液壓教學實驗臺的設計應用

液壓與氣動課程是機械類專業的核心課程，液壓實驗教學手段是保障該課程教學效果的重要條件，因此液壓教學實驗臺的設計、改進與研制成為液壓教學人員關注的重要內容。研制的液壓教學實驗臺注重訓練學生對液壓傳動基礎知識的理解和掌握，把液壓元件認知、液壓系統構成、液壓回路控制綜合在一起，從液壓系統的總體布局、液壓回路的原理分析入手，促進學生理解和掌握液壓傳動基本概念和知識，并在此基礎上向工程應用逐步擴展。研制的液壓教學實驗臺由液壓系統、電氣控制系統和實驗臺架組成，下面分別進行說明。
1、液壓系統組成
液壓教學實驗臺的液壓系統原理如圖1所示，系統包含了8個液壓基本回路: 溢流閥調壓回路A、節流調速回路B、差動快速運動回路C、順序動作回路D、減壓控制回路E、雙泵供油快速運動回路F、自鎖保壓回路G、卸荷回路H等。組成系統的液壓元件包括: 液壓動力元件有齒輪泵、葉片泵和軸向柱塞泵; 液壓控制元件有壓力控制閥: 直動式溢流閥、先導式溢流閥、電磁溢流閥、減壓閥、順序閥等，方向控制閥: 三位四通手動換向閥、三位四通電磁換向閥、三位四通手電一體換向閥、二位三通電磁換向閥、單向閥和液控單向閥組成的雙向液壓鎖等，流量控制閥: 節流閥; 液壓執行元件有3個雙作用液壓缸; 液壓輔助元件包括: 液壓油箱、吸油過濾器、壓油過濾器、回油過濾器、空氣濾清器、液位/溫度計、壓力表、壓力繼電器、球閥、管線和接頭等。
2、液壓回路說明
根據圖1所示的液壓系統原理圖，可以構成8個液壓實驗基本回路，對應的功能區域分別用雙點劃線構成的矩形框包圍，并用英文大寫字母表示出來， 以便甄別和說明。

圖1實驗臺液壓原理圖
2. 1 溢流閥調壓回路
溢流閥調壓回路如圖1中回路A所示。操作時，先啟動齒輪泵2，再調節溢流閥3，觀察壓力表5的壓力指示，可以確定系統的輸出壓力值。為了保證液壓系統正常工作，設定的溢流閥壓力值應高于液壓執行元件的最大工作壓力值1.0MPa以上。
2. 2 節流調速回路
節流調速回路如圖1中回路B所示。節流調速的工作原理是通過調節節流閥的開口面積大小來控制進、出液壓缸工作腔的流量，以實現控制液壓缸運行速度的目的。以液壓缸13的活塞桿伸出過程為控制對象，節流調速回路還可以通過操作節流閥7、8、9分別實現進油節流調速、回油節流調速和旁通節流調速。
(1) 進油節流調速回路
將節流閥8完全關閉，節流閥9完全打開，三位四通電磁換向閥6右位工作，通過調節節流閥7控制液壓缸13的運行速度。液壓油回路: 齒輪泵2→三位四通電磁換向閥6右位→節流閥7→液壓缸13無桿腔; 液壓缸13有桿腔→二位三通電磁換向閥10右位→節流閥9→三位四通電磁換向閥6右位→油箱。
(2) 回油節流調速回路
將節流閥8完全關閉，節流閥7完全打開，三位四通電磁換向閥6左位工作，通過調節節流閥9控制液壓缸13的運行速度。液壓油回路與進油節流相同。
(3) 旁路節流調速回路
將節流閥7、節流閥9完全打開，三位四通電磁換向閥6右位工作，通過調節節流閥8控制液壓缸13的運行速度。液壓油回路: 齒輪泵2→三位四通閥6右位→節流閥7→液壓缸13無桿腔+ 節流閥8→油箱; 液缸13有桿腔→二位三通電磁換向閥10右位→節流閥9→三位四通電磁換向閥6右位→油箱。旁路節流調速的原理是節流閥8構成了一條分支油路，減少了進入液壓缸13無桿腔的流量，從而調節了活塞伸出的速度; 節流閥8的開口越大，液壓缸運行速度越慢。
2. 3 差動回路
差動快速回路如圖1中回路C所示。操作時關閉節流閥8，節流閥7全開，三位四通電磁換向閥6右位工作，二位三通電磁換向閥10左位工作。液壓油回路: 齒輪泵2→三位四通電磁換向閥6右位→節流閥7→液壓缸13無桿腔; 液壓缸13有桿腔→二位三通電磁換向閥10左位+ 齒輪泵2供油→液壓缸13無桿腔。差動快速回路的工作原理是將液壓缸13有桿腔回流的液壓油與液壓泵輸出的液壓油疊加充入液壓缸13無桿腔，增大了供油量，因此增加了活塞的運行速度。液壓缸差動運行時的回路壓力比非差動回路要大。
2. 4 順序動作回路
順序動作回路如圖1中回路D所示。由三位四通電磁換向閥6、21與壓力繼電器11、24和行程開關12、25配合，實現液壓缸13與液壓缸26的順序動作。操作時關閉節流閥9，節流閥7、8全開，調定壓力繼電器11、24的控制壓力。可以按PLC的設定順序進行操作，舉例如下: 先啟動齒輪泵2和葉片泵15，調定溢流閥3和溢流閥16的安全控制壓力;三位四通電磁換向閥6的電磁鐵2YA上電、右位工作，液壓缸13活塞桿伸出，到位后觸發壓力繼電器11動作; 三位四通電磁換向閥21的電磁鐵5YA上電、右位工作，液壓缸26活塞桿伸出，到位后觸發壓力繼電器24動作; 三位四通電磁換向閥6的電磁鐵1YA上電、左位工作，液壓缸13活塞桿縮回，到位后觸發行程開關12動作; 三位四通電磁換向閥21的電磁鐵4YA上電、左位工作，液壓缸26活塞桿縮回，到位后觸發行程開關25動作; 三位四通電磁換向閥6的電磁鐵2YA上電、右位工作，液缸13活塞桿伸出，可以繼續循環實現連續的順序動作。
2. 5 減壓控制回路
減壓控制回路如圖1中回路E所示。操作時，先啟動齒輪泵2或葉片泵15，調定溢流閥3或溢流閥16的安全控制壓力; 三位四通電磁換向閥21的電磁鐵5YA上電、右位工作，液壓缸26活塞桿伸出到達右端，此時調節減壓閥22，觀察壓力表23的壓力指示，可以判斷減壓閥輸出壓力的變化。為了保證減壓回路正常工作，預定的減壓輸出值至少要低于溢流閥的調定值0.5MPa，而且減壓閥的泄油口必須接回油箱。
2. 6 雙泵供油回路
雙泵供油回路如圖1中回路F所示。齒輪泵與葉片泵同時運行，可以實現快速時的雙泵聯合供油、低速時的單泵供油。溢流閥3與外控順序閥20分別設定齒輪泵單獨供油與雙泵供油時系統的最高工作壓力。當液壓缸13的負載很小需要快速運行時，齒輪泵與葉片泵同時向液壓缸供油，液壓缸活塞快速運動; 當液壓缸13負載增大，系統壓力升高，達到順序閥的調定壓力時，葉片泵卸荷，單向閥18截止，齒輪泵單獨向液壓缸13供油，流量減少，液壓缸13的活塞運行速度減慢。
2. 7 自鎖保壓回路
自鎖保壓回路如圖1中回路G所示。操作時，啟動軸向柱塞泵27，電磁溢流閥29加載，手動換向閥右位工作，液壓缸34有桿腔進油; 調整電磁溢流閥29的工作壓力，觀察壓力表30、33的顯示值; 操作手動換向閥回到中位或電磁溢流閥29卸載，觀察壓力表30的顯示值已降低到接近0值，觀察壓力表33的顯示值依然保持在工作壓力狀態。保壓回路的作用是當供油系統卸荷后，仍能保持執行機構處于要求的工作狀態。
2. 8 卸荷回路
卸荷回路如圖1中回路H所示，包括采用換向閥中位機能的卸荷回路和采用電磁溢流閥的卸荷回路。
(1) 采用換向閥中位機能的卸荷回路
軸向柱塞泵27的液壓系統中采用具有H型中位機能的手動換向閥31構成卸荷回路，控制簡單、操作方便。當手動換向閥31處于左位或右位工作時，可以保持電磁溢流閥29調定的系統工作壓力，操作液壓缸34實現工作要求; 當手動換向閥回到中位時，軸向柱塞泵系統卸荷，液壓油路如下: 軸向柱塞泵27→過濾器28→三位四通手動換向閥31中位→油箱。采用換向閥中位機能卸荷的方式只能用在具有1個執行元件工作的回路中。
(2) 采用電磁溢流閥的卸荷回路
軸向柱塞泵系統中，當電磁溢流閥的電磁鐵不通電時，柱塞泵輸出的壓力油經過電磁溢流閥29的泄油腔流回油箱，此時電磁溢流閥29發揮卸荷閥的作用。當電磁溢流閥的電磁鐵通電時，電磁溢流閥起到溢流閥的作用，提供液壓系統的安全工作壓力。采用電磁溢流閥的卸荷回路適用于遠程或自動控制系統。
3、電氣控制系統
液壓教學實驗臺的電氣控制以PLC為核心，選用西門子S7-200 CPU224模塊組與相關電氣元件組成液壓教學實驗臺電氣操作控制系統。PLC通過接收控制按鈕、行程開關和壓力繼電器發出的控制信號，實現對液壓泵的啟動、停止控制，電磁換向閥的換向動作控制，電磁溢流閥的加載和卸載控制; 通過編程，可以實現對液壓執行元件設定的順序控制和自動控制。
3. 1 PLC控制I/O分配
按照按鈕、行程開關、壓力繼電器的順序分別定義輸入點地址號; 按照動力元件、控制元件、檢測元件的順序分配輸出點地址號。液壓教學實驗臺PLC與電氣元件對應的I/O分配如表1所示。
3. 2 電氣控制回路設計
(1) 油泵電機控制主回路設計
驅動液壓泵的三相異步交流電動機的功率均在1kW以下，采用全壓啟動方式啟動，控制主回路如圖2所示。電氣主回路中空氣開關QT有短路保護的作用、交流接觸器KM有欠壓保護的作用、熱繼電器FR有過載保護的作用。

圖2 三相異步電動機控制主回路
(2) 控制回路設計
電氣控制回路如圖3所示，控制回路輸入電源220V，鑰匙開關作為控制電路的總電源開關，急停按鈕可以在緊急情況下關閉整個控制電路，熔斷器作為整個電路的短路保護。電機啟動控制采用220V交流控制回路。液壓控制閥電磁鐵采用24V直流電源供電，因此需要1個直流開關電源進行交、直流轉換。

圖3 控制回路的電源分配圖
3. 3 電氣控制程序設計
電氣控制液壓回路實驗可通過上位機用梯形圖編寫PLC控制程序，用相應的置位、復位指令來實現被控制元件的得電和失電; 采用按鈕、壓力繼電器、行程開關作為觸發信號源，也可以采用PLC內部的時間繼電器實現信號觸發; 被控制元件主要是電磁閥中的電磁鐵以及電動機，按PLC程序的控制輸出進行相應的操作。
4、實驗臺布局特點
研制的液壓教學實驗臺實物圖片如圖4所示，液壓系統布局層次比較清晰，主要特點如下:
(1) 液壓動力元件包含了齒輪泵、葉片泵、柱塞泵，布置在下層底板上，泵的外形、尺寸和管線連接方式清晰可見，有助于學生了解這3種動力元件的基本特征。
(2) 液壓系統涵蓋了多種常規液壓控制元件，全部設置在液壓操作臺面上，而且分模塊組合，有助于學生鑒別和掌握。水平臺面上以集成塊為單元將板式連接的控制閥集成在一起，結構緊湊，展現了液壓元件布局設計的一種方式。
(3) 控制元件采用了手動和電動聯合操控的方式，引導學生正確理解不同操控方式的使用條件和環境，為工程應用奠定基礎。
(4) 液壓輔助元件設置齊全，都布置在可視范圍內，有利于學生掌握其作用和工作原理，以對液壓系統的組成有整體性的認識。
(5) 電氣控制部分安裝在實驗臺架上端，布局緊湊、外觀簡潔，避免了液壓油的污染，安全可靠。
(6) 采用PLC控制，控制回路開發柔性好，學生可以通過對PLC編程，完成不同的控制回路設計，滿足了學以致用的心理期待，有利于提高學生的綜合素質。
5、結束語
研制的液壓教學綜合實驗臺基本涵蓋了液壓教學
大綱的常規液壓動力元件、控制元件、執行元件、輔助元件以及常見的液壓基本回路。液壓與電氣控制元件的綜合，增大了液壓教學實驗臺的操作靈活性與開放性，從學生認知到最終掌握液壓元件與液壓基本回路的應用方面出發，能起到積極的促進作用，有助于訓練和提高學生的綜合實踐能力和創新能力。


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