井下高压环境模拟试验台系统的改进毕业论文说明书

1、 摘 要自动垂直钻井系统aadds通过控制均匀分布在与钻杆相连的导向套内的三个液压纠斜集成块的协调动作来实现主动纠斜。液压纠斜集成块由单柱塞泵、电磁阀、纠斜液压缸以及浮动油箱等构成。在井下，纠斜集成块需承受高温、高压、强震等复杂恶劣环境，使得纠斜集成块液压系统在井下与地面上的工作特性可能会有很大差异。因此对纠斜集成块液压系统在井下恶劣环境下的工作特性研究，对于保证纠斜集成块在井下的可靠工作具有实际工程意义。本文主要是对以前的井下高压环境模拟试验台系统的改进。为了能掌握在高温高压下纠斜集成块性能的一些参数，现已研发出一套超深井井下高压环境模拟试验台，但是在实际的实验中发现，整个试验台占地空间太大

2、，且不方便实验的操作，同时液压动力源的设计也有不合理之处，因此需要对其进行改进。此次设计主要是对原实验台的液压泵站进行改造，即将原来两个分离的液压泵站合并成一个完整的泵站。改造后的泵站除了结构更加紧凑外，还实现了高低压泵互补，即减少了给高压油缸供油时间又能保证所需的实验压力。论文首先根据系统要求设计了液压原理图，并通过计算确定各元件选型；其次对液压泵站上的阀块进行设计，包括两个阀块的装配图和零件加工图；最后是系统的装配图的绘制。关键词： 自动垂直钻井系统； 高压试验台； 液压泵站； 高压液压元件 abstractautomatic vertical drilling system aadds

3、realize active anti-deviation by controlling the three hydraulic rectification integrated block which equally distribute in the guide sleeve connected with the drill pipe. hydraulic rectification integrated block include a single plunger pump, solenoid valve, hydraulic cylinder and a floating oil ta

4、nk straightening. underground, rectification integrated block have to sustain a complex and hostile environment such as high temperature, high pressure and strong motion. it make a different of operating characteristics of the rectification integrated block hydraulic system underground and on the gr

5、ound. so the study on the operating characteristics of the rectification integrated block hydraulic system underground where the environment is harsh have actual engineering significance ,which can ensure work of the rectification integrated block in underground is reliably.this article is a former

6、underground high-pressure environment simulation test bed system improvements. to be able to grasp at high temperature and pressure correct performance of some of the parameters oblique manifold, has developed a set of ultra-deep underground high-voltage environment simulation test bench, but in the

7、 actual experiment, the entire test rig occupies too much space, and inconvenient experimental operation, while the hydraulic power source design also has unreasonable, therefore it needs to be improved. the design is mainly the original bench hydraulic pump station renovation, coming originally two

8、 separate hydraulic pump station combined into a complete pumping stations. after transformation, the pumping station in addition to a more compact structure, but also complement each other to achieve a high pressure pump, which reduces the high pressure cylinder injection time can guarantee the req

9、uired test pressure. firstly, according to the system requirements and design a hydraulic schematic diagram and determined by calculating the component selection; secondly pump station valve block design, including two valve block assembly drawing and parts processing map; final assembly of the syst

10、em mapping.keywords: automatic vertical drilling system； high-pressure test rig； hydraulic pump station； pressure hydraulic components 目 录1 绪论11.1 本课题的研究意义21.2 井下高压环境模拟试验台研究现状31.2.1高压环境模拟试验台31.2.2 vds液压集成块31.3 深水液压系统研究现状41.4本文的研究内容52 液压系统的设计62.1 井下高压模拟试验台的液压系统62.2 试验台改进设计72.2.1 实验台改进要求72.2.2 改进后的液压系

11、统方案设计73 液压元件的计算和选型93.1 液压泵的确定93.1.1液压泵选用原则93.1.2 液压泵组的参数计算和选型93.2 阀类元件的选用113.2.1 换向阀的选择113.2.2 溢流阀的选择123.3 油箱的设计133.3.1油箱的设计要点143.3.2油箱容积的设计计算143.3.3 油箱结构设计及尺寸确定163.4 其他163.4.1 蓄能器选择163.4.2 液压管路174 液压阀块的设计184.1 阀块设计中的术语184.2 阀块体的设计要求184.3液压阀块设计规范194.4阀块体的设计20结束语23参考文献24致 谢261 绪论1.1 本课题的研究意义 石油是重要的能源

12、和战略物资，影响着国计民生和国防安全。建国60年以来，我国的石油工业从新中国成立前的近乎空白发展壮大成为现代化的工业体系，成为国民经济的支柱产业，为新中国的经济发展和小康社会建设做出了重大贡献1。随着国内东部油田石油产量的递减，以及国际石油价格的一路飙升，西部已成为我国越来越重要的油气战略接替基地之一。西部的钻探实践表明，这里蕴藏着丰富的油气资源，但同时也存在着很大的钻探风险2。根据我国第二次油气资源评价资料，西部地区的石油资源储量占全国总石油资源储量的38%，其中73%埋藏在深部地层，即使在浅层也普遍存在着高陡构造地层3；因此，西部深井超深井提速、高陡构造地层的防斜打快成为主要的技术难点。自

13、动垂直钻井工具是一种带有井下闭环控制系统、可实现井下主动纠斜、保持井壁垂直、具有极高技术含量的先进钻井工具8。这种工具特别适用于高陡构造地层及深井的垂直钻探，因此在我国的油气资源开发，特别是西部石油资源的开发中有着很好的应用前景。我们知道当钻井深度达到3000米时，井下的压力可达30mpa，温度可达100度以上。液压油随着压力的升高、体积会不断缩小，随着温度的升高，体积不断膨胀。同时液压油黏度会随温度的升高而降低，阀芯与阀体之间间隙也会发生变化6。由于高温高压环境对液压系统的影响比较大，必须采取一些措施来保证液压系统能够在高温高压环境下可靠工作2。因此，有必要研发一套井下高温高压试验系统来模拟

14、垂直钻井在深井时液压系统所可能遇到的环境。中国石油勘探开发研究院钻井所与武汉科技大学合作，于2005年试制成功首台石油自动垂直钻井工具(简称aadds)的室内原理样机。该机构的主体为一个通过偏心轴承与钻杆相连的浮动导向套，导向套内三个可独立伸缩的导向块(纠斜集成块)均匀分布,每个导向块内的伸缩装置是一套液压控制系统。导向套内同时还装有井下微处理器和重力加速度计。重力加速度计可以测定井眼的井斜及方位角, 井下微处理器接收重力加速度计传来的信号, 经过判别处理后, 向液压电磁阀发出指令, 从而控制导向块的伸缩。纠斜集成块液压系统的工作介质是液压油，但纠斜动力不是由泥浆提供而是直接取自钻柱的旋转，由

15、钻柱与浮动导向套之间的转速差作为凸轮旋转的动力，通过凸轮带动柱塞做往复运动完成油泵的吸油和排油。1.2 井下高压环境模拟试验台研究现状1.2.1高压环境模拟试验台 高压环境模拟试验台由试验台架、高压缸体、模拟钻杆驱动电动机、高压泵站以及信号传递单元等组成，如图1.1所示。其中，电动机用于为安装于高压缸内地vds集成块提供动力；泵站1用于给泵站2补油，泵站2则直接给高压缸体提供高压油液，油泵输出的压力由泵站上的溢流阀调定；信号传递单元用于高压缸内vds集成块上的压力传感器的输出信号取出并传递给计算机的a/d转换器，同时该单元还可为集成块上的电磁阀提供驱动信号。 图1.1高压环境模拟试验台1.2.

16、2 vds液压集成块vds液压集成块的工作原理如图1.2所示。图1.2中集成块的工作动力由试验台上的电动机提供。电动机驱动模拟钻杆转动，钻杆上的偏心轴承再驱动集成块上的柱塞泵作往复运动，当电磁阀通电，油路断开后，柱塞泵产生的压力油将进入纠斜油缸无杆腔，并推动活塞运动，产生纠斜动作；电磁阀断电后，纠斜油缸在复位弹簧作用下返回原位。进行高压环境实验时，集成块将安装于高压缸内，其无杆腔的压力由压力传感器并通过接口送至计算机进行检测，也可用万用表在信号传递单元的测量孔上进行观察，以确定油缸的工作状态。 图1.2 vds集成块工作原理及其测试系统1.3 深水液压系统研究现状海洋石油勘探所遇到的深水钻井作

17、业中的液压系统也同样面临着高压外部环境问题。随着水深的不断增加,液压系统各个元件承受的外部压力增加，环境温度会随之变化，如何解决外部高压环境对液压系统的影响是深水液压系统设计的关键问题，其经验也可为深井垂直钻具中纠斜集成块的设计提供参考。液压油介质随着压力的升高，体积会不断缩小，随着温度的降低，其黏度不断增加。因此在选择液压油时应尽量选择弹性模量较大，黏度指数较高的液压油才能满足液压系统在较宽的压力及温度范围内工作性能的要求。航空液压油以其良好的压力及温度特性在钻井液压油介质中得到了广泛的应用。深水液压系统中动力源一般采用封闭式油箱使液压系统与周围环境隔离。设计封闭式油箱时需要使油箱内部油液压

18、力与外界环境压力平衡以保证油泵能够正常吸油。特别是在水下整个液压系统所受外界环境压力可达上百兆帕，这种高压环境对液压系统的影响不可忽略，因此需对液压动力源进行压力补偿以平衡液压系统与外界环境压力差。常用的补偿器有金属薄膜盒式、波纹管式和皮囊式三种形式。在自动垂直钻井工具(aadds)纠斜液压系统中动力源采用皮囊式油箱对外部环境压力进行自动补偿，通过皮囊的弹性变形将外界环境压力传递给内部的液压油，从而有效平衡液压系统内外压差。环境温度对液压元件也存在一定的影响：由于热胀冷缩的原因，温度变化将会使阀芯阀体间隙发生变化。在设计阀时一般会选择膨胀系数相近的材料来制作阀芯和阀体，这样就能降低因温度变化而

19、引起的配合间隙的变化量，确保在较宽的温度变化范围阀芯与阀体间隙密封能够起密封作用并且不至于卡死，从而有效提高阀在较宽温度变化范围内工作的可靠性和稳定性。在水下要保证各个液压元件的可靠密封，一旦发生泄漏不仅会降低工作效率而且污染环境，密封件的选用要遵循耐高压、耐高温、耐磨、耐腐蚀等原则，特别是油泵处的动密封是液压系统中极易发生泄漏的部位。为研究纠斜液压系统在井下的工作特性，并对纠斜液压系统进行改进和完善，武汉科技大学钻井实验室对纠斜液压系统的工作特性开展了一系列的理论和实验研究工作：(1) 通过仿真和实验分析并结合实际情况对各个液压阀的复位弹簧刚度和阀口极限位移进行优化设计，从而确定合理的复位弹

20、簧刚度和阀口极限位移。(2) 通过建立该液压系统高压环境下的仿真模型对各个液压元件的在高压环境下的工作特性进行了研究，特别是电磁换向阀和柱塞泵的高压响应特性分析，分析得出：高压环境下转杆转速过高时可能会出现电磁阀断电时液压缸活塞无法可靠缩回，这种情况下需减小柱塞泵排量以确保电磁换向阀对液压系统的可控性；高压环境能够改善柱塞泵的吸油特性，使得纠斜液压缸在高压环境下具有比常压环境下更快的响应速度。由于条件的限制未对液压纠斜集成块进行井下高压环境下工作特性的实验研究，因此亟需开发高压环境模拟实验台对纠斜集成块的高压特性进行实验研究对仿真结果进行验证说明。(3) 将液压纠斜集成块置于振动实验台上进行振

21、动实验并与未开启振动台的实验结果进行比较分析，实验结果表明在震动环境下纠斜液压系统能够可靠工作且纠斜液压缸的稳态压力在振动前后均能保持稳定，压力波动小，说明该纠斜液压系统能够在井下超常环境压力下正常工作。1.4本文的研究内容 针对井下高温高压模拟试验台在实验过程中出现的问题，本文主要探讨实验台的改进情况，通过分析得出实验的液压原理图以及各阀块零件图。 根据实验台的改进要求，经过整理分析将本论文的安排如下： 第一章主要介绍本课题的研究意义及井下高温高压模拟实验台的研究现状； 第二章主要是液压系统的设计； 第三章主要是各液压元件的选型； 第四章主要是阀块的设计； 第五章是对全文的总结，并指出本次研

22、究工作中的不足之出和待改进之处。2 液压系统的设计2.1 井下高压模拟试验台的液压系统 绪论中已经详细介绍了该实验台的组成，本节着重讨论该系统的液压部分。该系统液压泵组由高、低压两台液压泵站组成，高压泵站提供试验台050mpa的压力油（由溢流阀调节输出压力），低压泵站则向高压泵站补充液压油，以避免高压泵吸空。液压泵站通过软管与高压缸连接。该液压系统的原理图如图2.1： 图2.1 改进前试验台液压系统原理图 图2.1中，1.1为高压泵向高压容器供油，而1.2也为高压泵但只向1.1的油箱13.1补油，这两个泵组结构基本相同，可以互换。8.1和8.2为两溢流阀，分别调节1.1和1.2泵出油口压力。当

23、二位三通手动换向阀7.1处左位时，高压容器通高压油，当处右位时，高压容器里液压油通过高压软管回油箱；二位三通手动换向阀7.2处下位时，泵1.2液压油被截止，不能通过，当处于上位时，泵1.2输出的液压油经过单向阀6.2和软管15.2到油箱13.1，完成对13.1的补油。在实验完毕系统卸载时，开启截止阀10，使高压容器中的油液经该阀流回油箱13.2。2.2 试验台的改进设计2.2.1 实验台改进要求原高压实验台在使用过程中发现存在以下问题： （1）原实验台为水平放置，占地面积较大，且被试纠斜集成块在高压容器内的安装和拆卸不太方便；（2）实验台的高压泵站为两个相互独立的高压泵站组成，且每个泵站的油箱

24、容积较小不能单独提供充满高压容器所需要的全部油液。针对以上问题要求改进后的高压实验台采用竖直结构以减少占地面积并改进纠斜集成块的装拆方式；同时重新设计实验台的液压动力源，液压泵站采用双泵结构且共用一个油箱，低压油液由大流量泵提供，达到一定压力后切换为小流量的高压泵，高低压油泵输出压力均可由溢流阀调节。试验台的电气控制有两个液压泵电机的启、停控制以及相应的电气保护（如过载报警、自动切断电路等）。2.2.2 改进后的液压系统方案设计本课题的重点是高压实验台的液压系统的重新设计。针对试验台的改进要求，并结合液压系统设计要求，该井下高温高压模拟试验台液压泵站原理图设计如图2.2所示：图2.2 改进后高

25、压实验台液压原理图图2.2中，1为高压容器，实验时，内腔充满高压油，用来模拟深井下的高压泥浆；2为油箱，为整个液压系统提供液压油，油箱上有空气滤清器17，温度传感器18和可视液位计19，通过这些传感器可以获知液压油的温度和油箱内油的体积以便对泵的启停做出控制。9和13分别为高压和低压泵。在给高压容器注油时先启动低压大流量泵，随着油液不断压缩容器内的空气，容器内的压力达到压力继电器设定值时，启动高压泵同时停止低压泵。高压泵和低压泵的电机8、12在电气上通过互锁防止两台泵同时启动，两个泵的压力由各自的溢流阀10和14调定；16为蓄能器，当高压容器达到实验要求的压力时两个泵均停止，此时系统压力油的泄

26、漏均由该蓄能器补充；5为二位三通手动换向阀，当换向阀处于左位时，高压容器通高压油，当处于右位时，高压容器里液压油通过高压软管回油箱。图中点画线中的液压元件通过阀块连接。3 液压元件的计算和选型3.1 液压泵的确定3.1.1液压泵选用原则 首先依据初选的系统压力选择液压泵的结构类型，一般p21mpa，选用齿轮泵和叶片泵；p21mpa，则选择柱塞泵。然后确定液压泵的最大工作压力和流量。液压泵的最大工作压力必须等于或超过液压执行元件最大工作压力及进油路上总压力损失这两者之和，液压执行元件的最大工作压力可以从工况图或表中找到；进油路上总压力损失可以通过估算求得，也可以按经验资料估计，见表3.1表3.1

27、 进油路压力损失经验值 液压泵的流量必须等于或超过几个同时工作的液压执行元件总流量的最大值以及回路中泄漏量这两者之和。液压执行元件总流量的最大值可以从工况图或表中找到（当系统中备有蓄能器时，此值应为一个工作循环中液压执行元件的平均流量）；而回路中泄漏量则可按总流量最大值的10%-30%估算。在参照产品样本选取液压泵时，泵的额定压力应选得比上述最大工作压力高20%-60%，以便留有压力储备；额定流量则只需选得能满足上述最大流量需要即可。液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电机的功率一般可以直接从产品样本上查到，电机功率也可以根据具体工况计算出来。3.1.2 液压泵组的参数计算和选型根据系统

28、的要求，高压泵的输出压力应不小于50mpa，而低压泵输出压力在5mp即可。通过调研确定本系统液压泵均采用昊力径向柱塞泵。在确定泵的流量后，即可确定所对应的驱动电机。柱塞泵的外形如图3.1，其参数如表3.2所示： 图 3.1昊力径向柱塞泵 表3.2昊力径向柱塞泵参数 1. 低压泵参数计算和选型已知高压容器的容积为v=80l，实验要求液压油充满高压容器所需时间t=16l/min,不妨初取q1为20l/min。查表3.2可得低压泵型号为r14x13-21.18，其额定参数如下：额定压力为p1=32mpa，额定流量q1为21.18l/min，额定转速为=1500r/min2. 高压泵参数计算和选型由低

29、压泵的压力流量参数可以满足实验的时间要求，故高压泵可选较小流量，不妨初选为1l/min，查表3.2可得高压泵型号为r2x8.5-1.29，其额定参数如下： 额定压力为p2=63mpa，额定流量为q2=1.29l/min，额定转速为=1500r/min 3. 确定驱动电机根据功率公式p=p*q得到液压泵的实际功率p1=p1*q1=5mp*21.18l/min=1.765kwp2=p2*q2=50mp*1.29l/min=1.0755kw取电机的机械效率为n=0.8则电机1的功率p=p1/n=1.765/0.8=2.2kw电机2的功率为p=p2/n=1.0755/0.8=1.34kw查y系列电机手

30、册可得低压泵电机选用型号为y100l1-4，其额定功率为2.2kw高压泵电机选用型号为y90l-4，额定功率为1.5kw3.2 阀类元件的选用由于实验台要求的工作压力为50mpa属于超高压液压系统，因此所选的阀类元件须满足液压系统的最大压力也属于超高压液压元件。通过调研确定本系统阀类元件均采用哈威液压元件产品。各类液压阀都必须选得使其实际通过流量最多不超过其公称流量的120%，否则会引起发热、噪声和过大的压力损失，使阀的性能下降。3.2.1 换向阀的选择 按通流量选择结构型式，一般通流量在190l/min以上时，宜选用二通插装阀，70l/min以下可选用电磁换向阀，否则需用电液换向阀。本系统所

31、用的换向阀为二位三通手动换向阀，哈威产品样本中有两种手动换向阀 如表3.3所示，根据本系统的工作特点选用该表中最右侧的结构，该换向阀的型号为32，其压降流量曲线如图3.2所示。换向阀的具体参数为：最大压力为50mpa，最大流量为25l/min表3.3二位三通手动换向阀的规格参数 图3.2 二位三通手动换向阀p-q特性曲线（测试时油粘度为60mm2/s） 曲线a：pa和ar 曲线b:pr3.2.2 溢流阀的选择直动式溢流阀响应快，适合作制动阀及流量较小的安全阀。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取，并应注意其许用的最小稳定流量，一般来说，其最小稳定流量应是公称流量的15%以上。本系统中需要分别

32、确定高压泵和低压泵的所对应的溢流阀。图3.3是溢流阀的外形，表3.4是其参数规格。1. 确定高压溢流阀高压容器实验时要求所需压力应不低于50mpa，高压泵额定压力为63mpa，故查表3.4可选高压溢流阀型号为cmvv1br-500，其压力流量参数为： 最大压力为50mpa，最大流量为20l/min2. 确定低压溢流阀实验要求低压泵供油压力在5mpa即可，而低压泵的额定压力为32mpa，故查表3.4可选低压溢流阀型号为cmv1fr-50，其压力流量参数为：最大压力为8mpa，最大流量为20l/min 表3.4 溢流阀规格参数 图3.3 溢流阀尺寸结构 3.2.3 单向阀的选择 选择单向阀时，应注

33、意其开启压力大小，开启压力小作单向阀，开启压力大作背压阀。本系统中高、低压泵的出口均需设置单向阀以防止容器和其他泵输出的压力油损坏油泵。产品样本中提供的相关单向阀产品规格如表3.5所示，图3.4为单向阀的外形结构，图3.5为单向阀的压降流量曲线。 表3.5单向阀的规格参数图3.4 单向阀结构 图3.5单向阀p-q特性曲线 （测试时油粘度为50mm2/s）根据系统要求，高压单向阀和低压单向阀工作压力分别为50mpa和5mpa，所以根据表3.5和图3.5可得高压单向阀型号为re0，其额定压力为500bar，额定流量为12l/min(在p=7mpa时）低压单向阀型号为re1，其额定压力为500bar

34、，额定流量为25l/min(在p=7mpa时）3.3 油箱的设计 油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达0.05mpa。如果按油箱的形状来分，还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用；圆罐形油箱强度高，重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在

35、大型冶金设备中经常采用。 3.3.1油箱的设计要点 1）油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质；而工作时又能保持适当的液位。吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的3倍。吸油管可安装100m左右的网式或线隙式过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切45角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也有利于散热。 吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高

36、度的2/33/4。 为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以便于油箱内部的清理。 油箱底部应距地面150mm以上，以便于搬运、放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳，以便吊运，还要设置液位计，以监视液位。 2）对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。常用的方法有： 酸洗后磷化。适用于所有介质，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。 喷丸后直接涂防锈油。适用于一般矿物油和合成液压油，不适合含水液压液。因不受处理条件限制，大型油箱较多采用此方法。

37、 喷砂后热喷涂氧化铝。适用于除水-乙二醇外的所有介质。 喷砂后进行喷塑。适用于所有介质。但受烘干设备限制，油箱不能过大。 考虑油箱内表面的防腐处理时，不但要顾及与介质的相容性，还要考虑处理后的可加工性、制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性，条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择3.3.2油箱容积的设计计算 为了更好的沉淀杂质和分离空气,油箱的有效容积(液面高度只占油箱高度百分之八十的油箱容积)一般取为液压泵每分钟排出的油液体积的2-7倍.当系统为低压系统时取2-4倍;当系统 为中高压时取5-7倍;对行走机械一般取2倍.也就是必许保证有足够的油。一般采用经验公式 v= （1.21.25）

38、（0.20.33）*qb+qg） （3.1）其中qb是泵的流量，qg是液压油缸的容量。 1.油箱的有效容积(油面高度为油箱高度80%时的容积)应根据液压系统发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在系统负载较大、长期连续工作时是必不可少的。但对于一般情况来说，油箱的有效容积可以按液压泵的额定流量qp(l/min)估计出来。例如，适用于机床或其它一些固定式机械的估算式为： v=qp (6-7) （3.2）式中： v为油箱的有效容积(l)； 为与系统压力有关的经验数字： 低压系统=24； 中压系统=57； 高压系统=1012 2. 吸油管和回油管应尽量相距远些，两管之间要用隔板隔开，以增加油液循环距离

39、，使液有足够的时间分离气泡，沉淀杂质，消散热量。隔板高度最好为箱内油面高度的3/4。吸油管入口处要装粗滤油器。精滤油器与回油管管端在油面最低时仍应没在油中，防止吸油时卷吸空气或回油冲入油箱时搅动油面而混入气泡。回油管管端宜斜切45，以增大出油口截面积，减慢出口处油流速度，此外，应使回油管斜切口面对箱壁，以利油液散热。当回油管排回的油量很大时，宜使它出口处高出油面，向一个带孔或不带孔的斜槽(倾角为515)排油，使油流散开，一方面减慢流速，另一方面排走油液中空气。减慢回油流速、减少它的冲击搅拌作用，也可以采取让它通过扩散室的办法来达到。泄油管管端亦可斜切并面壁，但不可没入油中。管端与箱底、箱壁间距

40、离均不宜小于管径的3倍。粗滤油器距箱底不应小于20mm。 3.为了防止油液污染，油箱上各盖板、管口处都要妥善密封。注油器上要加滤油网。防止油箱出现负压而设置的通气孔上须装空气滤清器。空气滤清器的容量至少应为液压泵额定流量的2倍。油箱内回油集中部分及清污口附近宜装设一些磁性块，以去除油液中的铁屑和带磁性颗粒。 4.为了易于散热和便于对油箱进行搬移及维护保养，按gb376683规定，箱底离地至少应在150mm以上。箱底应适当倾斜，在最低部位处设置堵塞或放油阀，以便排放污油。按照gb376683规定，箱体上注油口的近旁必须设置液位计。滤油器的安装位置应便于装拆。箱内各处应便于清洗。 5.油箱中如要安

41、装热交换器，必须考虑好它的安装位置，以及测温、控制等措施。 6.分离式油箱一般用2.54mm钢板焊成。箱壁愈薄，散热愈快，有资料建议100l容量的油箱箱壁厚度取1.5mm，400l以下的取3mm，400l以上的取6mm，箱底厚度大于箱壁，箱盖厚度应为箱壁的4倍。大尺寸油箱要加焊角板、筋条，以增加刚性。当液压泵及其驱动电机和其它液压件都要装在油箱上时，油箱顶盖要相应地加厚。 7.油箱内壁应涂上耐油防锈的涂料。外壁如涂上一层极薄的黑漆(不超过0.025mm 厚 度)，会有很好的辐射冷却效果。铸造的油箱内壁一般只进行喷砂处理，不涂漆。 3.3.3 油箱结构设计及尺寸确定1. 油箱结构 图3.6 油箱

42、的结构 如图3.6所示为油箱的结构示意图，其中1为径向柱塞泵放在油箱里面，2为圆形孔，3为可视液位计，4为油堵，5为支座，6为联轴器，7为吊耳。 该液压系统油箱中液压油是供给高压容器用来模拟深井下的泥浆，已知高压容器的容积是80l，考虑到油箱中放置有柱塞泵并不能充满液压油，估算该油箱的容积至少为120l。2. 油箱尺寸计算 由该油箱的结构并根据以往的尺寸经验可以得到该油箱的尺寸a=660mm，b=520mm， c=420mmv=abc=660*520*420=144l120l 该油箱容积设计合格油箱壁厚根据4.3.2第六条可知h=3mm，箱盖厚度h1=4h=12mm。 3.4 其他3.4.1

43、蓄能器选择 表 3.6 a型隔膜式蓄能器 本系统中蓄能器主要是为整个液压系统可能产生的泄漏补充液压油，系统最终所需的压力要保持在50mpa，查表3.6可得蓄能器的型号为a 13-1/4，其容积为0.1l，最大压力为50mpa。3.4.2 液压管路与金属管相比，液压软管有一定的柔性，方便拆卸，适用于有运动部件或者是经常拆卸的部件之间的连接。在一些系统中不知软管在穿越障碍时比弯曲、安装金属管要简单的多，构建成本也更低。各软管通径和尺寸可查看表3.9。 本系统中有低压和高压两种供油方式，管径的一般计算如下式 (3.3) 式中： d 管道直径，mm； q 管道内可能流过的最大工作流量，l/min； v

44、max 管道允许的最大工作液流速，m/s。 一般，对于压力孔道，vmax不大于6 m/s；对于回油孔道，vmax不大于3 m/s。按公式（3.3）估算出的孔道直径应园整至标准的通径值。 1.低压油管管径根据式（3.3） 可得低压进油管直径d14.61=4.61*=12.3mm圆整后查表3.6可选低压管为m22x1.52.高压油管管径 根据式（3.3）可得高压进油管直径d24.61=4.61*=3.1mm圆整后查表3.6可选高压管为m14x1.5 表 3.6软管尺寸参数4 液压阀块的设计4.1 阀块设计中的术语1 液压控制阀块（以下简称阀块或集成块）将多个选定的液压控制阀件集成或组合安装在同一金

45、属块体上，组成具有预定控制功能的装配体；2 阀块体 用于安装选定的各类液压控制阀件，并加工有要求的油路孔道，以组成具有预定的液压控制功能的金属块体； 3 主级孔道 阀块体上动力传动油液流经的孔道，一般指与液压动力源、主回油以及液压执行机构工作腔相连接的孔道；4 先导孔道 阀块体上先导控制油液流经的孔道，指与先导控制回路对应的进油、回油、泄油、与受控连通、压力检测以及相应的工艺孔道等； 5 工艺孔 为加工孔道而加工的孔，当孔加工完成时，这些工艺孔将会被堵上。4.2 阀块体的设计要求 1 阀块体的外形一般为矩形六面体。 2 阀块体材料宜采用45钢锻件或连铸坯件。 3 阀块体的最大边长宜不大于600

46、 mm，所包含的二通插装阀插件数量宜不大于8。 4 对于较简单的液压系统，其液压阀较少，可安装在同一个集成块上。如果液压系统复杂，阀件较多，就要采取多个集成块叠积的形式。相互叠积的集成块上下面一般为叠积接合面，钻有公共压力油孔p，公共回油孔t，泄油孔l和四个用于叠积的螺栓孔。 p孔：液压泵输出的压力油经调压后进入公共的压力油孔p，作为供给各单元回路压力油的公共油源。 t孔：各单元回路的回油均通到公共回油孔t，流回到油箱。 l孔：，各液压阀的泄漏油，统一通过公共泄漏油孔流回油箱。 集成块的其余四个表面，一般后面接通液压执行元件的油管，另三个面用以安装液压阀。块体内部按系统图的要求，钻有沟通各阀的

47、孔道。 5 插件在阀块体中的安装位置的布置，应能使阀块体外形尺寸尽可能小，且便于孔道的加工。一般采 用立式对称布置或卧式l形布置。 （a）立式对称布置时，插件在垂直方向分层排列配置，每层两个插件，相对安装在阀块体的两个 相对的侧面内。另两个侧面上，可安置进油口p、回油口t、工作油口a和b或其它元组件。 （b）卧式l形布置时，插件在水平方向分列配置，每列两个插件，成l形安装在阀块体的两个相邻 表面（顶面和正面）内。其它三个侧面（背面和两侧）上可安置进油口p、回油口t、工作油口a和b或其它元组件。 6 阀块体的插件安装孔一般应符合gb 2877的规定。当有特殊需要时，可对标准安装孔作局部改动， 但

48、改动后的安装孔应不影响具有标准安装尺寸的插件的安装。4.3液压阀块设计规范 1设计阀块体的主级孔道时应考虑尽可能减小流阻损失及加工方便。 2主级孔道的直径按公式（4）估算选取： (4.1) 式中： d 孔道直径，mm； q 孔道内可能流过的最大工作流量，l/min； vmax 孔道允许的最大工作液流速，m/s。 一般，对于压力孔道，vmax不大于6 m/s；对于回油孔道，vmax不大于3 m/s。按公式（4.1）估算出的孔道直径应园整至标准的通径值。3阀块孔道间的最小壁厚 为防止系统使用中被击穿，阀块中间两两相邻（相交或平行）孔道（含安装螺纹孔）之间的最小壁厚应不小于4mm。但在受布局和结构限

49、制，且孔道所受压力小于6.3mpa时，孔道之间的最小壁厚不小于3mm。 孔间壁厚可按公式（5）进行校核，考虑到集成阀块上的油孔细而长，钻孔加工时可能会钻偏，实际壁厚应在计算基础上适当取大一些。 （4.2）式中 ： d孔间壁厚； p孔道最高工作压力； d压力油孔道直径； n安全系数； s阀块材料抗拉强度 4为改善深孔工艺性，设计时可考虑增大孔径或采用两端钻孔对接的方法。 5工艺孔道应采用螺塞、法兰等可拆方式封堵，以便孔道的清理、清洗和检查。螺塞的螺纹应符合 gb 2878的规定。在位置不允许时，对直径不大于12 mm的孔道，允许采用球涨式堵头封堵，球涨式堵头的安装尺寸应符合zbj 22007的规

50、定。 4.4阀块体的设计 在一些液压系统中，有时系统中的管路较多或者为了精简系统结构便于以后系统的维修，故须将一些液压元件集成到一起，而阀块正是用来连接这些元件的。本系统中涉及到两个阀块的设计，以下分别介绍：1.1#阀块设计 在该系统中，阀块一集成了两个单向阀，两个压力表，两个溢流阀，两个压力继电器，为了便于阀块的安装和元件的使用，将这些元件分布在阀块的上面和左右侧面，阀块的a口和b口安排在后面而p口和t口安排在下面，其原理图如图4.1所示，阀块的装配图如图4.3所示。 图4.1 阀块一液压原理图 知道了各个元件在阀块的分布位置，下面就是确定各油口的位置了。 该阀块的设计使用solidwork

51、s软件完成。 solidworks公司成立于1993年，由ptc公司的技术副总裁与cv公司的副总裁发起，总部位于马塞诸塞州的康克尔郡（concord,massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套solidworks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，solidworks被法国达索（dassault systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。 下面是设计的流程图。 (1)查询及创建阀块主体 首先通过

52、所示的查询系统确定各个阀的底板尺寸，之后根据以上初步确定的连通关系确定阀块的整体尺寸。 (2)插入溢流阀的草图及螺纹孔和定位孔 点击插入底板草图的菜单，则可以查询到以l1为基点的坐标形式的液压阀底板尺寸。根据液压原理图和查询到的两种形式的液压阀底板尺寸，确定右基准面上溢流阀上一点的位置，然后点击计算按钮，计算其他点的坐标，然后点击插入草图按钮并选择生成螺纹孔和定位销孔特征。 (3)插入手动换向阀的草图及螺纹孔和定位孔特征 由液压原理图可以知道，溢流阀的t口与基准面3上的单向阀的t口相通，通过查询系统查询单向阀的尺寸坐标，确定单向阀的t口的坐标，然后计算其他坐标。 (4)孔的连通 由原理图可以看到，溢流阀的p口要与进油口p口打通，这个时候溢流阀的p口位置已经确定，所以进油口的p口的位置也基本确定。选择油口p的草图圆和溢流阀的p的草图圆，程序会判断是否需要打工艺孔，点击孔道连通按钮，则孔道生成。 (5)以后步骤基本相似。 (6)辅助功能的进行 点击阀块或阀块上的一点或一面，然后点击透明性按钮，会发现阀块体的表面变为透明，把特征孔同面的设置为同