液压泵与液压马达实验台液压系统的设计.docx
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液压泵与液压马达实验台液压系统的设计
本科毕业设计（论文）
液压泵与液压马达实验台
液压系统的设计
燕山大学
摘要
液压泵和马达作为液压系统的动力元件和执行元件，是整个液压系统的心脏，它们的性能直接影响着整个液压系统的性能。
因此液压泵、马达性能的精确测试有着非常重要的意义。
液压泵和马达的性能测试是辨别产品优劣、改进结构设计、提高工艺水平、保证系统性能和促进产品升级的重要手段。
本次设计就是通过测定液压泵液压泵、液压马达在给定外界情况下的排量、流量、容积效率等，检验液压泵和液压马达的是否合格。
设计了液压泵与液压马达实验台液压系统，并对有关参数进行了计算，绘制了液压泵与液压马达实验系统原理图、泵站装配图、油箱的部件图、阀块零件图一系列相关立体图与二维图纸，为液压泵与液压马达实验台液压系统的设计奠定了理论基础。
关键词 液压泵；液压马达；液压系统
Abstract
Asthepowercomponentsandtheactuatorcomponentsofhydraulicsystem,thehydraulicpumpandthemotoraretheheartoftheentirehydraulicsystem,ofwhichtheperformancedirectlyaffectstheentirehydraulicsystem`s. Therefore,thereisveryimportantsignificancetotesttheperformanceofhydraulicpumpsandmotorsaccurately. Theperformancetestisanimportantmeansofidentifyingproductstrengthsandweaknesses,improvingstructuraldesignandtechnologicallevel,ensuringsystemperformanceandpromotingproductupgrading.
Thedesigninvolvedinthispapermainlydiscusseshowtotesthydraulictheeligibilityofpumpsandhydraulicmotorsbymeasuringdisplacement,flow,volumetricefficiencyofthehydraulicpump-hydraulicpump,hydraulicmotorswithgivenexternalconditions.
Inthispaper,wedesignthehydraulicsystembenchofthehydraulicpumpandhydraulicmotor,andcalculatetherelatedparameters,drawseriesofthree-dimensionalmaps andtwo-dimensionaldrawingsofthehydraulicpumpandhydraulicmotor,includingSchematicexperimentalsystem,pumpstationassemblydrawings,partsdrawingsoftankandvalveblockpartsdiagrams,whichlayatheoreticalfoundationforthedesignofthehydraulicpumpandhydraulicmotorhydraulicsystembench.
Keywords hydraulicpump;hydraulicmotor;hydraulicsystem
第1章绪论
1.1课题背景
1.1.1国内外液压泵（马达）实验台发展状况
近些年随着计算机技术、测试技术、液压技术的不断进步，液压泵、马达性能测试试验台的技术取得了飞速发展。
各类液压计算机辅助测试系统成为了各类液压试验台的主流。
尤其是虚拟仪器测试系统的出现和逐渐发展成熟，几乎应用到了近年来所有液压元件性能测试试验台上。
这类试验台采用计算机集散系统，对液压试验台进行智能检测、控制和管理。
按照液压油泵试验方法国家标准控制有关条件，实时采集性能参数，并对数据进行集中处理、分析、计算、存贮、显示、传输、控制和维护，从根本上改变了传统继电控制模拟采集人工处理的方式，为企业标称产品性能提供准确的数据，同时为企业分析产品质量、改进工艺提供了决策依据
近年来的研究热点主要集中在降低系统污染、减小液压元件功率损耗、引入新型元器件、设计合理液压回路、引入新型的传感器测试仪表等方面。
如美国的SUNDSTRON公司的液压传动试验室的CAT系统，日本制钢所的柱塞泵效率试验台，英国国家实验室拥有计算机控制的ISO标准试验台，法国机械工业研究中心（ETIT）也做了类似的工作。
国内也有许多高等院校及科研单位正在进行液压CAT的研究工作，并在液压测试中进行一定程度的应用。
我国已经研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助测试系统，如机械部北京自动化研究所研制的液压元件计算机辅助测试系统，该系统可完成阀及泵的性能测试；北京理工大学研制的液压泵（液压马达、液压泵—液压马达传动系统）工作特性的计算机辅助试验系统；上海交通大学及昆山液压件厂共同研制的液压阀的特性试验系统，北航开发的液压泵虚拟仪器试验台等。
虚拟仪器技术虽然起步较晚，但发展非常迅速。
在科研开发、计检、测控领域得到了广泛的应用。
如：
比利时Intersofi电子工程公司的RASS—PDP和RASS—S软件；美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、试验、仿真系统；挪威CARDIAC公司的基于LabVIEW平台的测试北海油田石油、大气、水流的MPFM系统等。
虚拟仪器的开发和研究在国内尚属于起步阶段，清华大学应用虚拟技术构建的汽车发动机性能出厂检测系统；电子部三所的仪器自动计量控制系统；石油科学研究院研制的小型石油精炼试验系统等；另外航天局809所、上海803所、上海交通大学、西安交通大学、浙江医科大学以及东方振动和噪声技术研究所等高校和公司在研究和开发虚拟仪器产品、虚拟仪器设计平台以及消化吸收NI等产品方面做了大量工作，其成果已在自动计量控制系统等方面得到广泛的应用。
最近浙江大学流体传动及控制国家重点试验室也开发的基于虚拟仪器的液压试验台CAT系统便是比较典型的例子，软件部分采用了VC++6.0实现试验系统编程。
硬件部分A/D卡采用PCI—1713卡（提供了32个模拟输入通道，12位转换分辨率，2.5ųs的转换速率）。
实际应用中该型系统可根据情况的不同采用不同的接口技术，灵活地组成相应的液压测试系统。
虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑。
未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域，几乎能替代所有的模拟测试设备。
基于计算机的全数字化测量分析是采集测试分析的未来，虚拟仪器必将在越来越多的领域中广泛普及。
数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将最终导致标准化、规范化的卡式仪器和软件化仪器的更广泛流行。
1.1.2液压泵（马达）实验台未来发展趋势
随着液压技术的不断提高与发展，对液压测试技术的要求也不断提高。
信息技术包含微电子、光电子、计算机技术等多项技术，以信息传递快、运算速度快、控制精确、能耗小等优点使其在控制领域有越来越广泛的应用，现代工业中，液压技术已与信息技术紧密结合，提高了液压传动与控制的精确性。
在液压传动与控制中，液压系统趋于复杂化和小型化的发展趋势，液压测试技术要对液压系统和液压元件进行充分的测试，必然需要对大量的数据进行采集及处理，液压测试技术和信息技术紧密结合才能符合现代液压测试技术的需要。
液压计算机辅助测试技术（ComputerAidedTest）将信息技术与液压测试技术结合，可以显著提高液压测试的可靠性、精确性和自动化程度，它必定是液压测试技术的发展方向。
不论何种检测系统，都必须有测试传感器。
传感器使将感受到的物理量转变为电信号输出的装置，随着现代制造工艺和材料科学的反展，传感器的核心——敏感元件也越来越精密，测量误差和非线性失真越来越容易为人们控制。
液压测试中，需要多种物理量的检测，传感器的高速发展为液压测试精确性提供了有力的保障。
运用模块化思维能助你理顺头绪，分清构成事物的诸功能、结构要点（模块）及其间的联系，从而能作出更好的设计——工程设计、产品设计、工艺设计、组织机构设计、布局设计等等。
利用计算机技术及传感器技术改造旧式液压测试设备或开发新式高精度、高自动化液压测试设备具有广阔的研究前景。
计算机高速处理数据的能力正好满足液压系统动态测试和动态分析的要求，开发以计算机为中心的液压测试设备可以很好的对液压系统进行动态测试和动态分析。
液压系统的自动化控制与液压测试密不可分，液压系统闭环反馈控制必然要求对液压系统参数进行测量和反馈，液压测试技术的发展也有利于液压传动及控制技术的发展与提高；发展液压测试技术以提高液压控制技术也是以后液压测试技术的重要发展方向。
1.1.3存在问题
由于被测液压泵（马达）的型号不同，存在大功率液压泵（马达）测试能耗大，浪费液压油，主要反映在系统的容积损失和机械损失。
如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。
有液压元件测试必然存在液压油污染问题，不论哪一类液压油流入环境，都会造成不同程度的危害。
在使用中，液压油会慢慢老化，老化的油液在更换时不能被回收，就会排到环境中，造成污染；泄漏是液压系统常见的故障，油流到环境中会造成污染，同时也会造成经济上的损失。
因此对于液压介质，应开发新的无污染、可降解的液压油，这样即使流到环境中，一定时间后也会降解而不造成危害；如果还是使用对环境有危害的液压油，就应该加强管理，防止或减少它流到环境中去，使对环境危害最小。
由于泄漏产生的环境问题也是不可忽视，而泄漏也是液压系统的一个顽疾。
对于泄漏的防治需要技术和管理上的支持，在设计、使用、维护阶段都应考虑此问题，维修时要做好液压油的回收。
1.2本次设计的主要内容
本设计主要研究液压泵和液压马达实验台液压系统。
其基本内容为：
1.液压泵和液压马达实验台的液压系统方案的设计
2.液压泵和液压马达实验台液压系统元件的选择与设计
3.液压泵和液压马达实验台整体结构的设计
5.有关参数的计算
由于不同类型的液压泵（马达）有不同的测试方法标准，即使是同一类型、不同额定压力的液压泵（马达）的测试方法也不完全相同，所以只能对其中某一类型、某一压力级别的液压泵（马达）进行性能测试或对其中共同的项目进行测试。
1.3本章小结
近年来液压泵、马达的测试系统在传统的液压测试系统原理上增加计算机辅助测试和虚拟测试技术，但液压系统测试的基本原理大致相同。
本章主要介绍了液压泵和液压马达实验台发展、未来趋势和存在的问题，并介绍了本次设计的主要内容。
第2章液压泵实验台液压系统的设计
2.1液压泵实验台工作原理
液压泵性能试验台采用变频器驱动三相交流电机拖动被试泵，控制被试泵的转速、转矩转速仪来观测输入转速转矩值，如图2-1所示。
电磁比例溢流阀控制被试泵出口加载，并且配备了卸荷阀、各类压力传感器和温度传感器。
试验时调节变频电机13控制被试泵的转速达到设定要求，然后控制电磁比例溢流阀给被试泵加载，通过进出口压力传感器采集进出口压力值，通过转矩转速仪器采集被试泵的输入转矩转速值。
空载排量测量时可以打开电磁球阀2使被试泵卸荷。
图2-1液压泵实验回路
2.2被试泵及驱动电机的选择
由于不同类型的液压泵（马达）有不同的测试方法标准，即使是同一类型、不同额定压力的液压泵（马达）的测试方法也不完全相同，所以只能对其中某一类型、某一压力级别的液压泵（马达）进行性能测试或对其中共同的项目进行测试。
参照各类液压泵试验的国家标准，综合考虑现有的试验条件确定试验项目为：
气密性检查和跑合试验、排量验证试验、效率试验、压力振摆检查、自吸试验、高温试验、超速试验、超载试验、满载试验、冲击试验和效率检查试验。
选取恒压变量泵63PCY14-1B进行了性能测试试验，被试泵公称排量为63mL/r，额定转速为1500r/min，确定系统最大流量
Q=94.5L/min
液压系统中驱动液压泵的原动机有电动机和发动机。
发动机指汽油机柴油机等，一般用于行走机械，而且不是由液压系统设计者选定的。
固定设备系统中驱动液压泵的电动机需要设计者选定。
根据使用的环境，决定开式、封闭扇冷式、防雨保护式、防爆式等形式及立式、卧式结构。
变频电机选择Y250M-4-B3额定转速：
1410r/min，额定电压：
380v，额定功率：
55kw。
驱动电机决定了被试泵的测试范围。
2.3液压泵实验台的基本测试项目
2.3.1排量验证试验
GB7936规定排量验证试验分为以下几步：
第一，使液压泵空载，即使液压泵的负载为零，或液压泵的输出压力不超过额定压力的5%或不超过0.5MPa；
第二，在液压泵的最低许用转速到额定转速的范围内设定均匀的5档转速，测量每档转速n下泵的流量。
第三，计算泵的空载排量。
国标GB7936规定：
（2-1）
其中
为空载排量mL/r；n为实际转速r/min；N为转速测量档数；
为有效输出流量L/min，这是一个用最小二乘法拟合的方程，测得N个点的转速和流量值，然后运用最小二乘法拟合求其直线的斜率即为要求的空载排量。
2.3.2效率试验
按照国标JB/T7042—93规定，效率试验主要有以下几步：
第一，在最大排量、额定转速下，使泵的出口压力逐渐增加，至额定压力的25%左右。
待测试状态稳定后，测量与效率有关的数据；
第二，按上述方法，至少测量泵的出口压力约为额定压力的25%,40%,55%,70%，80%，100%时，分别测量与效率有关的数据；
第三，转速约为额定转速的100%，85%，70%，55%，40%时，在上述各试验压力点，分别测量与效率有关的数据。
第四，绘出等效率特性曲线图，或绘出性能曲线图；
第五，在额定转速下，进口油温为20～35℃和70～80℃时，分别测量
空载压力至额定压力范围内至少6个等分压力点的容积效率；
第六，绘制功率、流量、效率随压力变化的曲线图。
2.3.3变量特性试验
恒功率变量泵恒功率变量泵的特性试验主要有以下几步：
（1）最低压力转换点的测定调节变量机构使被试泵处于最低压力转换状态，测量泵出口压力；
（2）最高压力转换点的测定调节变量机构使被试泵处于最高压力转换状态，测量泵出口压力；
（3）恒功率特性的测定根据设计要求调节变量机构，测量压力、流量相对应的数据，绘制恒功率特性曲线；
（4）其他特性按实际要求进行试验。
恒压变量泵本试验台安装的为恒压变量泵，因此应做相应的恒压特性试验。
恒压静特性试验包括最大排量、额定转速下加载，然后绘制不同调定压力下的流量－压力特性曲线。
2.3.4其它试验项目
气密性检查和跑合,压力振摆试验,自吸试验,低温试验,高温试验,超速试验,超载试验,满载试验,效率检查试验。
2.4液压泵性能表达式及参数
试验油路是为一定的试验目的服务的，离不开具体的试验内容，要求
测试液压泵的各种性能指标，而这些指标又与各种参数有关。
有关液压泵
的主要性能表达式有：
排量
（2-2）
式中q为泵输出的实际流量（L/min）；n为泵轴转速（r/min）；泵的空载排量Vi
为空载时测出的排量最大值。
泵轴输入的理论转矩TPth：
（2-3）
其中ph为泵的出口压力（MPa）；pi为泵的进口压力（MPa）。
容积效率
（2-4）
机械效率
（2-5）
泵输入功率
（2-6）
其中TP为泵轴输入转矩（N.m）；n为泵的转速（r/min）
泵的输出功率
（2-7）
其中Δp为泵的进、出口压力差（MPa）；q为泵实际输出流量（L/min）
总效率
（2-8）
实际输出流量
（2-9）
泄漏流量
（2-10）
2.5本章小结
此液压泵实验台油路根据国家标准设计，用以检测液压泵的技术特性。
本章介绍了液压泵实验台的基本原理，并说明了液压泵的测试项目及测试计算方法。
第3章液压马达实验台液压系统的设计
第4章液压元件的选择
4.1液压泵实验台系统部分
4.1.1被试泵、电机及联轴器的选择
4.1.1.1被试泵的选择
液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换组件，在液压系统中，液压泵作为动力组件向液压系统提供液压能。
选取恒压变量泵63PCY14-1B进行了性能测试试验，被试泵公称排量为63mL/r，额定转速为1500r/min。
泵的基本参数是压力、流量、转速、效率。
泵的最高压力与最高转速不宜同时使用，以延长泵的使用寿命。
转速的选择应严格按照产品技术规格表中规定的数据，不得超过最高转速值。
至于其最低转速，在正常使用条件下，并没有严格的限制。
液压泵的主要类型有：
外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵。
因为本系统为低压系统，故可选双螺杆泵，具体型号由系统的最大工作压力与所需液压泵的流量决定。
4.1.1.2电机的选择
电气传动用交流电动机是将直流电能转变为机械能的旋转机械，特点是：
调速优良，过载能力大，可实现频繁的无级快速起动制动和反转，多用于宽调速的场合和要求有特殊运行性能的自动控制场合。
交流电机中最常用的是三相异步电动机和同步电动机，异步电动机结构简单，维护方便，重量较轻，成本较低，工作效率较高，负载特性较硬，能满足大多数工业机械的电气传动需要；同步电动机广泛适用于拖动不要求调速和功率较大的生产机械。
比较之后，本系统选择通用异步电动机。
根据被试泵的规格，变频电机选择Y250M-4-B3额定转速：
1410r/min，额定电压：
380v，额定功率：
55kw。
4.1.1.3联轴器的选择
联轴器是连接两轴或轴和口转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不分开的一种装置。
此外，联轴器还可能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及安全防护功能。
联轴器的类型应根据使用要求和工作条件来确定。
具体选择时考虑以下几点：
1.所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲和减振方面的要求。
2.联轴器工作转速高低和引起的离心力大小，对于高速传动轴，应选
用平衡精度高的联轴器，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器。
3.两轴相对位移的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴精确对
中，或工作过程中两轴将产生较大的附加位移时，应选用挠性联轴器。
4.联轴器的可靠性和工作环境。
5.联轴器的制造、安装、维护和成本，在满足使用性能的前提下应选
择拆装方便、维护简单、成本低的联轴器。
一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，适宜于一般的中小功率传动。
由于泵与电动机之间的传动不属于大功率传动，选择连轴器型号：
黎明CC-115。
4.1.2管道尺寸的确定
4.1.2.1管道的计算
由新版机械设计手册第四卷，第23篇，第4章―液压传动系统设计计算，查得
管道内径计算公式为：
（4-1）
壁厚计算公式
（4-2）
P──管道内最高工作压力（Pa）；
d──管道内径（m）；
[σ]──管道材料的许用应力（MPa），
；
σb──管道材料的抗拉强度（MPa），σb=520MPa；
n──安全系数，对钢管来说，P＜7MPa时，取n=8；P＜17.5MPa时，取n=6；P＞17.5MPa时，取n=4；这里取n=8。
则
（4-3）
管道内液体的流动速度如表4-2所示
表4-2允许流速推荐值
管道
推荐流速/（m/s）
液压泵吸油管道
0.5~1.5,一般常取1以下
液压系统压油管道
3~6，压力高，管道短，粘度小取大值
液压系统回油管道
1.5~2.6
取吸油管路油液流速为1m/s，压油管路流速为6m/s，回油管路为2m/s。
液压泵吸油管道内径：
，
圆整取标准值50mm。
液压泵吸油管道壁厚：
，
圆整取标准值3mm。
液压泵压油管道内径：
，
圆整取标准值25mm。
液压泵压油管道壁厚：
，
圆整取标准值2mm。
液压泵回油管道内径：
，
圆整取标准值32mm。
液压泵压油管道壁厚：
，
圆整取标准值2mm。
4.1.2.2硬管的选择
对于具有不同管路长度的刚性联接一般使用硬管。
在硬管和软管之间做出选择时，应选择硬管，因为硬管成本低、阻力小、安全。
多选用无缝钢管，无缝钢管耐压高，变形小，耐油，抗腐蚀，虽装配时不易弯曲，但装配后能长久保持原状，用于中压系统。
硬管可分为两大类，一类是通经定尺寸，另一类是外径定尺寸的。
泵的吸油和压油口直径是固定的，分别为50mm和42mm，根据新版机械设计手册第四卷，第23篇，第9章，表23.9-2―钢管公称通径、外径、壁厚、联接螺纹和推荐流量表，选取钢管管道直径如表4-3所示。
表4-3过滤系统管径（mm）
管道
外径
内径
吸油管道
50
44
压油管道
42
38
回油管道
42
38
布管的基本要求是：
1.为了减少摩擦损失，管子长度应尽可能最短。
2.固定点之间的直管段至少要有一个松弯以适应热胀冷缩。
应不惜任何代价的避免紧死的直管。
这种直管能在管路中造成严重的拉压应力，并使得管子从接头体后退才能装卸的管接头难以联接。
3.弯管应减至与布管的几何形状一致的最少数量，并采用尽可能大的弯管半径，否则难以与管接头找正。
管子总应该有一段直管接近管接头，而把任何近处的弯管调整到远处。
4.所有管路，尤其是高压管路均应适当支撑，尤其在高压系统中弯管前后及与软管连接之前必须支撑。
流量的任何突然扰动都将在弯管处产生使弯管伸直的倾向，如果管子未加支撑则导致“甩动”。
不过管夹不应将管子卡死，而应为热胀冷缩留出足够的窜动自由度。
5.弯管的半径R应根据管子中心和外径d来规定。
最小弯管半径为外径的2.5倍。
4.1.2.3软管的选择
软管用于连接相互运动的液压元件之间的挠性联接，或者用于有关元件的布置很不利，致使软管连接成为唯一现实的解决的办法的场合。
软管还起吸振和消声的作用，泵的出口要有一段软管，其目的就在于此。
系统压力、压力波动、油液流速、温度、油液、及环境条件构成了液压软管使用中的重要因素。
液压系统用的高压软管由合成橡胶制成，并根据拟用的负载加固。
与油连接的是耐油合成橡胶制成的内管，内管外面有若干层加固层。
加固材料可以是天然或合成纤维或细金属丝或它们的组合。
加固层可以是编织的，缠绕的或两者兼而有之。
最外面是一层耐油的蒙皮。
各层之间有粘接剂。
系统压力，压力波动，油液流速，温度，油液及环境条件构成液压软管使用中的重要因素。
本系统在泵的出口处应设液压软管，目的是吸收泵出口处的压力脉动。
型号：
A10×6S-35
4.1.2.4管子连接以及管接头的选择
管子与元件、管子与管子都需要相互连接。
连接有可拆卸连结和永久性连接。
永久性接头可以是熔焊的、钎焊的、冷挤压的和胶合的。
这种接头是由航
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