液压控制系统设计
1 液压缸选型
四足机器人大腿上的液压缸所受的推力较大，而小腿上的液压缸所受的推力较小，而且，4个大腿上的液压缸所受的最大推力接近，4个小腿上的液压缸所受的最大推力也接近。因而，在设计液压缸时，大腿上的液压缸设计成相同尺寸，小腿上的液压缸设计成相同尺寸。
而四足机器人髋上的液压缸仅在四足机器人受到横向冲击的情况下工作。根据仿真结果可知，髋上的4个液压缸所受到的最大推力为1.8kN ，最大速度为130mm/s。由于髋上的液压缸推力和速度比大腿与小腿上的液压缸推力和速度小很多，在设计时，总流量主要考虑大腿和小腿上液压缸的叠加，髋上的液压缸流量由蓄能器供给。
根据仿真计算结果图，大腿上的液压缸所受最大推力取8kN ，小腿上的液压缸所受的最大推力取4kN ，即液压系统的最大载荷为8kN 。查阅《液压工程师技术手册》如下表所示，
当载荷为5~10kN 时，工作压力宜取1.5~2MPa ，为了使液压控制系统的动态性能更好，同时使机械结构更紧凑，取液压缸的负载压力为6MPa 。 液压缸暂定交由常州恒力液压有限公司生产。
1.1 大腿上的液压缸
大腿上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力为PLm=6MPa，所受最大负载推力为Fm=8kN。
P1A1−P2A2=F
其中，P 1——液压缸无杆腔压力； P 2——液压缸有杆腔压力；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A1=4D2；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2−d2）； F ——负载推力； 液压缸负载压力F 满足：
ππ
PLm=
由上式可以得到
A1=
所以，
FA2m
=P1−P2=6MPa 11
F8000m=mm2=1333.3mm2 Lm4A14×1333.3 D===41.2mm 圆整后取D=40mm。
查阅《液压工程师技术手册》如下表所示，
取d=25mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm 即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。
1.2 小腿上的液压缸
小腿上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力也为PLm=6MPa，所受最大负载推力为Fm=4kN。
P1A1−P2A2=F
其中，P 1——液压缸无杆腔压力； P 2——液压缸有杆腔压力；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A1=4D2；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2−d2）； F ——负载推力； 液压缸负载压力F 满足：
PLm
由上式可以得到
F4000m
A1==mm2=666.6mm2
Lm所以，
FA2m==P1−P2=6MPa 11
ππ
D=
圆整后取D=32mm。
4A14×666.6
==29.1mm 查阅《液压工程师技术手册》如下表所示，
d 与D 的比值取0.5，所以，d=16mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm 即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。
1.3 髋上的液压缸
髋上的液压缸设计成相同尺寸，该液压缸的最大负载压力也为PLm=6MPa，所受最大负载推力为Fm=1.8kN。
P1A1−P2A2=F
其中，P 1——液压缸无杆腔压力； P 2——液压缸有杆腔压力；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A1=4D2；
A 1——液压缸无杆腔有效面积，A2=4（D2−d2）； F ——负载推力； 液压缸负载压力F 满足：
PLm=
由上式可以得到
A1=
所以，
D=
圆整后取D=20mm。
查阅《液压工程师技术手册》如下表所示，
4A14×300
==19.5mm F1800m=mm2=300mm2 LmFA2m
=P1−P2=6MPa 11
ππ
d 与D 的比值取0.5，所以，d=10mm。根据仿真结果，液压缸行程大于70mm 即可。液压缸和伺服阀组合成的液压包外形图按照之前设计的电动缸伺服电机外形图设计。
2 流量计算
液压缸内径和活塞杆外径确定后，可根据液压缸的最大速度计算出各个液压缸的最大流量，计算流量的公式如下
π2
Q=v∙D∙60∙10−6(L/min)
根据上述公式计算得到各个液压缸所有动作的最大流量如下表所示
将大腿和小腿上的8个缸的流量叠加，得到系统的总流量Q 随时间变化的曲线如下图所示。
由上图可以看出，系统流量Q 按正弦规律变化，最大流量为28L/min。髋上的液压缸在四足机器人行走时并不工作，只是在受到横向冲击时工作。所以，根据系统总流量选择液压泵时之不考虑髋上的液压缸流量，髋上的液压缸流量由蓄能器供给。
3 电液伺服阀选型
电液伺服阀根据液压缸的最大负载压力PLm和最大负载流量QLm来选型。最大负载压力取PLm=6MPa，各个液压缸的最大负载流量QLm前面已经计算出。
油源压力PS=2PLm=2×6MPa=9MPa 阀压降∆PV=P
S−PLm=9−6=3MPa
根据伺服阀样本给出的额定阀压降∆PVS及额定负载流量QLs及阀压降∆PV，求伺服阀流量
3
3
∆PVS
QLs=QLm V
伺服阀选择南京609所的FF 系列电液伺服阀。
3.1 大腿上的液压缸
QLs
∆PVS21
=QLm =13.2×=34.9L/min
V选择FF106-63伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。
3.2小腿上的液压缸
QLs=QLm
∆PVS21
=7.2× =19.0L/min V选择FF102-20伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。
3.3髋上的液压缸
∆PVS21
QLs=QLm =2.5× =6.7L/min
V选择FF101-8伺服阀，该型号伺服阀的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。
4 泵站的设计
液压控制系统的泵站包括：液压泵、油箱、过滤器、空气滤清器等。
4.1液压泵选型
有上述计算结果可知，液压控制系统的流量和压力需满足如下要求： 系统压力P≥9MPa，最大流量Qmax=28L/min。液压泵工作压力和流量应满足：
PP≥P+ ∆P=9+0.5=9.5MPa QP≥KQmax=1.1×28=30.8L/min
在进行液压泵选型时，需要按照上述要求进行选型。查阅榆次油研齿轮泵的相关样本如下图所示，选择CB 单极齿轮泵的F C 系列，型号为CB-F C 16-10。该型号的齿轮泵几何排量16m L/r，额定压力10MPa ，最高压力16MPa ，额定转速2000r/min，驱动功率5.81kW ，重量7.45kg 。几何排量转化成流量为
Q=V×n=16×2000×10−3L/min=32L/min
该型号齿轮泵的额定压力和流量均满足要求。
4.2 油箱设计
油箱的有效容积按下式计算
V=aqV
其中，q v ——液压泵每分钟排出压力油的容积（m 3）； a ——经验系数，取a=2。
所以，油箱的有效容积为V=aqV=2×32×10−3m3=0.064m3=64L。 油箱的体积为VT=0.8=0.8=80L。
设油箱的长宽高之比为L:W:H=3:2:1，带入公式VT=LWH得，H =237.13mm，W =474.26mm，L =711.39mm。圆整后得到，H =237mm，W =474mm，L =711mm。
V
64
4.3 过滤器选型
选择黎明液压有限公司生产的过滤器，包括吸油过滤器和回油过滤器。
4.4 空气滤清器选型
选择黎明液压有限公司生产的EF 系列空气滤清器。液压空气滤清器工作时空气流速越低，抗污过滤能力就越好，故在选用液压空气滤清器时应有一定的裕度，一般选用空气流量为泵排量的1.5倍左右。查阅该系列产品的样本后，选用型号为EF 1-25的空气滤清器，该产品的主要性能指标如下表所示，外形如下图所示。
4.5液位温度计
液位温度计选择黎明液压有限公司生产的NYWZ 系列液位温度计。
5 蓄能器
大腿和小腿上的液压缸流量由齿轮泵提供，而髋上的液压缸流量由蓄能器补充。取髋上的液压缸流量为最大值，并叠加到系统总流量中，得到系统总流量随时间变化曲线如下图所示。
在考虑髋上液压缸的流量后，总流量最大值为38L/min。由于髋上的液压缸在行走时不工作，只是在四足机器人受到横向冲击时工作，所以，蓄能器在系统中作应急能源，其有效工作容积为
∆V = A i L i K =4×300×70×1.2mL =0.1L
其中，A i L i ——要求应急动作液压缸总的工作容积；
K ——有野损失系数，一般取K =1.2。
根据上面的计算，选择奉化奥莱尔液压有限公司生产的NXQ 型气囊式蓄能器，蓄能器的型号为NXQ-A-0.4/10-L-Y。
6阀块设计
阀块设计是液压控制系统设计的重要内容。需要集成在阀块上的阀有：2个溢流阀、2个二位二通电磁换向阀，以及1个压力表。
6.1 溢流阀
溢流阀选择北京华德液压工业集团有限公司生产的DBD 型直动式溢流阀。连接方式选择板式阀，压力调节方式选择带保护罩的内六角调节螺栓，然后根据压力和流量确定溢流阀的型号为DBD-S-6-P-10-B 。溢流阀的安装注意事项如下图所示。
6.2 电磁换向阀
电磁换向阀为二位二通电磁换向阀，选择北京华德液压的产品，产品样本暂时未找到，暂时可按二位三通电磁换向阀设计三维图。
6.3 压力表
压力表选择黎明液压有限公司生产的YN 系列压力表（防震），压力表型号为YN-63-I-16。压力表外形如下图所示。
7 柴油机
液压系统的最大压力为10MPa ，最大流量为32L/min，则系统的最大功率为
6−3P÷60W=5.33kW max=10×10×32×10
上述选择的CB-F C 16-10型号齿轮泵的驱动功率为5.81kW ，所以，柴油机的输出功率应满足
P≥
5.815.81=kW=6.86kW