液压传动系统毕业论文设计

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摘要

液压传动和控制由应用电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术及新工艺 、新材料等后取得了新的发展，使液压系统和元件在技术水平上有很大提高。本文从液压技术现状、液压现场总线技术、水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压技术创新及发展趋势。指出液压传动向自动化、高精度 、高效率 、高速化、高功率 、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。

Abstract

Hydraulic transmission and control by the application of electronic technology, computer technology and information technology, automatic control technology, and new technology, new material to obtain the new development after, technical level , the , and introduced the development trend. Points out that the to automation, , , lightweight direction, is continuously improve it and electric drive, mechanical transmission competition ability of the key.

1 目录

摘要……………………………………………………………………………………1

绪论……………………………………………………………………………………3

第一章液压传动的基本介绍…………………………………………………………3 1.1 液压传动的发展概况…………………………………………………………3

1.2 液压传动的工作原理和组成............................................................................4 1.3 液压传动的定义................................................................................................5 1.4 液压传动的优缺点............................................................................................5 1.5 液压系统的应用领域........................................................................................6 第二章液压技术的创新发展…………………………………………………………7 2.1 液压现场总线技术……………………………………………………………7 2.2 水压元件及系统……………………………………………………………....8 2.3 液压节能技术………………………………………………………………..10 第三章液压动力单元的结构设计分析……………………………………………..12 3.1 液压动力源的几种结构形式………………………………………………. 12 3.2 各种布置的比较……………………………………………………………..12 3.3 布置方案的选定……………………………………………………………..13 3.4 油箱的设计…………………………………………………………………..14 3.5 系统压力平衡问题的分析…………………………………………………..15 3.6 总体系统的结构……………………………………………………………..18 第四章液压技术发展趋势…………………………………………………………..18 4.1 国外液压系统的发展………………………………………………………..18 4.2 远程液压传动系统的发展…………………………………………………..20 4.3 增强对环境的适应性、拓宽应用范围……………………………………..21 4.4 发展趋势……………………………………………………………………..23 总结…………………………………………………………………………………..24 致谢…………………………………………………………………………………..24 参考文献……………………………………………………………………………..25

2 绪论

技术创新及其管理是当今管理科学的重要学科，对于提高国家、地方和企业的科技竞争力，实现可持续发展具有十分重要的意义。无论是发达国家还是发展中国家，都非常重视对这一问题的研究。20世纪80年代初，我国开始重视技术创新理论问题的研究，研究范围包括技术创新的模式、机制，技术创新的扩散，产创新和技术创新经济学，技术创新的区域研究以及有关技术创新的政策、体系等诸多方面。经过20多年的研究，人们已经注意到创新在生产各个方面所起的关键作用 ，并将创新作为企业、产业和国家竞争获胜的中心环节。近年来，流体动力传动由于应用了电子技术、计算机技术 、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料等后取得了新的发展，使液压气动系统和元件在技术水平上有很大提高。它已成为工业机械。工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。而其向自动化．高精度．高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。为了保持现有的良好发展势头，必须重视液压传动固有缺点的不断改进和创新，走向2 l世纪的流体传动除不断改进现有液压气动技术外，最重要的是移植现有的先进技术，使流体技术创造新的活力，以满足未来发展的需要。

第一章液压传动的基本介绍 1.1液压传动的发展概况

液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，从17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有2～3百年的历史，只是由于早期技术水平和生产需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用。随着科学技术的不断发展，对传动技术的要求越来越高，液压传动技术自身也在不断发展，特别是在第二次世界大战期间及战后，由于军事及建设需求的刺激，液压技术日趋成熟。

第二次世界大战前后，成功地将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用机床到本世纪30年代才用上了液压传动。第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、规格化、系列化而在机械制造，工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。近30年来，由于原子能技术、航空航天技术、控制技术、材料科学、

3 微电子技术等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个部门都得到了应用，如工程机械、数控加工中心、冶金自动线等。采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。

我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。

目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛． 1.2液压传动的工作原理和组成

1.2.1工作原理

液压传动是以液体为工作介质，利用压力能来驱动执行机构的传动方式。 驱动机床工作台的液压系统是由油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头等组成。

1）.工作原理如下：电动机驱动液压泵经滤油器从油箱中吸油，油液被加压后,从泵的输出口输入管路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸，推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。

2）.工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减少，工作台的移动速度减少。由此可见，速度是由油量决定的。

1.2.2液压系统的基本组成

1）能源装置——液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。

2）执行装置——液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。

3）控制装置——液压阀（流量阀、压力阀、方向阀等）。通过它们的控制和

4 调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向。

4）辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。

5）工作介质——液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。 1.3液压传动的定义

一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分、工作机(含辅助装置)组成。原动机包括电动机、内燃机等。工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以及其它操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。

传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动、液力传动和气压传动。

液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。 1.4液压传动的优缺点

液压传动能得到如此迅速的发展和广泛的应用，是由于它与机械传动、电气传动、气压传动相比，具有以下优点：

1）单位功率的重量轻，即在输出同等功率的条件下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好等．如轴向柱塞泵的重量只是同功率直流发电机重量的10%～20%，前者的外形尺寸 只有后者的12% ～13%．

2）液压传动能方便地实现无级调速，并且调速范围大．

3）液压传动装置工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动制动和频繁换向． 4）液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、

省力，易于实现自动化．当机、电、液配合使用时，易实现较复杂的自动工作

5

循环．

5）液压传动易获得很大的力和转矩，可以使传动结构简单．

6）液压系统易于实现过载保护，同时，因采用油液作为传动介质，相对运动表面键能自行润滑，故元件的使用寿命长．

7）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便．液压元件排列布置以具有较大的机动性． 液压传动的主要缺点

1）液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免要有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用． 2）液压传动在工作过程中有较多的能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动．

3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会影响运动的稳定性．因此，在低温和高温条件下，采用液压传动有一定的困难．

4）为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求较高，因此，液压元件的制造成本较高，而且对油液的污染比较敏感．

5）液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出更高的要求，即需要系统的掌握液压传动的理论知识，液压具有一定的实践经验．

6）随之，高压、高速、高效率和大流量化，液压元件和系统的噪声日益增大，这也是需要解决的问题．

总而言之，液压传动的优点是突出的，随着科学技术的进步，液压传动的缺点将得到克服，液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及其它传动方式的结合更是前途无量． 1.5液压系统的应用领域

1.5.1液压传动在机械行业中的应用：

机床工业——磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等

工程机械——挖掘机、装载机、推土机等

汽车工业——自卸式汽车、平板车、高空作业车等

农业机械——联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等 轻工机械——打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 冶金机械——电炉控制系统、轧钢机控制系统等

起重运输机械——起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等 矿山机械——开采机、提升机、液压支架等 建筑机械——打桩机、平地机等

6 船舶港口机械——起货机、锚机、舵机等 铸造机械——砂型压实机、加料机、压铸机等 1.5.2静液压传动装置的应用

静液压传动由于具有无级变速，调速范围宽，可以实现恒扭或恒功率调速，容易实现电控等优点，在工程机械中具有良好的应用前景。但是在铲土运输机械和起重机械中作为主要传动就用却很少，其主要问题是在于国内液压元件质量差，而国外的液压元件价格又太高，会造成主同成本过高。90年代以来，国内已引进了德国林德公司静液压叉车，以及利勃海尔公司静液压推土机的装载机，但在国内市场所占份额很小。从国内工程机械市场的实际出发，本文对静液压传动在国内的推广应用提出探讨性的意见如下：

（1）静液压传动叉车在发达国家已经被广泛采用，由于国内部分仓库、码头和工厂等使用部门对叉车的机动性能（尤其是低速性能）、噪声已经有较高的要求，因此这些部门正在成为国内静液压叉车用户。国内叉车和液压元件生产企业应该看到静液压叉车的良好前景，联合研究开发适合我国国情的叉车静液压系统，提供能先进，工作可靠，价格适中的产品。也可以采用与国际静液压元件制造公司联合开发的方式，加快开发的速度。

（2）中小型多功能工程机械由于具有挖掘，装载，叉车和起重等多功能，在发达国家已经得到了广泛的应用。随着我国经济建设尤其是城市建设的发展，中小型多功能工程机械也将在我国推广应用，而它们无疑将首先采用静液压传动作为其主要传动装置。国内工程机械企业应该看到中小型多功能工程机械的发前景，联合国内外静液压元件生产企业共同开展对它们的研究开发，以促进中小型多功能工程机械在我国的发展。

（3）在国内大型铲土运输和起重机械中，由于配套的静液压与电子控制元件的技术难度大，价格太高，在国内用户中难以接受。因此，在我国暂时不宜将静液压传动研究开发的重点放在与大型铲土运输和起重机械配套上，而应将重点放在上述两类工程机械上。

第二章液压技术的创新发展 2.1液压现场总线技术

2.1.1液压现场总线技术的定义

现场总线是连接智能化仪表和自动化系统的全数字式、双向传输 、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统简化为工作站和现场设备两层结构，它可以看作是一个由数字通讯设备；和监控设备组成的分布式系统从计算机角度看，现

7 场总线是一种工业网络平台；从通信角度看，它是一种新的全数字串行、双向、多路设备的通信方式；从工程角度看，它是一种工厂结构化布线。随着现代制造技术的快速发展，流体控制技术和电子控制技术的结合越来越紧密，在液压领域越来越多的人开始使用或关注总线技术在液压系统中的应用，液压技术人员也越来越感受到现场总线技术的优越性。液压系统是在液压总线的供油路和回油路间安装数个开关液压源，与其各自的控制阀、执行器相连接。开关液压源包括液感元件、高速开关阀、单向阀、液容元件。根据开关液压源功能不同，它可组合成升压或降压增流型开关液压源。由于将开关源的输入端直接挂在液压总线上，通过高速开关方式加以升压或降压增流。该系统克服了传统液压系统无法实现升压以及降压增流的问题，最终输出与各执行器需求相适应的压力和流量。

2.1.2现场总线技术在液压系统应用中的特点

( 1 )经济性。任何一种新技术新产品的开发与使用，其成本是首先需要考虑的因素之一，总线技术也不例外。设计开发总线技术产品的初衷之一就是降低系统及工程成本。所以，应用单位使用总线产品和供应商提供产品的第一前提应该是以降低总线系统的使用成本为目的。

( 2 )按 I E C 6 1 1 3 1 — 3标准的柔性化程序，易学、易懂，可操作性强。 ( 3 )可靠性、可维护性。现场总线技术采用总线代替一对一的 I O连线。对于大规模 I O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有在线故障诊断，报警记录功能；可完成现场液压系统的远程参数设定 、 修改等参数化工作，增强了系统的可维护性。

(4)友好的人机对话界面，可方便进行液压系统的参数修改和故障监控。 (5)满足所有有关人身安全 、电磁兼容、抗冲击及抗震动的重要标准。 (6)相对于传统的液压比例控制系统更具有其价格竞争优势。 2.2水压元件及系统 2.2.1水压传动技术概述

用水作介质的液压元件古而有之，最早的液压设备就是用水的。今灭随便一个

8 洗车店里都装备了带容积式泵的高压清洗机这样的水液压设备。但后来所谓“水压机”的介质中也添加了许多东西以满足方方面面的性能要求，其实是一种乳化液。后来发展的“难燃液压液”有几种也是水基的。在某种意义上，液压技术的发展是一个元件与工作介质互相适应和协调发展的历史。液压介质性能水平的提高对于现代液压技术的发展功不可没。现在所谓的水液压元件企图用普通水或天然海水作为介质，所有技术难点就都集中到了元件本身。液压元件的发展越来越依赖于材料科学和制造技术的进步，这在水液压元件中体现得尤为突出。在现代技术条件下，造出能在密封、润滑、抗蚀等性能方面适应纯水甚至海水介质的液压元件是可能的，当然由于无法同时改进介质的相关特性，水液压装置的性能，特别是性价比较高之元件和介质都经过多年“磨合”和优化的传统液压装置会大打折扣，一般也只能在水的冰点以上才能运行。水上和水下作业 的船只和装置上，以及用高压水工作的设备中(如高压水清洗、切割设备、消防设备和艺术喷泉等)，使用直接从外界吸水和向外排水的开式循环的水液压系统有其必要性和合理性。

水压传动技术就是基于绿色设计和清沽生产技术而重新崛起的一门新技术。是新型工业化发展进程中出现的一门绿色新技术。由于水具有清洁、尤污染、廉价、安全、取之方便、再利用率高、处理简单等突出优点，用其取代矿物油作为液压系统工作介质时不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够最大限度地解决因矿物油泄漏和排放带来的污染与安全问题，最符合环境保护以及可持续发展的要求，使得人们开始重新考虑和认识到将这一清洁能源作为液压系统工作介质的重要性，并已引起人们的普遍关注，成为现代水压传动技术发展的最直接动力。 2.2.2水压传动技术特点

( 1 )资源丰富，来源广泛，再利用率高。水是地球上最为丰富且与世共生的资源，在水压传动系统应用的整个周期内，可多次回收，重复使用，且不易变质 ( 2 )水是一种无毒无污染资源，对人体和环境尢害。有利于提高T作环境的舒适性和安全性 ，排除的液体不需作任何处理即可直接排放 ，从根本上消除油压传动系统冈泄漏和排放 而造成的牛产与环境污染。

( 3 )阻燃性好，安全性高。特别适合高温、核辐射和明火等场合下的应用 ，有效地解决油压传动所带来的易燃 、易爆 、油蒸汽对人体的危害等安全问题

9 以及核辐射造成的液油变质和放射性污染等问题。

( 4 )处理技术与工艺简单 ，系统 的运行与维修费用低。水长时间使用不会变质，使用前后的水处理简单；而且系统在航运、水下作业、潜艇等水环境下工作时，不用油箱 、冷却装置，大大简化了系统。 2.2.3水压传动技术的应用及展望

随着科学技术的进步，水压产品及技术取得了较大的进展，目前，不仅水压泵形式增多了，符合ISOCETOP连接尺等各标准规格的各种阀，甚至叠加阀、比例阀和连续可调的流量控制阀都形成了产品系列，配套用的液压缸、油箱、接头零件、密封件等也一应俱有，而且在专家的指导下，用户可以根据自己的需求进行系统配组。正式推出了多种工作压力为l6～21MPa的作为成套机械和设备用 的独立产品(动力站和控制阀)。在欧、美水压传动开始广泛进入食品工业、医药、化学、造纸木材加工、海上作业、核能工业、消防、工程、地质钻探、环境工程等一些对安全 、清洁、环境无害要求较高的行业。一些量大面广的街道和路面清洗车以及新的铁路机械中的应用，加上传统的钢厂轧机和水压机等应用正在扩大。可见水液压作为一种更符合环保要求的传动技术，将会使流体技术在与电传动技术的竞争中得到新的支持。随着新材料、新技术的不断涌现，必将推动水压技术的发展，逐步地取代现有的油压传动系统。可以预见，水压传动这一在第一次工业革命中兴起的古老技术，通过创新发展终将成为与电气、油压、气动并列的第四种传动技术。 2.3液压节能技术

液压传动系统能量损失包括各元件中运动件的机械摩擦损失 、泄漏损失溢流损失、节流损失、输入和输出功率不匹配的无功损失几方面。机械摩擦损失、泄漏损失所占比例与所选元件本身的机械效率 、容积效率 、介质粘度、回路密封性以及系统组成的复杂程度有关；溢流损失、节流损失所占比例与回路和控制形式有关；而输入和输出功率不匹配的无功损失所占比例与控制策略有关。因此节能是液压技术的重要课题之一，随着节能和环保要求的日益高涨，有效活用能源和降低噪声已成为液压行业的重要目标。综观国内外液压技术发展历程，无时无刻不伴随节能的需要及创新。

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(1)二次调节系统。二次调节静液传动系统由恒压油源、二次元件(液压泵 马达)、工作机构和控制调节机构等组成。二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量，以适应负载转矩的变化，使负载按设定的规律变化。系统中的压力基本保持不变，二次元件直接与恒压油源相连，在系统中没有原理性节流损失，从而提高了系统效率。另外，蓄能器的加入，不但抑制了压力限制元件发热所引起的功率损耗。而且还通过回收 、释放液压能有效提高液压系统的工作效率。

(2)电液负载感应系统。负载感应就是将变化的负载压力反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节机构 ，使液压系统压力 与负载压力相适应 ，消除了系统压力过剩，由于负载感应装置与变量泵的变量调节机构联系在一起，使变量泵的流量 与负载流量相适应，系统不会产生过剩流量。

(3)定量泵加变频调速电机电液系统。交流变频调速液压系统避免节流损耗和溢流损耗，另外，交流变频调速液压系统还大大提高了原动机——异步电动机的效率，并显著改善功率因数，是其它液压调速方式所无法比拟的。利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与系统所要求相适应，可以使溢流损失降至最低，有效地节约了能量。交流变频调速液压系统在大功率间歇运动的调速系统中，其优越性更为显著。

(4)尽可能地节省空间。采用无油压控制阀可以减少系统装置空间，依据闭回路的构成使油箱小型化，减少发热量从而不须使用冷却器。例如，采用伺服马达使液压泵正反转向，不必使用方向、流量 、压力控制阀也能达到控制的效果。采用闭回路系统，可以自我形成油量补偿机能，混合式伺服系统可以使油箱控制在储存最小作动油的状态下作功，体现油箱小型化的优点。由于只在需要时使液压泵输出必要的流量，从而将发热源控制降至最低，也就无需再加装冷却器。因为不需冷却水的循环以及减少作动油的消费量，所以也能节省资源。另外，降低噪声也依然重要。

(5)一体化构造。将液压泵 、马达、油箱、油量补偿回路构成为一体，形成无配管的一体构造。

(6)省电节能的液压系统设计。高的响应速度、高的控制精度和重复精度的比例阀、比例泵、伺服阀的应用；由转速叮调的伺服电机+柱塞泵、伺服马达螺杆驱动、蓄能器 +高速伺服组成闭环同路控制油电式高速注塑机液压系统设计和应 用。有高低压双联或多联式泵、变量泵、

11 蓄压器系统等的推出：针对阀控电液系统有较大能量损失的问题，推出了泵和电液比例阀结合的负载感应型，泵和比例压力、比例流量控制阀结合的注塑机电液控制系统。

第三章 液压动力单元的结构分析

3.1 液压动力源的几种结构形式

液压动力源按布置方式分为上置式、非上置式和柜式三种。

①上置式液压动力源。泵组布置在油箱之上的布置方式称为上置式。上置式布置方式按电动机的摆放位置又可分为立式和卧式。当电动机立式安装，液压泵置于油箱内时，称为立式液压动力源；当电动机卧式安装，液压泵置于油箱之上时，称为卧式液压动力源。

②非上置式液压动力源。将泵组布置在底座或地基上的液压动力源称为非上置式。如果泵组安装在与油箱一体的公用底座上，则称为整体型液压动力源；将泵组单独安装在地基上则称为分离型液压动力单元。整体型液压动力源又可分为旁置式和下置式两种。

③柜式液压动力源。将泵组和油箱整体置于封闭型柜体内的结构称为柜式液压动力源。 3.2 各种布置的比较

上置式液压动力源占地面积小，结构紧凑，液压泵置于油箱内的立式安装动力源，噪声低且便于收集漏油，一般应用于中小功率的液压泵站。当采用卧式动力源时，由于液压泵置于油箱之上，必须注意各类液压泵的吸油高度，以防液压泵油口处产生过大的真空度，造成吸空或气穴现象。

非上置式液压动力源由于液压泵置于油箱液面以下，故能有效改善液压泵的吸入能力，这种动力源装置高度低，便于维护，但占地面积大，适用于泵的吸入允许高度受限制，传动功率较大，而使用空间不受限制，以及开机率低，使用时又要求很快投入运行的场合。新一代的这种布置方式的液压动力源可以将液压泵组、油箱组件、控温组件等集成为一个整体，机构做得相当紧凑，并且能保证一定压力和排量，如近些年来出现的通用性较强的液压动力单元就是典型代表。

12 柜式液压动力源装置可在柜体上方便地布置各类仪表板和电控箱，且外观整齐美观，因泵组被柜体封闭而屏蔽了噪声，同时能有效减少外界污染，其缺点是由于需顾及操作和维护的空间及液压系统的散热，致使其外形尺寸较大，通常仅在中、小功率场合及实验室采用。 3.3 布置方案的选定

考虑到本次设计的液压动力源的实际使用环境，在满足压力和排量要求的前提下，整个系统做得越小越紧凑越好，不仅占地面积小，而且也节省了不少材料，在这个大前提下，处在体积和布置上向液压动力单元形式靠近。

因为海水的腐蚀性，液压动力单元最外层与海水接触部分材料要选用特殊材料，并且希望这种材料的面积尽量小且形状规则，如果电动机和液压泵放在油箱外面，这样必将增加外壳材料表面积，也会使得外壳的形状相对复杂随之而来的装配和焊接问题就会更多，这里采用将电动机和液压泵放在油箱内部。

一般陆地环境使用的普通三相异步电动机，电动机外壳内是有空气的，这样就是需要在电动机轴的出口处加动密封装置，防止液压油进入电动机线圈内，因为当海水深度达到6000m时，压力将达到60MPa，所以对这个密封装置的要求很高。为解决这个问题，考虑将电动机换成现在较为先进的水下电动机，由于这项技术属于较为前沿的技术，还没有完整的系统材料，所以下面引用国外某水下电动机的资料。

水下电动机应着重考虑电动机耐受水压以及水的隔离问题，某公司的产品采用了两种方法。

·耐水压的机械结构：采用高机械强度材料增加壁厚的机壳以承受水压及隔离海水。

·平衡压力结构：电动机内部充油，以非金属膜盒加以封闭，靠此膜盒的伸缩适应内部油液的热膨胀以及外部水压的变动，使电动机内外压力达到平衡。

显然选用第二种方法的水下电动机比较合理，在还没有完整资料的情况下，在此基础上对电动机进行改进，设计出一个在理论上行得通的水下电动机。电动机的压力平衡部分一般放在电动机的尾部，改进后的设计也是从尾部进行。

13 既然选择的是深海电动机，则电动机的防腐问题在电动机设计室已经考虑了，那么其外壳材料肯定选择了防腐材料。在这种情况下液压动力源如与原来的布置一样，会造成防腐材料的损失，那么就可以将电动机放在油箱外面而只将液压泵放在油箱内，这样会使得液压动力单元的体积和重量都变小，不足的是其长度会有所增加。

这样整个系统的大致结构就定下来了，核心问题是考虑怎样才能使油箱内的压力和海水的压力相等，或者是使油箱内的压力略大于海水的压力。

3.4 油箱的设计

通常油箱可分为整体式油箱、两用油箱和独立油箱三类。 ·整体式油箱是指在液压系统或机器的构件内形成的油箱。 ·两用油箱是指液压油与机器中的其他目的的用油的公用油箱。 ·独立油箱是应用最为广泛的一类油箱。

独立油箱常用于工业生产设备，一般制成矩形，也有圆柱形或油罐形，通过计算可以发现，在材料用量相同的情况下将幽香制成圆柱形所获得的体积比矩形的大，所以初步选定油箱形状为圆柱形，电动机的外形一般也是圆柱形的，将电动机和油箱连接在一起后，其形状还是比较规则、美观和统一的。

对于液压系统，液压油的清洁对整个液压系统的影响是非常大的。虽然凭借着过滤器的吸附能力能保持油液一段时间的清洁，但油液用久了之后肯定还是会因为各种原因，其清洁度不能满足要求，需对其进行更换，因此可以在圆柱形油箱的内壁底部设计一个排油槽，便于在对液压系统进行维护时更换液压油。说到排油问题，圆柱形的油箱就有优势了。因为整个油箱的侧面都成圆弧形，这样杂质回顺着油箱壁滑落到油箱最底部的排油槽里，随着油液往外排出，杂质也就很轻松地随着油液往外排出了。

本系统的油箱容量按经验公式来计算，因为系统工作时，整个油箱是浸泡在海水里的，并且海底的温度一般为4℃左右，所以整个系统的散热习惯是非常好的，相当于是冷水，没有必要从散热的角度来计算油液的容积。

油箱容量的经验公式为

14 V

(2-1)

式中 ----液压泵的流量；

＝

----经验系数，一般情况下取3～5。则可求得系统所需油液的

体积 V 为：

V=3×52.5=157.5（L）

本文所设计的系统结构是将液压泵及其他的一些部件放置在油箱内部，所以要计算油箱的体积需要将这些部件的体积加上所需油液的体积。液压泵的外形是很不规则的，要精确计算他的体积大小是很有困难的，本文将其近似看成一个立方体，各个方向的尺寸折合后为195㎜×202㎜×233㎜。则液压泵所占的体积V为：

V=195×202×233=9.18×10（mm）

液压泵的体积加上其他部件的体积，最后将总的体积圆整为9.2×10 mm，即9.2L。这样整个油箱的体积为

V =V+ V=157.5+9.2=166.7（L）=1.667×10（cm）

选取的深海直流电动机直径大约为400㎜，为保证整个系统的美观性，同时也保证整个装置不至于过长，将油箱的端面直径选取为560㎜，这样就可以根据体积计算出油箱的长度。

V×=1.667×10 （2-2）

(2-3)

式中 V ----油箱所需的体积 ，cm ；

——油箱端面的直径，㎝；

——油箱长度，㎝。 最后将油箱的长度选定为68㎝。 3.5系统压力平衡问题的分析

要使系统内部油液压力增大，可以向油箱内加入更多的油液，在体积不变的情况下，油液越多压力就会越大，但是在深海，这种方法是行不通的。另外一种方法是在油液量不变的情况下，减小油液的体积也能增加油液的压力，下

15

面就针对第二种方法展开分析，有如下八种方案可供选择。

①活塞结构油箱是利用活塞的可移动特性改进而来，能随时保持内外压力相同。

活塞可以随着油箱壁左右移动，当海水的压力大于油液压力时活塞就会向右移动，直至油液压力和海水压力相同，活塞才停止，这样就能保证油液压力和海水压力随时相同，从而就使得系统压力平衡。这种结构的不足是对活塞的密封和润滑要求很高，在海水直接接触活塞导轨这种环境下，很难满足密封和润滑的要求，并且还可能有海底的微生物等其他杂质卡在活塞导轨上阻碍活塞的移动。

②海水和活塞导轨直接接触会导致很多问题，为了避免海水和活塞导轨之间的直接接触，可以安装一种材料将活塞与海水隔开，如胶皮就是一个比较好的选择，其结构如图3-2所示。

这种结构使得海水和活塞之间有一胶皮相隔，这样就避免海水与导轨的接触而破坏了导轨的润滑，以及杂质的进入而卡住导轨。该结构利用胶皮的良好伸展性，通过胶皮传递海水的压力，从而保证了油箱内外压力保持平衡。

③外置气囊型结构是在油箱的外面接上一个或数个装了油液的气囊，气囊中的油液和油箱相通，当液压装置还在陆地时，气囊是鼓的，当潜入深海时随

着压力的增大气囊逐渐被压扁，从而保证了油箱内外压力的平衡。

此结构利用气囊的良好伸展性和压缩性，通过对气囊的压缩而使油液也被压缩，进而使得油箱内油液压力升高，系统内外压力也就能平衡了。此种结构必须要通过油箱油液的最大变化率来计算气囊的大小，这样才能保证气囊在被完全压缩前已经能满足其最大体积变化的需求，同时也尽量不要把气囊做得太大，否则会带来一定的不便。在水下作业时还要注意保护气囊，避免被一些较尖锐的物品刺破，同时还要作业气囊和油箱的接口大小，如果太小，有可能出气囊面把油液入口堵住的情况。

④内置气囊型结构与外置气囊型结构位置的气囊位置相反，气囊内部没有油液。整个气囊在油箱内部，当油箱内部到深海工作时，气囊内部会进入海水，

16 致使油箱内部体积减小，油箱受压，压力也就随着海水的压力变化而变化。此种结构原理和外置气囊型结构大同小异，主要区别在于内置型的气囊不易被损坏，但是它的油箱容积没有外置型的大，同时也要注意计算气囊的大小，当使用单个气囊会使气囊体积过大时，可以考虑多个气囊。此种结构也可以看成是将方案②中活塞去掉，这样结构简化很多，所以可以看成是对方案②的改进。但它在油箱外形大小相同的情况下，所装的油箱相对较少。

⑤非金属膜结构与气囊型结构的原理相同的情况下，但各自的适用范围有所不同，当表面积较大时，用油膜结构较为合理，因为它有足够的表面空间；当表面积较小并且内部较宽敞时用气囊型结构较好。

这种结构在钢质圆形油箱的一端加橡胶膜或在方形油箱的5个面上开窗并加橡胶膜，利用橡胶膜的伸缩变形进行压力平衡和克服体积变化，优点是结构简单、易于加工。确定是橡胶膜的边缘易出现疲劳断裂，密封不可靠。

⑥橡胶罩结构中油箱的6个面只有底面是钢制材料，其他各个面都是采用整体的橡胶罩，所以整个油箱的变形能力很强。

这种结构的优点是变形幅度大，可以达到50﹪以上，能克服较大体积变化的情况，缺点是制造复杂，高成本，橡胶罩容易形

⑦波纹管结构利用了波纹管的纵向可收缩性，随时改变管内油液的体积，从而改变内部的压力，但是波纹管的可改变体积相对较小，不能满足某些由于外部系统的原因，而要求油液体积改变较大的情况，并且此结构制作也相对复杂。

⑧蓄能器状气囊结构参照了蓄能器的结构，外形上和蓄能器相似，内部结构原理和前面所提及的方案③、④相似。

蓄能器状气囊结构的气囊比较大，所以一般情况下需要一个气囊就能满足体积变化的要求，而不用像内、外置气囊结构那样安装多个气囊。气囊大了之后容易引起变形，所以就在气囊外面包一个圆桶状金属外壳，来保持气囊的形状，同时也可保护气囊不 被尖锐物品刺破，在圆桶的尾部开了口，使海水与气囊接触。使用单个气囊虽然已经能满足体积变化的要求，但是这是还涉及一个响应

17 的问题，因为气囊外壳尾部的小孔不可能开得太大，在有些情况下，油箱的体积突然发生变化，压力平衡装置不能马上响应，会造成油箱内部压力小于外界压力的情况，当然这也是本课题的一个分支问题，本文就只分析道这里。

从以上分析可知各方案工作原理是相同的，共同点都是一个油箱，包含一个能进行弹性变形的部件，当有压力差存在时，该部件就发生变形，将压力传递到油液中，从而使油液的体积减小，压力增大至于外界环境相等，也就是油箱内部的压力与外界的水压力达到平衡，这样，不论多大深度，油箱内部的压力总与外部水压力相等，油箱壳体所受到的内、外压力相等，压差为零，实现了对不同水深的压力补偿。通过以上各个方案的比较，最后一个方案是比较合理的，蓄能器状气囊结构既能实现油箱较大的体积变化，又便于压力补偿装置的安装，也容易计算所能补偿体积的大小，气囊外包着的金属壳，因而，气囊不会发生太大的变形，金属壳还可有效地防止外界尖锐物品刺破气囊。

所以本设计所选用的压力平衡机构是蓄能器状气囊结构。方形油箱和圆桶形油箱加了压力平衡装置

3.6 总体系统的结构

确定了油箱的端面直径和长度，还要确定油箱的厚度。虽然油箱有了压力平衡装置后，在深海所承受的压差约为零，但还是要承受较大的内压，同时还会打出许多螺纹孔用于其他部件的安装和固定，所以选定油箱壁的厚度为10㎜.油箱的制作方法选取铸造工艺。为了使整个系统便于安装，油箱的右端面是开通的，整个内部结构安装完毕后用一块油箱盖板将油箱盖住，为了整个系统注油方便，还在油箱壁的上方开了个注油口。使用蓄能器状气囊结构作为压力平衡结构，考虑到安装方便，就把其放在油箱的上背面，但是为了系统在初始的状态下气囊内就能装满有油液，气囊结构的最高位置要低于油箱壁的最高位置。

第四章液压技术发展趋势 4.1 国外液压系统的发展

工程机械主要配套件有动力元件、传动元件、液压元件及电气元件等。目前工程机械动力元件基本上都用内燃式柴油发动机(简称柴油机)；传动分机械传动、液力机械传动、静液压传动、电传动等。但目前工程机械用得最多、最普

18 遍的为液力机械传动及静液压传动。整个传动系统还包括传动轴、驱动桥等。静液压传动有多种结构形式，有的有传动轴、驱动桥，有的没有，视情况而定；液压元件主要有缸、泵、阀、密封件及液压附件等。静液压元件的泵(主要是变量泵)、马达(变量与定量)，以及相应的减速机等；电气元件以前对工程机械的影响还并不大，最早的工程机械电气系统，主要是起动电路及照明电路，系统及元件都非常简单，起动可以用拖起动，白天干活不用照明，因此，这两个电路系统出了故障也能勉强维持工作。但工程机械发展到今天，电气系统及电气元件已经成了工程机械一个非常关键的部分，可以说今天的绝大多数工程机械，电气系统出了故障根本就不能工作，有的甚至寸步难行，等于一堆废钢铁。因此电气系统、电器元件目前也是工程机械最关键最主要的配套件之一。主要电器元件除传统的元件外，还有各种传感器，各种控制元件及微处理机等等。下面就国际上这些工程机械主要配套件的基本情况及发展趋势谈谈看法。 国外工程机械主要配套件的基本情况

目前国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久，技术成熟、供应充足，生产集中度高，品牌效应突出。配套件的发展随主机的发展而发展，同时配套件自身的发展反过来又促进主机的发展。目前国外工程机械配套件的发展形势好过主机的发展形势。目前国外工程机械配套件的发展形势比较好。 近些年来国外工程机械有一种发展趋势，主机制造企业逐步向组装企业方向发展，配套件逐步由供应商来提供。比如世界上实力最强的主机制造企业美国的卡特彼勒(Caterpillar)、凯斯(Case)、日本的小松(Komatsu)、瑞典的沃尔沃(Volvo)等世界上这些大型的工程机械主机制造企业，其配套件的配套能力也是非常强的，它们的配套件外配的数量也是在逐年大幅度地增长，一些中小工程机械企业就更是如此，配套件逐步主要由零部件制造企业来提供。这样做有几大好处，主机企业可集中精力把自己的主机产品作好，减少配套件完全由主机企业自己来承担的风险，而配套件企业作得更强更大，有能力迅速提高配套件的质量、技术水平，同时能为主机企业提供更多的新产品，这样更容易促进主机产品的发展。国外工程机械主机企业从1988年达850亿美元的销售额以来，基本上没有多大变化，而相反这些年来配套件从150亿美元，增长到1000亿美元，增幅是相当大的。因此，国外工程机械配套件这些年来得到了快速发展。国外工程机械配套件生产历史悠久、技术成熟、 品种齐全，完全能满足各种工程机械的配套需求国外许多工程机械主要配套件企业都有50年，甚至100年以上的发展历史，企业的规模都相对较大，技术十分成熟，品种也非常齐全，几乎应有尽有。比如目前世界上生产密封件及减振器最大的企业，德国的弗罗伊登贝克(Freudenberg)公司，成立于1849年，生产密封件及减振器已有100多年

19 历史，其品种应有尽有，从技术上、品种上完全能满足液压行业对密封件及密封技术的要求。同时还不断推出新的密封材料及新的密封结构，推动液压密封技术不断向更高技术水平发展。目前世界上最大的中大型发动机制造企业，美国的康明斯(Cummins)发动机制造公司，成立于1919年，也几乎有近100年的历史。37.3kW(50马力)以上的柴油机可以全方位为各种工程机械，甚至所有需要柴油机动力的各种机械配套，在技术上可以完全满足最苛刻的欧II、欧III排放标准，甚至可以达到欧IV、欧V排放标准。

在流体产品领域内，目前世界上最大的流体产品(主要是液压件、密封件及液压附件等)制造企业，美国的派克(Parket)公司，成立于1918年，也有近100年历史，可以提供品种齐全的、高技术水平的液压件、密封件及所有的液压附件。目前世界上最大的用于静液压系统的变量液压元件制造企业，德国的博士――力士乐公司，已有200多年的历史，从1953年开始全面制造液压元件，也有50年以上历史。其最具特色的产品是用于静液压传动的变量系统液压元件，无论是斜盘式或斜轴式，闭式(泵控)或开式(阀控)系统液压元件品种都非常齐全，能为各种需要静液压系统元件的工程机械整个系统成套配套。还有世界上最大的传动部件制造企业，德国的ZF公司，成立于1915年，也有近100年历史，能为各种工程机械提供品种齐全的传动部件。在电气配套件方面，世界最大的德国西门子电气公司，以及日本的东芝公司、川崎公司、德国的博士(Bose)公司等，都有50年以上，甚至100年以上的悠久历史，能满足工程机械各种高技术水平的电气系统和电气元件的要求。 4.2 远程液压传动系统的发展

在科学技术迅猛发展的今天，计算机技术、网络技术、通信技术等现代化信息技术正对人类 的生产生活产生着前所未有的影响。这些信息技术的进步，为今后制造业的发展，设计方法与制造技术模式的改变指明了方向，为数字化设计资源与制造资源的远程共享，进一步提高产品开发效率奠定了基础。这一点已经引起了学术界的广泛关注，并且有很多科研学者已经投入到了这方面的研究。目前在液压领域中，特别是中小企业在进行液压传动系统的设计时，存在着零部件种类繁多、系统集成复杂、参考资料缺乏等一系列困难，而远程设计服务可以解决这些问题。为减轻液压设计人员的工作负担，实现现代化设计模式的转变以及设计资源、技术资源和产品信息的共享，本文提出了建立基于Web的远程液压传动系统设计的新模式。 （1）系统的体系结构

基于Web的远程液压传动设计系统采用BS(浏览器服务器)模式的体系结构，服务器端上存放了所有与设计计算相关的应用程序，以及用户信息数据库、

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