【正文】 在掌握液壓傳動基本知識的同時也能夠更準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的控制方式因為電氣元件較多節(jié)點多邏輯布線復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系復(fù)雜所以操作不便故障率高運行的可靠性和靈敏性差擴展性差檢修不方便在實驗方法上采用現(xiàn)代的 PLC 控制在實驗手段上采用計算機輔助測試學(xué)生可以根據(jù)液壓系統(tǒng)的傳動要求通過接近開關(guān)電磁鐵等線路聯(lián)接在實驗過程中觀察油路的變化得出所要測基于 PLC 的液壓實驗臺系統(tǒng)的研制與開發(fā) 設(shè)計的實驗臺不僅能進行液壓方面的實驗還可以進行有關(guān) PLC的實驗使 PLC實驗更加直觀掌握 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)生在機電液綜合控制等方面的綜合能力 本設(shè)計采用的三菱的 FX2N 系列 PLC 它吸取了整體式和模塊式 PLC 的優(yōu)點各單元采取疊裝式連接具有較高的性價比同時他也是在目前市場上具有廣泛影響的主流機型 2 液壓系統(tǒng)設(shè)計 21 總體方案概述 本實驗是分析各種節(jié)流調(diào)速回路的速度 負載特性即工作液壓缸的運動速度隨著負載變化的特性在速度 負載特性曲線上某處的斜率越小速度剛度越大機械特性就贏執(zhí)行元件受負載變化的影響就越小這是調(diào)速回路的機械特性調(diào)速時為了滿足執(zhí)行 元件對工作速度的要求是液壓系統(tǒng)的核心問題實驗要求速度不易過快或者過慢要求適于測量和觀察選定最大載荷為 20KN 速度范圍 0005ms～ 004ms試驗臺各個液壓元件分置在試驗臺的試驗面板上給學(xué)生提供直觀的試驗視覺 試驗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)化成機械能用來實現(xiàn)直線往復(fù)運動對于液壓缸的加載也選用液壓缸來完成液壓回路采取將基本的調(diào)速回路進行結(jié)合的方式將基本的液壓回路通過優(yōu)化組合成因為需要采用電氣控制所選擇的液壓閥應(yīng)該在適用于液壓系統(tǒng)的同時適用于電氣控制在液壓回路的設(shè)計中應(yīng)該考慮到系統(tǒng)壓力的 穩(wěn)定負載的連續(xù)變化這樣選擇進油節(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油調(diào)速回路并且將它們有機的結(jié)合在一起可以形成本實驗的主液壓回路加載回路的設(shè)計中也應(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控制加載回路的壓力從而控制載荷的大小測量不同回路的速度 負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 對其他液壓附件的設(shè)計和選取應(yīng)該對系統(tǒng)的各個方面的參數(shù)經(jīng)行計算后根據(jù)參數(shù)要求滿足液壓系統(tǒng)的同時還應(yīng)該改根據(jù)環(huán)保和經(jīng)濟的原則進行選擇 22 液壓缸設(shè)計 本試驗臺 液壓回路分為兩個部分主回路完成實驗液壓缸的運動在不同的節(jié)流回路下完成液壓缸的速度 負載特性實驗加載回路通過一個加載液壓缸對主回路的液壓缸進行加載 壓缸設(shè)計 1 加載力的確定 由于實驗是將兩液壓缸對接通過加載液壓缸對主液壓缸進行加載且需要最大的加載力為 20KN 工作載荷常見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動方向相同為負相反為正故 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 運動部件所受的重力不計外載荷作用 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 難以計算 一般估算為 Fm 1 η F 式 21 式中η為液壓缸機械效率一般取 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系統(tǒng)的性能在系統(tǒng)功率一定時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)濟性好但是若工作壓力選的太高會提高元件的強度剛度及密封要求和制造精度要求不但達不到預(yù)期的經(jīng)濟效果反而會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低就會增大執(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必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸對某些設(shè)備來說尺寸要受到限制從材料消耗角度看也不經(jīng)濟反之壓力選得太高對缸泵閥等原價元件的材質(zhì)密封制造要求也要求很高必然要提高設(shè)備成本一般來說對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)本試驗臺的特點所以按照要求選擇系統(tǒng)的壓力為 5MP 計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液壓缸的長度和活塞桿的長度等液壓缸的內(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)中的最大總負載和選取的工作壓力來確定 圖 21 液壓缸的運動分析圖 由圖 21可知活塞桿受壓力時按 V1方向運動 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 由于在本實驗中對液壓缸的進退速度沒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際規(guī)定的液壓缸的有關(guān)標準進行圓整如果與標準液壓缸的參數(shù)相近最好選用國產(chǎn)標準液壓缸免于自行設(shè)計和加工 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 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 運動部件所受的重力不計外載荷作用于導(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 難以計算 一般估算為 Fm 1η F 式中η為液壓缸機械效率一般取 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 計算加載液壓缸的主要尺寸 和主回路的液壓缸設(shè)計原理相同即有式 24 可知 D’ 76mm 根據(jù)表 24 選擇 D’ 80mm d’ 40mm 流量計算 根據(jù)前面計算的結(jié)果可以算出液壓缸所需要的流量根據(jù)所求的最大流量來確定泵的流量 由于最大的速度為 V 4ms 因為 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 本回路 液壓基本回路是決定主機動作和性能的基礎(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)速方式在本試驗臺中液壓系統(tǒng)需要 4 種調(diào)速方式 進油節(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)速在本實驗中需要工作液壓缸進行空載運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)定控制好這個不變量才能更加精準的測量回路的速度 負載特性在本實驗臺的設(shè)計中選用電磁溢流閥來控制主液壓回 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進行控制加載液壓會的壓力 基本的回路有進油節(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 本試驗臺要求測量在不同載荷下的節(jié)流調(diào)速回路的速度 負載特性節(jié)流方案分為 4 種分別是進油節(jié)流調(diào)速回油節(jié)流調(diào)速旁路節(jié)流調(diào)速調(diào)速閥進油節(jié)流調(diào)速回路分別采用 4 個節(jié)流閥進行控制這種調(diào)速一般采用定量泵供 油采用開式循環(huán)形式在開式系統(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行溢流通過溢流調(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行程開關(guān)的信號輸入控制加載回路的壓力值 3 制定順序動作方案 本實驗要求在不同的加載力下來分析節(jié)流調(diào)速回路的特性動作順序具體為首先加載然后開啟主回路將加載液壓缸壓回通過行程開關(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出主液壓缸的速度 統(tǒng)圖設(shè)計 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的結(jié)合起來去掉重復(fù)多余的元件再加上一些輔助元件就構(gòu)成了本試驗臺的液壓原理圖系統(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 個節(jié)流調(diào)速回路他們分別是試驗臺實現(xiàn)的 4 個實驗加載回路也是由液壓缸換向閥溢流閥組成通過改變比例溢流閥的溢流壓力從而改變負載的大小在不同的回路不同的壓力下液壓缸有一個運動的速度 實驗一要求只在進油回路上進行節(jié)流關(guān)死旁路實驗二要求只在回油路上進行節(jié)流關(guān)死旁路全開進油路實驗三要求全開進油和回油路在旁路上 進行節(jié)流實驗四要求全開回油路關(guān)死旁路和進油路用調(diào)速回路來替代進油路 實驗原理圖中有 6 個壓力測試點測試不同點的壓力值來分析不同節(jié)流調(diào)速回路的速度剛度實驗中各個電磁閥的電磁鐵動作表如表 25 所示 圖 22 液壓試驗臺系統(tǒng)原理圖 按照實驗要求根據(jù)動作的先后確定液壓系統(tǒng)的動作表動作表如表 25 所示 表 25 電磁鐵動作表 動作 電磁鐵 YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 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 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