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山西工程技術學院
畢業(yè)設計說明書
畢業(yè)生姓名
：
張永興
專業(yè)
：
機械設計制造及其自動化
學號
：
150514020
指導教師
：
張海
所屬系（部）
：
機械電子工程系
二〇一九年六月 基于PLC控制的電磁換向閥試驗臺設計
摘 要
現(xiàn)代液壓技術已經發(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)。而教學試驗臺是液壓系統(tǒng)的開發(fā)及數(shù)據(jù)檢測的基礎，液壓系統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展，促進了液壓試驗臺的研究和發(fā)展。
本設計采用模塊化設計方法，對現(xiàn)代液壓控制系統(tǒng)液壓試驗臺進行設計。液壓試驗臺的元件結構與功能、控制系統(tǒng)的使用和設計與可編程控制器以及調速回路的分析與仿真在液壓試驗臺的應用進行了研究。該設計基于PLC控制的電磁換向閥試驗臺控制系統(tǒng)，編制了基于可編程控制器（PLC）的液壓試驗臺控制系統(tǒng)程序。試驗臺實驗包含4個部分：節(jié)流閥進油節(jié)流調速回路的速度-負載特性、節(jié)流閥回油節(jié)流調速回路的速度-負載特性、節(jié)流閥旁路節(jié)流調速回路的速度-負載特性、調速閥進油節(jié)流調速回路的速度-負載特性。
節(jié)流調速回路是液壓系統(tǒng)中的核心組成部分，也是教學試驗臺的重要實驗之一。它可以讓學生充分的了解液壓實驗，更好的投入到液壓實驗當中。傳統(tǒng)的液壓試驗臺已經滿不足當代的液壓實驗要求，機電液與計算機相結合才是液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在液壓試驗臺技術的先進性至關重要。
關鍵詞：液壓試驗臺；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)展狀況 1
1.2 PLC的發(fā)展狀況 2
1.3 課程研究的意義 3
2 液壓系統(tǒng)設計方案 5
2.1 液壓缸的設計 5
2.1.1 工作液壓缸設計 6
2.1.2 加載液壓缸設計 9
2.1.3 液壓缸流量計算 9
2.2 系統(tǒng)回路的設計 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)圖設計 10
2.3 供能裝置 12
2.3.1 液壓泵的選擇 12
2.3.2 電動機的選擇 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)計算 22
2.6.1 損失計算 22
2.6.2 液壓系統(tǒng)熱功率 23
2.7 液壓裝置的整體設計 26
2.7.1 結構布局 26
2.7.2 液壓閥的聯(lián)接 27
2.7.3 試驗臺的設計 27
3 電磁換向閥試驗臺控制系統(tǒng)設計 29
3.1 總體設計方案 29
3.1.1 控制方案設計 29
3.1.2 信號量方案設計 30
3.2 PLC控制程序設計 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 電機控制原理設計 34
3.2.5 顯示器選用 35
3.2.6 控制面板設計 35
3.3 PLC程序設計 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 電機正反轉梯形圖 40
4 試驗臺回路分析 41
4.1 進油節(jié)流調速 41
4.2 回油節(jié)流調速 42
4.3 旁路節(jié)流調速回路 43
4.4 調速閥進油節(jié)流調速回路 44
4.5 特點與應用 45
5 液壓仿真軟件在試驗臺的應用 47
5.1 FluidSIM-H液壓仿真軟件 47
5.2 FluidSIM-H的CAD功能在試驗臺上的應用 48
5.3 仿真數(shù)據(jù)的顯示 51
5.4 FluidSIM-H液壓仿真軟件教學中應用 53
5.5 仿真軟件在試驗臺設計作用 54
結束語 55
附錄 57
參考文獻 61
外文資料 63
中文譯文 69
致謝 73
山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書
1 引言
“試驗臺對未知結果進行實驗，實驗臺對已知結果進行實驗”。傳統(tǒng)液壓教學試驗臺已經不能滿足當下液壓實驗的要求。隨著科學技術和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，液壓試驗臺的發(fā)展趨勢對液壓傳動與控制的教學提出了更高的要求?，F(xiàn)代液壓教學試驗臺要求能夠更形象直觀、方便可靠，使學生能夠充分參與到液壓實驗當中，把所學的液壓理論知識得到應用。書本思維和實際思維相結合，提高學生的動手能力與理解能力，達到學以實用的目的。
液壓系統(tǒng)具有工作平穩(wěn)、調速范圍大、單位質量的功率大以及易于實現(xiàn)液壓系統(tǒng)自動化等特點，成為現(xiàn)代工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術各種生產、作業(yè)、實驗裝備中不可替代的基礎技術及現(xiàn)代傳動與控制的重要手段，機械技術人員所應掌握的重要基礎技術之一。調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驗前的預先設置和實驗過程中的自動調節(jié)來控制執(zhí)行元件的運動速度。
1.1 液壓系統(tǒng)的發(fā)展狀況
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動的寺廟大門、用風箱產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最古老的應用。
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)分別獨立提出的熱力學第二定律等為20世紀液壓技術的發(fā)展提供了科學基礎。
1795年，英國人約瑟夫布瑞瑪(Joseph Bramah)就登記了第一臺液壓機的英國專利,在倫敦就出現(xiàn)了液壓印刷機,埃菲爾鐵塔就是利用水壓千斤頂來調節(jié)的,由此誕生了世界上第一臺水壓機。直到20世紀初.液壓技術的理論和工程實際應用才基本成熟。1905年將工作介質水改為油，又進一步得到改善。第一次世界大戰(zhàn)(1914-1918)后液壓傳動廣泛應用，特別是1920年以后，發(fā)展更為迅速。液壓元件大約在19世紀末20世紀初20年間，才開始進入正規(guī)的工業(yè)生產階段。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。20世紀初康斯·坦丁斯克對能量波動傳遞所進行的理論及實際研究。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，使這兩方面領域得到了發(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)為代表的響應快、精度高的液壓元件和控制系統(tǒng)，才使液壓技術得到了迅猛發(fā)展，如在美國機床中有30%應用了液壓傳動。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，居世界領先地位。液壓技術由軍用轉入民用工業(yè)，在機械制造、起重運輸機械及各類施工機械、船舶、航空等領域得到了廣泛發(fā)展和應用。從20世紀60年代以來，隨著原子能、航空航天技術、微電子技術的發(fā)展.液壓技術在更深、更廣闊的領域得到了發(fā)展。[1.2.3]
如今，液壓傳動與控制技術已經滲透到各個領域，并與各個領域相結合，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，以肩負起當今時代所賦予的使命和要求。
1.2 PLC的發(fā)展狀況
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)控制領域具有主導地位。由此構成的控制系統(tǒng)都是按預先設定好的時間或者條件順序的工作，當控制要求發(fā)生變化以及啟動的間隔時間不同，則需要增加一定數(shù)量的時間繼電器并改變配線。同時，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50年代，計算機技術開始應用于工業(yè)控制領域，由于價格高、輸入輸出電路不匹配、編程難度大以及難以適應惡劣工業(yè)環(huán)境等原因，未能在工業(yè)控制領域獲得推廣。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（GM）為了適應生產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，日本開始生產可編程序控制器。1973年，歐洲開始生產可編程序控制器。到現(xiàn)在，世界各國的些著名的電氣工廠幾乎都在生產可編程序控制器裝置 ?？删幊绦蚩刂破饕炎鳛橐粋€獨立的工業(yè)設備被列人生產中，成為當代電控裝置的主導。
PLC的發(fā)展方向：（1）小型化、微型化方向發(fā)展。目的是為了占領廣大的工業(yè)控制領域市場，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)，與個人計算機日益緊密結合，編程語言趨向標準化，通信與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強。 正向著結構小型模塊化、通訊網(wǎng)絡化、智能化、“高集成、高性能、高速度、大容量”方向發(fā)展。
PLC在國內各行各業(yè)中廣泛發(fā)展,應用范圍通常分為：順序控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通訊和聯(lián)網(wǎng)等。具有特點：1）可靠性高、抗干擾能力強；2）控制系統(tǒng)結構簡單、適應性強、應用靈活；3）編程方便，易于使用；4）控制系統(tǒng)設計、安裝、方便調試；5）維修方便，維修工作量?。?）功能完善，擴展能力強；7）結構緊湊，體積小、重量輕，易于實現(xiàn)機電一體化。[7.8.9]
可編程序控制器從誕生到現(xiàn)在，經歷了四次換代，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、運動、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)功能的名副其實的多功能
世界上PLC產品按地域分為三大流派：美國產品、歐洲產品、日本產品。如今，世界上有許多生產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PLC市場所占份額很小，生產廠家有無錫光洋、上海香島與南京嘉華
1.3 課程研究的意義
當下飛速發(fā)展的時代，傳統(tǒng)的液壓控制技術已經滿足不了當下時代的工業(yè)發(fā)展要求，必須使液壓技術應與CAT及PLC技術相結合，充分發(fā)揮21世紀計算機軟件編程與聯(lián)網(wǎng)通訊的時代特點，進一步加快現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的進程，才是當今時代賦予的使命。
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，滿足了當下日益復雜的液壓系統(tǒng)控制要求，發(fā)揮著現(xiàn)代工業(yè)的特點。作為液壓教學系統(tǒng)試驗臺，更加注重先進性與創(chuàng)新力，對液壓傳動與控制系統(tǒng)起到開發(fā)與研究作用。在液壓試驗臺傳動與控制中，可以讓機械專業(yè)的學生更直觀易懂，并能掌握結構組成和工作原理，積極的參與其中。原來的液壓試驗臺的控制方式因繼電器觸點較多、配線工作量大、邏輯控制復雜、可靠性低、故障率高、維修比較不便等缺點。當PLC于液壓控制系統(tǒng)相結合，可以用簡單的邏輯編程來控制電磁換向閥的機能運動，使不易控制的液壓系統(tǒng)變得簡單。學生可以根據(jù)實驗要求，通過接近開關、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]
對于教學試驗臺，具備液壓傳動系統(tǒng)和可編程控制器兩大版塊，不僅可以進行液壓傳動控制系統(tǒng)實驗，還可以單獨用可編程控制器做PLC實驗，達到一臺多用的目的，使學生掌握PLC的編程技巧和方法，有助于培養(yǎng)學生機電液一體化的綜合能力。
本設計選用三菱型號（FX2N系列）的PLC，因其性價比高，易于本實驗編程。同時也應該品牌在廣大高校試驗臺應用廣泛。
2 液壓系統(tǒng)設計方案
本次試驗臺設計理念是對節(jié)流調速回路速度—負載特性進行實驗。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，以調節(jié)其運動速度。研究液壓缸的工作速度與外負載間的關系，當速度越大，執(zhí)行元件對負載的影響也就越小，也稱調速回路的機械特性。[21.22.23]
在設計液壓系統(tǒng)時，為了保證液壓系統(tǒng)的運轉和學生對實驗的觀察效果，應考慮多面的因素：
1） 為了便于學生測量和觀察，速度不應過快或過慢。這里選用速度為0.005m/s~0.04m/s范圍；
2） 載荷選用應恰當。以本校是教學試驗臺的載荷為例，取20KN；
3） 在試驗中，液壓缸1與液壓缸2將液體的壓力能轉換成機械能，用來實現(xiàn)液壓缸的往復直線運動，液壓缸2對液壓缸1進行加載；
4） 液壓系統(tǒng)是由四種基本調速回路組成，所以液壓系統(tǒng)回路之間的排布應合適，并且優(yōu)化簡潔；
5） 選用換向閥，應考慮“機電液”相結合思路，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） 電氣元件的排布應恰當，因為試驗臺不僅用于液壓實驗，還可以用于電氣控制；
7） 加載回路中，應考慮壓力變化范圍及其調試方法。本實驗采用比例溢流閥來控制加載回路壓力，從而調節(jié)卸荷壓力大小。
8） 在考慮主回路與加載回路時，應考慮液壓泵的卸荷，采用安裝卸荷閥；
9） 液壓系統(tǒng)的其他輔助元件，通過各方面的計算，通過計算參數(shù)來選取。同時也應考慮環(huán)保與其經濟性要求。
根據(jù)各方面設計因素，合理設計液壓系統(tǒng)，滿足試驗臺設計要求。
2.1 液壓缸的設計
該試驗臺設計采用兩個液壓缸。主回路液壓缸在不同節(jié)流回路的作用下，利用液壓缸的往復直線運動來完成液壓缸的速度負載—特性實驗，加載回路的液壓缸對主回路的液壓缸進行加載實驗。
2.1.1 工作液壓缸設計
（1） 加載力的確定
根據(jù)設計要求，要確定最大加載壓力，必須讓兩個液壓缸進行對頂。已知教學試驗臺最大加載力為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。
可以認為工作載荷為
2） 滑動導軌的摩擦載荷。
在重力不計的情況下，作用在導軌上的正壓力
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，還有液壓缸內密封阻力
根據(jù) （2.2）
機械效率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)載荷大小和設備類型而定。不僅要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經濟條件及元件質量情況的限制，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)行元件的結構尺寸，對一些設備來說，尺寸會受到限制，從材料消耗角度來看是不經濟的；相反，壓力選得過大，對泵、缸、閥等元件的材質、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設備成本，同時增加了系統(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，對于行走機械重載設備壓力要選得高一些，而對于固定的尺寸不太受限的設備，壓力可以選低一些。所以，本次設計要根據(jù)試驗臺的實際情況進行選擇工作壓力，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)是試驗臺自身的特點，選用工作壓力為5MPa合適。
（3）液壓缸的尺寸計算
液壓試驗臺根據(jù)預先設想的工作要求，選用單桿活塞式液壓缸，采用缸體固定，活塞桿伸縮。
圖 1 液壓缸運動結構受力圖
液壓缸基本尺寸：缸筒內徑（D），活塞直徑（d），液壓缸長度，活塞桿長度。
活塞桿直徑d和液壓缸筒內徑是由液壓缸推力和有效工作壓力決定，在液壓缸設計中，根據(jù)系統(tǒng)中的最大負載和選取工作壓力決定。
由圖 1可知，當活塞桿受力，運動速度沿著V1方向，F(xiàn)w是其承受的外載荷。
根據(jù) （2.3）
得 （2.4）
——缸進油口壓力；
——缸的回油口壓力（背壓力）；
在液壓缸的計算中，應確定D與d或A1和A2的關系
（2.5）
桿徑比Φ——d/D
根據(jù)表 3與表 4查Φ值關系表：
表 3 工作壓力與φ的關系
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)本實驗，在對液壓缸沒有進退要求的情況下，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，不能按實際計算選取液壓缸，這樣很難找到相同尺寸，在標準化的工業(yè)行業(yè)里，應按國家標準進行選取液壓缸。液壓缸行程應符合試驗臺空間需求，這里選L=200mm。
表 5 液壓缸的內徑尺寸系列——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。
符合國家標準化系列。
（3） 缸筒壁厚計算
（2.6）
式中：P——液壓缸的最高工作壓力，MPa；
D——缸筒內徑，m；
——缸筒材料的許用應力，MPa；
——材料的抗拉強度，MPa；45缸抗拉強度為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 加載液壓缸設計
根據(jù)試驗臺的參數(shù)相同，所工作的范圍相同，應用條件相同，重復工作液壓缸的計算，可得工作液壓缸與加載液壓缸選用相同規(guī)格：
2.1.3 液壓缸流量計算
由設計要求，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)回路的設計
2.2.1 確定基本回路
系統(tǒng)的回路設計必須與試驗臺的設計要求相結合，通過系統(tǒng)元件的選取與不同的組合搭配，來確定本設計的回路。調速方式設計分為4類：節(jié)流閥進油節(jié)流調速、節(jié)流閥回油節(jié)流調速、節(jié)流閥旁路節(jié)流調速、調速閥進油節(jié)流調速。此外，還應同時設計卸荷回路，可以在液壓系統(tǒng)在執(zhí)行止停止時，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。本次設計分為工作回路和加載回路，工作回路壓力值應保持穩(wěn)定，采用電磁溢流閥；加載回路要進行有規(guī)律變化，采用比例溢流閥。
本次設計試驗臺包括4個回路：節(jié)流閥進油節(jié)流調速回路、節(jié)流閥回油節(jié)流調速回路、節(jié)流閥旁路節(jié)流調速回路、調速閥進油節(jié)流調速回路。[5.6]
2.2.2 制定基本方案
（1） 調速方案
1）調速方案分為進油節(jié)流調速、回油節(jié)流調速、旁路節(jié)流調速、進油節(jié)流調速；
2）液壓泵：定量泵；
3）循環(huán)方式：開放式循環(huán)方式。
這樣設計回路簡單，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節(jié)控制，來分析調速回路的速度-負載特性。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)圖設計
通過液壓調速基本回路的組合，加以輔助元件，設計液壓系統(tǒng)回路，去除多余重復液壓元件，構成液壓原理圖。本設計試驗臺由4個速度調速回路組成，又可分為主回路與加載回路。設計方案要求見表 6：
表 6 方案動作要求
方案
動作
實驗一
進油口節(jié)流，全開回油路，關死旁路
實驗二
回油口節(jié)流，關死旁路，全開進油路
實驗三
全開進油、回油油路，旁路進行節(jié)流
實驗四
關死進油、回油、旁路油路，全開回油路，調速回路代替進油回路
液壓系統(tǒng)圖中有6個壓力測試點，通過不同節(jié)流調速回路，測量不同點進行壓力速度分析。
圖 2 液壓試驗臺系統(tǒng)原理圖
由圖 2可知，工作回路由四個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
+
C1缸退
+
C2缸進
+
C1進C2退
+
+
C2進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，在選用時主要考慮四方面的因素：使用范圍、使用性能、價格和維修方便性。
（1） 液壓泵的系統(tǒng)的工作壓力計算
（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，本次實驗取0.5
由公式（2.8）可見，實際工作中
（2.9）
可得
（2） 液壓泵的流量計算
（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)實際情況與經濟性要求，泵的轉速
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際流量相當。
根據(jù)上述計算條件，可知
泵的排量 （2.11）
式中：——液壓泵的排量
——液壓泵的最大流量
——液壓泵轉速
由公式（2.11）可得
本次試驗臺設計選用葉片泵，應其結構緊湊體積小，運轉平穩(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
驅動功率
重力
公稱轉速
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，泵的驅動功率
因此選擇3KW的電機合適。
表 11 電動機型號表
序號
電動機型號
同步轉速/(r/min)
額定功率/kW
滿載轉速/(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，電機選用型號Y132S-6，額定功率3KW，滿載轉速960r/min，同步轉速1000r/min并且與液壓泵的轉速相吻合。
圖 3 電機主要尺寸參數(shù)
表 12 電機主要尺寸參數(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為電機對應的參數(shù)尺寸。
2.3.3 安裝與連接
由電動機、液壓泵和聯(lián)軸器等進行連接組成供能裝置。
液壓泵布置在單獨油箱上時，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：液壓油管和泵等均在油箱內部，結構緊湊；電動機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：安裝維修不變，散熱不良。
（2） 臥式安裝。優(yōu)點：管道露在外面，安裝和維修比較方便。缺點：電動機與液壓泵同軸度差。
電機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相聯(lián)。這種結構對于保證同軸度比較困難(電動機與液壓泵的同軸度≤0.05mm)。為了防止安裝誤差產生的振動，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聯(lián)接，電動機與液壓泵依靠法蘭盤上的止口來保證同軸度。這種結構裝拆很方便。
（3）支架法蘭式。電動機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)點是大底板不用加工，安裝方便，電動機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；2.聯(lián)軸器3.液壓泵；4.底座；5.油管；6.油箱
本次試驗臺能源機構的設計安裝：液壓泵為臥式安裝，電機與液壓泵為支架式連接，見圖 4。采用輔助冷卻裝置進行散熱，用凸緣聯(lián)軸器來保證電機與液壓泵的同軸度。在泵的進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，在進行裝配時，密封墊必須用專用清潔劑進行清洗，同時均勻涂抹密封膠，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)的控制調節(jié)元件，本次試驗臺設計液壓傳動系統(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)原理圖和計算出的最大工作壓力與其通過的最大流量從產品中選取。各種閥的額定壓力與額定流量，一般應與其工作壓力和最大通過流量相接近，必要時，可允許其最大通過流量超過額定流量的20%，以保證試驗臺可以正常工作。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） 壓力調定值的范圍。系統(tǒng)的壓力范圍在閥的調定壓力以內。
（3） 流量變化的范圍。壓力閥的實際流量應小于壓力閥的額定流量。
（4） 結構類型。直動式與先導式。
（5） 適用場合、安裝與連接方式、壽命及其經濟性。
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。
（2） 流量。通過流量閥的控制流量應小于閥的額定流量。
（3） 流量范圍。流量控制閥的流量調節(jié)范圍應大于系統(tǒng)要求的流量范圍。
（4） 閥的精度，調節(jié)方式，是否需要壓力補償或者溫度補償。
（5） 安裝及其連接方式，閥的進出口壓力差、壽命及其經濟性等。
方向控制閥
（1） 壓力。液壓系統(tǒng)的最大壓力應低于閥的額定壓力。
（2） 流量。最大流量一般不得大于閥的額定壓力。
（3） 滑閥機能。如O、H、M、U、P、Y、C、J、K。
（4） 操作方式。如手動、液動、機動。
（5）換向頻率、安裝與連接方式、響應時間、壽命、經濟性等。
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、停止及運動方向變換等工作要求。
本實驗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動，實現(xiàn)油路的通、斷或者改變也液流的方向，從而實現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的啟動、停止或運動方向的變換。該電磁換向閥具有抗沖擊性，大大較低了換向閥在關閉開啟時帶來的換向沖擊。由閥體、一個或兩個復位彈簧、一個或兩個電磁鐵組成。
三位四通電磁換向閥又稱6通徑電磁換向閥，如圖 5所示，該閥具有四個油口（A、B、P、T）。當電磁閥沒通電時，電磁換向閥處于中位狀態(tài)（本實驗采用O型中位機能），閥芯在復位彈簧作用下處于原位或中位狀態(tài)，由電磁鐵進行控制。當電磁閥得電，電磁鐵作用力經過推桿將力作用在將閥芯上，使閥芯推動到兩端位置。這時壓力油由P到A和B到T，或者P到B和A到T。當電磁換向閥失電后通過復位彈簧進行復位。該閥還具有手動復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油口（A、B）。采用一個復位彈簧與一個電磁鐵組成。當其沒通電時，電磁換向閥使油斷開狀態(tài)。當電磁閥通電之后，接通AB，使液壓油流過，進而接通油路。當換向閥失電，復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，從而實現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的運動速度的調節(jié)控制。在本次試驗臺設計中流量控制閥屬于核心元件。本次液壓系統(tǒng)選用3個節(jié)流閥以及1個調速（單向調速閥）來完成四個不同速度—負載特性曲線實驗。
節(jié)流閥開度確定后，流量能否穩(wěn)定在所調出的流量上，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。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。本次試驗臺設計為了測試的數(shù)值穩(wěn)定直觀，采用三角槽式節(jié)流口的比例節(jié)流閥，應其在小流量時的穩(wěn)定性好，當三角槽對稱分布，徑向力趨于平衡狀態(tài)。所選節(jié)流閥不僅應滿足自身的特點要求，還應滿足滿足電氣控制調節(jié)、調節(jié)流量穩(wěn)定、單向節(jié)流等特點。
調速閥是由定差減壓閥（作用：壓力補償）和節(jié)流閥（作用：調節(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。在實驗中，為了不影響實驗數(shù)據(jù)，在調速閥的基礎上并聯(lián)一單向閥，使液壓油在反向流動時調速閥不起作用。
調速閥在壓差大于其最小值后,流量基本保持恒定。當壓差△p很小時，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，故此時調速閥性能與節(jié)流閥相同，所以調速閥正常工作需有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、輸入轉矩及運動狀態(tài)的不同需求。本次實驗采用先導式比例溢流閥以及先導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節(jié)，二者皆是在系統(tǒng)壓力超過設定值時開啟卸荷、溢流。
直流式溢流閥特點：最大調整壓力為2.5MPa；結構簡單，動作靈敏，工作時容易產生振動和噪音；在結構上無先導閥。彈簧硬；無外控口；用于低壓力或小流量的場合。
先導式溢流閥特點：最大調整壓力為6.3MPa；壓力波動??；在結構上有先導閥，先導閥彈簧硬，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,所以先導式溢流閥較為合適。
本次試驗臺設計是為了對調速回路進行實驗數(shù)據(jù)分析，以工作液壓回路作為數(shù)據(jù)測試基礎，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，即改變負載力的大小，來分析速度—負載特性。
加載液壓系統(tǒng)回路采用先導式比例溢流閥，通過比例電磁鐵來取代直動式溢流閥的手調裝置，進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，從而改變先導式電磁溢流閥調定值得大小。[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。本實驗采用油路板式。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
先導式比例溢流閥
EDG-01-B-1-51
0.5~6.9
1
2
先導式電磁溢流閥
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
設計油箱的關鍵在于油箱容積的確定，充足的油箱容積能夠保證當系統(tǒng)大量供油而無法回油時，最低液面應該在液壓泵進口過濾器上，保證不會吸入空氣；當系統(tǒng)有大量回油而無法供油，或系統(tǒng)停止運轉，油液不致溢出。同時保證要有足夠的散熱面積。
根據(jù)使用情況，進行油箱容積計算。
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——經驗技術，其值為表 15所示
表 15 經驗值系數(shù)a
經驗系數(shù)
行走機械
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
本次試驗臺設計屬于中壓系統(tǒng)設計，泵的額定流量為
單位分鐘內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，應選用黏度較高的液壓油；環(huán)境溫度低時，應選用黏度較低的液壓油。
（3）運動速度。工作部件運動速度較高時，應選用黏度較低的液壓油；工作部件運動速度較低時，應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，驗臺選用L-HM46（40的抗磨液壓油的運動黏度為0.46）的液壓油，適用于低、中、高壓液壓系統(tǒng)，由于本試驗臺在室內，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。選定的油管應具有足夠的流動橫截面和承壓能力。同時，應盡可能縮短管道，以避免急轉彎和截面突然變化。
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25MPa，但不像紫銅管那樣容易彎曲。銅管價格高，抗震性能差。容易使油液氧化，應盡可能少地使用。它僅用于液壓裝置不方便的部位。
軟管：用于兩個相對的運動部件之間的連接。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。應效驗一些重要管道的內徑和壁厚。管的內徑通?？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算。
油管內徑計算
（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：
吸油管內徑，外徑24mm，壁厚2mm。
壓油管內徑，外徑14mm，壁厚2mm。
回油管內徑，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，從而在連接時液壓元件分布位置不同，所需油管的長度也就不同，所以應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)試驗臺的使用要求進行選取，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)設計手冊，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，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。利用卡套變形卡住管子進行密封，接頭擰入機體，二者可以組合墊圈密封。
（4） 行程開關，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
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)計算
2.6.1 損失計算
（1） 沿程壓力損失
已知所有管長和5m，油管內徑0.01m（1cm）,流量，液壓油密度ρ=,液壓油粘度46。
油管中實際流速 （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）
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