试验台液压系统设计

根据以上分析，因飞机在跑道滑行时，起落架缓冲器的负载特性较复杂，只能按道路谱提取极限参数：如最大行程、最大速度、最大激振力以及最高频率等。由图5.6可以看出最大速度（最大速度为0.2m/s）一定时，负载特性曲线。

0.350.30.25行程L/m0.20.150.10.0500510频率f/Hz1520

图5.6 最大速度一定时的负载特性曲线

5.2系统方案和液压系统图

5.2.4液压系统图

液压系统原理如图5.8所示。它由液位计1、吸油滤油器2、电接点温度计3、液位继电器4、电机5、内啮合齿轮泵6、单向阀7、高压滤油器8、蓄能器9、防震压力表10、溢流阀11、直动式溢流阀12、电磁换向阀13、伺服阀14、作动器15以及油源组成。

图5.8 液压系统图

5.2.5液压回路原理

在图5.8所示的液压系统中，采用两组油泵电机（电机5和油泵6）并联共享一个油箱的结构，两组电机可以独立运行或并联运行，运行灵活，确保系统在小流量运行时节约能量。泵采用直线共轭内啮合齿轮泵，它的特点是，在液压行业被喻为“永不磨损的油泵”，用于高、精、尖液压系统。与叶片泵、柱塞泵相比，直线共轭内啮合齿轮泵低噪音、无脉动、长寿命等卓越性能。

蓄能器9是用来减少压力波动。这个蓄能器的作用主要的是在伺服阀打开时能向系统补充油液，使伺服阀进油压力少跌或基本保持不变。如果没有蓄能器的补充，阀开启后的短时间内，阀的进口也就是泵的出口压力要低下去然后再升上来，这样就影响了阀的控制性能，这是一种稳定系统压力的主动设计。

伺服阀14属于典型位置控制系统，它的控制原理如图5.9所示。伺服阀体与液压缸固结在一起，构成了反馈控制。在控制过程中，首先由计算机给定输入指令，推动电液伺服阀的阀芯，液压油进行液压缸，推动其运动。液压缸的输出位移和输出力能够不断地回输到阀体上，与滑阀的输入位移相比较，得出两者之间的位置偏差，即滑阀的开口量。由于开口量的存在，油源的压力油就要进入液

压缸，驱动液压缸运动，使阀的开口量（偏差）减小，直至输出位移与输入位移相一致时为止。可以看出，这个系统就是利用反馈得到偏差信号，控制液压能源输入系统的能量（流量和压力），使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符，即以偏差来消除偏差。

- Uf Mt Ur + 伺服放大器 电液伺服阀 Bp Xp

图5.9 电液位置伺服系统

位移传感器 K

高低压软切换液压模块（如图5.10）：该试验机油源唯一的一个液压模块，由远程遥控先导溢流阀、直动溢流阀、截止式节流阀、电磁换向阀、压力表以及精密滤油器等液压元件组成。该模块配合数字单通道伺服控制器具有低压启动、高低压切换功能，避免开车即高压，延长系统元件的运行寿命。该模块为带电高压、掉电低压，保证了试验过程以及试验机的运行安全性。

图5.10 高低压切换原理图

高低压模块是通过电磁来控制的。高低压的切换由13号电磁阀实现，在原

位（即图示位置，此时电磁阀失电）时11号溢流阀的先导控制油由上面那个12号的溢流阀回油箱，调定较低压力P1，即上面那个阀调定低压；在13号通电后原来的油路被切断，那控制油改由下面那个12号阀回油箱，即下面那个阀调定高压P2，此时电磁阀得电（它就将上面那个先导阀的出口堵死了，上面的先导阀不起作用），系统就得到较高的调定压力；实际上12号两个是先导阀，而11号的溢流阀作为系统的安全阀，当然他的调定压力应该比12号的高压再高一点，11号主阀本身内带的先导阀压力调的最高，作为安全阀使用。不论是上面的先导阀接通，还是下面的先导阀接通，只要系统出现异常高压，在内带先导阀达到它的较高的调定值时，它发挥作用，保护系统的安全。

在此液压系统中，两个泵都工作时，系统流量为两个液压泵额定流量的总和，压力为12号溢流阀调定的压力

5.3确定动力元件的参数

动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。

动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸有效面积、伺服阀的流量。 5.3.1初选供油压

液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：

(1)各类设备的不同特点和使用场合。

(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。

〔液压设

在本方案中，根据负载力情况，选择中压，选供油压力为ps ＝21MPa。计手册p1385〕

5.3.2执行元件选择

电液伺服控制系统按液压控制元件不同，分为泵控式和阀控式两大类。 泵控系统(容积式)是利用伺服变量泵改变排量的方法控制输入输出执行元件流量的系统；阀控系统(节流式)由电液伺服阀利用节流原理控制输入执行元件流量的系统。

泵控系统效率高，发热量小，系统刚度大，一般用于功率较大的场合。但该

系统结构复杂，调节惯量大，快速性不如阀控系统。阀控伺服系统具有高精度、高频响等优良控制特性，所以应用范围极其广泛。

激振台要求分辩率高、频响高，因而系统的控制精度高、动态响应高，所以选用阀控缸电液控制系统。

液压缸行程选为400mm，因实际要求是300mm。 5.3.3液压缸的设计计算

（1）液压缸主要尺寸的计算

在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力Fmax选

2择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定FmaxpLApsA，并认为负

3载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样若负载特性较明确，则按最大功率传输条件（pL≤2/3ps），可确定活塞理论有效面积。

液压动力机构的最大功率点公式为：

1Q02vFPsA3A3

是动力机构和负载轨迹点相重合，并认为他们在该点相切。 可得活塞理论有效面积：

20mm A式中，F――负载力，N;

FmaxFmax250000N0.0179m2 22pLps21106Pa33 pL――伺服阀工作压力，Pa; A――液压缸有效面积，m2;

ps――供油压力，MPa;

由此确定活塞最小理论有效面积为0.0179m2。

尽管取pL2/3ps，可以达到最大功率传输，并有足够的流量输出以保证良好的控制能力。当负载很大时可取pL5/6ps [液压设计手册p.21-88~89]，此时活塞最小理论有效面积为0.0143m2，依据液压手册选缸内径为D=180mm，活塞杆直径为

d=110mm，则实际有效面积为Ap=0.01594m2。

则实际有效面积为：

D2d2p0.01594m2

22（2）液压缸的流量计算

由图5.6知，当最大速度一定时，即活塞最大速度为0.2m/s，则液压缸理论最大流量（负载流量）为：

QL=A·vmax(m3/s)=0.01594m2×0.2m/s=0.003188m3/s

式中，A――为液压缸的有效面积，m2；

vmax――为液压缸的最大速度，m/s; QL――为最大流量，L/min;

因为1m3/s＝60000 L/min，即QL=0.003188m3/s×60000 L/min＝191.28L/min， （3）缸筒壁厚校核

当 /D 0.3时，可用下式校核缸筒壁厚

D 2式中，——缸筒壁厚(m)

0.4p1

1.3p——缸筒材料许用应力(Pa) bn 对40Cr，b＝750Mpa。

n――安全系数，一般取n＝5

p――油缸最大压力，Pa，取p＝ps

将数值代入式得

0.18750106/50.42110610.01226m 66275010/51.32110根据结构安排取20mm。

5.3.4伺服阀选择

电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够把微小的电气信号转换成大功率的液压能（流量和压力）输出。

按伺服阀的功用，可分为流量伺服阀（用于控制输出的流量）和压力伺服阀（用于力或压力控制系统）两种。由于此处为位置控制，所以需选用流量型伺服阀。伺服阀必须满足负载流量和负载压降的要求，可根据计算得到的空载流量

Q0由伺服阀样本确定伺服阀规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，伺服阀的输出流量应留有一定余量，通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。

QL＝191.28L/min

Q03QL1.732191.28331.30L/min

考虑阀的泄漏量和留有一定的余量，查阅伺服阀样本，确定选用FF113-230型电流伺服阀。主要参数：额定供油压21MPa;额定流量230L/min;额定电流40mA。

5.3.5动态品质计算

(1) 液压固有频率

当活塞处于液压缸中间位置时，实际有效面积为Ap =0.01594m2，取Mt57kg（液压缸中油液质量和激振上接脚质量）。液压固有频率为

h24eApVtMt410001060.0159421672rad/s266.2Hz

0.40.0159457式中，Ap——活塞有效面积m2

e——油液的容积弹性模量，考虑到系统在21MPa左右的压力状态下工

作，取e1000MPa

Vt——工作腔容积m3

Mt——与活塞相连的运动部件质量kg

（2）系统传递函数及方块图

U1 伺服阀放大U2 位移传感器 图5.11 伺服系统方块图

△I △Q 伺服阀 液压缸 xp 如图5.11，流量型伺服阀增益

QL(s)2sI(s)ksv2sv

12svsv式中，ksv——伺服阀增益 m3/(s A)

ωsv——伺服阀频宽 rad/s

ξsv——伺服阀阻尼系数，一般为0.5~0.7 （3）各环节的传递特性如下

（1）放大器作比例环节，其增益为k1（mA/V） （2）流量型伺服阀增益

QL(s)2sI(s)2svksv2sv

1sv式中，ksv——伺服阀增益 m3/(s A)

ωsv——伺服阀频宽 rad/s

ξsv——伺服阀阻尼系数，一般为0.5~0.7

此处，伺服阀使用频率小于30Hz，远低于系统频率，视为比例环节，增益为

ksv=Q0/I0，单位为 m/(mA s)。

（4）位移传感器作比例环节，其增益为kf (V/m)。 （5）阀控缸

伺服阀的综合特性的拉氏变换为

QL(s)kqxv(s)kcpL(s)，但暂缺伺服样本，以QL(s)ksvI(s)

油缸流量方程的拉氏变换为

QL(s)Apsxp(s)kcepL(s)VtspL(s) 4e设负载为惯性加阻尼负载，则油缸上力平衡方程的拉氏变换为

F(s)AppL(s)Mts2xp(s)Bsxp(s) 得

xp(s)ksv VMkMVBkBI(s)s[tts2(cett)(Apce)]4eApAp4eApApxp(s)ksv/Ap I(s)s[VtMts2(kceMtVtB)(1kceB)]22224eApAp4eApAp式中 令 h24eApVtMt ，hkceApeMtVtBVt

4ApeMtU1 k1 U2 △I sv △Q ksvs22sv12sv1/Aps(s22h s1)xp 2hhkf 图

xp(s)ksv/Ap

s22hI(s)s(2s1)hh通过方块图计算得到系统开环传递函数Go(s)为

Go(s)s(k1kfksv/Aps22h2h

hs1)（6）稳定性判断

取ξh=0.15,ωh=1672rad/s，Ap =0.01594m2

则稳定性条件为kv≤2×ξh×ωh=501.6，kv取值应在（0.2~0.4）ωh之间较为合适，即为334.4~668.8。

位移传感器作比例环节，kf=10/320 V/mm=31.25 V/mm。 流量增益为ksv=Q0=331.3/(100060) /40=1.3810-4 m/mA I0kv = k1 kf ksv/Ap=0.2705 k1,取k1=100，则kv=27.05。 kv≤2×ξh×ωh=501.6 所以，此系统稳定。

流量型伺服阀增益

QL(s)2sI(s)ksv2sv

1式中，ksv——伺服阀增益 m/mA

2svsvωsv——伺服阀频宽 rad/s

ξsv——伺服阀阻尼系数，一般为0.5~0.7 将已知数据代入系统环传递函数Go(s)中得

Go(s)54.12 2s20.15s(s1)2167216725.4液压元件的选择

5.4.1泵的选择

泵的流量取液压缸流量的1.1～1.3(泄漏系数) 倍（参见《机械设计手册》第5卷，北京：机械工业

出版社，1992，p.106）

供油压选为21Mpa时，泵的流量应为1.3QL=1.3×192.3L/min =250L/min。 选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力和流量，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2560%。

本液压系统采用两个泵并联运行，所以选用NB5-G80F型内啮合齿轮泵，额定压力为25 MPa，公称排量120 L/min，额定转速1500 r/min。 5.4.2电机的选择

当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：

pQPp3p(kW)

10pQp――为液压泵的流量(m3/s)

式中，pp――为液压泵的最大工作压力(Pa)

p――为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表5.3估取，

液压泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。

表5.3 液压泵的总效率

液压泵类型 总效率 齿轮泵 0.6～0.7 螺杆泵 0.65～0.80 叶片泵 0.60～0.75 柱塞泵 0.80～0.85 取0.8

PppQp103p211061201030.816000052.5KW

考虑到注射时间较短，而电动机一般允许短时间超载25％，这样电机功率还可以降低一。

100验算其他工况时，液压泵的驱动功率小于或近于此值。P52.542KW。

125查产品样本，选用Y225M-4(45KW)型电机，额定功率45KW，额定转速1480 r/min。 5.4.3 阀类元件的选择

选择依据：

（1）阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取。

(2)一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。

所选阀的规格如表5.4所示。

表5.4 液压阀明细表

图中序号 7

图中序号 12 公称压力MPa 31.5

图中序号 11 公称直径mm 3/4

图中序号 13 通径mm 5 名称 单向阀 型号 S25A3/2 数量 2 通径mm 25 最大流量L/min 300 名称 直动式溢流阀 流量L/min 50 型号 DBDS6K10/31.5 进油口Mpa 6.5 数量 2 回油口Mpa 31.5 通径mm 6 名称 溢流阀 最高流量L/min 320 型号 R1-G06-3-20 最高使用压力MPa 35 数量 1 压力调整范围Mpa 3.5－25 名称 电磁换向阀 最大压力MPa 25 型号 3WE5B6.0/G24NZ5L 直流电压V 24 数量 1 （注：图中序号指的是图5.8 液压系统图中的序号。）

5.4.4滤油器的选择

选择滤油器的依据有以下几点：

(1)承载能力：按系统管路工作压力确定。

(2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅表5.5。 (3)通流能力：按通过最大流量确定。

(4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。 所选滤油器规格如表5.6和表5.7所示。

表5.5 滤油器过滤精度的选择

系统 低压系统 70×105Pa系统 100×105Pa系统 140×105Pa系统 过滤精度(μm) 100～150 50 25 10～15 元件 滑阀 节流孔 流量控制阀 安全阀溢流阀 过滤精度(μm) 1/3最小间隙 1/7孔径(孔径小于1.8mm) 2.5～30 15～25 电液伺服系统 高精度伺服系统 5 2.5 5.6 吸油滤油器规格

图中序号 2 过滤精度μm 80 名称 吸油滤油器 旁通阀开启压力Mpa 0.02 型号 WU-400×80F-J 原始压力损失MPa ≤0.01 5.7 高压滤油器规格

数量 2 通径mm 65 公称流量L/min 400 型号说明WU 网式过滤器 图中序号 8 通径mm 50 名称 高压滤油器 过滤精度μm 3 型号 ZU-H400×3BP 原始压力损失MPa 0.2 数量 1 公称压力Mpa 32 公称流量L/min 400 型号说明ZU 纸质过滤器

5.4.5蓄能器的选择

蓄能器用于补充液压泵供油不足时，其有效容积为：

3VAliiK-Qpt m 式中，A——为液压缸有效面积(m2)；

L——为液压缸行程(m)；

K——为液压缸损失系数，估算时可取Ｋ＝1.2；

Qp——为液压泵供油流量(m3/s)；

t——为动作时间(s)。

选NXQ1-L1/31.5-H型蓄能器，公称容量1L，工作压力31.5Mpa，皮囊式蓄能器。

5.4.6油箱的设计

油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。其形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。开式油箱应用较多。

1.油箱设计要点

(1)油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流

回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。

(2)吸箱管和回油管的间距应尽量大。

(3)油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。 (4)注油器上应装滤网。

(5)油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。 2.油箱容量计算

油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。

VKq 式中，K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；

q为同一油箱供油的各液压泵流量总和。

VKq＝（5～7）×2×120L/Min ＝6×2×120L/Min＝144L

第六章 基于MSC.EASY5的液压仿真计算

第七章 总结与展望

7.1 工作要点 7.2 工作展望

20 徐灏主编，机械设计手册第1卷，机械工业出版社，1992年1月。

关于取5/6ps的参考出处：成大先主编，《液压设计手册：液压控制》单行本，北京；化学工业出版社，2004：21-88~89 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 作动器 伺服阀 电磁换向阀 直动式溢流阀 溢流阀 防震压力表 蓄能器 高压滤油器 单向阀 内啮合齿轮泵 电机 FF113-230 3WE5B6.0/G24NZ5L DBDS6K10/31.5 R1-G06-3-20 YN-63-I25 NXQ1-L1/31.5-H ZU-H400×3BP S25A3/2 NB5-G80F Y225M-4(45KW) 1 1 1 2 1 1 1 1 2 2 2 自制 襄樊609所 上海立新 上海立新 日本不二越 温州黎明 奉化奥莱尔液压有限公司 温州黎明 上海立新 上海航空发动机制造厂 皖南电机厂 4 3 2 1 序号 液位继电器 电接点温度计 吸油滤油器 液位计 名称 YKJD24-650-850 WSSD-401 WU-400×80F-J YWZ-450 规格 1 1 2 1 数量 温州黎明 天津欧迪 温州黎明 温州黎明 供货商