液压实验台

关于液压综合实验台的设计综述
机械设计制造及其自动化专业学生张宝春
指导老师：陈秀宏
摘要：传统的手工测试系统，结构复杂、成本高、故障率高，测试过程及结果受较多人为因素影响，精度低。

远不能满足现代液压元器件的测试需求。

随着计算机技术、微电子技术、通信技术及传感器技术的不断发展，液压计算机辅助测试系统(CAT)，虚拟仪器技术等现代测试技术，已经成为当今液压测试系统发展的方向。

本文设计并开发了一套用于液压多功能综合试验平台的PLC实时测控系统。

该系统以PLC控制核心，辅以触摸屏提供良好的人机交互平台，通过与上位工控机的通讯，实现数据的高速采集、处理和分析。

这种控制模式，既发挥了PLC控制精度高、抗干扰能力强、可靠性好的特点，有充分利用了工控机良好的数据分析和处理的能力，两者珠联璧合，相得益彰。

关键词：液压实验台液压回路和元件性能 PLC 参数测量
前言：液压实验台是机械专业学生学习液压系统知识的重要实验设备 ,是学生在学习液压理论知识时进行实践论证和综合应用开发的主要手段。

这个液压综合实验台能够比较容易的对常见液压回路和液压元性能进行实验，并且能够对压力、温度、流量、位移、转速等参数进行测量。

多功能液压实验台能全面模拟液压系统常见的各类故障,并可运用嵌入在其中的加速度、压力、流量、温度、液位、污染度、位移等多种传感器检测液压系统在正常或异常状态下的各种信息,可为液压系统、元件的故障机理分析、状态监测及故障诊断技术积累信息,提供数据。

多功能液压实验台用来模拟液压系统及液压元件在工作中发生的常见故障,并对其运行的状态信息、故障征兆进行检测。

液压原理：在一定的机械、电子系统内，依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、传递、放大，实现机械功能的轻巧化、科学化、最大化。

液压回路的基本机能在于以液体压力能的形式进行容易控制的能量传递。

从能量传递方面看：液压技术大致处于机械式能量传递和电气式能量传递之中间位置。

从传动特性方面看：机械传动和液压传动装置可以说有固定的特性，与此相反，液压传动装置和电气传动装置相同，具有无级变速装置的特性，除了恒功率外，还容易实现恒速和恒转矩等特性。

液压技术的特点，一般可以归纳如下：
（1）容易进行无级变速，变速范围广，即能在很宽的范围内很容易地调节力与转矩；
（2）控制性能好，即力、速度、位置等能以很高的响应速度正确地进行控制。

另外，对于电气，机械等其它的控制方式具有很好地适应性，特别是和电气信号处理相结合，可得到优良的响应特性；
（3）动作可靠，操作性能好；
（4）结构和特性上具有适度的柔性；
（5）可以用标准元件构成实现任意复杂机能的回路。

形成这些特点的原因：在于用容积式元件作能力转换器即液压泵和液压执行器，用富有润滑性的油作为工作介质。

液压技术的一般缺点也与液压油有关。

液压流量测量仪表及其发展动态
目前液压行业采用的流量测量仪表按其工作原理来分主要有容积式、速度式及质量式流量计, 但也不乏有基于其他物理原理与规律开发的流量计, 它们业已得到普遍使用或即将推广作用, 如涡街流量计、超声波流量计、热膜(丝) 流量计等。

1 差压式流量计
由把流量转变成静压差的一次装置(节流装置)和把静压差转变成标准信号并显示流量值的二次仪表组成, 常用的一次装置有标准孔板,喷嘴和文丘里管,其作用原理是表达流体能量守恒的伯努利方程和流体连续性方程, 利用节流装置反映出差压与流量的平方关系。

这种流量计具有适应范围大、结构简单、坚固耐用、差压变送器功能多、性能好等特点。

但其输出特性为非线性、量程受制约、且实际使用精度不高。

近几年许多国际知名公司对差压变送器进行了深入的研究与开发, 相继推出了性能优异的智能变送器,
2 容积式流量计
亦称正排量流量计, 主要由转子和计量腔(由流量计壳体内腔所形成) 以及计数机构组成, 流体介质周期性地充满计量腔并推动转子旋转, 其转速正比于流速。

根据转子的形状有罗茨流量计、椭圆齿轮流量计、圆盘流量计、刮板流量计以及近年出现的双转子流量计等。

这类流量计具有测量准确度高、重复性好、对直管段要求不高、介质粘度变化对测量显示值影响较小等特点。

3 涡轮流量计
涡轮流量计是一种速度式流量测量仪表, 由涡轮流量传感器, (包括涡轮、导流器、壳体及磁电传感器) 和显示仪表组成, 其壳体由不导磁的材料制成,导磁的涡轮装在壳体中心轴承上, 当阻力矩与动力矩平衡时, 涡轮转速稳定且正比于流速, 借助于壳体外的非接触式磁电转速传感器将转速信号变换成电频率信号, 送至显示仪表即可显示介质的流量。

传感器中温度补偿装置的完善和发展使流量计不仅适用于压力管路而且扩大了粘度适应范围。

流场畸变的管段, 减少了对直管段的要求; 同时显示仪表实现了智能化和小型化。

涡轮流量计测量准确度高、重复性好、结构轻巧、安装简便、耐压高、线性范围宽。

4 质量流量计
这种流量计有直接式和间接式两大类别。

这类流量计具直接测量质量流量、准确度高、与各种物性参数无关、压力损失小等特点。

这是一种发展中的流量仪表, 目前仍有许多问题需进一步解决, 如流体介质的相态与物性影响问题、零点漂移问题、最佳振动管形状选择问题、管材选择问题等。

液压泵、流量计经过电磁换向阀右位进入单向节流阀、流量计进入液压缸的无杆腔,有杆腔的油液经过流量计、单向节流阀、电磁换向阀的左位、流量计、溢流阀、过滤器回油箱。

反向行程时,电磁换向阀工作在左位,油液流向相反。

调节溢流阀,液压缸产生不同的背压,模拟液压缸的工作负载,测试液压缸不同负载下的动特性曲线,研究液压缸的运行规律。

液压缸泄漏故障模拟由节流截止阀实调节节流截止阀开口度模拟液压缸二腔的外泄漏。

液压缸爬行通过增加负载和泄漏实现。

溢流阀检测
电磁换向阀位于中位,截止阀开启,液压实验台工作在溢流阀、电磁阀检测状态。

电磁阀控制溢流阀工作状态,通过不断更改电磁阀25工作状态,检测溢流阀和电磁阀性能。

液压泵故障模拟与检测
液压泵常见故障为磨损和气穴,齿轮泵是最常见的液压泵,本文以齿轮泵为例研究液压泵故障模拟与检测。

齿轮泵磨损又分为齿轮磨损和侧板磨损。

齿轮磨损故障设置是通过人工打磨主动齿轮上轮齿的啮合面,使其啮合曲线失形,人工模拟磨损,侧板磨损故障设置是根据齿轮泵的出油口工作压力高,磨损概率大的特点,人工打磨侧板靠近出油口端的端面,形成侧板偏磨的故障,气穴故障设置是通过
调整多功能液压实验台中的节流阀使其开口度变小,并将齿轮泵进油口拧松,造成进油口吸入空气,形成气穴。

液压泵故障检测过程:截止阀关闭,电磁换向阀位于中位,液压实验台工作在液压泵的检测状态。

电机开启后,泵工作,油液从油箱截止阀，节流阀进入液压泵,经流量计、溢流阀和、流量计、滤油器回油箱。

溢流阀、调节液压泵的工作压力。

液压泵的状态信息由粘接在液压泵的多路振动传感器、转速计、流量计、压力传感器、油箱中的液位、温度等传感器获取。

液压缸故障模拟与检测
液压缸检测过程:截止阀关闭,液压实验台工作在液压缸检测状态。

液压缸正向行程时,电磁换向阀工作在右位,油液从油阀、截止阀、节流阀
故障加速
在对液压系统进行状态监测与故障诊断时,往往需要监测系统从正常到异常故障状态的运行过程。

如系统正常磨损运行,监测时间长,成本高。

在液压实验台液压油中加入少量水、固体颗粒物可以加速系统磨损,缩短监测时间。

液压油中水、颗粒污染一方面由嵌入在液压实验台污染度传感器检测,另一方面通过定期抽取回路液压油油样,由润滑油液检测实验室分析
污染情况、设备磨损状态并监测系统运行。

结论
经实验,多功能实验台运行可靠、稳定,能全面模拟液压系统、液压元件特别是液压泵、液压缸的故障, 该实验台结构简单，液压回路明晰，利于学生自己组建液压回路。

功能上并不求全求大，充分考虑到本专业学生特点，满足适用性要求，并留下了可扩展的接口并可运用嵌入在实验台中多种传感器实现多源信息采集,能有效地为液压系统的状态监测与故障诊断技术的研究提供科学实验基础和科学的数据、信息依据。

参考文献:
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