【正文】 在掌握液壓傳動(dòng)基本知識(shí)的同時(shí)也能夠更準(zhǔn)確形象地深入了解掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)液壓回路的控制原理等原來(lái)的控制方式因?yàn)殡姎庠^多節(jié)點(diǎn)多邏輯布線復(fù)雜對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜所以操作不便故障率高運(yùn)行的可靠性和靈敏性差擴(kuò)展性差檢修不方便在實(shí)驗(yàn)方法上采用現(xiàn)代的 PLC 控制在實(shí)驗(yàn)手段上采用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試學(xué)生可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)要求通過(guò)接近開(kāi)關(guān)電磁鐵等線路聯(lián)接在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察油路的變化得出所要測(cè)基于 PLC 的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能進(jìn)行液壓方面的實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行有關(guān) PLC的實(shí)驗(yàn)使 PLC實(shí)驗(yàn)更加直觀掌握 PLC 可編程序控制的功能控制原理及編程技巧等有利于培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)電液綜合控制等方面的綜合能力 本設(shè)計(jì)采用的三菱的 FX2N 系列 PLC 它吸取了整體式和模塊式 PLC 的優(yōu)點(diǎn)各單元采取疊裝式連接具有較高的性價(jià)比同時(shí)他也是在目前市場(chǎng)上具有廣泛影響的主流機(jī)型 2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 總體方案概述 本實(shí)驗(yàn)是分析各種節(jié)流調(diào)速回路的速度 負(fù)載特性即工作液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度隨著負(fù)載變化的特性在速度 負(fù)載特性曲線上某處的斜率越小速度剛度越大機(jī)械特性就贏執(zhí)行元件受負(fù)載變化的影響就越小這是調(diào)速回路的機(jī)械特性調(diào)速時(shí)為了滿足執(zhí)行 元件對(duì)工作速度的要求是液壓系統(tǒng)的核心問(wèn)題實(shí)驗(yàn)要求速度不易過(guò)快或者過(guò)慢要求適于測(cè)量和觀察選定最大載荷為 20KN 速度范圍 0005ms～ 004ms試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)液壓元件分置在試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)面板上給學(xué)生提供直觀的試驗(yàn)視覺(jué) 試驗(yàn)中選擇液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件它將液體的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能用來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)于液壓缸的加載也選用液壓缸來(lái)完成液壓回路采取將基本的調(diào)速回路進(jìn)行結(jié)合的方式將基本的液壓回路通過(guò)優(yōu)化組合成因?yàn)樾枰捎秒姎饪刂扑x擇的液壓閥應(yīng)該在適用于液壓系統(tǒng)的同時(shí)適用于電氣控制在液壓回路的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到系統(tǒng)壓力的 穩(wěn)定負(fù)載的連續(xù)變化這樣選擇進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路旁路節(jié)流調(diào)速回路回油節(jié)流調(diào)速回路以及速度閥進(jìn)油調(diào)速回路并且將它們有機(jī)的結(jié)合在一起可以形成本實(shí)驗(yàn)的主液壓回路加載回路的設(shè)計(jì)中也應(yīng)該考慮系統(tǒng)的壓力變化范圍以及調(diào)整壓力變化的方式可以選用比例溢流閥來(lái)控制加載回路的壓力從而控制載荷的大小測(cè)量不同回路的速度 負(fù)載特性在主回路和加載回路中還應(yīng)該考慮到液壓泵的卸荷可以采用卸荷閥 對(duì)其他液壓附件的設(shè)計(jì)和選取應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面的參數(shù)經(jīng)行計(jì)算后根據(jù)參數(shù)要求滿足液壓系統(tǒng)的同時(shí)還應(yīng)該改根據(jù)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行選擇 22 液壓缸設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)臺(tái) 液壓回路分為兩個(gè)部分主回路完成實(shí)驗(yàn)液壓缸的運(yùn)動(dòng)在不同的節(jié)流回路下完成液壓缸的速度 負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)加載回路通過(guò)一個(gè)加載液壓缸對(duì)主回路的液壓缸進(jìn)行加載 壓缸設(shè)計(jì) 1 加載力的確定 由于實(shí)驗(yàn)是將兩液壓缸對(duì)接通過(guò)加載液壓缸對(duì)主液壓缸進(jìn)行加載且需要最大的加載力為 20KN 工作載荷常見(jiàn)的工作載荷有作用于活塞桿軸線上的重力切削力等這些作用力的方向如活塞運(yùn)動(dòng)方向相同為負(fù)相反為正故 Fg 20KNFg 主要包含活塞軸線上的重力切削力擠壓力等 導(dǎo)軌摩擦載荷 Ff 0 運(yùn)動(dòng)部件所受的重力不計(jì)外載荷作用 于導(dǎo)軌上的正壓力為 0 慣性載荷 Fa 0 以上三種載荷之和稱之為液壓缸的外載荷 Fw 工作載荷 Fg 并非每一階段都存在如該階段沒(méi)有工作則 Fg 為 0 則其外載荷 Fw 20KN 除去外載荷外由于活塞上的載荷 F 還包括液壓缸密封處的阻力 Fm 由于各種液壓缸密封材質(zhì)和密封形式都不同所以 Fm 難以計(jì)算 一般估算為 Fm 1 η F 式 21 式中η為液壓缸機(jī)械效率一般取 09095 則有 F Fwη 2021 22KN 2 初選系統(tǒng)的工作壓力 工作壓力是確定執(zhí)行元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)它的大小影響執(zhí)行元件的尺寸和成本乃至整個(gè)系統(tǒng)的性能在系統(tǒng)功率一定時(shí)一般選用較高的工作壓力使執(zhí)行元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊重量輕經(jīng)濟(jì)性好但是若工作壓力選的太高會(huì)提高元件的強(qiáng)度剛度及密封要求和制造精度要求不但達(dá)不到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果反而會(huì)降低元件的容積效率增加系統(tǒng)發(fā)熱降低與元件壽命和系統(tǒng)可靠性反之壓力選的過(guò)低就會(huì)增大執(zhí)行元件的尺寸使結(jié)構(gòu)變得龐大所以要根據(jù)實(shí)際情況選取工作壓力 壓力的選擇要根據(jù)載 荷大小和設(shè)備類型而定還要考慮帶執(zhí)行元件的裝配空間經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制在載荷一定的情況下工作壓力低勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)某些設(shè)備來(lái)說(shuō)尺寸要受到限制從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)反之壓力選得太高對(duì)缸泵閥等原價(jià)元件的材質(zhì)密封制造要求也要求很高必然要提高設(shè)備成本一般來(lái)說(shuō)對(duì)于固定的尺寸不太受限的設(shè)備壓力可以選得低一些行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些 表 21 按載荷選擇工作壓力 載荷 KN 5 5～ 10 10～ 20 20～ 30 30～ 50 50 工作壓力 MP 08～ 1 15～ 2 25～ 3 3～ 4 4～ 5 ≥ 5 根據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)所以按照要求選擇系統(tǒng)的壓力為 5MP 計(jì)算主液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸的主要尺寸是指缸筒內(nèi)徑 D和活塞桿直徑 d液壓缸的長(zhǎng)度和活塞桿的長(zhǎng)度等液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿的直徑的確定和使用的液壓缸的設(shè)備類型有關(guān)通常根據(jù)液壓缸的推力和液壓缸的有效工作壓力來(lái)決定液壓缸的內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 可以根據(jù)系統(tǒng)中的最大總負(fù)載和選取的工作壓力來(lái)確定 圖 21 液壓缸的運(yùn)動(dòng)分析圖 由圖 21可知活塞桿受壓力時(shí)按 V1方向運(yùn)動(dòng) 活塞受力如上圖所示可以列出以下方程式 F P1A1P2A2 式 22 A1 FP2A2P1 式 23 所以應(yīng)該線確定 A1 和 A2 的關(guān)系或者 D 與 d 的關(guān)系 令桿徑比Φ dD 則 D 式24 由表 22 和表 23 確定Φ的值 表 22 按工作壓力選取 dD 工作壓力 MP ≤ 5 5～ 7 7 dD 05～ 055 06～ 07 07 表 23 按速度選擇 dD v1v2 115 125 133 146 2 dD 03 04 05 055 071 由于在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)液壓缸的進(jìn)退速度沒(méi)有要求所以需要按照載荷的大小選擇選擇速比 133 即Φ 05 由于系統(tǒng)的液壓回路較短選擇液壓缸的被壓為 P2 02MP 則有 D 7524mm 按照表 24 選擇液壓缸的內(nèi)徑 液壓缸的直徑 D 和活塞桿的直徑要按國(guó)際規(guī)定的液壓缸的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整如果與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸的參數(shù)相近最好選用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸免于自行設(shè)計(jì)和加工 表 24 液壓缸的內(nèi)徑尺寸系列 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 故取液壓缸的內(nèi)徑選取 D 80mm 活塞桿直徑 d 40mm 壓缸設(shè)計(jì) 1 加載力的確定 1 由于主液壓系統(tǒng)所需要的外載荷為 20KN 由加載液壓缸提供由式 11可得 2 導(dǎo)軌摩擦載荷 Ff 0 運(yùn)動(dòng)部件所受的重力不計(jì)外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力為 0 3 慣性載荷 Fa 0 以上三種載荷之和稱之為液壓缸的外載荷 Fw 工作載荷 Fg 并非每一階段都存在如該階段沒(méi)有工作則 Fg 為 0 則其外載荷 Fw 20KN 除去外載荷外由于活塞上的載荷 F 還包括液壓缸密封處的阻力 Fm 由于各種液壓缸 密封材質(zhì)和密封形式都不同所以 Fm 難以計(jì)算 一般估算為 Fm 1η F 式中η為液壓缸機(jī)械效率一般取 09095 則有 F Fwη 2021 22KN F’ 22KN 由于參數(shù)基本和主回路相同所以系統(tǒng)壓力選擇也可以參照主回路的工作壓力選擇 由表 11 選擇加載系 統(tǒng)的工作壓力為 5MP 2 計(jì)算加載液壓缸的主要尺寸 和主回路的液壓缸設(shè)計(jì)原理相同即有式 24 可知 D’ 76mm 根據(jù)表 24 選擇 D’ 80mm d’ 40mm 流量計(jì)算 根據(jù)前面計(jì)算的結(jié)果可以算出液壓缸所需要的流量根據(jù)所求的最大流量來(lái)確定泵的流量 由于最大的速度為 V 4ms 因?yàn)? q Av 式 25 根據(jù)式 25 得到 q 2ms 液壓缸的所需的最大流量為 2ms 23 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì) 本回路 液壓基本回路是決定主機(jī)動(dòng)作和性能的基礎(chǔ)是組成系統(tǒng)的骨架壓力控制方式的選擇主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式在本試驗(yàn)臺(tái)中液壓系統(tǒng)需要 4 種調(diào)速方式 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回油節(jié)流調(diào)速旁路節(jié)流調(diào)速和調(diào)速閥調(diào)速在本實(shí)驗(yàn)中需要工作液壓缸進(jìn)行空載運(yùn)行所以還要考慮卸荷回路在主液壓回路中首先應(yīng)該考慮到主回路的壓力值穩(wěn)定控制好這個(gè)不變量才能更加精準(zhǔn)的測(cè)量回路的速度 負(fù)載特性在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中選用電磁溢流閥來(lái)控制主液壓回 路的壓力使得主液壓回路的壓力維持在一個(gè)穩(wěn)定的值其次是加載回路的液壓壓力由于加載回路的壓力值要經(jīng)行規(guī)律的變化所以應(yīng)該采用比例溢流閥來(lái)進(jìn)行控制加載液壓會(huì)的壓力 基本的回路有進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路回油節(jié)流調(diào)速回路和旁路節(jié)流調(diào)速回路更換這些基本的回路中的液壓元件就能夠組成不同的閥調(diào)速的液壓回路 本方案 1 制定調(diào)速方案 本試驗(yàn)臺(tái)要求測(cè)量在不同載荷下的節(jié)流調(diào)速回路的速度 負(fù)載特性節(jié)流方案分為 4 種分別是進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回油節(jié)流調(diào)速旁路節(jié)流調(diào)速調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路分別采用 4 個(gè)節(jié)流閥進(jìn)行控制這種調(diào)速一般采用定量泵供 油采用開(kāi)式循環(huán)形式在開(kāi)式系統(tǒng)中液壓泵從油箱吸油壓力油流經(jīng)系統(tǒng)釋放能量后再排回油箱回路簡(jiǎn)單散熱性能良好 2 制定壓力控制方案 為保持系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定在主液壓回路采用電磁溢流閥進(jìn)行溢流通過(guò)溢流調(diào)整主回路的系統(tǒng)壓力在加載回路中采用比例電磁溢流閥通過(guò)行程開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入控制加載回路的壓力值 3 制定順序動(dòng)作方案 本實(shí)驗(yàn)要求在不同的加載力下來(lái)分析節(jié)流調(diào)速回路的特性動(dòng)作順序具體為首先加載然后開(kāi)啟主回路將加載液壓缸壓回通過(guò)行程開(kāi)關(guān)使加載回路的比例溢流閥的值改變繼而在不同的加載力下測(cè)出主液壓缸的速度 統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 根據(jù)基本方案液壓執(zhí)行元件和各基本回路確定后把他們有機(jī)的結(jié)合起來(lái)去掉重復(fù)多余的元件再加上一些輔助元件就構(gòu)成了本試驗(yàn)臺(tái)的液壓原理圖系統(tǒng)的原理圖如圖 22 所示 液壓原理圖分為主回路和加載回路主回路中含有 4 個(gè)節(jié)流調(diào)速回路他們分別是試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的 4 個(gè)實(shí)驗(yàn)加載回路也是由液壓缸換向閥溢流閥組成通過(guò)改變比例溢流閥的溢流壓力從而改變負(fù)載的大小在不同的回路不同的壓力下液壓缸有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的速度 實(shí)驗(yàn)一要求只在進(jìn)油回路上進(jìn)行節(jié)流關(guān)死旁路實(shí)驗(yàn)二要求只在回油路上進(jìn)行節(jié)流關(guān)死旁路全開(kāi)進(jìn)油路實(shí)驗(yàn)三要求全開(kāi)進(jìn)油和回油路在旁路上 進(jìn)行節(jié)流實(shí)驗(yàn)四要求全開(kāi)回油路關(guān)死旁路和進(jìn)油路用調(diào)速回路來(lái)替代進(jìn)油路 實(shí)驗(yàn)原理圖中有 6 個(gè)壓力測(cè)試點(diǎn)測(cè)試不同點(diǎn)的壓力值來(lái)分析不同節(jié)流調(diào)速回路的速度剛度實(shí)驗(yàn)中各個(gè)電磁閥的電磁鐵動(dòng)作表如表 25 所示 圖 22 液壓試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖 按照實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)動(dòng)作的先后確定液壓系統(tǒng)的動(dòng)作表動(dòng)作表如表 25 所示 表 25 電磁鐵動(dòng)作表 動(dòng)作 電磁鐵 YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 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 24 液壓元件的選擇 的選擇 1 液壓泵工作壓力的確定 式 26 P 是液壓缸的最大工作壓力 是液壓元件的回路損失一般取 05MP