一、液压实训台动力源的几种结构形式

液压传动实训台动力源按布置方式分为上置式、非上置式和柜式三种。

①上置式液压动力源。泵组布置在液压综合实验台油箱之上的布置方式称为上置式。上置式布置方式按电动机的摆放位置又可分为立式和卧式。当电动机立式安装，液压泵置于液压PLC控制实验台油箱内时，称为立式液压动力源；当电动机卧式安装，液压泵置于液压传动演示系统油箱之上时，称为卧式液压动力源。

②非上置式液压动力源。将泵组布置在工程液压传动实训台底座或地基上的液压动力源称为非上置式。如果泵组安装在工程液压气动PLC综合控制实验台与油箱一体的公用底座上，则称为整体型液压动力源；将泵组单独安装在气动液压PLC综合控制实验台地基上则称为分离型液压动力单元。整体型液压动力源又可分为旁置式和下置式两种。

③柜式液压动力源。将泵组和油箱整体置于透明液压实训台封闭型柜体内的结构称为柜式液压动力源。

二、各种布置的比较

上置式液压动力源占地面积小，结构紧凑，液压泵置于透明液压传动实训装置油箱内的立式安装动力源，噪声低且便于收集漏油，一般应用于中小功率的液压泵站。当采用卧式动力源时，由于液压泵置于油箱之上，必须注意各类液压泵的吸油高度，以防液压泵油口处产生过大的真空度，造成气动实训台吸空或气穴现象。

非上置式液压动力源由于液压泵置于油箱液面以下，故能有效改善液压泵的吸入能力，这种气动PLC控制实验台动力源装置高度低，便于维护，但占地面积大，适用于泵的吸入允许高度受限制，传动功率较大，而使用空间不受限制，以及开机率低，使用时又要求很快投入运行的场合。新一代的气动液压PLC综合控制实验室设备这种布置方式的液压动力源可以将液压泵组、油箱组件、控温组件等集成为一个整体，机构做得相当紧凑，并且能保证一定压力和排量，如近些年来出现的通用性较强的液压动力单元就是典型代表。

柜式液压动力源装置可在气动实验台柜体上方便地布置各类仪表板和电控箱，且外观整齐美观，因泵组被柜体封闭而屏蔽了噪声，同时能有效减少外界污染，其缺点是透明液压传动实验装置由于需顾及操作和维护的空间及液压系统的散热，致使其外形尺寸较大，通常仅在中、小功率场合及液压传动实验室设备采用。

三、布置方案的选定

考虑到本次透明液压传动与气动综合控制实验台设计的液压动力源的实际使用环境，在满足压力和排量要求的前提下，整个系统做得越小越紧凑越好，不仅占地面积小，而且也节省了不少材料，在这个大前提下，处在体积和布置上向液压动力单元形式靠近。

因为海水的腐蚀性，透明液压传动实训台液压动力单元*外层与海水接触部分材料要选用特殊材料，并且希望这种材料的面积尽量小且形状规则，如果液压传动实训台电动机和液压泵放在油箱外面，这样必将增加外壳材料表面积，也会使得外壳的形状相对复杂随之而来的装配和焊接问题就会更多，这里采用将电动机和液压泵放在油箱内部。

一般陆地环境使用的普通三相异步电动机，电动机外壳内是有空气的，这样就是需要在电动机轴的出口处加动密封装置，防止液压实训台液压油进入电动机线圈内，因为当海水深度达到6000m时，压力将达到60MPa，所以对这个密封装置的要求很高。为解决这个问题，考虑将电动机换成现在较为先进的水下电动机，由于这项技术属于较为前沿的技术，还没有完整的系统材料，所以下面引用国外某水下电动机的资料。

水下电动机应着重考虑电动机耐受水压以及水的隔离问题，某公司的产品采用了两种方法。

·耐水压的机械结构：采用高机械强度材料增加壁厚的机壳以承受水压及隔离海水。

·平衡压力结构：电动机内部充油，以非金属膜盒加以封闭，靠此膜盒的伸缩适应内部油液的热膨胀以及外部水压的变动，使电动机内外压力达到平衡。

显然选用第二种方法的水下电动机比较合理，在还没有完整资料的情况下，在此基础上对电动机进行改进，设计出一个在理论上行得通的水下电动机。电动机的压力平衡部分一般放在电动机的尾部，改进后的设计也是从尾部进行。

既然液压综合实验台选择的是深海电动机，则电动机的防腐问题在电动机设计室已经考虑了，那么其外壳材料肯定选择了防腐材料。在这种情况下液压动力源如与原来的布置一样，会造成防腐材料的损失，那么就可以将液压PLC控制实验台的电动机放在油箱外面而只将液压泵放在油箱内，这样会使得液压动力单元的体积和重量都变小，不足的是其长度会有所增加。

这样整个液压传动实验室设备系统的大致结构就定下来了，核心问题是考虑怎样才能使油箱内的压力和海水的压力相等，或者是使油箱内的压力略大于海水的压力。

四、油箱的设计

通常油箱可分为整体式油箱、两用油箱和独立油箱三类。

·整体式油箱是指在液压系统或机器的构件内形成的油箱。

·两用油箱是指液压油与机器中的其他目的的用油的公用油箱。

·独立油箱是应用*为广泛的一类油箱。

独立液压传动演示系统油箱常用于工业生产设备，一般制成矩形，也有圆柱形或油罐形，通过计算可以发现，在材料用量相同的情况下将幽香制成圆柱形所获得的体积比矩形的大，所以初步选定油箱形状为圆柱形，电动机的外形一般也是圆柱形的，将电动机和油箱连接在一起后，其形状还是比较规则、美观和统一的。

对于工程液压传动实训台，液压油的清洁对整个液压系统的影响是非常大的。虽然凭借着过滤器的吸附能力能保持油液一段时间的清洁，但油液用久了之后肯定还是会因为各种原因，其清洁度不能满足要求，需对其进行更换，因此可以在圆柱形油箱的内壁底部设计一个排油槽，便于在对工程液压气动PLC综合控制实验台液压系统进行维护时更换液压油。说到排油问题，圆柱形的油箱就有优势了。因为整个油箱的侧面都成圆弧形，这样杂质回顺着油箱壁滑落到油箱*底部的排油槽里，随着油液往外排出，杂质也就很轻松地随着油液往外排出了。

本气动液压PLC综合控制实验台系统的油箱容量按经验公式来计算，因为系统工作时，整个油箱是浸泡在海水里的，并且海底的温度一般为4℃左右，所以整个系统的散热习惯是非常好的，相当于是冷水，没有必要从散热的角度来计算油液的容积。

透明液压实训台油箱容量*后将油箱的长度选定为68㎝。

五、系统压力平衡问题的分析

要使系统内部油液压力增大，可以向油箱内加入更多的油液，在体积不变的情况下，油液越多压力就会越大，但是在深海，这种方法是行不通的。另外一种方法是在油液量不变的情况下，减小油液的体积也能增加油液的压力，下面就针对第二种方法展开分析，有如下八种方案可供选择。

①活塞结构油箱是利用活塞的可移动特性改进而来，能随时保持内外压力相同。

活塞可以随着油箱壁左右移动，当海水的压力大于油液压力时活塞就会向右移动，直至油液压力和海水压力相同，活塞才停止，这样气动实训台就能保证油液压力和海水压力随时相同，从而就使得系统压力平衡。这种结构的不足是对活塞的密封和润滑要求很高，在海水直接接触活塞导轨这种环境下，很难满足密封和润滑的要求，并且还可能有海底的微生物等其他杂质卡在活塞导轨上阻碍活塞的移动。

②海水和活塞导轨直接接触会导致很多问题，为了避免海水和活塞导轨之间的直接接触，可以安装一种材料将活塞与海水隔开，如胶皮就是一个比较好的选择，其结构如图3-2所示。

这种结构使得海水和活塞之间有一胶皮相隔，这样就避免海水与导轨的接触而破坏了导轨的润滑，以及杂质的进入而卡住导轨。该结构利用胶皮的良好伸展性，通过胶皮传递海水的压力，从而保证了油箱内外压力保持平衡。

③外置气囊型结构是在油箱的外面接上一个或数个装了油液的气囊，气囊中的油液和油箱相通，当液压装置还在陆地时，气动PLC控制实验台气囊是鼓的，当潜入深海时随着压力的增大气囊逐渐被压扁，从而保证了油箱内外压力的平衡。                            

此气动液压PLC综合控制实验室设备结构利用气囊的良好伸展性和压缩性，通过对气囊的压缩而使油液也被压缩，进而使得油箱内油液压力升高，系统内外压力也就能平衡了。此种结构必须要通过油箱油液的*大变化率来计算气囊的大小，这样才能保证气囊在被完全压缩前已经能满足其*大体积变化的需求，同时也尽量不要把气囊做得太大，否则会带来一定的不便。在水下作业时还要注意保护气囊，避免被一些较尖锐的物品刺破，同时还要作业气囊和油箱的接口大小，如果太小，有可能出气囊面把油液入口堵住的情况。

④内置气囊型结构与外置气囊型结构位置的气囊位置相反，气囊内部没有油液。整个气囊在油箱内部，当油箱内部到深海工作时，气囊内部会进入海水，致使油箱内部体积减小，油箱受压，压力也就随着海水的压力变化而变化。此种结构原理和外置气囊型结构大同小异，主要区别在于内置型的气囊不易被损坏，但是它的油箱容积没有外置型的大，同时也要注意计算气囊的大小，当使用单个气囊会使气囊体积过大时，可以考虑多个气囊。此种结构也可以看成是将方案②中活塞去掉，这样结构简化很多，所以可以看成是对方案②的改进。但它在油箱外形大小相同的情况下，所装的油箱相对较少。

⑤非金属膜结构与气囊型结构的原理相同的情况下，但各自的适用范围有所不同，当表面积较大时，用油膜结构较为合理，因为它有足够的表面空间；当表面积较小并且内部较宽敞时用气囊型结构较好。

这种结构在钢质圆形油箱的一端加橡胶膜或在方形油箱的5个面上开窗并加橡胶膜，利用橡胶膜的伸缩变形进行压力平衡和克服体积变化，优点是结构简单、易于加工。确定是橡胶膜的边缘易出现疲劳断裂，密封不可靠。

⑥橡胶罩结构中油箱的6个面只有底面是钢制材料，其他各个面都是采用整体的橡胶罩，所以整个油箱的变形能力很强。

这种结构的优点是变形幅度大，可以达到50﹪以上，能克服较大体积变化的情况，缺点是制造复杂，高成本，橡胶罩容易形

⑦波纹管结构利用了波纹管的纵向可收缩性，随时改变管内油液的体积，从而改变内部的压力，但是波纹管的可改变体积相对较小，不能满足某些由于外部系统的原因，而要求油液体积改变较大的情况，并且此结构制作也相对复杂。

⑧蓄能器状气囊结构参照了蓄能器的结构，外形上和蓄能器相似，内部结构原理和前面所提及的方案③、④相似。

蓄能器状气囊结构的气囊比较大，所以一般情况下需要一个气囊就能满足体积变化的要求，而不用像内、外置气囊结构那样安装多个气囊。气动实验台气囊大了之后容易引起变形，所以就在气囊外面包一个圆桶状金属外壳，来保持气囊的形状，同时也可保护气囊不 被尖锐物品刺破，在圆桶的尾部开了口，使海水与气囊接触。使用单个气囊虽然已经能满足体积变化的要求，但是这是还涉及一个响应的问题，因为气囊外壳尾部的小孔不可能开得太大，在有些情况下，透明液压传动与气动综合控制实验台油箱的体积突然发生变化，压力平衡装置不能马上响应，会造成油箱内部压力小于外界压力的情况，当然这也是本课题的一个分支问题，本文就只分析道这里。

从以上分析可知各方案工作原理是相同的，共同点都是一个油箱，包含一个能进行弹性变形的部件，当有压力差存在时，该部件就发生变形，将压力传递到油液中，从而使油液的体积减小，压力增大至于外界环境相等，也就是油箱内部的压力与外界的水压力达到平衡，这样，不论多大深度，油箱内部的压力总与外部水压力相等，油箱壳体所受到的内、外压力相等，压差为零，实现了对不同水深的压力补偿。通过以上各个方案的比较，*后一个方案是比较合理的，蓄能器状气囊结构既能实现油箱较大的体积变化，又便于压力补偿装置的安装，也容易计算所能补偿体积的大小，气囊外包着的金属壳，因而，气囊不会发生太大的变形，金属壳还可有效地防止外界尖锐物品刺破气囊。

所以本设计所选用的压力平衡机构是蓄能器状气囊结构。方形油箱和圆桶形油箱加了压力平衡装置

六、总体系统的结构

 透明液压传动实验装置确定了油箱的端面直径和长度，还要确定油箱的厚度。虽然油箱有了压力平衡装置后，在深海所承受的压差约为零，但还是要承受较大的内压，同时还会打出许多螺纹孔用于其他部件的安装和固定，所以选定油箱壁的厚度为10㎜.油箱的制作方法选取铸造工艺。为了使整个系统便于安装，油箱的右端面是开通的，整个内部结构安装完毕后用一块油箱盖板将油箱盖住，为了整个透明液压传动实训台系统注油方便，还在油箱壁的上方开了个注油口。使用蓄能器状气囊结构作为压力平衡结构，考虑到安装方便，就把其放在油箱的上背面，但是为了系统在初始的状态下气囊内就能装满有油液，气囊结构的*高位置要低于油箱壁的*高位置。