一種小型液壓動力單元的設計

紀運廣 李琪 孫師澤 李洪濤 薛樹旗 郭夏

摘要：設計了一種可用于移動設備和工具的小型液壓動力單元，敘述了系統(tǒng)原理和元部件設計選型方法?？蔀榇祟愒O備的設計和選用提供參考。

Abstract： A small hydraulic power unit which can be used in mobile devices and tools is designed in this paper. The system principle and components design/selection method are illustrated and this research may provide reference for design and section of this kind of devices.

關(guān)鍵詞：液壓動力單元；元件設計；部件選型

Key words： hydraulic power unit；components design；parts selection

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0141-04

1 概述

液壓作業(yè)裝置因為功率密度大、操縱簡便、易實現(xiàn)無級調(diào)整和過載保護而在重載、移動設備中得到廣泛應用。應用于一些特殊場合的液壓裝置，如深海采油設備[1]、應急救援設備[2]、外骨骼機器人[3]等，其能源部件多采用模塊化的液壓動力單元（Hydraulic Power Unit，HPU）實現(xiàn)傳統(tǒng)分立式液壓系統(tǒng)中泵站的功能，以滿足設備安裝操作方便、小型化和通用化要求。液壓動力單元是由電機、油泵、集成閥塊、液壓閥及各種液壓附件（如：蓄能器）等集成為的一個獨立系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的液壓泵站相比，它的結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加可靠。

本文設計的小型液壓動力單元可為移動式液壓作業(yè)工具，如剪切器、開門器、千斤頂?shù)忍峁﹦恿?，實現(xiàn)了輕量化。

2 系統(tǒng)原理

如圖1所示，液壓油從油箱1經(jīng)過濾器2進入齒輪泵3，經(jīng)泵做功，泵的出油孔接通溢流閥9，溢流閥的出油孔接通油箱1，構(gòu)成系統(tǒng)過載保護回路，避免過高的壓力對系統(tǒng)造成破壞。同時液壓油從齒輪泵3由另一分支經(jīng)單向閥4分別連接三位四通電磁換向閥5和二位三通電磁換向閥6。當換向閥5使用中位時，換向閥6右位接通，可外接單作用缸；當閥6處于左位時，閥5可為雙作用液壓缸或馬達提供動力。

各換向閥電磁鐵動作如表1所示。

3 元部件設計和選型

設計的小型液壓動力單元的技術(shù)要求為額定輸入功率1200W，額定電壓DC24V，系統(tǒng)壓力16MPa，液壓泵排量范圍0.88～2mL/Rev，額定流量范圍3.2～6.5L/min，介質(zhì)為礦物油。

3.1 電機

為滿足野外作業(yè)要求，動力單元要求直流供電，直流電機額定電壓為24V。由給定的液壓泵排量和流量范圍，計算出電機轉(zhuǎn)速范圍為1600～7386r/min，選取電機轉(zhuǎn)速為3000r/min。

電機功率為1200W，額定電壓為24V。選用ZYT系列永磁直流電機，型號130ZYT156，重量不大于8kg。

3.2 液壓泵

考慮到作業(yè)環(huán)境復雜，選用結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和自吸性能較好的齒輪泵[3]。根據(jù)設計參數(shù)要求，排量取為 V=1.2ml/Rev，流量為3.6L/min，最終選取某公司CB-E 1.2型小排量齒輪泵，型號為CB-E 1.0-BS，重量為1.5kg。其主要參數(shù)如下：

排量：1.20ml/r；

轉(zhuǎn)速：3000r/min；

軸伸形式：B扁口；

旋轉(zhuǎn)方向：S雙向旋轉(zhuǎn)；

容積效率：85%。

齒輪泵的功率P可求出為923W，小于電機功率1200W。

3.3 油箱和過濾器

選用圓柱形獨立油箱以減小體積和重量。電動機和油箱分別位于液壓閥塊的兩側(cè)，呈“三段式”分布。在圓柱形油箱的內(nèi)壁底部設計排油槽，以便于更換油液時雜質(zhì)的排出。

油箱容量可按液壓泵流量3.6L/min的3～5倍估算，初步選取油箱容積為11L。因需內(nèi)置液壓泵，油箱設計為一大一小的兩個圓柱形相接的形狀（圖2），大圓柱直徑為200mm，長度為300mm，小圓柱直徑為120mm，長度為80mm。油箱材料為Q235C，壁厚為1.5mm，重量為3kg。

液壓泵吸油口需安裝過濾器，選用盤狀金屬過濾網(wǎng)以適應安裝空間。過濾網(wǎng)精度為10μm，流量為8L/min。

3.4 控制閥

3.4.1 溢流閥

選用直動式溢流閥，插入式連接，型號DBDS6K。工作壓力20MPa，流量50L/min。

3.4.2 單向閥

選用S型直通單向閥，插入式連接，型號S6K1。最大工作壓力31.5MPa，最大流量15L/min。

3.4.3 換向閥

選用WE4型電磁換向閥，最大工作壓力21MPa，最大流量25L/min。其中三位四通電磁換向閥型號為4WE4E1X/AG24，二位三通電磁換向閥型號3WE4A1X/AG24。

3.5 液壓閥塊

液壓閥塊共有5塊，最下面是中心閥塊，中間一層是閥塊1、閥塊2和閥塊3，最上面是閥塊4，各閥塊間有O形圈密封，并用螺栓聯(lián)結(jié)集成為一體。

中心閥塊（圖3）共連接7個零部件，包括直流電機、齒輪泵、油箱、支座、上部閥塊、單向閥和溢流閥，其中前端面安裝直流電機，兩側(cè)面安裝單向閥和溢流閥；后端面安裝齒輪泵和油箱；閥塊頂部安裝其他閥塊，用兩個M10的螺釘緊固連接。

閥塊1和4用于安裝電磁換向閥，閥塊2和3為連通其他閥塊的通道。為了加工和裝配方便，4塊閥塊的厚度都為40mm，高度都為40mm，長度分別為45mm，45mm，50mm，140mm。

閥塊材料為35鋼，可保證足夠強度。閥塊各結(jié)構(gòu)要素（表面、孔、槽）的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度要滿足相關(guān)要求，以保證密封性能。

3.6 液壓系統(tǒng)壓力損失和溫升計算

3.6.1 系統(tǒng)壓力損失

可由管道實際流速4.8m/s和雷諾數(shù)Re=45.1，確定管道內(nèi)液流的流動狀態(tài)為層流。系統(tǒng)的壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失[4]，即

式中λ為沿程阻力系統(tǒng)，ρ為介質(zhì)密度（kg/m3），L為孔道長度（m），d為孔道直徑（m），v為介質(zhì)流速（m/s）；ζ為局部阻力系數(shù)（90°彎角時ζ=1.12）。計算得出管道壓力損失0.75MPa；控制閥的壓力損失都為0.1MPa，共計0.2MPa，故系統(tǒng)總壓力損失為0.95MPa。液壓泵額定壓力為16MPa，減去總壓力損失，最終系統(tǒng)可提供執(zhí)行機構(gòu)15MPa的壓力。

3.6.2 液壓系統(tǒng)溫升計算

系統(tǒng)發(fā)熱功率可由公式計算：

H=P（1-η）（2）

式中H為發(fā)熱功率（W），P為液壓泵的輸入功率，1200W，η為液壓泵的總效率，取為0.85。代入數(shù)據(jù)得H=180W。

液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量H，由系統(tǒng)中各個散熱面散發(fā)至空氣中，其中油箱是主要散熱面。當系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量H等于其散發(fā)出去的熱量時，系統(tǒng)達到熱平衡，此時系統(tǒng)溫升Δt為

式中為散熱系數(shù)，取為20W/（m2·℃）；A為油箱散熱面積，0.3m2，代入數(shù)據(jù)得系統(tǒng)溫升為30℃，符合要求。

小型液壓動力單元外形如圖4所示。

4 結(jié)論

表2列出了液壓動力單元各部件重量，單元總重量約為31kg。為方便運輸和單人搬運，設計了支座和提手。

本文設計了一種可用于移動設備和工具的小型液壓動力單元，敘述了系統(tǒng)原理和元部件設計選型方法，可為此類設備的設計和選用提供參考。油箱材料還可采用高密度聚乙烯，閥塊材料采用鋁合金6061-T6，控制閥采用小流量插裝閥，以進一步減輕動力單元重量。

參考文獻：

[1]張憲陣，肖易萍，張凡，等.水下液控單元應用現(xiàn)狀分析[J]. 中國海洋平臺，2015，30（5）：1-4.

[2]魏建義，周旭輝，李芳，等.應急救援液壓破拆工具高壓動力單元設計[J].機床與液壓，2015（10）：109-110.

[3]Xiaoping Ouyang et al. Development of a novel compact hydraulic power unit for the exoskeleton robot[J]. Mechatronics， V38： 68-75.

[4]寧辰校.液壓與氣動技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017.