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山西工程技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 畢業(yè)生姓名 ： 郝偉 專業(yè) ： 機(jī)械工程 學(xué)號 ： 180534006 指導(dǎo)教師 ： 王義亮 所屬系（部） ： 機(jī)械電子工程系 二二年五月 i 電磁換向閥試驗(yàn)臺設(shè)計(jì) 摘 要 現(xiàn)代液壓技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成傳動、控制和檢測為一體，數(shù)字化、自動化相輔相成的 液壓傳動系統(tǒng)。而教學(xué)試驗(yàn)臺是液壓系統(tǒng)的開發(fā)及數(shù)據(jù)檢測的基礎(chǔ)，液壓系統(tǒng)的工業(yè) 發(fā)展，促進(jìn)了液壓試驗(yàn)臺的研究和發(fā)展。 本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，對現(xiàn)代液壓控制系統(tǒng)液壓試驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。液壓試 驗(yàn)臺的元件結(jié)構(gòu)與功能、控制系統(tǒng)的使用和設(shè)計(jì)與可編程控制器以及調(diào)速回路的分析 與仿真在液壓試驗(yàn)臺的應(yīng)用進(jìn)行了研究。該設(shè)計(jì)基于 PLC 控制的電磁換向閥試驗(yàn)臺控 制系統(tǒng)，編制了基于可編程控制器（PLC）的液壓試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)程序。試驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn) 包含 4 個(gè)部分：節(jié)流閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路的速度-負(fù)載特性、節(jié)流閥回油節(jié)流調(diào)速回路 的速度- 負(fù)載特性、節(jié)流閥旁路節(jié)流調(diào)速回路的速度-負(fù)載特性、調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回 路的速度- 負(fù)載特性。 節(jié)流調(diào)速回路是液壓系統(tǒng)中的核心組成部分，也是教學(xué)試驗(yàn)臺的重要實(shí)驗(yàn)之一。 它可以讓學(xué)生充分的了解液壓實(shí)驗(yàn)，更好的投入到液壓實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。傳統(tǒng)的液壓試驗(yàn)臺 已經(jīng)滿不足當(dāng)代的液壓實(shí)驗(yàn)要求，機(jī)電液與計(jì)算機(jī)相結(jié)合才是液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢， 在液壓試驗(yàn)臺技術(shù)的先進(jìn)性至關(guān)重要。 關(guān)鍵詞：液壓試驗(yàn)臺；可編程控制器；液壓系統(tǒng)；仿真 ii Design of Electromagnetic Commutation Valve Test Bench Based on PLC Control Abstract Modern hydraulic technology has developed into a hydraulic transmission system which integrates transmission, control and detection, and is complemented by digitalization and automation. The teaching test-bed is the basis of the development of hydraulic system and data detection. The industrial development of hydraulic system promotes the research and development of hydraulic test-bed. This design adopts modular design method to design the hydraulic test-bed of modern hydraulic control system. The structure and function of the components, the use and design of the control system, the analysis and Simulation of the programmable controller and the speed regulating circuit of the hydraulic test-bed are studied. The control system of electromagnetic reversing valve test-bed based on PLC control is designed, and the control system program of hydraulic test-bed based on programmable logic controller (PLC) is compiled. The test-bed experiment consists of four parts: speed-load characteristics of throttle valve inlet throttle speed regulating circuit, speed-load characteristics of throttle valve return throttle speed regulating circuit, speed-load characteristics of throttle valve bypass throttle speed regulating circuit, and speed-load characteristics of throttle valve inlet throttle speed regulating circuit. Throttle speed regulation circuit is the core component of hydraulic system, and also one of the important experiments of teaching test-bed. It can enable students to fully understand the hydraulic experiment, better put into the hydraulic experiment. The traditional hydraulic test-bed has been insufficient to meet the requirements of contemporary hydraulic test. The combination of electro-hydraulic and computer is the development trend of hydraulic system, and the advancement of hydraulic test-bed technology is very important. Key words: Hydraulic test bench;Programmable controller;Hydraulic system;Simulation 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................i Abstract......................................................................................................................................ii 1 引言 .......................................................................................................................................1 1.1 液壓系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r ....................................................................................................1 1.2 PLC 的發(fā)展?fàn)顩r .............................................................................................................2 1.3 課程研究的意義 ............................................................................................................3 2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................................5 2.1 液壓缸的設(shè)計(jì) ................................................................................................................5 2.1.1 工作液壓缸設(shè)計(jì) ..............................................6 2.1.2 加載液壓缸設(shè)計(jì) ..............................................9 2.1.3 液壓缸流量計(jì)算 ..............................................9 2.2 系統(tǒng)回路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................9 2.2.1 確定基本回路 ................................................9 2.2.2 制定基本方案 ...............................................10 2.2.3 液壓系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) .............................................10 2.3 供能裝置 .....................................................................................................................12 2.3.1 液壓泵的選擇 ...............................................12 2.3.2 電動機(jī)的選擇 ...............................................13 2.3.3 安裝與連接 .................................................15 2.4 液壓閥元件 ..................................................................................................................16 2.4.1 方向控制閥 .................................................16 2.4.2 流量控制閥 .................................................17 2.4.3 壓力控制閥 .................................................18 2.4.4 液壓閥的選用 ...............................................19 2.5 液壓輔助元件 ..............................................................................................................19 2.5.1 油箱容量 ...................................................19 2.5.2 液壓油的選擇 ...............................................20 2.5.3 液壓管道尺寸的確定 .........................................21 2.5.4 其他輔助元件 ...............................................22 2.6 液壓系統(tǒng)計(jì)算 ..............................................................................................................22 2.6.1 損失計(jì)算 ...................................................22 2.6.2 液壓系統(tǒng)熱功率 .............................................24 2.7 液壓裝置的整體設(shè)計(jì) ..................................................................................................26 2.7.1 結(jié)構(gòu)布局 ...................................................26 2.7.2 液壓閥的聯(lián)接 ...............................................27 2.7.3 試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì) ...............................................27 3 電磁換向閥試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................................................29 3.1 總體設(shè)計(jì)方案 ..............................................................................................................29 3.1.1 控制方案設(shè)計(jì) ...............................................29 3.1.2 信號量方案設(shè)計(jì) .............................................30 3.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì) .......................................................................................................31 3.2.1 PLC 型號的選擇 ..............................................31 3.2.2 建立輸入輸出地址分配表 .....................................32 3.2.3 PLC 外部接線 ................................................33 3.2.4 電機(jī)控制原理設(shè)計(jì) ...........................................34 3.2.5 顯示器選用 .................................................35 3.2.6 控制面板設(shè)計(jì) ...............................................35 3.3 PLC 程序設(shè)計(jì) ...............................................................................................................36 3.3.1 程序初始化 .................................................37 3.3.2 加載子程序 .................................................38 3.3.3 加載子程序梯形圖 ...........................................39 3.3.4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)梯形圖 ...........................................40 4 試驗(yàn)臺回路分析 ..................................................................................................................41 4.1 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速 ..............................................................................................................41 4.2 回油節(jié)流調(diào)速 ..............................................................................................................42 4.3 旁路節(jié)流調(diào)速回路 ......................................................................................................43 4.4 調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路 ..........................................................................................44 4.5 特點(diǎn)與應(yīng)用 ..................................................................................................................45 5 液壓仿真軟 件在試驗(yàn) 臺的應(yīng)用 ..........................................................................................46 5.1 FluidSIM-H 液壓仿真軟件 ...........................................................................................46 5.2 FluidSIM-H 的 CAD 功能在試驗(yàn)臺上的應(yīng)用 ..............................................................47 5.3 仿真數(shù)據(jù)的顯示 ..........................................................................................................50 5.4 FluidSIM-H 液壓仿真軟件教學(xué)中應(yīng)用 .......................................................................52 5.5 仿真軟件 在試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)作用 ......................................................................................53 結(jié)束語 .....................................................................................................................................55 附錄 .........................................................................................................................................57 參考 文獻(xiàn) .................................................................................................................................60 外文資 料 .................................................................................................................................62 中文 譯文 .................................................................................................................................67 致謝 .........................................................................................................................................71 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 1 引言 “試驗(yàn)臺對未知結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺對已知結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。傳統(tǒng)液壓教學(xué)試 驗(yàn)臺已經(jīng)不能滿足當(dāng)下液壓實(shí)驗(yàn)的要求。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，液壓 試驗(yàn)臺的發(fā)展趨勢對液壓傳動與控制的教學(xué)提出了更高的要求。現(xiàn)代液壓教學(xué)試驗(yàn)臺 要求能夠更形象直觀、方便可靠，使學(xué)生能夠充分參與到液壓實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，把所學(xué)的液 壓理論知識得到應(yīng)用。書本思維和實(shí)際思維相結(jié)合，提高學(xué)生的動手能力與理解能力， 達(dá)到學(xué)以實(shí)用的目的。 液壓系統(tǒng)具有工作平穩(wěn)、調(diào)速范圍大、單位質(zhì)量的功率大以及易于實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng) 自動化等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)各種生產(chǎn)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)裝備中 不可替代的基礎(chǔ)技術(shù)及現(xiàn)代傳動與控制的重要手段，機(jī)械技術(shù)人員所應(yīng)掌握的重要基 礎(chǔ)技術(shù)之一。調(diào)速回路是液壓傳動系統(tǒng)的核心部分，這種回路可以通過實(shí)驗(yàn)前的預(yù)先 設(shè)置和實(shí)驗(yàn)過程中的自動調(diào)節(jié)來控制執(zhí)行元件的運(yùn)動速度。 1.1 液壓系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 公元前，希臘人發(fā)明的螺旋提水工具、埃及人用熱空氣水力驅(qū)動的寺廟大門、用 風(fēng)箱產(chǎn)生壓縮空助燃和中國的水輪，可以說是液壓氣壓傳動與控制技術(shù)最古老的應(yīng)用。 1648 年，法國的帕斯卡(B.Pascal) 提出的液體靜壓力傳遞的基本定律，以及 1850-- 1851 年德國的克勞修斯(R.Clausius)和英國人開爾文 (Kevin)分別獨(dú)立提出的熱力學(xué)第二 定律等為 20 世紀(jì)液壓技術(shù)的發(fā)展提供了科學(xué)基礎(chǔ)。 1795 年，英國人約瑟夫布瑞瑪(Joseph Bramah)就登記了第一臺液壓機(jī)的英國專利, 在倫敦就出現(xiàn)了液壓印刷機(jī),埃菲爾鐵塔就是利用水壓千斤頂來調(diào)節(jié)的,由此誕生了世界 上第一臺水壓機(jī)。直到 20 世紀(jì)初.液壓技術(shù)的理論和工程實(shí)際應(yīng)用才基本成熟。1905 年將工作介質(zhì)水改為油，又進(jìn)一步得到改善。第一次世界大戰(zhàn)(1914-1918)后液壓傳動 廣泛應(yīng)用，特別是 1920 年以后，發(fā)展更為迅速。液壓元件大約在 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初 20 年間，才開始進(jìn)入正規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)階段。1925 年維克斯(F.Vikers)發(fā)明了壓力平衡式 葉片泵,為近代液壓元件工業(yè)或液壓傳動的逐步建立奠定了基礎(chǔ)。20 世紀(jì)初康斯坦丁 斯克對能量波動傳遞所進(jìn)行的理論及實(shí)際研究。1910 年對液力傳動(液力聯(lián)軸節(jié)、液力 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 變矩器等)方面的貢獻(xiàn)，使這兩方面領(lǐng)域得到了發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)(1941-1945)期間， 由于軍事上的需要，出現(xiàn)了以電液伺服系統(tǒng)為代表的響應(yīng)快、精度高的液壓元件和控 制系統(tǒng)，才使液壓技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，如在美國機(jī)床中有 30%應(yīng)用了液壓傳動。而 日本液壓傳動的發(fā)展較歐美等國家晚了近 20 多年。在 1955 年前后，日本迅速發(fā)展液 壓傳動，1956 年成立了“液壓工業(yè)會” 。近 20 至 30 年間，日本液壓傳動發(fā)展之快，居 世界領(lǐng)先地位。液壓技術(shù)由軍用轉(zhuǎn)入民用工業(yè)，在機(jī)械制造、起重運(yùn)輸機(jī)械及各類施 工機(jī)械、船舶、航空等領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。從 20 世紀(jì) 60 年代以來，隨著原 子能、航空航天技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展.液壓技術(shù)在更深、更廣闊的領(lǐng)域得到了發(fā)展。 1.2.3 如今，液壓傳動與控制技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并與各個(gè)領(lǐng)域相結(jié)合，正在向 著節(jié)能化、智能化、電子化、高壓化、小型化、集成化、長壽命、高可靠性、綠色化 （低污染、低噪聲、低振動、無泄漏）等方向發(fā)展，以肩負(fù)起當(dāng)今時(shí)代所賦予的使命 和要求。 1.2 PLC 的發(fā)展?fàn)顩r 在可編程序控制器出現(xiàn)以前，繼電器-接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域具有主導(dǎo)地位。 由此構(gòu)成的控制系統(tǒng)都是按預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間或者條件順序的工作，當(dāng)控制要求發(fā)生 變化以及啟動的間隔時(shí)間不同，則需要增加一定數(shù)量的時(shí)間繼電器并改變配線。同時(shí)， 繼電器控制電路可靠性低、元件的故障率高。所以，PLC 將大幅度取代繼電器。 20 世紀(jì) 50 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，由于價(jià)格高、輸入輸出電 路不匹配、編程難度大以及難以適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得 推廣。1968 年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM）為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷 更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠，功能更齊全，響應(yīng)速度更快的新型工業(yè) 控制器，并從用戶角度提出了新代控制器應(yīng)具備的“十大條件”，立即引起了開發(fā)熱 潮。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC 公司)研制出了第一臺可編程序控制器 PDP-14, 在美國通用汽車公司的生產(chǎn)線上試用成功，并取得了滿意的效果，可編程序控制器自 此誕生?？删幊绦蚩刂破髯詥柺酪詠?，發(fā)展極為迅速。1971 年，日本開始生產(chǎn)可編程 序控制器。1973 年，歐洲開始生產(chǎn)可編程序控制器。到現(xiàn)在，世界各國的些著名的電 氣工廠幾乎都在生產(chǎn)可編程序控制器裝置 ?？删幊绦蚩刂破饕炎鳛橐粋€(gè)獨(dú)立的工業(yè)設(shè) 備被列人生產(chǎn)中，成為當(dāng)代電控裝置的主導(dǎo)。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 PLC 的發(fā)展方向：（ 1）小型化、微型化方向發(fā)展。目的是為了占領(lǐng)廣大的工業(yè)控 制領(lǐng)域市場，使 PLC 不僅成為繼電器控制的替代品；（2）大型化、多功能方向發(fā)展， 為大、中型企業(yè)提供高水準(zhǔn)的 PLC 控制系統(tǒng)。大型 PLC 向著大存儲容量、高速、高性 能和增加 1/O 點(diǎn)數(shù)方向發(fā)展。（3）隨著 PLC 功能的不斷完善，I/O 模塊得到大力開發(fā)， 與個(gè)人計(jì)算機(jī)日益緊密結(jié)合，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化，通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強(qiáng)。 正向 著結(jié)構(gòu)小型模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化、智能化、“高集成、高性能、高速度、大容量”方 向發(fā)展。 PLC 在國內(nèi)各行各業(yè)中廣泛發(fā)展,應(yīng)用范圍通常分為：順序控制、運(yùn)動控制、過程 控制、數(shù)據(jù)處理、通訊和聯(lián)網(wǎng)等。具有特點(diǎn)：1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；2）控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活；3）編程方便，易于使用；4）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 安裝、方便調(diào)試；5）維修方便，維修工作量小；6）功能完善，擴(kuò)展能力強(qiáng)；7）結(jié)構(gòu) 緊湊，體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 7.8.9 可編程序控制器從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了四次換代，如 表 1： 表 1-1 可編程控制器的發(fā)展歷程 代 次 器 件 功 能 第一代 1 位微處理器 邏輯控制功能 第二代 8 位微處理器及存儲器 產(chǎn)品系列化 第三代 高性能 8 位微處理器及位片式微處理器 處理器速度提高，向多功能及聯(lián)網(wǎng)通訊發(fā)展 第四代 16 位、32 位微處理器及高性能位片式微處理器 邏輯、運(yùn)動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的名副其實(shí)的多功能 世界上 PLC 產(chǎn)品按地域分為三大流派：美國產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品、日本產(chǎn)品。如今， 世界上有許多生產(chǎn) PLC 廠家，例如德國：西門子公司、AEG 公司；日本：三菱、富士、 歐姆龍、松下、日立、東芝等；美國：AB 公司、 CE 公司、MODICON 公司、TI 公司、 西屋公司等；法國：TE 施耐德公司；韓國：三星、LG 公司等。而國產(chǎn) PLC 市場所占 份額很小，生產(chǎn)廠家有無錫光洋、上海香島與南京嘉華 1.3 課程研究的意義 當(dāng)下飛速發(fā)展的時(shí)代，傳統(tǒng)的液壓控制技術(shù)已經(jīng)滿足不了當(dāng)下時(shí)代的工業(yè)發(fā)展要 求，必須使液壓技術(shù)應(yīng)與 CAT 及 PLC 技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮 21 世紀(jì)計(jì)算機(jī)軟件編程 與聯(lián)網(wǎng)通訊的時(shí)代特點(diǎn)，進(jìn)一步加快現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程，才是當(dāng)今時(shí)代賦予的使 命。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 隨著工業(yè)的發(fā)展，可編程控制器取代了繼電控制器作為液壓系統(tǒng)的核心，滿足了 當(dāng)下日益復(fù)雜的液壓系統(tǒng)控制要求，發(fā)揮著現(xiàn)代工業(yè)的特點(diǎn)。作為液壓教學(xué)系統(tǒng)試驗(yàn) 臺，更加注重先進(jìn)性與創(chuàng)新力，對液壓傳動與控制系統(tǒng)起到開發(fā)與研究作用。在液壓 試驗(yàn)臺傳動與控制中，可以讓機(jī)械專業(yè)的學(xué)生更直觀易懂，并能掌握結(jié)構(gòu)組成和工作 原理，積極的參與其中。原來的液壓試驗(yàn)臺的控制方式因繼電器觸點(diǎn)較多、配線工作 量大、邏輯控制復(fù)雜、可靠性低、故障率高、維修比較不便等缺點(diǎn)。當(dāng) PLC 于液壓控 制系統(tǒng)相結(jié)合，可以用簡單的邏輯編程來控制電磁換向閥的機(jī)能運(yùn)動，使不易控制的 液壓系統(tǒng)變得簡單。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過接近開關(guān)、電磁換向閥等線路連接， 并觀察油路的流動，有利于液壓系統(tǒng)的開發(fā)和研究。 2630 對于教學(xué)試驗(yàn)臺，具備液壓傳動系統(tǒng)和可編程控制器兩大版塊，不僅可以進(jìn)行液 壓傳動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，還可以單獨(dú)用可編程控制器做 PLC 實(shí)驗(yàn)，達(dá)到一臺多用的目的， 使學(xué)生掌握 PLC 的編程技巧和方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電液一體化的綜合能力。 本設(shè)計(jì)選用三菱型號（FX2N 系列）的 PLC，因其性價(jià)比高，易于本實(shí)驗(yàn)編程。 同時(shí)也應(yīng)該品牌在廣大高校試驗(yàn)臺應(yīng)用廣泛。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)理念是對節(jié)流調(diào)速回路速度負(fù)載特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其工作原理是 通過改變回路中的流量控制元件（節(jié)流閥或調(diào)速閥）的通流面積的大小來控制流入執(zhí) 行元件或流出的流量，以調(diào)節(jié)其運(yùn)動速度。研究液壓缸的工作速度與外負(fù)載間的關(guān)系， 當(dāng)速度越大，執(zhí)行元件對負(fù)載的影響也就越小，也稱調(diào)速回路的機(jī)械特性。 21.22.23 在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，為了保證液壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的觀察效果，應(yīng)考慮 多面的因素： 1）為了便于學(xué)生測量和觀察，速度不應(yīng)過快或過慢。這里選用速度為 0.005m/s0.04m/s 范圍； 2）載荷選用應(yīng)恰當(dāng)。以本校是教學(xué)試驗(yàn)臺的載荷為例，取 20KN； 3）在試驗(yàn)中，液壓缸 1 與液壓缸 2 將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，用來實(shí)現(xiàn)液壓 缸的往復(fù)直線運(yùn)動，液壓缸 2 對液壓缸 1 進(jìn)行加載； 4）液壓系統(tǒng)是由四種基本調(diào)速回路組成，所以液壓系統(tǒng)回路之間的排布應(yīng)合適， 并且優(yōu)化簡潔； 5）選用換向閥，應(yīng)考慮“機(jī)電液”相結(jié)合思路，該換向閥既適用于液壓系統(tǒng)，也 適用于電氣系統(tǒng)。采用電磁式換向閥； 6）電氣元件的排布應(yīng)恰當(dāng)，因?yàn)樵囼?yàn)臺不僅用于液壓實(shí)驗(yàn)，還可以用于電氣控制； 7）加載回路中，應(yīng)考慮壓力變化范圍及其調(diào)試方法。本實(shí)驗(yàn)采用比例溢流閥來控 制加載回路壓力，從而調(diào)節(jié)卸荷壓力大小。 8）在考慮主回路與加載回路時(shí)，應(yīng)考慮液壓泵的卸荷，采用安裝卸荷閥； 9）液壓系統(tǒng)的其他輔助元件，通過各方面的計(jì)算，通過計(jì)算參數(shù)來選取。同時(shí)也 應(yīng)考慮環(huán)保與其經(jīng)濟(jì)性要求。 根據(jù)各方面設(shè)計(jì)因素，合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，滿足試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)要求。 2.1 液壓缸的設(shè)計(jì) 該試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)采用兩個(gè)液壓缸。主回路液壓缸在不同節(jié)流回路的作用下，利用液 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 壓缸的往復(fù)直線運(yùn)動來完成液壓缸的速度負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)，加載回路的液壓缸對主回 路的液壓缸進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。 2.1.1 工作液壓缸設(shè)計(jì) （1）加載力的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要確定最大加載壓力，必須讓兩個(gè)液壓缸進(jìn)行對頂。已知教學(xué)試 驗(yàn)臺最大加載力為 20KN。 1）工作載荷 。gF 工作載荷包括活塞軸線上的重力、擠壓力、切削力等。 可以認(rèn)為工作載荷為 KNF20g 2）滑動導(dǎo)軌的摩擦載荷。 在重力不計(jì)的情況下，作用在導(dǎo)軌上的正壓力 0f 3）慣性載荷 NFa 所以，由公式（2-1）可見，外載荷得 （2-KafgW20 1） 除外載荷作用外，還有液壓缸內(nèi)密封阻力 mF 根據(jù) （2-)1（ 2） 機(jī)械效率 = 0.900.95 由公式（2-2 ）可見，最大加載荷 KNFw23)95.0.( （2）系統(tǒng)的工作初壓力 液壓工作壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。不僅要考慮執(zhí)行元件的裝 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件質(zhì)量情況的限制，還要考慮液壓系統(tǒng)的性能要求。 在載荷一定的情況下，工作壓力低，必然要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對一些設(shè) 備來說，尺寸會受到限制，從材料消耗角度來看是不經(jīng)濟(jì)的；相反，壓力選得過大， 對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本，同 時(shí)增加了系統(tǒng)的發(fā)熱量，從而降低了液壓元件的使用壽命。 1.4 一般來說，對于行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些，而對于固定的尺寸不太受 限的設(shè)備，壓力可以選低一些。所以，本次設(shè)計(jì)要根據(jù)試驗(yàn)臺的實(shí)際情況進(jìn)行選擇工 作壓力，工作壓力選用見 表 2： 表 2-1 載荷與工作壓力力的選用 載荷（KN） 7 0.50.55 0.67 0.7 表 2-3 工作速度與 的關(guān)系 V1/V2 1.15 1.25 1.33 1.46 2 0.3 0.4 0.5 0.55 0.71 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)，在對液壓缸沒有進(jìn)退要求的情況下，速度比選 1.33，得出桿徑比 值為 0.5，而工作壓力范圍為 5MPa。由于液壓回路較短，缸的回油口壓力選用 0.2MPa。 根據(jù)公式（2-5）可見，得 mPFD7.)0.5-(1*.234)1(422 在選擇液壓缸時(shí)，不能按實(shí)際計(jì)算選取液壓缸，這樣很難找到相同尺寸，在標(biāo)準(zhǔn) 化的工業(yè)行業(yè)里，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取液壓缸。液壓缸行程應(yīng)符合試驗(yàn)臺空間需求， 這里選 L=200mm。 表 2-4 液壓缸的內(nèi)徑尺寸系列 GB/T2348-93 40 50 63 80 90 110 110 125 140 160 180 200 220 250 根據(jù)計(jì)算得 D=78mm，選取 D 為 80mm；依據(jù)桿徑比 ，查 表 得 d 為 40mm。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 符合國家標(biāo)準(zhǔn)化系列。 （3）缸筒壁厚計(jì)算 （2- 2pD 6） 式中：P 液壓缸的最高工作壓力， MPa； D缸筒內(nèi)徑，m； 缸筒材料的許用應(yīng)力，MPa；nb 材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；45 缸抗拉強(qiáng)度為 600MPa；b n安全系數(shù)，一般取 5； 由公式（2-6 ）可得 120*8. 得 m，才安全。016. 2.1.2 加載液壓缸設(shè)計(jì) 根據(jù)試驗(yàn)臺的參數(shù)相同，所工作的范圍相同，應(yīng)用條件相同，重復(fù)工作液壓缸的 計(jì)算，可得工作液壓缸與加載液壓缸選用相同規(guī)格： m20L40d;8；mD 2.1.3 液壓缸流量計(jì)算 由設(shè)計(jì)要求，速度取值范圍 0.005m/s0.04m/s。 液壓缸的最大速度 smV/1042max 根據(jù) （2-Aq 7） 由公式（2-7 ）可得 max24VD s/1028034）（ 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 所以，液壓缸的最大流量為： 。s/m10234 2.2 系統(tǒng)回路的設(shè)計(jì) 2.2.1 確定基本回路 系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)必須與試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)要求相結(jié)合，通過系統(tǒng)元件的選取與不同的 組合搭配，來確定本設(shè)計(jì)的回路。調(diào)速方式設(shè)計(jì)分為 4 類：節(jié)流閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速、節(jié) 流閥回油節(jié)流調(diào)速、節(jié)流閥旁路節(jié)流調(diào)速、調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速。此外，還應(yīng)同時(shí)設(shè) 計(jì)卸荷回路，可以在液壓系統(tǒng)在執(zhí)行止停止時(shí)，減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，避免 因液壓泵頻繁啟、停影響泵的使用壽命。本次設(shè)計(jì)分為工作回路和加載回路，工作回 路壓力值應(yīng)保持穩(wěn)定，采用電磁溢流閥；加載回路要進(jìn)行有規(guī)律變化，采用比例溢流 閥。 本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺包括 4 個(gè)回路：節(jié)流閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路、節(jié)流閥回油節(jié)流調(diào)速 回路、節(jié)流閥旁路節(jié)流調(diào)速回路、調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路。 5.6 2.2.2 制定基本方案 （1）調(diào)速方案 1）調(diào)速方案分為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速、回油節(jié)流調(diào)速、旁路節(jié)流調(diào)速、進(jìn)油節(jié)流調(diào)速； 2）液壓泵：定量泵； 3）循環(huán)方式：開放式循環(huán)方式。 這樣設(shè)計(jì)回路簡單，系統(tǒng)將壓力油排回油箱，便于液壓油散熱。 （2）壓力控制方案 1）主回路采用電磁溢流閥；加載回路采用比例溢流閥； 2）通過行程開關(guān)的的信號輸入來控制加載回路的壓力值。 （3）順序動作方案 通過不同加載力的調(diào)節(jié)控制，來分析調(diào)速回路的速度-負(fù)載特性。動作順序：加 載開啟主回路壓回加載液壓缸（行程開關(guān)的控制）加載回路比例溢 流閥的值改變測出不同加載力液壓缸的速度值。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 2.2.3 液壓系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 通過液壓調(diào)速基本回路的組合，加以輔助元件，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)回路，去除多余重 復(fù)液壓元件，構(gòu)成液壓原理圖。本設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺由 4 個(gè)速度調(diào)速回路組成，又可分為主 回路與加載回路。設(shè)計(jì)方案要求見 表 ： 表 2-5 方案動作要求 方案 動作 實(shí)驗(yàn)一 進(jìn)油口節(jié)流，全開回油路，關(guān)死旁路 實(shí)驗(yàn)二 回油口節(jié)流，關(guān)死旁路，全開進(jìn)油路 實(shí)驗(yàn)三 全開進(jìn)油、回油油路，旁路進(jìn)行節(jié)流 實(shí)驗(yàn)四 關(guān)死進(jìn)油、回油、旁路油路，全開回油路，調(diào)速回路代替進(jìn)油回 路 液壓系統(tǒng)圖中有 6 個(gè)壓力測試點(diǎn)，通過不同節(jié)流調(diào)速回路，測量不同點(diǎn)進(jìn)行壓力 速度分析。 圖 1-2 液壓試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理圖 由 圖 1 可知，工作回路由四個(gè)基本速度控制回路組成，加載回路由加載缸、電磁 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 換向閥、比例溢流閥組成。通過改變比例溢流閥的溢流壓力值，來改變加載回路的負(fù) 載壓力大小，使得工作回路中不同速度控制回路在不同加載壓力下，具有不同的速度 值。 液壓控制系統(tǒng)圖動作原理見 表 ： 表 2-6 電磁閥動作表 電磁閥 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA C1 缸進(jìn) + C1 缸退 + C2 缸進(jìn) + C1 進(jìn) C2 退 + + C2 進(jìn) C1 退 + + C2 缸退 + C1 缸停 + 表 2-6 電磁閥動作表（續(xù)表） 電磁閥 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA C2 缸停 + 2.3 供能裝置 2.3.1 液壓泵的選擇 根據(jù)液壓泵的特點(diǎn)，在選用時(shí)主要考慮四方面的因素：使用范圍、使用性能、價(jià) 格和維修方便性。 （1）液壓泵的系統(tǒng)的工作壓力計(jì)算 （2-8）P1MAX 式中：P MAX液壓泵的最大工作壓力 MPa； 壓力系統(tǒng)執(zhí)行元件的最大工作壓力 ；1 a 液壓系統(tǒng)總壓力損失，本次實(shí)驗(yàn)取 0.5 MP 由公式（2-8 ）可見，實(shí)際工作中 （2-9）1PMAX 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 5.01PMAX 可得 a （2）液壓泵的流量計(jì)算 （2-vmaxqLpK 10） 式中： 液壓泵的最大流量pq 液壓泵泄露系數(shù)，一般取 =1.11.3，這里取 1.1；LKLK vmax液壓的最大總流量； 對于節(jié)流回路加上溢流閥溢流量，一般溢流閥的溢出量為 s/m10*5.34 由公式（2-10）得 sp /7.210*5.21.q 344）（ （3）液壓泵的選擇 根據(jù)實(shí)際情況與經(jīng)濟(jì)性要求，泵的轉(zhuǎn)速 min/r96 通常泵的額定壓力可比工作壓力高 25%60%，泵的額定流量則宜與實(shí)際流量相當(dāng)。 根據(jù)上述計(jì)算條件，可知 泵的排量 （2-n Vpq 11） 式中： 液壓泵的排量V 液壓泵的最大流量pq 液壓泵轉(zhuǎn)速n 由公式（2-11）可得 rmlV/1860/92.75-4 本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)選用葉片泵，應(yīng)其結(jié)構(gòu)緊湊體積小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出流量均勻。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 表 2-7 葉片泵選擇 葉片泵 壓力范圍MPa 排量范圍ML/r 轉(zhuǎn)速范圍r/min 容積效率 總效率 單作用 6.3 1320 5002000 0.850.92 0.640.81 雙作用 6.332 0.5480 5004000 0.800.94 0.650.82 表 2-8 液壓泵參數(shù) 系列 類型 公稱排量 額定壓力 驅(qū)動功率 重力 公稱轉(zhuǎn)速 容積效率 總效率 YB1-25 25ml/r 3.3kw 78 90 YB1-20 20ml/r 3kw 78 90C1 YB1-16 16ml/r 6.3MPa 2.3kw 9kg 960r/min 75 88 根據(jù) 表 與 表 查得，選用 YB1-20 型號的單作用葉片泵（定量泵）。 2.3.2 電動機(jī)的選擇 表 2-9 液壓泵的總效率 液壓泵類型 齒輪泵 葉片泵 柱塞泵 螺桿泵 總效率 0.600.70 0.600.80 0.800.85 0.650.80 根據(jù) （2-p qP* 12） 液壓泵的額定壓力，MPapP 液壓泵的流量，qs/m3 液壓泵的總效率，見 表 表 與 表 ；p 根據(jù)公式（2-12）可見，泵的驅(qū)動功率 KWqPp 5.278.0136*4 因此選擇 3KW 的電機(jī)合適。 表 2-10 電動機(jī)型號表 序號 電動機(jī)型號 同步轉(zhuǎn)速/(r/min) 額定功率/kW 滿載轉(zhuǎn)速/(r/min) 1 Y132M1-8 750 3 720 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 2 Y132S-6 1000 960 3 Y100L2-4 1500 1440 4 Y100L-2 3000 2890 由 表 查得，電機(jī)選用型號 Y132S-6，額定功率 3KW，滿載轉(zhuǎn)速 960r/min，同步轉(zhuǎn) 速 1000r/min 并且與液壓泵的轉(zhuǎn)速相吻合。 圖 2-3 電機(jī)主要尺寸參數(shù) 表 2-11 電機(jī)主要尺寸參數(shù) 中心高 外形尺寸 地腳安裝尺寸 地腳螺栓孔直徑 軸伸尺寸 鍵部位尺寸 H LHD AB K DE FG 132 340195 140125 12 2450 820 表 與 圖 為電機(jī)對應(yīng)的參數(shù)尺寸。 2.3.3 安裝與連接 由電動機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器等進(jìn)行連接組成供能裝置。 液壓泵布置在單獨(dú)油箱上時(shí)，其液壓泵的安裝方式分為立式與臥式兩種。 （1）立式安裝。優(yōu)點(diǎn)：液壓油管和泵等均在油箱內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊；電動機(jī)與液壓 泵具有良好的同軸度；吸油條件好，也有利于收集漏油回油箱。缺點(diǎn)：安裝維修不變， 散熱不良。 （2）臥式安裝。優(yōu)點(diǎn)：管道露在外面，安裝和維修比較方便。缺點(diǎn)：電動機(jī)與液 壓泵同軸度差。 電機(jī)與液壓泵的連接方式可分為支架式、法蘭式和支架法蘭式。 （1）支架式。液壓泵直接裝在支架的止口里，然后依靠支架的底面與底板相連， 再與帶底座的電動機(jī)相聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)對于保證同軸度比較困難(電動機(jī)與液壓泵的同軸 度0.05mm)。為了防止安裝誤差產(chǎn)生的振動，常用帶有彈性的聯(lián)軸器。 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 （2）法蘭式。液壓泵安裝在法蘭上，法蘭再與帶法蘭盤的電動機(jī)聯(lián)接，電動機(jī)與 液壓泵依靠法蘭盤上的止口來保證同軸度。這種結(jié)構(gòu)裝拆很方便。 （3）支架法蘭式。電動機(jī)與液壓泵先以法蘭聯(lián)接，法蘭再與支架聯(lián)接，最后支架 再裝在底板上。它的優(yōu)點(diǎn)是大底板不用加工，安裝方便，電動機(jī)與液壓泵的同軸度靠 法蘭盤上的止口來保證。 圖 2-4 臥式安裝泵組 1.電動機(jī)；2.聯(lián)軸器 3.液壓泵；4.底座；5.油管；6.油箱 本次試驗(yàn)臺能源機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝：液壓泵為臥式安裝，電機(jī)與液壓泵為支架式連 接，見 圖 。采用輔助冷卻裝置進(jìn)行散熱，用凸緣聯(lián)軸器來保證電機(jī)與液壓泵的同軸度。 在泵的進(jìn)油口與出油口采用法蘭式連接，由于法蘭盤上沒有密封油槽，密封采用橡膠 制作的密封墊來保證密封效果，在進(jìn)行裝配時(shí)，密封墊必須用專用清潔劑進(jìn)行清洗， 同時(shí)均勻涂抹密封膠，該密封墊才能保證良好的密封效果。 1.10.14 2.4 液壓閥元件 液壓控制閥是液壓系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)元件，本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)液壓傳動系統(tǒng)有方向控 制閥、速度控制閥、壓力控制閥。各種閥的規(guī)格型號，按液壓傳動系統(tǒng)原理圖和計(jì)算 出的最大工作壓力與其通過的最大流量從產(chǎn)品中選取。各種閥的額定壓力與額定流量， 一般應(yīng)與其工作壓力和最大通過流量相接近，必要時(shí)，可允許其最大通過流量超過額 定流量的 20%，以保證試驗(yàn)臺可以正常工作。如 表 所示，為各種液壓閥的的選用原則： 表 2-12 液控元件選用原則 類型 考慮因 山西工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 壓力控制閥 （1）壓力。壓力控制閥的額定壓力大于系統(tǒng)的最高壓力。 （2）壓力調(diào)定值的范圍。系統(tǒng)的壓力范圍在閥的調(diào)定壓力以內(nèi)。 （3）流量變化的范圍。壓力閥的實(shí)際流量應(yīng)小于壓力閥的額定流量。 （4）結(jié)構(gòu)類型。直動式與先導(dǎo)式。 （5）適用場合、安裝與連接方式、壽命及其經(jīng)濟(jì)性。 流量控制閥 （1）壓力。系統(tǒng)壓力變化必須在閥的額定壓力以內(nèi)。 （2）流量。通過流量閥的控制流量應(yīng)小于閥的額定流量。 （3）流量范圍。流量控制閥的流量調(diào)節(jié)范圍應(yīng)大于系統(tǒng)要求的流量范圍。 （4）閥的精度，調(diào)節(jié)方式，是否需要壓力補(bǔ)償或者溫度補(bǔ)償。 （5）安裝及其連接方式，閥的進(jìn)出口壓力差、壽命及其經(jīng)濟(jì)性等。 方向控制閥 （1）壓力。液壓系統(tǒng)的最大壓力應(yīng)低于閥的額定壓力。 （2）流量。最大流量一般不得大于閥的額定壓力。 （3）滑閥機(jī)能。如 O、H、M、U 、P、Y、C、J、K。 （4）操作方式。如手動、液動、機(jī)動。 （5）換向頻率、安裝與連接方式、響應(yīng)時(shí)間、壽命、經(jīng)濟(jì)性等。 2.4.1 方向控制閥 方向控制閥的功用是控制液壓系統(tǒng)中液流的方向，以滿足執(zhí)行元件的啟動、停止 及運(yùn)動方向變換等工作要求。 本實(shí)驗(yàn)采用三位四通電磁換向閥與兩位二通電磁換向閥。利用閥芯對閥體的相對 運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)油路的通、斷或者改變也液流的方向，從而實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的啟動、停 止或運(yùn)動方向的變換。該電磁換向閥具有抗沖擊性，大大較低了換向閥在關(guān)閉開啟時(shí) 帶來的換向沖擊。由閥體、一個(gè)或兩個(gè)復(fù)位彈簧、一個(gè)或兩個(gè)電磁鐵組成。 三位四通電磁換向閥又稱 6 通徑電磁換向閥，如 圖 所示，該閥具有四個(gè)油口 （A、B 、P 、T）。當(dāng)電磁閥沒通電時(shí)，電磁換向閥處于中位狀態(tài)（本實(shí)驗(yàn)采用 O 型中 位機(jī)能），閥芯在復(fù)位彈簧作用下處于原位或中位狀態(tài)，由電磁鐵進(jìn)行控制。當(dāng)電磁 閥得電，電磁鐵作用力經(jīng)過推桿將力作用在將閥芯上，使閥芯推動到兩端位置。這時(shí) 壓力油由 P 到 A 和 B 到 T，或者 P 到 B 和 A 到 T。當(dāng)電磁換向閥失電后通過復(fù)位彈簧 進(jìn)行復(fù)位。該閥還具有手動復(fù)位功能可以在沒電的情況下控制換向閥換向。 二位二通電電磁換向閥具有兩個(gè)油口（A、B）。采用一個(gè)復(fù)位彈簧與一個(gè)電磁鐵 組成。當(dāng)其沒通電時(shí)，