液压教学实验台的设计应用

液压与气动课程是机械类专业的核心课程，液压实验教学手段是保障该课程教学效果的重要条件，因此液压教学实验台的设计、改进与研制成为液压教学人员关注的重要内容。研制的液压教学实验台注重训练学生对液压传动基础知识的理解和掌握，把液压元件认知、液压系统构成、液压回路控制综合在一起，从液压系统的总体布局、液压回路的原理分析入手，促进学生理解和掌握液压传动基本概念和知识，并在此基础上向工程应用逐步扩展。研制的液压教学实验台由液压系统、电气控制系统和实验台架组成，下面分别进行说明。
1、液压系统组成
液压教学实验台的液压系统原理如图1所示，系统包含了8个液压基本回路: 溢流阀调压回路A、节流调速回路B、差动快速运动回路C、顺序动作回路D、减压控制回路E、双泵供油快速运动回路F、自锁保压回路G、卸荷回路H等。组成系统的液压元件包括: 液压动力元件有齿轮泵、叶片泵和轴向柱塞泵; 液压控制元件有压力控制阀: 直动式溢流阀、先导式溢流阀、电磁溢流阀、减压阀、顺序阀等，方向控制阀: 三位四通手动换向阀、三位四通电磁换向阀、三位四通手电一体换向阀、二位三通电磁换向阀、单向阀和液控单向阀组成的双向液压锁等，流量控制阀: 节流阀; 液压执行元件有3个双作用液压缸; 液压辅助元件包括: 液压油箱、吸油过滤器、压油过滤器、回油过滤器、空气滤清器、液位/温度计、压力表、压力继电器、球阀、管线和接头等。
2、液压回路说明
根据图1所示的液压系统原理图，可以构成8个液压实验基本回路，对应的功能区域分别用双点划线构成的矩形框包围，并用英文大写字母表示出来， 以便甄别和说明。

图1实验台液压原理图
2. 1 溢流阀调压回路
溢流阀调压回路如图1中回路A所示。操作时，先启动齿轮泵2，再调节溢流阀3，观察压力表5的压力指示，可以确定系统的输出压力值。为了保证液压系统正常工作，设定的溢流阀压力值应高于液压执行元件的最大工作压力值1.0MPa以上。
2. 2 节流调速回路
节流调速回路如图1中回路B所示。节流调速的工作原理是通过调节节流阀的开口面积大小来控制进、出液压缸工作腔的流量，以实现控制液压缸运行速度的目的。以液压缸13的活塞杆伸出过程为控制对象，节流调速回路还可以通过操作节流阀7、8、9分别实现进油节流调速、回油节流调速和旁通节流调速。
(1) 进油节流调速回路
将节流阀8完全关闭，节流阀9完全打开，三位四通电磁换向阀6右位工作，通过调节节流阀7控制液压缸13的运行速度。液压油回路: 齿轮泵2→三位四通电磁换向阀6右位→节流阀7→液压缸13无杆腔; 液压缸13有杆腔→二位三通电磁换向阀10右位→节流阀9→三位四通电磁换向阀6右位→油箱。
(2) 回油节流调速回路
将节流阀8完全关闭，节流阀7完全打开，三位四通电磁换向阀6左位工作，通过调节节流阀9控制液压缸13的运行速度。液压油回路与进油节流相同。
(3) 旁路节流调速回路
将节流阀7、节流阀9完全打开，三位四通电磁换向阀6右位工作，通过调节节流阀8控制液压缸13的运行速度。液压油回路: 齿轮泵2→三位四通阀6右位→节流阀7→液压缸13无杆腔+ 节流阀8→油箱; 液缸13有杆腔→二位三通电磁换向阀10右位→节流阀9→三位四通电磁换向阀6右位→油箱。旁路节流调速的原理是节流阀8构成了一条分支油路，减少了进入液压缸13无杆腔的流量，从而调节了活塞伸出的速度; 节流阀8的开口越大，液压缸运行速度越慢。
2. 3 差动回路
差动快速回路如图1中回路C所示。操作时关闭节流阀8，节流阀7全开，三位四通电磁换向阀6右位工作，二位三通电磁换向阀10左位工作。液压油回路: 齿轮泵2→三位四通电磁换向阀6右位→节流阀7→液压缸13无杆腔; 液压缸13有杆腔→二位三通电磁换向阀10左位+ 齿轮泵2供油→液压缸13无杆腔。差动快速回路的工作原理是将液压缸13有杆腔回流的液压油与液压泵输出的液压油叠加充入液压缸13无杆腔，增大了供油量，因此增加了活塞的运行速度。液压缸差动运行时的回路压力比非差动回路要大。
2. 4 顺序动作回路
顺序动作回路如图1中回路D所示。由三位四通电磁换向阀6、21与压力继电器11、24和行程开关12、25配合，实现液压缸13与液压缸26的顺序动作。操作时关闭节流阀9，节流阀7、8全开，调定压力继电器11、24的控制压力。可以按PLC的设定顺序进行操作，举例如下: 先启动齿轮泵2和叶片泵15，调定溢流阀3和溢流阀16的安全控制压力;三位四通电磁换向阀6的电磁铁2YA上电、右位工作，液压缸13活塞杆伸出，到位后触发压力继电器11动作; 三位四通电磁换向阀21的电磁铁5YA上电、右位工作，液压缸26活塞杆伸出，到位后触发压力继电器24动作; 三位四通电磁换向阀6的电磁铁1YA上电、左位工作，液压缸13活塞杆缩回，到位后触发行程开关12动作; 三位四通电磁换向阀21的电磁铁4YA上电、左位工作，液压缸26活塞杆缩回，到位后触发行程开关25动作; 三位四通电磁换向阀6的电磁铁2YA上电、右位工作，液缸13活塞杆伸出，可以继续循环实现连续的顺序动作。
2. 5 减压控制回路
减压控制回路如图1中回路E所示。操作时，先启动齿轮泵2或叶片泵15，调定溢流阀3或溢流阀16的安全控制压力; 三位四通电磁换向阀21的电磁铁5YA上电、右位工作，液压缸26活塞杆伸出到达右端，此时调节减压阀22，观察压力表23的压力指示，可以判断减压阀输出压力的变化。为了保证减压回路正常工作，预定的减压输出值至少要低于溢流阀的调定值0.5MPa，而且减压阀的泄油口必须接回油箱。
2. 6 双泵供油回路
双泵供油回路如图1中回路F所示。齿轮泵与叶片泵同时运行，可以实现快速时的双泵联合供油、低速时的单泵供油。溢流阀3与外控顺序阀20分别设定齿轮泵单独供油与双泵供油时系统的最高工作压力。当液压缸13的负载很小需要快速运行时，齿轮泵与叶片泵同时向液压缸供油，液压缸活塞快速运动; 当液压缸13负载增大，系统压力升高，达到顺序阀的调定压力时，叶片泵卸荷，单向阀18截止，齿轮泵单独向液压缸13供油，流量减少，液压缸13的活塞运行速度减慢。
2. 7 自锁保压回路
自锁保压回路如图1中回路G所示。操作时，启动轴向柱塞泵27，电磁溢流阀29加载，手动换向阀右位工作，液压缸34有杆腔进油; 调整电磁溢流阀29的工作压力，观察压力表30、33的显示值; 操作手动换向阀回到中位或电磁溢流阀29卸载，观察压力表30的显示值已降低到接近0值，观察压力表33的显示值依然保持在工作压力状态。保压回路的作用是当供油系统卸荷后，仍能保持执行机构处于要求的工作状态。
2. 8 卸荷回路
卸荷回路如图1中回路H所示，包括采用换向阀中位机能的卸荷回路和采用电磁溢流阀的卸荷回路。
(1) 采用换向阀中位机能的卸荷回路
轴向柱塞泵27的液压系统中采用具有H型中位机能的手动换向阀31构成卸荷回路，控制简单、操作方便。当手动换向阀31处于左位或右位工作时，可以保持电磁溢流阀29调定的系统工作压力，操作液压缸34实现工作要求; 当手动换向阀回到中位时，轴向柱塞泵系统卸荷，液压油路如下: 轴向柱塞泵27→过滤器28→三位四通手动换向阀31中位→油箱。采用换向阀中位机能卸荷的方式只能用在具有1个执行元件工作的回路中。
(2) 采用电磁溢流阀的卸荷回路
轴向柱塞泵系统中，当电磁溢流阀的电磁铁不通电时，柱塞泵输出的压力油经过电磁溢流阀29的泄油腔流回油箱，此时电磁溢流阀29发挥卸荷阀的作用。当电磁溢流阀的电磁铁通电时，电磁溢流阀起到溢流阀的作用，提供液压系统的安全工作压力。采用电磁溢流阀的卸荷回路适用于远程或自动控制系统。
3、电气控制系统
液压教学实验台的电气控制以PLC为核心，选用西门子S7-200 CPU224模块组与相关电气元件组成液压教学实验台电气操作控制系统。PLC通过接收控制按钮、行程开关和压力继电器发出的控制信号，实现对液压泵的启动、停止控制，电磁换向阀的换向动作控制，电磁溢流阀的加载和卸载控制; 通过编程，可以实现对液压执行元件设定的顺序控制和自动控制。
3. 1 PLC控制I/O分配
按照按钮、行程开关、压力继电器的顺序分别定义输入点地址号; 按照动力元件、控制元件、检测元件的顺序分配输出点地址号。液压教学实验台PLC与电气元件对应的I/O分配如表1所示。
3. 2 电气控制回路设计
(1) 油泵电机控制主回路设计
驱动液压泵的三相异步交流电动机的功率均在1kW以下，采用全压启动方式启动，控制主回路如图2所示。电气主回路中空气开关QT有短路保护的作用、交流接触器KM有欠压保护的作用、热继电器FR有过载保护的作用。

图2 三相异步电动机控制主回路
(2) 控制回路设计
电气控制回路如图3所示，控制回路输入电源220V，钥匙开关作为控制电路的总电源开关，急停按钮可以在紧急情况下关闭整个控制电路，熔断器作为整个电路的短路保护。电机启动控制采用220V交流控制回路。液压控制阀电磁铁采用24V直流电源供电，因此需要1个直流开关电源进行交、直流转换。

图3 控制回路的电源分配图
3. 3 电气控制程序设计
电气控制液压回路实验可通过上位机用梯形图编写PLC控制程序，用相应的置位、复位指令来实现被控制元件的得电和失电; 采用按钮、压力继电器、行程开关作为触发信号源，也可以采用PLC内部的时间继电器实现信号触发; 被控制元件主要是电磁阀中的电磁铁以及电动机，按PLC程序的控制输出进行相应的操作。
4、实验台布局特点
研制的液压教学实验台实物图片如图4所示，液压系统布局层次比较清晰，主要特点如下:
(1) 液压动力元件包含了齿轮泵、叶片泵、柱塞泵，布置在下层底板上，泵的外形、尺寸和管线连接方式清晰可见，有助于学生了解这3种动力元件的基本特征。
(2) 液压系统涵盖了多种常规液压控制元件，全部设置在液压操作台面上，而且分模块组合，有助于学生鉴别和掌握。水平台面上以集成块为单元将板式连接的控制阀集成在一起，结构紧凑，展现了液压元件布局设计的一种方式。
(3) 控制元件采用了手动和电动联合操控的方式，引导学生正确理解不同操控方式的使用条件和环境，为工程应用奠定基础。
(4) 液压辅助元件设置齐全，都布置在可视范围内，有利于学生掌握其作用和工作原理，以对液压系统的组成有整体性的认识。
(5) 电气控制部分安装在实验台架上端，布局紧凑、外观简洁，避免了液压油的污染，安全可靠。
(6) 采用PLC控制，控制回路开发柔性好，学生可以通过对PLC编程，完成不同的控制回路设计，满足了学以致用的心理期待，有利于提高学生的综合素质。
5、结束语
研制的液压教学综合实验台基本涵盖了液压教学
大纲的常规液压动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件以及常见的液压基本回路。液压与电气控制元件的综合，增大了液压教学实验台的操作灵活性与开放性，从学生认知到最终掌握液压元件与液压基本回路的应用方面出发，能起到积极的促进作用，有助于训练和提高学生的综合实践能力和创新能力。


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