（载运工具运用工程专业论文）基于plc的液压教学实验台研究与开发.pdf

摘要 现代液压技术集传动、控制和检测于一体，逐步向数字化利自动化方向发展，这就 要求液压教学能够同步于现代控制技术的发展。液压教学试验和试验台的研究与了f ：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p l c 的液压教 学试验台控制系统的进行了深入研究。提出了包含速度控制回路、压力控制回路、方向 控制回路以及多执行元件控制回路的液压教学试验台模块化设计方案，在新设计的液压 教学试验台上进行了试验，并建立了部分试验模块的计算机仿真模型；设计了基于p l c 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。新研制的液压教 学试验台操作方便、功能完善，模块化的设计便于功能扩充，能够满足液压教学实验的 要求，控制系统能够实现所有试验流程的控制，与上位机联机以后，还能够用于控制理 论与控制算法的试验研究。 关键词：液压实验台，液压回路，控制系统，p l c a bs t r a c t m o d e mh y d r a u l i ct e c h n o l o g yi sa ni n t e g r a t i o no ft r a n s m i s s i o n ，c o n t r o l ，e x a m i n a t i o na n d c o m p u t e r , w h i c hr e q u i r e st e a c h i n go nh y d r a u l i cs h o u l db ei ns t e pw i t ht h eu p t o - d a t ec o n t r o l t e c l m o l o g y t h et e a c h i n ge x p e r i m e n ta n dd e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n td e v i c eo nh y d r a u l i ca r e o n eo ft h em a i nm e t h o d st or e a l i z ei t t h i sp a p e rs t u d ya n dd e v e l o po nh y d r a u l i ct e a c h i n gt e s t b e db a s e do nt h em o d u l a r i z e d e s i g nm e t h o d ，m o d e r n i z ec o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n i q u e l u c u b r a t eo nt h ef u n c t i o na n d s t r u c t u r e ，c o n t r o ls c h e m e ，a n dc o n t r o ls y s t e mo np l co fh y d r a u l i ce x p e r i m e n tt e s t b e d a d v i s et h em o d u l a r i z ed e s i g ns c h e m eo fh y d r a u l i ct e a c h i n gt e s t - b e dw h i c hi n c l u d e ss p e e d c o n t r o l c i r c u i t ，p r e s s u r e c o n t r o lc i r c u i t ，d i r e c t i o nc o n t r o lc i r c u i ta n dm u l t i p e r f o r m c o m p o n e n t sc o n t r o lc i r c u i t ，t r yt h et e s to nt h en e wd e v e l o p e dh y d r a u l i ct e a c h i n gt e s t b e d ， e s t a b l i s hc o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l so fs o m et e s tm o d u l e s ，e d i tt h ec o n t r o lp r o g r a mo ft h e h y d r a u l i ct e a c h i n gt e s t b e d t h en e wh y d r a u l i ct e s t b e di so p e r a t e df a c i l i t y , w h i c hh a sp e r f e c t f u n c t i o n sa n dc a ne x t e n dt h ef u n c t i o nf a c i l i t yw i t ht h em o d u l ed e s i g nm e t h o d ，s a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fh y d r a u l i ct e a c h i n g ；t h ec o n t r o ls y s t e mc a nr e a l i z ea l lt h ec o n t r o lf u n c t i o n so n e x p e r i m e n tf l o w c o n n e c t i n gw i t hc o m p u t e r , t h et e s t b e dc a nb eu s e di n t h er e s e a r c h e x p e r i m e n tp fc o n t r o lm e t h o da n da r i t h m e t i c k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce x p e r i m e n ts y s t e m ，h y d r a u l i cl o o p ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢许煽 训年夕月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及中请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：专争毙蔻 2 唧年多月 导师签名：协2 。吗年月日 k 安人学坝i 论文 第一章绪论 1 1 液压教学实验台研究的目的、意义 随着科学技术的进步，液压技术的发展非常迅速，其应用范围愈来愈广，对液压元 件和系统的性能要求也就愈来愈高。为了确定和考核液压系统及其元件的性能参数、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，以培养能够适应社会发展的液压技术人才。 现代社会日趋激烈的竞争要求从学校走出来的学生能尽快满足社会工作岗位的要 求，对教育的要求越来越高。教学实验与实践结合最紧密，因而其重要性越来越高，如 何充分发挥学校教学实验的作用也就成了教育1 ：作努力的目标。实验教学作为高等学校 教学体系的重要组成部分，对培养大学生的创新意识、动手能力、分析| u j 题和解决问题 的能力有着不可替代的作用。尤其是在知谚 经济时代，培养基础扎实，知识面宽，具有 创新能力、实践能力的高素质人才的过程中，实验教学就显得更加重要。 液压与气压传动技术是机械设计、机械制造和机电一体化等机械类人才知识结构的 重要组成部分。“液压与气压传动”课程是工科院校机械类及机电专业的一门重要的必修 课程。该课程的任务是使学生掌握液压与气压传动的基础知识，掌握各种液压、气动元 件的工作原理、结构特点、应用和选用方法，熟悉常用液压与气压基本回路的功用、组 成和应用场合，了解国内外先进技术成果。由于该课程的理论性和实践性都很强，为了 提高教学效果，在学习理论知识的同时，必须利用实验教学来加强实践能力的培养，让 学生接触实际的回路和元件，了解液压技术的具体应用，培养适合社会需求的人才。 ( 1 ) 实验可以培养学生的开拓性思维、创新能力和探索性 实验能把理论知识与实践操作有机结合起来，有效的提高学生思维的开拓性。教育 家赞可夫说过：“教会学生思考，这对学生来说是一生最有价值的本钱”。他所指的“教 会思考”就是教给学生科学的思维方法。使学生掌握科学的思维方法，是进行思维训练， 培养和提高学生思维能力的重要手段。学生在实验实施过程中必定会遇到多方面的困难 和挫折，而浓厚的兴趣和强烈的责任感促使他们想方设法去战胜困难，尽量寻找解决问 题的新途径，这无疑是在锻炼和培养他们的意志和毅力，拓展他们的思路，增强其自信 心，提高学生创新实践能力。凶此在实验教学中，教师必须通过对实验的改进或设计， 第一章绪论 发挥实验的探究功能，培养学生思维的探索性。 ( 2 ) 实验可以培养观察能力和实验动手能力 液压技术是一门实验的科学，以实验为基础是液压学科的显著特征。液压教学中的 实验不仪是学牛获墩液压传动知识的重要方法和手段，也是激发学生学习兴趣和积极性 训练的科学方法，可以培养学生观察能力、动手能力、思维能力和创新精神。培养学生 实事求是、细致严谨、严肃认真的科学态度，锻炼峰强的意志力；培养尊重科学，热爱 科学，献身科学的科学品质；是培养辩证唯物主义精神的重要途径，具有其他教学手段 所无法替代的重要作用。在教学中，既要注重教师的讲解，更要注意学生的动手实验， 并且将两者有机结合起来，使“讲”和“做”相互渗透，相辅相成，共同促进学生的发展。 ( 3 ) 实验可以促进学生非智力因素的培养提高 实验是进行科学探究的主要方式，是论证猜想和假设的实质性过程，是知识的发 源地和素质提高的有效手段。引导学生积极参与实验，自主地进行实验探究，使每个学 生都获得丰富的、初级的、创新的新体验，新感知，学生亲身经历和体验科学探究活动， 激发了学生学习的兴趣，学会了科学探究的方法，条件允许的情况下，就应多设计一些 实验。 ( 4 ) 实验可以充分调动学生的积极性，培养学生动手实践能力 教学中，凡是学生能做的实验，教师都应安排学生动手去做，充分调动他们参与的 积极性。在实验过程中，教师应起主导作用，不仅仅给学生提供仪器，还要检验学生实 验方案的可行性，对学生实验方案中较大的涉及安全的错误进行纠正，对学生合理的建 议及新颖的实验方案给予肯定和支持，尽可能提供学生实验方案中所需的仪器，并指导 使用。在实验过程中，学生参与了问题提出、猜想假设、制定计划、设计实验、探究实 验、获得结论和交流评价。教师要充分发挥实验室在培养学生创新精神和实践能力方面 的作用，让学生带着自己的问题运用实验加以解决，培养实践能力。2 m 1 1 ，2 液压教学实验台技术现状及发展趋势 最初的实验台只是多个实验仪器的简单组合，科学技术特别足计算机技术的发展， 增加了实验台的实验手段和方法。同时，科学技术的发展是以各学科的发展为基础的， 学科的发展必然要有实验的保证，这也就为实验台的建设提出了更高的要求。对于实验 工作名来说，其工作巾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 2 k 安人学硕i j 论义 时引进到实验工作中来，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的自动化。所谓自动化，就是在没 有人参与的情况下，从实验过程的程序摔制、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e i j 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。 1 2 1 液压实验台自动控制系统 液压实验台的自动控制系统以计算机控制为主。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，极大地节约了 人力和时间。因此，现在计算机控制广泛应用在液压实验控制系统中。b 1 以计算机为主体的自动实验系统由硬件和软件两部分组成。软件是通过计算机高级 语言编写的专门实验程序和数据处理程序，可以以磁盘的形式提供。硬件包括计算机及 其外围设备、实验台和控制装置。由于液压实验系统形式多样，控制方式不一，下面仅 从两种典型的计算机控制液压系统束进行说明。7 3 ( 1 ) 开环控制系统 一般的开环控制系统如图1 1 所示。控制器根据输入值去控制执行元件完成被控参 数的要求。 缝鼙野巫卜甥输尝值卜 图1 1 开环控制系统 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模转换器( d a ) 。 ( 2 ) 闭环控制系统 闭环控制系统将输出信号反馈和输入信号比较后再进行控制，控制精度高，适合于 控制性能要求高的系统。按计算机完成控制功能的不同，可以分为以下几利，方式： 计算机作为输入信号处理器的控制系统 1 第一带绪论 图1 2 所示为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。 图1 2 计算机信号作为输入信号处理器的控制系统 计算机闭环控制系统( 数字控制系统) 控制对象不同，控制参数也可以千变万化，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。 图1 3 所示是一个轧钢厚度控制系统，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f 电路功能之外，还能通过软件实现一般模拟电路难以实现的功能，获得更 好的控制效果。为了实现数字信号与模拟信号的转换，在计算机输出端采用数一模转换 器( d a ) ，在反馈山路的厚度传感器后面增加一个模一数转换器( a d d ) ，以便在计算机 上进行信号处理。 图1 3 轧钢厚度计算机控制系统方框图 1 2 2 液压实验台自动化方案 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。控制功能包括：实验的丌始和停止、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。 测量功能，除了在实验过程巾测黾出各个所需要的参数值外，还要求具有整理、分析数 据，对数据进行运算、显示、记录等数据处理功能。哺3 上述这两方面的基本功能是互相 依赖的。如摔制功能对实验参数的调节就需要根据实时测量的数值，而参数的测帚又是 4 k 立人学顺i ：论义 在控制功能的指挥下进行的。既然这两种功能概括了整个实验过程中的工作，实验自动 化的着眼点也就围绕着它们来进行。 ( 1 ) 控制功能 作为控制功能上的输入指令型式一般有： 触点丌闭 它代表着逻辑状态的变化，是最简单的控制功能输入指令。如液压泵驱动电机的起 动按钮：用电触点压力表的上限触点控制电磁卸荷阀的超压保护装置。当触点处于断开 位置( 逻辑0 状态) ，液压实验系统f 常工作。一旦压力达到上限值，触点闭合，处于 闭合位置( 逻辑1 状态) ，在此控制指令下，电磁卸荷阀线圈通电，系统处于卸荷状态， 即处于故障待查状态。 信号特征量的变化 模拟量信号特征量有振幅、频率、相位等；数字量信号有高、低电平( 或正、负电 平) 状态之分。这种信号的指令是以其特征量的变化来表现的，实验系统必须对它作出 相应的响应。它可以直接控制，也可以与反馈信号比较后，以误差信号的形式来控制。 ( 2 ) 测量功能 一般来讲，实验中任何参数都是可以直接被测量的。 测量功能的任务是必须在规定的时问内快而准地完成被测参数的度量工作，然后以 要求的形式提供测量结果。 在液压实验中，测量的结果主要有下列三种基本形式： 逻辑状态变化 这种形式的测量结果均是由各种触点丌闭装置提供的，如压力继电器、电接点压力 表和温度计等，它们所提供的信号表示被测参数在规定值以上还是以下。由于它们工作 简单、结构也不复杂，相对于别的测量方式，价格也便宜。 量值大小的变化 这种测量结果大都是各种传感器提供的模拟量信号，是比例于被测参数大小的电量 信号。 频率或周期的变化 这种测量结果一般是由产生脉冲输出的参数传感器提供的。以脉冲信号的频率( 或 周期) 的变化表征管被测参数的量值变化。 综上所述，控制功能的实现足通过丌环或闭环系统来执行的。主控信号山人设定或 s 第- 章绪论 编写计算机程序设定，反馈信号由测量功能的各种传感器提供。将主控信号与反馈信号 进行比较以后，以误差信号的形式通过放大后输给执行机构( 如直流伺服电机、步进电 机、电磁铁等) ，完成所要求的控制作用。 1 2 3 液压实验台的发展趋势 随着计算机、多媒体、信息和网络技术的发展，计算机作为一种高效能的信息处理 和传播工具，进入教学领域已是必然趋势。自二十世纪六十年代以来的四十多年中，随 着电子技术飞速发展，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，国外已出现了以计算机为主体的自动测试系统，由此出现了一门新的学 科一计算机辅助测试。计算机辅助测试所涉及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( c a t ) 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，由计算机采集试验数据，如 压力、温度、流量、转速、扭矩等，处理并输出测试结果。随着液压技术、控制理论、 微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠性技术的发展，液压计算机辅助测试 ( c a t ) 也j 下向着高速、高效、智能化、多功能化、多样化发展。1 随着科技进步和对液压实验台要求的彳、= 断提高，利用先进的控制技术( 单片机、 p l c 、计算机等控制装置) 开发新实验台或对原有的实验台进行改造，将液压技术和先 进控制技术进行结合，会极大提高实验台的自动化程度。例如，美国m o o g 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( c a t ) 方 面己取得了一些成果。另外，有人丌始将多媒体技术用于实验台进行辅助实验。随着流 体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术 的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，利用液压仿真软件进行液压实验教学成为了可 能。利用虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称vi ) 技术对液压技术进行实验教学也是现 在实验研究的一个热点。n 0 1 1 3 课题的提出 随着科学技术的发展，现代社会竞争r 趋激烈，因此要求从学校走出来的学生能 尽快满足工作岗位的要求。这样，对教育的要求也越来越高，教学实验是与实践结合最 紧密的环节，因而其重要性也越来越高，如何充分发挥学校教学实验的作用也就成为了 教育4 i 断努力的目标。 6 k 安人学顺l j 论文 实验教学的自动化是现代教学f 、= 断努力的方向，只要根据实际需要，与当日仃科学 技术水平同步，开发高技术水平的实验设备，就能极大的改善设备的利用率，充分发挥 实验设备在教学中的价值。 本课题研究的目的在于摒弃以前采川继电器控制自i 线连接不易更新，功能不易扩展 的缺陷，对原有实验回路进行重新分块设计，并采用p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 为主控单元来改造q c s 0 1 4 型液压教学实验台回路控制系统，以开发出元件 可由学生自己选择，可靠度高，操作容易，回路功能可以扩展，并开发灵活的新型液压 教学台，以更好的发挥液压教学实验的实践性作用。 本课题的意义在于研制一种新型的液压教学实验装置。一方面可以使学生通过实 验教学掌握基本的液压知识，另一方面还可以让他们自己动手设计实验回路，选择液压 元件，编制控制程序，充分挖掘学生的潜力，真正意义上的实现实践教学与理论的统一。 同时也可以使学生学习液压、电子、计算机系统的信号传递及其控制等先进技术。 1 4 本文主要研究内容 本课题的主要任务是对原有的实验台进行功能扩充、改造。采用可编程控制器控制 液压实验台的所有动作，实现液压回路的自动控制。具体包括以下三点： 1 可拆装式液压实验回路模块化设计； 2 基于p l c 的实验台控制系统硬件设计； 3 液压实验同路控制系统软件设计。 7 第二章液胝教学实验台的j j j 能i j 斛勾 第二章液压教学实验台的功能与结构 2 1 基本液压回路 液压系统总足由一些基本回路组成的。液压基本吲路是指一些液压元件与辅助元件 按照一定关系组合，能够实现某种特定功能的油路结构。液压网路按功用可以分为：压 力控制回路一控制整个系统或局部油路的工作压力；速度控制回路一控制和调节执行元 件的速度；方向控制回路一控制执行元件的运动方向的变换和锁停；多执行元件控制回 路一控制几个执行元件相互问的工作循环。 2 1 1 速度l _ g _ i t i , l 回路 速度摔制回路足研究液压系统的速度调节和变换问题，常用的速度控制回路有调速 回路、快速回路、速度换接回路等。调速回路性能往往对整个液压系统的性能起决定性 的影响，特别是那些对执行元件的运动要求较高的液压系统( 如机床液压系统等) 。因 此，调速回路在液压系统中居主导地位，其它基本回路则常是围绕着调速回路进行匹配。 下面分别加以说明。 ( 1 ) 调速回路 按速度的调节方法，调速回路有如下三种型式： 节流凋速 由定量泵供油，依靠流量阀调节流入或流出执行元件的流量实现变速。节流调速回 路根据所用流量控制阀的不同，有普通节流阀的节流调速回路和调速阀调速回路两种： 根据流量控制阀在回路中的位置不同，有进油节流、回油节流和旁路节流。 容积调速 依靠改变变量泵和( 或) 改变变量液压马达的排量米实现变速。按油路循环方式不 同，容积调速回路有开式回路和闭式回路两种。容积调速回路通常有三种基本形式：变 量泵和定量液动机的容积调速回路；定量泵和变量马达的容积渊速回路；变量泵和变量 马达的容积调速回路。 容积节流调速( 联合调速) 依靠变晕泵和流量控制阀的联合调速。它就是由前面两种调速同路进行组合而成， 在此不做详细介绍。 ( 2 ) 快速运动回路 8 长安人学硕士论文 为了提高生产率，一般都要求执行元件在空行程( 或空载) 时做快速运动；对快速 运动回路的要求是：在快速运动时，尽量减小需要液压泵输出的流量，或者在加大液压 泵的输出流量后，但在工作运动时又不致于引起过多的能量消耗。常见的快速运动回路 有液压缸差动连接的快速运动回路、采用蓄能器的快速运动回路和双泵供油的快速运动 回路。 ( 3 ) 速度换接回路 速度换接回路用来实现运动速度的变换，即在原来设计或调节好的几种运动速度 中，从一种速度换成另一种速度。速度换接回路中常有快进速度与工作速度换接和两种 工作速度问的换接两种。 2 1 2 压力控制回路 压力控制回路是用压力阀来控制和调节液压系统主油路或某一支路的压力，以满足 执行元件所需的力或力矩的要求。利用压力控制回路可实现对系统进行调压( 稳压) 、 减压、增压、卸荷、保压与平衡等控制。 ( 1 ) 调压回路 液压系统工作时，液压泵应向系统提供所需压力的液压油，同时，又能节省能源， 减少油液发热，提高执行元件运动的平稳性。所以，应设置调压或限压回路。调压回路 可分为单级调压、二级调压和多级调压回路。当液压泵一直工作在系统的调定压力时， 就要通过溢流阀调节并稳定液压泵的工作压力。在变量泵系统中或旁路节流调速系统中 用溢流阀( 当安全阀用) 限制系统的最高安全压力。当系统在不同的工作时间内需要有 不同的工作压力，可采用二级或多级调压回路。 ( 2 ) 减压回路 当泵的输出压力是高压而局部回路或支路要求低压时，可以采用减压回路，如机床 液压系统中的定位、夹紧、回路分度以及液压元件的控制油路等。减压回路较为简单， 一般是在所需低压的支路上串接减压阀。采用减压回路虽能方便地获得某支路稳定的低 压，但压力油经减压阀口时要产生压力损失，这是它的缺点。 ( 3 ) 卸荷回路 在液压系统工作中，有时执行元件短时间停止工作，不需要液压系统传递能量，或 者执行元件在某段工作时间内保持一定的力，而运动速度极慢，甚至停止运动，在这种 情况下，不需要液压泵输出油液，或只需要很小流量的液压油，于是液压泵输出的压力 q 第一二章液压教学实验台的功能! j 结构 油全部或绝大部分从溢流阀流回油箱，造成能量的无谓消耗，引起油液发热，使油液加 快变质，而且还影响液压系统的性能及泵的寿命。为此，需要采用卸荷回路，即卸荷回 路的功用是指在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下，使液压泵在功率输出接近于零 的情况下运转，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电动机的寿命。卸荷回路可 分为执行元件需要保压和不需要保压的卸荷回路两种。 ( 4 ) 增压回路 如果系统或系统的某一支油路需要压力较高但流量又不大的压力油，而采用高压泵 又不经济，或者根本就没有必要增设高压力的液压泵时，就常采用增压回路，这样不仅 易于选择液压泵，而且系统工作较可靠，噪声小。增压回路中提高压力的主要元件是增 压缸或增压器。减压回路可分为单作用增压缸的增压回路和双作用增压缸的增压回路。 ( 5 ) 保压回路 在液压系统中，常要求液压执行机构在一定的行程位置上停止运动或在有微小的位 移下稳定地维持住定的压力，这就要采用保压回路。最简单的保压回路是密封性能较 好的液控单向阀的回路。常见的保压回路有：利用液压泵的保压回路、利用蓄能器的保 压回路和自动补油保压回路。 ( 6 ) 平衡回路 平衡回路的功用在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重 而自行下落。主要有采用单向顺序阀的平衡回路和采用液控顺序阀的平衡回路。 2 1 3 方向控制回路 方向控制回路的作用是利用各种方向阀来控制液压系统中液流的方向和通断，以使 执行元件换向、启动和停止( 包括锁紧) 。常用的有两种：换向回路与锁紧回路。 ( 1 ) 换向回路 运动部件的换向，一般可采用各种换向阀来实现。在容积调速的闭式回路中，也可 以利用双向变量泵控制油流的方向来实现液压缸( 或液压马达) 的换向。常用的换向回 路有电磁换向阀的换向回路、手动转阀( 先导阀) 控制液动换向阀的换向回路和采用二 位三道换向阀进行换向的回路。在机床央具、油压机和起重机等不需要自动换向的场合， 常常采用手动换向阀来进行换向。 ( 2 ) 锁紧回路 为了使工作部件能在任意位置上停留，以及在停止工作时，防止在受力的情况下发 1 0 长安大学顾十论文 生移动，可以采用锁紧回路。常见的有采用液控单向阀的锁紧回路和采用o 型或m 型 机能的三位换向阀的锁紧回路。 2 1 4 多执行元件控制回路 在一个液压系统中，如果由一个油源给多个执行元件供油，各执行元件会因回路中 压力、流量的相互影响而在动作上受到牵制。我们可以通过压力、流量、行程控制来实 现多执行元件预定动作的要求，这种控制回路就称为多执行元件控制回路。多执行元件 控制回路又分为顺序动作回路、同步回路、互不干扰回路和多路换向阀控制回路四种。 ( i ) 顺序动作回路 在多缸液压系统中，往往需要按照一定的要求顺序动作。例如，自动车床中刀架的 纵横向运动，夹紧机构的定位和央紧等。 顺序动作回路按其控制方式不同，分为压力控制、行程控制和时间控制三类，其中 前两类用得较多。 ( 2 ) 同步回路 同步回路的功用是：保证系统中的两个或多个缸( 马达) 在运动中以相同的位移或 相同的速度( 或固定的速比) 运动。在多缸系统中，影响同步精度的因素很多，如：缸 的外负载、泄漏、摩擦阻力、制造精度、结构弹性变形以及油液中含气量，都会使运动 不同步。为此，同步回路应尽量克服或减少上述因素的影响。 同步回路可以分为容积式同步回路、节流式同步回路。 ( 3 ) 互不干扰回路 在一泵多缸的液压系统中，往往其中一个液压缸快速运动，会造成系统的压力下降， 影响其他液压缸工作进给的稳定性。因此，在工作进给要求比较稳定的多缸液压系统中， 必须采用快慢速互不干涉回路。 ( 4 ) 多路换向阀控制回路 2 2 液压教学实验台模块化设计 通过对液压基本回路的分析，结合己有实验台的实际情况对实验台的回路进行重新 设计，共分成三大模块：调速回路块、压力回路块和多执行元件回路块。借助三大模块 能完成十多种液压基本回路实验。学生也可以自行设计回路，选择回路模块以外的元件 自己组装，并通过编制相应的p l c 控制程序来实现变换。下面分别对各个回路块的功 能进行简要说明。 1 1 第一二章液压教学实验台的功能j 结构 2 2 1 速度控制回路块 1 定量泵三种节流形式的调速回路 这三种调速回路分别是进油节流调速、回油节流调速、旁路节流调速回路。以下对 各种回路功能进行具体说明。1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 ( 1 ) 进油节流调速 节流阀串联在液压泵和液压缸之间，用它来控制进入液压缸的流量，达到调节液压 缸运动速度的目的，定量泵多余的油液通过溢流阀回油箱。功能如图2 1 所示。 鬟嬲缀芝麓：篓冀潍馋糠粉 壤缓 绺 6 图2 1速度控制回路功能图 进油节流调速电磁铁通断如表2 1 所示。实验台通电后按“进油调速回路”按钮启动 该回路，进行实验的准备工作，完成以后接着按“自动操作启动”按钮，回路开始自动运 行，其过程如下：负载缸2 6 活塞杆伸出，然后是工作缸2 5 活塞杆伸出，通过变更负载 回路端的比例溢流阀1 0 的控制电流和改变比例调速阀1 1 控制电流，进而分别改变负载 压力和工作缸速度；当工作缸活塞杆触动行程开关4 x q 后，工作缸2 5 活塞杆先缩回， 触动行程开关1 x q 后，负载缸2 6 活塞杆缩回，一次实验完成。若是要结束实验，先用 “复位”按钮使回路复位，再停止变量泵5 和定量泵6 ，最后关闭电源。 1 2 长安大学硕卜论文 表2 1进油节流调速电磁铁通断表 泌 l d t2 d t3 d t4 d t5 d t6 d t 输出信号 加载缸进 + 工作缸进+4 x q 工作缸退 + l x o 加载缸退+ ( 2 ) 回油节流调速 节流阀串联在液压缸的回油路上，用它来控制液压缸的排油量，也就控制了液压缸 的进油量，达到调节液压缸运动速度的目的，定量泵多余的油液通过溢流阀回油箱。泵 的出口压力即为溢流阀的调整压力，并基本保持定值。其调速原理见图2 1 。电磁铁通 断如表2 2 所示。 实验台通电后按“回油调速回路”按钮启动该回路，进行实验的准备工作；接着按“自 动操作启动”按钮，回路便开始自动运行，其过程如下：负载缸2 6 活塞杆伸出，达到设 定时间后工作缸2 5 活塞杆快速伸出，当工作缸活塞杆触动行程开关2 x q 后，工作缸 2 5 活塞杆工进，此时通过手动调节回油路上的调速阀1 2 开度及控制程序自动变更比例 溢流阀1 0 的控制电流分别改变工作缸速度和负载压力，当工作缸活塞杆触动行程开关 4 x q 后，工作缸2 5 活塞杆缩回，触动行程开关1x q 后，负载缸2 6 活塞杆缩回，一次 实验完成。 表2 2 回油节流调速电磁铁通断表 1 d t 2 d t3 d t4 d t5 d t 6 d t7 d t 输出信号 加载缸进+ t 作缸快进 + 2 x q 工作缸工进 + 4 x q 上作缸快退+i x q 加载缸退+ ( 3 ) 旁路节流调速 这种回路由定量泵、安全阀、液压缸和节流阀组成，节流阀安装在与液压缸并联的 旁油路上，其调速功能参见图2 1 。回路电磁铁通断如表2 3 所示。 实验台通电后按“旁路调速回路”按钮启动该回路，和前面的回路一样，启动两个泵 并调定回路最大压力，回路自动运行后过程与前面回路类似，主要区别在于工作缸2 5 工进时手动调节旁油路上的节流阀1 5 开度和控制程序自动变更比例溢流阀l o 控制电流 1 3 第二章液胝教学实验台的功能与结构 分别改变工作缸速度和负载压力，实现旁路节流。 表2 3 旁路节流调速回路电磁铁通断表 缪 1 d t2 d t3 d t4 d t5 d t6 d t7 d t8 d t输出信号 况 加载缸进+ 1 ：作缸快进+ 2 x q 丁：作缸t 进+ + +4 x q 上作缸退+ +1 x q 加载缸退+ 2 速度换接回路 我们可以通过控制比例调速阀开口和工作缸回油路上的两个单向调速阀开度来实 现多种速度换接功能，这里以表2 4 所示电磁铁通断状况的回路为例进行说明。实验台 通电后按“速度换接回路”按钮启动该回路，如前面回路一样，回路自动运行后，工作缸 2 5 先快进，触动行程开关2 x q 后，在单向调速阀1 2 作用下i 工进，触动行程开关3 x q 后，工作缸2 5 在单向调速阀1 2 和1 3 共同作用下i i 工进，速度由快逐渐变慢。一次实 验完成后，也如前面回路来选择再做一次实验或结束实验。两种工进速度分别通过调节 单向调速阀1 2 和同时调节单向调速阀1 2 ，1 3 的开度来改变，且两个单向阀开度都调节 在比较小的位置。 表2 4 速度换接回路电磁阀通断表 j 。泌 l d t2 d t3 d t4 d t5 d t6 d t7 d t9 d t输出信号 加载缸进+ = 作缸快进+ 2 x q 丁作缸i 上进+ 3 x q 上作缸i i 工 +4 x q 进 工作缸退t+l x q 加载缸退 2 2 2 压力控制回路块 压力控制回路块功能图如图2 2 所示。它主要实现减压、二级调压、保压卸荷和平 衡回路功能，采用定量泵6 为工作缸2 5 供油，通过转换开关选择进入该模块。下面针 对不同回路功能进行具体说明。 1 4 长安大学硕十论文 1 减压回路 当泵的输出压力是高压而局部回路或支路要求低压时，可以采用减压回路，如机床 液压系统中的定位、夹紧、回路分度以及液压元件的控制油路等。它们往往要求比主油 路较低的压力。减压回路电磁铁通断如表2 5 所示。 实验台通电后按“减压回路”按钮启动该回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量泵6 ， 调定溢流阀7 压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，其具 体过程为：工作缸2 5 活塞杆先伸出，同时调节减压阀i s 开度，通过测压点2 接压力表 测量减压后的压力即为工作缸工作压力，触动行程开关3 x q 后，工作缸2 5 活塞杆缩回， 一次实验完成。如要结束实验，先按“复位”按钮使回路复位，再停止定量泵6 ，关闭电 源。实验中通过调节减压阀的丌度来变工作缸工作压力。 图2 2 压力控制回路功能图 表2 5 减压回路电磁铁通断表 一泌 l d t2 d t3 d t4 d t5 d t 输山信号 t 作缸进+ 工作缸退+ 2 二级调压回路 该回路可实现两种不同的系统压力控制。由先导型溢流阀9 和直动式溢流阀8 各调 一级。电磁铁通断如表2 6 所示。 实验台通电后按“二级调压回路”按钮启动该回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量 泵6 ，调节溢流阀7 压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行， 15 第_ 二章液压教学实验台的功能j 结构 具体过程为：工作缸2 5 活塞杆伸出，此时溢流阀8 调定第一级压力，工作缸活塞杆开 始i 工进，触动行程开关2 x q 后，此时溢流阀9 调定第二级压力，工作缸活塞杆开始 i i 工进，触动程开关3 x q 后，工作缸活塞杆缩回，一次实验完成。实验中通过调节溢 流阀8 和9 的开度改变各级压力，由测压点1 和2 接压力表显示各级压力，并且溢流阀 9 的调定压力比溢流阀8 高。若将阀8 与阀1 9 对换位置，则仍可进行二级调压，并且 在二级压力转换点上获得比图2 2 所示回路更为稳定的压力转换。 表2 6 二级调压回路电磁铁通断表 1 d t2 d t3 d t 4 d t5 d t 输出信号 工作缸i1 进+ + 2 x q 上作缸i i 丁进+ + 3 x q 上作缸退 + 3 平衡回路 平衡回路的功用在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重 而自行下落。其原理是：当电磁铁1 d t 得电后活塞下行时，回油路上就存在着一定的 背压；只要将这个背压调得能支承住活塞和与之相连的工作部件自重，活塞就可以平稳 地下落。当换向阀处于中位时，活塞就停止运动，不再继续下移。这种回路当活塞向下 快速运动时功率损失大，锁住时活塞和与之相连的工作部件会因单向顺序阀和换向阀的 泄漏而缓慢下落，因此它只适用于工作部件重量不大、活塞锁住时定位要求不高的场合。 电磁铁通断如表2 7 所示。实验台通电后按“平衡回路”按钮启动回路，再按定量泵 “启动”按钮启动定量泵6 ，调定溢流阀7 压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动” 按钮，回路自动运行，具体过程为：工作缸2 5 活塞杆伸出，调节回油路上的单向顺序 阀1 4 的开度使工作缸活塞杆平缓伸出，触动行程开关3 x q 后，工作缸活塞杆缩回， 一次实验完成。实验中通过在活塞杆端增加砝码改变负载，相应调节单向顺序阀1 4 开 度使缸平缓伸出，实现平衡功能。 表2 7 平衡回路电磁铁通断表 泌 1 d t2 d t3 d t4 d t 5 d t 输出信号 工作缸进+ 上 3 x q j ：作缸退+ 1 6 长安大学硕j j 论文 4 卸荷回路 在液压系统工作中，有时执行元件短时间停止工作，不需要液压系统传递能量，或 者执行元件在某段工作时间内保持一定的力，而运动速度极慢，甚至停止运动，在这种 情况下，不需要液压泵输出油液，或只需要很小流量的液压油，于是液压泵输出的压力 油全部或绝大部分从溢流阀流回油箱，造成能量的无谓消耗，引起油液发热，使油液加 快变质，而且还影响液压系统的性能及泵的寿命。为此，需要采用卸荷回路，即卸荷回 路的功用是指在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下，使液压泵在功率输出接近于零 的情况下运转，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电动机的寿命。 电磁铁通断如表2 8 所示。实验台通电后按“保压回路”按钮启动回路，如平衡回路 一样，启动定量泵6 和调定回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行， 具体过程为：工作缸2 5 活塞杆伸出，当回路压力上升到压力继电器设定压力，泵开始 卸荷，由单向阀锁住工作缸工作压力，卸荷达到设定时间后工作缸2 5 活塞杆缩回，一 次实验完成。实验中通过改变压力继电器设定值来改变工作回路的保持压力。 表2 8 保压卸荷回路电磁铁通断表 斧 1 d t2 d t3 d t4 d t5 d t 输出信号 工作缸进+ d f 卸荷+ 3 x q 工作缸退+ 2 2 3 多执行元件回路块 多执行元件回路块功能如图2 - 3 所示。它主要可以实现双缸顺序动作和双缸同步动 作，采用变量泵5 进行供油，通过转换开关选择进入该模块。下面对这两个回路进行具 体说明。 1 双缸顺序动作 双缸顺序动作回路电磁铁通断如表2 9 所示。实验台通电后按“顺序回路”按钮启动 回路，再按变量泵“启动”按钮启动变量泵5 ，调定溢流阀7 压力为回路最大压力，接着 按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为：缸2 5 活塞杆伸出，触动行程开 关2 x q 后，缸2 6 活塞杆开始伸出；在缸2 6 活塞杆触动行程开关4 x q 后，缸2 5 活塞 杆缩回；缸2 5 活塞杆触动行程开关1x q 后，缸2 6 活塞杆缩回，触动行程开关3 x q 后，变量泵5 停止，一次实验结束。若要结束实验，先按“复位”按钮使回路复位，再关 1 7 第二章液压教学实验俞的功能j 结构 闭电源。该回路利用行程开关来实现双缸的顺序动作，也可利用可编程控制器的定时器 设定时间束实现缸顺序伸出和缩回，也可将二者结合起来共同实现。 图2 3 多执行元件控制回路功能图 表2 9 顺序动作回路电磁铁通断表 义绺 1 d t2 d t3 d t4 d t5 d t 6 d t 输出信号 况 缸i 进+2 x q 缸i i 进+4 x o 缸i 退+1 x q 缸i i 退+ 3 x q 1 8 长安大学硕十论文 2 同步回路 使两个或两个以上的液压缸，在运动中保持相同位移或相同速度的回路称为同步回 路。在一泵多缸的系统中，尽管液压缸的有效工作面积相等，但是由于运动中所受负载 不均衡，摩擦阻力也不相等，泄漏量的不同以及制造上的误差等，不能使液压缸同步动 作。同步回路的作用就是为了克服这些影响，补偿它们在流量上所造成的变化。 电磁铁通断如表2 1 0 所示。实验台通电后按“同步回路”按钮启动回路，调定溢流 阀7 压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为： 通过调节单向调速阀1 2 、1 3 的开度使缸2 5 、缸2 6 活塞杆同时伸出，触动行程终点行 程开关后，两个缸活塞杆同时缩回，一次实验结束。同双缸顺序回路一样选择重做实验