机械毕业设计（论文）-电驱工程机械实验平台设计【全套图纸】 .pdf

摘要 由于代步汽车，农用机械以及工程机械行驶和工作的主要动力是柴油机或 汽油机提供的，随之产生的能源问题和环境保护问题引起了人类的重视。这些 问题带来的压力，迫使人们想方设法去寻找节能环保的新型动力，目前以电力 驱动和混合驱动这两种方式比较通用， 并且已经成为现代工程机械发展的趋势。 本设计就是采用电力驱动方式，用到一种液压电机模型，就是把永磁同步电机， 轴向柱塞泵以及电磁驱动原理有机的融合到一起做为电驱工程机械的动力源； 用电涡流测功仪的模拟加载过程来实现工程机械在实际工作时行走以及碰到工 况的系统负载力变化的模拟，分析典型工程机械的工作特点，在此基础上，进 行电驱工程机械实验平台的设计。本次设计是总体设计，主要任务是构建液压 实验台，合理分布各元件在实验平台上的分布，以及元件的连接和支架的设计。 关键词：能源和环境、工程机械、液压实验台、液压系统、模拟 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 第 页 abstract as the main driving power of cars, agricultural machinery and engineering machinery is provided by diesel or gasoline enginery, the energy and environmental problem is attracted the peoples attention. people are forced to search for the energy- saving and environment- friendly power by these problems pressure. at present by electric drive and hybrid drive the two methods is universal, and has become the development trend of modern construction machinery. this design is electrically driven and used a hydraulic motor model, which is consists of permanent magnet synchronous motor, axial piston pump and electromagnetic driving principle as the electric power source to drive construction machinery; then by simulation of eddy current dynamometer load process to implement a part of engineering machine in actual work and encounter conditions in simulation of system load change, analysis of the work characteristics of the typical construction machinery. .on this basis, design the experimental platform of the electric engineering machinery. this specification is summary design, mainly the construction of hydraulic experimental platform, reasonable distribution of layout elements, and also its connection and design of bracket. this experimental work is rare- earth permanent magnet synchronous motor- driven pump oil absorption, passed to hydraulic pressure of the system as a whole. key words: energy and environment, engineering machinery, hydraulic experimental platform, hydraulic system, simulation 第 页 目录 1 绪论 . 1 1.1 课题的提出背景 . 1 1.2 电驱工程机械实验平台的目前实验成果及应用前景 . 2 1.2.1 电驱工程机械实验平台取得的成果 2 1.2.2 电驱工程机械实验平台的应用前景 2 1.3 本文的研究内容 . 3 2 方案设计 . 4 2.1 概述 . 4 2.2 本实验原理 . 4 2.3 本实验原理图 . 5 3 设计计算及元件选型 . 6 3.1 设计的主要性能参数 . 6 3.2 相关数据的计算 . 6 3.3 有关零件的选择 . 8 3.3.1 电动机的选择 . 8 3.3.2 电涡流测功仪 12 3.3.3 液压阀的选用 13 3.3.4 转矩转速传感器选择 14 3.3.5 压力传感器选择 15 3.3.6 马达的选择 16 3.3.7 油箱 17 4 液压站的设计 19 4.1 液压站的整体布局： 19 4.2 传动组件的连接 20 4.3 支架的设计 21 5 液压实验台的维护与常见故障的处理 23 5.1 液压实验台概述 23 第 页 5.2 液压试验台的维护 23 5.3 液压实验台的常见故障及其处理： 25 6 小结 27 参考文献 28 附录 29 致谢 30 第 页 1 1 绪论 1.1 课题的提出背景 21 世纪以来， 整个人类所面临的最严峻的挑战就是能源和环境问题， “节约 能源，保护环境”应经成为世界各国的首要发展战略。 近些年来，由于我国宏观经济持续高速增长，基础建设投资大幅度增加， 重工业发展已经得到长足发展。但是，发展的同时又带来了能源需求和环境保 护的双重巨大压力！ 一般机械，像代步汽车，农用机械及其施工机械行驶和工作的主要燃料是 从石油中提取出来的柴油和汽油。就世界能源大会数据分析显示：我国石油资 源储量仅占世界的 2.4%。相关资料表明：从 1993 年开始，我国已经成为了石油 纯进口国家，至 2000 年我国的石油总需求的 33%已从国外进口，预计到 2115 年，这个数字将会飙升至 50%左右；另外其燃烧产生的环境污染（气体污染，粉 尘污染等）也是目前十分严重的问题。 而液压传动领域的节能研究大多数都是从液压系统本身的角度来考虑，努 力减小液压系统自身的功率消耗，或者是设计合理的液压回路，尽量减少压力 损失和流量损失来提高整机的功率效率。但是，在这方面已有成熟的研究，而 且要想再提高功率效率是很困难的。因此，要进一步提高液压动力设备的整机 效率，应把电机包括在内来考虑，使电机提供的功率和负载相匹配。参考到目 前部分系统采用一种液压电机泵模型，把轴向柱塞泵、永磁同步电机以及电磁 驱动等原理有机的融合到一起，是集交流电机驱动与控制技术，电传动技术以 及液压技术于一体的新型高效节能机电一体化动力单元。电机的转子即是轴向 柱塞泵的缸体，且电机转子与柱塞泵同轴。转子磁场与定子上的交变磁场相互 作用使转子旋转完成吸排油过程。通过控制电机转速来精确地控制和改变泵的 输出流量和压力，与不同工况相匹配。 所以，本设计就是采用电动做为电驱工程机械动力源（本设计采用稀土永 磁同步电机） ，然后用联轴器连接一个轴向柱塞变量泵，以此为系统提供液压动 力，然后经由一电涡流测功仪模拟机械的加载过程来分析典型工程机械的工作 特点，这就是我们进行电驱工程机械实验平台的设计的原因及背景。 另外不采用柴油机和汽油机作为动力源的原因有： 经过查找相关资料分析， 在输出相同功率的柴油机、汽油机和电动机，在比较经济性、安全性时全面衡 量考虑： 1、柴油机，柴油价格低于汽油价格，柴油机比较简单，方便维修，燃烧不 完全、效率低，排放超标，噪音大，移动性能好。 2、汽油机，汽油价格高于柴油，机械较复杂，能量转换效率高于柴油机， 第 页 2 移动性能好。 3、电动机，结构简单，输出功率稳定，维护费用低，电能机械能转换效率 高，仅受电源的限制，移动性能较局限。 专家建议：电源齐备，固定安装时使用电动机做为动力源比较安全经济。 如果户外作业多，流动性强，则使用柴油机做为动力源比较安全经济。 而本实验平台仅仅是为研究工程机械的工作情况，不存在户外作业，故采 用电动机作为能源设备无疑是最好的。 1.2 电驱工程机械实验平台的目前实验成果及应用前景 1.2.1 电驱工程机械实验平台取得的成果 当下市场上的工程机械大都采用内燃机（汽油机和柴油机）作为动力源， 虽然采用内燃机也可以是工程机械正常行驶和运作，但是效率差，污染大，能 耗高等问题也不容忽视，所以人们想到了采用电力来作为机械动力源，也就是 把电能转换为机械能，这就是电驱的来源。 著名的卡特彼勒公司（caterpillar）生产的 d7e 履带式推土机就是采 用类似技术acert 技术，用一个强大的发电机，有效的将交流电流的电能 转化为机械能来驱动推土机的运动。 另外还有一种动力源，为混合动力。目前世界上已经有 70 余种车型的燃料 电池汽车问世，在国外最热门、销量最大的新能源车就是混合动力汽车。 1997 年，第一款量产混合动力车普锐斯推向日本市场，当年售出 18000 辆。 1999 年， 本田混合动力双门小车 insight 在美国推出， 受到好评。 2007 年年底， 美国权威机构 autodata 的统计数据显示，2007 年 10 月份美国混合动力车的销 售量与上一年相比，同期增长了 30 个百分点，销售量为 24443 辆。混合动力车 型甚至成了平淡的美国汽车市场的一大亮点：2007 年，美国市场销售混合动力 车型超过 30 万辆。2007 年 5 月 17 日，丰田混合动力车全球累计销售突破 100 万辆。如今，丰田的混合动力车在全球的销量已经超过了 120 万辆。业内，普 遍认为采用氢动力是汽车发展的理想目标，而混合动力被认为是目前最好的过 渡产品，它不仅有商业利益，也收获了环保节能的美誉。 1.2.2 电驱工程机械实验平台的应用前景 通过分析现代工程机械的技术发展趋势可知，工程机械产品中机械装置部 分技术已趋成熟，技术革新大多建立在工程机械电液控制系统基础上。当前液 压传动技术已经在国内外机床、汽车、工程机械等众多领域广泛应用，如发达 国家 95的工程机械、90的数控加工中心均采用液压传动技术机、电、液 一体化控制技术更已成为衡量一个国家下业水平的重要标志之一。对于工程机 械专业教学类而言，工程机械控制实验平台的研究开发能较好地满足现代工程 第 页 3 机械技术的教学及实验需求。因为它可以低成本但同时又能高效准确的完成这 些工程机械的工作模拟，所以具有较高的实用价值。 1.3 本文的研究内容 本设计其实是为模拟部分工程机械，如摊铺机，液压挖掘机等的正常工作 情况，以及它们在遭遇工况时液压系统负载力的变化。故而设计了一个简易的 液压实验平台，俗称液压站。 本设计液压站主要元件有：两个自主设计配合的传动组件，一个自主设计 的油箱，一个阀块及其若干的支架，并配有一个电控柜。有使用方便，维修简 单，占地资源小等有点。设计的主要内容包含这个液压站的元件连接，位置摆 放，以及支架设计等。 第 页 4 2 方案设计 2.1 概述 多数工程机械的动力源是内燃机（即柴油机或汽油机） ，内燃机固然可以 满足工程运作方面的需求，但是它带来的能源消耗问题和日益增长的环境污染 问题我们也应该重视到。我们既要完成工程又要对能源节省和环境保护，就必 须寻找新的动力源电力，代替传统动力，以减少能源消耗，环境污染和噪 音干扰等。 一般的液压动力源都采用异步电机，首先我们了解一下异步电机缺点：首 先，异步电机定子电流可分解为两部分，一部分是用以在转子中形成磁场的励 磁电流，另一部分为用于输出转矩的负载电流，无论电机是否有实际转矩输出， 励磁电流都存在，并且在低速或空载情况下励磁电流所占比例会更大，而励磁 电流的存在会消耗一定的电机功率，即使使用变频驱动技术能够减小异步电机 定子电流，起到一定的节能效果，也不能从根本上消除励磁电流的存在，因此 使用异步电动机节能效果有限；其次，异步电机的功率因数较低，在额定载荷 时约为 0.70.9，而在轻载或空载时更低，只有 0.20.3；再次，异步电机的 转动惯量较大，影响系统的动态响应速度。所以我们考虑使用同步电机来作为 动力源。 而稀土永磁同步电机采用稀土永磁材料作为电机的转子磁极材料，从根本 上不需要产生无功励磁电流， 所以可以显著提高功率因数 （功率因数可达到 1） ， 减少定子电流和定子电阻的损耗。在稳定运行期间没有转子电阻损耗，进而可 以因总损耗降低而减小风扇的损耗， 小功率的永磁同步电机甚至可以去掉风扇。 永磁同步电机转子磁极基本恒定，所以电机无论是在低速运转还是在高速运转 都可以输出较大的负载转矩， 在 25%120%额定负载范围内均可保持较高的效率 和功率因数，另外永磁同步电机还具有过载倍数大、响应速度快、运行平稳和 体积小等优点。 所以本实验采用 11kw 的稀土永磁同步电机和排量为 23ml/r 的变量柱塞泵 作为液压动力源进行实验。 2.2 本实验原理 如图 2-1 所示：首先，接通电源后，由稀土永磁同步电动机 4 带动 5、转 矩转速传感器 5，再由扭矩转速传感器 5 带动变量泵 6，变量泵 6 从油箱 1 中吸 入液压油，液压油被吸出后流向两个管路。一条管路是经过流量计 7 流向三位 四通电磁换向阀 9， 通过三位四通电磁换向阀 9 来改变液压油的方向， 从而实现 第 页 5 双向变量马达 12 的旋转和方向的改变。 期间液压油还流经节流器 8 和温度传感 器 10。 电涡流测功仪 11 是用来模拟加载过程的， 它的上面可以放置砝码以模拟 负载变化，从而体现工程机械在运动行驶过程中遇到阻力的变化。令一条支路 是流经溢流阀 3，然后经过回油过滤器 2 流回油箱 1。溢流阀 3 在系统中起到调 节系统压力和过载保护作用。这就是系统的大概过程。 2.3 本实验原理图 图 2-1 实验原理图 主要元件：1、油箱，2、回油过滤器，3、溢流阀，4、稀土永磁同步电动机，5、 转矩转速传感器，6、变量泵，7、流量计，8、节流器，9、三位四通电磁换向 阀，10、温度传感器，11、电涡流测功仪，12、双向变量马达 第 页 6 3 设计计算及元件选型 3.1 设计的主要性能参数 1、最大功率 11kw； 2、系统额定压力 20mpa。 3.2 相关数据的计算 1、系统的的流量 由 pp ppq=知，wkwp 3 101111= ,102020 6 pampapp= /33 /min pp qp pl= （3-1） 2、泵的排量 33 /min p ql=，1500 /minnr= 3 /22/22/ pp vqncmrml r= （3-2） 3、泵的转矩 11pkw= 2 e pntp=? 3 /211 10 /(21500)70.0 e tpnn mpp=创=? （3-3） 4、输出功率 po p =0.940.92=0.86 pmpv hhh状 总 （3-4） （ pm h是机械效率 pv h是容积效率） 输出功率110.869.51 popin ppkwkwh=? 总 （3-5） 5、马达的相关计算 a、输入功率9.51 m pkw= b、输出功率9.510.920.957.44 mommmmmv pppkwkwhhh=?鬃=创= 总 （3-6） 第 页 7 （ mv h是容积效率 mm h是机械效率） c、泵的流量 m q /28.5 /min po mm qppl= （3-7） d、液压马达的输出转矩 m t ()()/2200.528/0.87/275.6 mmmm tppvmpml sn mvhpp=-鬃=-创=?（3-8） m pv是液压马达出入口压力差取 5bar=0.5mp 6、管道尺寸的确定，可以用2 po q d r =（r 为油管油液速度） （3-9） a、吸油管直径 33 =222.6 po q dcm r 吸 pp = b、回油管直径 33 =221.8 2 po q dcm r 回 pp = c、压油管直径 33 =221.5 3 po q dcm r 压 pp = （其 v 在吸油管路中 0.51.5m/s 取 1m/s； 在回油管路中 1.52.5m/s 取 2m/s； 在压油管路中 2.53.5m/s 取 3m/s。 ） 7、油箱尺寸的计算 按照系统流量的大小33 /min p ql=， 故， 油箱容积为6 33198 p vkql=。 （3-10） 为了设计简便取 210l。 油箱形状为：长为 70cm，宽 60cm，高 50cm。 第 页 8 3.3 有关零件的选择 3.3.1 电动机的选择 先列举几项调研报告： 图 3-1 所示为同步电机和异步电机分别在泵出口压力为 1mp 和 6mp 时效率 随转速变化的曲线。需要说明的是：本报告计算异步电机的功率和效率时均未 考虑异步电机散热风扇的功率和效率，而永磁同步电机依靠电机壳体散热，无 散热风扇。 图 3-1 同步电机和异步电机的效率曲线 从图 3-1 中可以看出，永磁同步电机在不同转速和不同负载时的效率都高 于异步电机的效率。从负载大小来看，系统压力为 1mp 时，两者效率差距较大， 当系统压力增大到 6mp 时，两者差距减小，这说明同步电机比异步电机在轻载 时 更加节能；从电机转速来看，低速时两者效率相差较大，高速时则越来越接近， 这说明同步电机在低速时比异步电机更加节能。异步电机效率低的主要原因是 在低速轻载时输入的功率较小，而此时转子消耗功率所占比重增大，从而导致 效率较低，而随着转速和负载的增大，电机输入功率增大，转子消耗功率所占 比重减小，效率与同步电机的效率逐步接近。在空载（系统压力为 0）时，电机 效率几乎为零，此时异步电机的输入功率为同步电机输入功率的 1.5 倍以上， 如图 3-2 所示，这说明同步电机空载时更为节能。 第 页 9 图 3-2 空载时电机输入功率 下面主要介绍本次实验所采用的稀土永磁同步电机。 一、永磁同步电动机的分类和特点： a，永磁同步电动机的特点： 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电 机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于 不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和 定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也 有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简 化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态 性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内 外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家， 特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常 丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的 4 倍左右，号称“稀土王国” 。稀 土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国 来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 b，永磁同步电动机的分类： 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布 可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势 波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机 在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机 交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型 永磁同步电动机（pmsm）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成 第 页 10 的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无 刷直流电动机（bldcm）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也 不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面 式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子 铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永 磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁 物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主 电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 c，永磁同步电机的节能原理： 永磁同步电机和感应电机相比，由于采用了稀土永磁材料作为电机的转子 磁极材料， 从根本上不需要产生无功励磁电流， 所以可以显著提高功率因数 （功 率因数可达到） ，减少定子电流和定子电阻的损耗。在稳定运行期间没有转子 电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇的损耗，小功率的永磁同步电机 甚至可以去掉风扇。永磁同步电机转子磁极基本恒定，所以电机无论是在低速 运转还是在高速运转都可以输出较大的负载转矩，在额定负 载范围内均可保持较高的效率和功率因数，另外永磁同步电机还具有过载倍数 大、响应速度快、运行平稳和体积小等优点。 本设计采用稀土永磁同步电动机，相关参数见表 3-1. 表 3-1 电动机相关参数 型号 ps11-8-1500 功率（kw） 11kw 电压（v） 380v 电流（a） 18.6a 功率因数 0.95 额定转速 1500r/min 效率 0.94 绝缘等级 b 安装尺寸，外型尺寸 160m-8 稀土永磁同步电动机相较于三相异步电动机： 稀土永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均比三相异步电动机高出一个 功率等级，最大起动力矩与额定力矩之比可达 3.6 倍，而一般异步电动机仅有 1.6 倍。 第 页 11 稀土永磁同步电动机的特点： 1、稀土永磁同步电动机无滑差，转子上无基波铁、铜耗。 2、稀土永磁同步电动机为双边励磁，且主要是转子永磁体励磁，其功率因 数可达到或接近于 1.0。 3、 功率因数的提高， 一方面节约了无功功率， 另一方面也使定子电流下降， 定子铜耗减少，效率提高。 稀土永磁同步电动机的极弧系数一般均大于异步电动机的极弧系数，当电 源电压和定子结构一定时， 稀土永磁同步电动机的平均磁感应强度较异步机小， 铁损耗小。 4、至于稀土永磁同步电动机的杂散损耗，一般认为由于其永磁体磁场的非 正弦性而增加了杂散损耗，但另一方面稀土永磁电动机较大的气隙，降低了杂 散损耗。 5、稀土永磁同步电动机的不变损耗（铁耗+机械损耗）小，可变损耗（定 子铜耗）变化比异步电动机可变损耗（定子铜耗+转子铜耗）变化慢，使其效率 特性有高而平的特点，使稀土永磁电动机在轻载时的相当宽的区域内效率为最 高。如在油田采油机上使用，这一区域恰好与油田采油机的平均负载所在区域 相吻合。为此，稀土永磁同步电动机的额定效率比异步电动机高 4%-7%，但在整 个负载变化范围内的平均效率，稀土永磁同步电动机比三相异步电动机可高出 12%。 6、采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达 85%；有功功率节电率 可达 23%-25%，节电效果十分明显。 与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有以下优点： 1、稀土永磁同步电动机无需电流励磁,不设电刷和肩环,因此结构简单、使 用方便、可靠性高。 2、由于上述结构的特点，使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无 电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率 比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在 1.0 附近。 3、稀土永磁同步电动机转子结构多样、结构灵活，而且不同的转子结构往 往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同 的转子结构形式。 4、稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有 更小的体积和重量。 应用： 交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越 来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。中小功率的异步 电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个 典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要 第 页 12 求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。70 年代变频技 术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系 统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积 小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低 噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。 永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器 系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步 电动机的天下。 3.3.2 电涡流测功仪 主要用途及适用范围： 电涡流测功器是目前国内先进的加载测功设备，尤其在中小功率以及微小 功率的动力机械加载测功试验中， 各动力机械的低速及高速加载测功试验方面， 相对其它类型测功加载设备而言，在性能、价格、可靠性、维护难易程度等方 面都有比较明显的优势。尤其在低速机械及微小功率机械的加载测功方面，则 更是其它方法无可比拟的。 （本设计测功仪型号为 dw25） 电涡流测功仪的主要组成： 电涡流测功器主要由电涡流制动器、各种测量控制仪（包括加载控制、测 力、测速）两大部份组成。 电涡流测功器工作原理： 当控制仪供给一直流电流于测功器制动器上的励磁线圈时，通过励磁体、 涡流环、空气隙和感应子形成一闭合磁通回路，由于感应子齿与槽的差异，该 磁场被调节器调制成波幅脉振的磁场，感应子旋转时，该磁场也随之旋转，并 且在涡流环上产生涡电流。该电流与产生它的磁场相互作用形成与原动机反向 的制动力矩，使架于摆动轴承上的电枢体摆动，通过力臂将力矩传给拉压传感 器一拉力，测量出力矩大小。原动机的功率全部被测功器吸收转变为电涡流， 并转化为热能，由冷却水带走。 电涡流测功机的特点： 1，结构简单，操作维护方便； 2，制动力矩大，测试精度高，工作稳定； 3，转动惯量小，动态响应速度快，低速扭矩大； 4，与控制系统配套，易于实现自动化。 下面附上结构简图： 第 页 13 图 3-1 电涡流测功仪结构简图 具体部分：1、感应盘，2 主轴，3、联轴器，4、励磁线圈，5、冷却室，6、气 隙，7、出水管道，8、油杯，9、测速齿轮，10、轴承座，11、进水管道，12、 支撑环，13、外环，14、底座 3.3.3 液压阀的选用 本设计主要有 2 个液压阀：溢流阀和换向阀。 1、溢流阀的选用。 在选择溢流阀时必须注意： a、直动式溢流阀的响应速度快，多用于流量较小的应用场合，适合作为制 动阀和安全阀； b、先导式溢流阀的启闭特性好，适合于中，高压系统和流量较大的应用场 合，适合作为调压阀和背压阀； c、二级同心先导式溢流阀的泄漏量比三级同心的小，故适用于保压回路； d、选择溢流阀的流量时，应该按照液压泵的最大流量来选取，并应注意其 允许的最小稳定流量， 一般情况下， 溢流阀的最小稳定流量为其额定流量的 15% 以上。 (本设计采用先导式溢流阀。) 2、换向阀的选用。 在常用液压系统中，换向阀的结构形式一般按照通过阀的流量来选择，当通 过阀的流量超过 190l/min 时， 适合选用二通插装阀； 当通过流量低于 190l/min 第 页 14 时，适合选用滑阀型换向阀；当通过阀的流量低于 70l/min 时，适合选用电磁 换向阀，否则选用电液换向阀。 (本设计采用电磁换向阀，具体为三位四通电磁换向阀。) 3.3.4 转矩转速传感器选择 nj 型转矩转速传感器的基本原理是：通过弹性轴、两组电磁传感器，把被 测矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相 同与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。 nj 型转矩转速传感器的工作原理如图 3-2 所示。 在弹性轴的两端安装有两 只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈内均装有磁钢， 与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，由于信号齿轮 的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的变化， 线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信 号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，因此可以用来测量转 速。这两组交流电信号之间的相位与其安装的相对位置及弹性轴所传递扭矩的 大小及方向有关。 当弹性轴不受扭时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的 安装相对位置有关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相 差半个齿距左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在 180 度左右。 (本设计采用 njl1 立卧通用型。) 图 3-2 nj 型转矩转速传感器基本工作原理图 第 页 15 图 3-3 nj 型转矩转速传感器机械结构图 3.3.5 压力传感器选择 压力传感器主要用于检测流体或固体的压力，并能进行信号远传。它是工 业实践中最为常用的一种传感器。常常作为自动化控制的前端元件，广泛运用 于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公 用设备等行业。 压力传感器分类： 1、压阻式压力传感器 当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定， 即可进行压力检测。压阻式压力传感器的性能主要取决于压敏元件（取出压敏 电阻） 、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。 应变片：在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做 得体积小巧，灵敏度高，而且稳定性能好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与 应变材料（通常不锈钢）结合在一起，就能确保压阻式压力传感器过载能力强 和搞冲击压力强。适合测量高量程范围的压力变化，尤其在 1mpa 以上时，线性 很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类材料。 陶瓷压阻：在结构上将压敏电阻以惠斯通电桥形式与陶瓷烧结在一起。其 过载能力较应变片类低一点，但灵敏度较高，适合测量 50kpa 以上的高量程范 围，而且耐腐蚀，温度范围也广。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递， 压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的型变，厚膜电阻印刷在 陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥 产生一个与压力成正比的高度线性，与激励电压也成正比电压信号，可与应变 式传感器相兼容。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动 第 页 16 的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的温度范围高达-40 +135，而且具有高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于 2kv，输出信号强，长期 稳定性好。 扩散硅：采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。被测介 质的压力直接作用于传感器的膜片上， 使膜片产生与介质压力成正比的微位移， 哈听电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这 一压力的标准测量信号。因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量 1kpa 到 40mpa 的压力范围。一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜拜和非隔离膜 两种，非隔离膜只能测量干净的，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量 各种性质的介质。 2、压电式压力传感器 工作原理：压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定 方向力作用发生变形时，就产生了极化效应； ；当机械力撤掉之后，双会重新回 到不带电的状态，也就是物时候，某些晶体可能产生出电的效应。压电传感器 中主要使用的压电材料包括有石英（天然晶体） 、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺（人 造晶体） 、钛酸钡压电陶瓷、pzt、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷。 特殊效用： 压电压力传感器主要应用研究在压力和力等的测量中，比如在飞机、汽车、 船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到广泛的应用。特别是航空和宇 航领域中更有它的特殊地位。压电传感器可可以用来测量发动机内部压力的测 量与真空度的测量。总之，它既可以测量大的压力，也要以用来测量微小的压 力。 压电式压力传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室管式微音器 就是由压电压力传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电压力 传感器的应用就非常广泛。 本设计选用传感器型号为：mh10 高精度压力传感器。 3.3.6 马达的选择 本次设计选用轴向柱塞变量马达 a6vm28 特性： 1、斜轴结构变量马达，带轴向锥形柱塞旋转组件，可用于开式和闭式回路 的静液压传动； 2、适用于行走机械和工业领域； 3、通过宽的调节范围，变量马达能满足高转速和大扭矩的要求； 4、排量可从 v 最大调至 v 最小，无级调速； 5、输出扭矩随高低压测之间的压差和排量的增加而增加； 第 页 17 6、液压传动具有宽调节范围； 7、多种控制装置； 8、无需变速器，可使用较小的泵，因而节省费用； 9、轴承系统结构紧凑，坚固耐用，使用寿命长； 10、高功率密度； 11、良好的启闭特性； 12、惯性矩小； 13、斜轴摆动范围大 3.3.7 油箱 在液压系统中，油箱的主要作用是储油和散热，在保证供给液压系统足够油 液的同时，还要將液压系统中由功率损失产生的热量散失掉。油箱还起到沉淀 液压油杂质、分离液压油中气泡、净化油液的作用。 在一般中、低压系统中，油箱的容量可按下列经验进行：对于低压系统，油 箱容量 v 等于 24 倍系统流量；对于中压系统，v 等于 57 倍：对于高压系统， v 等于 612 倍。 油箱的注意事项： 1、油箱一般为长六面体箱体，中小型油箱用钢板直接焊成，大型油箱必须 先用角钢焊成骨架，然后在焊上钢板制成。当容量在 100l 以内时，其壁厚为 3 毫米；容量在 100320l 时，壁厚为 34 毫米；容量大于 320l 时，壁厚为 46 毫米。油箱底脚高度一般为 150 毫米以上，利于散热。若液压泵和电机需要安 装在油箱顶盖上时，为避免震动，顶盖的厚度应为侧壁厚的 3 倍。 2、油箱内常设 23 块隔板，将回油区和吸油区分开，有利于散热、杂质的 沉淀和气泡的溢出， 也可以增加油箱的强度。 隔板的高度为油面高度的 2/33/4。 3、油箱顶盖上应设置通气孔，使液面与大气相通，通气孔处应设置空气滤 清器。邮箱的底面应适当倾斜，并在其最低位置设置放油塞。在箱壁的易见位 置设置油位指示器。 4、泵的吸油口所安装的滤油器，其底面与油箱底面应保持一定距离，其侧 面离油箱壁应有 3 倍管径的距离，回油口应插入最低液面以下，回油口应切成 45斜口，以增大出油面积。阀的泄露油管应在液面以上，以免增加漏油腔的 背压。 5、油箱的内壁必须进行处理。新油箱须经过喷丸、酸洗和表面清洗等，其 内壁也可以涂一层与工作液相容的塑料薄膜或耐油涂料。 6、油箱的容量应能保证在设备的液压系统内充满油液时，其液面（最低液 面）高于滤油器上端 200 毫米以上；在设备的液压系统停止运动时，油箱的液 面不应超过油箱高度的 80%； 而当液压系统的油液全部返回油箱时， 油液不可以 溢出油箱外。 7、油箱的有效容积，当系统为低压系统时，取液压泵每分钟排除油液体积 第 页 18 的 24 倍；中高压取 57 倍；若为行走机构，则取 2 倍。若为高压闭式循环系 统，按所需外循环油或补油量的多少而定；对于工作负载大，并长期连续工作 的液压系统，油箱的容量需要按发热量，通过计算确定。 （本设计油箱自主设计，尺寸为：700*500*600，具体图形见同组液压系统 设计。 ） 第 页 19 4 液压站的设计 4.1 液压站的整体布局： 按液压站规模的大小可将液压站划分为 3 类：规模较小的单机型液压站、 中等规模的机组型液压站、大规模的中央型液压站。 按通用性程度可将液压站分为专用液压站和通用液压站两类。工业设备所 用的液压站都是根据主机的某种工艺目的设计和制造的，一般不具有通用性， 属专用液压范畴。针对现代机械一些共有特点和使用要求，近年来有些液压制 造商还为用户提供一类通用化液压装置。它将大部分控制元件和液压泵及其驱 动电机、油箱等集成在一起，这种装置成为液压动力单元。这类液压装置一般 为便携式液压结构，体积与重量较小。本实验台即为通用液压站。 按照液压控制装置与液压动力源是否安放在一起，液压站可以分为整体式 和分离式两种配置方式，本设计采用整体卧式安装。 另外，本实验台配有电控柜，即电气控制柜，内部用来放置各类继电器、 接触器或可编程序控制器等电气元件，外露各种按钮及信号指示灯及其标牌。 本实验电控柜独立安放再液压站的临近处。具体见下图。 图 4-1 液压站主视图 第 页 20 4.2 传动组件的连接 本液压站主要有两个传动组件，本设计主要有两个传动组件：组件 1，电机 与转矩转速传感器与泵的传动组件 （见图 4-2） ， 这部分主要是实验的动力部分， 它采用两个联轴器将三个元件连接起来； 2， 马达与电涡流测功仪的传动组件 （见 图 4-3） ，这部分主要是用来模拟加载过程，它是用一个连接法兰和一个联轴器 将两个元件连接起来。 本设计主要是来用组件 1 吸油， 这些液压油作为推动能量传达到组件 2， 以 此实现用工程机械实验平台来模拟一般常规工程机械在行驶过程中或工作过程 中受到外部作业环境的影响。 图 4-2 传动组件 1 图 4-3 传动组件 2 第 页 21 4.3 支架的设计 本次设计的液压实验平台主要使用了三个支架来固定系统组件。针对于传 动组件 1，设计了一个 t 型槽板（见图 4-4），采用 t 形螺栓固定。整体美观， 坚固，稳定。 图 4-4 t 型槽板图 另有固定马达的马达支架图，见图 4-5. 以及固定油泵的油泵支架图，见图 4-6. 第 页 22 图 4-5 马达支架图 图 4-6 油泵支架图 第 页 23 5 液压实验台的维护与常见故障的处理 5.1 液压实验台概述 液压实验台是高等工科院校普遍使用的一种实验设备。由于组成液压实验 台的各种液压元件和配套使用的仪器仪表大都是精密的和高价的，所以，单台 实验台不失为一台贵重精密设备，在高校的教学和科研中发挥着重要的作用。 液压实验台作为一种贵重精密液压传动设备除具有一般机电设备的技术特 征外，还具有其独有的一些特征： （1）传动介质的质量和清洁度与实验台的运行状况及实验结果密切相关； （2）液压系统与电气控制系统、计算机控制系统结合于一体，自动化程度 高； （3）液压实验台要保持良好的运行状态，就必须做到控制污染、控制泄漏、 控制温升和控制吸空，并做到相应的电气线路和配套的仪器设备都处于良好状 态； （4）组成液压元件的主要零件是精密的，且液压系统的故障具有隐蔽性和 可变性，因此，液压实验台的故障诊断和维修都比较困难； （5）液压实验台由标准化程度高，通用性强的液压元件组成，所以可采用 更换性维修方法。 高校液压实验台的使用状况与一般工矿液压设备的使用状况相比，也具有 其相应的一些特点： （1）作为使用者的学生，他们对实验台技术状况不熟悉，不可能对实验台 进行全面仔细的维护； （2）一次实验的使用者是多人，要分别操作，配合完成实验内容，因往往 因人多手杂，引发误操作而损坏设备； （3）工作内容变化大，本来一个液压实验台就要完成多个实验，更何况随 着教学改革，科学研究和工程开发的开展，往往以实验台为平台，开发出多项 试验内容； （4）工作时间上往往一组学生与另一组学生，一个实验与另一个实验之间 的间隔很短，且临时的变化多。 5.2 液压试验台的维护 液压实验台的维护保养液压实验台要得到良好的维护保养，必须明确维护 要点，落实维护内容，严格遵守操作保养规程，并力求做到“勤、细、准” 。 “勤” 第 页 24 就是要做到经常对实验台进行维护， 每次实验课后都要及时对实验台进行维护， “细”就是要做到按照日常维护的内容全面地对实验台进行维护，不要漏过细 微之处。 “准”就是要做到对实验台存在问题的部位准确地检查出来，并用正确 的方法进行排除，做到维护结果准确无误。 （1）液压实验台的维护要点 液压实验台的维护涉及许多方面的工作，重要之处在于：严格控制油液污染， 确保实验台和油液的清洁；严格控制泄漏，确保连接紧固，密封可靠；严 格执行日常维护和定期维护制度；严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制 度；严格执行仪器仪表定期检验制度；定期检查电气线路；定期对主要 元件进行性能测定；控制工作油液的温升；防止液压系统的振动和噪声； 建立液压实验台技术档案，并及时登记、收集、整理。 （2）液压实验台的维护方式及内容 液压实验台的维护要点必须靠维护方式及内容来具体落实。 液压实验台的维护， 按时间可分为日常维护和定期维护两种。按方式和内容可分为一般维护和重点 维护两种。一般维护的内容主要在日常维护中进行，重点维护的内容则在定期 维护中进行。 、日常维护。日常维护是一种使用维护，对于液压实验台要突出做好每 次使用后的维护工作，其主要内容有： a. 经常检查油箱油量和油质，发现油量不足要及时添加，添加时要按实验 台使用说明书的规定选用液压油，并在加入之前定要将油液过滤。发现油质有 问题，要做进一步检查或化验，以根据检查或化验结果采取相应维护措施； b. 经常检查各元件、管道的接头处是否有外漏，发现有外漏要及时紧固， 特别是对活塞往复运动处，一些经常拆装的接头和胶管接头，要更加注意紧固， 液压胶管不要放到地上踏踩，不要与实验台其他器件缠绕，不要与有腐蚀性的 物质接触； c. 经常检查液压泵的温升、噪声、其他特殊金属声响、振动、漏油状况及 泵的安装螺钉及支承部位有无松动情况，经常检查压力、流量调节元件的弹簧、 手柄及锁紧螺帽，看调节和锁紧是否可靠，发现问题及时处理，对装有蓄能器 的实验台，要经常检查蓄能器的充气量，发现不足，及时补足； d. 实验台的电气柜、操作台或控制箱的门盖要随开随关，不得敞开使用， 以免积污，并要装有防护栅栏，以防小动物进入；停用一段时间后的实验台在 第一次使用要打开电气箱检查线路是否正常；引入电源的电缆要固定可靠，并 防止油液的浸泡，经常检查接触器的吸合，断开是否灵活，热继电器的调整值 是否符合规定； e. 经常检查各种测试仪器仪表工作指示是否正常，发现问题，及时调节； 在南方使用电子仪器还要特别注意防潮去湿。 、定期维护