液压控制系统设计

1、1 液压缸选型四足机器人大腿上的液压缸所受的推力较大，而小腿上的液压缸所受的推力较小，而且，4个大腿上的液压缸所受的最大推力接近，4个小腿上的液压缸所受的最大推力也接近。因而，在设计液压缸时，大腿上的液压缸设计成相同尺寸，小腿上的液压缸设计成相同尺寸。而四足机器人髋上的液压缸仅在四足机器人受到横向冲击的情况下工作。根据仿真结果可知，髋上的4个液压缸所受到的最大推力为1.8kN，最大速度为130mm/s。由于髋上的液压缸推力和速度比大腿与小腿上的液压缸推力和速度小很多，在设计时，总流量主要考虑大腿和小腿上液压缸的叠加，髋上的液压缸流量由蓄能器供给。根据仿真计算结果图，大腿上的液压缸所受最大推力取

2、8kN，小腿上的液压缸所受的最大推力取4kN，即液压系统的最大载荷为8kN。查阅液压工程师技术手册如下表所示，当载荷为510kN时，工作压力宜取1.52MPa，为了使液压控制系统的动态性能更好，同时使机械结构更紧凑，取液压缸的负载压力为6MPa。 液压缸暂定交由常州恒力液压有限公司生产。1.1 大腿上的液压缸大腿上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力为PLm=6MPa，所受最大负载推力为Fm=8kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液压缸无杆腔压力； P2液压缸有杆腔压力； A1液压缸无杆腔有效面积，A1=4D2； A1液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2-d2）； F负载推力；液压

3、缸负载压力F满足：PLm=FmA1=P1-P2A2A1=6MPa由上式可以得到A1=FmPLm=80006mm2=1333.3mm2所以，D=4A1=4×1333.3=41.2mm圆整后取D=40mm。查阅液压工程师技术手册如下表所示，取d=25mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。1.2 小腿上的液压缸小腿上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力也为PLm=6MPa，所受最大负载推力为Fm=4kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液压缸无杆腔压力； P2液压缸有杆腔压力； A1液压缸无杆腔有

4、效面积，A1=4D2； A1液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2-d2）； F负载推力；液压缸负载压力F满足：PLm=FmA1=P1-P2A2A1=6MPa由上式可以得到A1=FmPLm=40006mm2=666.6mm2所以，D=4A1=4×666.6=29.1mm圆整后取D=32mm。查阅液压工程师技术手册如下表所示，d与D的比值取0.5，所以，d=16mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。1.3 髋上的液压缸髋上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力也为PLm=6MPa，所受最大负载推力

5、为Fm=1.8kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液压缸无杆腔压力； P2液压缸有杆腔压力； A1液压缸无杆腔有效面积，A1=4D2； A1液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2-d2）； F负载推力；液压缸负载压力F满足：PLm=FmA1=P1-P2A2A1=6MPa由上式可以得到A1=FmPLm=18006mm2=300mm2所以，D=4A1=4×300=19.5mm圆整后取D=20mm。查阅液压工程师技术手册如下表所示，d与D的比值取0.5，所以，d=10mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。2

6、 流量计算液压缸内径和活塞杆外径确定后，可根据液压缸的最大速度计算出各个液压缸的最大流量，计算流量的公式如下Q=v4D26010-6(L/min)根据上述公式计算得到各个液压缸所有动作的最大流量如下表所示最大速度mm/s最大流量L/min大腿前腿左腿16513.2右腿16513.2后腿左腿15512.4右腿15512.4小腿前腿左腿1807.2右腿1807.2后腿左腿1807.2右腿1807.2髋1302.5将大腿和小腿上的8个缸的流量叠加，得到系统的总流量Q随时间变化的曲线如下图所示。由上图可以看出，系统流量Q按正弦规律变化，最大流量为28L/min。髋上的液压缸在四足机器人行走时并不工作，

7、只是在受到横向冲击时工作。所以，根据系统总流量选择液压泵时之不考虑髋上的液压缸流量，髋上的液压缸流量由蓄能器供给。3 电液伺服阀选型电液伺服阀根据液压缸的最大负载压力PLm和最大负载流量QLm来选型。最大负载压力取PLm=6MPa，各个液压缸的最大负载流量QLm前面已经计算出。油源压力PS=32PLm=32×6MPa=9MPa阀压降PV=PS-PLm=9-6=3MPa根据伺服阀样本给出的额定阀压降PVS及额定负载流量QLs及阀压降PV，求伺服阀流量QLs=QLmPVSPV伺服阀选择南京609所的FF系列电液伺服阀。3.1 大腿上的液压缸QLs=QLmPVSPV=13.2×2

8、13=34.9L/min选择FF106-63伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。型号供油压力范围（MPa）额定供油压力Ps（MPa）额定流量Qn（L/min）额定电流In（mA）频率特性幅频宽（-3dB）（Hz）相频宽（-90°）（Hz）FF106-6322821631540503.2 小腿上的液压缸QLs=QLmPVSPV=7.2×213=19.0L/min选择FF102-20伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。型号供油压力范围（MPa）额定供油压力Ps（MPa）额定流量Qn（L/min）额定电流In（mA）频率特性幅频

9、宽（-3dB）（Hz）相频宽（-90°）（Hz）FF102-202282120101001003.3 髋上的液压缸QLs=QLmPVSPV=2.5×213=6.7L/min选择FF101-8伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。型号供油压力范围（MPa）额定供油压力Ps（MPa）额定流量Qn（L/min）额定电流In（mA）频率特性幅频宽（-3dB）（Hz）相频宽（-90°）（Hz）FF101-8228218101001004 泵站的设计液压控制系统的泵站包括：液压泵、油箱、过滤器、空气滤清器等。4.1 液压泵选型有上述计算结果可知，液压控

10、制系统的流量和压力需满足如下要求：系统压力P9MPa，最大流量Qmax=28L/min。液压泵工作压力和流量应满足：PPP+P=9+0.5=9.5MPaQPKQmax=1.1×28=30.8L/min在进行液压泵选型时，需要按照上述要求进行选型。查阅榆次油研齿轮泵的相关样本如下图所示，选择CB单极齿轮泵的FC系列，型号为CB-FC16-10。该型号的齿轮泵几何排量16mL/r，额定压力10MPa，最高压力16MPa，额定转速2000r/min，驱动功率5.81kW，重量7.45kg。几何排量转化成流量为Q=V×n=16×2000×10-3L/min=32

11、L/min该型号齿轮泵的额定压力和流量均满足要求。4.2 油箱设计油箱的有效容积按下式计算V=aqV其中，qv液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）； a经验系数，取a=2。所以，油箱的有效容积为V=aqV=2×32×10-3m3=0.064m3=64L。油箱的体积为VT=V0.8=640.8=80L。设油箱的长宽高之比为L:W:H=3:2:1，带入公式VT=LWH得，H=237.13mm，W=474.26mm，L=711.39mm。圆整后得到，H=237mm，W=474mm，L=711mm。4.3 过滤器选型 选择黎明液压有限公司生产的过滤器，包括吸油过滤器和回油过滤器。4

12、.4 空气滤清器选型选择黎明液压有限公司生产的EF系列空气滤清器。液压空气滤清器工作时空气流速越低，抗污过滤能力就越好，故在选用液压空气滤清器时应有一定的裕度，一般选用空气流量为泵排量的1.5倍左右。查阅该系列产品的样本后，选用型号为EF1-25的空气滤清器，该产品的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。型号加油流量（L/min）空气流量（L/min）油过滤面积（cm2）空气过滤精度（mm）油过滤精度（m）EF1-25965800.2791254.5 液位温度计 液位温度计选择黎明液压有限公司生产的NYWZ系列液位温度计。5 蓄能器 大腿和小腿上的液压缸流量由齿轮泵提供，而髋上的液压缸流量由

13、蓄能器补充。取髋上的液压缸流量为最大值，并叠加到系统总流量中，得到系统总流量随时间变化曲线如下图所示。在考虑髋上液压缸的流量后，总流量最大值为38L/min。由于髋上的液压缸在行走时不工作，只是在四足机器人受到横向冲击时工作，所以，蓄能器在系统中作应急能源，其有效工作容积为V=AiLiK=4×300×70×1.2mL=0.1L其中，AiLi要求应急动作液压缸总的工作容积； K有野损失系数，一般取K=1.2。 根据上面的计算，选择奉化奥莱尔液压有限公司生产的NXQ型气囊式蓄能器，蓄能器的型号为NXQ-A-0.4/10-L-Y。6 阀块设计 阀块设计是液压控制系统设计的重要内容。需要集成在阀块上的阀有：2个溢流阀、2个二位二通电磁换向阀，以及1个压力表。6.1 溢流阀溢流阀选择北京华德液压工业集团有限公司生产的DBD型直动式溢流阀。连接方式选择板式阀，压力调节方式选择带保护罩的内六角调节螺栓，然后根据压力和流量确定溢流阀的型号为DBD-S-6-P-10-B。溢流阀的安装注意事项如下图所示。6.2 电磁换向阀 电磁换向阀为二位二通电磁换向阀，选择北京华德液压的产品，产品样本暂时未找到，暂时可按二位三通电磁换向阀设计三维图。6.3 压力表压力