教学液压试验台的设计.doc

教学液压试验台的设计摘要：当今世界高端的教学液压试验台生产技术，基本上已被美国、德国和日本所垄断。而国内目前不但教学液压试验台生产技术比较落后，同时教学液压试验台性能检测技术也非常落后，尚没有真正意义上的测试数据精确、实验功能全面的专业性综合性教学液压试验台。教学液压试验台发展的落后已经成为制约我国教学液压试验台生产技术发展的一个瓶颈。关键词：教学液压试验台技术随着改革开放的不断深入，我国的国民经济出现了前所未有的迅猛增长，我国的综合国力不断增强。与此同时，我国的液压技术也得到了前所未有的迅猛发展。液压技术俨然已经渗透到我国国民经济的诸多领域之中，并且不断应用在国民工业中。同时，液压技术在机床、工程机械、农林机械、冶金机械、塑料机械、汽车船舶等行业领域中也得到了大幅度的应用和发展，已经逐步发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。液压气动传动与控制技术具有诸多独特的优点，如液压技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，易实现直线运动，可柔性传送动力等优点。而气动传动具有节能、无污染、安全可靠、结构简单、低成本等优点，并容易与微电子、电气技术相结合，实现系统自动控制。因此，液压气动技术广泛应用于国民经济各部门中。而现今采用液压传动的程度已经成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压传动作为一种传动方式，由于具备功率密度高，结构小巧，配置灵活，组装方便，可靠耐用等独到的特点，已成功的应用于一切需要中等以上功率输出，并且需要对运动过程进行灵活控制和调节的地方，是现代化传动与控制的关键技术之一。然而，尽管液压技术在机械能与压力能的转换方面，已取得很大进展，但同时它在能量的损失和传动效率上仍然存在着诸多问题。因为，在液压系统中，随着油液不断的流动，有相当多的液体能量将会损失掉，这种能量损失不仅体现在油液的流动过程中的内摩擦损失上，还反映在系统的容积损失上，使系统能量利用率降低，传动效率无法提高。高能耗和低效率又使油液发热增加，从而使系统性能达不到理想的工作状况。这些问题给液压技术的进一步发展带来诸多障碍。因此，探索和研究高效的液压传动与控制技术，提高其系统的综合性能就成为了液压技术领域研究的重点之一。资料表明，液压技术是作为能量传递或做功环节中必不可少的一部分。因而无论现在还是将来，液压技术在国民经济中都会占有非常重要的一席之地，发挥着无法替代的作用。与此同时，为应对日益加剧的国际竞争的新形势，我国液压行业中各企业都应该加快科技创新速度提升产品的市场竞争力，制造一批优质的产品来满足我国众多工程项目和科技发展的新需要。1液压及其试验台的发展现状液压技术是实现现代化的传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给子很大重视。而当前世界液压元件的总销售额约为350亿美元。据不完全统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%-3.5%,我国只占到1%左右。这也充分的说明我国液压技术水平使用率比较低，而努力扩大液压技术的应用领域，对我国工业将有更加广阔的发展前景。液压气动技术具有相对独特的优点，比如液压技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，易实现直线运动，可柔性传送动力等优点。而气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并容易与微电子和电气技术相结合，实现系统自动控制。因此，液压与气动技术广泛用于国民经济各部门。但是近年来，液压气动技术面临与机械传动和电气传动的激烈竞争，比如数控机床和一些中小型塑机已逐步采用电控伺服系统取代或部分取代了液压传动系统。其最主要原因就是液压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压气动技术的优点，克服缺点，同时注意液压气动技术和电子技术相结合，并不断扩大应用领域，同时努力降低能耗，提高系统效率，适应新的环保需求，提高可靠性和安全性，这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场竞争，决定其能否取胜的关键因素。国外目前研究液压的最新方向是液压轴，所谓液压轴就是指在油缸上集成了伺服阀、传感器、伺服放大器、调解板、控制器等，然后用总线将众多的油缸连接起来，实现协调控制，这样就没有了液压阀站，只有能源站，从而可以大大减少设计工作量，并大大提高液压的自动化水平，这就是目前国际上研究发展的潮流。而目前中国已经研究成功的数字教学液压试验台已经达到和超越了目前国外希一望实现的目标，并同时已经实现了液压轴的目的，而且是数字化的，在一系列领域应用中已经获得成功，表现出了极高的性价比。与此同时，国外的教学液压试验台发展也呈现出新的趋势，配有匀减速平稳制动的缓冲装置，如抛物线环隙节流、阶梯环隙节流、笛孔节流装置等，以及实现专业化生产，高压化和复合化。通常有以下一些复合的教学液压试验台出现:将泵、阀、缸、电机等元件组装成一体构成独立的液压装置；将气缸与教学液压试验台装在一起，利用气体推动教学液压试验台工作；将摆动教学液压试验台和推力教学液压试验台组装在一起，实现多自由度的动作要求；将不同行程的教学液压试验台串联起来，经过不同的动作组合，进行各种不同长度的点位控制；将教学液压试验台分成二个油控，利用差动工作原理，实现六种不同速度的运动；将步进电机和带有反馈机构的滑阀与教学液压试验台装配成电液步进教学液压试验台；钢索教学液压试验台；缸筒能卷曲的教学液压试验台；带自锁装置的教学液压试验台。2液压教学实验的重要性2.1实验的重要性在人类对自然界规律的探索和认识过程中，科学实验是必不可少的一个重要环节。可以说没有实验也就没有现代科学。当然，在科学实验中人是应一直居于主导地位的。人们在获得感性认识的基础上，必须通过头脑的综合和思维，上升成为理性认识，提出假设和广义的规律性结论。为了检验和验证理性结论的正确性，人们还必须主动地、积极的投身到科学实验中去，用理论来指导实验的进行，并由实验结果的分析中来不断充实、验证和发展理论，增加理论的深度和广度。因此，对于每一个献身于科学的人，特别是工程技术人员，都应对所从事的学科中的实验技术予以充分的重视。实验技术涉及的知识面比较广，如:机械学、电工学、计算技术、应用光学、液压流体力学、数理统计及现代控制理论等；且实验技术本身随着科学技术的发展，也在日新月异地更新和发展。随着科学技术的发展，液压技术的发展也非常迅速，其应用范围也愈来愈广，因而对它的元件和系统的性能要求也就愈来愈高。因此，为了确定和考核液压系统及其组成元件完整的性能参数、品质指标等所进行的测试、实验工作，也就需要满足更高的要求。液压教学要与液压技术发展同步，需要引进先进技术设备，让学生了解不断发展的液压技术状况，并通过教学实验掌握它们，以培养真正能够适应社会发展的液压技术人才。2.2液压实验设备的基本结构液压实验设备是指在液压实验中，为完成一定的实验目的所使用的设备的总称。它主要包括三部分:实验对象、基本设备和辅助设备。具体如下:(1)实验对象它可以是实际应用的液压元件和系统、新研制的样机；也可以是为某实验目的而专门设计的实验装置，如喷嘴一挡板阀压力静特性实验装置等，这些俗称被试件。(2)基本设备它们是进行液压实验时必备的主要设备。包括有液压源、实验台架和油箱等。(3)辅助设备它们是为完成一定的实验目的所需要的一些附加设备，如加载装置、冷却和加热装置、检测装置、过滤装置、环境模拟实验设备和安全保护装置等。3液压实验的自动化问题对于实验工作者来说，其工作中心之一就是力求探讨简单易行的高效率实验方法、设计制造先进的测试仪器和实验设备。为此，必须经常了解和吸收先进的科学技术成果，并把它们及时引进到现实实验工作中来，以改进或代替原有的实验装置。其目的均在于“快”而“准”地获得所需要的实验数据。概括起来就是要实现实验过程全盘自动化。所谓全盘自动化，就是在没有人参与的情况下，从实验过程的程序控制、过程的监视、实验数据的采集、整理、分析，直到最后以数字显示、打印记录、绘出实验曲线、以信息方式存贮等形式，快而准地提供所要求的实验报告。3.1液压实验的自动化趋势自六十年代以来的二十多年中，电子技术飞速发展，大规模集成电路的出现、数字化仪表的大量应用、数字计算机的推广和使用等，在此基础上，国外已有了以计算机为主题的自动测试系统，由此也出现了一门新的学科一计算机辅助测试。计算机辅助测试所设计的范围除了微型计算机和测试技术外，还有数字信号处理，可靠性及现代控制理论等。液压计算机辅助测试(CAT)是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各种试验参数，如压力、温度、流量、转速、扭矩等参量进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而以高速、高精度完成对液压产品的性能测试。在液压实验全盘自动化的过程中，液压实验领域己广泛引进了计算机，例如美国的MOOG公司制造了由计算机控制的电液伺服阀实验台、日本制钢所拥有的由计算机控制的液压泵性能实验台等。国内近年来有些单位也在着手进行这方面的工作，在计算机辅助实验(CAT)方面已取得了一些较好的成果。其实在液压实验室中，小规模的、局部的自动化仪器和装置己在普遍应用。例如实验参数的自动巡回检测、油温的自动控制装置、实验压力的超压报警和卸荷保护措施、驱动用直流电动机的调速和稳速装置、可程序控制频率特性分析仪、快速富里哀变换分析仪以及各种带BCD输出的和GP-IB接口的数字式测试仪器等，都具有局部的自动功能和有较强的对自动化的适应能力。3.2计算机控制液压自动实验系统的组成计算机控制的领域是非常广泛的，控制对象从小到大，从简单到复杂都可以用计算机控制。计算机既可以控制单个液压元件的运动方向，也可以调节液压系统的压力或流量。既可完成对单个回路参数的简单控制，也可进行复杂规律和多变量解藕控制、最优控制和自适应控制等。以计算机为主体的液压自动实验系统，能够以极高效率、快而准地得到完整的实验数据，保证了数据的精度和可靠性，大大地节约了人力和时间，改善了劳动条件。因此现在计算机控制正逐步广泛应用在液压实验控制系统中。一般以计算机为主体的自动实验系统是由硬件和软件两部分组成。软件是通过计算机能了解的一种高级语言而编辑的专门实验程序和数据处理程序，它可以以磁盘的形式提供。硬件一般包括计算机及其外围设备、实验台和控制装置。由于液压实验系统众多，控制方式不一，下面仅从两种典型的计算机控制液压系统来进行说明。(1)开环控制系统一般的开环控制系统。控制器根据输入值去控制执行元件完成被控参数的要求。在计算机控制中将控制器用计算机代替，计算机的输出信号是数字信号，如果执行机构是数字式元件，如:高速开关阀或数字式比例阀，就可以直接接到液压缸或液压马达上。如果是常规的比例阀或电液伺服阀就需要在计算机输出口接一个数一模转换器(D/A)。(2)闭环控制系统闭环控制系统是将输出信号反馈后和输入信号比较再进行控制的系统，因此具有控制精度高的优点，适合于控制性能要求高的系统。由于计算机完成控制功能的不同，有以下几种方式:计算机作为输入信号处理器的控制系统所示的一个闭环连续控制系统，系统的输入、输出均是模拟量，计算机接收从键盘、数据存储装置或是更高一级管理计算机中获得的原始数据，数据输入该系统前必须经过数一模转换(D/A)，转换成模拟量才行。计算机闭环控制系统(数字控制系统)虽然控制对象可以不相同，控制参数也可以有千差万别的变化，但对于计算机数字控制系统来说都具有共同的工作原理和结构。下面的是一个轧钢厚度控制系统为例进行说明。图中，计算机和数一模转换器及模一数转换器等作为一个数字控制器，代替连续式闭环系统中的求和点和校正电路组成的模拟式控制器，除了实现校正电路功能之外，通过软件还能实现比一般模拟式电路难以实现的功能，获得比较优良的控制功能。为了实现数字信号与模拟信号之间的转换，在计算机输出端采用数一模转换器(D/A)，在反馈回路的厚度传感器后面增加一个模一数转换器(A/D)，以便在计算机上方便地进行信号处理。3.3液压实验自动化的实施方案概括起来说，任何实验设备不外乎要求具有两种功能，一为控制功能；一为测量功能。所谓控制功能一般包括:实验的开始和停止、实验步骤(或程序)的排列、动力源的启动、实验参数的调节等等。此外，更重要的是要求在实验过程中，自动实验系统要具有一定的判断能力，如根据实验所得的数据作出参数调整的判断；出现故障时能及时查出故障所在位置，并作出停止或继续进行的判断。当然，有些控制功能的完成是要人来参与的。至于测量功能是容易理解的，除了在实验过程中测量出各个所需要的参数值外，还要求达到能整理、分析数据，对数据进行运算、显示、记录等，这就是数据处理的能力。上述这两方面的基本功能