【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(xiàn)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(xiàn)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?xún)r(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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)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(chēng)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