液压泵与电动机之间连接的设计传统的设计，电动机和液压泵之间是通过一个联轴器连接在一起的，电动机的转矩通过联轴器传递到液压泵，但是这种连接方式占用的体积较大，且工作时联轴器会发出很大的噪声，会影响它在某些场合的应用，并且会降低效率，所以在结构上准备选择液压泵输出轴和电动机输出轴连成一体的通轴结构，这样在结构上能简化很多，噪声问题也会有很大的改善。当然制成通轴也会有一定的问题，首先这根轴就是一个单件生产的零件，成本比较高
25、，而且怎么将电动机和泵的内部元件连接在一起，能不能连接上还是个问题，因为轴的两端分别连接着电动机的转子和液压的内部元件。本设计使用的液压泵已经在前面设计中选择好了，下面就其具体的安装问题，对通轴的可行性进行分析。将液压泵和电动机解剖后，其主要部件如图2-3所示。从图2-3可以清楚地观察到将电动机轴和液压泵制成同一个轴的结构在安装方面是没有问题的，只要将各个部件依次从右往左安装，具体安装顺序依照图2-3所示的编号顺序，所以本文在这部分的设计采用通轴结构。 图2-3 系统只要部件 1电动机外壳；2通轴；3电动机转子；4电动机封盖；5轴承；6液压泵外壳；7斜盘和柱塞；8缸体；9配流盘；10液压泵盖2
26、.4 过滤器的选型液压系统中故障的80%是由工作介质受污染引起的。保持液体介质的清洁是保证系统可靠工作的关键，而使用过滤器是主要手段。过滤器的主要作用就是清除液体介质中的固体污染物。（1)过滤器的分类过滤器按滤芯分为两大类，既深度型滤芯和表面型滤芯过滤器。深度型过滤器强迫介质流过多层滤材，当介质流过相互纠缠的通道时污染物被捕获。这些过滤器通常都由具有吸油能力的元件构成，其滤芯可以网住污染颗粒。有吸附能力的滤芯可使污染物黏附在滤芯表面。表面型滤芯由单层滤材构成，介质必须流过该滤层，由带网孔的金属或钢丝筛制成，因此它们有着非常一致的孔径，从而限制能通过的最大圆形硬颗粒的尺寸。过滤器类型及相应的用途
27、如表2-1所示。 表2-1 过滤器的种类及用途类型用途类型用途吸油过滤器保护液压泵泄油过滤器防止生成污染物进入油箱高压过滤器保护泵下游元件部受污染安全过滤器保护污染抵抗力低的元件回油过滤器降低油液污染度通气过滤器防止污染物随空气侵入离线过滤器连续过滤保持油液清洁度注油过滤器防止注油时侵入污染物（2）过滤精度表示过滤器性能等级的指示是过滤精度。过滤精度是指过滤器所能过滤杂质颗粒的大小。不同用途的液压系统对油液的过滤精度要求不同。液压私服系统对油液过滤精度要求最高；液压高的系统中由于液压元件间隙小，对油液过滤精度要求也较高。过滤精度的选取可参考表2-2。 表2-2 过滤精度的选取系统类别一般液压系
28、统伺服系统压力p/MPa73521颗粒大小/um255025105（3） 过滤器的选择过滤器的选择主要根据系统的工作压力、介质的性质、元件等工作条件进行。考虑到系统的结构问题，不可能在所有部位上安装过滤器，根据本文所设计的系统，最后决定只在装置的回油路安装回油过滤器。本文所设计的压力为21Mpa，根据表2-2，选取过滤精度为10um的过滤器，这样的精度已经足够了。一般的回油过滤器有如下几种类型。YLH型箱上回油过滤器。RFA型微型回油过滤器SRFA型双筒箱上回油过滤器。RFB型箱侧回油过滤器。管路易拆式回油过滤器（YH）管路易拆式双筒回油过滤器（2YH）ZU-A型回油过滤器。考虑到设计要求回油过滤器结构紧凑，因此，过滤器选择结构尺寸相对较小的RFA型微型回油过滤器，系统的流量是52.5L/min, 并且要求的过滤精度为10, 所选择的过滤器型号为RFA-6310,连接方式为螺纹连接。2.5压力仪表的选型一般的液压系统会在油路上安装压力表，用来测定管路上的压力，并且使用的大都是表盘机械式压力表，当然稍高档的设备使用的一般是数显压力表。传统的机械式压力表能测定的压力范围不是很大，一般是060MPa。本文设计的液压动力源，工作压力有可能大于60MPa，使用本系统所需要的压力仪表的测量范围在0100MPa，并且需要的是电子式压力仪器，能把压力信号转换为电信号传
