畢業設計（論文）污泥處理船用液壓系統油路塊設計研究學生姓名：學號：學部（系）：機械與電氣工程學部專業年級：09級機械設計制造及其自動化指導教師：職稱或學位：教授2013年5月20日目錄TOC\o"1-3"\h\u25208摘要 319046關鍵詞 320721Abstract 421115Keywords 524007前言 6240261緒論 8170711.1論文概述 8174611.2液壓集成塊國內外研究現狀 10209931.2.1國外研究現狀 10189951.2.2國內研究現狀 11130061.3課題的研究背景 1291111.4本文選題的意義 13140451.5本文研究的主要內容 13235142污泥處理船液壓集成塊設計總體框架 14249322.1液壓系統的組成 141142.2液壓系統設計的基本內容 14114462.3回路型式的確定 155912.4主要技術參數的確定 15200352.5編制系統原理圖 20123843液壓系統油路塊在PRO_E中的三維造型 22295833.1油路塊所需元件的三維造型 22315153.1.1油路塊1的三維造型 2220773.1.2油路塊2的三維造型 23290163.1.3螺母的三維造型 24213333.2裝配 25105024油路塊的制造工藝 26304444.1選材 2667834.2加工工藝 27228835強度校核 29275295.1有限元分析概述 29202895.2限元法的基本步驟 2939165.3彈性力學基本變量 2926945.4彈性力學基本方程 32201545.5橫梁ANSYS分析 3426785結束語 363796參考文獻 372615致謝 39污泥處理船用液壓系統油路塊設計研究摘要隨著現代船舶配套產品的發展，船舶液壓系統越來越多地采用液壓油路塊連接，采用油路塊液壓系統可以減少管路連接和接頭，具有結構緊湊、安裝維護方便、泄漏少、振動小、利于實現典型液壓系統的集成化和標準化等優點。因此對船舶液壓系統進行油路塊設計對于提高船舶液壓系統的穩定性、節約資源等有重要的意義。但現有的集成塊設計方法尚存在諸多不足之處，本文在閱讀了國內外有關液壓集成塊設計方法的基礎上，提出了利用虛擬設計技術來實現船舶液壓油路塊設計的方法。采用虛擬設計技術可以使設計者在虛擬設計環境下，對油路塊外形進行布局，然后對內部孔道進行設計。在虛擬環境下進行集成塊設計，既降低了空間想象的難度，顧全了孔道干涉情況，又大大地縮短了設計和校驗的時間，使設計者快速完成油路塊的孔道設計。在船的各個方面設計中，我認為液壓系統油路塊的設計是最為重要的。本篇論文主要研究污泥處理船用液壓系統油路塊的設計，通過液壓油的流量計算，計算出最小孔徑，以Pro_E軟件為設計平臺，完成集成塊的三維建模，并通過ANSYS軟件模擬兩安裝孔間液壓油通過時對孔壁的壓力載荷，進而進行強度校核，設計出符合要求的油路塊。關鍵詞：液壓油路塊；虛擬設計；Pro_E；三維建模；ANSYSThehydraulicsystemmanifoldblockdesignresearchofsludgetreatmentshipAbstractWiththedevelopmentofmodernMarineaccessories,Marinehydraulicsystemarecollectedbyhydraulicmanifoldblocksmoreandmore.Usingintegratedhydraulicsystemcanreducethepipelineconnectionandjoint.Italsohastheadvantagesofcompactstructure,convenientinstallationandmaintenance,lessleakage,andsmallvibration.Besides,itcontributestotheintegrationandstandardizationoftypicalhydraulicsystem.So,itisimportanttodesignmanifoldblockstoMarinehydraulicsystemwhichcontributestoimprovingthestabilityoftheMarinehydraulicsystemandsavingresources.Buttheexistingintegratedblockdesignmethodstillhasmanyshortcomings.Inthispaperonthebasisofreadingabouthydraulicintegratedblockdesignmethodathomeandabroad,weproposethemethodofusingvirtualdesigntechnologytoachievethedesignofMarinehydraulicintegratedblock.Usingvirtualdesigntechnologycanmakethedesignerslayouttheshapeoftheintegratedblockinthevirtualdesignenvironmentandthendesigntheinternalchanneldesigningofmanifoldblocksunderthevirtualenvironmentcannotonlyreducethedifficultyofspacetoimagine,butalsoconsiderthechannelinterferenceandshortenthetimeofthedesignandvalidation,whichMakedesignersquicklycompletechanneldesignofmanifoldblocks.Inallaspectsofdesigningtheship,Ithinkthedesignofhydraulicsystemintegrationisthemostimportant.ThispapermainlystudiesthedesignofMarinehydraulicsystemintegratedblockofthesludge.andthroughthehydraulicoilflowcalculation,wecalculatetheminimumaperture.Atlast,intheplatofthesoftwareofPro/E,wecompleteintegratedpieceof3dmodeling,What’smore,throughthesoftwareofANSYS,wesimulatepressureloadWhenthehydraulicoilthroughtheholewalltotestthestressanddesignanoilblockwhichmeetstherequirements.Keywords:hydraulicmanifoldblock；Virtualdesign；Pro_E；3dmodeling；ANSYS前言在我國，河床升高、湖底變高等導致的“天河”、“天湖”等現象出現的報道屢見不鮮，其中污泥的沉積是造成河床和湖底升高的主要因素。當河底的污泥堆積越來越多時，就會導致河床不斷升高，這些現象在我國的長江和黃河等河流中表現得尤為明顯，不斷升高的河床對我國很多地方人民的生命和財產造成了潛在的威脅，為此對污泥進行處理變得非常有緊迫性和目的性。污泥處理現在正是國內外熱門的研究領域，因為它關系著人與自然的和諧相處。污泥分為以下幾類：（1）原污泥：未經污泥處理的初沉淀污泥，二沉剩余污泥或兩者的混合污泥。（2）初沉污泥：從初沉淀池排出的沉淀物。（3）二沉污泥：從二次沉淀池（或沉淀區）排出的沉淀物。（4）活性污泥：曝氣池中繁殖的含有各種好氧微生物群體的絮狀體。（5）消化污泥：經過好氧消化或厭氧消化的污泥，所含有機物質濃度有一定程度的降低，并趨于穩定。（6）回流污泥：由二次沉淀（或沉淀區）分離出來，回流到曝氣池的活性污泥。（7）剩余污泥：活性污泥系統中從二次沉淀池（或沉淀區）排出系統外的活性污泥。污泥處理就是對污泥進行濃縮、調治、脫水、穩定、干化或焚燒的加工過程。它有以下幾種處理類型：（1）污泥消化：在氧或無氧的條件下，利用微生物的作用，使污泥中的有機物轉化為較穩定物質的過程。（2）好氧消化：污泥經過較長時間的曝氣，其中一部分有機物由好氧微生物進行降解和穩定的過程。（3）厭氧消化：在無氧條件下，污泥中的有機物由

厭氧微生物進行降解和穩定的過程。（4）中溫消化：污泥在溫度為33-53℃時進行的厭氧消化工藝。（5）高溫消化：污泥在溫度為53-330℃進行的厭氧消化工藝。（6）污泥濃縮

：采用重力或氣浮法降低污泥含水量，使污泥稠化的過程。（7）污泥淘洗：改善污泥脫水性能的一種污泥預處理方法。用清水或廢水淘洗污泥，降低消化污泥堿度，節省污泥處理投藥量，提高污泥過濾脫水效率。（8）污泥脫水：對濃縮污泥進一步去除一部分含水量的過程，一般指機械脫水。（9）污泥真空過濾：利用真空使過濾介質一側減壓，造成介質兩側壓差，將污泥水強制濾過介質的污泥脫水方法。（10）污泥壓濾：采用正壓過濾，使污泥水強制濾過介質的污泥脫水方法。（11）污泥干化：通過滲濾或蒸發等作用，從污泥中去除大部分含水量的過程，一般指采用污泥干化場（床）等自蒸發設施或采用蒸汽、煙氣、熱油等熱源的干化設施。（12）污泥焚燒

：污泥處置的一種工藝，它利用焚燒爐將脫水污泥加溫干燥，再用高溫氧化污泥中的有機物，使污泥成為少量灰燼。鑒于污泥處理操作的復雜性，我們有必要設計一種污泥處理船，使其能在很深的污泥中行走，從而對污泥進行處理以及進行更深入的科學研究工作。但是使污泥處理船在水和污泥混合物中行走是一件非常復雜和麻煩的事情，所以我們非常有必要對實現這種功能的船進行設計研究。目前，國外對這種船的研究還是比較先進的，而國內對它研究還是相對落后的。在國外的研究中，船體的行進都是不連續的，將來會向平穩運動發展。這將是一個非常實用的研究。集成塊是靜壓作用的零件，靠液壓油靜壓力使機械運動，這是與其它設備的基本不同點。最突出的特點是更容易獲得大的壓力。集成塊是靠沖擊力打擊鍛造出來的，因而會產生較強的密度。為了提高打擊效率和減輕振動，需要有很大的鋼座和良好的地基，因而鍛錘不可能造得很大。集成塊是靠液壓油機構傳遞能量，由于受到液壓油的限制，一般只造到500以下。集成塊利用靜壓力工作，不需要大的鋼座和堅實的地基。由于采用了液壓傳動，其動力設備可以與主機分開安置，可以適當加大柱塞的直徑或采用多缸聯合工作的方式來獲得大的工作壓力。目前大型集成塊已達到500以上。集成塊容易獲得大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作壓力；在工作行程的任意位置都可以回程。機械傳動的壓力機的滑塊行程是不變的，并且只能在滑塊下止點前較小的行程內產生標稱壓力。而且必須在下止點后才能回程，如果過載將會發生炯車現象，導致損壞。液壓機則與其相反，所以液壓機對要求工作行程較長而且變形力均勻的工藝十分適應。容易獲得大的工作空間。集成塊本體沒有龐大的機械傳動機構，其液壓缸可根據操作的要求來布置，因而可以容易地獲得較大的工作空間。工作壓力可以調整，可以實現保壓，并可防止過載。例如，有個工作缸的液壓機可以很容易地獲得三級不同的工作壓力。將高壓液體通人中間工作缸得到第一級壓力；通入兩側工缸得到第二級壓力；個工缸同時通入高壓液體就得到第三級壓力。油路板可以作長時間的保壓翩伏系統有調壓裝置，可以根據要求來調整液體的壓力。它的安全裝置，能可靠地防止過載。調速方便。通過調整通人工作缸液體的流量，可以實現各種行程速度。例如，實現空程下降和回程時高速，工作行程時慢速，而且這種調速是無級的。液壓機結構簡單，操作方便。油路板的本體結構很簡單，而且容易制造。特別是中、小型的液壓機，由于液壓元件的標準化、系列化和通用化程度的提高，使其設計與制造更為簡便，成本降低。液壓機還易于實現自動控制和遙控。油路板工作平穩。撞擊、振動和噪聲都較小，有利于改善工人的勞動強度和工作條件。缺點是油路板采用液體作為工作介質，因而對液壓元件的精度和密封條件要求較高。另外，不可避免的泄漏會帶來環境的污染。液壓系統集成塊的設計對整個污泥處理船來說是一個很重要的環節，在設計的時候必須要以一個嚴謹的態度對待，設計一個好的液壓油路塊可以大大提高污泥處理船的工作效率和使用壽命。1緒論1.1論文概述液壓傳動與控制技術在國民經濟各個領域應用廣泛，目前在船舶上的應用也已是相當普遍。一個液壓系統由若干液壓元件組成，這些液壓元件要根據控制要求連接起來組成一個完整的液壓系統。隨著液壓技術的發展，液壓系統設計與制造的復雜性也越來越高。對復雜的液壓系統，若采用大量的管接頭和管子連接，易造成管道污染，引起系統故障，還會因振動和沖擊引起泄漏，降低效率，并且還會增大系統的體積；若采用液壓油路塊（集成塊），使液壓系統象電子系統那樣把元件集成化、單元化，則可減少系統的能量損失，系統結構緊湊，便于安裝，符合節能節材、優化設計的原則。在開始設計液壓系統時，首先要對機械設備主機的工作情況進行詳細的分析，明確主機對液壓系統提出的要求，具體包括以下方面：(1)主機的用途、主要結構、總體布局，主機對液壓執行元件在位置布置和空間尺寸上的限制；(2)主機的工作循環，液壓執行元件的運動方式（移動、轉動或擺動）及其工作范圍；(3)液壓執行元件的負載和運動速度的大小及其變化范圍；(4)主機各液壓執行元件的動作順序或互鎖要求；(5)對液壓系統工作性能（如工作平穩性、轉換精度等）、工作效率、自動化程度等方面的要求；(6)液壓系統的工作環境和工作條件，如周圍介質、環境溫度、濕度、塵埃情況、外界沖擊振動等；(7)其他方面的要求，如液壓裝置在重量、外形尺寸、經濟性等方面的規定或限制。如圖1.1所示，液壓油路塊是預先鉆有多個孔的閥塊體，其外部安裝有各種液壓元件，如液壓閥、管接頭、壓力表等，其內部的孔道與元件孔道相連通，構成液壓集成回路，實現系統控制要求。液壓系統使用油路塊有如下幾點好處：(1)減少閥和管路安裝的勞動量，用戶可以利用這種技術升級現有的設備。(2)減小液壓系統的尺寸，降低其重量。(3)能在靠近傳動裝置的狹小空間內實現更多功能。(4)減少管路連接，降低泄漏的可能性。(5)減少暴露的管路安裝，降低環境中可能對它們造成的破壞。(6)管路連接變少，系統壓降和生熱減少，系統效率提高。(7)在不破壞外部管路連接的情況下可以很快移走并替換元件，提高系統的適應性。圖1-1液壓油路塊總結上述特點可知，液壓油路塊具有結構緊湊、安裝維護方便、泄漏少、占地面積小、易于實現標準化等優點，因此在船舶液壓系統中應用是非常有必要的，也是末來船舶液壓系統發展的趨勢。由于船舶液壓系統組成并沒有標準的模式以及各個零件之間相互連通關系具有多樣性，這樣油路塊在外部就是各種不規則的元件在各面上的緊湊布局，內部是十分密集、復雜的孔道構成孔系網絡，設計起來既費時又費力而且容易出錯。在生產中，集成塊上元件的安裝盡可能緊湊、均勻地分布在集成塊體各面，不但要方便安裝，還要便于調試，并且滿足一定的約束條件。元件布局方案與孔系網絡連通要求一起成為孔道設汁的起始條件。元件間通過內部孔道連通，如果無法直接連通則需要設置工藝孔。船舶液壓系統的集成塊塊體上的孔數可能達幾十乃至上百個，且多呈縱橫交錯的行式，如果存在干涉，必需將處于同一閥組上的孔組做整體移動，因此常常出現移動了一個元件，另一個元件也產生錯誤的情況。同時，設計時還必須滿足非連通孔道間安全壁厚等要求。這些問題導致傳統的人工布局、孔道連通及校核異常困難，即使采用一般的計算機輔助軟件方法也難以確保設汁質量。集成塊的生產制造在目前還屬于單件小批量的生產模式，如果在設計階段投入大量的時間和精力就會導致設計生產過程工作效率低下，因此亟待采取有效的計算機輔助方法來準確而快捷地解決集成塊安裝布局與孔道設計這一難題，這已經成為國內外眾多研發機構和人員關注的焦點和難點。1.2液壓集成塊國內外研究現狀總的來說，國外工業發達國家開展CAD、CAM的工作較早，從70年代就開始進行研究和探索利用計算機進行液壓系統和液壓元件的計算機輔助設計，從80年代開始研究將CAD、CAM技術應用于液壓技術領域，但公開推出的軟件并不多，尤其是液壓集成塊設計的軟件比較少。國內從80年代開始研究液壓集成塊CAD技術，90年代形成一種熱潮，開發的軟件、發表的文章比較多。國內研究液壓集成塊比較有影響的幾家單位是：上海交通大學、浙江大學、大連理工大學、華中科技大學、北京自動化研究所。以下就集成塊的國內外研究情況作一些簡單介紹。1.2.1國外研究現狀國外從20世紀70年代初就開始研究和探索利用計算機進行液壓系統和元的輔助設計工作，迄今開發出的各類液壓CAD軟件已有數十種。德國漢堡技術大學設計技術第一研究室的DFG研究計劃開發了液壓集成塊專用CAD設計系統。通過設計知識和計算程序的應用，該系統有效地支持使用者進行液壓集成塊設計，其決定性的技術是面向對象的建模核心的應用。該系統對液壓元件進行面向對象的產品建模，擁有產品模型的建立與管理、液壓油路圖的輸入、元件布置定位、孔系生成等操作，能進行集成塊設計的相關計算，包括壓力損失計算、孔道干涉能校驗、最小壁厚計算等。德國亞深工業大學研制的在ATM—ClassicModel7870計算機上用于設計液壓控制閥塊的程序包HYKON。該程序包由一組液壓元件數據集和用于設計和布局的程序集組成，通過對話交互布置液壓元件，具有自動設計孔道、校核孔道、輸出符合標準的閥塊視圖和任意剖視圖等功能。英國巴斯大學借鑒印刷電路板和集成電路的設計思想在PDPIl／23計算機上研制了VOLE程序，可繪制液壓閥塊等元件的立體模型圖，包括復合剖面圖和孔道實體圖等，設計人員可以用來校核所設計的閥塊油路連通情況。勢蘭坦佩雷理工大學在HPIOOO／A700小型機上借助于AGP三維圖形軟件開發出用于插裝閥塊設計的KYBLO軟件包，可做到孔道設計與干涉校驗同步進行，可以修改孔徑、移動孔位，還具有孔表信息輸出、刀具選擇和刀具軌跡定義及NC代碼生成等功能。液壓集成塊智能優化設計系統一算法與典型實用設計技術。法國Grcnoble機械學院的Chambon和Tollenacre將人工智能和CAD技術相結合來解決集成塊的元件布局和孔道設計問題。以色列理工學院研制的CADSS4X專用軟件提供實體、線框、表面三種模型來表達集成塊和孔道，根據人工設計的孔道坐標表快捷地生成集成塊各向視圖，幫助使用者設計出滿意的原型。與此同時，一些國際知名的大液壓公司如美國EatonCorp、ParkerHannifinCorp、VestInc、MoogLtd、加拿大ApolloMachineryLtd、意大利Atos公司、德國BoschRexrothCorp等，也廣泛開展了液壓集成塊CAD／CAM技術的研究與應用。其中在專用設計軟件開發方面比較突出的有Vest公司、Eaton公司等。Vest公司開發了液壓集成塊設計從原理圖一集成塊一裝配體的一整套解決方案：SOTools(SchematicDesignTools)和HyDraw(Hydrauliccircuitdesign)軟件應用“快捷目錄”技術方便準確地繪制液壓原理圖：ADTools(AssemblyDesignTools)是一個ZD裝配繪圖軟件：在AutoCAD上開發的MDTools(ManifoldDesignTools)軟件基于嵌入式規則進行孔道連通和校核；從Tools(AutomatedAssemblyTools)軟件根據原理圖和集成塊設計信息動態生成3D裝配圖以及2D正交視圖。Eaton公司開發的VickersLibraryofSICV(ScrewInCartridgeValve)軟件是一個包含一千多種元件的符號庫，幫助專業工程師在AutoCAD上進行泵、馬達、閥和集成塊的方案設計及零部件工程圖設計，并把設計數據與加工指令NC代碼相連接，具有CAD／CAM一體化特征。1.2.2國內研究現狀國內液壓CAD技術研發工作起步較晚，但迄今已有很大發展，并取得了很多有特色的研究成果。澳門大學的WongP．K．和香港理工大學的ChucnC．w．等運用面向對象方法構造集成塊模型并采用特征技術來組織和管理集成塊CAD／CAPP／CAM產品信息，可以方便地定義和修改元件與回路：在AutoCAD上開發的原型軟件可以根據一些設計規則進行元件向局，并在李氏迷宮算法的基礎上研究了三維路徑連通算法。浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室于1989年研制成功插裝閥液壓系統設計FPTC—CADS系統，建立了變參型數據圖形庫，具有液壓原理圖、系統總裝圖、零件圖、準三維模型和插裝閥塊等的自動生成功能。后又采用特征對象化的設計思想，提出對象化特征連接的概念，研究液壓集成塊的三維參數化設計方法，開發了液壓集成塊CAD軟件VB-CAD，并給出“兩步校核”的孔道干涉檢查算法。上海交通大學于1986年開始研究插裝閥CAD軟件，編寫了校核插裝閥孔道的程序；90年代相繼在工作站和Pc機上開發出面向插裝閥的CV-CAD軟件；1997年在AutoCAD上二次開發出面向集成塊的HMBCAD軟件并不斷完善，具有集成塊體及孔道數據輸入與編輯、孔道校驗、三維造型、自動繪制裝配圖、零件圖、孔系表輸出等多項功能，已經在一些單位得到實際應用。華中科技大學應用專家系統和邏輯設計方法于1987年開發了HYSSD液壓原理圖邏輯設計軟件包：近年來根據模塊化設計和再設計工程的思想進行了液壓集成塊液壓集成塊智能優化設計系統一算法與典型實用設計技術CAD／CAM系統HCAD的開發，針對液壓集成塊內部孔系的連通設計及其通斷性校驗、液壓集成塊孔系加工的路徑規劃等問題進行了研究，從而提高了液壓集成塊的設計、加工效率和質量。安徽工學院采用人工智能原理用宏USP語言開發的液壓集成塊孔道設計專家系統HIBD可自動完成從液壓原理圖輸入到集成塊工程零件圖輸出的全部工作。廣東工業大學開發的HGMC軟件系統實現了液壓集成塊從方案選擇、元件布置、外形干涉校驗、孔道連通校核、工程圖紙輸出以及設計效果評價全過程的智能化、自動化設計，并采用成組技術進行液壓集成塊CAD／CAM的信息編碼設計。此外，北京科技大學、天津理工學院、華東冶金學院、南昌航空工業學院、北京機械工業自動化研究所、北京機床研究所、大連液壓件研究所、榆次液壓件廠等單位也都對液壓集成塊的設計和制造技術進行了各具特色的研究。大連理工大學是國內較早開展液壓CAD研究開發的單位之一，于1990年開發出了面向集成式液壓系統的YCADJ軟件包，包括原理圖設計、閥體結構設計及閥體零件圖和閥組裝配圖繪制等模塊，采用人工智能技術實現自動設計工藝孔。在此基礎上，又陸續推出了專門面向液壓集成塊的MBCADAM和面向插裝閥塊CVCADAM兩個軟件，解決了液壓閥塊孔道校核和連通設計問題，并且提出了一套集成閥塊類零件特征的定義、分類和框架表達方法．建立了基于特征的零件產品模型，為CAD／CAM集成系統的開發與研究提供了一個統一的信息模型。總結了液壓集成塊設計特點，提出液壓集成塊CAD中的核心問題是“集成塊外部布局和內部布孔的集成方案的自動優化設計，是在孔道自動連通算法支撐下的三維空間中布局方案的自動尋優設計。這是一種復雜的帶性能約束的立體空間布局問題，在數學上可以歸結為大規模組合最優化?！睂⒓蓧K設計分為六個環節，總結設計要求和設計約束，給出集成塊設計的評價目標函數，提出使用智能優化算法求解集成塊的設計問題。1.3課題的研究背景隨著我國造船工業的不斷發展，船舶配套產業的相對落后已成為當前亟待解決的問題，我們必須跟上科技發展的步伐，不斷創新，才能在國際競爭中處于不敗之地。液壓集成塊己成為當前液壓系統發展趨勢，因此，在船舶液壓系統中使用液壓集成塊可以有效的克服傳統船舶液壓系統連接、安裝的主要缺點，對于提高船舶液壓系統工作的穩定性、可靠性，減少漏泄，節省系統所占空間和資源有非常重要的意義。因為液壓集成塊具有多種優點，所以將液壓集成塊應用到船舶設備中已成為以后發展的趨勢。但作為連接元件的液壓集成塊，由于內部孔道繁多、空間縱橫交錯，加之孔間還有干涉限制，存在著設計工作量大、空間想象困難、干涉現象不易一一顧全，在設計中要花費較多的時間。而且特別容易發生錯誤，往往是在集成塊加工的最后工序一一鉆孔時才發現錯誤，這時再采取補救措施更改時，不但困難較大，而且拖延了生產周期，有時還不得不報廢，浪費了大量的人力和物力。為了解決上述問題，清晰的觀察到集成塊的設計過程，將錯誤消滅在設計階段，縮短設計周期，減少人力物力的浪費，有必要對集成塊設計軟件進行研究，使船舶液壓集成塊的設計處在一種可視化，人機交互的模式下進行。1.4本文選題的意義液壓集成塊的設計生產工作在當今液壓系統越來越復雜的情況下，是耗時量、耗工量極大，但是卻又極易出現錯誤的工作，長期以來人們也是在人工設計到軟件輔助設計過程中不斷向前艱難的行進。液壓集成塊內部孔道網絡的復雜性及其設計難度是人所共知的。面對孔道干涉，以往的設計系統因多處在封閉或半封閉的設計環境下，無法清晰地觀察到設計過程，不能自動確定移位方向及尺度和進行自動尋優設計，而是由人工憑直覺或經驗確定調改方案。這個問題可以通過采用虛擬設計技術得到解決。液壓集成塊虛擬設計主要是研究液壓集成塊在虛擬環境下的設計。通過虛擬現實技術和軟件工程以及參數化三維實體造型技術相結合，建立一個虛擬的設計環境，完成動態的展示，三維視圖的分析、觀察等。設計者如同加工者，打孔、校驗等工作處于一個虛擬的環境中，減少了傳統設計過程中二維和三維在設計者頭腦中的轉換。符合人類的設計思維，避免了設計中的誤區。通過人工智能、路徑規劃等理論相結合，完成閥的布置以及工藝孔自動設計等功能。最終使設計者智能化、優化集成塊的設計。1.5本文研究的主要內容本課題主要涉及船舶集成塊外部布局設計、內部孔道設計、孔道校核、虛擬設計等內容。（1）集成塊外部布局設計。外部布局設計是指液壓元件在集成塊上的合理擺放，解決液壓元件空間干涉，并為孔道連通設計提供可靠的合理的液壓元件空間位置參數。（2）集成塊的內部孔道設計。集成塊的孔道連通設計就是把閥塊外部設計生成的油孔數據文件中的孔道連通起來?？椎肋B通的時候，要以原理圖為依據連通應該連通的孔道，同時還要考慮連通優化問題。連通的優先級在分解連通關系時得以確定。（3）集成塊的孔道校核?？椎佬：耸且罁椎肋B通設計生成的孔道連通表對孔道表進行校驗，看孔道的連通設計是否滿足連通要求。即應該連通的孔道是否相通，并滿足規定的通流面積要求，不該連通的孔道是否不相通并滿足規定的壁厚要求。對于已經設計好的集成塊也需要進行孔道連通情況的校驗。因此，要對正在設計和設計完成后的孔道進行校核計算。（4）虛擬設計。虛擬設計使設計者處于一個虛擬的設計環境中，設計生成液壓集成塊的三維實體圖形。2污泥處理船液壓集成塊設計總體框架2．1液壓系統的組成液壓系統主要由四個部分組成，即動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件。(1)動力元件的作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，它向整個液壓系統提供動力。一般最常見的是液壓泵。(2)執行元件的作用是將液體的壓力能轉換為機械能，驅動負載作直線往復運動或回轉運動，如液壓缸和液壓馬達。(3)控制元件在液壓系統中控制和調節液體的壓力、流量和方向。根據控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。(4)輔助元件是除上述三項以外的其它裝置，包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計等。這些元件對保證液壓系統的可靠、穩定、持久的工作也有著重大作用。2.2液壓系統設計的基本內容液壓系統的設計要考慮液壓系統在正常工作時的各種工況，除了滿足各種工況的要求，還必須滿足工作安全可靠、工作效率高、結構簡單、壽命長、使用維護方便等條件。液壓系統設計的基本內容包括：(1)明確設計要求就是明確液壓系統的動作、性能要求，例如：運動方式、壓力、流量等；明確液壓系統的工作環境，例如：環境溫度、濕度等。(2)執行元件的工況分析查明每個執行元件在各自工作過程中的速度和負載變化規律。(3)執行元件主要參數的確定這里的主要參數的確定是指根據以上兩步的分析情況確定執行元件(主要是液壓缸和液壓馬達)的工作壓力和最大流量。由于同一個液壓系統中各元件的工作壓力和工作流量基本一致，因而，這一步得到的參數可以作為選擇系統其他元件的參考，這一步計算過程也可以稱為系統參數計算。(4)液壓系統原理圖的擬定液壓系統原理圖是用來展示液壓系統的組成和工作原理的圖。擬定液壓系統原理圖是設計液壓系統的關鍵一步，它對系統的性能及設計方案的可靠性、合理性、經濟性具有重要的影響。(5)液壓元件的計算和選擇包括：液壓泵的選擇、閥類元件的選擇、液壓輔助元件的選擇和閥類元件配置形式的選擇。(6)編制正式工作圖和技術文件設計的液壓系統經過驗算校核后，即可對初步擬定的液壓系統進行修改，并繪制正式工作圖和編制技術文件。2.3回路型式的確定確定回路類型的原則：一般具有較大空間可以存放油箱且不另設散熱裝置的系統，都采用開式回路：凡允許采用輔助泵進行補油并借此進行冷卻油交換來達到冷卻目的的系統，都采用閉式回路。通常節流調速系統采用開式回路，容積調速系統采用閉式回路本文采用的是閉式回路系統。設計為閉式系統還主要考慮到：開式系統有系統簡單，初投資低等優點。但開式系統一般多用于功率較小的場合，且空氣容易滲入，引起工作不穩定，從而給管理者帶來麻煩。而閉式系統可解決上述問題，且可以回收能量。閉式系統多采用變量泵，通過液控閥卸流熱油回油箱，輔泵補充冷油解決散熱問題。此系統相對獨立，與其它系統關聯較少，安裝管理方便。2.4主要技術參數的確定污泥處理船的液壓系統主要技術參數：（1）大缸系統壓力與流量的計算已知液壓缸的無桿腔直徑為80mm，受力大小為80kN，效率取。則壓強液壓缸速度取QUOTE(根據對應流量、有無對應閥及船體運動速度估計得出，此時船體速度5m/min—10m/min)，則流量QUOTE（2）分流集流閥選擇壓力，流量QUOTE，根據壓力、流量要求，選擇3FJLZ-L20-130H型分流集流閥。（3）液控單向閥選型由流量、壓力要求，單個液控單向閥的流量QUOTEQ=2q=60.32L/min,壓力QUOTEP=16.8MPa，選擇SV10GB330B型液控單向閥。(4)液控單向閥3選型由于回油路上的壓力接近于0，故可不考慮壓力因素。流量QUOTE其中A1，A2分別為液壓缸有桿腔和無桿腔面積，速度比φ=。根據壓力、流量，選擇SV10PB330B型液控單向閥。(5)二位三通電磁閥選型由流量、壓力要求，單個二位三通電磁換向閥的流量QUOTEQUOTEQ=2q=60.32L/min,壓力QUOTEP=16.8MPa,選擇3WE10A20B/AG24K4型二位三通電磁閥。(6)分流集流閥壓力QUOTEP=16.8MPa，流量QUOTE，同樣選擇3FJLZ-L20-130H型分流集流閥。(7)三位四通電磁換向閥選型由壓力、流量要求，三位四通閥的壓力為QUOTEP=16.8MPa，流量QUOTEQ=4q=120.64L/min。選擇4WE10J31B/CG24NZ4型換向閥。該閥主要由閥體（1）、一個或兩個電磁鐵（2）、閥芯（3）及一個或兩個復位彈簧（4）組成。當電磁鐵未通電時，閥芯（3）被復位彈簧（4）保持在中位或起始位置（脈沖式除外）。閥芯（3）的動作有濕式電磁鐵（2）實現。當電磁鐵（2）通電時，電磁鐵的力經推桿（5）作用在閥芯（3）上，將其由靜止位置推到所需的位置。使液流由P到A和B到T或由P到A到T通。當電磁鐵斷電時，閥芯（3）被復位彈簧（4）推回到原始位置，此時可以推動按鈕（6）使閥芯運動。（8）小缸系統壓力與流量計算已知小液壓缸的無桿腔直徑為63mm，受力大小為49.88kN，效率取QUOTE則壓強為；同理可以計算出小液壓缸的最大流量（9）分流集流閥壓力QUOTE，流量QUOTE，根據壓力、流量要求，同時，考慮到分流集流閥的規格統一，均選擇3FJLZ-L20-130H型分流集流閥。（10）二位三通電磁閥選型由于小缸流量壓力QUOTE，流量QUOTE均比大缸小，故可選擇與大缸回路一樣的二位三通電磁閥，即選擇3WE10A20B/AG24K4型二位三通電磁閥。（11）三位四通電磁閥選型由壓力、流量要求，三位四通閥的壓力為QUOTE，流量QUOTE，選擇4WE10Y31B/CG24NZ4型換向閥。（12）溢流閥選型已知回路壓力QUOTE，最大流量QUOTE，選擇DBDH10G15B/NG10型溢流閥。2.5編制系統原理圖液壓系統原理圖是用液壓元件職能符號表示的系統工作原理圖，它能清楚地表示出各元件之間的關系、動作原理、操縱和控制方式等。系統原理圖主要由回路組合而成，整理并增加必要的元件或輔助回路，加以綜合，構成了一個完整的系統。在滿足工作機構運動要求及生產率的前提下，力求所設計的系統結構簡單、工作安全可靠、動作平穩、效率高、調整和維護保養方便。能滿足同一臺機器需要的液壓系統原理圖不是唯一的，可能因元件供應條件和設計者的觀點與水平不同而異，目前尚無成熟的優化設計方法。設計液壓系統應具體遵循以下的原則：(1)去掉重復多余的元件，力求使系統結構簡單，同時要仔細斟酌，避免由于某個元件的去掉或并用而引起相互干擾。(2)增設安全設施裝置，確保設備和操作者的人身安全。(3)工作介質的凈化必須引起重視。(4)對于大型的貴重設備，為確保生產的連續性，在液壓系統的關鍵部位要架設必要的備用回路或備用元件。(5)為便于系統的安裝、維修、檢查、管理，在回路要適當裝設一些截止閥、測壓點。(6)盡量選擇標準元件和定型的液壓裝置。遵循這樣的原則，設計的液壓系統原理圖如圖2．1：圖2.1污泥處理船8聯同步馬達液壓原理圖1-空氣濾清器；2-吸油濾清器；3-液位計；4-溫度計；5-風冷器；6-單向閥；7-柴油機；8-聯軸器；9-變量泵；10-壓力管路濾油器；11-卸荷閥；12-測壓軟管；13-壓力表開關；14-壓力表；15-蓄能器；16-邏輯閥；17-調速閥；18-節流閥；19-同步馬達；20-兩位四通電磁閥；21-三位四通電磁閥；22-平衡閥組；23-大液壓缸；24-小液壓缸本系統是閉式系統。主泵9為恒功率單向變量泵，負荷小時供油量增大，負荷大時供油量減少，可根據負載自動調節供油量：由節流閥18進行回油節流及鎖緊、調速閥17進行回油調速。系統最大壓力由邏輯閥16限定。主泵經卸荷閥11卸荷。泵9經濾洗油濾清器2和單向閥6向系統低壓邊補充冷油；低壓邊的熱油經卸荷閥11、單向閥6卸流回油箱。泵9的工作壓力，也即系統的工作的背壓，由卸荷閥11調定。風冷器5保證系統中液壓油的工作油溫在正常工作的范圍內。工作過程：變量泵9供應高壓液壓油，由兩位四通電磁閥20進行換向、回油節流調速及鎖緊，控制液壓馬達的轉速轉向，從而帶動液壓缸工作。系統最大壓力由卸荷閥11限定，主泵經閥11卸荷。系統為補償油液的漏泄，必須從低壓側補油，系統中油液的散熱和冷卻，常借更換部分油液的方法來實現。3液壓系統油路塊在PRO_E中的三維造型3.1油路塊所需元件的三維造型油路圖和電路圖是相似的，弄清楚系統中液壓油的流向和各個閥的結構，算出符合要求的最小孔徑，就能準確的畫出符合要求的油路塊。依據系統的原理圖，需要完成三個油路塊的三維建模，但在系統原理圖中左右兩部分的結構是相同的，所以實際上只需要完成兩個油路塊的三維建模。以下左右兩部分相同的油路塊成為油路塊1，系統原理圖下面部分的油路塊成為油路塊2。3.1.1油路塊1的三維造型繪制油路塊1，圖3-1為油路塊1的立體圖。圖3-1油路塊1的立體圖3.1.2油路塊2的三維造型繪制油路塊2，圖3-2為油路塊2的立體圖。圖3-2油路塊2的立體圖3.1.3螺母的三維造型繪制六角螺母，圖3-3為六角螺母的立體圖。圖3-3六角螺母的立體圖3.2裝配插入油路塊1，位置缺省，然后插入六角螺母，約束類型選自動，約束螺母下端平面與所需裝配的平面在同一平面，然后約束螺母和所需裝配的螺紋孔的中心線對齊即可，重復以上操作，知道裝配完所有的螺紋孔。裝配完畢如圖3-4所示圖3-4油路塊1裝配插入油路塊2，位置缺省，然后插入六角螺母，約束類型選自動，約束螺母下端平面與所需裝配的平面在同一平面，然后約束螺母和所需裝配的螺紋孔的中心線對齊即可，重復以上操作，知道裝配完所有的螺紋孔。裝配完畢如圖3-5所示圖3-4油路塊1裝配4油路塊的制造工藝4.1選材首先要考慮選材，選材應考慮材料的力學性能，根據材料的工作條件，分析計算出或測定出材料力學性能，這是選用材料的基本出發點。零件的工作條件是復雜的，為了便于分析，可將它分為受力狀態、載荷性質、工作溫度、環境介質等幾個方面來考慮。對于新設計的重要零件，還應進行失效分析，以確定失效的主要抗力指標。根據該指標，再選擇相符合的材料。選材過程中還應考慮材料的工藝性能、經濟性、以及產品的“輕型化、高壽命”等。從機械零件設計和制造的一般程序來看,先是按照零件工作條件的要求來選擇材料,然后根據所選材料的機械性能和工藝性能來確定零件的結構形狀和尺寸。在著手制造零件時,也要按所用的材料來制訂加工工藝方案。比如選用的材料是鑄鐵,就只能用鑄造方法去生產了。機械零件選材時,主要是考慮零件的工作條件、材料的工藝性能和產品的成本?，F將有關選材的一些基本原則分述如下:選用的材料要滿足零件工作條件的要求。零件的工作條件是各種各樣的,例如受力狀態就有拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切等;載荷性質也有靜載、沖擊、交變的不同;工作溫度則有室溫、高溫、低溫之分;環境介質亦有酸的、堿的、海水以及使用潤滑劑等的不同。從上列的工作條件來看,受力狀態和載荷性質是反映機械性能的;工作溫度和環境介質則屬使用環境的材料的機械性能指標也是各種各樣的。如屈服極限、強度極限、疲勞極限等是反映材料強度的指標;延伸率、斷面收縮率等是反映材料塑性的指標;沖擊韌性、斷裂韌性等則是反映材料韌性的指標。由于選材的基本出發點是要滿足零件的強度要求,所以各種強度指標通常都直接用于零件斷面尺寸的設計計算。材料的工藝性能也是選材的重要依據之一。零件因其生產方法的不同,將直接影響其質量和生產成本。金屬材料的基本加工方法有鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱處理等。對于油路塊的選材，油路塊中油道所受應力都均勻的分布在孔壁的整個截面上。在這些應力作用下，油道的損壞形式主要是疲勞破壞。在制造的行業中油路塊的材料選擇較多，如45鋼、40Cr、40CrNi、40MnB鋼等。實踐證明，40Cr鋼能達到各項技術性能指標，是制作油路塊較為理想的材料，對于油路塊，其一般加工路線為：下料—模鍛成形—正火—粗加工—調質—精加工。4.2加工工藝圖4-1當要在已經選好材的金屬塊中加工一條如圖4-1的所示的油路時，其進油口在圖中1處，出油口在圖中2處，由于圖中的油路是一條曲線，所以在金屬塊中很難加工出如圖4-1所示的油道，所以必須另尋它法。圖4-2解決方案如圖4-2所示，不改變進油口和出油口的位置，油道全部選用直線，這樣加工起來就變得非常簡單，用鉆孔的工具就能解決問題，大大解決了加工難度，油道1和油道2連接的豎直部分的油道由于在金屬塊中，不好加工，所以需要從金屬塊的上端面上打孔使其和油道1連通，再在孔道3處加工螺紋，再用與其相配的螺母堵住孔道3處。這樣液壓油就會從進油口1處流向出油口2處，不僅滿足要求而且加工簡單。5強度校核5.1有限元分析概述有限元法是一種基于變分法而發展起來的求解微分方程的數值計算過程，該方法以計算機為手段，采用分片近似，進而逼近整體的研究思想求解物理過程。首先，將物體或求解域離散為有限個互不重疊僅通過節點相互連接的子域（單元），原始邊界條件也被轉化為節點上的邊界條件，此過程常稱為離散化。其次，在每個單元內，選擇一種簡單近似函數來分片逼近未知的單元內位移分布規律，即分片近似，并按彈性理論中的能量原理建立單元節點力和節點位移之間的關系。最后，把所有單元的這種關系式集合起來，就得到一組以節點位移為未知量的代數方程組，解這些方程組就可以求出物體上有限個節點的位移。這是有限元法的創意和精華所在。有限元法經過幾十年的發展之后，目前成為一種很普遍的數值計算方法，其特點表現如下：（1）理論基礎比較簡單，物理概念很清晰。（2）計算方法通用，應用范圍較廣泛。（3）可以處理任意復雜邊界的結構。（4）計算格式規范，易于程序化。5.2限元法的基本步驟（1）結構離散化（2）單元分析（3）整體分析5.3彈性力學基本變量在彈性力學中常涉及4個基本物理量：外力、應力、應變和位移。作用在物體上的外力分為體積力和表面力，分別簡稱為體力和面力。應力是彈性體內某一點作用于某截面單位面積上的內力，它反映了內力在截面上的分布密度。對于應力，與物體的變形及材料強度直接相關的是應力在作用截面的法向與切向的分量，也就是正應力σ和剪應力τ，如圖4-1所示。顯然，在物體內同一點P的不同截面上的應力是不同的。如圖4-2所示為物體中所取出的微小的平行六面體。把每個側面應力分解，其中，垂直的應力為正應力，用σ表示，平行于微元體表面的應力為剪應力，用τ表示。τxy表示法線為x軸的平面上，剪應力方向與y軸平行的應力。圖5-1應力概念圖5-2應力分量根據剪應力互等原理，微元體剪應力存在如下關系：τxy=τyxτyz=τzyτxz=τzx這樣，在任意點的應力只有6個獨立應力分量。應力的矩陣形式為：（5-1）稱為應力矩陣或應力向量。一般來說，應力分量不是常量，而是坐標x，y，z的函數。當微元體變形時，三個棱邊的長度和它們之間的角度都會發生變化，其變化分別稱為正應變和剪應變。正應變用ε表示，εx表示x方向的正應變，εx=Δx/a,如圖5-3所示。剪應變如圖5-4所示。圖5-3正應變圖5-4剪應變彈性體內任意一點的應變，可以由6個應變分量εx，εy，εz，γxy，γxz，γyz來表示。應變的矩陣形式為稱為應變矩陣或應變向量。而位移的矩陣形式為（5-2）一般而論，彈性體內任意一點的體力向量、面力向量、應力向量、應變向量和位移向量，都是隨該點的位置變化而變化的，是位置坐標的函數。5.4彈性力學基本方程彈性力學基本方程描述彈性體內任一點應力、應變、位移和外力之間的相互關系，它包括幾何方程、平衡方程、物理方程3類。（1）幾何方程對于空間上的問題，應變分量與位移分量之間的幾何關系可以表示為：（5-3）上式說明空間一點的6個應變分量可用該點的3個位移分量來表示，當物體的位移分量完全確定時，那么，可求出相應的應變分量，而反過來卻并不如此，這是因為物體產生位移有兩個原因，一是受力變形引起的位置變化，二是剛體運動產生的位置變化，稱為剛體位移。剛體運動是與變形無關的位移，有位移并不一定有變形，由此可知，雖然物體的變形已知，那么它可能存在各種剛性位移，所以不能由應變分量確定位移分量。（2）物理方程物理方程描述應力分量與應變分量之間的關系，對于完全彈性體的各向同性體，它們為廣義胡克定律。（5-4）式中，E為彈性模量，G為剪切彈性模量，μ為泊松比。這3個彈性常熟之間的關系為：G=（5-5）以上的物理方程用應力分量表示應變分量。在有限元分析中，常常需要用應變分量表示應力分量，則可直接由上式得到，并記為矩陣形式：簡記為：σ=Dε（5-6）式中，D稱為彈性矩陣，由材料彈性模量E和泊松比μ確定，與坐標位置無關。（3）平衡方程當物體在外力作用下靜止或等速直線運動時，則物體處于平衡狀態。彈性內任一點滿足平衡方程，在給定表面力的邊界上滿足應力邊界條件。體積力一般用單位體積上的力在3個坐標軸方向上的投影Px，Py，Pz表示，根據平衡條件得如下方程：（5-7）平衡方程是彈性體內任意一點都必須滿足的條件，它說明6個應力向量不是獨立的，它們通過3個平衡方程互相聯系。（4）邊界條件由上訴物理方程式、幾何方程式、平衡方程式可知，足夠數目的微分方程可求出位置的應力、應變、位移。靜力學的定解只包含邊界條件，它通常分為位移邊界條件、應力邊界條件。物體在邊界上的位移分量已知的的條件稱為位移邊界條件，即在已知邊界Γu上，有：（5-8）式中為在邊界Γu上沿x，y，z方向的已知位移。物體在邊界上所受的面力分量已知的條件稱為應力邊界條件，即在已知邊界Γp上，有：（5-9）式中，qx，qy，qz為邊界上一點處單位面積上表面力分量，l，m，n分別表示邊界Γp上外法線方向的方向余弦。5.5橫梁ANSYS分析在ANSYS分析橫梁時，所選擇的橫梁材料屬性分別如下：材料選擇為45鋼，密度ρ=7850kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2*1011，，由于長度與寬度比值約為5，故將橫梁分析采用平面受力分析，而且劃分單元采用四邊形單元。創建橫梁的幾何模型如圖4-5圖5-5橫梁結構網格劃分如圖4-6圖5-6網格劃分約束施加在橫梁左端，全部約束，施加載荷為50MPa，在上下兩直線上施加載荷。查看變形結果如圖5-7所示。圖5-7變形結果受力變形分布云圖如圖5-8圖5-8受力分布云圖結束語經過四個個多月的學習,查找資料，以及在老師的指導下，污泥處理船用液壓系統油路塊設計研究最終確定下來了，這是一個比較漫長的過程，在這個時間段內，我通過查找相關資料以及老師和同學對我的幫助，終于完成了本次畢業設計的全部工作。除此之外，我們并對所設計的油路塊的壁厚進行了強度校核。終于，在自己的努力以及老師和同學的幫助下，完成了本次的設計，可以說是既有成就，又有汗水。在一開始接觸這個題目的時候，真的很茫然，最初一直在考慮采用什么樣的軟件平臺來設計出符合污泥處理船用液壓系統原理圖的油路塊，后來確定了用Pro_e來完成油路塊的三維建模。但在設計過程中對液壓油在油路塊中的走向不是很清楚，幸虧得到了趙博師兄的幫助，在此表示感謝。最后，在老師的指導幫助下，所有的難題迎刃而解，這次的設計，對我們來說，是一次對我在大學所學知識的考驗，同時也是對我們能力的檢查。它考驗了我是否真的牢固掌握了全部所學的專業知識，以及運用知識的能力并且是否具有廣泛的視角來看待液壓方面的問題。就我而論，通過本次畢業設計，我深深感覺到基礎知識的不健全和不牢固，因此尚不能很靈活的解決所遇到的全部問題。在本次畢業設計中表現出了這樣或那樣的不足和漏洞,說明了基本功的不扎實。所幸我得到了老師和同學們的熱情幫助,使這些問題得到了解決，這將對我以后的工作和學習有極大的幫助。本篇論文的設計，涉及到機械原理、機械設計、有限元分析、液壓傳動與氣壓傳動、PRO/E等各個專業課知識。本次設計讓我學會了更多的知識，是我們對以前專業課知識的補充。而且全面鍛煉了我駕御知識的能力,使我對這四年來所學的理論知識進行了系統化、條理化、全面化的回顧和復習,讓我懂得了如何運用自己所學的知識，同時又學到了獵取其他知識的方法。這些都將作為課本知識的有益補充,為我們以后所要從