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一、液壓實訓(xùn)臺動力源的幾種結(jié)構(gòu)形式

液壓傳動實訓(xùn)臺動力源按布置方式分為上置式、非上置式和柜式三種。

①上置式液壓動力源。泵組布置在液壓綜合實驗臺油箱之上的布置方式稱為上置式。上置式布置方式按電動機的擺放位置又可分為立式和臥式。當電動機立式安裝，液壓泵置于液壓PLC控制實驗臺油箱內(nèi)時，稱為立式液壓動力源；當電動機臥式安裝，液壓泵置于液壓傳動演示系統(tǒng)油箱之上時，稱為臥式液壓動力源。

②非上置式液壓動力源。將泵組布置在工程液壓傳動實訓(xùn)臺底座或地基上的液壓動力源稱為非上置式。如果泵組安裝在工程液壓氣動PLC綜合控制實驗臺與油箱一體的公用底座上，則稱為整體型液壓動力源；將泵組單獨安裝在氣動液壓PLC綜合控制實驗臺地基上則稱為分離型液壓動力單元。整體型液壓動力源又可分為旁置式和下置式兩種。

③柜式液壓動力源。將泵組和油箱整體置于透明液壓實訓(xùn)臺封閉型柜體內(nèi)的結(jié)構(gòu)稱為柜式液壓動力源。

二、各種布置的比較

上置式液壓動力源占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，液壓泵置于透明液壓傳動實訓(xùn)裝置油箱內(nèi)的立式安裝動力源，噪聲低且便于收集漏油，一般應(yīng)用于中小功率的液壓泵站。當采用臥式動力源時，由于液壓泵置于油箱之上，必須注意各類液壓泵的吸油高度，以防液壓泵油口處產(chǎn)生過大的真空度，造成氣動實訓(xùn)臺吸空或氣穴現(xiàn)象。

非上置式液壓動力源由于液壓泵置于油箱液面以下，故能有效改善液壓泵的吸入能力，這種氣動PLC控制實驗臺動力源裝置高度低，便于維護，但占地面積大，適用于泵的吸入允許高度受限制，傳動功率較大，而使用空間不受限制，以及開機率低，使用時又要求很快投入運行的場合。新一代的氣動液壓PLC綜合控制實驗室設(shè)備這種布置方式的液壓動力源可以將液壓泵組、油箱組件、控溫組件等集成為一個整體，機構(gòu)做得相當緊湊，并且能保證一定壓力和排量，如近些年來出現(xiàn)的通用性較強的液壓動力單元就是典型代表。

柜式液壓動力源裝置可在氣動實驗臺柜體上方便地布置各類儀表板和電控箱，且外觀整齊美觀，因泵組被柜體封閉而屏蔽了噪聲，同時能有效減少外界污染，其缺點是透明液壓傳動實驗裝置由于需顧及操作和維護的空間及液壓系統(tǒng)的散熱，致使其外形尺寸較大，通常僅在中、小功率場合及液壓傳動實驗室設(shè)備采用。

三、布置方案的選定

考慮到本次透明液壓傳動與氣動綜合控制實驗臺設(shè)計的液壓動力源的實際使用環(huán)境，在滿足壓力和排量要求的前提下，整個系統(tǒng)做得越小越緊湊越好，不僅占地面積小，而且也節(jié)省了不少材料，在這個大前提下，處在體積和布置上向液壓動力單元形式靠近。

因為海水的腐蝕性，透明液壓傳動實訓(xùn)臺液壓動力單元*外層與海水接觸部分材料要選用特殊材料，并且希望這種材料的面積盡量小且形狀規(guī)則，如果液壓傳動實訓(xùn)臺電動機和液壓泵放在油箱外面，這樣必將增加外殼材料表面積，也會使得外殼的形狀相對復(fù)雜隨之而來的裝配和焊接問題就會更多，這里采用將電動機和液壓泵放在油箱內(nèi)部。

一般陸地環(huán)境使用的普通三相異步電動機，電動機外殼內(nèi)是有空氣的，這樣就是需要在電動機軸的出口處加動密封裝置，防止液壓實訓(xùn)臺液壓油進入電動機線圈內(nèi)，因為當海水深度達到6000m時，壓力將達到60MPa，所以對這個密封裝置的要求很高。為解決這個問題，考慮將電動機換成現(xiàn)在較為先進的水下電動機，由于這項技術(shù)屬于較為前沿的技術(shù)，還沒有完整的系統(tǒng)材料，所以下面引用國外某水下電動機的資料。

水下電動機應(yīng)著重考慮電動機耐受水壓以及水的隔離問題，某公司的產(chǎn)品采用了兩種方法。

·耐水壓的機械結(jié)構(gòu)：采用高機械強度材料增加壁厚的機殼以承受水壓及隔離海水。

·平衡壓力結(jié)構(gòu)：電動機內(nèi)部充油，以非金屬膜盒加以封閉，靠此膜盒的伸縮適應(yīng)內(nèi)部油液的熱膨脹以及外部水壓的變動，使電動機內(nèi)外壓力達到平衡。

顯然選用第二種方法的水下電動機比較合理，在還沒有完整資料的情況下，在此基礎(chǔ)上對電動機進行改進，設(shè)計出一個在理論上行得通的水下電動機。電動機的壓力平衡部分一般放在電動機的尾部，改進后的設(shè)計也是從尾部進行。

既然液壓綜合實驗臺選擇的是深海電動機，則電動機的防腐問題在電動機設(shè)計室已經(jīng)考慮了，那么其外殼材料肯定選擇了防腐材料。在這種情況下液壓動力源如與原來的布置一樣，會造成防腐材料的損失，那么就可以將液壓PLC控制實驗臺的電動機放在油箱外面而只將液壓泵放在油箱內(nèi)，這樣會使得液壓動力單元的體積和重量都變小，不足的是其長度會有所增加。

這樣整個液壓傳動實驗室設(shè)備系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)就定下來了，核心問題是考慮怎樣才能使油箱內(nèi)的壓力和海水的壓力相等，或者是使油箱內(nèi)的壓力略大于海水的壓力。

四、油箱的設(shè)計

通常油箱可分為整體式油箱、兩用油箱和獨立油箱三類。

·整體式油箱是指在液壓系統(tǒng)或機器的構(gòu)件內(nèi)形成的油箱。

·兩用油箱是指液壓油與機器中的其他目的的用油的公用油箱。

·獨立油箱是應(yīng)用*為廣泛的一類油箱。

獨立液壓傳動演示系統(tǒng)油箱常用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，一般制成矩形，也有圓柱形或油罐形，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，在材料用量相同的情況下將幽香制成圓柱形所獲得的體積比矩形的大，所以初步選定油箱形狀為圓柱形，電動機的外形一般也是圓柱形的，將電動機和油箱連接在一起后，其形狀還是比較規(guī)則、美觀和統(tǒng)一的。

對于工程液壓傳動實訓(xùn)臺，液壓油的清潔對整個液壓系統(tǒng)的影響是非常大的。雖然憑借著過濾器的吸附能力能保持油液一段時間的清潔，但油液用久了之后肯定還是會因為各種原因，其清潔度不能滿足要求，需對其進行更換，因此可以在圓柱形油箱的內(nèi)壁底部設(shè)計一個排油槽，便于在對工程液壓氣動PLC綜合控制實驗臺液壓系統(tǒng)進行維護時更換液壓油。說到排油問題，圓柱形的油箱就有優(yōu)勢了。因為整個油箱的側(cè)面都成圓弧形，這樣雜質(zhì)回順著油箱壁滑落到油箱*底部的排油槽里，隨著油液往外排出，雜質(zhì)也就很輕松地隨著油液往外排出了。

本氣動液壓PLC綜合控制實驗臺系統(tǒng)的油箱容量按經(jīng)驗公式來計算，因為系統(tǒng)工作時，整個油箱是浸泡在海水里的，并且海底的溫度一般為4℃左右，所以整個系統(tǒng)的散熱習(xí)慣是非常好的，相當于是冷水，沒有必要從散熱的角度來計算油液的容積。

透明液壓實訓(xùn)臺油箱容量*后將油箱的長度選定為68㎝。

五、系統(tǒng)壓力平衡問題的分析

要使系統(tǒng)內(nèi)部油液壓力增大，可以向油箱內(nèi)加入更多的油液，在體積不變的情況下，油液越多壓力就會越大，但是在深海，這種方法是行不通的。另外一種方法是在油液量不變的情況下，減小油液的體積也能增加油液的壓力，下面就針對第二種方法展開分析，有如下八種方案可供選擇。

①活塞結(jié)構(gòu)油箱是利用活塞的可移動特性改進而來，能隨時保持內(nèi)外壓力相同。

活塞可以隨著油箱壁左右移動，當海水的壓力大于油液壓力時活塞就會向右移動，直至油液壓力和海水壓力相同，活塞才停止，這樣氣動實訓(xùn)臺就能保證油液壓力和海水壓力隨時相同，從而就使得系統(tǒng)壓力平衡。這種結(jié)構(gòu)的不足是對活塞的密封和潤滑要求很高，在海水直接接觸活塞導(dǎo)軌這種環(huán)境下，很難滿足密封和潤滑的要求，并且還可能有海底的微生物等其他雜質(zhì)卡在活塞導(dǎo)軌上阻礙活塞的移動。

②海水和活塞導(dǎo)軌直接接觸會導(dǎo)致很多問題，為了避免海水和活塞導(dǎo)軌之間的直接接觸，可以安裝一種材料將活塞與海水隔開，如膠皮就是一個比較好的選擇，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

這種結(jié)構(gòu)使得海水和活塞之間有一膠皮相隔，這樣就避免海水與導(dǎo)軌的接觸而破壞了導(dǎo)軌的潤滑，以及雜質(zhì)的進入而卡住導(dǎo)軌。該結(jié)構(gòu)利用膠皮的良好伸展性，通過膠皮傳遞海水的壓力，從而保證了油箱內(nèi)外壓力保持平衡。

③外置氣囊型結(jié)構(gòu)是在油箱的外面接上一個或數(shù)個裝了油液的氣囊，氣囊中的油液和油箱相通，當液壓裝置還在陸地時，氣動PLC控制實驗臺氣囊是鼓的，當潛入深海時隨著壓力的增大氣囊逐漸被壓扁，從而保證了油箱內(nèi)外壓力的平衡。                            

此氣動液壓PLC綜合控制實驗室設(shè)備結(jié)構(gòu)利用氣囊的良好伸展性和壓縮性，通過對氣囊的壓縮而使油液也被壓縮，進而使得油箱內(nèi)油液壓力升高，系統(tǒng)內(nèi)外壓力也就能平衡了。此種結(jié)構(gòu)必須要通過油箱油液的*大變化率來計算氣囊的大小，這樣才能保證氣囊在被完全壓縮前已經(jīng)能滿足其*大體積變化的需求，同時也盡量不要把氣囊做得太大，否則會帶來一定的不便。在水下作業(yè)時還要注意保護氣囊，避免被一些較尖銳的物品刺破，同時還要作業(yè)氣囊和油箱的接口大小，如果太小，有可能出氣囊面把油液入口堵住的情況。

④內(nèi)置氣囊型結(jié)構(gòu)與外置氣囊型結(jié)構(gòu)位置的氣囊位置相反，氣囊內(nèi)部沒有油液。整個氣囊在油箱內(nèi)部，當油箱內(nèi)部到深海工作時，氣囊內(nèi)部會進入海水，致使油箱內(nèi)部體積減小，油箱受壓，壓力也就隨著海水的壓力變化而變化。此種結(jié)構(gòu)原理和外置氣囊型結(jié)構(gòu)大同小異，主要區(qū)別在于內(nèi)置型的氣囊不易被損壞，但是它的油箱容積沒有外置型的大，同時也要注意計算氣囊的大小，當使用單個氣囊會使氣囊體積過大時，可以考慮多個氣囊。此種結(jié)構(gòu)也可以看成是將方案②中活塞去掉，這樣結(jié)構(gòu)簡化很多，所以可以看成是對方案②的改進。但它在油箱外形大小相同的情況下，所裝的油箱相對較少。

⑤非金屬膜結(jié)構(gòu)與氣囊型結(jié)構(gòu)的原理相同的情況下，但各自的適用范圍有所不同，當表面積較大時，用油膜結(jié)構(gòu)較為合理，因為它有足夠的表面空間；當表面積較小并且內(nèi)部較寬敞時用氣囊型結(jié)構(gòu)較好。

這種結(jié)構(gòu)在鋼質(zhì)圓形油箱的一端加橡膠膜或在方形油箱的5個面上開窗并加橡膠膜，利用橡膠膜的伸縮變形進行壓力平衡和克服體積變化，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于加工。確定是橡膠膜的邊緣易出現(xiàn)疲勞斷裂，密封不可靠。

⑥橡膠罩結(jié)構(gòu)中油箱的6個面只有底面是鋼制材料，其他各個面都是采用整體的橡膠罩，所以整個油箱的變形能力很強。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是變形幅度大，可以達到50﹪以上，能克服較大體積變化的情況，缺點是制造復(fù)雜，高成本，橡膠罩容易形

⑦波紋管結(jié)構(gòu)利用了波紋管的縱向可收縮性，隨時改變管內(nèi)油液的體積，從而改變內(nèi)部的壓力，但是波紋管的可改變體積相對較小，不能滿足某些由于外部系統(tǒng)的原因，而要求油液體積改變較大的情況，并且此結(jié)構(gòu)制作也相對復(fù)雜。

⑧蓄能器狀氣囊結(jié)構(gòu)參照了蓄能器的結(jié)構(gòu)，外形上和蓄能器相似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理和前面所提及的方案③、④相似。

蓄能器狀氣囊結(jié)構(gòu)的氣囊比較大，所以一般情況下需要一個氣囊就能滿足體積變化的要求，而不用像內(nèi)、外置氣囊結(jié)構(gòu)那樣安裝多個氣囊。氣動實驗臺氣囊大了之后容易引起變形，所以就在氣囊外面包一個圓桶狀金屬外殼，來保持氣囊的形狀，同時也可保護氣囊不 被尖銳物品刺破，在圓桶的尾部開了口，使海水與氣囊接觸。使用單個氣囊雖然已經(jīng)能滿足體積變化的要求，但是這是還涉及一個響應(yīng)的問題，因為氣囊外殼尾部的小孔不可能開得太大，在有些情況下，透明液壓傳動與氣動綜合控制實驗臺油箱的體積突然發(fā)生變化，壓力平衡裝置不能馬上響應(yīng)，會造成油箱內(nèi)部壓力小于外界壓力的情況，當然這也是本課題的一個分支問題，本文就只分析道這里。

從以上分析可知各方案工作原理是相同的，共同點都是一個油箱，包含一個能進行彈性變形的部件，當有壓力差存在時，該部件就發(fā)生變形，將壓力傳遞到油液中，從而使油液的體積減小，壓力增大至于外界環(huán)境相等，也就是油箱內(nèi)部的壓力與外界的水壓力達到平衡，這樣，不論多大深度，油箱內(nèi)部的壓力總與外部水壓力相等，油箱殼體所受到的內(nèi)、外壓力相等，壓差為零，實現(xiàn)了對不同水深的壓力補償。通過以上各個方案的比較，*后一個方案是比較合理的，蓄能器狀氣囊結(jié)構(gòu)既能實現(xiàn)油箱較大的體積變化，又便于壓力補償裝置的安裝，也容易計算所能補償體積的大小，氣囊外包著的金屬殼，因而，氣囊不會發(fā)生太大的變形，金屬殼還可有效地防止外界尖銳物品刺破氣囊。

所以本設(shè)計所選用的壓力平衡機構(gòu)是蓄能器狀氣囊結(jié)構(gòu)。方形油箱和圓桶形油箱加了壓力平衡裝置

六、總體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

 透明液壓傳動實驗裝置確定了油箱的端面直徑和長度，還要確定油箱的厚度。雖然油箱有了壓力平衡裝置后，在深海所承受的壓差約為零，但還是要承受較大的內(nèi)壓，同時還會打出許多螺紋孔用于其他部件的安裝和固定，所以選定油箱壁的厚度為10㎜.油箱的制作方法選取鑄造工藝。為了使整個系統(tǒng)便于安裝，油箱的右端面是開通的，整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝完畢后用一塊油箱蓋板將油箱蓋住，為了整個透明液壓傳動實訓(xùn)臺系統(tǒng)注油方便，還在油箱壁的上方開了個注油口。使用蓄能器狀氣囊結(jié)構(gòu)作為壓力平衡結(jié)構(gòu)，考慮到安裝方便，就把其放在油箱的上背面，但是為了系統(tǒng)在初始的狀態(tài)下氣囊內(nèi)就能裝滿有油液，氣囊結(jié)構(gòu)的*高位置要低于油箱壁的*高位置。