液压舵机设计计算1. 目的通过对液压舵机各组成部分的设计、计算和验算确保本设计设计的液压舵机能 满足船舶航行时转舵及安全的需要2. 适用范围本设计计算中的有关设计数据和内容，只适用于本设计中的液压舵机3. 引用标准本设计计算应用：a） GB7185—87《内河船液压舵机》b） GB11636—89《柱塞式液压舵机安装技术条件》c） 《液压传动设计手册》d） 《船舶材料手册》e） 《机械零件设计手册》f） 《钢质海船入级与建造规范》之第三、十三章《操舵装置与锚机装置》g） JB2183—77《液压缸内径系列和柱塞杆外径系列》标准h） GB3004—85《船用往复式液压缸基本参数》标准i） 《液压舵机与液压起重机》相关内容4. 液压舵机的组成4.1 转舵（推舵）机构；即液压能转化为转舵机械能的执行机构4.2 操舵系统：即对液压流向和液体压力控制并能控制舵叶转向的系统5. 设计计算5.1 推舵机构的设计、计算和验算5.1.1根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准，本设计采用：四缸两柱塞拨叉 式液压舵机结构简图如图所示5.1.2根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准a） 公称扭转为72t • mb） 工作舵角 35。
c）转舵时间（一弦35至另一弦30正常航段W28 （s）5.1.3根据GB7185—87《内河船液压舵机》标准a） 设计压力为1.25倍最大工作压力b） 受压零部件1.5倍设计压力试验5.1.4 选择油缸5.1.4.1根据JB2183—77《液压缸内径系列和柱塞杆外径系列》选择液压缸缸孔直径为①250m m则柱塞杆直径为①250mm当转舵角为 0 时柱塞受力分析如图：O -Fn —轴力图轴应力o二FnA - A12F =FNn=631.6 KNM 720F = =n 2l 2 x 0.57柱塞杆截面柱塞面积a =nd 24 =0.049m2A ~0.25x 0.15=0.0375 m22o=54.9 MPo =1.25o =68.7MP 设计o=零件1.5o =103.0 MP设计符合a =598 MP45钢式中： F —舵柄对柱塞的作用力NF —液压对柱塞的作用力 n当转舵角为35时柱塞受力分析如图:d页 -FNx F恳, 500nnn .500mm2 F x 0.57 二 720NF =631.6 KNNF = F -cos35517.4 KN Nx NF = F - sin35326.3 KNNy N弯矩图剪力图517.490.6 xO = nx + —max A 一 A n d4 0.25 x 0.153 0.049 — 0.03751 264120.252n x 0.254 0.25 x 0.15364=45.0+93.3=138.3 MPo =1.25 x 1.5 x o 零件max=259.3 MPV598 MPmaxFny推舵机构示意图--1、2—油缸3—舵柄5— 舵柄柱销6— 油缸柱销4— 舵轴舵柄半径R181.2T = ny = =15.8 MPA - A 0.049 - 0.037512T =1.25 x 1.5 x t =29.6 MP零件5.1.4.2 油缸工作压力计算：M=2 A x p1Ix R xq x cos a720=4 x 0.049 x P x 0.057 x 0.85 x cos35。
I工作压力 =18511.6kNm2=18.5 MP设计压力 P=1.25 p=23.1 MPI式中：A —缸孔面积m 21P—工作压力R—舵柄半径0.26m耳一推舵机构效率0.85a —转舵角土 355.1.4.3 油缸所需流量 Q 的确定a）油缸柱塞杆从+35至- 30时升出长度L的计算0.57 x tan 35 0.57 x tan 30~0.728m=0.73mb）油腔容积：V = A x L =0.049 x 0.73 二 0.0358m311油缸从一舷35至另一舷30总容积：V=2V =0.0716m3=71.6升1c）油缸所需的流量Q流=V28秒x 6°=71®28 X 60二153.45.1.4.4 油缸壁厚的计算若16> — > 3.2选中等壁厚,5则缸体壁厚：5 =（2.3乳p）FC （《液压传动设计手册》P452式中：p—油缸内工作压力Imp ］；申一强度系数（取申=1）；c—计入管壁公差及腐蚀的附加厚度（取C=0）；D一油缸内径［mm］许用应力 L ］= J = 598 二 149.5MPn4式中：G —材料抗拉强度［45号钢g =598MP］； bbN—安全系数，取n=4。
23.1x 250则 5 = =18.0mm2.3 x 149.5 - 23.1则D =空=13.9 符合中等壁厚条件5 185.1.4.5主要参数柱塞直径： 250mm柱塞行程： 800mm油缸壁厚： 18mm额定压力： 23.5MP5.1.5舵柄柱销剪切强度的核算a） 油缸柱塞销孔©150mm故舵柄柱销直径©150mm材料为45#钢其剪切模G=8.1 x 105 kf cm 2b） 切断©150 mm柱销所需切断力F切=G - A销二 &5 X105 X 3」4 X 7・52 二1501-3 X105 “c）柱塞杆推力 F=1.5PA]=231 x 490 x 1.5 二 16978.5kgf故0150 mm柱销剪切强度是足够的5.1.6 舵柄强度的验算5.1.6.1 舵柄结构示意图如下：57H 一 57H1 J1111 —1 ■ —k11\S匸11111亠0^00 ~4D rOC5.1.6.2 从图中可以看出舵柄的危险截面在舵柄柱销处按抗拉强度验算考虑到舵柄需焊接，采用A甲类普通碳素钢（GB—79）,其抗拉强度为3L ]= 42Wb / mm 2最大弯矩 M= F x l =16978.5 x 75 二 1273387.5 kgf - mm危险截面处应力 b 二 ~M^ 二 32.2< L ]= 42kgfmax 75x783 / mm2 b /mm212单边强度足够。
5.1.7 舵轴键的强度计算和尺寸确定舵轴扭矩M = 720kN • m采用双键连接舵轴直径取①300选取键 72 x 300 GB1096—79许用剪应力 L L 120Mpa 二 1200kgf/cm 2剪力 F=M2l7202 x 0.15二 2400kN剪应力T(□1.5 x 1.25 x F =208.3 kgf7l x b ，cm2式中：l—键的长度b —键的宽度键的强度是足够的5.2 操舵系统的设计计算和验算5.2.1 操舵系统液压原理图，见附图5.2.2 液压原理图设计说明本设计的液压舵机的操舵系统由主操舵舵装置和应急操舵装置两套机构组 成5.2.2.1 主操舵装置液压系统的组成，由两台齿轮泵组成（一台正常工作，另一台备用），压力控制的液流阀，二位四通电磁或手动换向阀，转向器，一只 液控双向锁，装在推舵装置附近的双向安全自锁阀和推舵装置组成5.2.2.2 应急操舵装置液压系统由与主操舵装置合用的供油和压力控制装置，二位四通电磁或手动换向阀，三位四通电磁或手动换向阀，双向安全自锁组合 阀和推舵装置组成5.2.2.3 液压系统中各元件的作用a） 齿轮泵组供油，一套正常使用，另一套备用。
两台泵的动力可以用电动 机传动，也可用船用动力主机或辅机传动b） 液流阀：控制系统的压力c） 二位四通电磁或手动换向阀：控制主操舵装置液压系统与应急操舵装置 液压系统油路的液压流向d） 三位四通电磁或手动换向阀在应急舵时控制舵的转向e） 转向器是主操舵系统中控制舵的转向和速度f） 液压双向锁：主操舵时，当舵任意停止时避免外力作用下窜动，同时应 急操舵时将主操舵和应急操舵的油路隔开g） 双向安全自锁组合阀：主要是稳舵和过载保护的作用，即有风浪或其他 外力作用在舵叶上，致使油缸某腔压力超载（背压高于工作压力）时，回 油路的液控单向阀关阀，回油液通过缓冲阀进行缓冲起到稳舵和过载保 护舵叶外力消除后，系统正常工作5.2.3 液压系统中各元件的选择5.2.3.1 油泵的选择a）根据5.1.4.2、5.1.4.3的计算知油缸所需的压力：P =23.1 MP=231kgf/缸 /cm 2油缸所需的流量：Q泸=153.4Lmin油缸的总容积： V=71.6L则：液压泵的排量：•nn —系统的容积效率： n 取 0.9 VVn泵—油泵的容积效率」取°9Q排 = 153.(0.9 x 0.9)=189-4 L minb）选取1JMD—80曲轴连杆式径向油泵。
《液压传动设计手册》P ）381 主要参数：额定转速： 150rpm理论排量：1.608纟；额定压力：240 kgf.Z/cm 2容积效率： 0.9c)油泵实际排量：Q=1.608x 150 x 0.9 二217.1 人in此时实际的操舵时间： t=（60x•Q)(60 x 71.6) /'/(0.9 x 217.1)=22.0(秒)d）油泵的额定压力24MP，通过溢流阀的压力调节能满足油缸的工作压力溢流阀的调定压力为23.1MP （公称压力）5.2.3.2 油泵电机功率的确定a）按《船舶设计手册》动力手册公式4—127 电机功率鼻Q •: 60 x — •y/ 泵式中：q—泵的额定排量1 m i nP—系统的设计压力MP耳一泵的容积效率0.9泵Y —过载系数y =141.6 取1.5按 1JMD—80 曲轴连杆式径向油泵计算：p=（271.1 x 5.5）/ =18 41kWP= /（60 x 0.9 x 1.5）=18.41kWb）电机功率应大于18.41kW，如用三角皮带传动变速 电机功率 P > P =18・41485 二 21.66kW电 /耳 /0.85z 皮带5.2.3.3 液压件的选择根据油缸流量153.4Lmin，设计压力23.1MP选取元件列表如下:序 号元件名称排量流量型号压力数量接口尺寸备注1曲轴连杆式径向油泵1.608 yr1JMD-8024MP2① 50mm（内径）2单向阀250 y./mmDF-L32K135MP2① 32mm板式连接3溢流阀250 im./mmY。