摘 要

压缩空气系统是船舶中重要的动力组成，它可以为船舶中的多个部件提供能量，在船舶中有着举足轻重的地位。如何控制空气系统一直以来都是船舶中比较难解决的问题，本文设计了一套使用液压动力站作为动力源的控制系统，通过驱动安装在空气管路上的调节阀以实现控制空气系统的功能，可以满足中压条件下压缩空气系统的控制需求。

本文针对中压空气系统流量大、压力大的特点，采用v型球阀作为控制主阀，利用开口大小调节空气管路流量，并设计了配套的液压系统，包括液压动力站、液压管路、主阀驱动元件等，可以在高效、精确完成控制任务的同时，又尽可能做到了结构紧凑和经济性。选用了齿轮齿条摆动缸作为执行元件用以提供控制v型球阀的扭矩，达到了控制时间小于两秒的需求，响应迅速。

该系统使用了比例方向阀作为液压控制阀，在造价远低于伺服阀的同时，又具有足够的调控精度，可以满足系统的控制要求。本文所设计的系统可以为需要使用液压系统控制压缩空气系统的船舶提供参考。

关键词：船舶中压空气系统；液压系统；v型球阀；比例阀

Abstract

Compressed air system is an important power component part in the ship, which can provide energy for many parts of the ship.How to control the air system has always been a difficult problem in the ship, this paper designs a control system which uses hydraulic power station as a power source, through driving regulating valve installed in the air line in order to realize the control functions of the system of air,the system can meet the demand of compressed air system under the medium condition.

Medium pressure air system, For the characteristics of the large flow, high pressure, the author of this paper chooses the v-type ball valve as the main control valve, uses opening size to adjust air pipe flow, and designs a complete set of hydraulic system, including hydraulic power station,hydraulic pipeline, the main valve driving element, etc. The system can complete control tasks efficiently and accurately, at the same time make the structure as compact as possible and realize economical target. The rack and pinion swing cylinder is selected as the actuating element to provide control torque of v-type ball valve, so that the control time is less than two seconds and the response is rapid.

This system uses the electro-hydraulic proportional directional valve as the hydraulic control valve,and the cost is far lower than the electro-hydraulic servo valve, at the same time, it has enough control precision that can meet the control requirements of the system.The system designed in this paper can provide reference for ships that need to use hydraulic system to control compressed air system.

Keywords: ship medium pressure air system;Hydraulic system;V-type ball valve;Electro-hydraulic proportional valve

目录

1绪论 1

1.1选题背景 1

1.2国内外的现行状况分析 2

1.3研究的目的及意义 3

1.4关键问题分析 4

1.5本章小结 4

2中压空气系统主阀的选定 5

2.1主阀类型介绍 5

2.2V型球阀的选型 5

2.3本章小结 6

3液压系统设计 7

3.1选择系统类型 7

3.2选择执行元件 7

3.3选择调速方式 8

3.4冗余设计 8

3.5液压元件类型的选择 9

3.5.1液压泵的选择 9

3.5.2比例阀的选择 10

3.5.3蓄能器类型的选择 11

3.6工作介质的选择 12

3.7液压原理图的拟定 13

3.8本章小结 15

4液压元件的计算与选择 16

4.1摆动缸的选择与计算 16

4.2液压泵的选择 16

4.2.1单条支路流量的计算 16

4.2.2总流量计算及泵的选取 16

4.3电机的选择 17

4.4液压阀的选择 17

4.5液压系统其他元件的选择 18

4.6本章小结 18

5系统效率的验算和液压元件的装配 20

5.1系统效率及油箱温升的验算 20

5.2液压站的装配 21

5.3执行元件的装配 22

5.4本章小结 22

6经济性分析 23

7总结与展望 24

7.1总结 24

7.2展望 24

致谢 25

参考文献 26

附录 27

1绪论

1.1选题背景

随着改革开放以来我国对外贸易的发展，跨国贸易交易量的不断增加，我国对于远洋船舶的需求也进一步加大，国家也越来越重视船舶工业的发展。自从新中国成立以来，国家对于船舶的发展高度重视，也给予了大力支持，因此，我国的船舶工业发展地相当迅速，经过近七十年的发展，已经形成了比较完善的船舶工业体系，基本具备了制造各领域、各类型大型船舶的能力，但在船载高精尖设备方面，依然与在造船领域处于顶尖的国家有一定的差距。

压缩空气输送系统在船舶上有着举足轻重的地位，压缩空气在船舶上的主要作用有：向气动化系统提供气源动力、为清洗设备提供动力、作为充气救生筏艇的充气源、为船用泡沫灭火器提供喷射动力、向柴油机提供起动转矩等。而在这些功能中，最重要的也是最需要压缩空气提供动力的而且难以替代的，就是为船舶的动力来源——柴油机提供起动助力。大型远洋船舶的航行动力来源基本上都是由柴油机提供的，而船用柴油机因为其体积巨大，所以在陆地上应用很广泛的使用电动机为小型柴油机提供起动转矩的方式难以效仿，船用柴油机需要的起动转矩过大，使用电动机不仅在安全方面有欠缺，更是缺乏经济性，所以，目前国内外大多数船舶的柴油机启动方式都采用压缩空气吹入柴油机气缸的方式为其提供启动转矩，因此，完善、先进、可靠的压缩空气系统对于大型远洋船舶来说是至关重要的，仅是为动力心脏提供启动动力这一条，就足以让我们去重视它，着重探究，设计出更先进的压缩空气系统。

对于压缩空气系统控制方式的探究更是重中之重，压缩空气管路空气流量大、气压高，拥有着极高的能量，但是船舶上需要压缩空气提供动力的系统又对压缩空气提出了精准控制的要求，这就使得压缩空气控制系统必须有准确、迅速调控高能量密度气体的能力，与此同时，压缩空气输送管路在船舶上数量一般都比较多，这又需要控制系统可以分开控制且互不干扰，对控制系统的设计提出了巨大的挑战，也使得优秀、可靠、经济的压缩空气控制系统弥足珍贵。

目前控制压缩空气系统的方式主要是在系统管路上插入一个合适的阀门，比如闸阀、球阀、蝶阀等，这些阀门基本可以满足压缩空气系统的调控要求。但是开启和关闭这些阀门需要的力矩往往较大，难以精确控制，而使用液压系统来控制基本可以比较完美地解决这些问题，液压传动具有易于调节速度、操控方便、运行稳定等优点，因此选择使用液压系统作为主阀的驱动动力。

本文提出了压缩空气控制系统的一种解决方案，使用v型球阀作为控制空气系统的主阀，利用液压控制技术为执行元件齿轮齿条式摆动缸提供动力源，驱动v型球阀实现对压缩空气系统的调控。

1.2国内外的现行状况分析

液压技术发源于西方国家，最早可以追溯到1648年，由法国人帕斯卡提出了流体静力学的基础——帕斯卡原理，揭示了液体静止时的压力传递规律。此后的近一百五十年里，液压技术的理论基础不断发展，在各个国家的科学家们的努力探究下，由经典力学建立的质量守恒、动量守恒、能量守恒这三条定律出发，在流体领域先后发现和建立了流体连续性的欧拉方程、流体动力学的伯努利方程、不可压缩流体的运动微分方程、判定湍流和层流的雷诺数以及湍流的基本方程——雷诺方程等，液压技术的理论基础逐步完善。在1795年，第一项液压机的专利由布拉磨获得，1797年，布拉磨制造出了第一台使用水作为工作介质的液压机，这台液压机由手动泵供能。在往后的二十多年里，水压机被广泛使用，在这段时间还出现了最原始的液压控制回路，为液压控制技术的发展奠定了基础。但是，使用水作为工作介质有很多弊端，水粘度低，对能量的传递不利，而且容易与、空气中的氧气发生反应，导致液压元件生锈腐蚀，此后，由于电力传输的广泛使用，水压机逐渐被人们遗忘。直到二十世纪初，人们发现使用矿物油作为液压工作介质可以极大地改善原本使用水作为介质的液压系统的性能，矿物油粘度大、防锈蚀，又具有极佳的润滑液压元件的能力，液压技术又再次兴起。自从美国人詹尼第一次使用从石油中提取的矿物油作为液压系统的工作介质，而后发现了其优良性能，并设计出了历史上第一台使用矿物油的轴向柱塞泵，并在随后一年就用于美军军舰上，其动力用于控制炮塔的转向，自此以后，液压技术得到了广泛的应用，也使得液压技术飞速发展，不断改进和完善。在此后，在汽车、舰船、航空领域的发展中，液压技术都提供了巨大助力，这这段时间，发明了柱塞泵、各类液压马达以及液压辅助元件等，这些液压元件的发明使得液压技术得到了突飞猛进的发展。第二次世界大战中各国军事装备的突飞猛进促进了机械制造工业转向标准化、模块化生产，在先导式溢流阀诞生后，管式液压元件开始大规模应用，六十年代后，板式阀和叠加式液压元件相继被发明出来，，七十年代又出现了更为紧凑的插装阀，至此，现在液压系统中普遍使用的液压元件都基本出现，现代化的通过标准化单元模块来组建液压系统的理论基本定型。

液压控制理论方面也是先在欧美国家兴起的，美国工程师在这一领域走在世界的前列。二十世纪二十年代，就已经有在船舶上使用的液压伺服控制机构的理论研究，而后，负反馈调节方法也被美国工程师提出，液压伺服机构随着控制理论的不断发展也越来越先进，后期又引入了微电子技术作为集成控制中心，使得液压控制系统更加高效、紧凑，自动化程度也越来越高。

中国的液压传动技术开始发展是在二十世纪五十年代新中国成立后，最开始是工人所使用的生产设备需要液压技术作为支撑，后来，在部分工程机械上也得到了应用，由需求出发，中国开始了对液压传动技术的研究和学习。真正开始发展是在1960年左右，我国引进了大量国外的液压技术样本和液压系统元件，并在全国范围内组织工程师团队开展对液压技术的研究和学习，并开展了一些设计应用，也由此试装到我国的各类生产机械和工程机械中，积累了初步的经验。在改革开放以后，大量的液压技术和产品被引进到国内，极大地促进了国内液压技术的进步。在国家的大力支持下，这一时期我国也诞生了许多以液压技术为主要研究方向、以液压元件为产品的国企和私企，而且原有的液压企业也借助着改革开放带来的机遇不断改进，由此诞生了一大批以仿制国外产品为起点，逐步成长为可以自主研发、设计、制造的液压技术企业，并且发展到现在，我国自主生产的液压产品放在国际上在中低档有一定的话语权。总的来说，目前我国的液压工业具有一定的规模，产品也具有一定的竞争力，但是，与世界发达国家的液压工业相比，仍然有着比较大的差距。在某些领域，我国目前仍是空白，在高端领域，对液压元件性能要求苛刻的场景下，我国生产的液压元件目前还无法满足需求，通常还是进口国外的高端产品，还需要一定时间的积累和研究，特别是在微电子、集成控制和精密控制领域，我国存在的差距仍然比较巨大。

面对当前严峻的国际形势，我国随时面临着被限制进口、贸易制裁的威胁，从制造大国转变为制造强国的需求越来越迫切，在这种形式下，对于先进技术的需求也就迫在眉睫了，本文设计的这套船舶压缩空气控制系统，可以推进我国在船用液压系统方面的研究，也为在空气系统的控制这一领域做一点贡献。

1.3研究的目的及意义

本次设计的要求是设计一套液压系统，用于控制某特种船舶的中压空气系统，该空气系统压力为6.4MPa，需要16个控制阀门调节各个支路的空气流量，在支路中，最大空气流量为11kg/s，要求控制精度0.5%，全程调节时间小于2s，需要选择合适的调节阀和设计出全套的液压驱动装置，使该系统紧凑、操作灵活，速度平稳可控，起停及时可靠。

目前国内对于控制船舶空气系统的液压系统的研究相对较少，相关的论文、期刊不是很充足，而船舶压缩空气系统在船舶中占据了很重要的地位，国内与船舶压缩系统有关的大多数文献都是在研究压缩空气的发生装置、传输装置、执行装置等，而对于压缩空气系统的控制确鲜有研究，研究不够深入，需要在这一方面进行补足。本文提出了使用液压系统控制船舶压缩空气系统的一种方案，使用v型球阀作为调节阀，利用比例阀控制球阀的开启和关闭，以此达到控制压缩空气系统流量的目的，这套方案可以为需要船舶压缩空气系统的控制方案的人作借鉴，也可以为日后需要设计相关系统的工程师作参考。

1.4关键问题分析

本次设计的主要难点有三个，一是控制压缩空气系统主阀的选择，目前市面上的调节阀类型有很多，比如截止阀，球阀、闸阀、蝶阀等等，每一类型的调节阀都有其各自的优缺点，需要根据设计系统的要求选择合适类型的主阀，合适的通径，二是执行装置的选择，阀门的开启和关闭需要一定的力矩，过大或过小都不行，过大会使得转动过快，无法实现精度要求，过小会使得阀门开启速度过慢，达不到控制时间小于两秒的要求，三是液压系统中流量调节阀的选择，执行机构打开主阀的快慢就由液压系统给油的快慢来决定，而这一点是由流量调节阀来决定的，所以这个控制阀的选择结果，直接决定了系统的控制精度和控制时间。以上就是本次设计的关键难题。

1.5本章小结

本章从选题入手，介绍了中压空气流量调节阀液压系统的题目内容和选题背景，并对该题目进行了初步的分析和探讨，在对题目有了一定了解后，查阅了相关的国内外资料，对国内外有关该系统的发展现状有了一定的了解，并且找到了前人的一些案例，通过对案例的分析，制订了初步的方案，而后对下一步推进的设计要点进行了划分，找出了其中的关键点和难点，为下一步推进设计提供了思路。

2中压空气系统主阀的选定

2.1主阀类型介绍

主阀的选择主要取决于管路系统的要求，一般选取流量特性曲线与管路最匹配的阀门。常用的阀门有以下四种：截止阀、闸阀、球阀、蝶阀。通常情况下，截止阀用于调节流量，但是容易漏水，并且自身阻力较大；闸阀尽管不利于管路内流量的调控，但是开启和关闭的阻力很小并且对于管路的关闭性好；球阀直径较小，适用于需要快速打开和关闭的管路系统；蝶阀在外型上占有优势，既可以完全隔断管路，而且又可以用于调节，蝶阀的管路半径又比较大，适用范围广。

根据本次设计的要求，支路空气流量11kg/s，并且需要控制精度0.5%，调节时间小于2s，所以球阀和蝶阀比较符合条件，又因为管径较小，所以选取DN50的球阀，兼具实用性和经济性。

2.2V型球阀的选型

球阀的核心关断件是一个圆球，阀门需要通过球阀球体绕球阀的中线旋转90度来实现开通、关闭的功能。在流体控制系统中，球阀主要的功能是分配流量、截断流量和改变流体的流动方向，按照这个功能，球阀依据其通道位置可以分为直通式球阀、三通式球阀和直角式球阀。其中，直通式球阀用于截断流量，三通式球阀和直角式球阀用于分配流量和改变流体的流动方向。根据本次设计的要求，选取直通式球阀以满足设计要求。

球阀在液压管路系统管道上主要用于按一定比例给予管路流量、截止流量和转变流动介质的方向，而且切割成V形启齿的球阀用在流量调控方面有相当不错的表现。球阀适用于需要经常开启和闭合的场所，开关都很迅速，并且相当耐用。 球阀还具有对通过阀体的流体阻力较小、结构简便、相对体积小、质量轻盈。密封性能好，不受使用环境的限制，液压油的流向可随意调节。在我国，球阀广泛地应用在石油、水路、工业、船舶、钢铁等领域，具有很强的适应性，并且占据了这一领域相当大的份额。球阀只需要旋转90度就可以完成开启和关闭，并且需要的力矩相对较小，而且可以做到密闭，泄漏量较少，最适合用于开关和切断

V型球阀的阀芯使用金属材料，或者是金属材料与聚四氟乙烯材料密闭配合，属于旋转型球阀。V型球阀将球阀与蝶阀的最佳调控特性组合起来，具有两种阀的优点，这种阀既可用于控制和调控流量，又可以起到关断和截断的作用。

V型球阀主要特点有；V型球阀的阀体是一体式阀体，因此不会受到流体管路和紧固螺栓压力的影响，并且由于阀体没有任何管路接头，故受压壳体不会受压力“瞬变”的影响；V型球阀拥有一个V型的阀体，在小型管路中，或者是流过大粘度介质的管道中，依然可以保证准确控制流量的大小（在量程范围内）；结构强度大，调控能力强等优点。

选择v型球阀，可以比较出色地完成对空气流量系统的控制，参考多个厂家的v型球阀产品数据，经过各方面的对比，选取重庆川仪自动化股份有限公司生产的通径DN50的PV-0701A型v型球阀。

2.3本章小结

本章主要介绍了市面上的现有的调节阀的类型及其主要的功能、调节方式，并分析了它们各自的优缺点。对中压空气系统的数据进行了分析，通过多方面的考虑，选取了v型球阀作为本系统的主阀。而后寻找了目前市面上部分生产v型球阀厂家的一些选型样本，参考本次设计需要的流量和压力，选取了重庆川仪自动化股份有限公司生产的通径50的v型球阀，完成了本次设计的第一个难点。