液压与气压传动作为现代高校机械专业中的一门专业课，对现代工业发展有很大的意义。很多高校中使用的实验教具仍是传统式的液压教学实验台，其单调的操作性和固定的元件不足以发挥学生的创造性。为了实现高校中让学生发挥自身才能和提高创新思维的理念，本课题目的是设计一种能让学生自行完成设计性实验的液压气动综合设计型实验台结构。

　　本课题主要设计液压气动系统设计型实验台的总体方案和液压气动系统设计型实验台的安装结构和台架结构，用SolidWorks和AutoCAD对设计结构进行建模以得到详细的工程图，最终得到该设计型实验台的设计加工方案。

　　在本课题的设计中，采取现代的快速安装结构，将每一实验所用到的元件都安装上这一种结构，可以直接实现元件在实验面板上的快速插装，方便学生操作。经实验验证，该设计型实验台能够实现多种液压气动功能回路，满足现实高校教育需要。

　　本次设计的液压气动系统设计型实验台结构不但可以培养学生的在理论知识上的创性能力，有效地提高学生的实验数据分析能力，还能为日后类似的现代设计型实验结构设计提供参考。

　　我国是全球的一大制造大国，每年制造业的发展越来越快，对制造方面的要求亦是越来越高，其中机械制造方面尤为突出。但是与机械制造方面相比，液压传动这一门技术的开始较晚，但是因为其特别性而发展飞快，对于我国制造业的发展不可谓不重要。液压传动技术在实际生活上运用得极为广泛，基于帕斯卡原理和伯努利方程，得以利用液体的流动及其压力完成各种领域内的一系列工作。这一系列的工作无论上至工业制造中机密的液压机构，还是下至简单的普通液压回路，这些都离不开那些组成液压传动的理论。从18世纪末，英国的第一台水压机的产生到现在工业中自动化程度越来越高的高精度液压系统，液压技术已有较大跨度的发展，不断向着自动化、检测控制等方向前进，现在已经在液压传动技术中形成了这样一种向着更智能化、更一体集成化的趋势[1]。液压传动技术这一门学科从基本上就是用于学习能源装置、调控装置、辅助装置、执行装置以及传动介质以及五者之间的相互配合，同时又可根据这五种部件之间的不同组合而形成各种方便生产制造的功能回路。

　　而气动技术与液压技术相比，在历史时间上是早了很多，凭借其一些优越性，在工业上的使用也是越来越广泛。它与液压传动相比各有各的好处，对于一些高温、有易燃物质的工作环境，采用以空气为主的气压传动方式就特别能突出其性能。近年来气动技术渐渐地从原本运用较多的机械、和冶炼等工业扩展到食品、轻工等领域里，其自动化程度与液压传动技术已有很大的成果，在未来一段时间内，气动技术会一直往高速、稳定、精确和一体集成方向发展。

　　因为液压传动和气动技术带给了我国发展如此之多的助力，我国也有越来越多的人才投身到这一个领域继续钻研和传承，这两门技术在我国本科教育中亦愈发普及，但是液压与气压传动这一门科目的知识也是比较抽象，运用在本科教育中必须借助相对应的实验器材对理论知识的学习加以辅助，是学生们更好地去了解液压气动技术的基础原理及知识背景，只有理解了基础原理才能在实践运用好所学的知识，也有知道了知识背景才明白这一门学科在开创初期对当时社会有什么作用，与现代相比有什么不同的地方，才能根据现代情况去确定日后的发展趋势，引领技术不断发展。因此在液压气动上的实验器材对本科教育与设计检验具有重要意义，液压气动实验台是近年来本科教育中运用得最多的实验器具，而能充分发挥出学生们在于创新性实验设计方面的实验台则是我们现在所需要的。

　　国内近几十年来在液压气动实验台方面有很多种形式的产品，在以前的高校里用的都是那些以测量为主的传统液压气动实验台，这一种实验台的实验油压较小，实验所用的元件亦是以固定的形式安装在实验台上。因此学生们去实验室做实验验证理论时，他们所做的工作几乎是在几个普通的功能回路上记录数据，学习一下实验台的操作方式而已。这种实践方式对于本科教育来讲是远远不够的，现在高校愈来注重学生个人能力的发展和理论知识的应用，希望他们在经过本科几年的学习后能够学以致用。

　　秦川机床厂生产制造的QCS系列液压实验台则是传统试验台的代表，在秦川液压实验台的QCS系列中，有QCS001液压透明回路实验教学台、QCS002压力及液体阻力实验教学台，又或是QCS003B节流调速教学实验台[2]。此类实验台在以前教学使用较多，但是相对现在来说，缺点在这些教学实验台都是元件固定式的，一个实验台只能对应一种功能回路。总的来说，旧式的传统型液压气动实验台上的调控元件和执行元件的位置不能改变，实验台所能实现的实验功能单一，对于本科教学来说有局限性。

　　与传统教学实验台相比，现代新型教学实验台以综合性强为重点，其液压实验台、计算机控制技术以及自动化有机结合，形成以机电液一体化教学实验台为主的新型教学设备[3]。这一代新型液压气动实验教学设备以透明式和快速安装式以及仿真型这三种形式的实验台为主。透明式教学实验台的突出点在于实验台上的阀件和油管皆是透明的，实验台工作时，学生们可以清晰地看到带有颜色的油液在回路中的具体流动，可以直观地理解多种功能回路的工作原理，但不足之处在于玻璃制的透明元件易碎以及实验回路的承压能力不高，油路工作压力不能太大，元件更换不方便。而仿真型的教学实验台在于它的仿真性，在学生自行设计实验回路之后可以马上验证实验的正确性，大大提高实验的效率。最后以德国FESTO公司研制的基本回路拼装实验台为例[4]，快速安装式的教学实验台使用的较为广泛，亮点在于它的元件快速安装，方便学生操作，不需要如同传统试验台一般慢慢安装元件，元件只需要提前装好快速安装机构即可。这一种快速安装式教学实验台更适合运用于本科教学当中，让学生自行设计实验回路，组装元件，得出结论，还可以结合电脑软件程序，模拟实际工况和解决问题。本设计主要就是研制这样一种快速安装式的设计型实验台。

　　基于旧式传统液压实验台的结构上，为了让学生自主学习和主导实验，本课题计划设计出一种能够集液压传动和气压传动于一身，加以计算机系统的辅助，可以实现自动化操作的设计型综合实验台。本设计的设计重点在于三方面：1、设计型实验台的液压气动综合方案。2、设计型实验台的快速安装结构设计。3、设计型实验台的台架结构设计。

　　其中学生在进行试验时，可以通过实验台的控制系统直接控制液压站的启闭和个别元件的工作状态，从而实现复合实验要求的功能回路。学生们不但可以从仪表上观察数据的变化，还可以用计算机软件记录数据，进行验证性试验，还可以根据自己的想法来进行多元化的功能回路设计实验。

　　在设计参数中，液压源额定压力为6.3MPa，额定流量约为20L/min，气源额定压力为0.7MPa，设计部分应参考上述数据进行设计，除实验台台架结构部分，其余元件及组件都应选取标准件，因为本设计型实验台是设计用于本科教学当中，液压源以及气源压力不大，所以可以使用通径较小的元件，建议使用6或者10，尽量降低实验台的重量，材料选取方面应使台架部分有良好的力学性能。

　　液压系统的设计是整个液气动实验台设计的重要部分，这部分的设计需要根据实际情况中实验台所做的实验类型以及油源与气源的压力等系统参数来决定元件类型，再根据参数以及实际的设计情况来进行选型和油路气路的结构设计。

　　以在学校使用的传统液压实验台的基础上，本次针对教学使用的新型液气动综合实验台台架的设计，应符合以下几点设计原则。

　　1.操作方便，这一次液气动综合实验台台架的设计是以教学为基础的，注重学生自己设计回路、组装元件和独立进行实验。所以台架的设计一定要确保操作方便，同时可加入液压元件和气动元件的快速安装结构，简化实验步骤，也能设计实验台台架更加简洁美观。

　　2.选择合适元件，液压系统的额定工作压力为6.3MPa，气动系统的额定气源压力为0.7MPa，所以选型阶段要根据实际情况选取适合这种低压工作环境的小型元件，尽量缩小实验台台架的尺寸和降低工作时的噪音。

　　3.多功能性，实验台不但要设计成能使学生单独完成液压传动和气压传动的实验，还要可以进行液动和气动的综合实验，使学生能够从中直观地学习基本原理和对现有的参考回路进行创新，使同学们在课堂上学习到的抽象知识能和实在的课程实践得到有机结合[5]。

　　根据以上对于本次新型液气动综合实验台台架的设计原则，液压元件的选择不求能把全部类型的液压元件都选用，但要有所针对的选择，要选择其中具有代表性的原则，使同学们能根据有限的实验台液压元件，经过各自的创新后，能进行更多的功能油路实验。

　　液压实验台分为液压源和安装面板两部分，面板安装需要学生根据具体实验内容安装元件。如表2.1和表2.1示，在液压安装面板和气动安装面板上选择上初步选择的控制元件包括多种典型的压力控制元件、速度控制原件和方向控制原件，另外还有几种能够增加设计性实验多元化的辅助原件。

　　而液压源部分由液压油泵、溢流阀、过滤器、压力表和液位计组成。而另一边的气压源部分由空气压缩机、储气罐、安全阀、空气过滤器、减压阀、压力表和油雾器组成。总体的液压气动综合实验传动方案图如图2.1所示。

　　调压回路的作用主要是利用特定的液压元件来使整个液压系统和局部油路某点的压力值不得超过所限定的数值，通常都是以溢流阀为主，其它液压元件为辅来实现此功能[6]。

　　如图2.2所示，直动溢流阀通过先导阀的遥控口来直接控制其的开口压力，这是一个简单的远程调压回路。当液压缸等执行元件位于终点或者受到过载时，油路会发生锁闭现象，因此液压系统的压力会升高，当到达先导型溢流阀的调定压力时，先导型溢流阀作为安全阀，其会开启溢流，使压力不再升高，对系统的油路起安全保护作用。远程调压阀可以远程调控系统的压力，但其调定压力一定要低于作为主溢流阀的先导型溢流阀的调定压力。

　　如图2.3所示，这是一个多级调压回路，由先导型溢流阀、直动型溢流阀和三位四通换向阀组成。其工作原理基于远程调压回路的原理，作为主溢流阀的先导型溢流阀的遥控口通过三位四通换向阀分别接到两个远程调压阀上，这样油路就有了三个压力调定值。在两个远程调压阀的调定压力都低于主溢流阀的情况下，当三位四通换向阀处于中位时，系统压力由主溢流阀决定，当三位四通换向阀处于左位或位时，系统压力分别由两个远程调压阀决定。

　　减压回路的作用是使系统油路中的某一点压力值不高于所调定的数值，以至可使系统中一条特定的回路具有低于压力调定值的稳定工作压力。

　　如图2.4所示，这是一个较为常见的定值减压回路，在支路上用直动型溢流阀作为安全阀保护系统油路，在主油路上串接一个定值减压阀、一个单向阀和液压油缸。在主油路上，当减压阀进油口的液压油压力高于调定值时，出油口的油压力会变成减压阀的调定压力值，起减压作用。主油路上的单向阀主要用于当油路压力低于减压阀压力调定值的情况，能保证液压油缸的压力不受影响，起短时的保压作用。

　　如图2.5所示，这是一个多级减压回路，由直动型溢流阀、先导型减压阀和二位二通换向阀组成的二级调压回路。当换向阀工作在左位时，液压油缸的压力由先导型溢流阀决定。而当换向阀工作在右位时，液压缸的压力则由作为远程调压阀的溢流阀决定，但溢流阀的调定压力一定要比减压阀的调定压力低。

　　同时为了确保减压阀能够稳定的工作，其调定压力值要高于0.5MPa，而其最高调定压力至少要比系统压力 少0.5MPa。

　　卸荷回路的功能是在执行元件短时间暂停工作的情况下，不用频繁开启关闭液压泵电机，使得液压泵能够以零功率损耗的形式运转。液压泵的卸荷形式有两种，分别是压力卸荷和流量卸荷，压力卸荷是将泵的出口接回到油箱，没有执行元件，在接近零压力的情况下运转。而流量卸荷则是使用变量液压泵，是其以补偿系统泄露的最小流量运转。

　　图2.6是一个利用换向阀中位机能进行卸荷的回路，换向阀的中位机能可用M型或者是H型和K型，使换向阀的P油口和T油口连接起来，使进入P口的油液直接通过T口流入油箱。在回路上的单向阀作为安全阀用，使油液保持较低的压力，以便于换向阀换向。

　　图2.7是一个利用先导型溢流阀进行卸荷的回路，用二位二通换向阀控制前面的先导型溢流阀进行卸荷。先导型溢流阀的遥控口可通过换向阀接通油箱，所以泵输出的油液可以以很低的压力经过溢流阀流回到油箱，实现油路卸荷。

　　图2.8是一个平衡回路，平衡回路的作用是在液压缸垂直或者是倾斜放置时，在回油路上保持一定的背压，防止液压缸与工件因其自身的重力影响而下滑。如图所示，需要将单向节流阀的开启压力稍微比液压缸活塞和工件的自身重力所形成的背压力大一点，即可实现该油路的平衡，防止运动件自行下滑。当三位四通换向阀处于中位时，液压缸的活塞不再运动，此时的单向顺序阀被称作平衡阀。但这一种平衡回路在活塞下移时，功率有很大的损失，单向顺序阀和换向阀因其结构问题亦存在泄漏问题，所以液压缸活塞不能长时间停留，所以这种回路只适用于液压实验台等液压缸工件质量不大、活塞锁闭定位要求不高的情况。

　　换速回路可以使液压执行元件在工作循环中实现两种运动速度的变换，根据两种不同的变换速度，换速回路可分为快—慢换速回路和慢—慢换速回路。这些换速回路应该满足执行元件速度换接平稳性和换接精度的要求。

　　图2.9中的油路属于快—慢换速回路。当二位四通电磁换向阀工作在左位时，液压油经换向阀进入液压缸，活塞向右移动。当二位二通的行程阀工作在下位时，即液压缸出油口直接与油箱连通，属于快速工进。当二位二通的行程阀工作在上位时，行程阀关闭，液压油只能经过节流阀流回油箱，活塞因节流阀的节流作用而变成慢速工进，因此可实现执行元件的快—慢速变换。当二位四通电磁换向阀工作在右位，油液直接经过单向阀进入液压缸，最后再流回油箱，此为执行元件的快退工序。

　　这种速度换接方式具有较好的平稳性，换位点比较准确，但是行程阀的位置不能随便放置，管路的连接较为复杂。此外，可以将行程阀换成行程开关和二位二通电磁换向阀，但是这种方式的速度换接平稳性和换向精度要略差于前者。

　　图2.10和图2.11分别是调速阀并联换速回路和调速阀串联换速回路，这两种速度换接都是属于慢—慢换速回路，多用在某些机床中两种工进速度的切换。

　　在图2.10中的调速阀并联换速回路中，两个进给速度可分别由两个调速阀各自调整，互不影响。但是当一个调速阀工作，而另一个调速阀无油液通过，其定差减压阀仍处于最大开口状态，所以会造成速度换接时，因调速阀流量过大，执行元件液压缸中的活塞会出现突然前冲的现象。所以这种调速阀并联换速不适宜应用在同一行程两种速度的换接，只可用于速度预调的情况。

　　而图2.11的调速阀串联换速回路，当二位二通电磁换向阀位于左位时，第二个调速阀被该电磁换向阀短接，进入液压缸的流量由第一个调速阀决定，液压缸以第一个速度工进。当二位二通电磁换向阀位于右位时，第二个调速阀的开口需要比第一个调速阀的开口小才能继续调速控制进入液压缸的流量。由于第一个调速阀持续处于工作状态，其限制了进入第二个调速阀的流量，所以其速度换接平稳性较好，但整体系统油路的能量损失较大。