污泥处理船用液压系统油路块设计研究

毕业设计（论文）污泥处理船用液压系统油路块设计研究学生姓名学号学部（系）机械与电气工程学部专业年级09级机械设计制造及其自动化指导教师职称或学位教授2013年5月20日目录摘要3关键词3ABSTRACT4KEYWORDS5前言61绪论811论文概述812液压集成块国内外研究现状10121国外研究现状10122国内研究现状1113课题的研究背景1214本文选题的意义1315本文研究的主要内容132污泥处理船液压集成块设计总体框架1421液压系统的组成1422液压系统设计的基本内容1423回路型式的确定1524主要技术参数的确定1525编制系统原理图203液压系统油路块在PRO_E中的三维造型2231油路块所需元件的三维造型22311油路块1的三维造型22312油路块2的三维造型23313螺母的三维造型2432装配254油路块的制造工艺2641选材2642加工工艺275强度校核2951有限元分析概述2952限元法的基本步骤2953弹性力学基本变量2954弹性力学基本方程3255横梁ANSYS分析34结束语36参考文献37致谢39污泥处理船用液压系统油路块设计研究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油路块连接，采用油路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。因此对船舶液压系统进行油路块设计对于提高船舶液压系统的稳定性、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船舶液压油路块设计的方法。采用虚拟设计技术可以使设计者在虚拟设计环境下，对油路块外形进行布局，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，使设计者快速完成油路块的孔道设计。在船的各个方面设计中，我认为液压系统油路块的设计是最为重要的。本篇论文主要研究污泥处理船用液压系统油路块的设计，通过液压油的流量计算，计算出最小孔径，以PRO_E软件为设计平台，完成集成块的三维建模，并通过ANSYS软件模拟两安装孔间液压油通过时对孔壁的压力载荷，进而进行强度校核，设计出符合要求的油路块。关键词液压油路块；虚拟设计；PRO_E；三维建模；ANSYSTHEHYDRAULICSYSTEMMANIFOLDBLOCKDESIGNRESEARCHOFSLUDGETREATMENTSHIPABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNMARINEACCESSORIES,MARINEHYDRAULICSYSTEMARECOLLECTEDBYHYDRAULICMANIFOLDBLOCKSMOREANDMOREUSINGINTEGRATEDHYDRAULICSYSTEMCANREDUCETHEPIPELINECONNECTIONANDJOINTITALSOHASTHEADVANTAGESOFCOMPACTSTRUCTURE,CONVENIENTINSTALLATIONANDMAINTENANCE,LESSLEAKAGE,ANDSMALLVIBRATIONBESIDES,ITCONTRIBUTESTOTHEINTEGRATIONANDSTANDARDIZATIONOFTYPICALHYDRAULICSYSTEMSO,ITISIMPORTANTTODESIGNMANIFOLDBLOCKSTOMARINEHYDRAULICSYSTEMWHICHCONTRIBUTESTOIMPROVINGTHESTABILITYOFTHEMARINEHYDRAULICSYSTEMANDSAVINGRESOURCESBUTTHEEXISTINGINTEGRATEDBLOCKDESIGNMETHODSTILLHASMANYSHORTCOMINGSINTHISPAPERONTHEBASISOFREADINGABOUTHYDRAULICINTEGRATEDBLOCKDESIGNMETHODATHOMEANDABROAD,WEPROPOSETHEMETHODOFUSINGVIRTUALDESIGNTECHNOLOGYTOACHIEVETHEDESIGNOFMARINEHYDRAULICINTEGRATEDBLOCKUSINGVIRTUALDESIGNTECHNOLOGYCANMAKETHEDESIGNERSLAYOUTTHESHAPEOFTHEINTEGRATEDBLOCKINTHEVIRTUALDESIGNENVIRONMENTANDTHENDESIGNTHEINTERNALCHANNELDESIGNINGOFMANIFOLDBLOCKSUNDERTHEVIRTUALENVIRONMENTCANNOTONLYREDUCETHEDIFFICULTYOFSPACETOIMAGINE,BUTALSOCONSIDERTHECHANNELINTERFERENCEANDSHORTENTHETIMEOFTHEDESIGNANDVALIDATION,WHICHMAKEDESIGNERSQUICKLYCOMPLETECHANNELDESIGNOFMANIFOLDBLOCKSINALLASPECTSOFDESIGNINGTHESHIP,ITHINKTHEDESIGNOFHYDRAULICSYSTEMINTEGRATIONISTHEMOSTIMPORTANTTHISPAPERMAINLYSTUDIESTHEDESIGNOFMARINEHYDRAULICSYSTEMINTEGRATEDBLOCKOFTHESLUDGEANDTHROUGHTHEHYDRAULICOILFLOWCALCULATION,WECALCULATETHEMINIMUMAPERTUREATLAST,INTHEPLATOFTHESOFTWAREOFPRO/E,WECOMPLETEINTEGRATEDPIECEOF3DMODELING,WHATSMORE,THROUGHTHESOFTWAREOFANSYS,WESIMULATEPRESSURELOADWHENTHEHYDRAULICOILTHROUGHTHEHOLEWALLTOTESTTHESTRESSANDDESIGNANOILBLOCKWHICHMEETSTHEREQUIREMENTSKEYWORDSHYDRAULICMANIFOLDBLOCK；VIRTUALDESIGN；PRO_E；3DMODELING；ANSYS前言在我国，河床升高、湖底变高等导致的“天河”、“天湖”等现象出现的报道屡见不鲜，其中污泥的沉积是造成河床和湖底升高的主要因素。当河底的污泥堆积越来越多时，就会导致河床不断升高，这些现象在我国的长江和黄河等河流中表现得尤为明显，不断升高的河床对我国很多地方人民的生命和财产造成了潜在的威胁，为此对污泥进行处理变得非常有紧迫性和目的性。污泥处理现在正是国内外热门的研究领域，因为它关系着人与自然的和谐相处。污泥分为以下几类（1）原污泥未经污泥处理的初沉淀污泥，二沉剩余污泥或两者的混合污泥。（2）初沉污泥从初沉淀池排出的沉淀物。（3）二沉污泥从二次沉淀池（或沉淀区）排出的沉淀物。（4）活性污泥曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群体的絮状体。（5）消化污泥经过好氧消化或厌氧消化的污泥，所含有机物质浓度有一定程度的降低，并趋于稳定。（6）回流污泥由二次沉淀（或沉淀区）分离出来，回流到曝气池的活性污泥。（7）剩余污泥活性污泥系统中从二次沉淀池（或沉淀区）排出系统外的活性污泥。污泥处理就是对污泥进行浓缩、调治、脱水、稳定、干化或焚烧的加工过程。它有以下几种处理类型（1）污泥消化在氧或无氧的条件下，利用微生物的作用，使污泥中的有机物转化为较稳定物质的过程。（2）好氧消化污泥经过较长时间的曝气，其中一部分有机物由好氧微生物进行降解和稳定的过程。（3）厌氧消化在无氧条件下，污泥中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。（4）中温消化污泥在温度为3353时进行的厌氧消化工艺。（5）高温消化污泥在温度为53330进行的厌氧消化工艺。（6）污泥浓缩采用重力或气浮法降低污泥含水量，使污泥稠化的过程。（7）污泥淘洗改善污泥脱水性能的一种污泥预处理方法。用清水或废水淘洗污泥，降低消化污泥碱度，节省污泥处理投药量，提高污泥过滤脱水效率。（8）污泥脱水对浓缩污泥进一步去除一部分含水量的过程，一般指机械脱水。（9）污泥真空过滤利用真空使过滤介质一侧减压，造成介质两侧压差，将污泥水强制滤过介质的污泥脱水方法。（10）污泥压滤采用正压过滤，使污泥水强制滤过介质的污泥脱水方法。（11）污泥干化通过渗滤或蒸发等作用，从污泥中去除大部分含水量的过程，一般指采用污泥干化场（床）等自蒸发设施或采用蒸汽、烟气、热油等热源的干化设施。（12）污泥焚烧污泥处置的一种工艺，它利用焚烧炉将脱水污泥加温干燥，再用高温氧化污泥中的有机物，使污泥成为少量灰烬。鉴于污泥处理操作的复杂性，我们有必要设计一种污泥处理船，使其能在很深的污泥中行走，从而对污泥进行处理以及进行更深入的科学研究工作。但是使污泥处理船在水和污泥混合物中行走是一件非常复杂和麻烦的事情，所以我们非常有必要对实现这种功能的船进行设计研究。目前，国外对这种船的研究还是比较先进的，而国内对它研究还是相对落后的。在国外的研究中，船体的行进都是不连续的，将来会向平稳运动发展。这将是一个非常实用的研究。集成块是静压作用的零件，靠液压油静压力使机械运动，这是与其它设备的基本不同点。最突出的特点是更容易获得大的压力。集成块是靠冲击力打击锻造出来的，因而会产生较强的密度。为了提高打击效率和减轻振动，需要有很大的钢座和良好的地基，因而锻锤不可能造得很大。集成块是靠液压油机构传递能量，由于受到液压油的限制，一般只造到500以下。集成块利用静压力工作，不需要大的钢座和坚实的地基。由于采用了液压传动，其动力设备可以与主机分开安置，可以适当加大柱塞的直径或采用多缸联合工作的方式来获得大的工作压力。目前大型集成块已达到500以上。集成块容易获得大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作压力；在工作行程的任意位置都可以回程。机械传动的压力机的滑块行程是不变的，并且只能在滑块下止点前较小的行程内产生标称压力。而且必须在下止点后才能回程，如果过载将会发生炯车现象，导致损坏。液压机则与其相反，所以液压机对要求工作行程较长而且变形力均匀的工艺十分适应。容易获得大的工作空间。集成块本体没有庞大的机械传动机构，其液压缸可根据操作的要求来布置，因而可以容易地获得较大的工作空间。工作压力可以调整，可以实现保压，并可防止过载。例如，有个工作缸的液压机可以很容易地获得三级不同的工作压力。将高压液体通人中间工作缸得到第一级压力；通入两侧工缸得到第二级压力；个工缸同时通入高压液体就得到第三级压力。油路板可以作长时间的保压翩伏系统有调压装置，可以根据要求来调整液体的压力。它的安全装置，能可靠地防止过载。调速方便。通过调整通人工作缸液体的流量，可以实现各种行程速度。例如，实现空程下降和回程时高速，工作行程时慢速，而且这种调速是无级的。液压机结构简单，操作方便。油路板的本体结构很简单，而且容易制造。特别是中、小型的液压机，由于液压元件的标准化、系列化和通用化程度的提高，使其设计与制造更为简便，成本降低。液压机还易于实现自动控制和遥控。油路板工作平稳。撞击、振动和噪声都较小，有利于改善工人的劳动强度和工作条件。缺点是油路板采用液体作为工作介质，因而对液压元件的精度和密封条件要求较高。另外，不可避免的泄漏会带来环境的污染。液压系统集成块的设计对整个污泥处理船来说是一个很重要的环节，在设计的时候必须要以一个严谨的态度对待，设计一个好的液压油路块可以大大提高污泥处理船的工作效率和使用寿命。1绪论11论文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来越高。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；若采用液压油路块（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。在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的分析，明确主机对液压系统提出的要求，具体包括以下方面1主机的用途、主要结构、总体布局，主机对液压执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制；2主机的工作循环，液压执行元件的运动方式（移动、转动或摆动）及其工作范围；3液压执行元件的负载和运动速度的大小及其变化范围；4主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求；5对液压系统工作性能（如工作平稳性、转换精度等）、工作效率、自动化程度等方面的要求；6液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质、环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等；7其他方面的要求，如液压装置在重量、外形尺寸、经济性等方面的规定或限制。如图11所示，液压油路块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，实现系统控制要求。液压系统使用油路块有如下几点好处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间内实现更多功能。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。图11液压油路块总结上述特点可知，液压油路块具有结构紧凑、安装维护方便、泄漏少、占地面积小、易于实现标准化等优点，因此在船舶液压系统中应用是非常有必要的，也是末来船舶液压系统发展的趋势。由于船舶液压系统组成并没有标准的模式以及各个零件之间相互连通关系具有多样性，这样油路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网络，设计起来既费时又费力而且容易出错。在生产中，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。元件布局方案与孔系网络连通要求一起成为孔道设汁的起始条件。元件间通过内部孔道连通，如果无法直接连通则需要设置工艺孔。船舶液压系统的集成块块体上的孔数可能达几十乃至上百个，且多呈纵横交错的行式，如果存在干涉，必需将处于同一阀组上的孔组做整体移动，因此常常出现移动了一个元件，另一个元件也产生错误的情况。同时，设计时还必须满足非连通孔道间安全壁厚等要求。这些问题导致传统的人工布局、孔道连通及校核异常困难，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目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间和精力就会导致设计生产过程工作效率低下，因此亟待采取有效的计算机辅助方法来准确而快捷地解决集成块安装布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。12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CAD、CAM的工作较早，从70年代就开始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80年代开始研究将CAD、CAM技术应用于液压技术领域，但公开推出的软件并不多，尤其是液压集成块设计的软件比较少。国内从80年代开始研究液压集成块CAD技术，90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。121国外研究现状国外从20世纪70年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元的辅助设计工作，迄今开发出的各类液压CAD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DFG研究计划开发了液压集成块专用CAD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、孔道干涉能校验、最小壁厚计算等。德国亚深工业大学研制的在ATMCLASSICMODEL7870计算机上用于设计液压控制阀块的程序包HYKON。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。英国巴斯大学借鉴印刷电路板和集成电路的设计思想在PDPIL23计算机上研制了VOLE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。势兰坦佩雷理工大学在HPIOOOA700小型机上借助于AGP三维图形软件开发出用于插装阀块设计的KYBLO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，还具有孔表信息输出、刀具选择和刀具轨迹定义及NC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。法国GRCNOBLE机械学院的CHAMBON和TOLLENACRE将人工智能和CAD技术相结合来解决集成块的元件布局和孔道设计问题。以色列理工学院研制的CADSS4X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EATONCORP、PARKERHANNIFINCORP、VESTINC、MOOGLTD、加拿大APOLLOMACHINERYLTD、意大利ATOS公司、德国BOSCHREXROTHCORP等，也广泛开展了液压集成块CADCAM技术的研究与应用。其中在专用设计软件开发方面比较突出的有VEST公司、EATON公司等。VEST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SOTOOLSSCHEMATICDESIGNTOOLS和HYDRAWHYDRAULICCIRCUITDESIGN软件应用“快捷目录”技术方便准确地绘制液压原理图ADTOOLSASSEMBLYDESIGNTOOLS是一个ZD装配绘图软件在AUTOCAD上开发的MDTOOLSMANIFOLDDESIGNTOOLS软件基于嵌入式规则进行孔道连通和校核；从TOOLSAUTOMATEDASSEMBLYTOOLS软件根据原理图和集成块设计信息动态生成3D装配图以及2D正交视图。EATON公司开发的VICKERSLIBRARYOFSICVSCREWINCARTRIDGEVALVE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AUTOCAD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NC代码相连接，具有CADCAM一体化特征。122国内研究现状国内液压CAD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。澳门大学的WONGPK和香港理工大学的CHUCNCW等运用面向对象方法构造集成块模型并采用特征技术来组织和管理集成块CADCAPPCAM产品信息，可以方便地定义和修改元件与回路在AUTOCAD上开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。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室于1989年研制成功插装阀液压系统设计FPTCCADS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CAD软件VBCAD，并给出“两步校核”的孔道干涉检查算法。上海交通大学于1986年开始研究插装阀CAD软件，编写了校核插装阀孔道的程序；90年代相继在工作站和PC机上开发出面向插装阀的CVCAD软件；1997年在AUTOCAD上二次开发出面向集成块的HMBCAD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1987年开发了HYSSD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CADCAM系统HCAD的开发，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。安徽工学院采用人工智能原理用宏USP语言开发的液压集成块孔道设计专家系统HIBD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HGMC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CADCAM的信息编码设计。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开展液压CAD研究开发的单位之一，于1990年开发出了面向集成式液压系统的YCADJ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MBCADAM和面向插装阀块CVCADAM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CADCAM集成系统的开发与研究提供了一个统一的信息模型。总结了液压集成块设计特点，提出液压集成块CAD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。13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，在船舶液压系统中使用液压集成块可以有效的克服传统船舶液压系统连接、安装的主要缺点，对于提高船舶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时，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。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，使船舶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。14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。15本文研究的主要内容本课题主要涉及船舶集成块外部布局设计、内部孔道设计、孔道校核、虚拟设计等内容。（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。2污泥处理船液压集成块设计总体框架21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。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。22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。23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。24主要技术参数的确定污泥处理船的液压系统主要技术参数（1）大缸系统压力与流量的计算已知液压缸的无杆腔直径为80MM，受力大小为80KN，效率取。950CM则压强MPAAFCM816950482液压缸速度取根据对应流量、有无对应阀及船体运动速度估计得出，此时船体速度5M/MIN10M/MIN，则流量MIN1630016402LSVQ（2）分流集流阀选择压力，流量，根据压力、流量要MPA816I22Q求，选择3FJLZL20130H型分流集流阀。（3）液控单向阀选型由流量、压力要求，单个液控单向阀的流量Q2Q6032L/MIN,压力P168MPA，选择SV10GB330B型液控单向阀。4液控单向阀3选型由于回油路上的压力接近于0，故可不考虑压力因素。流量MIN/71903164421LLQAQ其中A1，A2分别为液压缸有杆腔和无杆腔面积，速度比。12A根据压力、流量，选择SV10PB330B型液控单向阀。5二位三通电磁阀选型由流量、压力要求，单个二位三通电磁换向阀的流量Q2Q6032L/MIN,压力P168MPA,选择3WE10A20B/AG24K4型二位三通电磁阀。6分流集流阀压力P168MPA，流量，同样选择3FJLZMIN/64120342LQL20130H型分流集流阀。7三位四通电磁换向阀选型由压力、流量要求，三位四通阀的压力为P168MPA，流量Q4Q12064L/MIN。选择4WE10J31B/CG24NZ4型换向阀。该阀主要由阀体（1）、一个或两个电磁铁（2）、阀芯（3）及一个或两个复位弹簧（4）组成。当电磁铁未通电时，阀芯（3）被复位弹簧（4）保持在中位或起始位置（脉冲式除外）。阀芯（3）的动作有湿式电磁铁（2）实现。当电磁铁（2）通电时，电磁铁的力经推杆（5）作用在阀芯（3）上，将其由静止位置推到所需的位置。使液流由P到A和B到T或由P到A到T通。当电磁铁断电时，阀芯（3）被复位弹簧（4）推回到原始位置，此时可以推动按钮（6）使阀芯运动。（8）小缸系统压力与流量计算已知小液压缸的无杆腔直径为63MM，受力大小为4988KN，效率取则压强为；24980168553PMPA同理可以计算出小液压缸的最大流量23031070/186942/MINQAVMSL（9）分流集流阀压力，流量，根据压力、流量要求，同时，考虑到分流集流阀的规格统一，均选择3FJLZL20130H型分流集流阀。（10）二位三通电磁阀选型由于小缸流量压力，流量均比大缸小，故可选择与大缸回路一样的二位三通电磁阀，即选择3WE10A20B/AG24K4型二位三通电磁阀。（11）三位四通电磁阀选型由压力、流量要求，三位四通阀的压力为，流量，选择4WE10Y31B/CG24NZ4型换向阀。（12）溢流阀选型已知回路压力，最大流量，选择DBDH10G15B/NG10型溢流阀。25编制系统原理图液压系统原理图是用液压元件职能符号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1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。2增设安全设施装置，确保设备和操作者的人身安全。3工作介质的净化必须引起重视。4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。5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。6尽量选择标准元件和定型的液压装置。遵循这样的原则，设计的液压系统原理图如图21图21污泥处理船8联同步马达液压原理图1空气滤清器；2吸油滤清器；3液位计；4温度计；5风冷器；6单向阀；7柴油机；8联轴器；9变量泵；10压力管路滤油器；11卸荷阀；12测压软管；13压力表开关；14压力表；15蓄能器；16逻辑阀；17调速阀；18节流阀；19同步马达；20两位四通电磁阀；21三位四通电磁阀；22平衡阀组；23大液压缸；24小液压缸本系统是闭式系统。主泵9为恒功率单向变量泵，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节流阀18进行回油节流及锁紧、调速阀17进行回油调速。系统最大压力由逻辑阀16限定。主泵经卸荷阀11卸荷。泵9经滤洗油滤清器2和单向阀6向系统低压边补充冷油；低压边的热油经卸荷阀11、单向阀6卸流回油箱。泵9的工作压力，也即系统的工作的背压，由卸荷阀11调定。风冷器5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9供应高压液压油，由两位四通电磁阀20进行换向、回油节流调速及锁紧，控制液压马达的转速转向，从而带动液压缸工作。系统最大压力由卸荷阀11限定，主泵经阀11卸荷。系统为补偿油液的漏泄，必须从低压侧补油，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。3液压系统油路块在PRO_E中的三维造型31油路块所需元件的三维造型油路图和电路图是相似的，弄清楚系统中液压油的流向和各个阀的结构，算出符合要求的最小孔径，就能准确的画出符合要求的油路块。依据系统的原理图，需要完成三个油路块的三维建模，但在系统原理图中左右两部分的结构是相同的，所以实际上只需要完成两个油路块的三维建模。以下左右两部分相同的油路块成为油路块1，系统原理图下面部分的油路块成为油路块2。311油路块1的三维造型绘制油路块1，图31为油路块1的立体图。图31油路块1的立体图312油路块2的三维造型绘制油路块2，图32为油路块2的立体图。图32油路块2的立体图313螺母的三维造型绘制六角螺母，图33为六角螺母的立体图。图33六角螺母的立体图32装配插入油路块1，位置缺省，然后插入六角螺母，约束类型选自动，约束螺母下端平面与所需装配的平面在同一平面，然后约束螺母和所需装配的螺纹孔的中心线对齐即可，重复以上操作，知道装配完所有的螺纹孔。装配完毕如图34所示图34油路块1装配插入油路块2，位置缺省，然后插入六角螺母，约束类型选自动，约束螺母下端平面与所需装配的平面在同一平面，然后约束螺母和所需装配的螺纹孔的中心线对齐即可，重复以上操作，知道装配完所有的螺纹孔。装配完毕如图35所示图34油路块1装配4油路块的制造工艺41选材首先要考虑选材，选材应考虑材料的力学性能，根据材料的工作条件，分析计算出或测定出材料力学性能，这是选用材料的基本出发点。零件的工作条件是复杂的，为了便于分析，可将它分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面来考虑。对于新设计的重要零件，还应进行失效分析，以确定失效的主要抗力指标。根据该指标，再选择相符合的材料。选材过程中还应考虑材料的工艺性能、经济性、以及产品的“轻型化、高寿命”等。从机械零件设计和制造的一般程序来看,先是按照零件工作条件的要求来选择材料,然后根据所选材料的机械性能和工艺性能来确定零件的结构形状和尺寸。在着手制造零件时,也要按所用的材料来制订加工工艺方案。比如选用的材料是铸铁,就只能用铸造方法去生产了。机械零件选材时,主要是考虑零件的工作条件、材料的工艺性能和产品的成本。现将有关选材的一些基本原则分述如下选用的材料要满足零件工作条件的要求。零件的工作条件是各种各样的,例如受力状态就有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等载荷性质也有静载、冲击、交变的不同工作温度则有室温、高温、低温之分环境介质亦有酸的、碱的、海水以及使用润滑剂等的不同。从上列的工作条件来看,受力状态和载荷性质是反映机械性能的工作温度和环境介质则属使用环境的材料的机械性能指标也是各种各样的。如屈服极限、强度极限、疲劳极限等是反映材料强度的指标延伸率、断面收缩率等是反映材料塑性的指标冲击韧性、断裂韧性等则是反映材料韧性的指标。由于选材的基本出发点是要满足零件的强度要求,所以各种强度指标通常都直接用于零件断面尺寸的设计计算。材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。零件因其生产方法的不同,将直接影响其质量和生产成本。金属材料的基本加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等。对于油路块的选材，油路块中油道所受应力都均匀的分布在孔壁的整个截面上。在这些应力作用下，油道的损坏形式主要是疲劳破坏。在制造的行业中油路块的材料选择较多，如45钢、40CR、40CRNI、40MNB钢等。实践证明，40CR钢能达到各项技术性能指标，是制作油路块较为理想的材料，对于油路块，其一般加工路线为下料模锻成形正火粗加工调质精加工。42加工工艺图41当要在已经选好材的金属块中加工一条如图41的所示的油路时，其进油口在图中1处，出油口在图中2处，由于图中的油路是一条曲线，所以在金属块中很难加工出如图41所示的油道，所以必须另寻它法。图42解决方案如图42所示，不改变进油口和出油口的位置，油道全部选用直线，这样加工起来就变得非常简单，用钻孔的工具就能解决问题，大大解决了加工难度，油道1和油道2连接的竖直部分的油道由于在金属块中，不好加工，所以需要从金属块的上端面上打孔使其和油道1连通，再在孔道3处加工螺纹，再用与其相配的螺母堵住孔道3处。这样液压油就会从进油口1处流向出油口2处，不仅满足要求而且加工简单。5强度校核51有限元分析概述有限元法是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算过程，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想求解物理过程。首先，将物体或求解域离散为有限个互不重叠仅通过节点相互连接的子域（单元），原始边界条件也被转化为节点上的边界条件，此过程常称为离散化。其次，在每个单元内，选择一种简单近似函数来分片逼近未知的单元内位移分布规律，即分片近似，并按弹性理论中的能量原理建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种关系式集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个节点的位移。这是有限元法的创意和精华所在。有限元法经过几十年的发展之后，目前成为一种很普遍的数值计算方法，其特点表现如下（1）理论基础比较简单，物理概念很清晰。（2）计算方法通用，应用范围较广泛。（3）可以处理任意复杂边界的结构。（4）计算格式规范，易于程序化。52限元法的基本步骤（1）结构离散化（2）单元分析（3）整体分析53弹性力学基本变量在弹性力学中常涉及4个基本物理量外力、应力、应变和位移。作用在物体上的外力分为体积力和表面力，分别简称为体力和面力。应力是弹性体内某一点作用于某截面单位面积上的内力，它反映了内力在截面上的分布密度。对于应力，与物体的变形及材料强度直接相关的是应力在作用截面的法向与切向的分量，也就是正应力和剪应力，如图41所示。显然，在物体内同一点P的不同截面上的应力是不同的。如图42所示为物体中所取出的微小的平行六面体。把每个侧面应力分解，其中，垂直的应力为正应力，用表示，平行于微元体表面的应力为剪应力，用表示。XY表示法线为X轴的平面上，剪应力方向与Y轴平行的应力。图51应力概念图52应力分量根据剪应力互等原理，微元体剪应力存在如下关系XYYXYZZYXZZX这样，在任意点的应力只有6个独立应力分量。应力的矩阵形式为（51）ZXYXZYXZXYZYX称为应力矩阵或应力向量。一般来说，应力分量不是常量，而是坐标X，Y，Z的函数。当微元体变形时，三个棱边的长度和它们之间的角度都会发生变化，其变化分别称为正应变和剪应变。正应变用表示，X表示X方向的正应变，XX/A,如图53所示。剪应变如图54所示。图53正应变图54剪应变弹性体内任意一点的应变，可以由6个应变分量X，Y，Z，XY，XZ，YZ来表示。应变的矩阵形式为ZXYXZYXZXYZYX称为应变矩阵或应变向量。而位移的矩阵形式为WU（52）一般而论，弹性体内任意一点的体力向量、面力向量、应力向量、应变向量和位移向量，都是随该点的位置变化而变化的，是位置坐标的函数。54弹性力学基本方程弹性力学基本方程描述弹性体内任一点应力、应变、位移和外力之间的相互关系，它包括几何方程、平衡方程、物理方程3类。（1）几何方程对于空间上的问题，应变分量与位移分量之间的几何关系可以表示为ZUXWYZYXUZYX（53）上式说明空间一点的6个应变分量可用该点的3个位移分量来表示，当物体的位移分量完全确定时，那么，可求出相应的应变分量，而反过来却并不如此，这是因为物体产生位移有两个原因，一是受力变形引起的位置变化，二是刚体运动产生的位置变化，称为刚体位移。刚体运动是与变形无关的位移，有位移并不一定有变形，由此可知，虽然物体的变形已知，那么它可能存在各种刚性位移，所以不能由应变分量确定位移分量。（2）物理方程物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系，对于完全弹性体的各向同性体，它们为广义胡克定律。ZXYXYZZXYYX11G（54）式中，E为弹性模量，G为剪切弹性模量，为泊松比。这3个弹性常熟之间的关系为G12E（55）以上的物理方程用应力分量表示应变分量。在有限元分析中，常常需要用应变分量表示应力分量，则可直接由上式得到，并记为矩阵形式ZXYZYXZXYZYX1200012001121E简记为D（56）式中，D称为弹性矩阵，由材料弹性模量E和泊松比确定，与坐标位置无关。（3）平衡方程当物体在外力作用下静止或等速直线运动时，则物体处于平衡状态。弹性内任一点满足平衡方程，在给定表面力的边界上满足应力边界条件。体积力一般用单位体积上的力在3个坐标轴方向上的投影PX，PY，PZ表示，根据平衡条件得如下方程0ZYXZZYXYXP（57）平衡方程是弹性体内任