液壓控制系統(tǒng)設計

1、1 液壓缸選型四足機器人大腿上的液壓缸所受的推力較大，而小腿上的液壓缸所受的推力較小，而且，4個大腿上的液壓缸所受的最大推力接近，4個小腿上的液壓缸所受的最大推力也接近。因而，在設計液壓缸時，大腿上的液壓缸設計成相同尺寸，小腿上的液壓缸設計成相同尺寸。而四足機器人髖上的液壓缸僅在四足機器人受到橫向沖擊的情況下工作。根據(jù)仿真結果可知，髖上的4個液壓缸所受到的最大推力為1.8kN，最大速度為130mm/s。由于髖上的液壓缸推力和速度比大腿與小腿上的液壓缸推力和速度小很多，在設計時，總流量主要考慮大腿和小腿上液壓缸的疊加，髖上的液壓缸流量由蓄能器供給。根據(jù)仿真計算結果圖，大腿上的液壓缸所受最大推力取

2、8kN，小腿上的液壓缸所受的最大推力取4kN，即液壓系統(tǒng)的最大載荷為8kN。查閱液壓工程師技術手冊如下表所示，當載荷為510kN時，工作壓力宜取1.52MPa，為了使液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)性能更好，同時使機械結構更緊湊，取液壓缸的負載壓力為6MPa。 液壓缸暫定交由常州恒力液壓有限公司生產。1.1 大腿上的液壓缸大腿上的液壓缸設計成相同尺寸，該液壓缸的最大負載壓力為PLm=6MPa，所受最大負載推力為Fm=8kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液壓缸無桿腔壓力； P2液壓缸有桿腔壓力； A1液壓缸無桿腔有效面積，A1=4D2； A1液壓缸無桿腔有效面積，A2=4（D2-d2）； F負載推力；液壓

3、缸負載壓力F滿足：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圓整后取D=40mm。查閱液壓工程師技術手冊如下表所示，取d=25mm。根據(jù)仿真結果，液壓缸行程大于70mm即可。液壓缸和伺服閥組合成的液壓包外形圖按照之前設計的電動缸伺服電機外形圖設計。1.2 小腿上的液壓缸小腿上的液壓缸設計成相同尺寸，該液壓缸的最大負載壓力也為PLm=6MPa，所受最大負載推力為Fm=4kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液壓缸無桿腔壓力； P2液壓缸有桿腔壓力； A1液壓缸無桿腔有

4、效面積，A1=4D2； A1液壓缸無桿腔有效面積，A2=4（D2-d2）； F負載推力；液壓缸負載壓力F滿足：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圓整后取D=32mm。查閱液壓工程師技術手冊如下表所示，d與D的比值取0.5，所以，d=16mm。根據(jù)仿真結果，液壓缸行程大于70mm即可。液壓缸和伺服閥組合成的液壓包外形圖按照之前設計的電動缸伺服電機外形圖設計。1.3 髖上的液壓缸髖上的液壓缸設計成相同尺寸，該液壓缸的最大負載壓力也為PLm=6MPa，所受最大負載推力

5、為Fm=1.8kN。P1A1-P2A2=F其中，P1液壓缸無桿腔壓力； P2液壓缸有桿腔壓力； A1液壓缸無桿腔有效面積，A1=4D2； A1液壓缸無桿腔有效面積，A2=4（D2-d2）； F負載推力；液壓缸負載壓力F滿足：PLm=FmA1=P1-P2A2A1=6MPa由上式可以得到A1=FmPLm=18006mm2=300mm2所以，D=4A1=4×300=19.5mm圓整后取D=20mm。查閱液壓工程師技術手冊如下表所示，d與D的比值取0.5，所以，d=10mm。根據(jù)仿真結果，液壓缸行程大于70mm即可。液壓缸和伺服閥組合成的液壓包外形圖按照之前設計的電動缸伺服電機外形圖設計。2

6、 流量計算液壓缸內徑和活塞桿外徑確定后，可根據(jù)液壓缸的最大速度計算出各個液壓缸的最大流量，計算流量的公式如下Q=v4D26010-6(L/min)根據(jù)上述公式計算得到各個液壓缸所有動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髖1302.5將大腿和小腿上的8個缸的流量疊加，得到系統(tǒng)的總流量Q隨時間變化的曲線如下圖所示。由上圖可以看出，系統(tǒng)流量Q按正弦規(guī)律變化，最大流量為28L/min。髖上的液壓缸在四足機器人行走時并不工作，

7、只是在受到橫向沖擊時工作。所以，根據(jù)系統(tǒng)總流量選擇液壓泵時之不考慮髖上的液壓缸流量，髖上的液壓缸流量由蓄能器供給。3 電液伺服閥選型電液伺服閥根據(jù)液壓缸的最大負載壓力PLm和最大負載流量QLm來選型。最大負載壓力取PLm=6MPa，各個液壓缸的最大負載流量QLm前面已經計算出。油源壓力PS=32PLm=32×6MPa=9MPa閥壓降PV=PS-PLm=9-6=3MPa根據(jù)伺服閥樣本給出的額定閥壓降PVS及額定負載流量QLs及閥壓降PV，求伺服閥流量QLs=QLmPVSPV伺服閥選擇南京609所的FF系列電液伺服閥。3.1 大腿上的液壓缸QLs=QLmPVSPV=13.2×2

8、13=34.9L/min選擇FF106-63伺服閥，該型號伺服閥的主要性能指標如下表所示，外形如下圖所示。型號供油壓力范圍（MPa）額定供油壓力Ps（MPa）額定流量Qn（L/min）額定電流In（mA）頻率特性幅頻寬（-3dB）（Hz）相頻寬（-90°）（Hz）FF106-6322821631540503.2 小腿上的液壓缸QLs=QLmPVSPV=7.2×213=19.0L/min選擇FF102-20伺服閥，該型號伺服閥的主要性能指標如下表所示，外形如下圖所示。型號供油壓力范圍（MPa）額定供油壓力Ps（MPa）額定流量Qn（L/min）額定電流In（mA）頻率特性幅頻

9、寬（-3dB）（Hz）相頻寬（-90°）（Hz）FF102-202282120101001003.3 髖上的液壓缸QLs=QLmPVSPV=2.5×213=6.7L/min選擇FF101-8伺服閥，該型號伺服閥的主要性能指標如下表所示，外形如下圖所示。型號供油壓力范圍（MPa）額定供油壓力Ps（MPa）額定流量Qn（L/min）額定電流In（mA）頻率特性幅頻寬（-3dB）（Hz）相頻寬（-90°）（Hz）FF101-8228218101001004 泵站的設計液壓控制系統(tǒng)的泵站包括：液壓泵、油箱、過濾器、空氣濾清器等。4.1 液壓泵選型有上述計算結果可知，液壓控

10、制系統(tǒng)的流量和壓力需滿足如下要求：系統(tǒng)壓力P9MPa，最大流量Qmax=28L/min。液壓泵工作壓力和流量應滿足：PPP+P=9+0.5=9.5MPaQPKQmax=1.1×28=30.8L/min在進行液壓泵選型時，需要按照上述要求進行選型。查閱榆次油研齒輪泵的相關樣本如下圖所示，選擇CB單極齒輪泵的FC系列，型號為CB-FC16-10。該型號的齒輪泵幾何排量16mL/r，額定壓力10MPa，最高壓力16MPa，額定轉速2000r/min，驅動功率5.81kW，重量7.45kg。幾何排量轉化成流量為Q=V×n=16×2000×10-3L/min=32

11、L/min該型號齒輪泵的額定壓力和流量均滿足要求。4.2 油箱設計油箱的有效容積按下式計算V=aqV其中，qv液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）； a經驗系數(shù)，取a=2。所以，油箱的有效容積為V=aqV=2×32×10-3m3=0.064m3=64L。油箱的體積為VT=V0.8=640.8=80L。設油箱的長寬高之比為L:W:H=3:2:1，帶入公式VT=LWH得，H=237.13mm，W=474.26mm，L=711.39mm。圓整后得到，H=237mm，W=474mm，L=711mm。4.3 過濾器選型 選擇黎明液壓有限公司生產的過濾器，包括吸油過濾器和回油過濾器。4

12、.4 空氣濾清器選型選擇黎明液壓有限公司生產的EF系列空氣濾清器。液壓空氣濾清器工作時空氣流速越低，抗污過濾能力就越好，故在選用液壓空氣濾清器時應有一定的裕度，一般選用空氣流量為泵排量的1.5倍左右。查閱該系列產品的樣本后，選用型號為EF1-25的空氣濾清器，該產品的主要性能指標如下表所示，外形如下圖所示。型號加油流量（L/min）空氣流量（L/min）油過濾面積（cm2）空氣過濾精度（mm）油過濾精度（m）EF1-25965800.2791254.5 液位溫度計 液位溫度計選擇黎明液壓有限公司生產的NYWZ系列液位溫度計。5 蓄能器 大腿和小腿上的液壓缸流量由齒輪泵提供，而髖上的液壓缸流量由

13、蓄能器補充。取髖上的液壓缸流量為最大值，并疊加到系統(tǒng)總流量中，得到系統(tǒng)總流量隨時間變化曲線如下圖所示。在考慮髖上液壓缸的流量后，總流量最大值為38L/min。由于髖上的液壓缸在行走時不工作，只是在四足機器人受到橫向沖擊時工作，所以，蓄能器在系統(tǒng)中作應急能源，其有效工作容積為V=AiLiK=4×300×70×1.2mL=0.1L其中，AiLi要求應急動作液壓缸總的工作容積； K有野損失系數(shù)，一般取K=1.2。 根據(jù)上面的計算，選擇奉化奧萊爾液壓有限公司生產的NXQ型氣囊式蓄能器，蓄能器的型號為NXQ-A-0.4/10-L-Y。6 閥塊設計 閥塊設計是液壓控制系統(tǒng)設計的重要內容。需要集成在閥塊上的閥有：2個溢流閥、2個二位二通電磁換向閥，以及1個壓力表。6.1 溢流閥溢流閥選擇北京華德液壓工業(yè)集團有限公司生產的DBD型直動式溢流閥。連接方式選擇板式閥，壓力調節(jié)方式選擇帶保護罩的內六角調節(jié)螺栓，然后根據(jù)壓力和流量確定溢流閥的型號為DBD-S-6-P-10-B。溢流閥的安裝注意事項如下圖所示。6.2 電磁換向閥 電磁換向閥為二位二通電磁換向閥，選擇北京華德液壓的產品，產品樣本暫時未找到，暫時可按二位三通電磁換向閥設計三維圖。6.3 壓力表壓力