一种小型液压动力单元的设计

纪运广 李琪 孙师泽 李洪涛 薛树旗 郭夏

摘要：设计了一种可用于移动设备和工具的小型液压动力单元，叙述了系统原理和元部件设计选型方法。可为此类设备的设计和选用提供参考。

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.

關键词：液压动力单元；元件设计；部件选型

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

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0141-04

1 概述

液压作业装置因为功率密度大、操纵简便、易实现无级调整和过载保护而在重载、移动设备中得到广泛应用。应用于一些特殊场合的液压装置，如深海采油设备[1]、应急救援设备[2]、外骨骼机器人[3]等，其能源部件多采用模块化的液压动力单元（Hydraulic Power Unit，HPU）实现传统分立式液压系统中泵站的功能，以满足设备安装操作方便、小型化和通用化要求。液压动力单元是由电机、油泵、集成阀块、液压阀及各种液压附件（如：蓄能器）等集成为的一个独立系统，与传统的液压泵站相比，它的结构更加紧凑，性能更加可靠。

本文设计的小型液压动力单元可为移动式液压作业工具，如剪切器、开门器、千斤顶等提供动力，实现了轻量化。

2 系统原理

如图1所示，液压油从油箱1经过滤器2进入齿轮泵3，经泵做功，泵的出油孔接通溢流阀9，溢流阀的出油孔接通油箱1，构成系统过载保护回路，避免过高的压力对系统造成破坏。同时液压油从齿轮泵3由另一分支经单向阀4分别连接三位四通电磁换向阀5和二位三通电磁换向阀6。当换向阀5使用中位时，换向阀6右位接通，可外接单作用缸；当阀6处于左位时，阀5可为双作用液压缸或马达提供动力。

各换向阀电磁铁动作如表1所示。

3 元部件设计和选型

设计的小型液压动力单元的技术要求为额定输入功率1200W，额定电压DC24V，系统压力16MPa，液压泵排量范围0.88～2mL/Rev，额定流量范围3.2～6.5L/min，介质为矿物油。

3.1 电机

为满足野外作业要求，动力单元要求直流供电，直流电机额定电压为24V。由给定的液压泵排量和流量范围，计算出电机转速范围为1600～7386r/min，选取电机转速为3000r/min。

电机功率为1200W，额定电压为24V。选用ZYT系列永磁直流电机，型号130ZYT156，重量不大于8kg。

3.2 液压泵

考虑到作业环境复杂，选用结构简单、体积小、重量轻和自吸性能较好的齿轮泵[3]。根据设计参数要求，排量取为 V=1.2ml/Rev，流量为3.6L/min，最终选取某公司CB-E 1.2型小排量齿轮泵，型号为CB-E 1.0-BS，重量为1.5kg。其主要参数如下：

排量：1.20ml/r；

转速：3000r/min；

轴伸形式：B扁口；

旋转方向：S双向旋转；

容积效率：85%。

齿轮泵的功率P可求出为923W，小于电机功率1200W。

3.3 油箱和过滤器

选用圆柱形独立油箱以减小体积和重量。电动机和油箱分别位于液压阀块的两侧，呈“三段式”分布。在圆柱形油箱的内壁底部设计排油槽，以便于更换油液时杂质的排出。

油箱容量可按液压泵流量3.6L/min的3～5倍估算，初步选取油箱容积为11L。因需内置液压泵，油箱设计为一大一小的两个圆柱形相接的形状（图2），大圆柱直径为200mm，长度为300mm，小圆柱直径为120mm，长度为80mm。油箱材料为Q235C，壁厚为1.5mm，重量为3kg。

液压泵吸油口需安装过滤器，选用盘状金属过滤网以适应安装空间。过滤网精度为10μm，流量为8L/min。

3.4 控制阀

3.4.1 溢流阀

选用直动式溢流阀，插入式连接，型号DBDS6K。工作压力20MPa，流量50L/min。

3.4.2 单向阀

选用S型直通单向阀，插入式连接，型号S6K1。最大工作压力31.5MPa，最大流量15L/min。

3.4.3 换向阀

选用WE4型电磁换向阀，最大工作压力21MPa，最大流量25L/min。其中三位四通电磁换向阀型号为4WE4E1X/AG24，二位三通电磁换向阀型号3WE4A1X/AG24。

3.5 液压阀块

液压阀块共有5块，最下面是中心阀块，中间一层是阀块1、阀块2和阀块3，最上面是阀块4，各阀块间有O形圈密封，并用螺栓联结集成为一体。

中心阀块（图3）共连接7个零部件，包括直流电机、齿轮泵、油箱、支座、上部阀块、单向阀和溢流阀，其中前端面安装直流电机，两侧面安装单向阀和溢流阀；后端面安装齿轮泵和油箱；阀块顶部安装其他阀块，用两个M10的螺钉紧固连接。

阀块1和4用于安装电磁换向阀，阀块2和3为连通其他阀块的通道。为了加工和装配方便，4块阀块的厚度都为40mm，高度都为40mm，长度分别为45mm，45mm，50mm，140mm。

阀块材料为35钢，可保证足够强度。阀块各结构要素（表面、孔、槽）的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度要满足相关要求，以保证密封性能。

3.6 液压系统压力损失和温升计算

3.6.1 系統压力损失

可由管道实际流速4.8m/s和雷诺数Re=45.1，确定管道内液流的流动状态为层流。系统的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失[4]，即

式中λ为沿程阻力系统，ρ为介质密度（kg/m3），L为孔道长度（m），d为孔道直径（m），v为介质流速（m/s）；ζ为局部阻力系数（90°弯角时ζ=1.12）。计算得出管道压力损失0.75MPa；控制阀的压力损失都为0.1MPa，共计0.2MPa，故系统总压力损失为0.95MPa。液压泵额定压力为16MPa，减去总压力损失，最终系统可提供执行机构15MPa的压力。

3.6.2 液压系统温升计算

系统发热功率可由公式计算：

H=P（1-η）（2）

式中H为发热功率（W），P为液压泵的输入功率，1200W，η为液压泵的总效率，取为0.85。代入数据得H=180W。

液压系统中产生的热量H，由系统中各个散热面散发至空气中，其中油箱是主要散热面。当系统产生的热量H等于其散发出去的热量时，系统达到热平衡，此时系统温升Δt为

式中为散热系数，取为20W/（m2·℃）；A为油箱散热面积，0.3m2，代入数据得系统温升为30℃，符合要求。

小型液压动力单元外形如图4所示。

4 结论

表2列出了液压动力单元各部件重量，单元总重量约为31kg。为方便运输和单人搬运，设计了支座和提手。

本文设计了一种可用于移动设备和工具的小型液压动力单元，叙述了系统原理和元部件设计选型方法，可为此类设备的设计和选用提供参考。油箱材料还可采用高密度聚乙烯，阀块材料采用铝合金6061-T6，控制阀采用小流量插装阀，以进一步减轻动力单元重量。

参考文献：

[1]张宪阵，肖易萍，张凡，等.水下液控单元应用现状分析[J]. 中国海洋平台，2015，30（5）：1-4.

[2]魏建义，周旭辉，李芳，等.应急救援液压破拆工具高压动力单元设计[J].机床与液压，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]宁辰校.液压与气动技术[M].北京：化学工业出版社，2017.