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电液比例方向阀测试液压系统设计 摘 要 电液比例方向阀性能测试系统是一套高度自动化的计算机辅助测试系统，能够 完成各种比例方向阀相关性能测试，包括压力特性，流量特性和阶跃响应特性。测 试过程和数据处理完全有计算机实现，测试结果、准确。实际测试结果验证了该系 统的合理性和可靠性。 关键词电液比例方向阀；计算机辅助测试；测试系统 Abstract The electro-hydraulic proportional direction valve perance test system is a highly automated computer aided test system, can complete a variety of proportional direction valve perance test, including the characteristics of pressure, flow characteristics and step response characteristics. The testing process and data processing with computer to realize completely, test result, accurate. The actual test results verify the rationality and reliability of the system. Key words electro-hydraulic proportional direction valve; computer aided test; test system PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 2 前 言 电液比例方向阀在拥有较好的稳态和动态特性的同时， 同伺服阀相比较， 具有 价格低廉，工作可靠，维护简单等优点。当前大量液压系统中都采用了先进的电液 比例阀。电液比例方向阀是电液比例控制系统中的关键元件，其性能的好坏直接影 响到整个系统的工作性能。 本文研制的电液比例方向阀测试系统能够准确的测试各类电液比例方向阀，并 且采用计算机全自动数字化测试，精度高，排除了人为的干扰。同时，能够实时采 集实验数据并绘制曲线，实验结束时能自动打印实验数据报表。方便故障诊断。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 3 目 录 电液比例方向阀测试液压系统设计..................................................................................1 摘 要..................................................................................................................................1 前言......................................................................................................................................2 1.实验装置的方案论证与选择...........................................................................................5 1.1 液压回路系统.........................................................................................................5 1.2 参数测量系统.........................................................................................................5 1.3 数据分析及校正系统.............................................................................................6 1.4 设计题目及参数要求.............................................................................................6 2． 方案设计......................................................................................................................6 2.1 信号采集.................................................................................................................7 2.2 计算机测试.............................................................................................................7 3 测试项目及方法...............................................................................................................8 3.1 压力特性.................................................................................................................8 3.2 流量特性.................................................................................................................8 3.3 阶跃响应特性.........................................................................................................8 4.设计计算.........................................................................................................................10 4.1 液压缸设计计算...................................................................................................10 4.1.1 油缸的设计原则.........................................................................................10 4.1.2 油缸的选型.................................................................................................10 4.1.3 油缸参数计算.............................................................................................11 4.2 泵的选择计算.......................................................................................................11 4.2.1 泵的选择计算原则..................................................................................11 4.2.2 系统流量计算..........................................................................................11 4.2.3 流量计算..................................................................................................12 4.2.4 泵的参数计算.............................................................................................12 4.3 液压泵的驱动功率及电机的选择.......................................................................13 4.3.1 驱动功率计算.............................................................................................13 4.3.2 电动机的选择.............................................................................................13 5 阀的选取计算.................................................................................................................14 5.1 溢流阀的选取.......................................................................................................14 5.1.1 溢流阀的作用.............................................................................................14 5.1.2 溢流阀的选型参数.....................................................................................14 5.2 液控单向阀的选取...............................................................................................14 5.2.1 液控单向阀的作用.....................................................................................14 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 4 5.2．2 液控单向阀选型参数..............................................................................15 5.3 电磁换向阀的选取...............................................................................................15 6 辅助元件的选择计算.....................................................................................................16 6.1 管路.......................................................................................................................16 6.1.1 壁厚的计算.................................................................................................17 6.1.2 内径计算.....................................................................................................17 6.1.3 软管.............................................................................................................18 6.1.4 管接头.........................................................................................................18 6.2 过滤器的选择.......................................................................................................18 6.2.1 过滤器的配置.............................................................................................18 6.2.2 压油过滤器.................................................................................................19 6.2.3 回油过滤器.................................................................................................19 6.3 压力表的选择.......................................................................................................19 6.4 控制阀阀块的设计...............................................................................................19 结束语................................................................................................................................21 参考文献............................................................................................................................22 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 5 1.实验装置的方案论证与选择 电液比例方向阀的稳态性能包括稳态控制特性和稳态负载特性。控制特性用于 表征控制输出量与控制输入量之间的关系；负载特性用于表征在某一设定的控制输 入量时，其响应控制输出量的稳态抗负载干扰性能。一般要测试的项目有流量与输 入信号特性，压力与输入信号特性，流量与阀压降特性，流量与负载压差特性等。 动态性能包括阶跃响应和频率响应特性。阶跃响应特性用以考核电液比例元件的时 域特性，频率响应特性是指被测系统对一组不同频率的等幅正弦输入信号的响应特 性。对于位置控制系统性能实验主要是检测系统对位置控制的精度及其动态响应。 要完成电液比例综合试验，需要构建 3 个系统液压回路系统，参数测量系统和数 据分析及校正系统。 1.1 液压回路系统 选择比较典型的具有 O 型中位机能的四通电液比例方向阀作为实验阀.稳， 动态 性能测试和比例位置控制实验对油路的要求是不一样的。如果选择分开按不同的要 求来组装油路，则可以减短管道长度，减少压力和能量损耗，但是同时也带来了因 更换油路而产生的效率低，组合复杂等问题。反过来如果将两种油路组合起来，通 过开关阀来选择油路，可以减少操作的麻烦。 1.2 参数测量系统 电液比例方向阀测试系统包括两个部分液压测试部分和电气部分。 本测试系统 的液压测试部分原理如图 1 所示。 主要测试比例方向阀的指标特性压力特性、 流量 特性和阶跃响应特性。电气部分主要由 AD /DA 数据采集卡 PCI -9118 、比例 放大器BOSCH 、测控计算机、打印机、压力传感器、流量传感器等组成。其测试 流 程 图 如 图 2 所 示 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 6 1.3 数据分析及校正系统 根据测试要求和测试场合的不同，采用“计算机数据采集卡测试专用软件” 方案，可以对元件进行稳，动态性能检测，常用于临时性，流动性的场合.另外在进 行位置控制性能实验时还需对信号进行校正，以满足系统的动态性能。要测量分析 输出信号，还要对输入信号进行控制，满足综合测试的要求， 1.4 设计题目及参数要求 设计题目电液比例方向阀测试液压系统设计 主要技术参数及要求 液压系统最大工作压力 25MPa， 液压系统流量 100L/Min， 能完成电液比例阀的性能测试 2．方案设计 电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀 芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的 元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。 首先，比例阀必须有一个配套的放大器，它接受来自于计算机，或者 PLC，或 者电位器（滑动变阻器）的控制信号，把 0-20 毫安微弱的信号放大到 0-800 毫安。 计算机的信号太弱了。 然后，放大器把放大的信号传送到电磁阀，电磁阀依据传来的信号大小，克服 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 7 弹簧力，调节推杆的行程，输出流量大约 1 升/分钟,压力随信号变化的控制油。 再后，控制油到达主阀芯的两端，依据不同的压力，推动阀芯移动相应的行程， 因为阀芯本身有锥度的台阶，与阀体组合，不同的行程得到不同的过流面积，再入 口压力稳定的情况下，得到不同的流量。最终实现比例功能。 比例阀是由计算机（或其他） ，放大器，比例电磁铁，锥度台阶的阀芯，入口压 力补偿阀（单联可以不要） ，梭阀，内置卸荷阀（把多余的流量送回油箱）等构成的 一个完整的体系。才能真正实现比例功能。 2.1 信号采集 本测试系统的工作基础是准确的实时数据,因此保证采集数据的准确性是至关 重要。在数据采集过程中必须使用屏蔽电缆,消除外界的信号干扰,保证采集信号的 一致性;信号在采集的时候要经过调理电路进行必要的调整;调理好的数据经放大器 放大送入采样环节;最后经 AD 转换进入测试程序。 压力和流量数据的采集、转换原理如图 3 所示。 其中,数据经 AD 转换后进入测试程序,这道环节是整个测试系统采样的关键。 测 试数据我们并不是全部的读入程序中,而是按照一定的采样频率实时采样,如 10 就 是每秒采样 10 个数据。数据进入采集卡之后,必须要滤波。以往的常用方法是采用 硬件滤波,专用的滤波器不仅价格比较昂贵,而且调整比较有限。本测试系统采用软 件数字滤波,该方法的优点是滤波器是一段程序,可以根据实际情况无限调整;没有 额外的硬件成本。在这里我们采用复合滤波法对信号滤波,及同时采用算术平均值 法、中位值法、惯性滤波法。 2.2 计算机测试 测试计算机采用安装了双 16 位高速 AD /DA 数据采集卡的工业控制计算机,具 有良好的稳定性。本测试系统软件用 Microsoft Visual C 6. 0 编写,界面友好、 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 8 设置简单、操作方便,其界面如图 4 所示。 3 测试项目及方法 3.1 压力特性 这里所指的压力特性是指负载流量 q 0 时的压力特性。测试时由计算机控制 比例溢流阀调节测试压力。测试时将被试比例方向阀的 A、B 出口处的电磁换向阀 关闭,系统供压,计算机给比例阀输入控制信号使阀芯来回运动一个周期,并纪录被 试比例阀 A、B 出口处的压力差值,同时实时绘制测试曲线,如图 5a所示。 3.2 流量特性 流量特性是指负载压降 p 0 时的流量特性。由计算机控制比例溢流阀调节测 试压力。 测试时将被试比例阀的 A、 B 口处的电磁换向阀打开,系统供压,计算机给比 例阀输入控制信号使阀芯来回运动一个周期,并纪录被试比例阀A到B 口的流量值, 同时实时绘制测试曲线,如图 5b所示。 3.3 阶跃响应特性 测试回路与流量特性测试相同,给比例阀的控制信号为阶跃信号,纪录输出的流 量信号。以上 3 种测试得到的试验曲线是判断比例阀好坏 的直接依据,不同故障测试所得的曲线是不一样的,因此我们可以从曲线的诊断 比例阀的故障,如图 5c所示。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 9 从试验测得的特性曲线可以看出,本系统工作完全正常,能够满足测试标准的要 求。同时还有以下优点 1 自动化程度高。 系统中所有的压力调节都是由计算机设定并控制,信号的采 集过程不需要人去操作,最大程度减小了数值读取的误差; 2 计算机给定的信号稳定。稳定的信号是测试的基准,从图 5 可以看出,测试 过程中压力稳定,几乎没有波动;阀芯的运动速度很平稳,曲线非常连续; 3 很好地解决了压力、流量传感器及电流、位移信号的调理, 具有很强的抗 干扰能力。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 10 4.设计计算 4.1 液压缸设计计算 4.1.1 油缸的设计原则 根据主机的动力分析和运动计算，确定液压缸的主要性能参数和尺寸。液压缸 的推力，伸出回缩的速度，作用时间，内径，行程，及活塞杆直径等。根据选定的 工作压力和材料进行液压缸的结构设计，如液压缸的壁厚，缸盖的结构，密封形式， 排气与缓冲等。 4.1.2 油缸的选型 油缸的选型中，应通过所给定的技术参数来计算油缸的基本参数，进而选型。 油缸的基本参数有液压缸的内径，活塞杆的外径，油缸的公称压力等。计算出基 本参数，根据液压传动设计手册油缸参数综合比对进行选型。 油缸按作用类型非为单作用油缸和双作用油缸，本设计中油缸是由伺服阀控 制振动缸，液压缸上装有位移传感器，将活塞杆的位移传至计算机控制系统，进而 控制双缸的同步振动。考虑到液压缸的高温工作环境，为了防止粉尘颗粒等杂物进 入液压缸，对于液压缸的密封方式也要特别注意。 根据主机的要求，按设计手册表 23.6-39（液压传动与控制设计手册） ，选择的 液压的类型， 按表 23.40 选择液压缸的安装方式。 根据主机的动力分析和运动计算， 确定液压缸的主要性能参数和尺寸。如液压缸的推力，伸出回缩的速度，作用时 间，内径，行程，及活塞杆直径等。根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构 设计，如液压缸的壁厚，缸盖的结构，密封形式，排气与缓冲等。 单活塞杆油缸示意图 图 单活塞杆液压油缸示意图 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 11 4.1.3 油缸参数计算 液压缸内径 2 3.57 10 F D P − 2.5 其中 50000FN P25MPa 代入数据得出 46Dmm 活塞杆直径 1 dD ϕ ϕ − ，取ϕ值为 2，由表（23.658−）代入数据得出 32dmm 由液压设计手册表（23.635−选取液压缸参数 内径 50Dmm 活塞杆直径36dmm 液压缸的行程（表23.635−）选取 25Smm 4.2 泵的选择计算 4.2.1 泵的选择计算原则 泵的选型主要根据系统的工况来选择液压泵，泵的主要参数有压力、流量、转 速、效率。为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常 工作压力为泵的额定工作压力的 80左右；要求工作可靠性较高的系统或运动的设 备，系统工作压力为泵的额定工作压力的 60左右。泵的流量要大于系统的最大工 作流量。为了延长泵的使用寿命，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用。 4.2.2 系统流量计算 工况分析液压缸作正弦振动，在振动过程中进入液压缸的液压油是变换的， 正弦振动液压缸达到最大伸出速度时对应系统的最大流量。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 12 4.2.3 流量计算 进入（流出）液压缸的流量q（ 3 /ms）即为系统的流量。 由公式 1 1 60 v q v A 和公式 2 1 4 AD π 得 2 4 60 vD q π 2.6 其中 v为液压缸活塞的速度（/minm） D为液压缸内径（m） q为单个液压缸伸缩时所需流量（/ml s） 最大流量 2 max max 4 60 vD q π 2.7 其中 max 263/15.84/ minvmm sm 代入得 1max 518/qml s 双缸同步得 max 1036qml 4.2.4 泵的参数计算 初步定泵的转速为 1500 / minnr 可计算出泵最大排量为 max max 41.44/ min q Vml n 2.8 工作压力为 P25MPa 由此参考设计手册表 （17 540− − ） 选择泵， 选择泵的类型为轴向斜盘式柱塞泵， 型号为 63 14 1MCYB−− ；排量 63/Vml r ；额定转速为 1500 / minnr ；容 积效率 92η ≥ PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 13 4.3 液压泵的驱动功率及电机的选择 4.3.1 驱动功率计算 由于泵的选择中选择了排量比实际要求排量要大的泵，而缸的运动中所需的功 率比按泵的额定排量计算出的功率要小，因此要按泵的实际工况来选择计算泵的驱 动功率。 根据液压设计手册公式 2 10 NN P P Q p ϕ η 2.9 其中 N P 为泵的额定工作压力（MPa） ； N Q 为泵的额定流量（ 3 /ms） ； P η 为泵的总效率，由液压设计手册查出其中 81 88 P η ，取 85 P η max 31.5 0.98 32 N P P ϕ 2.10 带入公式计算得出 37.6pKW 4.3.2 电动机的选择 在电动机的选择中，为了避免系统临时出现故障所出现的系统所需功率突然增 大的现象，一般选择电机功率时考虑比实际需求功率较大的额定功率，按照系统计 算所得出的驱动功率做参考进行选择。根据西门子电机样本选型 电机型号为 2254YM − 型三相异步电动机 电机的额定功率 45pKW 额 ；转速 1480 / minnr ；效率 0.923η PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 14 5 阀的选取计算 5.1 溢流阀的选取 5.1.1 溢流阀的作用 定压溢流作用在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统 压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢 流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启） 。 安全保护作用系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统 压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢 流阀的调定压力比系统最高工作压力高 10％～20％） 。 实际应用中一般有作卸荷阀用，作远程调压阀，作高低压多级控制阀， 作顺序阀，用于产生背压（串在回油路上） 5.1.2 溢流阀的选型参数 由以上计算出的经过溢流阀的平均流量 53.76/ minqL ，溢流阀在系统中主 要起调压作用，将系统压力稳定在30MPa，避免大的波动。当考虑全部流量经溢流 阀流回油箱时，对应的最大流量为 maxmax 1480 6393.2/ minqn VL 4.1 根据设计手册选取溢流阀为 2Y 型电磁溢流阀，型号为 1 2*20Y DHL∗−− 额定流量为100 /min L ；额定压力32MPa；通径为20mm 5.2 液控单向阀的选取 5.2.1 液控单向阀的作用 液控单向阀在伺服阀的两端分别控制两端的油路的通断，进而可以实现备用伺 服阀的在线切换，保证生产的持续进行。高压油通过一个电磁换向阀控制通入液控 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 15 单向阀，保证单向阀的开启和关闭。 5.2．2 液控单向阀选型参数 系统高压油最高工作压力为30MPa， 参看 Rexroth 公司产品样本， 选取液控单 向阀型号为 104SLAX− ； 最高工作压力为31.5MPa， 最大流量为 550/ minqL 5.3 电磁换向阀的选取 电磁换向阀控制接到液控单向阀高压油的通断。 参看 Rexroth 公司产品样本，选取电磁换向阀型号为 6MSEW− 二位二通电 磁换向阀，最高工作压力为420bar，最大流量 25/ minqL 。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 16 6 辅助元件的选择计算 在液压系统中，液压辅助元件是指那些既不直接参与能量转换，也不直接参与 方向、压力、流量等控制的但又必不可少的元件或装置，主要包括滤油器、蓄能器、 液压导管和管接头、油箱等。虽然它们起辅助作用。但由于数量较多，辅助元件的 故障可能造成整个液压系统的故障。因此，对辅助元件的选择计算必须给与足够的 重视。 6.1 管路 在液压传动中常用的管子有钢管、铜管、橡胶软管以及尼龙管等。内径和壁厚 是选择液压导管的重要参数。导管内径尺寸应与要求的通流能力相适应，壁厚应满 足工作压力和管材的强度要求。 管道内径 管道内径主要由油液的流速与液体流量来确定，直径小，流速高，压力损失大， 甚至产生噪音；直径大，难于弯曲，体积和重量都会增加，显然，合理的选择计算 导管内径是很重要的。 导管内径 d mm 按照通过的最大流量 /minQ L 和允许的流速 / v m s 确定 4.63 Q d v 3.1 其中对于金属管内油液的流速一般的推荐值为 吸油管路取 0.5 2/vm s≤； 压油管路取 2.5 6/vm s≤； 短管道及局部收缩处取 510/vm s； 回油管路取 1.5 3/vm s≤； 泄油管路取 1 /vm s≤。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 武汉科技大学高职高专毕业论文（设计） 17 6.1.1 壁厚的计算 计算公式 2 p pd δ σ ≥ 3.2 钢管 b p n σ σ 3.3 铜管25 p MPaσ≤ 其中 p为工作压力MPa d为导管内径 p σ为许用应力MPa b σ 为抗拉强度MPa n为安全系数， 当7pMPa时，8n ；17.5pMPa时， 4n 6.1.2 内径计算 管路最大流量 max 61.2 / minQL 吸油管路，取1/vm s 内径 max 4.6146.9 Q dmm v ≥ 吸 压油管路，取3/vm s 内径 max 4.6120.98 Q dmm v ≥ 压 回油管路，取1.5/vm s 内径 max 4.6129.68 Q dmm v ≥ 压 泄露管路，取1.5/vm