（轮机工程专业论文）船舶锚机液压集成块设计研究.pdf

中文摘要 摘要 随着现代船舶配套产品的发展，船舶液压系统越来越多地采用液压集成块连 接，采用集成块液压系统可以减少管路连接和接头，具有结构紧凑、安装维护方 便、泄漏少、振动小、利于实现典型液压系统的集成化和标准化等优点。因此对 船舶锚机液压系统进行集成块设计对于提高锚机液压系统的稳定性、节约资源等 有重要的意义。但现有的集成块设计方法尚存在诸多不足之处，本文在阅读了国 内外有关液压集成块设计方法的基础上，提出了利用虚拟设计技术来实现锚机液 压集成块设计的方法。 采用虚拟设计技术可以使设计者在虚拟设计环境下，对集成块外形进行布局， 然后对内部孔道进行设计。在虚拟环境下进行集成块设计，既降低了空间想象的 难度，顾全了孔道干涉情况，又大大地缩短了设计和校验的时间，使设计者快速 完成集成块的孔道设计。 锚机液压集成块设计系统主要包括：数据库设计模块、数据输入与编辑模块、 外形布局模块、孔道连通设计模块、孔道校核模块、虚拟设计模块。 本文采用面向对象技术，以v i s u a lb a s i c 为集成开发环境、a c c e s s 数据库 为后台存储工具，对s o l i d w o r k s 进行二次丌发实现了锚机液压集成块的三维参数 化的设计，文中并着重介绍了液压集成块虚拟设计的方法。利用以上技术丌发了 锚机液压集成块设计系统。从孔道内部流场方面进行c f d 仿真和研究，研究了不 同布局方式( 同面、邻面、对面) 对孔道流通品质的影响。 关键词：液压集成块；虚拟设计；v i s u a lb a s i c ；s o l i d w o r k s ；c f d 仿真 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a r i n ep r o d u c t s ，h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s c h e m e sa r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm a r i n eh y d r a u l i c sc i r c u i ts y s t e m ，h y d r a u l i c m a n i f o l db l o c ko f f e r sm a n ya d v a n t a g e i n c l u d i n g r e d u c e dc o n n e c t o r s ，s i z ea n d c o m p l e x i t y i tp r o v i d e sac l e a n e r ，l e s sv i b r a n ta n dm o r er e l i a b l es o l u t i o nt od i f f i c u l t m a c h i n ec o n t r o ls y s t e mp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t h eh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c kh a sb e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e dt ot h ed e s i g no f t h em a r i n ea n c h o r , w h i c hb ea d v a n t a g et oe n h a n c e s t a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n s e r v er e s o u r c e s b u tt h e r e a r es t i l lm a n y s h o r t a g e si nt h ew a y o fh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c kd e s i g n ，a f t e rs t u d y i n ga n da b s o r b i n g t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n ti no u rc o u n t r ya n da b r o a d ，p r o p o s i n gt h em e t h o dw h i c hu s i n g t h ev i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g yt os o l v et h ed e f i c i e n c y t h ed e s i g n e ra tt h ev i r t u a ld e s i g ne n v i r o n m e n tu s e st h ev i r t u a ld e s i g nt e c h n o l o g y t od e s i g nl a y o u t ，t h e nt od e s i g nt h ei n t e r n a lh o l e s b yt h i sm e a n s ，t h i sr e d u c e st h ed e s i g n w o r kl o a d ，t h ed i f f i c u l to ft h es p a t i a li m a g i n a t i o n ，t h ed e s i g na n dt h ec o r r e c t o rt i m e ， f i n a l l ya s s i s t st h ed e s i g n e rw i t he a s et oc o m p l e t et h ed e s i g no fh y d r a u l i cm a n i f o l d b l o c k d e s i g no nh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c ko fm a r i n ea n c h o rm a i ni n c l u d i n gd a t a b a s e d e s i g nm o d u l e ，d a t ae n t r ya n de d i t i n gm o d u l e ，l a y o u td e s i g nm o d u l e ，i n t e g r a t eh o l e d e s i g nm o d u l e ，v i r t u a ld e s i g nm o d u l e t h i ss y s t e ma d o p t st h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u e ，i ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tv i s u a lb a s i c ，a c c e s sd a t a b a s ef o rs t o r i n gt o o l s ，d e v e l o p m e n t st h es e c o n d s o l i d w o r k sb yv i s u a lb a s i c ，a c h i e v e m e n t st h ei n t e g r a t e db l o c kt h r e ed i m e n s i o n a l p a r a m e t e rd e s i g n ，a n de x p l a i n st h ev i r t u a ld e s i g no ft h eh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k b y u s i n gi t ，h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c kd e s i g ns y s t e mo fm a r i n ea n c h o ri ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d c f ds i m u l a t i n ga ne x p e r i m e n tw e r e d o n ef o rt h e i n n e rf l o wf i e l do f m a n i f o l db l o c kh o l e s t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tl a y o u t ( s a m es u r f a c e , a d ja c e n ts u r f a c e ， o p p o s i t es u r f a c e ) t oh o l e sf l o wp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d k e yw o r d s ：h y d r a u f i cm a n i f o l db l o c k ：v i r t u a ld e s i g n ：v i s u a lb a s i c ；s o l i d w o r k s ； c f ds i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = =监舶笪扭邃匿篡盛迭遮让硒究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：主翌望遮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：孑净这彼导师签名：美兹乙 日期：膨f o 年勿月如e t 船舶锚机液压集成块设计研究 第1 章绪论 1 1 概述 液压传动与控制技术在国民经济各个领域应用广泛，目前在船舶上的应用也 已是相当普遍。一个液压系统由若干液压元件组成，这些液压元件要根据控制要 求连接起来组成一个完整的液压系统。随着液压技术的发展，液压系统设计与制 造的复杂性也越束越高。对复杂的液压系统，若采用大量的管接头和管子连接， 易造成管道污染，引起系统故障，还会因振动和冲击引起泄漏，降低效率，并且 还会增大系统的体积；若采用液压集成块，使液压系统象电子系统那样把元件集 成化、单元化，则可减少系统的能量损失，系统结构紧凑，便于安装，符合节能、 节材、优化设计的原则。 如图1 1 所示，液压集成块( h y d r a u li cm a n i f o l db l o c k - h m b ) 是预先钻有多 个孔的阀块体，其外部安装有各种液压元件，如液压阀、管接头、压力表等，其 内部的孔道与元件孔道相连通，构成液压集成回路( h y d r a u l i ci n t e g r a t e d r 1 c i r c u i t ) ，实现系统控制要求。液压系统使用集成块有如下几点好处： ( 1 ) 减少阀和管路安装的劳动量。用户可以利用这种技术升级现有的设备。 ( 2 ) 减小液压系统的尺寸，降低其重量。 ( 3 ) 能在靠近传动装置的狭小空问内实现更多功能。 ( 4 ) 减少管路连接，降低泄漏的可能性。 ( 5 ) 减少暴露的管路安装，降低环境中可能对它们造成的破坏。 ( 6 ) 管路连接变少，系统压降和生热减少，系统效率提高。 ( 7 ) 在不破坏外部管路连接的情况下可以很快移走并替换元件，提高系统的 适应性。 l 鲞| 1i 液脏粜成块 f i g 1ih y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k 总结上述特点可知，液压集成块具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、占 地面积小、易丁实现标准化等优点，因此在船舶锚绞机液压系统中应用是非常有 必要的，也是末柬锚机液压系统发展的趋势。 由 ：锚桃液压系统自i 成并没有标准的模式以及备个儿件之刚相互连通关系具 有多样性，这样集成块在外部就是各种不规则的元件在各面上的紧凑布局，内部 是十分密集、复杂的孔道构成孔系刚络，殴计起柬既费时叉费力而且容易出错。 在也产中，集成块上元件的安装尽可能紧凑、均匀地分布在集成块体各面，不但 要方便安装，还要便于调试，并且满足一定的约束条件。元件巾局方案与孔系网 络连通要求起成为孔道设汁的起始条件。元件削通过内部孔道连通，如果无法 直接连通则需要设置工艺孔。锚机液脏系统的集成块块体l 的扎数可能达几十乃 叠上百个，儿多呈纵横交错的彤式，如果存在i 。涉，必颁将处于一 f l i 上的扎组 做整体移动，因此常常山现移动了一个元件，另一个元件也产生错误的情况。同 时，设计叫还必须满足非连通孔道问安全壁厚等要求。这些问韪导致传统的人工 布局、孔道连通及校核异常崮难，即使采用一般的计算机辅助软件方法也难以确 保设汁质量。 集成块的生产制造在刖前还属于单件小批量的生产模式，如果在设计阶段投 入大量的时问和精力就会导致设计生产过程工作效率低f ，因此亟待采取有效的 计算机辅助方法柬准确而快捷地解决集成块安装稚局与孔道设计这一难题，这已 经成为国内外众多研发机构和人员关注的焦点和难点。 1 2 液压集成块国内外研究现状 总的来说，国外工业发达国家开展c a d 、c a m 的工作较早，从7 0 年代就丌始 船舶锚机液压集成块设计研究 进行研究和探索利用计算机进行液压系统和液压元件的计算机辅助设计，从8 0 年代开始研究将c a d 、c a m 技术应用于液压技术领域，但公丌推出的软件并不多， 尤其是液压集成块设计的软件比较少。国内从8 0 年代开始研究液压集成块c a d 技术，9 0 年代形成一种热潮，开发的软件、发表的文章比较多。国内研究液压集 成块比较有影响的几家单位是：上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、华中 r 0 1 r 0 1 科技大学、北京自动化研究所“。 以下就集成块的国内外研究情况作一些简单介绍。 1 2 1 国外研究现状 国外从2 0 世纪7 0 年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元件 的辅助设计工作，迄今丌发出的各类液压c a d 软件已有数十种。德国汉堡技术大 学设计技术第一研究室的d f g 研究计划开发了液压集成块专用c a d 设计系统。通 过设计知识和计算程序的应用，该系统有效地支持使用者进行液压集成块设计， 其决定性的技术是面向对象的建模核心的应用。该系统对液压元件进行面向对象 的产品建模，拥有产品模型的建立与管理、液压油路图的输入、元件布置定位、 孔系生成等操作，能进行集成块设计的相关计算，包括压力损失计算、孔道干涉 智能校验、最小壁厚计算等”。 德国亚深工业大学( t e c h n i c a lu n i v o fa a c h e n ，g e r ) 研制的在a t m c l a s s i c m o d e l7 8 7 0 计算机上用于设计液压控制阀块的程序包h y k o n 。该程序包由一组液 压元件数据集和用于设计和布局的程序集组成，通过对话交互布置液压元件，具 有自动设计孔道、校核孔道、输出符合标准的阀块视图和任意剖视图等功能”。 英国巴斯大学( u n i v o fb a t h ，e n g ) 借鉴印刷电路板和集成电路的设计思想 在p d p i l 2 3 计算机上研制了v o l e 程序，可绘制液压阀块等元件的立体模型图， 包括复合剖面图和孔道实体图等，设计人员可以用来校核所设计的阀块油路连通 情况 5 6 7 。 势兰坦佩雷理工大学( t a m p e r eo n i v o ft e c h n o l o g y ，f i n ) 在h p i o o o a 7 0 0 小型机上借助于a g p 三维图形软件开发出用于插装阀块设计的k y b l o 软件包，可 做到孔道设计与干涉校验同步进行，可以修改孔径、移动孔位，还具有孔表信息 第1 章绪论 输出、刀具选择和刀具轨迹定义及n c 代码生成等功能。液压集成块智能优化设计 系统一算法与典型实用设计技术刚。 法国g r c n o b l e 机械学院的c h a m b o n 和t o ll e n a c r e 将人工智能和c a d 技术相 结合来解决集成块的元件布局和孔道设计问题 9 1 10 l 。 以色列理工学院( i s r a e l i n s to ft e c h n o l o g y ) 研制的c a d s s 4 x 专用软件提供 实体、线框、表面三种模型来表达集成块和孔道，根据人工设计的孔道坐标表快 捷地生成集成块各向视图，帮助使用者设计出满意的原型。 与此同时，一些国际知名的大液压公司如美国e a t o nc o r p 、p a r k e rh a n n i f i n c o r p 、v e s ti n c 、m o o gl t d 、加拿大a p o l l om a c h i n e r yl t d 、意大利a t o s 公司、 德国b o s c hr e x r o t hc o r p 等，也广泛开展了液压集成块c a d c a m 技术的研究与应 用。其中在专用设计软件丌发方面比较突出的有v e s t 公司、e a t o n 公司等1 1 。 v e s t 公司开发了液压集成块设计从原理图一集成块一装配体的一整套解决 方案：s ot o o l s ( s c h e m a t i cd e s i g nt o o l s ) 和h yd r a w ( h y d r a u l i cc i r c u i td e s i g n ) 软件应用“快捷目录”技术方便准确地绘制液压原理图：a dt o o l s ( a s s e m b l yd e s i g n t o o l s ) 是一个z d 装配绘图软件：在a u t o c a d 上开发的m dt o o l s ( m a n i f o l dd e s i g n t o o l s ) 软件基于嵌入式规则进行孔道连通和校核；从t o o l s ( a u t o m a t e da s s e m b l y t o o l s ) 软件根据原理图和集成块设计信息动态生成3 d 装配图以及2 d 正交视图 1 2 e a t o n 公司开发的v i c k e r sl i b r a r yo fs i c v ( s c r e wi nc a r t r i d g ev a l v e ) 软件是一个包含一千多种元件的符号库，帮助专业工程师在a u t oc a d 上进行泵、 马达、阀和集成块的方案设计及零部件工程图设计，并把设计数据与加工指令n c 代码相连接，具有c a d c a m 一体化特征。 1 2 2 国内研究现状 国内液压c a d 技术研发工作起步较晚，但迄今已有很大发展，并取得了很多 有特色的研究成果。 澳门大学( u n i v o fm a c a u ) 的w o n gp k 和香港理工大学( h o n gk o n g p o l y t e c h n i cu n i v ) 的c h u c nc w 等运用面向对象方法构造集成块模型并采用特 4 船舶锚机液压集成块设计研究 征技术来组织和管理集成块c a d c a p p c a m 产品信息，可以方便地定义和修改元件 与回路：在a u t o c a d 上丌发的原型软件可以根据一些设计规则进行元件向局，并在 李氏迷宫算法的基础上研究了三维路径连通算法u 。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室于1 9 8 9 年研制成功插装阀液压系 统设计f p t c c a d s 系统，建立了变参型数据图形库，具有液压原理图、系统总装 图、零件图、准三维模型和插装阀块等的自动生成功能。后又采用特征对象化的 设计思想，提出对象化特征连接的概念，研究液压集成块的三维参数化设计方法， 开发了液压集成块c a d 软件v b - c a d ，并给出“两步校核”的孔道干涉检查算法u 。 上海交通大学于1 9 8 6 年丌始研究插装阀c a d 软件，编写了校核插装阀孔道的 程序；9 0 年代相继在工作站和p c 机上丌发出面向插装阀的c v - c a d 软件；1 9 9 7 年在a u t o c a d 上二次开发出面向集成块的h m b c a d 软件并不断完善，具有集成块体 及孔道数据输入与编辑、孔道校验、三维造型、自动绘制装配图、零件图、孔系 表输出等多项功能，已经在一些单位得到实际应用“。 华中科技大学应用专家系统和逻辑设计方法于1 9 8 7 年开发了h y s s d 液压原理 图逻辑设计软件包：近年来根据模块化设计和再设计工程的思想进行了液压集成 块液压集成块智能优化设计系统一算法与典型实用设计技术c a d c a m 系统h c a d 的丌发，针对液压集成块内部孔系的连通设计及其通断性校验、液压集成块孔系 加工的路径规划等问题进行了研究，从而提高了液压集成块的设计、加工效率和 质量 1 6 1 7 1 8 。 安徽工学院采用人工智能原理用宏u s p 语言开发的液压集成块孔道设计专家 系统h i b d 可自动完成从液压原理图输入到集成块工程零件图输出的全部工作。 广东工业大学开发的h g m c 软件系统实现了液压集成块从方案选择、元件布 置、外形干涉校验、孔道连通校核、工程图纸输出以及设计效果评价全过程的智 能化、自动化设计，并采用成组技术进行液压集成块c a d c a m 的信息编码设计 1 9 2 0 此外，北京科技大学、天津理工学院、华东冶金学院、南昌航空工业学院、 北京机械工业自动化研究所、北京机床研究所、大连液压件研究所、榆次液压件 5 第1 章绪论 厂等单位也都对液压集成块的设计和制造技术进行了各具特色的研究。 大连理工大学是国内较早丌展液压c a d 研究开发的单位之一，于1 9 9 0 年开发 出了面向集成式液压系统的y c a d j 软件包，包括原理图设计、阀体结构设计及阀 体零件图和阀组装配图绘制等模块，采用人工智能技术实现自动设计工艺孔。在 此基础上，又陆续推出了专门面向液压集成块的m b c a d a m 和面向插装阀块的 c v c a d a m 两个软件，解决了液压阀块孔道校核和连通设计问题，并且提出了一套 集成阀块类零件特征的定义、分类和框架表达方法建立了基于特征的零件产品模 型，为c a d c a m 集成系统的丌发与研究提供了一个统一的信息模型。文献 2 8 总 结液压集成块设计特点，提出液压集成块c a d 中的核心问题是“集成块外部布局 和内部布孔的集成方案的自动优化设计，是在孔道自动连通算法支撑下的三维空 间中布局方案的自动寻优设计。这是一种复杂的带性能约束的立体空间布局问题， 在数学上可以归结为大规模组合最优化。 将集成块设计分为六个环节，总结设计 要求和设计约束，给出集成块设计的评价目标函数，提出使用智能优化算法求解 集成块的设计问题2 1 1 2 2 1 23 i 。 1 3 课题的研究背景 随着我国造船工业的不断发展，船舶配套产业的相对落后已成为当前亟待解 决的问题，我们必须跟上科技发展的步伐，不断创新，才能在国际竞争中处于不 败之地。液压集成块己成为当前液压系统发展趋势，因此，在船舶锚机液压系统 中使用液压集成块可以有效的克服传统锚机液压系统连接、安装的主要缺点，对 于提高锚机液压系统工作的稳定性、可靠性，减少漏泄，节省系统所占空间和资 源有非常重要的意义。 因为液压集成块具有多种优点，所以将液压集成块应用到船舶设备中已成为 以后发展的趋势。但作为连接元件的液压集成块，由于内部孔道繁多、空间纵横 交错，加之孔间还有干涉限制，存在着设计工作量大、空间想象困难、干涉现象 不易一一顾全，在设计中要花费较多的时间。而且特别容易发生错误，往往是在 集成块加工的最后工序一一钻孔时才发现错误，这时再采取补救措施更改设计， 不但困难较大，而且拖延了生产周期，有时还不得不报废，浪费了大量的人力和 物力。 6 船舶锚机液压集成块设计研究 为了解决上述问题，清晰的观察到集成块的设计过程，将错误消灭在设计阶 段，缩短设计周期，减少人力物力的浪费，有必要对集成块设计软件进行研究， 使锚机液压集成块的设计处在一种可视化，人机交互的模式下进行。 1 4 本文选题的意义 液压集成块的设计生产工作在当今液压系统越来越复杂的情况下，是耗时量、 耗工量极大，但是却又极易出现错误的工作，长期以来人们也是在人工设计到软 件辅助设计过程中不断向前艰难的行进。液压集成块内部孔道网络的复杂性及其 设计难度是人所共知的。面对孔道干涉，以往的设计系统因多处在封闭或半封闭 的设计环境下，无法清晰地观察到设计过程，不能自动确定移位方向及尺度和进 行自动寻优设计，而是由人工凭直觉或经验确定调改方案。 这个问题可以通过采用虚拟设计技术得到解决。液压集成块虚拟设计主要是 研究液压集成块在虚拟环境下的设计。通过虚拟现实技术和软件工程以及参数化 三维实体造型技术相结合，建立一个虚拟的设计环境，完成动态的展示，三维视 图的分析、观察等。设计者如同加工者，打孔、校验等工作处于一个虚拟的环境 中，减少了传统设计过程中二维和三维在设计者头脑中的转换。符合人类的设计 思维，避免了设计中的误区。通过人工智能、路径规划等理论相结合，完成阀的 布置以及工艺孔自动设计等功能。最终使设计者智能化、优化集成块的设计。 1 5 本文研究的主要内容 本课题主要涉及锚机液压元件的输入与编辑、液压元件的数据库管理，集成 块外部布局设计、内部孔道设计、孔道校核、虚拟设计、集成块仿真等内容。 1 液压元件的输入与编辑。液压原理图是液压集成块设计的主要依据。要实 现集成块的设计，首先需要将原理图所包含的有关信息“计算机化 。人工设计时， 要根据原理图中所包含的元件型号和数量，初步确定块体的数量、元件分配方式 等。 2 集成块外部布局设计。外部布局设计是指液压元件在集成块上的合理摆放， 解决液压元件空间干涉，并为孔道连通设计提供可靠的合理的液压元件空间位置 参数。 7 第1 章绪论 3 集成块的内部孔道设计。集成块的孔道连通设计就是把阀块外部设计生成 的油孔数据文件中的孔道连通起来。孔道连通的时候，要以原理图为依据连通应 该连通的孔道，同时还要考虑连通优化问题。连通的优先级在分解连通关系时得 以确定。 4 集成块的孔道校核。孔道校核是依据孔道连通设计生成的孔道连通表对孔 道表进行校验，看孔道的连通设计是否满足连通要求。即应该连通的孔道是否相 通，并满足规定的通流面积要求，不该连通的孔道是否不相通并满足规定的壁厚 要求。对于已经设计好的集成块也需要进行孔道连通情况的校验。因此，要对正 在设计和设计完成后的孔道进行校核计算。 5 虚拟设计。虚拟设计使设计者处于一个虚拟的设计环境中，设计生成液压 集成块的三维实体图形。如果发现有孔道设计不对，也可将不正确的孔道在s o li d w o r k s 中手动重新进行设计，这个设计过程用宏录制下来，然后导出成文本文件， 系统自动提取出所需要的孔径、孔深、x 、y 、z 坐标，将其添加到孔道表中，生 成新的孔道表和孔道连通表，最后重新进行校核，直到全部满足孔道连通设计要 求为止。 6 集成块仿真。从孔道内部流场方面进行c f d 仿真和研究，研究了不同布局 方式( 同面、邻面、对面) 对孔道流通品质的影响。 8 船舶锚机液压集成块设计研究 第2 章锚机液压集成块设计总体框架 2 1 锚机液压系统原理图设计 2 1 1 液压系统的组成 液压系统主要由四个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元 件 2 4 o ( 1 ) 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，它向整个液压 系统提供动力。一般最常见的是液压泵。 ( 2 ) 执行元件的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运 动或回转运动，如液压缸和液压马达。 ( 3 ) 控制元件在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功 能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。 ( 4 ) 辅助元件是除上述三项以外的其它装置，包括油箱、滤油器、油管及管接 头、密封圈、压力表、油位油温计等。这些元件对保证液压系统的可靠、稳定、 持久的工作也有着重大作用。 2 1 2 液压系统设计的基本内容 液压系统的设计要考虑液压系统在正常工作时的各种工况，除了满足各种工 况的要求，还必须满足工作安全可靠、工作效率高、结构简单、寿命长、使用维 护方便等条件。 液压系统设计的基本内容包括2 5 m 剐： ( 1 ) 明确设计要求 就是明确液压系统的动作、性能要求，例如：运动方式、压力、流量等；明 确液压系统的工作环境，例如：环境温度、湿度等。 ( 2 ) 执行元件的工况分析 查明每个执行元件在各自工作过程中的速度和负载变化规律。 ( 3 ) 执行元件主要参数的确定 这里的主要参数的确定是指根据以上两步的分析情况确定执行元件( 主要是 9 第2 章锚机液压集成块设计总体框架 液压缸和液压马达) 的工作压力和最大流量。由于同一个液压系统中各元件的工作 压力和工作流量基本一致，因而，这一步得到的参数可以作为选择系统其他元件 的参考，这一步计算过程也可以称为系统参数计算。 ( 4 ) 液压系统原理图的拟定 液压系统原理图是用来展示液压系统的组成和工作原理的图。拟定液压系统 原理图是设计液压系统的关键一步，它对系统的性能及设计方案的可靠性、合理 性、经济性具有重要的影响。 ( 5 ) 液压元件的计算和选择 包括：液压泵的选择、阀类元件的选择、液压辅助元件的选择和阀类元件配 置形式的选择。 ( 6 ) 编制正式工作图和技术文件 设计的液压系统经过验算校核后，即可对初步拟定的液压系统进行修改，并 绘制正式工作图和编制技术文件。 2 1 3 回路型式的确定 确定回路类型的原则：一般具有较大空间可以存放油箱且不另设散热装置的 系统，都采用开式回路：凡允许采用辅助泵进行补油并借此进行冷却油交换来达到 冷却目的的系统，都采用闭式回路。通常节流调速系统采用开式回路，容积调速 系统采用闭式回路本文采用的是闭式回路系统。设计为闭式系统还主要考虑到： 开式系统有系统简单，初投资低等优点。但开式系统一般多用于功率较小的场合， 且空气容易渗入，引起工作不稳定，从而给管理者带来麻烦。而闭式系统可解决 上述问题，且可以回收能量。闭式系统多采用变量泵，通过液控阀卸流热油回油 箱，辅泵补充冷油解决散热问题。此系统相对独立，与其它系统关联较少，安装 管理方便。 2 1 4 主要技术参数的确定 锚机液压驱动系统主要技术参数： 以国际标准i s 0 4 5 6 8 和我国“钢质海船入级与建造规范”中关于锚机、绞缆 机的相关规定，作为其液压驱动系统设计的技术标准，保证其在各种工况下能够 正常工作，达到规定中对船舶液压锚机的要求。根据市场不同的需求，船舶绞缆 1 0 船舶锚机液压集成块设计研究 机额定拉力分为以下几种2 引： 额定拉力：i o k n ；3 0 k n ；5 0 k n ；8 0 k n ；i o o k n ；1 5 0 k n ：2 0 0 k n ：3 0 0 k n ；4 0 0 k n ；5 0 0 k n 本文按船舶绞缆机的额定拉力5 0 k n 为标准来进行计算选择液压元件，锚机的 液压元件的选择按此确定。系统压力及流量计算如下”： r r ( 1 ) 系统压力： 肚啬 像1 ， 式中：t 一卷筒扭矩，n m ；p n r 一马达额定压力，m p a ；t p 马达额定扭矩， n m ： 1 1 一效率；i 一传动系理论传动比。 ( 2 ) 系统流量： q = n x i x q( 2 2 ) 式中：n - 卷筒转速，r m i n ：i 一传动系理论传动比；q 一马达每转排量，l r 。 根据“昆仑油1 0 6 成品油轮”的绞缆机为参考，确定相关计算数据，最后计 算得系统压力p = 4 4 6 m p ，系统流量q = 8 9 5l m i n 具体计算在本文就不再赘述，具 体参照“机械设计手册 及“昆仑油1 0 6 成品油轮 绞缆机说明书29 | 。 2 1 5 编制系统原理图 液压系统原理图是用液压元件职能符号( 无职能符号者用结构示意图) 表示的 系统工作原理图，它能清楚地表示出各元件之间的关系、动作原理、操纵和控制 方式等。 系统原理图主要由回路组合而成，整理并增加必要的元件或辅助回路，加以 综合，构成了一个完整的系统。在满足工作机构运动要求及生产率的前提下，力 求所设计的系统结构简单、工作安全可靠、动作平稳、效率高、调整和维护保养 方便。能满足同一台机器需要的液压系统原理图不是唯一的，可能因元件供应条 件和设计者的观点与水平不同而异，目一前尚无成熟的优化设计方法。 设计液压系统应具体遵循以下的原则2 9 | ： 第2 章锚机液压集成块设计总体框架 去掉重复多余的元件，力求使系统结构简单，同时要仔细斟酌，避免由于 某个元件的去掉或并用而引起相互干扰。 增设安全设施装置，确保设备和操作者的人身安全。 工作介质的净化必须引起重视。 对于大型的贵重设备，为确保生产的连续性，在液压系统的关键部位要架 设必要的备用回路或备用元件。 为便于系统的安装、维修、检查、管理，在回路要适当装设一些截止阀、 测压点。 尽量选择标准元件和定型的液压装置。 r o n l 遵循这样的原则，设计的液压系统原理图如图2 1 ”“： 图2 1 锚机液压系统原理图 f i g 2 1t h eh y d r a u l i cs y s t e mc h a r to fm a r i n ea n c h o re q u i p m e n t 1 2 船舶锚机液压集成块设计研究 卜单向变量液压泵；2 一电动机；3 一辅泵4 一低压选择阀： 5 一背乐阀；7 一液压马达；8 一制动器； 9 、1 6 一单向阀；1 0 - 二位四通电液比例换向阀；1 卜安全阀；1 2 一常 j j 式两位两通电磁溢流阀； 1 3 - 单向溢流阀；6 、1 8 一细滤器；1 5 - 两位二通电磁阀；1 7 一溢流阀；1 9 一截j ：阀；2 0 一粗滤器； 2 1 - 油箱 本系统是闭式系统。主泵l 为恒功率单向变量泵( 由图中b 块完成) ，负荷小 时供油量增大，负荷大时供油量减少，可根据负载自动调节供油量：由电液比例换 向阀1 0 进行换向、回油节流调速及锁紧。系统最大压力由安全阀l l 限定。阀1 2 在右位，主泵经阀1 1 卸荷。泵3 经滤器1 8 和单向阀1 6 向系统低压边补充冷油； 低压边的热油经阀4 、阀5 调定及滤器6 卸流回油箱。泵3 的工作压力，也即系 统的工作的背压，由阀1 7 调定。三单向阀用以选择高压，作为电液比例换向阀的 控制压力。冷却器2 l 保证系统中液压油的工作油温在正常工作的范围内。 工作过程：变量泵1 供应高压液压油，由电液比例换向阀1 0 进行换向、回油 节流调速及锁紧，控制液压马达的转速转向，从而带动锚机工作。系统最大压力 由安全阀1 1 限定，阀1 2 在右位，主泵经阀1 1 卸荷：辅泵3 的工作压力，由阀1 7 调定。 系统为补偿油液的漏泄，必须从低压侧补油，而系统中油液的散热和冷却， 常借更换部分油液的方法来实现。为此，在此系统中也就装设了低压选择阀4 。 工作时，阀4 在油泵吸排油压差的作用下被推向一端，以使低压一侧管路中部分 油液能经背压阀5 和滤器6 泄出，而新的油液则由辅泵3 经滤器1 8 和单向阀1 6 不断补入系统。显然，为确保部分油液的更换和冷却，背向阀调整定压力须比溢 流阀1 7 略低。辅泵3 还提供油路去制动器，制动器油路中阀1 5 控制油路通断及 泄油，阀1 3 起即时抱闸，延时松闸的作用。 2 2 液压集成块设计系统开发平台介绍 2 2 1 、所需硬件环境 能够同时运行v b 6 0 、s o l i dw o r k s 2 0 0 6 、a c c e s s 2 0 0 3 、f l u e n t 6 3 2 6 的硬件 环境可以满足对本课题的开发。 2 2 2 所需软件环境 本课题是在大型实体造型软件s o l i dw o r k s 平台上，采用面向对象的高级编 第2 章锚机液乐集成块设计总体框架 程语言v i s u a lb a s i c 作为开发语言，数据库软件a c c e s s 作为存储工具，完成整 个系统的研制和丌发。并利用f l u e n t 对流体在流道中的流动特性进行仿真。 ( 1 ) s o l i d w o r k s 平台及二次开发接口介绍 s o li dw o r k s 是美国s o li dw o r k s 公司基于w i n d o w s 平台开发的著名的三维 实体造型软件。功能强大、易学易用和技术创新是s o l i dw o r k s 的三大特点，这 些特点使得s o l i dw o r k s 成为领先的、主流的三维c a d 解决方案。整个产品设计 是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之问的是全相关的。 s o l i dw o r k s 的基本特性与以前的桌面c a d 机械设计系统相比较具有以下特 桦 3 0 具有强大的实体建模功能和直观的w i n d o w s 用户界面； 具有独特的特征管理员历史树； 双向关联的尺寸驱动机制； 支持i n t e r n e t 技术，实现数据共享； s o l i dw o r k s 的软件开发商为方便各类用户对其进行二次开发，免费提供 了完整的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 应用编程接口，它是一个 基于o l e a u t o m a t i o n 的编程接口，此接口为用户提供了自由、开放功能完整的开 发工具，其中包含了数以百计的功能函数，这些函数提供了程序员直接访问s o l i d w o r k s 的能力。a p i 中的函数可以被v i s u a lb a s i c 、c c + + 、v b a ( e x c e l 、a c c e s s 等) 或者是s o l i dw o r k s 宏文件以及其他支持o l e 的丌发程序调用，从而可以扩 展s o l i dw o r k s 的功能，建立自己的应用方案。无论采用哪种高级语言对s o l i d w o r k s 进行二次开发，都必须通过它的a p i 接口，采用应用程序间标准的w i n d o w s o l e 自动化( a c t i v e xa u t o m a t i o n ) 技术和组件对象模型( c o m ) 技术，使用户快 速地定义或自动操作s o l i dw o r k s 。 虽然s o l i dw o r k s 所提供的功能非常强大，但要使其在我国企业中真正发挥 作用，使常用的或重复的任务自动化，提高效率，就必须对其进行本地化、专业 化的二次开发工作，而且这在虚拟工程中也是十分必要的。 目前，各类用户不仅在应用s o l i dw o r k s 的强大功能进行各类专业设计，同 时也在不断探索s o l i dw o r k s 的二次开发技术，从而力求扩展s o l i dw o r k s 的功 1 4 船舶锚机液压集成块设计研究 能并使其用户化、专业化。 ( 2 ) 编程语言v i s u a lb a s i c 介绍 目前利用v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 进行程序设计比较普遍，它们都具有 可视化的程序设计开发环境，良好的编辑、编译功能，并且都可实现面向对象程 序化设计。但是采用v i s u a lc + + 语言编程更加趋向于硬件低层的开发，且编程难 度较大。 v b 是目前所有开发语言中最简单、使用最普遍一种的语言。本课题选用 v i s u a l b a s i c 6 0 作为开发语言。 v i s u a lb a s i c 是一种可视化的，面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级 程序设计语言，可用于开发w i n d o w s 环境下的各类应用程序。在v i s u a lb a s i c 环境下，利用事件驱动的编程机制，新颖易用的可视化设计工具，使用w i n d o w s 部的应用程序接口( a p l ) 函数，以及动态链接库( d l l ) 、动态数据交换( d d e ) 、对象 的链接与嵌入( o l e ) 、开放式数据连接( o d b c ) 等技术，可以高效、快速地丌发出 w i n d o w s 环境下功能强大，图形界面丰富的应用软件系统。其总体特点如下3 1 3 3 2 | ： 可视化编程 v i s u a lb a s i c 提供了可视化设计工具，把w i n d o w s 界面设计复杂性“封装” 起来，只需要按程序设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各 种所需的“部件”，图形对象，并设置这些图形对象的属性，从而可以大大提高程 序设计的效率。 面向对象的程序设计v i s u a l