液壓動力單元的結構設計

1、廣西工業(yè)職業(yè)技術學院設計說明書課 題 名 稱： 液壓動力單元的結構設計  姓 名： 農萬康 專 業(yè)： 機電一體化專業(yè) 班 級： 機電0833 起 止 日 期： 2010年9月至2010年11月 指 導 教 師： 蘇玲嬌  廣西工業(yè)職業(yè)技術學院設計說明書（學生填寫）題目： 液壓動力單元的結構設計 目錄摘要.2前言.1第一章 前 言.31.1液壓傳動發(fā)展概況.31.2液壓傳動的應用及組成31.1.1液壓的應用.31.1.2液壓的組成.41.3設計與使用一般液壓動力源的關鍵.51.4設計深海液壓動力源的特殊要求、6第二章 液壓動力單元的總體設計.72.1液壓動力源的集中結構形式.

2、72.2各種布置的比較.72.3布置方案的選定.82.4系統(tǒng)壓力平衡問題的分析102.5液壓動力單元的油箱.102.5.1油箱分類.102.5.2油箱的設計.102.5總體系統(tǒng)的結構.12第三章 液壓動力源各個部件的選型.133.1液壓泵的選型.133.2電動機的選型.133.3液壓泵與電動機之間連接的設計143.4過濾器的選擇.153.5 壓力儀表的選型、.163.6密封裝置的選型.163.7 接口部件的選型.17第四章 系統(tǒng)材料的選擇.204.1 油箱外壁材料的選擇.204.2 壓力平衡結構中的非金屬材料的選擇.21第五章 液壓動力單元系統(tǒng)性能的校核.235.1 油箱壁的強度校核.235.

3、2壓力平衡結構的體積校核.23結 論.26謝 辭.27參 考 文 獻.28摘要隨著個國的經濟飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加人類消耗的自然資源越來越多，陸地的資源正在日益減少。本文設計內容為開發(fā)一套6000M深海液壓動力單元，工作壓力為21MP，額定排量35mL/min,作為液壓動力源在考慮了一般陸地環(huán)境必須注意的問題，如液壓系統(tǒng)的污染、泄漏、液壓沖擊、振蕩和噪音外，還必須考慮在深海環(huán)境下的新問題重點歸納來包括壓力平衡問題、密閉問題、電纜的接口問題以及材料防腐蝕問題。海洋深處有很大的壓力的，而且隨著深度的加深，壓力也就越大，當?shù)竭_6000米時，壓力為60MPa。如果這么大的壓力都由液壓動力源來承擔

4、，再加上系統(tǒng)工作所要的壓力，液壓泵的負擔是很重的，而且這樣也不經濟，液壓動力單元的效率會非常低，同時整個結構的外殼也必須做得很厚以承受水壓。這樣就加大了系統(tǒng)的重量，在系統(tǒng)的密封工作方面也帶來很大的難度，所以必須要設計一個特別裝置來平衡系統(tǒng)的內外壓力。同時也對壓力平衡后的系統(tǒng)平衡問題、密閉問題、電纜的接口問題以及材料防腐蝕問題進行了分析。關鍵詞: 動力單元 壓力平衡 壓力系統(tǒng)前言液壓傳動和氣壓傳動稱為流體傳動，是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起來的一門新興技術，是工農業(yè)生產中廣為應用的一門技術。如今，流體傳動技術水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。 第一個使用液壓原

5、理的是1795年英國約瑟夫·布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在倫敦用水作為工作介質,以水壓機的形式將其應用于工業(yè)上,誕生了世界上第一臺水壓機。1905年他又將工作介質水改為油,進一步得到改善。 我國的液壓工業(yè)開始于20世紀50年代，液壓元件最初應用于機床和鍛壓設備。60年代獲得較大發(fā)展，已滲透到各個工業(yè)部門，在機床、工程機械、冶金、農業(yè)機械、汽車、船舶、航空、石油以及軍工等工業(yè)中都得到了普遍的應用。當前液壓技術正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、長壽命、高度集成化等方向發(fā)展。同時，新元件的應用、系統(tǒng)計算機輔助設計、計算機仿真和優(yōu)化、微機控制等工作

6、，也取得了顯著成果。第一章 液壓傳動的概況1.1液壓傳動發(fā)展概況自18世紀末英國制成第一臺水壓機算起，液壓傳動技術已有二三百年的歷史，到20世紀30年代它才較普遍的用于起重機、機床及工程機械。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭需要，出現(xiàn)了由響應迅速、精度高的液壓控制機構所裝備的各種軍事武器。第二次世大戰(zhàn)結束后，戰(zhàn)后液壓技術迅速轉向民用工業(yè)，液壓技術不斷應用于各種自動機及自動生產線。我國的液壓工業(yè)開始于20世紀50年代，液壓元件最初應用于機床和鍛壓設備。60年代獲得較大發(fā)展，已滲透到各個工業(yè)部門，在機床、工程機械、冶金、農業(yè)機械、汽車、船舶、航空、石油以及軍工等工業(yè)中都得到了普遍的應用。當前液壓技術

7、正向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、長壽命、高度集成化等方向發(fā)展。同時，新元件的應用、系統(tǒng)計算機輔助設計、計算機仿真和優(yōu)化、微機控制等工作，也取得了顯著成果。目前，我國的液壓件已從低壓到高壓形成系列，并生產出許多新型元件，如插裝式錐閥、電液比例閥、電液伺服閥、電業(yè)數(shù)字控制閥等。我國機械工業(yè)在認真消化、推廣國外引進的先進液壓技術的同時，大力研制、開發(fā)國產液壓件新產品，加強產品質量可靠性和新技術應用的研究，積極采用國際標準，合理調整產品結構，對一些性能差而且不符合國家標準的液壓件產品，采用逐步淘汰的措施。由此可見，隨著科學技術的迅速發(fā)展，液壓技術將獲得進一步發(fā)展，在各種機械設備上的應用

8、將更加廣泛。1.2液壓傳動的應用及組成1.1.1液壓傳動的應用液壓動力單元是一種以受壓為工作介質進行能量傳遞。轉換和控制的傳動。與機械相比，液壓傳動具有功率-質量比大，布局靈活多變并能實現(xiàn)無級調速等多種技術優(yōu)勢，在現(xiàn)代工業(yè)、農業(yè)、建筑業(yè)、航空航天、河海工程?？茖W實驗，公共設施與環(huán)境等領域中得到廣泛應用。液壓傳動技術作為現(xiàn)代機械設備中一種實現(xiàn)傳動與控制的重要技術，對先進液壓動力單元的發(fā)展具有很大的促進作用。1.1.1液壓傳動的組成液壓動力源一般由液壓泵組、油箱組件、控溫組件、過濾器組件和蓄能件5個相對的組件組成；液壓動力源的組成組成部分包含元器件作用液壓泵組液壓泵將原動機的機械能轉換為液壓能原動

9、機（電動機或內燃機）鏈接原動機和液壓泵聯(lián)軸器安裝和固定液壓泵及原動機傳動底座油箱組油箱存儲油液，散發(fā)悠然熱氣，逸出空氣，分離水分，沉淀雜質和安裝元件液位機顯示和觀測液面高度通氣過濾器過濾空氣放油塞清洗油箱或放油控溫組件溫度計顯示觀測油液溫度溫度傳感器檢測并控制油溫加熱器油液加熱冷卻器油液冷卻過濾器組件各類過濾器分離油液中的固體顆粒，防止堵塞小截面流道，保持油液情節(jié)等蓄能器組件蓄能器蓄能，吸收液壓脈動和沖擊支承臺架安裝蓄能器1）能源裝置液壓泵。它將動力部分（電動機或其它遠動機）所輸出的機械能轉換成液壓能，給系統(tǒng)提供壓力油液。2）執(zhí)行裝置液壓機（液壓缸、液壓馬達）。通過它將液壓能轉換成機械能，推動

10、負載做功。3）控制裝置液壓閥。通過它們的控制和調節(jié)，使液流的壓力、流速和方向得以改變，從而改變執(zhí)行元件的力（或力矩）、速度和方向，根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為村力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為益流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。4）輔助裝置油箱、管路、蓄能器、濾油器、管接頭、壓力表開關等.通過這些元件把系統(tǒng)聯(lián)接起來，以實現(xiàn)各種工作循環(huán)。5）工作介質液壓油。絕大多數(shù)液壓油采用礦物油，系統(tǒng)用它來傳遞能量或

11、信息。1.3設計與使用一般液壓動力源的關鍵液壓系統(tǒng)的污染、泄漏、液壓沖擊、振動和噪聲問題，這些是設計與使用一般液壓動力單元的幾個關鍵，并對液壓站的設計質量的優(yōu)略和使用效益。效果的發(fā)揮有很大影響。污染控制。油液中各種顆粒污染物在滑閥間隙內會引起滑閥卡阻故障，會導致出現(xiàn)液壓元件中的阻尼小孔或節(jié)流小孔堵塞造成元器件失靈等問題。有研究資料表明，液壓系統(tǒng)的故障約有80%以上是因液壓油所造成，而不同的污染途徑和污染物形態(tài)對液壓系統(tǒng)造成的危害又不盡相同，所以污染控制十分重要。泄漏。如果由于某種原因導致油液超過了邊界，流到不應該去的其他容腔或系統(tǒng)外部，稱為泄漏。內泄漏是從元件的高壓腔流到低壓腔的泄漏，而外泄漏

12、是從元件或管入中流到外部的泄漏。按照泄漏機理不同，又有縫隙泄漏、多孔隙泄漏、黏附泄漏和動力泄漏等多種形式。液壓沖擊。在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因引起的壓力急劇交替升降的阻尼波動過程，稱為液壓沖擊。液壓沖擊使系統(tǒng)的瞬間壓力較正常壓力大許多倍，這種現(xiàn)象常使液壓元器件、管道及密封裝置損壞失效，引起系統(tǒng)振動和噪聲。振動和噪聲。是液壓裝置運行中經常發(fā)生的兩種現(xiàn)象。振動是彈性物體的固有特性，噪聲源于振動，發(fā)聲噪聲的振動稱為聲源，所以噪聲的控制歸結為振動的控制。除了某些利用振動原理工作的液壓設備外，液壓系統(tǒng)的振動多數(shù)情況下是有害的，它影響主機和系統(tǒng)工作性能及使用壽命。噪聲除了造成人的聽力損傷外，還會分散操作者

13、的注意力，還可能淹沒報警信號，造成人身、設備事故。隨著液壓系統(tǒng)的高壓、高速化，振動與噪聲的控制就顯得重要。它也是液壓動力源設計中應重點注意的一個問題。除此之外，油箱的設計也是一個相當重要的問題，油箱除了有存儲液壓油液的作用外，還擔負了散發(fā)油液熱量、逸出空氣、沉淀雜質、分離水分的作用。1.4設計深海液壓動力源的特殊要求首先深海液壓動力源也是一個液壓動力源，所以也要注意一般環(huán)境用的液壓動力源的要求，由于他的特殊環(huán)境要求，液壓動力源也需要有特殊的設計。海水含有很多礦物質并且顯示堿性，液壓動力源要在海底作業(yè)，肯定是要整日整夜泡在海水里，自然會對一般材料產生腐蝕作用，所以需對其進行防護，或者選擇防腐材料

14、，此外在海水的相對高壓環(huán)境里密封、潤滑和接口工作也是一項相當重要的技術。一般環(huán)境下使用的液壓動力源，大多數(shù)的郵箱設計都是郵箱與外界接通的，只需在郵箱與外界之間設置一個通氣過濾器，這樣保證液壓動力源郵箱內的壓力和外界壓力相等。但是內在海底是不能直接這么處理，油箱中的油液不可能與海水接觸，所以怎樣使系統(tǒng)壓力平衡是一個需要解決的問題，現(xiàn)在假設在深6000M的海底進行作業(yè)，計其相對壓力可用公式 P=pgh 第二章 液壓動力單元的總體設計2.1液壓動力源的集中結構形式液壓動力源按布置方式分為上置式、非上置式和柜式。 上置式液壓動力源。泵組布置在郵箱之上的布置方式成為上置式。上置式布置方式按電動機的擺放位

15、置又可分為立式和臥式。當電動機立式安裝，液壓泵 置于郵箱內時，稱為立式液壓動力源；當電動機臥式安裝，液壓泵置于郵箱上時，稱為臥式液壓動力源。 非上置式液壓動力源。將組布置在底座或地基上的液壓動力源稱為非上置式。如果泵組安裝在與郵箱一體的用底座上，則稱為整體液壓動力源；將泵組單獨安裝在地基上則稱為分離型液壓動力單元。整體型液壓動力源又可分為旁置式和下置式兩種。柜式液壓動力源。將泵組合郵箱整體置于封閉型柜體內的結構稱為柜式液壓動力源。2.2各種布置的比較上置式液壓動力源占地面積小，結構緊湊，液壓泵置于郵箱內的立式安裝動力源，噪聲低且便于收集漏油，一般應用于中小功率的液壓泵站。當采用臥式動力源時，由

16、于液壓泵置于郵箱之上，必須注意各類液壓泵的吸油高度，以防液壓泵油口處產生過大的真空度，造成吸空或氣穴現(xiàn)象。非上置式液壓動力源由于液壓泵置于郵箱面以下，故能能有效改善液壓泵的吸入能力，這種動力源裝置高度低，便于維護，但占地面積大，適用于泵的吸入允許高度受限制，傳動功率較大，而使用空間不受限制，以及開機率低，使用時又要求很快投入運行的場合。新一代的這種布置方式的液壓動力源可以將液壓泵組、郵箱組件、控溫組件等集成為一個整體，機構做得相當緊湊，并且能保證一定壓力和排量，如近些年來出現(xiàn)的通用性較強的液壓動力單元就是典型代表。柜式液壓動力源裝置可在柜體上方便布置各類儀表板和電控箱，且外觀整齊美觀，因泵組被

17、柜體封閉而屏蔽了噪聲，同時能有效減少外界污染，其缺點式由于需顧及操作和維護的空間及液壓泵系統(tǒng)的散熱，致使其外形尺寸較大，通常僅在中、小功率場合及實驗室采用。2.3布置方案的選定考慮到本次設計的液壓動力源的實際使用環(huán)境，在滿足壓力和排量要求的前提下，整個系統(tǒng)做得越小越緊湊越好，不僅占地面積小，而且也節(jié)省了不少材料，在這個大前提下，初步選擇的方案是采用非上置式整體型液壓動力源，在體積和布置上向液壓動力單元形式靠進。因為海水的腐蝕性，液壓動力單元最外層與海水接觸部分材料要選用特殊材料，并且希望這種材料的面積盡量小且形狀規(guī)則，如果電動機和液壓泵放在郵箱外面，這樣必將增加外殼材料表面積，也會使得外殼的形

18、狀相對復雜，隨之而來的裝配和焊接問題就會更多，這里采用將電動機和液壓泵放在郵箱內部，如圖里2-1所示，這樣整個液壓動力單元從外形上看就較為簡潔。 圖2-1 系統(tǒng)布置方式圖圖2-1所示結構采用的電動機式一般陸地環(huán)境使用的普通三相異步電動機，電動機外殼內時有空氣的，這樣就需要在電動機軸的出口處加動密封裝置，防止液壓油進入電動機線圈內，因為當海水深度達到6000m時，壓力將達到60MP ，所以對這個密封裝置的要求很高。為解決這個問題，考慮將電動機換成現(xiàn)在較為先進的水下電動機，由于這項技術屬于較為前沿的技術，還沒有完整的系統(tǒng)資料，所以下面引用國外某水下電動機的資料。水下電動機應著重考慮電動機耐受水壓以

19、及水的隔離問題，某公司的產品用了兩種方法。·耐水壓的機械結構：采用高機械強度材料增加壁厚的機殼以承受水壓及隔離海水。·平衡壓力結構：電動機內部充油，以非金屬膜盒加以封閉，靠此膜盒的伸縮適應內部油液的熱膨脹以及外部水壓的變動，使電動機內外壓力達到平衡。顯然選用第二種方法的水下電動機比較合理，在還沒有完整資料的情況下，在此基礎上對電動機進行改進，設計出一個在理論上行得通的水下電動機。電動機的壓力平衡部分一般放在電動機的尾部，改進后的設計也是從尾部進行示意。既然選擇的是深海電動機，則電動機的防腐問題在電動機設計時已經考慮了，那么其外殼材料肯定選擇了防腐材料。在這種情況下液壓動力源

20、如與原來的布置一樣，會造成防腐材料的損失，那么就可以將電動機放在郵箱外面而只將液壓泵放在郵箱內，這樣會使得液壓動力單元的體積和重量都變小，不足的是其長度會有所增加，結構如圖2-2所示 圖2-2 改進后的系統(tǒng)布置方案圖這樣整個系統(tǒng)的大致結構就定下來了，核心問題是考慮怎樣才能使郵箱內的壓力和海水的壓力相等，或者是使郵箱內的壓力略大于海水的壓力。2.4系統(tǒng)壓力平衡問題的分析要使系統(tǒng)內部油液壓力增加，可以向郵箱內加入更多的油液，在體積不變的情況下，油液越多壓力就會越大，但是在深海，這種方法是行不通的。而采用的方法是在油液量不變的情況下，減小油液的體積來增加油液的壓力。分析的方法為蓄能器狀氣囊結構方法，

21、蓄能器狀氣囊結構既實現(xiàn)油箱較大的體積變化，又方便于壓力補償裝置的安裝，也容易計算所能補償體積的大小，氣囊外包著金屬殼，因而，氣囊不會發(fā)生太大的變形，金屬殼還可有效地防止外界尖銳物品刺破氣囊。所以壓力平衡機構選用蓄能器狀氣囊結構。方案的工作原理一個油箱，包含一個能進行彈性變形的部件，當有壓力差存在時，該部件就發(fā)生變形，將壓力傳遞到油液中，從而使油液的體積減小，壓力增大至與外界環(huán)境相等時，也就油箱內部的壓力與外界的水壓力達到平衡，這樣，不論多大深度，油箱內部的壓力總與外部水壓力相等，油箱殼體所受到的內、外壓力相等，壓差為零，實現(xiàn)了對不同水深的壓力補償。2.5液壓動力單元的油箱 2.5.1油箱分類

22、通常油箱可分為整體式油箱、兩用油箱和獨立油箱三類。1. 整體式油箱是指在液壓系統(tǒng)或機器的構件內形成的油箱。2. 兩用油箱是指液壓油與機器中的其他目的用油的公用油箱。3. 獨立式油箱是應用最廣泛的一類油箱，它常用于工業(yè)生產設備，一般制成矩形，也有圓柱形和油罐形。通過計算機可以發(fā)現(xiàn) 2.5.2油箱的設計本設計采用獨立式圓柱形油箱，因為在材料用量相同的情況下將箱體制成圓柱形所獲得的體積最大，而電動機的外形一般也是圓柱形的，將電動機與油箱連接在一起后，其形狀比較規(guī)則、美觀和統(tǒng)一的，電動機和油箱都要橫向擺放，圓柱形的母線與地面平行。為了能夠其進行容易更換和使雜質排出，要在圓柱形油箱的內壁底部設置一個排油

23、槽。油箱容量按經驗公式來計算，因為系統(tǒng)工作時整個油箱是浸泡在海水里的，并且海底的溫度一般為4左右，所以整個系統(tǒng)的散熱效果是非常好的，相當于是水冷，沒必要從散熱角度來計算油液的容積。油箱容量的經驗公式： V=aQv 式中 Qv 液壓泵的流量； a 經驗系數(shù)，一般情況下取35 則可求得系統(tǒng)所需油液的體積V油為 V油=3×52.5=157.5（L） 所設計的系統(tǒng)結構是液壓泵及其他的一些部件放置在油箱內部，所以要計算油箱的體積需要將這些部件的體積加上所需油液的體積。液壓泵的外形體積是很不規(guī)則的，要精確計算它的體積大小是很困難的，所以將其近似看成一個立方體，各個方向的尺寸這合后為195mm&#

24、215;202mm×233mm。則液壓泵所占的體積V泵為 V泵=195×202×2339.18×106（mm3）液壓泵的體積加上其他部件的體積，最后將總的體積圓整為9.18×106（mm3），即9.2L這樣整個油箱的體積為 V箱=V液+V泵=157.5+9.2=166.7（L）=166.7X105（mm3）選取的深海直流電動機直徑大約為，為保證整個系統(tǒng)的美觀性，同時也保證整個裝置不至于過長，將油箱的端面直徑選取為560mm,這樣就可以根據(jù)體積計算出油箱的長度。 V箱=Ld2/4×h=1.667×105 h=4V箱/Ld2=1

25、.667×105×4/3.14×56268式中 V箱- 油箱所需的積，mm3; d - 油箱端面的直徑，cm; h - 油箱長度，cm 最后將油箱長度選定為68cm.2.5總體系統(tǒng)的結構確定了油箱的端面直徑和長度，還要確定油箱的厚度。雖然油箱有了壓力平衡裝置后。在深海所承受的壓差約為零，但還是要承受較大的內壓，同時還會打出取多螺紋孔用于其他部件的安裝和固定，所以選定油箱壁的厚度為10mm。油箱的制定方法選取鑄造工藝。為了使整個系統(tǒng)便于安裝，油箱的右端面是開通的，整個內部結構安裝完畢后用一塊油箱蓋板將油箱蓋住，為了整個系統(tǒng)注油方便，還在油箱壁的上方開了個注油口。使用

26、蓄能器狀氣囊結構作問為壓力平衡結構，考慮到安裝方便，就把其放在油箱的上背面，但是為了系統(tǒng)在初始的狀態(tài)下氣囊內就能裝滿油液，氣囊結構的最夠位置要低于油箱壁的最高位置。這樣，整個設計方案的大致布置及尺寸就確定下來了，其結構平面圖如圖2-3所示。圖2-3 1-深海電動機；2-通軸；3-油箱外殼；4-注油口蓋；5-壓力平衡裝置；6-油箱后蓋； 第三章 液壓動力源各個部件的選型3.1液壓泵的選型 液壓泵是將源動機的機械能轉換為液壓能的能量轉換元件，在液壓傳動中，液壓泵是動力元件，向液壓系統(tǒng)提供液壓能。液壓泵可分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵四類。通過各類泵的比較，柱塞泵具有流量范圍大、工作壓力高、變化

27、形式多等優(yōu)點，以及本設計的要求壓力是21PMa是一個不小的壓力，并且是工作在深海作為一些機構的動力源，流量范圍要求會比較大，所以選用柱塞泵。柱塞泵有軸向和徑向之分，因經向布置不如軸向布置緊湊，故泵的體積和重量都較大。柱塞與定子為點接觸，應力高，配油軸磨損后間隙不能補償，漏損較大，故這種徑向泵的工作壓力、容積效率和轉速都比軸向柱塞泵低。深海液壓系統(tǒng)用液壓泵的設計還要考慮振動和噪聲問題，因為如果振動和噪聲較高將會影響整個執(zhí)行系統(tǒng)上其他設備的正常運行。而在振動和噪聲指標滿足要求的情況下，一般陸上液壓系統(tǒng)用液壓泵均可滿足深海的使用要求。最后選擇斜盤軸向式柱塞泵。傳統(tǒng)泵是整個油路的一部份，除了選擇泵外，

28、還要連接一些液壓閥及相關油路來組成一個基本回路，現(xiàn)在又些泵已經集成了一些基本的液壓控制閥，這樣就簡化了整個油路的設計。考慮到本設計所需求的排量為35mL/r，壓力為21MP，最終選用某公司的C4低壓卸荷控制型液壓泵，具體型號BK35-F-R-C4-A-K-11，其主要參數(shù)如下： 排量：35mL/r。 最高壓力：25MPa。 額定轉速：1500r/min。 最高轉速：2200r/min。 容積效率：0.98。3.2電動機的選型 通過各類電動機以及本設計所需選擇的電動機為直流無刷電動機。直流無刷電動機價格比較相當，密封結構也比較簡化，電動機殼上裝有壓力補償器，電動機內充有一定的補償油。通過壓力補償

29、器使電動機殼體內外壓力平衡。電動機的定子機殼、前端蓋、后端蓋構成一個密封殼體，屬于靜密封問題。因此在前、后端蓋處采用O形圈進行密封。而組合密封圈采用聚四氟乙烯內環(huán)與O形圈外環(huán)的有機結合，使軸伸處的密封是動密封。根據(jù)液壓泵在滿負載額定轉速下可以確定電動機的最大功率。已知液壓泵的排量V=35mL/r，泵的壓力p=25MPa,這里所選定泵的轉速n=1500r/min,泵的總效率取=0.98. 流量： q=Vn×10-315000×35×10-352.5(L/min) 功率 P pq/60V21×52.5/60×0.9519.34(kW) 式中 q 液

30、壓泵的流量 V 液壓泵的排量,L/min n 電動機的轉速,r/min; 系統(tǒng)總功率；P 電動機的功率；kW;最后確定電動機的功率為22kW。3.3液壓泵與電動機之間連接的設計液壓泵與電動機之間連接是通過一個聯(lián)軸器連接在一起的，電動機的轉矩通過聯(lián)軸器傳遞到液壓泵，但這種連接方式占用的體積較大，且工作時聯(lián)軸器會發(fā)生很大的噪聲，會影響它在某些場合的應用，并且會降低效率，所以結構上本文選擇液壓泵輸出軸與電動機輸出軸連成一體的通軸結構，這樣在結構上能簡化很多，噪聲問題也會有很大的改善。對通軸可進行分析如下：將液壓泵和電動機剖解后，其主要部件如圖3-1所示，從圖中可以很清楚地觀察到將電動機軸和液壓泵軸制

31、成同一軸的結構在安裝方面是沒問題的，只要將各個部件從左往右安裝，具體安裝順序依照圖3-1所示的編號順序，所以壓泵與電動機之間連接設計采用通軸結構。圖3-1 1-電動機外殼；2-通軸；3-電動機轉子；4-電動機封蓋；5-軸承；6-液壓泵外殼；7-斜盤和柱塞；8-缸體；9-配流盤；10-液壓泵蓋3.4過濾器的選擇濾器的選擇主要根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力、介質的性質、元件等工作條件進行?？紤]到結構問題，不可能在所有部件都裝上過濾器，根據(jù)本設計的系統(tǒng)，最后決定只在裝置的回油路安裝回油過濾器。因設計系統(tǒng)的工作壓力為21MPa，根據(jù)表3-1選取過濾精度為10m的過濾器?？紤]到設計要求回油過濾器緊湊，因此，過濾器選

32、擇結構尺寸相對較小的RFA型徽型回油過濾器，系統(tǒng)的流量是52.5/mim，并且要求的過濾精度為10m，所選的過濾型號為RFA-63×10，連接方式為螺紋連接。其外形如圖3-1所示，對應尺寸如表3-2所示。表3-1 過濾精度的選擇系統(tǒng)類別一般液壓系統(tǒng)伺服系統(tǒng)壓力p/MPa773521顆粒大小/m26-5025105表3-2 RFA型徽型回油過濾器具體尺寸H1H2H3H4D1MAA1L1L233×21008560539 3.5 壓力儀表的選型一般的液壓系統(tǒng)會在油路上安裝壓力表，用來測定管路上的壓力，并且使用的大都是表盤機械壓力表，當然稍高檔的設備中使用

33、的一般是數(shù)顯壓力表。傳統(tǒng)的機械式壓力表所能測定的壓力范圍不是很大，一般是060MPa,本文設計的液壓動力源，工作壓力可能大于60MPa，所以本系統(tǒng)所需要的壓力儀表的測量范圍0100MPa，并且需要的是電子式壓力儀器，能把壓力信號轉化為電信號輸傳到接收器。某公司生產的一款型號為KH17d壓力傳感器比較合適，這種傳感器采用半導體應變片將壓力轉換為電信號。其感應元件采用的蒸發(fā)式半導體應變片，穩(wěn)定性和可靠性很高。該傳感器沒有移動部件存在，所以抗震性和抗沖擊性很強，由于這種傳感器采用金屬隔膜，因而表現(xiàn)出了非常的耐蝕性和過載性。油規(guī)格為0100MPa的產品，本設計選擇此型號的壓力傳感器。3.6密封裝置的選

34、型 密封裝置的功用是防止設置泄漏，起密封作用的零件稱為密封件或簡稱密封。設備的密封性能的評價機械產品質量的一個重要指標，對密封的基本要求是嚴密、可靠、壽命長，并且力求結構緊湊，系統(tǒng)簡單，制造維修方便，成本低廉。因大多數(shù)密封件是易損件，故應保證標準化、系列化程度高。 密封裝置包括兩大類：動密封和靜密封。動密封一般又可分為接觸式密封和非接觸式密封。通常情況下選用接觸式的，這是因為非接觸式的密封裝置式比較復雜。由于本文所設計的液壓動力源是使用在深海，所以良好的密封對其性能的影響尤其重要，這是本設計難點之一。當?shù)胶Ｆ矫嬉韵?000m時，壓力就已經達到30MPa，到海平面以下6000m時，壓力將大到60

35、MPa，這么大的壓力對密封裝置來說，是一個比較大的考驗，特別是動密封處。針對這一問題，在前面設計已經考慮了，本設計采用壓力平衡裝置，這樣，內部油液的壓力和外部海水大壓力基本相同，內外差為零，對系統(tǒng)的靜密封要求非常低了，大部分都能夠滿足要求，但考慮到安全性、實用性、方便性，本系統(tǒng)選取O形圈作為主要的靜密封件，如在油箱的進油口、出油口、液壓泵的壓力油出口處以及電動機和油箱外殼的連接處等都采用了O形圈結構。由于油箱蓋處的形狀哼=很不規(guī)則，沒辦法采用O形圈結構，此處就設計一個異形墊片來密封。靜密封結構已選定，接下來就是對動密封結構的選取。本系統(tǒng)設計的液壓動力源需電動機與液壓泵的連接處安裝一個動密封裝置

36、，因為深海電動機內部的電動機油和液壓系統(tǒng)使用的液壓油不是同一種，不能將其混合在一起。動密封件的安裝位置如圖3-2所示。圖3-2 動密封件的安裝位置電動機也采用壓力補償是結構，所以電動機內部油液壓力也是與海水壓力相等的，也就是電動機油和液壓油壓力差約等于零，這樣對動密封處的要求又很低了，一般的油封都能滿足要求。但是雖然壓力差為零，密封裝置仍然要承受幾十兆帕的內壓，有可能會因為過大的內壓導致密封結構的變形而使密封失效，所以在選取裝置時還要注意此類問題。這里選用一種多級密封裝置，其所能承受的壓力可以達到100MPa，所以肯定是能滿足設計要求的，其結構簡圖如圖5-21所示。此類多級密封裝置在各類設備中

37、應用較少，不是標準件，加上本文研究的重點不是在密封處，所以在此不進行分析，只是表現(xiàn)能滿足設計要求，本設計也取多級密封作為動密封裝置。3.7 接口部件的選型一個系統(tǒng)的運行總需要一個能量的來源以及一些信號的傳輸，本系統(tǒng)的電動機就需要電力的來源，內部的電磁閥、壓力傳感器之類的部件需要傳遞弱電信號，這樣必定要向油箱外引線，這就要解決信號輸出線，也就是軟細線引入和引出油箱腔體的密封問題，實現(xiàn)軟細導線密封的部件稱為引電器。在深海作業(yè)中，液壓動力源裝置的應用深度較深，壓力很大，這樣就給密封帶來了一定的困難。 軟細導線的密封方法，大體上有三類： 用膠填實密封。 用商業(yè)化的水密接插件。 設計某些機械結構，在工作

38、情況下越壓越緊，從而實現(xiàn)密封。 本次設計采用的解決的方案屬于第三類，即設計某些結構實現(xiàn)密封，適合自制，造價低，且能滿足應用要求。在參閱了大量資料后，由于條件有限不能對此類產品進行驗證，但應該說在性能方面能滿足設計要求，由于這結構不是本設計的重點，在此只對其原理進行簡單描述。圖3-3 1-壓緊螺母；2-油箱壁；3-端蓋；4-O形圈；5-螺釘；6-上墊；7-密封材料；8-引線；9-下墊；10-止動螺釘 圖3-3中，上墊6、密封材料7、下墊9上、下表面都有通孔，三個零件通孔位置一致，便于穿線。通孔最好是對稱的，且通孔要遠離圓柱上、下表面的圓心，向周邊布置，這樣壓緊時受力較好，容易壓緊。所打的通孔個數(shù)

39、可以很多，可以實現(xiàn)多根導線的密封。三個零件疊在一起，放于有臺肩的通孔中，中間穿過導線，外面在用壓緊螺母1與上墊6有接觸部分，而壓緊螺母是要旋轉推進壓緊的，這就會使上墊6同樣跟著旋轉，那么導線將會被攔腰截斷。而密封材料7與下墊9由于摩擦力及軸向緊壓力小會跟著旋轉，至少不能保證與上墊6同步旋轉。所以在上墊6上開有一個鍵槽，鍵槽寬度與止動螺釘10的直徑相當，擰緊止動螺釘10，使得上墊6不能旋轉，只可軸向運動，從而壓緊密封材料，實現(xiàn)密封。第四章 系統(tǒng)材料的選擇4.1 油箱外壁材料的選擇 在整個系統(tǒng)中油箱的防腐性能是最重要飛部分之一，其性能的好壞直接影響著系統(tǒng)的好壞。在海水的金屬材料的腐蝕主要是電化學腐

40、蝕，目前主要有如下防腐措施：表面進行噴涂處理。選用Ti合金材料。選用Ti不銹鋼材料。加Zn塊。 實現(xiàn)證明采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料是可以的。但是選擇了不銹鋼之后，對于焊接問題是個比較大的考驗，并且一般的不銹鋼都是制成薄壁板，不利于其他部件的安裝，所以在本設計中不采用。 通過查閱材料手冊，選擇牌號為NS的合金材料，其中牌號為NS333、NS34、NS336的比較適合海洋環(huán)境，其化學成分如表4-1所示，特性和應用舉例如表4-2所示。 從表4-2中可以看出這三種牌號的材料都能滿足海洋環(huán)境，本文就選取的牌號為NS336的材料作為油箱外殼材料、及其他海水接觸的部件的材料。 另外，通過噴涂處理也能

41、起到防腐蝕的作用，如采用噴涂GZH系列無機磷酸鹽富鋅涂料的方法就能滿足要求，這種涂層同時兼具屏蔽、陽極保護和緩蝕三大功能，不但可以防止化學緩蝕、屏蔽、磷化、轉化銹，還有較強的耐高溫氧化腐蝕、附著力強及防腐年限長的特點，因此這也是一個不錯的防腐選擇。表4-1 防腐材料的化學成分（質量分數(shù)） %編號CCrNrFeNoWAlNS3330.0814.516.5余量4.07.015.017.03.04.5NS3340.0214.516.5余量4.07.015.017.03.04.5NS3360.1020.023.0余量5.08.010.00.4編號TiNbVCoSiMnPSNS3330.352.51.0

42、01.000.0400.030NS3340.352.50.081.000.0400.030NS3360.42.144.151.00.500.500.0150.015表4-2 防腐材料的特性和應用舉例牌號特性應用舉例NS333耐鹵族及其化合物腐蝕強腐蝕性氧化-還原復合介質及高溫海水中應用裝置NS334耐氧化性氟化物水溶液及濕氯、次氯酸鹽腐蝕強腐蝕氧化-還原復 合介質及高溫海水中焊接構件NS336耐氧化-還原復合介質，耐海水腐蝕且熱強度高化工工業(yè)中苛刻腐蝕環(huán)境或海洋環(huán)境4.2 壓力平衡結構中的非金屬材料的選擇 壓力平衡結構要求非金屬材料有良好的彈性和伸縮性，一般情況下選擇的是橡膠材料。 橡膠按其來

43、源，可分為天然橡膠和合成橡膠。 天然橡膠?；瘜W組成成分是不飽和的橡膠烴。合成橡膠。是從石油、天然氣、煤、石灰石以及農副產品中提煉某些低分子的不飽和烴作原料，制成“單體”物質，然后經過復雜的化學反應而獲得人工合成的高分子聚合物，故有“人造橡膠”之稱。橡膠按用途，又可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠。是指在使用上無特殊性能要求的通用性橡膠，主要有：天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戍橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠等。特種橡膠。一般用于特殊通途，如耐油、耐酸堿、耐高溫、耐低溫、耐輻射等。主要有：乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚硫橡膠、氯醇橡膠、氯化聚乙烯橡膠

44、等。按橡膠的物理狀態(tài)，還可以將其分為生橡膠、熟橡膠、硬橡膠、混橡膠、再生橡膠和液體橡膠。橡膠有很多性能指標、其中與本設計選材有關的性能有：拉伸強度、伸長率、回彈率、邵氏硬度、脆性溫度、裂解溫度、抗膨脹潤性。通過比較，丁腈橡膠是比較合適的選擇，具有較好的耐油性、耐酸性，耐水性，所以本設計中壓力平衡裝置中的橡膠材料使用丁腈橡膠，同時O行圈的材料也使用丁腈橡膠。第五章 液壓動力單元系統(tǒng)性能的校核5.1 油箱壁的強度校核 油箱外殼材料選擇是牌號為NS336的合金材料，牌號為NS的幾種材料的力學性能比較見表5-1表5-1 金屬材料的力學性能材料牌號熱軋板（厚度大于4mm）冷軋板（厚度為0.84mm）Nb

45、/MPan0.2/MPan5/%nb/MPan0.2/ MPan5/%NS3336903153069028540NS23346902854069031530NS3366902753069027530表5-1中的nb為材料的拉伸和壓縮強度極限，其值遠遠大于油箱壁受到的60的壓力，所以油箱的金屬外殼材料在海底承受幾十兆帕的壓力是沒有問題的。5.2壓力平衡結構的體積校核 在繪制裝配圖時，本設計所選取的氣囊外殼尺寸為端面半徑50mm，長348mm的圓柱形，其結構如圖5-1所示。通過圖5-1中的尺寸可以粗略計算出其體積為27L左右，也就是說此氣囊能提供27L的體積變化差。圖5-1 壓力平衡裝置外形結構本

46、系統(tǒng)油箱中的油液由于各種因素其體積肯定是要發(fā)生變化的，下面對氣囊能提供的體積變化差是否能滿足系統(tǒng)最大油液變化量進行校對。在深海環(huán)境系統(tǒng)中油箱內油液體積變化包括以下幾個方面。工作介質在高壓下由于可壓縮性引起的體積變化，用壓縮率或體積彈性模數(shù)K來表示其壓縮的系數(shù)，一般是有性液壓油的K值平均為（1.22）×10³MPa。在實際應用中，由于在液體內不可避免地混入氣泡等原因，使K值顯著減小。一般選用（0.71.4）×10³MPa，則其體積變化可按如下公式計算。 L-1/V×dv11dp K=1/L dv1=-VdpL=-Vdp/K=60×106

47、×157.5/1×103×106=9.45(L)式中 V-油液的總體積； dv1-油液的體積變化量；dp-油液壓力變化量；K-壓縮系數(shù)。由于本次設計不清楚油液出口以為的具體工作情況，所以執(zhí)行器的體積差不得而知，但是可以根據(jù)經驗公式，取油箱油液容量的10%作為其體積差，則可以求得其體積。dv2=V×10%=157.5×10%=15.75（L）式中 V-油液的總體積；dv2-油液的體積變化量。因為本設計中沒有設計蓄能器，所以其體積變化dv3為0.由于在深海作業(yè)，海水的溫度基本上是恒定不變的，所以由于溫度影響而造成的體積變化dv3也為0 綜上，油箱內油液體積變化為 dv2= dv1dv2dv3dv4=9.4515.750025.2(L) 27L 因此，蓄能器的結構尺寸滿足要求。結論本文設計內容為開發(fā)一套6000m深海液壓動力單元，工作壓力是21MP、額定排量為35mL/min。在考慮陸地環(huán)境注意的問題外，還考慮了深海環(huán)境下問題。本文是針對深海這個特殊環(huán)境來展開設計，設計的難點和重點歸納起來包括壓力平衡問題、密封問題、電纜的接口問題以及材料的防腐蝕問題。海洋深處是有很大的壓力的，而且隨著深度的加深，壓力也就越大，當?shù)竭_6000m時，壓力為60MPa,如果這么大的壓力都由液壓