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一、液壓實(shí)訓臺動(dòng)力源的幾種結構形式

液壓傳動(dòng)實(shí)訓臺動(dòng)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(dòng)力源。泵組布置在液壓綜合實(shí)驗臺油箱之上的布置方式稱(chēng)為上置式。上置式布置方式按電動(dòng)機的擺放位置又可分為立式和臥式。當電動(dòng)機立式安裝，液壓泵置于液壓PLC控制實(shí)驗臺油箱內時(shí)，稱(chēng)為立式液壓動(dòng)力源；當電動(dòng)機臥式安裝，液壓泵置于液壓傳動(dòng)演示系統油箱之上時(shí)，稱(chēng)為臥式液壓動(dòng)力源。

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

③柜式液壓動(dòng)力源。將泵組和油箱整體置于透明液壓實(shí)訓臺封閉型柜體內的結構稱(chēng)為柜式液壓動(dòng)力源。

二、各種布置的比較

上置式液壓動(dòng)力源占地面積小，結構緊湊，液壓泵置于透明液壓傳動(dòng)實(shí)訓裝置油箱內的立式安裝動(dòng)力源，噪聲低且便于收集漏油，一般應用于中小功率的液壓泵站。當采用臥式動(dòng)力源時(shí)，由于液壓泵置于油箱之上，必須注意各類(lèi)液壓泵的吸油高度，以防液壓泵油口處產(chǎn)生過(guò)大的真空度，造成氣動(dòng)實(shí)訓臺吸空或氣穴現象。

非上置式液壓動(dòng)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(dòng)PLC控制實(shí)驗臺動(dòng)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(dòng)功率較大，而使用空間不受限制，以及開(kāi)機率低，使用時(shí)又要求很快投入運行的場(chǎng)合。新一代的氣動(dòng)液壓PLC綜合控制實(shí)驗室設備這種布置方式的液壓動(dòng)力源可以將液壓泵組、油箱組件、控溫組件等集成為一個(gè)整體，機構做得相當緊湊，并且能保證一定壓力和排量，如近些年來(lái)出現的通用性較強的液壓動(dòng)力單元就是典型代表。

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

三、布置方案的選定

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

因為海水的腐蝕性，透明液壓傳動(dòng)實(shí)訓臺液壓動(dòng)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則，如果液壓傳動(dòng)實(shí)訓臺電動(dòng)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(huì )使得外殼的形狀相對復雜隨之而來(lái)的裝配和焊接問(wèn)題就會(huì )更多，這里采用將電動(dòng)機和液壓泵放在油箱內部。

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

水下電動(dòng)機應著(zhù)重考慮電動(dòng)機耐受水壓以及水的隔離問(wèn)題，某公司的產(chǎn)品采用了兩種方法。

·耐水壓的機械結構：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。

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

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

既然液壓綜合實(shí)驗臺選擇的是深海電動(dòng)機，則電動(dòng)機的防腐問(wèn)題在電動(dòng)機設計室已經(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(dòng)力源如與原來(lái)的布置一樣，會(huì )造成防腐材料的損失，那么就可以將液壓PLC控制實(shí)驗臺的電動(dòng)機放在油箱外面而只將液壓泵放在油箱內，這樣會(huì )使得液壓動(dòng)力單元的體積和重量都變小，不足的是其長(cháng)度會(huì )有所增加。

這樣整個(gè)液壓傳動(dòng)實(shí)驗室設備系統的大致結構就定下來(lái)了，核心問(wèn)題是考慮怎樣才能使油箱內的壓力和海水的壓力相等，或者是使油箱內的壓力略大于海水的壓力。

四、油箱的設計

通常油箱可分為整體式油箱、兩用油箱和獨立油箱三類(lèi)。

·整體式油箱是指在液壓系統或機器的構件內形成的油箱。

·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。

·獨立油箱是應用*為廣泛的一類(lèi)油箱。

獨立液壓傳動(dòng)演示系統油箱常用于工業(yè)生產(chǎn)設備，一般制成矩形，也有圓柱形或油罐形，通過(guò)計算可以發(fā)現，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(dòng)機的外形一般也是圓柱形的，將電動(dòng)機和油箱連接在一起后，其形狀還是比較規則、美觀(guān)和統一的。

對于工程液壓傳動(dòng)實(shí)訓臺，液壓油的清潔對整個(gè)液壓系統的影響是非常大的。雖然憑借著(zhù)過(guò)濾器的吸附能力能保持油液一段時(shí)間的清潔，但油液用久了之后肯定還是會(huì )因為各種原因，其清潔度不能滿(mǎn)足要求，需對其進(jìn)行更換，因此可以在圓柱形油箱的內壁底部設計一個(gè)排油槽，便于在對工程液壓氣動(dòng)PLC綜合控制實(shí)驗臺液壓系統進(jìn)行維護時(shí)更換液壓油。說(shuō)到排油問(wèn)題，圓柱形的油箱就有優(yōu)勢了。因為整個(gè)油箱的側面都成圓弧形，這樣雜質(zhì)回順著(zhù)油箱壁滑落到油箱*底部的排油槽里，隨著(zhù)油液往外排出，雜質(zhì)也就很輕松地隨著(zhù)油液往外排出了。

本氣動(dòng)液壓PLC綜合控制實(shí)驗臺系統的油箱容量按經(jīng)驗公式來(lái)計算，因為系統工作時(shí)，整個(gè)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(gè)系統的散熱習慣是非常好的，相當于是冷水，沒(méi)有必要從散熱的角度來(lái)計算油液的容積。

透明液壓實(shí)訓臺油箱容量*后將油箱的長(cháng)度選定為68㎝。

五、系統壓力平衡問(wèn)題的分析

要使系統內部油液壓力增大，可以向油箱內加入更多的油液，在體積不變的情況下，油液越多壓力就會(huì )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(kāi)分析，有如下八種方案可供選擇。

①活塞結構油箱是利用活塞的可移動(dòng)特性改進(jìn)而來(lái)，能隨時(shí)保持內外壓力相同。

活塞可以隨著(zhù)油箱壁左右移動(dòng)，當海水的壓力大于油液壓力時(shí)活塞就會(huì )向右移動(dòng)，直至油液壓力和海水壓力相同，活塞才停止，這樣氣動(dòng)實(shí)訓臺就能保證油液壓力和海水壓力隨時(shí)相同，從而就使得系統壓力平衡。這種結構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軌這種環(huán)境下，很難滿(mǎn)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)卡在活塞導軌上阻礙活塞的移動(dòng)。

②海水和活塞導軌直接接觸會(huì )導致很多問(wèn)題，為了避免海水和活塞導軌之間的直接接觸，可以安裝一種材料將活塞與海水隔開(kāi)，如膠皮就是一個(gè)比較好的選擇，其結構如圖3-2所示。

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

③外置氣囊型結構是在油箱的外面接上一個(gè)或數個(gè)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(shí)，氣動(dòng)PLC控制實(shí)驗臺氣囊是鼓的，當潛入深海時(shí)隨著(zhù)壓力的增大氣囊逐漸被壓扁，從而保證了油箱內外壓力的平衡。                            

此氣動(dòng)液壓PLC綜合控制實(shí)驗室設備結構利用氣囊的良好伸展性和壓縮性，通過(guò)對氣囊的壓縮而使油液也被壓縮，進(jìn)而使得油箱內油液壓力升高，系統內外壓力也就能平衡了。此種結構必須要通過(guò)油箱油液的*大變化率來(lái)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(mǎn)足其*大體積變化的需求，同時(shí)也盡量不要把氣囊做得太大，否則會(huì )帶來(lái)一定的不便。在水下作業(yè)時(shí)還要注意保護氣囊，避免被一些較尖銳的物品刺破，同時(shí)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內置氣囊型結構與外置氣囊型結構位置的氣囊位置相反，氣囊內部沒(méi)有油液。整個(gè)氣囊在油箱內部，當油箱內部到深海工作時(shí)，氣囊內部會(huì )進(jìn)入海水，致使油箱內部體積減小，油箱受壓，壓力也就隨著(zhù)海水的壓力變化而變化。此種結構原理和外置氣囊型結構大同小異，主要區別在于內置型的氣囊不易被損壞，但是它的油箱容積沒(méi)有外置型的大，同時(shí)也要注意計算氣囊的大小，當使用單個(gè)氣囊會(huì )使氣囊體積過(guò)大時(shí)，可以考慮多個(gè)氣囊。此種結構也可以看成是將方案②中活塞去掉，這樣結構簡(jiǎn)化很多，所以可以看成是對方案②的改進(jìn)。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非金屬膜結構與氣囊型結構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(shí)，用油膜結構較為合理，因為它有足夠的表面空間；當表面積較小并且內部較寬敞時(shí)用氣囊型結構較好。

這種結構在鋼質(zhì)圓形油箱的一端加橡膠膜或在方形油箱的5個(gè)面上開(kāi)窗并加橡膠膜，利用橡膠膜的伸縮變形進(jìn)行壓力平衡和克服體積變化，優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、易于加工。確定是橡膠膜的邊緣易出現疲勞斷裂，密封不可靠。

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

這種結構的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是制造復雜，高成本，橡膠罩容易形

⑦波紋管結構利用了波紋管的縱向可收縮性，隨時(shí)改變管內油液的體積，從而改變內部的壓力，但是波紋管的可改變體積相對較小，不能滿(mǎn)足某些由于外部系統的原因，而要求油液體積改變較大的情況，并且此結構制作也相對復雜。

⑧蓄能器狀氣囊結構參照了蓄能器的結構，外形上和蓄能器相似，內部結構原理和前面所提及的方案③、④相似。

蓄能器狀氣囊結構的氣囊比較大，所以一般情況下需要一個(gè)氣囊就能滿(mǎn)足體積變化的要求，而不用像內、外置氣囊結構那樣安裝多個(gè)氣囊。氣動(dòng)實(shí)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(gè)圓桶狀金屬外殼，來(lái)保持氣囊的形狀，同時(shí)也可保護氣囊不 被尖銳物品刺破，在圓桶的尾部開(kāi)了口，使海水與氣囊接觸。使用單個(gè)氣囊雖然已經(jīng)能滿(mǎn)足體積變化的要求，但是這是還涉及一個(gè)響應的問(wèn)題，因為氣囊外殼尾部的小孔不可能開(kāi)得太大，在有些情況下，透明液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)綜合控制實(shí)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，會(huì )造成油箱內部壓力小于外界壓力的情況，當然這也是本課題的一個(gè)分支問(wèn)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(diǎn)都是一個(gè)油箱，包含一個(gè)能進(jìn)行彈性變形的部件，當有壓力差存在時(shí)，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，油箱內部的壓力總與外部水壓力相等，油箱殼體所受到的內、外壓力相等，壓差為零，實(shí)現了對不同水深的壓力補償。通過(guò)以上各個(gè)方案的比較，*后一個(gè)方案是比較合理的，蓄能器狀氣囊結構既能實(shí)現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(zhù)的金屬殼，因而，氣囊不會(huì )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。

所以本設計所選用的壓力平衡機構是蓄能器狀氣囊結構。方形油箱和圓桶形油箱加了壓力平衡裝置

六、總體系統的結構

 透明液壓傳動(dòng)實(shí)驗裝置確定了油箱的端面直徑和長(cháng)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壓，同時(shí)還會(huì )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(gè)系統便于安裝，油箱的右端面是開(kāi)通的，整個(gè)內部結構安裝完畢后用一塊油箱蓋板將油箱蓋住，為了整個(gè)透明液壓傳動(dòng)實(shí)訓臺系統注油方便，還在油箱壁的上方開(kāi)了個(gè)注油口。使用蓄能器狀氣囊結構作為壓力平衡結構，考慮到安裝方便，就把其放在油箱的上背面，但是為了系統在初始的狀態(tài)下氣囊內就能裝滿(mǎn)有油液，氣囊結構的*高位置要低于油箱壁的*高位置。