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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
：
張永興
專業(yè)
：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)號
：
150514020
指導(dǎo)教師
：
張海
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇一九年六月 基于PLC控制的電磁換向閥試驗(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
iii
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 14
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 20
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 23
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 47
5.1 FluidSIM-H液壓仿真軟件 47
5.2 FluidSIM-H的CAD功能在試驗(yàn)臺上的應(yīng)用 48
5.3 仿真數(shù)據(jù)的顯示 51
5.4 FluidSIM-H液壓仿真軟件教學(xué)中應(yīng)用 53
5.5 仿真軟件在試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)作用 54
結(jié)束語 55
附錄 57
參考文獻(xiàn) 61
外文資料 63
中文譯文 69
致謝 73
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
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?，F(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恚l(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)。
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，如下表 1：
表 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。
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。[26~30]
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。
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/s~0.04m/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。
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
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
3） 慣性載荷
所以，由公式（2.1）可見，外載荷得
（2.1）
除外載荷作用外，還有液壓缸內(nèi)密封阻力
根據(jù) （2.2）
機(jī)械效率η =0.90~0.95
由公式（2.2）可見，最大加載荷
（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 載荷與工作壓力力的選用
載荷（KN）
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
≥50
工作壓力（MPa）
0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
根據(jù)是試驗(yàn)臺自身的特點(diǎn)，選用工作壓力為5MPa合適。
（3）液壓缸的尺寸計(jì)算
液壓試驗(yàn)臺根據(jù)預(yù)先設(shè)想的工作要求，選用單桿活塞式液壓缸，采用缸體固定，活塞桿伸縮。
圖 1 液壓缸運(yùn)動結(jié)構(gòu)受力圖
液壓缸基本尺寸：缸筒內(nèi)徑（D），活塞直徑（d），液壓缸長度，活塞桿長度。
活塞桿直徑d和液壓缸筒內(nèi)徑是由液壓缸推力和有效工作壓力決定，在液壓缸設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)中的最大負(fù)載和選取工作壓力決定。
由圖 1可知，當(dāng)活塞桿受力，運(yùn)動速度沿著V1方向，F(xiàn)w是其承受的外載荷。
根據(jù) （2.3）
得 （2.4）
——缸進(jìn)油口壓力；
——缸的回油口壓力（背壓力）；
在液壓缸的計(jì)算中，應(yīng)確定D與d或A1和A2的關(guān)系
（2.5）
桿徑比Φ——d/D
根據(jù)表 3與表 4查Φ值關(guān)系表：
表 3 工作壓力與φ的關(guān)系
工作壓力（MPa）
≦5
5~7
>7
φ
0.5~0.55
0.6~7
0.7
表 4 工作速度與φ的關(guān)系
V1/V2
1.15
1.25
1.33
1.46
2
φ
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φ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
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 5 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φ，查表 5得d為40mm。
符合國家標(biāo)準(zhǔn)化系列。
（3） 缸筒壁厚計(jì)算
（2.6）
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；
——材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；45缸抗拉強(qiáng)度為600MPa；
n——安全系數(shù)，一般取5；
由公式（2.6）可得
得m，才安全。
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：
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/s~0.04m/s。
液壓缸的最大速度
根據(jù) （2.7）
由公式（2.7）可得
所以，液壓缸的最大流量為： 。
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。
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 6：
表 6 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 2 液壓試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理圖
由圖 2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 7：
表 7 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
+
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）
式中：PMAX——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；
——液壓系統(tǒng)總壓力損失，本次實(shí)驗(yàn)取0.5
由公式（2.8）可見，實(shí)際工作中
（2.9）
可得
（2） 液壓泵的流量計(jì)算
（2.10）
式中：——液壓泵的最大流量
——液壓泵泄露系數(shù)，一般取=1.1~1.3，這里取1.1；
——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
由公式（2.10）得
（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
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 （2.11）
式中：——液壓泵的排量
——液壓泵的最大流量
——液壓泵轉(zhuǎn)速
由公式（2.11）可得
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。
表 8 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
1~320
500~2000
0.85~0.92
0.64~0.81
雙作用
6.3~32
0.5~480
500~4000
0.80~0.94
0.65~0.82
表 9 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
C1
YB1-25
25ml/r
6.3MPa
3.3kw
9kg
960r/min
78
90
YB1-20
20ml/r
3kw
78
90
YB1-16
16ml/r
2.3kw
75
88
根據(jù)表 8與表 9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 10 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
0.60~0.70
0.60~0.80
0.80~0.85
0.65~0.80
根據(jù)
（2.12）
——液壓泵的額定壓力，MPa
——液壓泵的流量，
——液壓泵的總效率，見表 9表 9與表 10；
根據(jù)公式（2.12）可見，泵的驅(qū)動功率
因此選擇3KW的電機(jī)合適。
表 11 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
2
Y132S-6
1000
960
3
Y100L2-4
1500
1440
4
Y100L-2
3000
2890
由表 11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 3 電機(jī)主要尺寸參數(shù)
表 12 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
L×HD
A×B
K
D×E
F×G
132
340×195
140×125
12
24×50
8×20
表 12與圖 3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。
（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 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 4。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。如下表 13所示，為各種液壓閥的的選用原則：
表 13 液控元件選用原則
類型
考慮因
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 5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)，電磁換向閥使油斷開狀態(tài)。當(dāng)電磁閥通電之后，接通AB，使液壓油流過，進(jìn)而接通油路。當(dāng)換向閥失電，復(fù)位彈簧使閥芯回到原來初始位置，斷開油路連接。
1.閥體；2.電磁鐵；3.閥芯；4.復(fù)位彈簧頭；5.推桿；6.手動按鈕；7、AB出線孔
圖 5 三位四通電磁換向閥
2.4.2 流量控制閥
流量控制閥是通過改變閥口通流面積的大?。ㄩ_度）或通道的長短來改變液阻，控制閥的通過流量，從而實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)控制。在本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)中流量控制閥屬于核心元件。本次液壓系統(tǒng)選用3個(gè)節(jié)流閥以及1個(gè)調(diào)速（單向調(diào)速閥）來完成四個(gè)不同速度—負(fù)載特性曲線實(shí)驗(yàn)。
節(jié)流閥開度確定后，流量能否穩(wěn)定在所調(diào)出的流量上，與節(jié)流口前后壓差、油溫以及節(jié)流口的形式等因素有關(guān)。為了保證流量的穩(wěn)定性，薄壁小孔式節(jié)流閥最為理想。
圖 6節(jié)流口形式
接節(jié)流口形式如上圖 6所示。本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)為了測試的數(shù)值穩(wěn)定直觀，采用三角槽式節(jié)流口的比例節(jié)流閥，應(yīng)其在小流量時(shí)的穩(wěn)定性好，當(dāng)三角槽對稱分布，徑向力趨于平衡狀態(tài)。所選節(jié)流閥不僅應(yīng)滿足自身的特點(diǎn)要求，還應(yīng)滿足滿足電氣控制調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定、單向節(jié)流等特點(diǎn)。
調(diào)速閥是由定差減壓閥（作用：壓力補(bǔ)償）和節(jié)流閥（作用：調(diào)節(jié)通過流量）串聯(lián)而成。它可以克服節(jié)流閥前后壓差影響流量穩(wěn)定的缺陷問題。在實(shí)驗(yàn)中，為了不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在調(diào)速閥的基礎(chǔ)上并聯(lián)一單向閥，使液壓油在反向流動時(shí)調(diào)速閥不起作用。
調(diào)速閥在壓差大于其最小值后,流量基本保持恒定。當(dāng)壓差△p很小時(shí)，因減壓閥閥芯被彈簧推至最下端，減壓閥口全開，失去其減壓穩(wěn)壓作用，故此時(shí)調(diào)速閥性能與節(jié)流閥相同，所以調(diào)速閥正常工作需有0.5~?1?MPa的最小壓差。
2.4.3 壓力控制閥
壓力控制閥是控制油液系統(tǒng)的油液壓力，以滿足執(zhí)行元件對輸出力、輸入轉(zhuǎn)矩及運(yùn)動狀態(tài)的不同需求。本次實(shí)驗(yàn)采用先導(dǎo)式比例溢流閥以及先導(dǎo)式電磁溢流閥來完成工作回路和加載回路的壓力控制與調(diào)節(jié)，二者皆是在系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值時(shí)開啟卸荷、溢流。
直流式溢流閥特點(diǎn)：最大調(diào)整壓力為2.5MPa；結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動和噪音；在結(jié)構(gòu)上無先導(dǎo)閥。彈簧硬；無外控口；用于低壓力或小流量的場合。
先導(dǎo)式溢流閥特點(diǎn)：最大調(diào)整壓力為6.3MPa；壓力波動小；在結(jié)構(gòu)上有先導(dǎo)閥，先導(dǎo)閥彈簧硬，主閥彈簧軟；有外控口；用于高壓力或大流量的場合。由于選用液壓泵的額定壓力為6.3MPa,所以先導(dǎo)式溢流閥較為合適。
本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)是為了對調(diào)速回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以工作液壓回路作為數(shù)據(jù)測試基礎(chǔ)，通過加載回路液壓壓力的變化，加載液壓缸對工作液壓缸加載力的大小，即改變負(fù)載力的大小，來分析速度—負(fù)載特性。
加載液壓系統(tǒng)回路采用先導(dǎo)式比例溢流閥，通過比例電磁鐵來取代直動式溢流閥的手調(diào)裝置，進(jìn)行控制溢流閥的流量。加載回路液壓系統(tǒng)具有高精密控制，使得工作回路數(shù)據(jù)的采集更加精確。而工作回路采用先導(dǎo)式電磁溢流閥，只需通過改變輸入電磁鐵電壓的變化來改變推力的大小，從而改變先導(dǎo)式電磁溢流閥調(diào)定值得大小。[15~19]
2.4.4 液壓閥的選用
閥類元件的配置形式有油路板式、疊加閥式和集成塊。本實(shí)驗(yàn)采用油路板式。液壓閥的選用型號見下表 14：[10]
表 14 液壓閥選型表
序號
元件名稱
選用型號
規(guī)格
數(shù)量
壓力MPa
流量/L/min
1
先導(dǎo)式比例溢流閥
EDG-01-B-1-51
0.5~6.9
1
2
先導(dǎo)式電磁溢流閥
DBWA-2-50
31.5
200
1
3
二位二通電磁換向閥
22E-10B
6.3
63
1
4
三位四通電磁換向閥
4WE6X6-6X
31.5
32
2
5
調(diào)速閥
SE2-3/15R-G24
31.5
120
1
6
二通比例節(jié)流閥
FES25CA-3X
31.5
360
3
2.5 液壓輔助元件
2.5.1 油箱容量
設(shè)計(jì)油箱的關(guān)鍵在于油箱容積的確定，充足的油箱容積能夠保證當(dāng)系統(tǒng)大量供油而無法回油時(shí)，最低液面應(yīng)該在液壓泵進(jìn)口過濾器上，保證不會吸入空氣；當(dāng)系統(tǒng)有大量回油而無法供油，或系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，油液不致溢出。同時(shí)保證要有足夠的散熱面積。
根據(jù)使用情況，進(jìn)行油箱容積計(jì)算。
根據(jù)油箱容量公式
（2.13）
式中：V——油箱的有效容量，；
——液壓泵的流量，；
a——經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，其值為表 15所示
表 15 經(jīng)驗(yàn)值系數(shù)a
經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
行走機(jī)械
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓系統(tǒng)
冶金系統(tǒng)
a
1~2
2~4
5~7
6~12
10
本次試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)屬于中壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，泵的額定流量為
單位分鐘內(nèi)排出液壓油的體積為
由公式（2.13）可見，油箱的有效容量
2.5.2 液壓油的選擇
（1） 工作壓力。工作壓力高的液壓系統(tǒng)，應(yīng)選用黏度較高的液壓油，以減少泄漏，提高容積效率；工作壓力低的液壓系統(tǒng)，應(yīng)選用黏度較低的液壓油，以減少壓力損失。
（2） 環(huán)境溫度。環(huán)境溫度高時(shí)，應(yīng)選用黏度較高的液壓油；環(huán)境溫度低時(shí)，應(yīng)選用黏度較低的液壓油。
（3）運(yùn)動速度。工作部件運(yùn)動速度較高時(shí)，應(yīng)選用黏度較低的液壓油；工作部件運(yùn)動速度較低時(shí)，應(yīng)選用黏度較高的液壓油。
名稱
黏度范圍（）
工作壓力
MPa
工作溫度
推薦用油
允許
最佳
葉片泵
1200r/min
16~220
26~54
<7
5~40
L-HM30、L-HM46
40~80
L-HM68、L-HM46
1800r/min
20~220
25~54
>7
5~40
L-HM32、L-HM46
40~80
L-HM68、L-HM46
表 16 液壓泵類型推薦用油的粘度表
計(jì)算液壓油的壓力，根據(jù)
名稱
黏度范圍（）
工作壓力
MPa
工作溫度
推薦用油
允許
最佳
葉片泵
1200r/min
16~220
26~54
<7
5~40
L-HM30、L-HM46
40~80
L-HM68、L-HM46
1800r/min
20~220
25~54
>7
5~40
L-HM32、L-HM46
40~80
L-HM68、L-HM46
表 16試，驗(yàn)臺選用L-HM46（40的抗磨液壓油的運(yùn)動黏度為0.46）的液壓油，適用于低、中、高壓液壓系統(tǒng)，由于本試驗(yàn)臺在室內(nèi)，對液壓油的要求不高。[1,2,3]
2.5.3 液壓管道尺寸的確定
液壓系統(tǒng)中使用的油管分為硬管和軟管。選定的油管應(yīng)具有足夠的流動橫截面和承壓能力。同時(shí)，應(yīng)盡可能縮短管道，以避免急轉(zhuǎn)彎和截面突然變化。
鋼管：中高壓系統(tǒng)采用無縫鋼管，低壓系采用焊接鋼管。該鋼管價(jià)格低廉，性能優(yōu)良，使用范圍廣。
銅管：銅管工作壓力低于6.5~10MPa，易彎曲，易于組裝。黃銅管處于高壓，壓力高達(dá)25MPa，但不像紫銅管那樣容易彎曲。銅管價(jià)格高，抗震性能差。容易使油液氧化，應(yīng)盡可能少地使用。它僅用于液壓裝置不方便的部位。
軟管：用于兩個(gè)相對的運(yùn)動部件之間的連接。高壓橡膠軟管用鋼絲編織層覆蓋；低壓橡膠軟管覆蓋棉或麻線編織物；尼龍管為乳白色半透明管，承壓能力為2.5~?8MPa，主要用于低壓管道。由于軟管彈性變形大，容易使活動部件爬行，因此軟管不應(yīng)安裝在液壓缸和速度控制閥之間。管道的尺寸主要取決于與其連接的液壓元件接口的尺寸。應(yīng)效驗(yàn)一些重要管道的內(nèi)徑和壁厚。管的內(nèi)徑通?？梢酝ㄟ^參考所選擇的液壓部件界面的尺寸來確定，或者可以根據(jù)管道的可允許的流速來計(jì)算。
油管內(nèi)徑計(jì)算
（2.14）
式中：q——本系統(tǒng)允許通過的最大流量為
V——油管中推薦流速，吸油管0.5~1.5m/s，一般取1以下，取0.8m/s；壓油管取2.5~5m/s，壓力高，管道短，粘度取值大，取5m/s；回油管取1.5~2.5m/s，取2m/s。
管道壁厚 （2.15）
由公式（2.14）與（2.15）可得：
吸油管內(nèi)徑，外徑24mm，壁厚2mm。
壓油管內(nèi)徑，外徑14mm，壁厚2mm。
回油管內(nèi)徑，外徑14mm，壁厚2mm。
選用鋼管連接回路，需選取密封可靠的管接頭防止油液泄露，從而在連接時(shí)液壓元件分布位置不同，所需油管的長度也就不同，所以應(yīng)購買不同長度的油管，來更好的完成不同液壓元件的連接。
2.5.4 其他輔助元件
輔助元件根據(jù)試驗(yàn)臺的使用要求進(jìn)行選取，見表 17：[10]
（1） 過濾器。用來過濾油液中的一些污染物，以保證油液干凈。查液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，在吸油口安裝網(wǎng)式過濾器WU-25*180,其過濾精度，流量25L/min；
（2） 油箱。儲存液壓油，分離液壓油中的雜質(zhì)，從而起到散熱作用；
（3） 套管選用卡套式錐螺紋管接頭，拆裝方便 ，工作可靠，不用焊接等優(yōu)點(diǎn)。利用卡套變形卡住管子進(jìn)行密封，接頭擰入機(jī)體，二者可以組合墊圈密封。
（4） 行程開關(guān)，適合接PLC，用于電氣控制液壓系統(tǒng)；
（5） 速度傳感器和壓力傳感器。便于試驗(yàn)臺檢測速度與壓力信號。
表 17 其他輔助元件
序號
名稱
型號
數(shù)量
1
油箱
2
過濾網(wǎng)
WU-25*180
2
3
管接頭
E20-GB3734.1—83
若干
4
行程開關(guān)
LX19-121
4
5
速度傳感器
AHC7-SD
1
6
壓力傳感器
稱重傳感器（CPR24）
1
7
聯(lián)軸器
YL-3凸緣聯(lián)軸器
2
8
液壓傳感器
普量電子PT500-400
6
2.6 液壓系統(tǒng)計(jì)算
2.6.1 損失計(jì)算
（1） 沿程壓力損失
已知所有管長和5m，油管內(nèi)徑0.01m（1cm）,流量，液壓油密度ρ=,液壓油粘度46。
油管中實(shí)際流速 （2.16）
由公式（2.16）可見
根據(jù)雷諾數(shù)Re得
（2.17）
所以，屬于層流流動態(tài)。
（2.18）
（2） 局部壓力損失
（2.19）
式中：——局部阻力系數(shù)，查手冊
——液體密度
——液體平均流速
——壓力損失（除控制閥，其他元件壓力損失小忽略不計(jì)）
根據(jù)公式（2.19）可見，局部壓力損失
（3） 壓力損失： =+=0.805MPa （2.20）
損失壓力<選用泵的額定壓力P，泵適合。
2.6.2 液壓系統(tǒng)熱功率
（1） 發(fā)熱功率 （2.21）
式中——兩個(gè)泵的平均輸入功率
——系統(tǒng)輸出功率
雙泵輸出的平均功率
（2.22）
泵的流量，泵的出口壓力為。
由公式（2.22）可得，兩個(gè)泵的平均輸入功率。
系統(tǒng)液壓缸的輸出功率 （2.23）
由公式（2.23）可見，
由公式（2.21）可見，
或者