基于PLC控制的液压试验台设计

1、 学号 10110108209 毕业设计（论文） 基于PLC控制的液压试验台设计 教学系：机电工程系 指导教师：_ 专业班级：机制1082 学生姓名： 二零一二年五月 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 尹亮 专业班级 机制1082 指导教师 杜超舫黄英 工作单位 机电工程系 设计（论文）题目 基于PLC控制的液压试验台设计 设计（论文）主要内容： 设计采用PLC控制的节流调速回路性能试验台，设计要求： 1设计的试验台满足节流调速回路性能实验要求，符合经济实用原则； 2试验台应具有自动循环工作和手动调整功能： 3按试验规范的要求加载力应能调节与控制： 4实验数据采集和数据处理有较高精度。 要求完

2、成的主要任务及其时间安排： 1、根据液压试验台的功能要求，完成液压试验台的总体方案设计； 2、完成液压试验台的液压传动系统原理图设计； 3、完成试验台装配图设计； 4、完成PLC控制系统方案设计； 5、完成液压试验台控制系统电气原理图设计； 6、编写毕业设计说明书； 时间安排： 第1-3周：搜集资料并初步确定设计方案。 第4-6周：液压试验台控制回路及实验台的硕件选取。 第7-11周：液压试验台电气控制。 第12周：设计说明书撰写。 第13周：毕业答辩。 必读参考资料： 1. 容一鸣等编著.液压传动.北京：化学工业出版社，2009. 8 2. 液压元件型式试验技术指标JB 2146-77 （中

3、国第一机械工业部部标准） 3. 液压设计手册.北京：机械工业出版社，2005. 1 4. 赵燕，周新建等编著.可编程控制器原理与应用.北京：北京人学出版社，2010. 3 指导教师签名：黄英 教研室主任签名: 毕业设计（论文）开题报告 题目基于PLC控制的液压试验台设计 目的及意义（含国内外的研究现状分析）： 液压传动技术是机械设计、机械制造和机电一体化等专业的一门重要的基础课程。该课程的任 务是使学生能够掌握液压的基础知识，掌握各种液压基本元件的结构特点、工作原理、应用场合和 选用方法，掌握常用液压基本回路的作用、构成和适用场合，了解国内外先进液压技术成果在机械 设备中的应用已成为工业机械，

4、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。液压传动的应 用深入各个领域，国外生产的95%的工业机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动化生产线都 釆用了液压传动技术。在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器 和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术， 它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展立玉的重要标志，是液压工工业又 一个新的技术热点和增长点。在我国同样有一大批主机产品的发展，需要应用该项技术，因此，将 其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。因此，液压传动是机械专业学生的一门很重要的基 础课程

5、。液压试验台是学生学习液压传动知识的重要工具。目前，多数学校仍然采用的继电器等元 件作为控制系统的控制元件，存在可靠性、灵活性差、学生测量数据误差较大、操作和记录过程繁 琐等缺点。 随着应用了电子技术、计算及技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用, 液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已成为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺 少的重要技术。而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是 不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。本文从液压现场总线技术、自动化控制软件技术、 水压元件及系统、液压节能技术等方面介绍液压传动技术发展动态。电子技

6、术和液压传动技术相结 合，使传统的液压传协与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。实现机电一体化可以提高工作可 靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低，漏油、维修性差等缺点，充分发挥液 压传动出力人、惯性小、响应快等优点。是现代试验台发展的方向。 可编程序控制器（PLC）是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术 等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产 品，具有多输入输出接II,且具有较强的驱动能力，具有可靠性高、抗干扰能力强，灵活性好，编 程方便等特点，从而在控制领域得到了广泛的应用。这门课程也是机电专业学生的重要

7、专业课之一。 因此需要有专门针对PLC的试验台在教学中广泛应用。 传统的液压教学实验台已经不能满足液压技术的实验。现代液压实验台的发展趋势随着科学技 术和现代工业的飞速发展，对液压教学提出了更高的要求。要求液压教学实验能够形彖直观，学生 能够参与其中。随着可编程控制器的技术的发展，将其代替顺序控制器作为液压实验台控制系统的 核心，并且能满足口益复杂的液压实验系统的控制要求，而且作为教学实验装备，使机械专业的学生在掌握液压传动基本知识的同时，也能够更准确、形象地深入了解，掌握液压元件的结构，液压 回路的控制原理等。设计的实验台不仅能进行液压方面的实验，还可以进行有关PLC的实验，使 PLC实验更

8、加直观，掌握PLC可编程序控制的功能，控制原理及编程技巧等。有利于培养学生在机 电液综合控制等方面的综合能力。 基本内容和技术方案： 本毕业设计是对基于PLC控制的试验台（节流调速回路的速度-负载特性试验台）进行设计。 试验台分为手动和自动2个控制方案。实验分为4个部分：节流阀进油节流调速回路的速度负-载特 性、节流阀回油节流调速回路的速度-负载特性、节流阀旁路节流调速回路的速度-负载特性、调速 阀进油节流调速回路的速度-负载特性将。利用传感器、电磁阀等电控器件完成实验，这样能方便同 学的测屋，得到更精确的实验数据，并且可以让学生把液压传动的学习和可编程控制器的学习相结 合。在本次设计中，主要

9、会涉及到液压系统的设计和PLC电气控制设计两人部分。 液压系统设计部分：根据实验要求，设计出液压回路，对液压回路中的各个液压元件进行计算 选型，确定液压缸，各类电磁阀的型号，确定出电动机和液压泵的型号。 控制回路部分：首先要确定I/O点数，选择PLC的型号，建立PLC的地址分配表，绘制PLC 的外部接线图，完成电气系统设计（电器布置图，安装图等），根据实验动作需求编写PLC程序, 并且选择PLC相关软件进行调试和修改。电控系统方框图如下图所示。 0 触摸屏 负载 电控系统方框图 最后设计出实验台的外形结构，以及各个液压元件和电器元件的布置。在三维软件中装配。完 成对实验台的外形设计。 3进度安

10、排： （1）.搜集资料并初步确定设计方案（1-3周） （2）.按照要求设计液压回路，选择回路的元器（46周） （3）根据设计要求选择PLC型号，完成PLC的硕件和软件设计（79周） （4）完成试验台外形结构设计（9J1周） （5）.撰写设计说明书（11-12） （6）.设计答辩（13周） 4.指导老师意见： 指导教师签名：年 月 口 注：1.开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的抬导下山学生独立撰写，在毕业设计开始后三 周内完成； 2. 设计的目的及意义至少800字，基木内容和技术方案至少400字： 3. 指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，闸述学生利用的知识、原理、建

11、立的模型正确与否、学生的论 证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。 郑重声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体己经发表或 撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 本人签名: 日期：SdQS 摘要1 Abstract 2 1绪论3 1.1液压传动的发展概况3 1.2 PLC发展概况3 1.3课题研究的意义4 2液压系统设计5 2.1总体方案概述5 2. 2液压缸设计5 2.2.1工作液压缸设计5 2.2.2加载液压缸设计7 2.2.3液压缸流量计算8 2. 3系

12、统回路设计8 2.3.1确定基本回路8 2.3.2制定基本方案9 2.3.3液压系统图设计9 2.4液压元件的选择11 2.4.1液压泵的选择11 2.4.2电动机的选择11 2.4.3液压阀的选择12 2.5液压辅件的计算与选择12 2.5.1管道尺寸的确定12 2.5.2油箱容量的确定13 2.5.3液压介质的选取13 2. 5. 4其他系统辅件的选择14 2.6液压系统性能验算14 2.6.1验算回路中的压力损失14 2.6.2液压系统发热升温计算15 2.7液压装置整体设计16 2.7. 1液压系统总体布局16 2.7.2液压阀的配置16 2.7.3集成块的设计17 3 PLC控制系统

13、设计18 3.1总体方案设计18 3.2 PLC控制系统的硬件设计18 3. 2. 1 PLC型号的选择18 3.2.2 PLC外围电路设计20 3.2.3显示屏选择21 3.2.4控制面板设计21 3.3 PLC控制系统程序设计22 3. 3.1程序初始化22 3. 3.2加载子程序23 3. 3.3电机正反转25 4数据采集系统26 4.1基于VB6.0数据采集系统设计概述26 4.2 VB6.0串行通信控件26 4.3数据库设计26 4. 3.1数据库的建立26 4. 3. 2使用AD0数据控制项27 4.4计算机与PLC通信28 4.5实验数据采集系统29 结束语32 参考文献33 附

14、录34 致谢49 现代液压技术集传动、控制和检测于一体，逐步向数字化和自动化方向发展，这就要求液压教学能 够同步于现代控制技术的发展。液压教学试验台的研究和发是达成这一目的的重要方法。 论文将模块化设计方法、现代化控制理论和方法运用于液压教学试验台的研究与开发。对液压教学 实验台的功能与结构、液压教学试验台的控制方案和基于PLC的液压教学试验台控制系统的进行了研究。 设计了基于PLC的液压教学试验台控制系统，编制了液压教学实验台的控制系统程序。包含进油节流调 速、回油节流调速、旁路节流调速、调速阀进油节流调速回路的速度-负载特性四个实验。节流调速回 路性能实验是学生学习液压回路的重要实验，节流

15、调速回路试验台是重要的教学试验台，传统的节流调 速回路试验台精度较低，不能对数据进行自动采集。而本论文设计的试验台具有电脑数据采集功能。 关键词：液压试验台可编程控制器控制系统数据采集 Abstract Modem hvdiaulic teclmology is an mtegration of transmission, control, examination and computei;wluch requues teaching on hydraulic should be in step with the up-to-date control teclmology. The teach

16、mg experiment and development of expeiunent device on hydraulic are one of the mam methods to realize it. This paper study and develop on hvdiaulic teachmg test-bed based on the modularize design method, modernize contiol theoiy and tecluuque- Lucubrate on the function and stmctuie, control scheme,

17、and control system on PLC of hvdiaulic expenment test-bed edit the control piogram of the hydraulic teaclmig test-bed.Tluottlmg control cucuit peifoimance is an mipoitant test for student, so the unpoitant test speed loop is miportant as well.But the traditional tluottlmg control circuit loop s has

18、low precision and it caimot conduct data acquisition So we should design one that the test data can be collected。 Key Words： Hydraulic test stand; PLC;Control System; Data acquisition 1绪论 液压传动技术是机械设计、机械制造和机电一体化等专业的一门重要的基础课程。该课程的任务是 使学生能够掌握液压的基础知识，掌握各种液压基本元件的结构特点、工作原理、应用场合和选用方法, 掌握常用液压基本回路的作用、构成和适用场合

19、，了解国内外先进液压技术成果在机械设备中的应用已 成为工业机械，工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术。液压传动的应用深入各个领域，国 外生产的95$的工业机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。目前 液压元件不断出现，液压技术的逻辑设计、优化设计、计算机辅助设计和数字仿真也逐渐研究并应用。 总之液压技术这一领域的范闱比较广泛，设计的问题较多，理论基础较深。 液压传动以运动传递平稳、均匀、调速范I制广、传递扭矩犬、易于实现自动化，越来越广泛地被用 在机床的调速系统中。机床的主运动、进给运动对速度有很高的要求，在机床液压系统中，调速回路占 有相当重要的地位

20、，它的工作性能的优劣对系统有着决定性的影响。其中节流调速回路是很重要的调速 回路。他通过改变节流I I的人小来控制流量则调速范围人，但节流引起能量损失人效率低，易引起油液 发热。另外节流调速回路是液压系统基本回路是液压教学的重难点，因此设计一个液压试验台是十分必 要的。但是现有的教学用液压试验台人多都需要手动操作，但是如果能设计出可以用自动循坏功能而且 采用微机测控采集数据试验台用于液压教学实验则更为方便，直观，可靠。 1.1液压传动的发展概况 液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年 英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman, 1749-1

21、814),在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用 于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世 界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件人约在19 世纪末20世纪初20年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925年维克斯(F. Vikers)发明了压力平 衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20世纪初康斯坦丁斯克对能量 波动传递所进行的理论及实际研究；1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这 两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941

22、-1945)期间，在美国机床中有30$应用了液压传动。应该 指出，口本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年。在1955年前后，口本迅速发展液压传动， 1956年成立了 “液压工业会”。近2030年间，口本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压技 术主要是由武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的。随着控制理论的出现和控制系统的发 展，液压技术与电子技术的结合口臻完善，电液控制系统具有高响应、高精度、高功率-质量比和大功 率的特点，从而广泛运用于武器和各工业部门及技术领域。 1.2 PLC发展概况 PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、口等工业发达国家已成为重要的产业之一。世 界

23、总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值人幅度上升而价格则不断下降。目 前，世界上有200多个厂家生产PLC,较有名的：美国:AB通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、 欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司：韩国：三星、LG公司等。 PLC由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。PLC在闭坏过程控制 中应用口益广泛，不断加强通讯功能，新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速 度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。编 程工具丰富多样，功能不断提高，编

24、程语言趋向标准化.。有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采 用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。我国的PLC产品的研制和生产经历 了三个阶段：顺序控制器8位处理器为主的工业控制器8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以 后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品人量进入我国市场，一部分随成套设备进II。如宝钢一、 二期工程就引进了 500多套，还有咸阳显彖管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行 各业也有了极人的应用，技术含量也越来越高。 13课题研究的意义 传统的液压教学实验台已经不能满足液压技术的实验。现代液压实验台的发展趋势随着科学技术和 现

25、代工业的飞速发展，对液压教学提出了更高的要求。要求液压教学实验能够形彖直观，学生能够参与 其中。随着可编程控制器的技术的发展，将其代替顺序控制器作为液压实验台控制系统的核心，并且能 满足口益复杂的液压实验系统的控制要求，而且作为教学实验装备，使机械专业的学生在掌握液压传动 基本知识的同时，也能够更准确、形象地深入了解，掌握液压元件的结构，液压回路的控制原理等。原 来的控制方式因为电气元件较多、节点多、逻辑布线复杂、对应关系复杂，所以操作不便、故障率高、 运行的可靠性和灵敏性差、扩展性差，检修不方便。在实验方法上采用现代的PLC控制，在实验手段上 采用计算机辅助测试。学生可以根据液压系统的传动要

26、求，通过接近开关、电磁铁等线路联接，在实验 过程中观察油路的变化，得出所要测基于PLC的液压实验台系统的研制与开发。 设计的实验台不仅能进行液压方面的实验，还可以进行有关PLC的实验，使PLC实验更加直观，掌握 PLC可编程序控制的功能，控制原理及编程技巧等。有利于培养学生在机电液综合控制等方面的综合能 力。 本设计采用的三菱的FX2N系列PLC,它吸取了整体式和模块式PLC的优点，各单元采取叠装式连接, 具有较高的性价比。同时他也是在目前市场上具有广泛影响的主流机型。 2液压系统设计 2.1总体方案概述 本实验是分析各种节流调速回路的速度-负载特性，即工作液压缸的运动速度随着负载变化的特性。

27、 在速度-负载特性曲线上某处的斜率越小，速度刚度越人，机械特性就赢，执行元件受负载变化的影响 就越小，这是调速回路的机械特性。调速时为了满足执行元件对工作速度的要求，是液压系统的核心问 题。实验要求：速度不易过快，或者过慢，要求适于测量和观察。选定最人载荷为20KN,速度范|制 0.005nVs0.04m/s。试验台各个液压元件分置在试验台的试验面板上，给学生提供直观的试验视觉。 试验中选择液压缸作为液压系统的执行元件，它将液体的压力能转化成机械能，用来实现直线往复 运动，对于液压缸的加载，也选用液压缸来完成。液压回路采取将基本的调速回路进行结合的方式，将 基本的液压回路通过优化组合成。因为需

28、要采用电气控制，所选择的液压阀应该在适用于液压系统的同 时，适用于电气控制。在液压回路的设计中，应该考虑到系统压力的稳定，负载的连续变化，这样选择 进油节流调速回路、旁路节流调速回路、回油节流调速回路以及速度阀进油调速回路，并且将它们有机 的结合在一起，可以形成本实验的主液压回路。加载回路的设计中，也应该考虑系统的压力变化范怜I， 以及调整压力变化的方式。可以选用比例溢流阀来控制加载回路的压力，从而控制载荷的人小，测量不 同回路的速度-负载特性。在主回路和加载回路中，还应该考虑到液压泵的卸荷，可以采用卸荷阀。 对其他液压附件的设计和选取，应该对系统的各个方面的参数经行计算后，根据参数要求，满足

29、液 压系统的同时还应该改根据坏保和经济的原则进行选择。 2. 2液压缸设计 本试验台液压回路分为两个部分。主回路：完成实验液压缸的运动，在不同的节流回路下，完成液 压缸的速度-负载特性实验。加载回路：通过一个加载液压缸对主回路的液压缸进行加载。 2.2.1工作液压缸设计 （1）加载力的确定 由于实验是将两液压缸对接，通过加载液压缸对主液压缸进行加载，且需要最人的加载力为20KN 1）工作载荷。常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力，切削力等。这些作用力的方向如活塞 运动方向相同为负，相反为正，故 F尸20KN （F：主要包含活塞轴线上的重力，切削力，挤压力等） 2）导轨摩擦载荷FfO 运动部

30、件所受的重力不计，外载荷作用于导轨上的正压力为0 3）惯性载荷FfO 以上三种载荷之和称之为液压缸的外载荷F* 工作载荷凡并非每一阶段都存在，如该阶段没有工作，则几为0 则其外载荷Ff20KN 除去外载荷外，由于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的阻力Fm,由于各种液压缸密封材质和 密封形式都不同，所以Fm难以计算， 一般估算为Ff(1r)F(式2-1) 式中Q为液压缸机械效率，一般取0.90.95 则有F二F”/ n =20/0. 9二22KN (2) 初选系统的工作压力 工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据，它的人小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系 统的性能。在系统功率一定时，一般选

31、用较高的工作压力，使执行元件和系统的结构紧凑、重量轻、经 济性好.但是，若工作压力选的太高，会提高元件的强度、刚度及密封要求和制造精度要求，不但达不 到预期的经济效果，反而会降低元件的容积效率，增加系统发热，降低与元件寿命和系统可靠性；反之, 压力选的过低，就会增人执行元件的尺寸，使结构变得庞大。所以要根据实际情况选取工作压力。 压力的选择要根据载荷人小和设备类型而定，还要考虑带执行元件的装配空间，经济条件及元件供 应情况等的限制，在载荷一定的情况卞，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来 说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济，反之，压力选得太高，对缸，泵，阀等原价元件

32、的 材质，密封，制造要求也要求很高，必然要提高设备成本，一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备, 压力可以选得低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。 表27按载荷选择工作压力 载荷(KN) 50 工作压力 (MP) 0. 81 152 2. 53 34 45 M5 根据本试验台的特点所以按照要求，选择系统的压力为5MPo (3) 计算主液压缸的主要结构尺寸 液压缸的主要尺寸是指缸筒内径D和活塞杆直径d、液压缸的长度和活塞杆的长度等。液压缸的内 径和活塞杆的直径的确定和使用的液压缸的设备类型有关，通常根据液压缸的推力和液压缸的有效工作 压力来决定。液压缸的内径D和活塞杆直径d可以根据系统中的

33、最大总负载和选取的工作压力来确定。 Ai A: Vi d 7 d/D 0. 50.55 0. 60.7 0. 7 表2-3按速度选择d/D vl/v2 1. 15 1.25 1.33 1.46 2 d/D 0. 3 0.4 0.5 0. 55 0. 71 由于在本实验中，对液压缸的进退速度没有要求，所以需要按照载荷的人小选择。选择速比1.33, 即二05由于系统的液压回路较短，选择液压缸的被压为PfO. 2MP 则有D二 4x22 锐5_0.2x（l_0 =75. 24mm 按照表2-4选择液压缸的内径 液压缸的直径D和活塞杆的直径要按国际规定的液压缸的有关标准进行圆整。如果与标准液压缸的 参

34、数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计和加工。 表24液压缸的内径尺寸系列 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 故取液压缸的内径选取D二80mm：活塞杆直径:d二40mm 2. 2. 2加载液压缸设计 (1) 加载力的确定 1)由于主液压系统所需要的外载荷为20KN,由加载液压缸提供，由式1-1可得 2 )导轨摩擦载荷FfO 运动部件所受的重力不计，外载荷作用于导轨上的正压力为0 3 )惯性载荷比=0 以上三种载荷之和称之为液压缸的外载荷Fw 工作载荷塊并非每一阶段都存在，如该阶段没有工作，则Fg为0 则其外载荷Fw=20

35、KN 除去外载荷外，由于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的阻力Fm，由于各种液压缸密封材质和 密封形式都不同，所以Fm难以计算， 一般估算为 Fm=(ln)F 式中q为液压缸机械效率，一般取0.9-0.95 则有 F=Fw/n=20/0.9=22KN .Fw F = =22KN 由于参数基本和主回路相同，所以系统压力选择也可以参照主回路的工作压力选择。 由表1-1选择加载系统的工作压力为5MP (2) 计算加载液压缸的主要尺寸 和主回路的液压缸设计原理相同，即有式2-4可知 4F4x22 D= 龙|门一厲(1 0) V45-0.2x(1-0.5)2 /6mm 根据表 2-4 选择 D二80mm

36、 d =40mm 2. 2. 3液压缸流计算 根据前面计算的结呆可以算出液压缸所需要的流量，根据所求的最人流量来确定泵的流量 由于最人:的速度为Vmax=4xl0-2m/s 因为 q=Av(式 2-5 ) 根据式2-5得到 q =： X V=2 X1 O4 m 3 /s r max4D13X 4 液压缸的所需的最人流量为2xl0_4m3/s 2. 3系统回路设计 2. 3.1确定基本回路 液压基本回路是决定主机动作和性能的基础，是组成系统的骨架。压力控制方式的选择主要取决于 液压系统的调速方式，在本试验台中，液压系统需要4种调速方式一进油节流调速、回油节流调速、旁 路节流调速和调速阀调速。在本

37、实验中，需要工作液压缸进行空载运行，所以还要考虑卸荷回路。在主 液压回路中，首先应该考虑到主回路的压力值稳定，控制好这个不变量，才能更加精准的测屋回路的速 度-负载特性。在本实验台的设计中，选用电磁溢流阀来控制主液压回路的压力，使得主液压回路的压 力维持在一个稳定的值。其次是加载回路的液压压力，由于加载回路的压力值要经行规律的变化，所以 应该采用比例溢流阀来进行控制加载液压会的压力。 基本的回路有：进油节流调速回路、回油节流调速回路和旁路节流调速回路。更换这些基本的回路 中的液压元件，就能够组成不同的阀调速的液压回路。 2. 3. 2制定基本方案 (1) 制定调速方案 本试验台要求测量在不同载

38、荷卞的节流调速回路的速度-负载特性。节流方案分为4种，分别是: 进油节流调速，回油节流调速，旁路节流调速，调速阀进油节流调速回路。分别采用4个节流阀进行控 制。这种调速，一般采用定量泵供油，采用开式循坏形式。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油 流经系统释放能量后再排回油箱，回路简单，散热性能良好。 (2) 制定压力控制方案 为保持系统的压力稳定，在主液压回路采用电磁溢流阀进行溢流，通过溢流调整主回路的系统压力。 在加载回路中，采用比例电磁溢流阀，通过行程开关的信号输入，控制加载回路的压力值。 制定顺序动作方案 本实验要求在不同的加载力卞，来分析节流调速回路的特性。动作顺序具体为首先加载，然

39、后开启 主回路，将加载液压缸压回。通过行程开关，使加载回路的比例溢流阀的值改变，继而在不同的加载力 卞测出主液压缸的速度。 2. 3. 3液压系统图设计 根据基本方案，液压执行元件和各基本回路确定后，把他们有机的结合起来，去掉重复多余的元件, 再加上一些辅助元件，就构成了本试验台的液压原理图。系统的原理图如图2-2所示。 液压原理图分为主回路和加载回路。主回路中含有4个节流调速回路，他们分别是试验台实现的4 个实验，加载回路也是由液压缸、换向阀、溢流阀组成。通过改变比例溢流阀的溢流压力，从而改变负 载的人小，在不同的回路，不同的压力下，液压缸有一个运动的速度。 实验一要求只在进油回路上进行节流

40、，关死旁路。实验二要求只在回油路上进行节流，关死旁路全 开进油路。实验三要求全开进油和回油路，在旁路上进行节流。实验四要求全开回油路，关死旁路和进 油路，用调速回路来替代进油路。 实验原理图中有6个压力测试点，测试不同点的压力值来分析不同节流调速回路的速度刚度。实验 中各个电磁阀的电磁铁动作表如表2-5所示。 10-wo 图22液压试验台系统原理图 按照实验要求，根据动作的先后确定液压系统的动作表。动作表如表2-5所示。 表25电磁铁动作表 动作 电磁铁 YA1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 C1缸进 + C1缸退 4- 1 C2缸进 + C1进C2退 + + C2进C1退 4- 1

41、 + C2缸退 + C1缸停 + C2缸停 + 10 2. 4液压元件的选择 2. 4.1液压泵的选择 (1) 液压泵工作压力的确定 Pp / + ZAp(式2-6) Pi是液压缸的最人工作压力 XAp是液压元件的回路损失，一般取0. 5MP Pp APi + ZAP 二5. 5MP (2) 泵流量的确定 么pKQLG mQ(式 2一7 ) K为泄露系数，一般取K二1.11.3 工么max为液压最人总流量，使用节流调速回路应该加上溢流阀的最小溢流量，一般取 0.5x104/w3/5 .pni.3x(2xl07) = 3.25xl07 屛“ (3) 泵的确定 选择液压泵时。参考液压元件手册，根据

42、液压泵的最大工作压力Pp选择液压泵的类型，根据液压 泵的流量选择液压泵的规格。选择液压泵的额定压力时应该考虑到动态过程和制造质量等因素，要是液 压泵有一定的压力储备。一般泵的额定工作压力应该比最人工作压力高20%-60%,泵的额定流量应该 与系统所需的最大流量相适应。 选择泵的转数为960r/nmi 则泵的排量匕=虹=匕;丁 “ = 20.3125?厶/ r n 60 根据以上的数据选择的泵的型号如表2-6所示。 表26液压泵参数 型号 排量 额定压 力 驱动功 率 重量 转数 轴径 轴伸出长 度 YB.- 25 25niL/r 6.3MP 4KW 16kg 960r/niui 20 45 加

43、载液压泵选择和主回路的泵相同。 2.4. 2电动机的选择 由上一节计算可知，一个泵的额定压力为6.3MP,根据表1-7取叶片泵的总效率为60%。选择电动 机的时候，按照平均功率选择。 11 表2-7液压泵的总效率 液压泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵 总效率 0. 60.7 0. 650.80 0. 60.75 0. 800.85 泵的驱动总功率为 p一 PM 一 6.3x10 x3.25x10 = HP0.6 因此选择4KW的电动机比较合适。根据JB/T9616-1999选取电动机的型号为丫132血-6。其轴径为 38mm,轴伸出长度为80mm。 2. 4. 3液压阀的选择 选择液压阀

44、主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。 （1）选择压力控制阀的时候，应考虑压力阀的调节范I制，流量变化范I韦I,所需要的压力灵敏度和平稳 性。 （2）选择流量控制阀，应该考虑流量的调节范闱，力量-压力特性，最小稳定流量，压力补偿要求和阀 进出口压差及阀内泄漏量的大小等。 （3）选择方向阀时，应该考虑发想法的换向频率，响应时间，操纵方式，滑阀机能，阀I】压力损失及 阀内泄漏量人小等。并且，通过各类阀的实际流量最多不应该超过其额定值的20%o根据以上原则，本 系统的工作压力是6. 3MP,选 择液压阀的型号见表2-8. 表2-8液压阀型号 序号 名称 数量 选用型号 1 三位四通电磁换向阀 2 4W

45、E6E61B/CG24N9Z4 2 先导式电磁溢流阀 1 DBWA-2-50/50G246A 3 先导式比例溢流阀 1 EDG-01-B-1-51 4 二位二通电磁换向阀 1 22E-10B 5 调速阀 1 SE2-3/15 R-G24 6 比例节流阀 3 FES25CA-3X/K4G1 2. 5液压辅件的计算与选择 2.5.1管道尺寸的确定 管道尺寸取决于需要通过的最人流量和管中允许的流速，管内油液的推荐流速，对于液压泵吸油管 道一般取lm/s以下，系统压力管道一般取36m/s 12 （式 2-8） 式中d管道内径 q通过管油液的流量 V管内油液的流速，按推荐流速选取如表2-9 表2-9允许

46、流速推荐值 管道 推荐流速(m/s) 液压泵吸油管道 0.51.5 般取1以下 液压系统压油管道 36压力高，管道短，黏度小取大值 液压系统回油管道 1. 526 根据表1-9和式1-8可以确定主要管路内径，计算结果列于表2-10 表2-10主要油管内径 管道名称 允许流速(m/s) 管道内径(m) 实际取值(m) 泵吸油管道 0.8 0. 02 0. 02 压油管道 5 0. 008 0.01 回油管道 2 0.01 0.01 2. 5. 2油箱容的确定 初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。 其油箱容量的经验公式为V = aqv(式2-9) 式中 q

47、v液压泵每分钟排出压力油的容积 a经验系数，见表2-11 表211经验系数辺 系统类型 行走机械 低压系统 中压系统 锻压机械 冶金机械 a 12 24 57 612 10 已知泵的总流量为3.25xl0_4/n3/5 ,这样液压泵每分钟排除压力由的体积为0. 0195/3,取a二5 得到有效容枳V二0. 0975加 2. 5. 3液压介质的选取 (1) 工作压力 按液压系统和油泵工作压力选用液压油，压力MPa用L-HH.L-HL(叶片泵则用L-HM),压力8-16MPa 用L-HL、L-HM、L-HV,压力16MPa用L-HM、L-HV液压油。液压系统的工作压力一般以其主油泵额定 或最人压力

48、为标志。 (2) 工作温度 温度-10-90C用L-HH、L-HL、L-HM液压油、低于T0C用L-HV、L-HS,工作温度90C选用优质的 L-HM、L-HV、L-HS。环境温度和操作温度一般关系为：液压设备在车间厂房，正常工作温度比坏境温度 13 高15-25-C；液压设备在温带室外，高25 38C；在热带室外日照下，高4050C。 （3）工作环境 本试验台是在室内，且没有明火，温差变化不大。 根据以上要求分析后，选取L-HM46液压油为系统压力油。其运动黏度为的取值范闱是41.4 50.6 mm2 /s 2. 5.4其他系统辅件的选择 根据电动机的参数，液压泵的参数，以及各个阀的要求和系

49、统的要求，选择过滤器、联轴器、管接 头、行程开关等液压附件。 （1）选择弹性柱销联轴器，弹性柱销联轴器减震性好，用于对中性要求不高的场合，其结构简单易于 维护。 （2）选择过滤器应该考虑过滤精度和流量，查机械设计手册P23一一501选择WU-25X 180F,流量 25L/min,过滤精度 180 U m。 （3）卡套式管接头具有：结构简单、使用方便和不用焊接等优点。卡套式管接头的预装是最重要的环 节，直接影响到密封的可靠性。 （4）行程开关有很多形式，在本实验台的选取中，应该考虑它的电气特性，适合接PLC,对系统进行 控制。 （5）速度传感器、压力传感器以及液压传感器都应该考虑它们的电气特性

50、和价格等。 表212其他液压辅件 名称 型号 数量 过滤器 WU-25x180 2 联轴器 -JC38x80 LT6 联轴器GB/T4323 JB20 x4 2 管接头 E10GB/T3734.1-1983 行程开关 LX19-121 4 速度传感器 AHC7-SD 1 压力传感器 S型称重传感器（CPR24） 1 液压传感器 普量电子PT500-400 5 2. 6液压系统性能验算 2. 6.1验算回路中的压力损失 （1）沿程压力损失 沿程压力损失，主要是经过油管时候的沿程压力损失，管长约是5米，内径10cm,流量为 3.25xl07F/s,选用液压油的黏度50加加2/油的密度为 = 0.8

51、5焙/屛，油液在管道中实际的 14 流速为V 5xlO3 -xO.Ol2 4 =63mls （式 2J0） v 6.3x0.01 5xl05 = 1260 2300 （式 2-11） 油在油管中是层流流动状态，则沿程压力损失x- = 4.28x104MP dr Re 2d (2)局部压力损失 局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失，以及通过各个控制阀的局部 压力损失。因为通过管路局部压力损失相对来说小的多，故主要计算通过控制阀的局部压力损失。 通过各个阀的压力损失之和为 A/a = 0.4(44.1 / 50尸 + 0.3(157.3+44.1尸 /190， =08MPa

52、 由以上计算可以得出，系统的压力损失“ = 0.804MPa 综合以上计算结果，两个泵的实际出11压力距泵的额定压力还有一定的裕度，故所选的泵是适合的。 2. 6. 2液压系统发热升温计算 （式 2J2） (1)计算发热功率 P/PP 对于本试验台来说，匕是双泵的平均输入功率。 （式 2-13 ） 根据以上数据可以得出,泵的流量3.25x10 一切/s ,出口压力为P=5MPa 可以计算出泵的平均输入功率片二25KW 液压缸的输出功率Pc二FV二088KW 总发热功率 Phr =2. 5-0. 88=1. 62KW (2)计算散热功率 前边初步估计油箱的有效容积为二0. 0975加按V = O

53、.Sabh求得油箱的各边之积为 /?/? = xO.0975(式 2-14) 0.8 取a, b, h分别取0. 5m 根据公式 Al = O.Sh(a + b) + l.5ab(式 2T5) 得出 Al二0.775 nf 计算热功率为 PlK. = KT(式 2-16) Kt油箱散热系数，查表1-13可以取K二16 丁一-油温与坏境温度之差，取35C 15 表213油箱散热系数K值 散热条件 通风条件较差 通风条件良好 用风扇冷却 循坏水强制冷却 散热系数 89 15 17 23 110175 坨二(16 x 35 x 0.775) W=0. 43KW 由此可见，油箱的散热远远满足不了系统散

54、热要求。所以需要另设冷却器。 (3) 冷却器所需冷却面积的计算 冷却面积为： A=P,r P,u(式 2-17 ) 7 式中 K传热系数，用冷却管时，K二116W/m，C 0”一平均温升,g =呼_呼 取油进入冷却器的温度为T1二60C,流出冷却器的温度为T250C，冷却水入I I温度11二25C,冷却 水出 I I 温度 t2二30C,则 = 72.5 C 所需冷却器的面积为A二0. 37 nf 考虑到冷却器长期使用时，设备腐蚀和油垢，水垢对传热的影响，冷却面枳应该比计算值人30%, 实际选用的冷却器面积A二0M8 Of 选择散热器的型号为2LQFL-A/0. 5L 2. 7.1液压系统总体

55、布局 液压系统总体布局有集中式、分散式。 集中式结构是将整个设备液压系统的油源、控制阀部分独立设置于主机之外或者安装在地下，组成 液压站。 分散式结构是把液压系统中的液压泵、控制调节装置分别安装在设备上适当的部分。 在本实验台的设计中采用分散式的。将各个液压控制阀至于试验台的背面。油源至于液压试验台的 下方。 2. 7. 2液压阀的配置 板式配置：板式配置是把板式液压元件用螺钉固定在平板上，板上钻有于阀II相对应的孔，通过管 接头连接油管而各阀按系统图接通。这种配置可以根据需要灵活改变回路形式。液压试验台等普遍采用 这种配置。本实验台需要将各个阀体置于平板上供学生观看，让学生能更清楚的看懂系统

56、原理图。故选 择板式配置。布置示意图如图2-3所示： 16 图2-3试验台整体布置示意图 2. 7. 3集成块的设计 集成块联接与板式联接相比具有以下优点： A. 可以采用现有的板式标准件，很方便的组成各种功能的单元集成回路，且回路的更换很方便，只 需更换或增减单元贿赂就能实现，因而有较人的灵活性。 B. 由于是在小块体上加工各种孔道，故制作简单，工艺孔大为减少，便于检查和及时发现故障，如 果加工过程中出了问题，仅报废其中一小块通道体而不至于整个系统报废； C. 系统中的管道和管接头可以减少到最少程度，使系统的泄漏人为减少，提高了系统的稳定性，并 且结构紧凑，占地面积少，转培与维修方便。 D.

57、 由于装在通道和管接体侧面的各液压元件间据i很近，油道孔短，而且油道孔径选择大一些而系 统管路压力损失小，系统发热量也少， E. 有利于实现液压装置的标准化，通用化，系列化，能成批生产，由于组成装置的标准化，灵活性 大，故设计和制造周期人为缩短，生产成本降低，为在机床上广泛应用液压技术提供了方便。 为了缩短设计和制造周期，应该尽可能采用通用化、原则化、标准化的集成块组。本次设计采用了 集成块的方式。从集成块的原理图中可以看出，集成块由板式元件和通道体组成，元件可以根据设计要 求任意选择，集成块工作压力6. 3MP-35MP之间。 17 3 PLC控制系统设计 3.1总体方案设计 本试验台要求P

58、LC对两个液压缸进行行程控制，这里选用行程开关作为PLC的信号输入。要求PLC 分别对两个电磁换向阀，四个比例节流阀，一个比例溢流阀，一个电磁溢流阀的卸荷和一个二位二通电 磁换向阀进行电压信号控制。 控制方面：采用自动控制程序，通过实验动作，设定相关的程序，通过传感器测试各个点的具体压 力值，通过行程开关来控制两个液压缸的前进和后退，在触摸屏上设定相关的按钮，来实现实验的选择 和泵的卸荷等。同时和设置硬按钮来实行备份控制。电控系统方框图如图3-1所示。 行程开关 1T 触摸屏 PLC 负载 图3-1电控系统方框图 在输入量中有7个为模拟量，它们首先输入模拟量输入模块，通过PLC,显示在触摸屏上

59、，供学生 观察记录，输出量中有5个模拟量，它们是控制3个比例节流阀和一个调速阀的开度，一个溢流阀的溢 流压力。所以要添加PLC模拟量输入模块和PLC模拟量输出模块。在硬件设计中，选取PLC控制各个电 磁阀和液压缸的换向。通过触摸屏来控制PLC的动作。 设计液压试验台程序应该分别对4个试验进行单独设计，然后在设计总程序。在每个实验当中，都 包含了自动加载程序，因为每个实验每个开度下，要进行8次加载，所以还应该设计出加载子程序。没 个实验通过调用加载子程序来完成。 其中加载子程序的动作为：先启动泵1,进行空载实验，再进行加载（即启动泵2,调定比例溢流 阀的溢流值），打开节流阀，使比例溢流阀从小到人

60、加载8次。结束时C1缸C2刚分别退回，节流阀关 闭。 根据以上叙述，可以设计出PLC的硬件软件。达到控制的要求。 1S 3. 2 PLC控制系统的硬件设计 3. 2.1 PLC型号的选择 三菱公司系列产品中，有FXis、FX：、FXg和FXwl个子系列，与过去的珀、F：等产品相比，在性 价比上有显著地提高。FX,是FX系列中最先进的子系列，其标准特点在最大范鬧涵盖了 FX其他系列， 同时觉有执行速度更快，通信功能更齐全的特点。它吸取了整体式和模块式PLC的优点，各单元采用叠 装式连接，最多可以连接8个功能模块。所以选择FX：、系列的PLC来控制本实验台。 输入信号是将液压缸的工作状态和操作信息