毕业设计（论文）-6000m深海液压动力单元设计.doc

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。目录摘要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 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2030 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）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。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，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：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。 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。 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。 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，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2.4 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输到接收器。某公司生产的一款型号为KH17的压力传感器比较合适，这种压力传感器采用半导体应变片将压力转换为电信号。其感应元件采用的是蒸发式半导体应变片，稳定性和可靠性很高。该传感器没有移动部件存在，所以抗震和抗冲击性很强，由于这种压力传感器采用了金属隔膜，因而表现出了非常好的耐腐蚀性和抗过载性。有规格为0100MPa的产品，本设计选择此型号的压力传感器。2.6 接口部件的选型一个系统的运行总需要一个能量的来源以及一些信号的传输，本系统的电动机就需要电力的来源，内部的电磁阀、压力传感器之类的部件需要传递弱电信号，这样必定要向油箱外引线，这就要解决信号输出也就是软细线引入和引出油箱腔体的密封问题，实现软细线导线密封的部件称为引电器。在深海作业中，液压动力源装置的应用深度较深，压力很大，这样就给密封带来了一定的困难。软细导线的密封方法，大体上有三类：用胶填实密封用商业化的水密接插件设计某些机型结构，在工作情况下越压越紧，从而实现密封。用胶填实密封是将胶及细导线直接浇注在小孔中，实现密封。胶密封的原理是：胶是“流变密封材料”，可将导线索要穿过的小孔看成阻尼孔，在高压下，胶呈流动性，沿小孔形成压力降，而当压力小到一定值后，胶又失去流动性而成固态，从而保证了密封。胶可用环氧树脂胶型AB胶，所能承受的压力很高，可用于超高压密封。用胶填实小孔密封，造价低，也可实现密封。但也有许多的缺点：用胶填实密封，使得小孔的直径不能很大，所引的导线也就不可能很多；如果小孔的直径太大或小孔的长度较长时，胶有一定的黏度，容易灌满整个小孔，易产生泄漏；A、B两胶混合在一起调制时，一般会有反应，有的会放热，胶在调制的过程中就产生了气泡，对密封很不利，会有渗漏；易老化，不可长时间使用，胶老化，密封性能救大为降低，且对温度较高的场合也不适用；不利于拆卸传感器以对传感器进行保养、维护。用水密接插件有许多优点，可以传输各种电信号，密封可靠，拆卸较为方便。但是也有许多不足之处：价格昂贵，水密插件头价格一般会在一万元以上；对电信号要求较高时不适用，如某些化学传感器，就不希望另接导体；无法适用于光纤传感器；成功率不适很高，一般在50%左右。本次设计采用的解决的方案属于第三类，既设计某些结构实现密封，适合自制，造价低，且能满足应用要求。在参阅了大量资料后，由于条件有限不能对此类产品进行验证，但应该说在性能方面能满足设计要求，由于本结构不是本文的重点，在此只对其原理进行简单描述。图2-4中，上垫6、密封材料7、下垫9上、下表面都有通孔，三个零件通孔位置一致，便于穿线。通孔最好是对称的，且通孔要远离圆柱上、下表面圆心，向周边布置，这样压紧时受力较好，容易压紧。所打的通孔个数可以很多，可以实现多根导线的密封。三个零件叠在一起，放于有台肩的通孔中，中间穿过导线，外面再用压紧螺母1与上垫6有接触部分，而压紧螺母是要旋转推进压紧的，这就会使上垫6同样跟着旋转，那么导线将会被拦腰截断。而密封材料7与下垫9由于摩擦力及轴向的压紧力会跟着旋转，至少不能保证与上垫6同步旋转。所以在上垫6上开有一个键槽，键槽宽度与止动螺钉10的直径相当，拧紧止动螺钉10，使得不能旋转，只可轴向运动，从而压紧密封材料，实现密封。 图2-4 引线接口部件1压紧螺母；2邮箱壁；3端盖；4O形线圈；5螺钉；6上垫；7密封材料；8引线；9下垫；10止动螺钉2.7密封装置的选型密封的功能是防止设备泄漏，起密封作用的零件称为密封件或简称密封。设备的密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标，对密封的基本要求是严密、可靠、寿命长，并且力求结构紧凑，系统简单，制造维修方便，成本低廉。因大多数密封件是易损件，故应保证标准化、系列化程度较高。密封装置包括两大类；动密封和静密封。动密封一般又可以分为接触式密封和非接触式密封，通常情况下选用接触式的，这是由于非接触式的密封装置结构较复杂。由于本文所设计的液压动力源是使用在深海，所以良好的密封对性能的影响尤其重要，这也是本设计的难点之一。当道海平面以下3000m时，压力就已经达到30MPa，到海平面以下6000m时，压力将到达60MPa，这么大的压力对密封装置来说，是一个比较大的考验，特别是动密封处。针对这个问题，在前面设计已经考虑了，本设计采用了压力平衡装置，这样，内部油液的压力和外部海水的压力基本相同，内外压差为零，对系统的静密封要求就非常低了，大部分结构都能满足要求，但考虑到安全性、实用性、方便性，本系统选取O型圈作为主要的静密封件，如在油箱的进油口、出油口、液压泵的压力油出口处以及电动机和油箱外壳的链接处等都采用了O形圈结构。由于油箱后盖的形状很不规则，没办法采用O形圈结构，此处就设计一个异形垫片来密封。静密封结构已经选定，接下来就是对动密封结构的选取。本系统设计的液压动力源需在电动机和液压泵的连接处安装一个动密封装置，因为深海电动机内部的电动机油和液压系统使用的液压油不是同一种，不能将其混合在一起。 动密封件的安装位置如图2-5所示。电动机也采用压力补偿式结构，所以电动机内部油液压力也是与海水压力相等的，也就是电动机油和液压油压力差等于零，这样对动密封处的要求又是很低了，一般的油封都能满足要求。但是虽然压力差为零，密封装置还要承受几十兆帕的内压，有可能会因为过大的内压导致密封结构的变形而使得密封失效，所以在选取装置时还是要注意此类问题。这里选用一种多级密封装置，其所能承受的压力可以达到100MPa，所以肯定能满足设计要求的，其结构简图如图2-6所示。此类多级密封装置在各类设备中应用较少，不是标准件，加上本文所研究的重点不是在密封处，所以在此就不对其结构原理进行过多分析，只是表明能满足设计要求，本设计也选取多级密封作为动密封装置。图2-5 动密封件的安装位置图2-6 多级密封装置第三章 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。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。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。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。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。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V (2-1)式中 -液压泵的流量；-经验系数，一般情况下取35。则可求得系统所需油液的体积 V 为： V=352.5=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195202233。则液压泵所占的体积V为： V=195202233=9.1810（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9.210 mm，即9.2L。这样整个油箱的体积为 V =V+ V=157.5+9.2=166.7（L）=1.66710（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=1.66710 （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，下面就针对第二种方法展开分析，有如下八种方案可供选择。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，活塞结构油箱简图如图3-1所示。图3-1 活塞结构邮箱简图图3-1所示中的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。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。图3-2 改进后的活塞结构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，其结构示意图如图3-3所示。 油液 邮箱 图3-3 外置气囊型结构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。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，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，其结构示意图如图3-4所示。图3-4 内置气囊型结构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中活塞去掉，这样结构简化很多，所以可以看成是对方案的改进。但它在油箱外形大小相同的情况下，所装的油箱相对较少。非金属膜结构（图3-5）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。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，其结构如图3-6所示。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，橡胶罩容易形变。图3-5 非金属膜结构 图3-6 橡胶罩结构波纹管结构（图3-7）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。 图3-7 波纹管结构蓄能器状气囊结构（图3-8）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、相似。 图3-8 蓄能器状气囊结构蓄能器状气囊结构的气囊比较