液压虚拟实验系统设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-PAGEII--PAGEII-液压虚拟实验系统设计摘要液压传动课程的重点和难点之一是液压元件结构组成及工作原理,掌握这部分内容是阅读和设计液压回路及液压系统的基础。但是由于学生缺乏实践经验,对复杂元件的结构很难弄懂,其工作原理也不容易理解。针对这一教学难点,为了化难为易,利用三维动画技术制作了“液压虚拟实验系统”。采用三维动画对常用液压元件的结构形状、元件组装和工作原理进行仿真演示,增加了立体感和真实感,使复杂的教学内容变得简单、直观,从而使课堂教学生动活泼,学生理解快,掌握牢固,激发了学生的学习兴趣,增强了学习的积极性和主动性,从而提高了教学质量。在液压元件三维实体造型及动画制作过程中,选择合理的工具软件是开发液压多媒体元件库的基础,。本课题使用PRO/E软件进行液压元件三维实体造型及三维组装，并采用Flash辅助实现液压元件三维动画装配及回路动画制作及建立三维图库的开发过程。PRO/E软件是当前主流的三维软件之一，其严格的造型标准和灵活的修改变换功能对于本课题所需的动态仿真装配等三维制作大有裨益，而二维制作上采用的Flash和AutoCAD软件，分别作为动态表达和工程上的优秀软件，也是本课题必不可少的工具.本文介绍了液压虚拟实验系统从二维制作到三维制作的各个步骤，力求系统完善，表达清晰。关键词液压传动；虚拟实验;三维建模;仿真VirtualexperimentsystemofhydraulicdesignAbstractThestructureandworkingprincipleofthehydrauliccomponentsisoneoftheimportantanddifficultofHydraulictransmissioncourse，masterthispartofcontentisreadanddesignthebasisofhydrauliccircuitandhydraulicsystem.Butbecausethestudentslackofpracticalexperience，itishardtounderstandaboutthestructureofcomplexcomponents,itsworkingprincipleisnoteasytounderstand.Accordingtotheteachingdifficult，tochangedahardjob

toeasy.Usingthethreedimensionalanimationtechnologytomakethehydraulicvirtualexperimentsystem，usingthethreedimensionalanimationshapeofthestructureofthecommonlyusedhydrauliccomponents，componentsassemblyandworkingprincipleofthesimulationdemonstration，increasedthestereofeelingandsenseofreality，maketheteachingcontentofcomplextobesimple，andthusmakealivelyclassroomteaching，studentsunderstandfast，graspfirmly，stimulatedthestudents'interestinlearning，toenhancethelearningenthusiasmandinitiative，soastoimprovetheteachingquality.Intheprocessof3dentitymodelingandanimationofhydrauliccomponents，choosereasonabletoolsoftwareisthebaseofthedevelopmentofhydrauliccomponentlibrarymultimedia.ThistopicusingPRO/Esoftwareforhydraulicelement3dentitymodelingand3dassembly，andusingFlashauxiliaryhydrauliccomponentsassemblyandcircuitofanimationand3danimationsetup3dgallerydevelopmentprocess.PRO/Esoftwareisoneofthecurrentmainstreamof3dsoftware，themodellingofitsstrictstandardandflexiblemodificationtransformationfunctionsforthistopicwillbegreathelp，suchasthree-dimensionaldynamicsimulationoftheassemblyproduction，and2dusedonmakingFlashandAutoCADsoftware，respectively，asadynamicexpressionandgoodsoftwareengineering，isalsothenecessarytoolsforthistopic.Thispaperintroducesthevariousstepsofthehydraulicvirtualexperimentsystemfrom2dto3dmakesystemperfectandclear.Keywordshydraulictransmission;virtuallaboratory;3D

modeling;simulationPAGEII---PAGEIV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.2虚拟仿真技术在教学中的应用现状 11.2.1在教学中采用仿真教学的优势 21.3总体方案 4第2章液压元件的设计计算及二维建模 52.1柱塞泵的设计校核过程： 52.2柱塞泵的二维建模 242.2.1柱塞泵零部件建模 242.2.2柱塞泵装配图 252.3其它液压元件的二维建模 25第3章三维建模 313.1柱塞泵三维模型的建立及仿真 313.1.1柱塞泵三维模型的建立 313.1.2装配过程 323.1.3装配体的动态仿真 343.2其他元件的三维建模 35第4章Flash板块的设计 374.1保压回路flash的制作 374.2其它回路制作 42结论 44致谢 45参考文献 46附录A 47附录B 51-PAGE10--PAGE41-绪论课题背景及意义在现在的液压传动课程教学中有些内容学生不易直观理解，如果学生仅能看到元件的外部特征而无法看清其内部结构，更无法体会液压元件的工作原理、动作过程以及元件内油液的流动情况，对于一些液压元件，要更有效和更灵活地展示其零部件构造以及装配与拆卸效果等内容，应用三维动画模拟是行之有效的办法。本课题使用PRO/E软件进行液压元件三维实体造型及三维组装，采用Flash辅助实现液压元件三维动画装配及回路动画制作建立三维图库的开发过程。通过对液压传动课程中难以理解的内容给予直观展示及动态模拟，把以往的静止液压元件及回路动态化和立体化，有利于更加直观的了解其内部结构，展现液压元件及回路实际的工作过程和工作原理。应用液压元件及回路三维动画模拟进行液压传动课程课堂教学与实验教学可降低学习难度，增强学习趣味性和科学性，提高学生的学习效率和效果。其实仿真教学，就是利用实物或电脑创设各种虚拟模型来模拟真实物体，并根据真实环境中实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行等的教学方式。虚拟仿真技术在教学中的应用现状目前在各类教学中广泛使用仿真教学，而且多数仿真教学利用电脑技术来完成。随着计算机软硬件技术的发展，仿真技术逐渐发展起来，计算机仿真技术被广泛应用于科学研究、工业、交通、军事、教学、医疗等众多领域之中。与仿真技术同步发展的是虚拟现实（VirtualReality，VR）技术，它已经成为当今计算机世界最热门的一个词汇，虚拟现实技术有人也称为“灵境技术”，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的通过视觉、听觉、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真。研究虚拟现实技术，需要包括计算机图形学、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等，这些技术都是信息技术的分支。虚拟现实是计算机生成的具有身临其境感觉的环境，这是一种全新的人机交互系统，他对使用者产生各种感官刺激，如视觉、听觉、触觉、嗅觉，使人有一种身临其境的感觉，人能以自然的方式与计算机生成的环境进行交互操作，因此它强调人的亲身体验，要求所生成的环境是可信的，与人对真实环境的理解是一致的。在VR技术领域中，身上的全部服装和头盔等均靠电子技术来武装。其中很多都开始变成现实，虚拟现实技术已从各个方面延伸和拓展了它的含义。在未来的虚拟现实系统中，人们的目的是使这个有计算机及其他传感器组成的信息处理系统尽量去满足人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些计算机系统。仿真技术应用于教学中，是仿真技术发展应用的一个重要方面。目前计算机软硬件技术的快速发展，使得仿真技术的快速发展成为可能，建构主义学习理论在现代教学中的广泛使用，也促进了仿真技术在教学中的快速发展。现在，各个学科的教学都有相关的仿真教学软件和实验室，如电子电力类教学有电子仿真软件electronicsworkbench(EWB)和Multisim2001等软件、医学教学有多种医学教学仿真实验室和软件、自动控制类仿真有最先进的自控软件设计工具ControlBuild、化工类也有大量的仿真软件（象北京东方仿真控制技术有限公司开发的化工原理仿真实验系统）、PLC教学的PLC仿真系统、还有食品工程原理仿真系统、给排水工程仿真系统、物流系统教学有AUTOSIMULATION公司的比较成熟的三维物流仿真软件AUTOMODAUTOMOD、制造仿真有Prosolvia软件、数控机床教学有广州超软公司的cvm软件、甚至是财经类专业也有很多仿真软件，比如仿真股票交易、仿真期货交易等。可以说仿真软件举不胜举，而且随着计算机技术和软件水平的不断提高，各类仿真软件不断的升级更新，更加智能化、真实化的软件不断涌现。当然，目前教学中应用的多数仿真软件对于身临其境的环境虚拟技术应用的并不多，主要注重技术环境的仿真，或者说并没有太多的注重真实环境的感性仿真，比如视觉、听觉、触觉、嗅觉的虚拟。注重的技术环境的仿真，也是一种理性的仿真，将实际技术中的各种参数、运行情况用计算机技术模拟出来。在教学中采用仿真教学的优势在教学中广泛使用仿真技术，是随着计算机性能的提升和计算机及网络应用的普及而使建构主义教学思想在教学中得以应用的体现。1.节约成本，占地少，小投资高回报使用仿真教学，设备投入少，只需要建设机房，投入计算机和购买软件，这个投入相对于购买实物设备来说，是非常低廉的。并且，设备的利用率很高，各个专业都可以使用，不同的是各个专业应用的软件不同。2.维护简单，更新方便实物仪器设备维护成本高，报废快，更新时造成大量的浪费，而仿真教学只需要维护计算机和软件，这个难度和费用都是很低的。在更新时，多数是更新软件，一般公司都会提供软件升级功能，这个更新成本极低，甚至为0。3.使用灵活，利于学生自主学习不论实物仪器设备有多么笨重，采用仿真教学，都可以把它装在电脑里，可以装在笔记本电脑中随时带到任何一个地方，因此使用起来很灵活。并且，在学校安排学生实验或实训时，也很方便，教师上课演示也达到了前所未有的便利。同时，学生在课余时间可以根据自己的情况进行自主的实验或探索学习，也方便学生在任何场合进行协作学习，对提高学生学习积极性和学习效果具有不可忽视的作用。4.资源丰富，网络提供各种素材资源很多仿真软件公司在销售软件之后，有相关的售后服务，提供各种教学素材，有利于软件功能的扩充，丰富教学内容和提高教学效率。比如北京东方仿真控制技术有限公司提供的仿真软件网站里就有很多学科的仿真软件和部分课程的单项实验的仿真，并且提供了很多的教学素材，这些素材还在不断的丰富之中。5.适用面广，提高设备利用效率有些仿真软件是综合多个相关学科的功能与一身，一个软件可以适用于多个学科来使用，比如FLOTHERM软件采用先进的有限体积法求解器，可以在三维结构模型中全面分析电子系统的热辐射、热传导、热对流以及流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量等。FLOTHERM软件可以应用在通信行业、计算机、半导体/集成电路/元器件、航空航天、国防电子、电力与能源、汽车电子、仪器仪表、消费电子。6.提高学习效率在使用仿真软件后，原先需要很长时间才能做好的事情，可以在短时间内高效的完成，比如电路图的连接，在实际操作中不论是用面包板插元件连接还是焊锡焊接，效率都不高，在电脑中，只需用鼠标轻点需要连接的对象即可，大大提高效率。而且在仪器仪表的使用上，仿真软件直观的获得测量的结果，而在实物试验中，要调整、校对、读数，占用大量时间。在一般的仿真软件中，会提供技术参数或文档生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大节约了文字输入的时间。7.提高实验安全职校的专业课程教学中，有时候需要进行破坏性实验或模拟故障实验，例如电子电器中的极限电压实验、电子制作完成后加电实验、电器故障模拟实验等。这些实验有些将破坏实习件，有些具有安全隐患。这时候，我们采用计算机系统配合仿真软件进行演示实验和观察，无疑将带来很大的方便。8.选择灵活由于目前相近功能的软件很多，所以在选择时很灵活，可选方案很多，比如数控机床教学，除了广州超软公司的cvm系统，还有FANUC系统、SINUMERIK系统、MITSUBISHI系统、华中数控HNC系统、广州数控GSK系统、北京凯恩蒂KND系统、大连大森DASEN系统等等。9.发展前景广阔由于计算机软、硬件技术的飞速发展，开发仿真软件的公司和个人越来越多，技术水平也越来越高，将会有越来越好的仿真软件和仿真实验设备出现。像清华同方电子公司，致力于推动国内仿真技术的发展，成功开发了具有完全知识版权的分布式仿真支撑总体方案对于整个液压虚拟试验系统，我主要通过三个步骤来将其构建完成，二维建模构成了整个方案的基础。三维建模则是整个方案的关键，决定着最后的模拟仿真效果。最后用flash动画进行液压回路的模拟，构建出系统的所有元素。（如图1-1所示系统总体方案图）液压虚拟实验系统液压虚拟实验系统二维建模三维建模回路模拟对典型液压元件进行选型、相似性设计和逆设计虚拟仿真，动态展示液压元件的结构和工作原理以动画形式展示液压回路的工作过程和工作原理图1-1系统总体方案液压元件的设计计算及二维建模对于液压虚拟实验系统中液压件的建模仿真，因为除去液压缸外，液压泵及各种方向、流量、压力控制阀等，都必须严格遵循国家标准对于制造安装的各种尺寸要求，而且现在国内的各种常用液压元件均已标准化系列化生产，但其生产图纸均属于公司机密，因此本课题需要结合各元件尺寸要求和工作性能要求，对现有标准件进行相似性设计和逆向设计。如表2-1所示本课题所选取元件的型号：表2-1液压泵柱塞泵ZBSV40叶片泵YBP-40jb阀门换向阀34DY-B10H溢流阀YF-L10C减压阀JF-L28C节流阀LF-L20C液压缸单向液压缸双向液压缸以柱塞泵为例，根据其转数，排量，压力等参数，计算出内部转动缸体、活塞、斜盘等尺寸结合其外部尺寸，进行双向设计，定下其零件尺寸、精度及配合关系等。柱塞泵的设计校核过程：柱塞泵型号：ZBSV40主参数及结构参数计算给定设计参数理论排量qt=40ml/r,额定工作压力P=21MPa,最大工作压力Pmax=28MPa,额定转速n=1500r/min,最大转速nmax=2500r/min,额定流量Q=60l/min,最大流量Qmax=100l/min,变量方式为自供油压，手动随动,重量35kg（北京起重机厂）。计算主参数排量q[ml/r]式中：—油泵的容积效率，计算时一般取0.92~0.97。（此处取0.95）为了避免气蚀现象，在计算q值后，需按下式作校核计算：式中：Cp—常数，对进口无预压力的油泵Cp=540；对进口为0.5MPa进口压力的油泵Cp=910。ZB系列油泵（除ZB227）外在1500r/min以下运转，允许自吸，但吸油真空度不应大于125mm。这样使用会降低容积效率5%左右，并影响使用寿命，一般不推荐这种使用方法。因此，推荐采用辅助泵供油，供油压力为0.7MPa左右。在开式系统中，供油量约为系统流量的130%；在闭式系统中供油量为系统流量的35%。（液压油30号机械油）此处Cp取540计算.原式=521.817<Cp(3)确定结构参数1）斜盘的最大倾角βmax通常βmax在15˚~20˚范围内。在通轴式油泵中受到结构的限制一般取下限，而非通轴式油泵则取上限。本处取上限βmax=20˚2）柱塞数z由泵的结构与流量脉动率δ来决定z在，通常取z=7、9、11。从结构上考虑，非通轴式油泵一般取7，而通轴式一般取9。此处取z=7.3）柱塞直径d和柱塞分布半径R从下列排量公式可得d和R的关系式（柱塞缸孔分布如图2-1所示）取其分布关系：解以上两式方程组可得d和R：图2-1柱塞缸孔分布当z=7时，求出的d和R在最后求得：d=18.9,R=29.2。圆整为：d=19mm，R=30mm。4）柱塞行程:运动学分析（1）运动规律当油泵工作时，柱塞和滑履作两个运动，一个是相对于缸体作往复运动，另一个是与缸体一起旋转的牵连运动，而这两个运动的合成使柱塞头的中心亦即滑履球窝中心的运动轨迹是一个椭圆。除此之外，柱塞和滑履还可能有由于摩擦而产生的相对于缸体绕其自身轴线的旋转，这对于均匀磨损和润滑是有利的。图2-2柱塞运动分析图如图2-2所示，柱塞的运动路线是一个椭圆，因此：式中——转角=。位移S、速度v、加速度a的变化图形如图所示图2-3柱塞运动特性图滑履在斜盘平面上的运动规律如图2-3所示。滑履球窝中心B的运动轨迹是一个椭圆如图2-4所示，其参数方程为：图2-4滑履运动规律分析图当=90°时x=Rsin90°=30mm(椭圆短半轴)当=0°时mm(椭圆长半轴)(2)流量及流量脉动脉动率δ流量Q的计算：当油泵有z=7个柱塞，柱塞间的角距时，如令q1、q2、q3、······qi分别为各拍油柱塞的瞬间理论流量[ml/min]，v1、v2、v3、······vi分别为各柱塞的相对缸体的速度[mm/s],则所以油泵总的瞬时理论流量Qt为：当时取；当时取。Qt是以为周期变化的，其每秒脉动频率为，七缸柱塞泵的流量脉动图形如图所示，图中4与3表示同时工作的柱塞数。图2-5流量脉动示意图当时Qt为最小值，即。而当时Qt为最大值，即油泵的平均流量Qtavg可按下式计算：2）脉动率δ的计算当z为奇数时，，当z为偶数时，。当z=7时，=2.53%受力分析与强度计算柱塞与滑履柱塞的受力分析：图2-6柱塞受力图如图2-6所示，应选定下列主要参数：h——柱塞行程[mm]lmin——柱塞最小外伸长度[mm]l0——柱塞最小接触长度[mm]l——柱塞名义长度[mm]h值在结构计算中已确定，一般在h=（1~1.5）d范围内，而lmin及l0的值一般可按经验来获取：lmin≈0.2d=3.8；l0≈（1.5~2）d=28；l=h+lmin+l0=(2.7~3.7)d=50在排油过程中，作用于柱塞和缸孔上有以下各种作用力：i)液压力:式中P2——油泵的最大工作压力[MPa]。ii)斜盘对柱塞的法向力N法向力N可分解为柱塞的侧向分力T及柱塞的轴向分力F:iii)缸孔对柱塞的正压力为F1与F2。iv)缸孔与柱塞间的摩擦力为fF1与fF2f——摩擦系数，可取f=0.12。如忽略柱塞的离心力、惯性力、滑履与斜盘间的摩擦力和柱塞与缸孔的配合间隙，并假定柱塞与缸孔间的比压按直线分布，则可列出下列四个力的平衡方程式:i)∑Fy=0,ii)∑Fx=0,iii)∑M=0,iv)由相似原理。解上列方程式可得：；令：，则：；柱塞与缸孔间比压p的计算：一般取柱塞外伸至最大行程位置时的最大比压pmax作为计算比压，则。柱塞与缸孔间平均比功（pv）avg的计算：平均比功（pv）avg可按下式计算：式中vmax——柱塞最大滑动速度[m/s]。滑履球窝比压p的计算：滑履外直径应小于柱塞直径d，使滑履一部分可以进入缸孔内。这样可以缩短泵的轴向尺寸，并改善缸孔的受力情况。根据滑履外直径d6，选定滑履球窝直径d2再根据下式验算其比压：。预压弹簧作用力Fs的计算：如图4-14所示，当油泵为自吸工况时，在吸油过程中预压弹簧通过辅助斜盘和滑履强制柱塞从缸孔向外移动，使柱塞底腔形成负压而吸入油液。预压弹簧的作用力Fa,必须克服下述诸力：i)柱塞和滑履的质量:=9690.7N,式中：m——柱塞与滑履的质量，（G——柱塞与滑履的重量）——与柱塞数有关，z=7时为2.26。ii)柱塞吸入油液所需的力：=56.7N，式中：——泵的吸入油腔的真空度，一般取=0.01MPaiii)保持滑履支撑面密封所需的压紧力：=351.7N式中：A——滑履的支撑面积;ps——阻止吸入空气所需之滑动表面的比压，一般可取ps=0.08~0.1MPa。iv)柱塞与缸孔间的摩擦力：=3553.06N式中：f——柱塞与其缸孔之间的滑动摩擦系数，可取f=0.12。v)防止滑履因离心惯性力作用而偏转所需的推力：=28717.1N，式中：m0——滑履的质量;e——滑履重心至柱塞球头中心的距离;d7——滑履与斜盘接触外圆的直径。vi)考虑上述诸力作用中心不与泵的轴线重合而增加的附加推力：=38272.7N(2)缸体1）缸体的受力分析：缸体受力是比较复杂的，在运转过程中缸体和配流盘的滑动表面应形成油膜。为使油膜不被破坏，应力求缸体不歪斜并保持平衡。缸体所受的诸力为：缸体轴承的支撑力F；预压弹簧的推力Fs；斜盘作用于柱塞的法向推力N；配流平面压力场的支撑力Fz；辅助支撑面油膜的热楔支撑力Fz`；如忽略各摩擦力的影响，在以O点为坐标原点的直角坐标系中，可列出下列平衡方程式：∑Ny=0,即∑Nyi-F=0，也即F=∑Nyi=tgβ∑Nzi；∑My=0,即∑MNy+My=0，也即∑MNy=-My；∑Mx=0,即∑MNx+Mx+FL0´=0;∑Nz=0,即∑Nzi+Fδ-Fz-Fz´=0。式中：∑Nzi——斜盘对各个柱塞的法向推力在Z轴上分力的总和；∑MNy——作用在各个柱塞上推力的轴向分力∑Nzi对Y轴力矩总和；My——缸体与配流盘之间的压力场的支撑力对Y轴之力矩；∑MNx——作用在各个柱塞上推力的轴向分力Nzi对X轴力矩的总和；Mx——缸体与配流盘之间的压力场的支撑力对X轴之力矩;L0´——转子轴承到配流面的安装距离[cm];m——与油压腔接通的最小柱塞数，；——柱塞的夹角，；´——缸体上柱塞孔窗口的包角；——缸体转角。2）缸体的平衡计算：为使缸体平衡，必须有下列四个条件：i)当时，有m+1个柱塞排油，m个柱塞吸油，为此得：式中——油泵吸入口压力。ii)当时，当时，为使缸体平衡，必须保持下列关系式（取以上各式的平均值计算）：由，iii）当时，当时，式中：L0——斜盘回转中心到配流平面的距离，由当时，当时，取，则。为使缸体平衡，∑Nyi的作用范围应在的区间内。推荐缸体轴承滚柱的长度l必须满足下式：取L=8mm缸体轴承应设置在距配流表面为L0的位置上，即当斜盘为中立位置时，轴承中心平面必须与柱塞球头中心平面、斜盘摆动轴线共平面，否则就会产生附加力矩作用在配流盘的表面上。iv)当时，时，式中：——油液的容积膨胀系数，取=7.55Χ10-4[1/deg];——油液的比重，取=0.85Χ103[kg/m3]；——油液的粘度，取=2Χ10-2[Ns/m2]；C——油液的比热，取C=0.5[kcal/kgdeg]；——油膜边界的相对速度；b——油膜的宽度，b=R6-R5;L——每个支撑油膜的长度，；——油膜的厚度，取=0.01mm；A——热功当量，取A=4270[Nm/kcal];z1——辅助支撑的个数，取z1=12，，R6、R5——辅助支撑的外半径和内半径；b1——辅助支撑卸荷槽宽度；n——缸体转速；由，（取平均值计算）所以为使缸体平衡力求保持下列关系式：3）缸体的强度校核：根据柱塞孔圆周受力状况，可以将缸体看成是一个内壁受压的壁厚为S的厚壁筒。因此，缸体强度按厚壁筒的应力计算来校核：式中：d——柱塞孔直径；S——相邻柱塞孔的壁厚；p2——工作油压；[]——缸体材料的许用应力，对ZQA19-4：[]=60~80MPa（3）斜盘1）斜盘的受力分析：如图4-16所示，在工作过程中斜盘承受下述诸力：i)柱塞作用于斜盘的法向合力∑N′ii)预压弹簧的推力Fs；iii）斜盘支撑的支反力N0；iv）调节力F0。图2-7斜盘受力图每个柱塞对斜盘产生的推力为N′,其值与前述的N力数值相等，方向相反，并且垂直于斜盘，如忽略柱塞之摩擦力、惯性力及离心惯性力的影响，则在高压腔在低压腔当时，当时，。合力∑N′的作用点在坐标X′轴上的数值可由下式求出：式中：——各N′力对y′轴之力矩的总和。当时，平均值当时，平均值斜盘支撑的反力N0avg可由下式求出：式中：L4——缸体中心至斜盘支撑中心的距离。3）斜盘滑动支撑上的比压计算:式中：b——斜盘支撑轴颈宽度；L2——斜盘支撑轴颈长度；[p]——材料的许用比压，可按表选取4.静压平衡的设计与计算（1）配流盘的静压平衡计算图2-8配油盘尺寸1）配流盘主要尺寸的确定i)配流窗口分布圆直径D0分布圆直径等于或小于柱塞缸孔分布圆直径D，即D0≤D，然后根据下式验算其表面滑动速度：式中：——配流盘许用表面滑动速度推荐4~6m/s。ii）配流窗口的长度与宽配流窗口长度至少可占其分布圆周长度的75%，即，配流窗口的宽度S（=R2-R3）应按自吸工况吸入液体的许可流速来计算mm式中：[v]吸入液体许可流速，一般推荐[v]≤2~3m/s。iii）配流窗口外缘b1和b2宽度式中：d——柱塞直径配流盘压紧系数f，一般推荐f=0.05~0.15，按下式验算：。式中：∑Nzi——压紧力，Fz——推开力，如略去配流盘辅助支撑面的热楔支撑力时，推开力可按下式计算：=1387.6N。式中:F1-2——配流窗口外缘表面油膜的推开力，；F3-4——配流窗口内缘表面油膜的推开力，；F2-3——配流窗口中液压推开力，；F1-4——如图4-19所示，两个配流窗口之间5处于高压，3和4处于低压时的推开力，。2）配流间隔的设计：配流盘两个配流窗口之间的距离称为配流间隔。当配流间隔略大于缸体配流窗口之夹角时，称之为正重叠型配流间隔。正重叠型配流间隔一般约有≤1°的遮盖量。在这种情况下，柱塞窗口由一个配流窗口经过配流间隔，转换至另一个配流窗口时缸孔内的油压从p2瞬时下降到p1,或者从p1瞬时上升至p2，会在配流间隔处产生压力冲击如图4-20所示。冲击压力Δps可由下式求出：。式中：E——油液的弹性系数；V——缸孔内最大容积；dr——柱塞窗口的直径与长度；——油液的比重，取=0.85x103；——油液的密度，0.85x103x9.8。需要防止这种压力冲击，使缸内的压力不会从吸入压力突跃至排出压力，而从p1较平缓地升至p2；也不会从排出压力突降至吸入压力，而从p2较平缓地降至p1。为此，目前常在配流窗口的前沿开设小沟或者小孔，如图所示；有时把配流窗口按原对称的位置各偏移一个角度，如图所示。式中：V0——缸孔内最小容积；h——柱塞的行程。有时把偏移配流窗口与开设小沟或小孔两个方法并用，此时其偏移量按封闭处之压力升高至必要压缩量ΔV的50%计算，而小沟或小孔按余下的50%计算，具体的可按下列各式计算：小孔d0与l0的计算式为：，式中：v——油的粘度，v=2x10-8pas；V——缸孔内最大容积；；——配油槽偏移量。如果要求低噪音，减少缸体孔中油从低压转向高压时所引起的冲击，有时采用负重叠型配流间隔。滑履副静压平衡设计和计算：1）压紧系数f的计算：如图2-8所示，斜盘经过滑履给柱塞以作用力，是靠静压油膜传递的，其静压油膜支撑形成一个最低能耗的运转间隙，如忽略定心弹簧推力Fs的作用，则压紧系数f可按下式计算：。推开力FN可近似地按下式计算：2）节流小孔d3的计算：如精确计算压紧系数f时，上式中的p2应为油室压力p2′，其和d3可按下式计算：。式中：k——尺寸比值，λ——压力比值，使用；——最低能耗情况情况下的油膜厚度，推荐=0.01~0.02，使用=0.01mm——油液的密度，v——油的粘度；Cd——流量系数，当Re>15时取Cd=0.16Re——薄壁小孔的雷诺系数柱塞泵的二维建模柱塞泵零部件建模柱塞泵的主要工作元件为柱塞、滑履、斜盘和配油盘，先对其尺寸形状进行设计，下面给出主要零件的二维模型。图2-9柱塞和滑履图2-10花键轴图2-11斜盘图2-12配油盘柱塞泵装配图柱塞泵的主要工作原理是通过轴带动缸体转动，缸体内部的柱塞在缸体的带动下进行公转运动，而柱塞的另一端与滑履以球绞连接，球绞则被回程盘压在了斜盘上，所以在缸体的回转过程中，柱塞还会平行于缸体轴线的线性运动。所以随着缸体的旋转，柱塞在轴向往复运动，使密封工作腔的容积发生周期性的变化，通过配油盘完成吸油和压油工作。在变量机构中，由斜盘的角度来决定泵的排量，而泵的角度是通过旋转手轮，使变量活塞上下移动来调整的。如图2-13所示柱塞泵的二维装配图：图2-13手动随动变量柱塞泵其它液压元件的二维建模为了能够完整的体现液压系统的回路体系，本课题对于控制阀装配图的绘制，在方向控制、压力控制、流量控制和保护作用的液控阀中各选其一进行了装配图的绘制。变量式叶片泵叶片泵是由转子、定子、叶片、配流盘和泵体等组成的，在变量式叶片泵中定子和转子是偏心安装的。正是由于存在着偏心，使得由叶片、转子、定子和配油盘形成的封闭工作腔在转子旋转工作时，出现容积变化。如图2-13为所绘制叶片泵二维模型。图2-13变量式叶片泵减压阀减压阀的用途是用来减低液压系统中某一部分回路上的压力，使这一回路得到比液压泵所供油压力较低的稳定压力。减压阀常用在系统的夹紧装置、电液换向阀的控制油路、系统的润滑装置等。减压阀在工作时，初始是从进油口进入，进油口与出油口是相通的，液压油可以直接从出油口出去。但是出油口的油液可以经过油路进入减压阀阀芯下部，推动阀芯移动，进而改变出油口的大小，从而减小出油口的油压。如图2-14所示为减压阀的二维模型。图2-14先导式减压阀换向阀换向阀是液压系统中用途较广的一种阀，主要作用是利用阀芯在阀体中的移动，来控制阀口的通断，从而改变油液流动的方向，控制执行机构开启、停止或改变运动方向。图2-15所示为液动换向阀，也是三位四通阀，其中位机能为O型。图2-15液动三位四通换向阀节流阀在液压系统中，如果要求单方向控制油液流量一般采用单向节流阀。图2-16所示为单向节流阀的二维模型，其中通过主阀芯的换位结构来保证单方向的节流作用。图2-16单向节流阀溢流阀溢流阀的基本功能有两种：一种是通过阀口油液的经常溢流，保证液压系统中压力的基本稳定，实现稳压、调压、或限压的作用，这种功用常用于定量泵系统中，与节流阀配合使用。溢流阀在正常工作时，如进口压力低于其限定值，溢流阀不工作，无油液流出，当压力高于其限定值时，出油口有液压油流出即开始溢流，利用溢流来保证进口油压的稳定。如图2-17所示为溢流阀的二维建模。图2-17先导式溢流阀各零件二维建模小结1.图纸及布局的选择对于柱塞泵和叶片泵来说，结构较大较复杂，因此选择零号图纸，而各种控制阀门的结构尺寸相对较小，所以选择二号图纸。柱塞泵的结构形式为左右对称结构，其工作零件大部分是回转件，进油口，控制柱塞，润滑油路等均为垂直布置，因此采用主视图全剖、侧视图半剖、无俯视图和局部剖视图来表达柱塞泵的结构形式、装配关系和安装尺寸。叶片泵并非对称布置，但其大部分件为回转件，因此采用三视图来表达，其中主视图和俯视图全剖，左视图局部剖来表达结构形式、装配关系和安装尺寸。换向阀大体为对称结构，阀芯为回转体，因此，以主视图、俯视图，两视图来表达，其中主视图为剖视。先导式溢流阀的结构相对于换向阀略复杂一些，他有两个阀芯，因此要选择的主剖视图要将两个阀芯都正确的表达出来，再加上侧视图的辅助表达，才能将溢流阀的结构形式完整的表达出来。先导式减压阀的结构与先导式溢流阀相似，因此可以选用相同的布置形式。节流阀的结构略为简单，所以同样以一个全剖的主视图加上一个左视图即可表达清晰其结构形式。2.图纸绘制方式的选择1.绘制之前需要进行文件名、保存路径的选择，之后最为重要的是图层的设置，在机械的工程图绘制中最少需要设置4个图层，粗实线、细实线、虚线和点画线。之后在标注和表格的绘制等之前还需要进行表格样式、文字样式的设置。2.二维图纸在一般的设计过程中，均是从内至外的绘制，但由于标准化生产下的元件外形均已有严格的要求，因此，在计算出的内部尺寸基础上，结合标准件的外形要求（下图为柱塞泵的外形要求），以计算尺寸为主，尽量适应外形要求，在二者冲突的情况下，可适量改动外形尺寸，但要做到大体形状没有过分偏差。三维建模本章节主要介绍应用Pro/Engineer软件进行的三维建模及模拟仿真。柱塞泵三维模型的建立及仿真柱塞泵三维模型的建立图3-1轴向柱塞泵在柱塞泵的建模过程中，由于零件过多，运动复杂，配合种类过多，所以选择分步组装，其中标准件轴承单独装配，带有斜盘和控制变量柱塞的上盖单独装配，柱塞及其所在缸体部分零件单独装配。在完成部分组装后完成总装。图3-2深沟球轴承图3-3圆柱滚子轴承如图3-1所示为完成装配的整体效果，图3-2、3-3、3-4、3-5为柱塞泵装配中的各小装配部件。图3-4柱塞泵上盖部分图3-5柱塞及柱塞缸装配过程本小节主要以总装过程中典型零部件装配为例介绍：1.外壳的装配外壳在大部分的建模装配中常常作为第一个装配件，因为它的结构最大与大部分零件接触，且一般为固定不动，因此其首先装配可方便作为其他零件的连接基准，减少装配过程中错误的产生。外壳的装配形式一般为用户定义中的固定或缺省，也有使用刚性连接中的配对和对齐功能，但是考虑到需要后期的仿真、动画制作、二维图的生成等，经过多次试验，发现用户定义中的坐标系功能操作简单，且将零件图的坐标与装配坐标系重合方便进行视角转换及多种后期操作。如图3-6所示选取坐标匹配后，依次选择零件坐标和装配坐标即可。图3-6外壳装配2.配油盘的装配配油盘属于柱塞泵中的重要零件之一，它与泵体之间没有相互运动，因此需要多个连接约束将其自由度完全限制。如图3-7所示在装配中，我选择了一个匹配约束，两个插入约束，将其自由度完全限制。图3-7配油盘的装配3.柱塞缸的装配柱塞缸是柱塞泵的主要工作部件之一，其中的柱塞可以在其柱塞孔中自由旋转，压盘又和滑履处于面接触连接状态，缸体本身又可以相对泵体自由旋转，所以在柱塞缸的自己装配过程中，分别以圆柱连接、相切、配对等约束将零件相互连接。如图3-8所示在整体装配中仅以销钉连接即可固定他们的运动关系。图3-8柱塞缸的装配在上述中的销钉连接，其中的配对约束最好选用缸底面与配油盘上表面，在之后可方便进行参数改动。4.轴的装配轴是柱塞泵的传动件，如图3-9所示用销钉连接限制其自由度即可。图3-9传动轴的装配图图3