论文总字数：25089字

摘 要

液压集成块三维模型设计的关键点在于液压元件的布局设计及集成块内部的油路连通设计，而液压元件布局设计与集成块油路设计具有很强的耦合性，如何协调液压元件布局设计与集成块油路设计以使得集成块的获得总体的最优设计结果是目前研究的难点及重点。

论文主要工作如下：

在文献综合和分析基础上，对当前液压集成块所采用的设计方法和相关研究进行了基本分类，并对基于遗传算法的集成块设计方法提出了改进的建议。

研究了当前国际上市场流行的应用软件MDTools，分析了MDTools软件的功能结构及其设计方法。在研究的基础上，结合基于实例的布局思想，提出了基于液压元件连接度的液压元件布局设计的设想。

根据论文研究所得的方法，结合专用铣削机床液压集成块的设计实例（9个液压元件，25个需要连接的油口），在通用三维CAD软件——Creo Parametric 2.0上进行了集成块的实例设计，并获得了较好的结果，验证了本文研究获得的方法在实际设计中的作用和实用性。

对集成块设计的基础知识进行了总结和归纳，实际设计证明通过液压元件布局和油路连接的分析可以有效提高集成块设计结果的质量，避免设计的错误。

关键词：液压集成块，MDTools，Creo Parametric 2.0，液压元件连接度

东南大学机械工程学院

二零一五年五月

A STUDY ON THE HYGRAULIC

MANIFOLD BLOCK DESIGN AND ITS APPLICATION

Chunyu Mao

Supervised by Chao Xu

Abstract

To design the external layout of hydraulic components (HC) and the internal connection of oil routes are two key steps for the progress to design a Hydraulic manifold block (HMB) 3D model, and the two steps coupling very strong. Currently, it is the key problem to study how coordinate the two steps in order to get overall optimal design of HMB 3D model.

The main works of this thesis is as follows:

Have made a basic classification for the recent design method and study of HMD based on analyzing and synthesizing literatures about HMB 3D model design, and put forward a suggestion to improve the design method based on genetic algorithm (GA) for HMB.

Have made a study on the software-MDTools which is popular used to design HMB in the current world, and made an analysis on the software’s function structure and the method for using the software to design a HMD 3D model. Based on these study and combined the idea of the layout of HC based on the instance layout of HC, put forward a new idea for the layout of HC based on HC connectivity.

According to the method of the thesis and combine the instance about design a HMB of the special milling machine tool which contains 9 HCs and 25 ports, have used the common 3D design software-Creo Parametric 2.0 to design this HMB, and obtained a preferable result. This proved the function and practicability of the method which obtained by the study in this thesis.

Have summarized the basic knowledge of the design method for HMB. It has been proved by the instance of HMB design that by analyzing the layout of HC and the connection of oil routes can availably improve the quality of the design result for HMB, and avoid design mistakes.

Key words: HMB, MDTools, Creo Parametric 2.0, Hydraulic Component Connectivity

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1液压集成块三维设计的应用背景及意义 1

1.2 液压集成块三维设计研究现状 1

1.3液压集成块设计基础知识 2

1.3.1 液压元件的类型及结构特点 2

1.3.2液压集成块油孔，油路定义及油孔的设计约束 4

1.3.3 液压集成块三维设计的基本过程 4

1.4 论文主要研究内容 6

第二章 液压集成块智能设计方法 7

2.1基于遗传算法的液压集成块设计 7

2.1.1遗传算法介绍及其在液压集成块设计中的应用 7

2.1.2单个油路的自动连通优化设计 7

2.1.3液压集成块整体油路的连通设计 9

2.1.4基于遗传算法的液压集成块设计特点 9

2.2 基于液压元件连接度与液压元件布局实例的液压集成块布局设计方法 9

2.2.1液压元件连接度及液压元件连接关系图 9

2.2.2基于液压元件布局实例的液压元件布局设计 10

2.2.3基于液压元件连接度的液压元件布局设计 10

2.2.4基于液压元件连接度与液压元件布局实例结合的液压元件布局设计方法 11

第三章 基于MDTools的液压集成块设计方法 13

3.1MDTools®软件总体介绍 13

3.2MDTools的功能特点 13

3.3基于MDTools的液压集成块设计流程 13

3.4基于MDTools液压集成块设计实例 14

3.5基于MDTools的液压集成块设计总结 15

第四章 基于常规三维设计软件的液压集成块设计方法 19

4.1基于三维设计软件的液压集成块设计方法流程图 19

4.2集成块设计实例 20

4.2.1液压系统实例分析 20

4.2.2液压系统油路信息 21

4.2.3集成块设计 22

4.3 液压集成块的优化 25

4.3.1集成块设计结果的比较选择 26

4.3.2 设计小结 27

第五章 结束语 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1液压集成块三维设计的应用背景及意义

液压技术是现代化传动与控制技术的关键技术之一，随着计算机技术、电子信息技术、自动控制技术，以及新工艺和新材料在液压技术上的应用，使得液压系统的技术水平有了很大提高。现今液压技术的主要发展方向为自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化，同时也提高了其对液压系统硬件结构的要求^[1]。传统的液压系统存在大量的管路连接，系统复杂，泄漏点多等缺点，很难满足液压技术的发展要求，而采用了液压集成块对液压元件进行集成安装的集成式液压系统则可有效的必满这些缺点，满足液压技术的发展要求。集成式液压系统广泛应用于机械加工、航空航天、船舶重工等行业，而液压集成块是集成式液压系统的控制油路中最为关键的零件，它将需要集成的油路上的液压元件组合起来，并通过管路连接动力元件（液压泵），油箱和执行元件（液压马达、液压缸）。

采用液压集成块进行液压阀集成安装，可以减少大量的管路连接，降低液压系统的复杂性（工程中可以将一个液压集成块近似看作一个液压元件），提高系统的可适应性，具有结构紧凑、安装和维护方便、泄漏少、振动小，有利于实现液压系统的集成化和标准化等优点。但其设计与制造处于相对较低的水平，一般由设计人员根据液压原理图（二维图）依靠经验和空间想象进行方案设计，无法高效准确地从二维原理图生成为三维模型，而没有三维模型图就不能快速高效地生成用于工程生产的二维工程图，限制了液压集成块的工业生产，进而限制了液压集成系统的发展。如何从二维原理图高效准确地生成液压集成块三位模型已成为了集成式液压系统发展的技术瓶颈。而解决这个技术瓶颈将极大地促进液压集成系统的发展，从而促进整个液压技术的发展。

1.2 液压集成块三维设计研究现状

由于液压集成块外部元件布局和内部油路连通的复杂性和强耦合性，使得液压集成块的设计很难找到最优的设计方案。而集成块设计的最终目的在于找到总体的最优解，一般采用线性加权法来获得一个近似最优解，也可以通过智能算法来获得一个较优解。

2006年12月天津大学高卫国的博士论文^[16]提出了一种基于广义装配理论的液压集成块可适应设计过程建模理论；还提出了一种面向设计的液压阀模型和开放式液压阀库的构建方法。

2008年5月大连理工大学徐峰涛的硕士论文^[19]提出了一种涉及板式阀，插装阀以及叠加阀混用的复合式液压集成块的优化设计方法，并基于Visual C 6.0开发环境和CAD二次开发工具ObjectARX开发出了复合型液压集成块优化设计系统。

2008年6月天津大学王俊强的硕士论文^[6]中提出了基于动态油路特征的液压集成块设计方法，系统研究了液压集成块油路拓扑优化方法，建立了优化数学模型，并提出了单油路自动优化连通的设计方案。

2009年6月天津大学王政的硕士论文^[3]提出了智能创成与交互式修改相结合的液压集成块油路设计策略；建立了以实体邻接图邻接矩阵为核心的液压液压集成块有效性验证算法。

2012年5月天津大学李光的博士论文^[1]提出了分层递阶解耦的液压集成块设计策略及实现方法，包括液压元件的布局优化设计，油路路径智能规划设计以及油路动态特征设计三个层次，实现了由粗到细的液压集成块设计；采用了改进的遗传算法（NSGA-Ⅱ）对液压元件的布局进行优化；利用了网格法对集成块进行环境建模，并在此基础上，采用一种混合算法MA-NSGA-Ⅱ，结合迷宫算法实现了油路连通的优化；还开发了液压集成块智能优化设计系统HMB Designer。

2013年5燕山大学张艳辉的硕士论文^[2]在全面分析了插装阀集成块的设计过程和集成块设计特点的基础上，提出了一种插装阀集成块智能优化设计方法。

上述这些液压集成块的三维智能设计方法还处于一种液压元件布局及油路连通方案的设计，并不能直接生成可用于生成工程图纸的集成块三维模型，在确定方案之后还需要进一步的细化三维模型的细节。美国的VEST公司开发的MDTools软件基于嵌入式规则进行油孔的连通与校核，油孔特征来自于包含各大公司液压元件标准孔的数据库，因此在完成油路连通之后，所生成的液压集成块可直接用于工程图纸的生成

1.3液压集成块设计基础知识

1.3.1 液压元件的类型及结构特点

液压元件是组成液压系统的基本单元，主要有液压泵、执行元件（液压缸、液压马达）、液压控制阀（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等）、附件（密封圈、滤油器、蓄能器、油箱及其附件、油管及管接头、密封装置等）^[1]。

表1-1^[1] 液压集成块类型及结构特点