拉伸試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙和文檔）

拉伸試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙和文檔）,拉伸,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì),cad,圖紙,以及,文檔 摘 要 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)的發(fā)展也越來越受到重視。一個(gè)國(guó)家對(duì)零部件的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和能力幾乎代表著一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的水平。拉伸試驗(yàn)機(jī)可以提供一種模擬實(shí)際工作情況的測(cè)試，電液伺服系統(tǒng)在現(xiàn)階段可以很好的滿足試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)精度的控制要求，電液伺服試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家重要發(fā)展的對(duì)象。 本文首先對(duì)試驗(yàn)機(jī)的整體做了一個(gè)介紹，對(duì)液壓缸、液壓元件、油箱做了整體介紹。通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》等相關(guān)資料計(jì)算，并校核了相關(guān)零部件。對(duì)各個(gè)零件在整體布局中的安裝和連接方式也做了詳細(xì)的介紹和說明。 最后可以通過詳細(xì)的計(jì)算，確定各個(gè)零部件的參數(shù)，選擇設(shè)計(jì)最合理的零部件。將選定的零部件通過確定的連接結(jié)構(gòu)，安裝在一起，并通過調(diào)試，可以做出達(dá)到一定要求的電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)。 關(guān)鍵詞： 電液伺服系統(tǒng)，拉伸試驗(yàn)機(jī)，液壓 3 ABSTRACT Abstract Along with the rapid development of our country economy, the development of the industry is more and more attention. The experimental technology and ability of a country to spare parts almost represents the development of a country's industry.. Requirements for tensile testing machine can provide a to simulate the actual working condition test, electro-hydraulic servo system at this stage can be very good to meet the test machine of experimental precision control electro-hydraulic servo testing machine has become an important development in various countries. In this paper, the overall introduction of the experimental machine, the hydraulic cylinder, hydraulic components, fuel tanks made an overall introduction. Through the access to the mechanical design manual, mechanical designer manual and other related information, and check the relevant parts. The installation and connection of the parts in the overall layout are also introduced and explained in detail.. Finally, the parameters of the parts can be determined and the most reasonable parts are selected by the detailed calculation.. The selected parts can be determined by determining the connecting structure, and through debugging, and can reach a certain requirements of the electro-hydraulic servo tensile testing machine. Keywords: electro hydraulic servo system, tensile testing machine, hydraulic pressure 目 錄 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 拉伸試驗(yàn)機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況 2 1.2.1 國(guó)外的發(fā)展情況 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況 3 1.2.3 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)對(duì)比 5 1.3 電液伺服控制系統(tǒng)概述 6 1.3.1 電液伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 6 1.3.2 電液伺服系統(tǒng)控制特點(diǎn)和研究發(fā)展歷史 6 1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容和方案 7 1.4.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 7 1.4.2 電液伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 7 1.4.3 設(shè)計(jì)方案 7 第2章 液壓缸的設(shè)計(jì)與選型 9 2.1 液壓缸工作壓力的確定 9 2.2 液壓缸主要幾何尺寸的確定 9 2.2.1 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計(jì)算 9 2.2.2 缸筒壁厚和外徑的計(jì)算 12 2.2.3 液壓缸工作行程的確定 13 2.2.4 液壓缸油口直徑和缸蓋厚度的計(jì)算 13 2.2.5 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 14 2.2.6 缸體長(zhǎng)度的確定 15 2.3 液壓缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15 2.3.1 缸體和缸蓋的連接形式 15 2.3.2 活塞桿和活塞部分的結(jié)構(gòu)形式 15 2.3.3 液壓缸的緩沖裝置 16 2.3.4 液壓缸的排氣裝置 17 2.3.5 液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu) 17 2.3.6 液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求 17 2.4 活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 18 2.5 本章小結(jié) 20 第3章 液壓系統(tǒng)元件的選擇 21 3.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.2 液壓系統(tǒng)中各元件的選擇 21 3.2.1 液壓泵和電動(dòng)機(jī)的選擇 21 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 22 3.2.3 液壓介質(zhì)的選擇 23 3.2.4 閥的選擇 23 3.3 管路的設(shè)計(jì) 24 3.3.1 管路的種類核材料 24 3.3.2 油管尺寸的確定 24 3.3.3 油管接頭的選取 25 3.3.4 液壓管路的連接方法 25 3.4 本章小結(jié) 25 第4章 油箱的設(shè)計(jì) 27 4.1 油箱容積的確定 27 4.2 油箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28 4.3 油箱附件的選擇 29 4.3.1 液位計(jì)的選擇 29 4.3.2 吸油管處濾油器的選擇 29 4.3.3 精濾油器的選擇 29 4.4 本章小結(jié) 30 第5章 機(jī)械系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計(jì)分析 31 第6章 總結(jié)與展望 37 參考文獻(xiàn) 39 致謝 41 I 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 研究背景及意義 工業(yè)生產(chǎn)中的各式各樣的材料、零部件也是需要的，以至整個(gè)構(gòu)件可能都需要在經(jīng)過拉伸實(shí)驗(yàn)后確定它們的力學(xué)性能。在科研人員了解這些性能之后，也許有可能使設(shè)計(jì)更加合理。想使用更加可靠的話，那也只有通過實(shí)驗(yàn)，沒有別的辦法，也只有這樣才能知道性能優(yōu)劣。拉伸試驗(yàn)機(jī)如果說作為一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)提供典型拉伸條件或者說是模擬再現(xiàn)環(huán)境，用來對(duì)各類工程裝置或設(shè)備機(jī)械力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中那可是占有相當(dāng)重要的地位的啦，就是它發(fā)展水平的高低在一定程度上也反映了一個(gè)國(guó)家具有什么樣的工業(yè)水平，所以說世界各國(guó)都很重視也抓緊了零部件的試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。 拉伸試驗(yàn)機(jī)有機(jī)械式的，但是因?yàn)槌隽π?、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自自動(dòng)編程，一旦制造以后就無(wú)法根據(jù)具體要求進(jìn)行更改，還是很麻煩的，國(guó)民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展好了，對(duì)試驗(yàn)機(jī)也有越來越高的要求了，像上面說的那種試驗(yàn)機(jī)在真正的研究中受到很大的局限，已經(jīng)不怎么使用了。然后就是因?yàn)殡娨嚎刂葡到y(tǒng)出力很大、又很快的響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，它不僅具有電氣控制的那種靈活性、比較好的快速性和較高的控制精度，他還有液壓控制的大功率操作這種能力，而且還能和計(jì)算機(jī)聯(lián)接，以此來進(jìn)行各種復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理，很高級(jí)所以應(yīng)用很廣泛。所以說電液控制就會(huì)在試驗(yàn)機(jī)這個(gè)大家庭中獲得愈來愈多的應(yīng)用。 電液伺服這種系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)的：響應(yīng)速度很快、控制精度也很高、抗負(fù)載的剛度也高、控制方式還很靈活等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用當(dāng)然就會(huì)范圍很廣，尤其應(yīng)該在各類材料試驗(yàn)機(jī)，環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置啦這種領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，是眼前時(shí)期響應(yīng)速度和控制精度都高人一等的一類伺服系統(tǒng)?？赡懿恢离娨核欧@類的控制技術(shù)最先產(chǎn)生于強(qiáng)大的美國(guó)的，后來可能是因?yàn)槠漤憫?yīng)速度快，精度高的原因吧，很快很快就在工業(yè)界得到了大量普及。電液伺服系統(tǒng)當(dāng)然是以液壓動(dòng)力元件作為他自己的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的了，根據(jù)的是負(fù)反饋這種原理，使系統(tǒng)的輸出能夠跟蹤給定信號(hào)的很厲害的控制系統(tǒng)。它不僅能自己自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速地弄出輸入信號(hào)的變化規(guī)律，而且能自己對(duì)輸入量進(jìn)行變換與放大，作為這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)很重要研究對(duì)象，電液伺服這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法受到控制學(xué)科的指導(dǎo)和啟發(fā)也就沒斷過，發(fā)展歷程也是經(jīng)歷了線性控制過渡到非線性智能控制。 目前存在的問題是： 應(yīng)用方面的非線性系統(tǒng)理論沒有什么經(jīng)驗(yàn)，對(duì)像這種控制策略設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性的分析以啦及非線性和智能控制理論方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的局限性啦，一直都在有針對(duì)性的研究。另外，需要告訴的是，雖然電液伺服這種系統(tǒng)中的非線性因素，比如說溫度、死區(qū)、庫(kù)侖摩擦等這些東西都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、產(chǎn)生不同程度的影響，但是這些非線性因素的影響在多數(shù)條件下還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上負(fù)載干擾的影響大，還有就是現(xiàn)在對(duì)死區(qū)、庫(kù)侖摩擦的分析和處理，已經(jīng)有了比較成熟的處理方法和結(jié)果，比如說相平面法，描述函數(shù)法等都是。 1.2 拉伸試驗(yàn)機(jī)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況 國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)人員及科技人員一直在對(duì)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)流程、夾具精度、驅(qū)動(dòng)方法等設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不同方面進(jìn)行研究，其成果已經(jīng)部分應(yīng)用于新拉伸試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)過程當(dāng)中。 1.2.1 國(guó)外的發(fā)展情況 英國(guó)早在1880年已生產(chǎn)了杠桿重錘式材料試驗(yàn)機(jī)，在1908年又生產(chǎn)螺母、螺桿加載的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。這些試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行材料的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等試驗(yàn)，但它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、操作繁瑣，只能進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，目前已被淘汰。約在90年前，瑞士的Amsler公司開發(fā)了液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，它利用液壓油的壓力對(duì)試件加載。這種試驗(yàn)機(jī)操作方便、作用力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊，至今這種試驗(yàn)機(jī)仍在生產(chǎn)和使用。它能進(jìn)行各種靜態(tài)試驗(yàn)，但在加載的過程中不能進(jìn)行控制。在加載情況不同時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)將有差別。因此，目前國(guó)際上和我國(guó)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了試驗(yàn)時(shí)需在恒速率、恒負(fù)載速率和恒變形速率控制下進(jìn)行試驗(yàn)，在這種情況下，原有的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)已面臨更新?lián)Q代的命運(yùn)。國(guó)外已開發(fā)了在它原有的基礎(chǔ)上增加電液控制部分的電液控制液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。這種試驗(yàn)機(jī)能滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。 電液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)的同時(shí)，在原有雙螺母、螺桿試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上還發(fā)展了電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。這是用伺服電機(jī)控制，經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)二根螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的螺母使橫梁移動(dòng)，從而對(duì)裝在橫梁及底座上的試件施加。這種試驗(yàn)機(jī)調(diào)速范圍廣、精度高。 國(guó)外試驗(yàn)機(jī)同行在電液伺服技術(shù)的應(yīng)用和研制起步較早，自二十世紀(jì)50年代中期以來就先后生產(chǎn)了各種使用電液伺服系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)，如美國(guó)mts、英國(guó)instron、瑞士amsler、德國(guó)sehench和日本島津等公司都先后研制成功各種電液伺服試驗(yàn)機(jī)（如圖）。 Zwick液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)H系列 Instron拉力試驗(yàn)機(jī) 高溫材料試驗(yàn)機(jī) 島津EZTest拉力試驗(yàn)機(jī)各種夾具 圖2—1外國(guó)試驗(yàn)機(jī) 1.2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況 國(guó)內(nèi)電液伺服試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展按照產(chǎn)品發(fā)展時(shí)期的特點(diǎn)大致劃分成兩個(gè)階段：即自主發(fā)展階段和與國(guó)外合作發(fā)展階段。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 二十世紀(jì)70年代末期到二十世紀(jì)90年代初期，國(guó)內(nèi)的電液伺服試驗(yàn)機(jī)都是以自主開發(fā)為主。主要是集中在國(guó)內(nèi)幾個(gè)有實(shí)力的試驗(yàn)機(jī)廠家，如長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所、長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠、紅山試驗(yàn)機(jī)廠和濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠等。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 這個(gè)時(shí)期的主要代表性的產(chǎn)品有：f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 1983年長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的2000kN電液伺服巖石壓力試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備采用高壓容器作為圍壓，模擬試樣的真實(shí)受力情況。是三軸動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)的代表性產(chǎn)品，并首次把計(jì)算機(jī)引入電液伺服試驗(yàn)機(jī)的控制。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 1984年長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的3000kN電液伺服雙缸臥式拉力試驗(yàn)機(jī)。該項(xiàng)目中首次應(yīng)用靜壓支撐技術(shù)，成功地在兩個(gè)臥式伺服油缸上實(shí)現(xiàn)靜壓支撐。另外，還首次應(yīng)用了伺服同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙缸系統(tǒng)的同步跟蹤和精確定位。雙缸的同步精度達(dá)到了0.03mm。該產(chǎn)品標(biāo)志著國(guó)內(nèi)靜壓支撐技術(shù)和雙缸系統(tǒng)的同步技術(shù)已經(jīng)成熟。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTEf3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 1985年長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠研制的200kN電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)，在國(guó)內(nèi)首次采用高壓無(wú)齒夾頭和橫梁預(yù)應(yīng)力鎖緊技術(shù)。是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)的典型代表產(chǎn)品。 1986年長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制出小型隨機(jī)電液振動(dòng)臺(tái)。 1987年長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所研制的1MN電液伺服大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)，這是當(dāng)時(shí)研制的國(guó)內(nèi)最大噸位的電液伺服試驗(yàn)機(jī)。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTEf3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 紅山試驗(yàn)機(jī)廠同期已經(jīng)研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)拉扭電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)，首次集拉壓與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)于一體。該產(chǎn)品標(biāo)志著國(guó)內(nèi)拉扭傳感器技術(shù)、扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)缸技術(shù)及拉扭合成試驗(yàn)技術(shù)已開始應(yīng)用。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 這個(gè)時(shí)期研制生產(chǎn)的電液伺服試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是：f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE a.在測(cè)控系統(tǒng)，隨著數(shù)字電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開始從模擬控制向模數(shù)混合式控制方向發(fā)展，并開始將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE b.應(yīng)用了伺服同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙缸系統(tǒng)的同步跟蹤和精確定位。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE c.研制出低阻尼、高響應(yīng)、長(zhǎng)壽命的靜壓支撐動(dòng)態(tài)伺服油缸。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE d.利用增壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓無(wú)齒夾頭和橫梁預(yù)應(yīng)力鎖緊。f3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTEf3V中國(guó)熱處理技術(shù)網(wǎng) — 熱處理行業(yè)的超級(jí)智庫(kù) CHTE 最全的熱處理技術(shù)信息網(wǎng)站 熱處理技術(shù)網(wǎng) CHTE 隨著電液伺服技術(shù)的成熟，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)廠家利用電液伺服技術(shù)開始從單純的材料試驗(yàn)向更廣泛的多應(yīng)用試驗(yàn)領(lǐng)域方向發(fā)展。如長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所面向新材料研究領(lǐng)域開發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)“電液伺服雙軸四缸試驗(yàn)機(jī)”和“電液伺服顯微觀察試驗(yàn)機(jī)”解決了國(guó)內(nèi)材料研究領(lǐng)域的特殊需求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；面向汽車零部件試驗(yàn)領(lǐng)域開發(fā)的 “電液伺服減振器性能和疲勞試驗(yàn)臺(tái)”、“電液伺服方向盤性能及疲勞試驗(yàn)臺(tái)”、“電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)” 和“X--Y電液伺服雙軸向振動(dòng)臺(tái)”等。 長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所產(chǎn)品 長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所四立柱試驗(yàn)機(jī) YDL系列萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī) 圖2—2我國(guó)的試驗(yàn)機(jī)代表 1.2.3 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)對(duì)比 三十年來國(guó)內(nèi)電液伺服試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)外試驗(yàn)機(jī)同行相比，特別是與美國(guó)MTS公司及英國(guó)的Instron等這樣的大牌公司相比較差距還是很大的，特別是在高技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用領(lǐng)域方面還無(wú)法與國(guó)外同行相抗衡。不論是在技術(shù)手段和產(chǎn)品品種方面都存在很大的差距。? 表1— 1國(guó)外與國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)伺服控制器的對(duì)比 功能及指標(biāo) 美國(guó) MTS公司TeststarII控制器 長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所PLS 控制器 控制器類型 數(shù)字式 模擬和數(shù)字混合式 頻率范圍 0.001～1000Hz 0.001～100Hz 測(cè)量通道 擴(kuò)展方便、通用性強(qiáng)。 具有自動(dòng)調(diào)零、 自動(dòng)標(biāo)定和多點(diǎn)線性修正功能。 自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)標(biāo)定 控制參數(shù) PID設(shè)置 具有一般和高級(jí)PID參數(shù)自整定功能 手動(dòng)調(diào)節(jié)，輔助控制功能、相位補(bǔ)償、幅度補(bǔ)償、頻率反向補(bǔ)償、 任意波形補(bǔ)償、前饋控制 幅度補(bǔ)償 從上面列出的指標(biāo)中看到，MTS公司的電液伺服試驗(yàn)機(jī)最高頻率目前可以達(dá)到1000Hz，比國(guó)內(nèi)電液伺服試驗(yàn)的頻率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。頻率的提高涉及一系列的技術(shù)提升環(huán)節(jié)，不僅僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度上，相應(yīng)的主機(jī)作動(dòng)器、伺服閥和液壓源等各組成環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度都影響著整機(jī)的頻率提高。所以說這是一個(gè)綜合性能指標(biāo)標(biāo)志。 1.3 電液伺服控制系統(tǒng)概述 1.3.1 電液伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 電液伺服系統(tǒng)是以電液驅(qū)動(dòng)裝置為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，也叫隨動(dòng)系統(tǒng)，顧名思義就是系統(tǒng)輸出量總能跟隨復(fù)現(xiàn)輸入量。伺服系統(tǒng)的另一個(gè)基本職能就是信號(hào)放大，確保被控對(duì)象（負(fù)載）有足夠大的推動(dòng)能量跟隨輸入信號(hào)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并確保偏差不超過指定范圍。 伺服系統(tǒng)由若干元件組成，它的基本部分為：控制器，功率放大器，伺服閥，液壓缸，位移傳感器等。其中，輸入元件、反饋測(cè)量元件與比較元件組合成為誤差檢測(cè)器。電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)化放大裝置，它既將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)，又將輸入的小功率電信號(hào)進(jìn)行功率放大，控制液壓能源流向執(zhí)行元件的壓力與流量的閥芯運(yùn)動(dòng)。電液伺服閥有響應(yīng)速度快，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。電液伺服系統(tǒng)其他元件也起著重要作用：1.功率放大器將控制器輸出的小電流信號(hào)放大到足夠大的功率以驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，起功率放大作用。2.液壓缸是執(zhí)行元件。它將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（直線運(yùn)動(dòng)與力）。3.反饋檢測(cè)裝置是位移傳感器，它將檢測(cè)出的系統(tǒng)輸出位移轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，與輸入信號(hào)比較得出偏差信號(hào)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 電液伺服控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是電信號(hào)，輸出信號(hào)是液壓信號(hào)，為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。它既融合信息，電子科學(xué)的長(zhǎng)處又結(jié)合液壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。如 ：電子信號(hào)有便于測(cè)量、校正、放大、處理、控制容易的特點(diǎn)；電氣傳感器種類多，檢測(cè)信號(hào)快，測(cè)量精度高；液壓系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)小巧、慣性小，執(zhí)行速度快、輸處功率大的優(yōu)點(diǎn)。正是由于電液伺服控制系統(tǒng)同時(shí)具有這些優(yōu)點(diǎn)，它受到了工程技術(shù)人員的青睞，在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。 1.3.2 電液伺服系統(tǒng)控制特點(diǎn)和研究發(fā)展歷史 20世紀(jì)50年代電液伺服控制技術(shù)產(chǎn)生于美國(guó)麻省理工學(xué)院，當(dāng)時(shí)采用基于工作點(diǎn)附近增量線性化模型進(jìn)行綜合分析。PID控制以其控制規(guī)律簡(jiǎn)單，容易理解的優(yōu)點(diǎn)，受到了科技工作者的喜歡。但隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)控制品質(zhì)要求的提高，單純的PID控制已經(jīng)不能滿足需要。這與電液伺服系統(tǒng)本身的性質(zhì)有密不可分的關(guān)系。首先，電液伺服系統(tǒng)是一個(gè)非線性不確定性系統(tǒng)。它工作的外界環(huán)境復(fù)雜，存在外干擾，交叉耦合的現(xiàn)象。其次，要求電液伺服系統(tǒng)的工作頻率和跟蹤精度高。第三，在要求的高精度快速跟蹤的條件下，電液伺服系統(tǒng)的非線性是不可忽視的。因此電液伺服系統(tǒng)具有擾動(dòng)大、工作范圍寬、時(shí)變參量多、難以精確建模的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性和精度都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，特別是控制精度受負(fù)載特性的影響而難以預(yù)測(cè)。因此，需要有新的控制方法代替PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)更好的控制效果。 近幾十年，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，軍事、航空、宇航技術(shù)對(duì)所應(yīng)用的系統(tǒng)有了高精度，快速，大功率的要求。電液伺服系統(tǒng)則以其反應(yīng)快、重量輕、尺寸小及抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于以上各個(gè)行業(yè)中，在其控制算法上也有了進(jìn)一步的改進(jìn)，以適應(yīng)系統(tǒng)要求。70年代末80年代初，電液伺服控制普遍采用的是自適應(yīng)算法。所謂自適應(yīng)控制就是針對(duì)結(jié)構(gòu)或參數(shù)不完全知道的系統(tǒng)，邊估計(jì)未知參數(shù)，邊修正控制作用。自適應(yīng)控制有兩個(gè)大類，分別以“自校正控制”為代表和以“模型參考自適應(yīng)控制”為代表。慢時(shí)節(jié)的對(duì)象通常采用自校正控制，這對(duì)液壓伺服系統(tǒng)是不適合的。液壓伺服控制系統(tǒng)采用的是模型參考自適應(yīng)控制。文獻(xiàn)[10]深入研究了模型參考自適應(yīng)控制，提出了模型參考自適應(yīng)控制的新方法并將其應(yīng)用于機(jī)器人電液伺服控制系統(tǒng)中，解決了模型跟蹤條件難滿足的問題。文獻(xiàn)[11]對(duì)應(yīng)用于機(jī)器人中的電液伺服控制系統(tǒng)提出了自適應(yīng)控制方法，解決了該系統(tǒng)參數(shù)變化難于控制的問題。雖然自適應(yīng)控制有很多優(yōu)點(diǎn)，但單純的自適應(yīng)控制對(duì)被控對(duì)象要求嚴(yán)格，也有魯棒性不夠好等的缺點(diǎn)，限制了自適應(yīng)控制的發(fā)展應(yīng)用。 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，由電液伺服閥、電液比例閥，以及配用的專用電子控制器和相應(yīng)的液壓元件，組合集成電流伺服比例控制系統(tǒng)的相互支撐發(fā)展，已綜合形成液壓工程技術(shù)，它的應(yīng)用與發(fā)展被認(rèn)為是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展立玉的重要標(biāo)志，是液壓工工業(yè)又一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)和增長(zhǎng)點(diǎn)。在我國(guó)同樣有一大批主機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展，需要應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，因此，將其列為促進(jìn)我國(guó)液壓工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容和方案 1.4.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容為電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)。首先確定拉伸試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和總體布局，再根據(jù)最大拉伸力和所選試件計(jì)算選取液壓缸，設(shè)計(jì)計(jì)算試驗(yàn)機(jī)的夾具，選取力傳感器和位移傳感器以及其他試件。選取試件和零件后對(duì)試件和零件進(jìn)行校核，最后還要分析儀器的性能。有關(guān)工作主要涉及《材料力學(xué)》《有限元方法》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》以及《測(cè)試傳感技術(shù)》等有關(guān)理論。 1.4.2 電液伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu) 電液伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)電液伺服系統(tǒng)是以電液驅(qū)動(dòng)裝置為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，也叫隨動(dòng)系統(tǒng)，顧名思義就是系統(tǒng)輸出量總能跟隨復(fù)現(xiàn)輸入量。伺服系統(tǒng)的另一個(gè)基本職能就是信號(hào)放大，確保被控對(duì)象（負(fù)載）有足夠大的推動(dòng)能量跟隨輸入信號(hào)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并確保偏差不超過指定范圍。 伺服系統(tǒng)由若干元件組成，它的基本部分為：控制器，功率放大器，伺服閥，液壓缸，位移傳感器等。其中，輸入元件、反饋測(cè)量元件與比較元件組合成為誤差檢測(cè)器。電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)化放大裝置，它既將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)，又將輸入的小功率電信號(hào)進(jìn)行功率放大，控制液壓能源流向執(zhí)行元件的壓力與流量的閥芯運(yùn)動(dòng)。電液伺服閥有響應(yīng)速度快，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。電液伺服系統(tǒng)其他元件也起著重要作用：1.功率放大器將控制器輸出的小電流信號(hào)放大到足夠大的功率以驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，起功率放大作用。2.液壓缸是執(zhí)行元件。它將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（直線運(yùn)動(dòng)與力）。3.反饋檢測(cè)裝置是位移傳感器，它將檢測(cè)出的系統(tǒng)輸出位移轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，與輸入信號(hào)比較得出偏差信號(hào)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1.4.3 設(shè)計(jì)方案 在液壓伺服系統(tǒng)中采用液壓伺服閥作為輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大元件。液壓伺服系統(tǒng)能以小功率的電信號(hào)輸入，控制大功率的液壓能（流量與壓力）輸出，并能獲得很高的控制精度和很快的響應(yīng)速度。 1）明確設(shè)計(jì)要求：充分了解設(shè)計(jì)任務(wù)提出的工藝、結(jié)構(gòu)及時(shí)系統(tǒng)各項(xiàng)性能 的要求，并應(yīng)詳細(xì)分析負(fù)載條件。 2）擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖。 3）靜態(tài)計(jì)算：確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇反饋元件及其它電氣元件。 4）動(dòng)態(tài)計(jì)算：確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，繪制開環(huán)波德圖，分析穩(wěn)定性，計(jì)算 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 5）校核精度和性能指標(biāo)，選擇校正方式和設(shè)計(jì)校正元件。 6）選擇液壓能源及相應(yīng)的附屬元件。 7）完成執(zhí)行元件及液壓能源施工設(shè)計(jì)。 41 第2章 液壓缸的設(shè)計(jì)與選型 第2章 液壓缸的設(shè)計(jì)與選型 根據(jù)拉伸試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)要求，選擇單活塞桿雙作用液壓缸，根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要求選擇后法蘭安裝方式。 單活塞桿雙作用液壓缸 2.1 液壓缸工作壓力的確定 液壓缸的工作壓力的確定主要根據(jù)液壓設(shè)備的類型，對(duì)于不同的液壓設(shè)備，由于工作負(fù)載不同，通常選擇液壓缸的壓力范圍也不一樣。表2—1列出的數(shù)據(jù)，可供工作壓力的選擇時(shí)參考。 表2—1 按負(fù)載選擇液壓缸的工作壓力 負(fù)載F/kN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 液壓缸工作壓力p/MPa <0.8~1.0 1.5~2.0 2.5~3.0 3.0~4.0 4.0~5.0 5.0~7.0 由于工作壓力是25kN，所以選擇工作壓力為4MPa。 2.2 液壓缸主要幾何尺寸的確定 根據(jù)拉伸試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)要求，選用單活塞桿雙作用液壓缸。 2.2.1 液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的計(jì)算 根據(jù)題目已知條件一共輸出50kN的力,設(shè)計(jì)布局和結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)液壓缸，所以一個(gè)液壓缸輸出25kN。 由圖可得 （2-1） 圖2— 1單活塞缸液壓缸計(jì)算示意圖 所以可以得 （2-2） ——液壓缸工作壓力，初算時(shí)可取系統(tǒng)壓力； ——液壓缸回油箱背壓力，初算時(shí)無(wú)法計(jì)算，可先根據(jù)表2—2估算； ——液壓缸活塞缸直徑和液壓缸內(nèi)徑之比，可根據(jù)表2—3選取； 表2—2執(zhí)行元件背壓的估計(jì)值 系統(tǒng)類型 背壓（MPa） 中、低壓系統(tǒng)0~8MPa 簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和一般輕載的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng) 0.5~0.8 回油路帶背壓閥 0.5~1.5 采用帶補(bǔ)液壓泵的閉式回路 0.8~1.5 中高壓系統(tǒng)>8~16MPa 同上 比中低壓系統(tǒng)高50%~100% 高壓系統(tǒng)>16~32MPa 如鍛壓機(jī)械等 初算時(shí)背壓可忽略不計(jì) 表2—3液壓缸內(nèi)徑D與活塞桿直徑d的關(guān)系 按機(jī)床類型選擇d/D 按液壓缸工作壓力流選取d/D 機(jī)床類別 d/D 工作壓力（MPa） d/D 磨床、珩床 0.2~0.3 2 0.2~0.3 拉床、刨床 0.5 >2~5 0.5~062 鉆、車、銑床 0.7 >5~7 0.62~.70 —— —— >7 0.70 F——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載； ——液壓缸密封處阻力，他的精確度不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效率進(jìn)行估算。 （2-3） 式中——液壓缸的機(jī)械效率，一般取=09~0.97； 其中F=25xN，=4，=0.6，=0.95，=0.5； 將數(shù)據(jù)帶入式——中，可得D為 （2-4） 求得D=97.15mm， d=48.58mm 由計(jì)算所得D和d分別按表2—4和2—5取相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封直徑。 表2—4液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 123 （140） 150 （180） 200 （220） 250 320 400 500 530 注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為非優(yōu)先選用值  表2—5活塞缸直徑系列（GB2348-80） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 標(biāo)準(zhǔn)化后取D=100mm， d=50mm。 2.2.2 缸筒壁厚和外徑的計(jì)算 液壓缸的壁厚通過液壓缸的強(qiáng)度條件來計(jì)算。 液壓缸的壁厚通常是指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄地方的厚度。根據(jù)材料力學(xué)的原理可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，因壁厚的不同而異。一般計(jì)算是可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚d的比值D/ 10的圓筒被稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和一般的工程機(jī)械的液壓缸，一般用無(wú)縫鋼管材料，大多屬于的是薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒公式計(jì)算 （2-5） 其中 ——液壓缸壁厚（m）； D——液壓缸內(nèi)徑（m）； ——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）； ——缸筒材料的許用應(yīng)力。其值為：鍛鋼：=110~120MPa；鑄鋼：=100~110MPa；無(wú)縫鋼管：=100~110MPa；高強(qiáng)度鑄鐵：=60MPa；灰鑄鐵：=25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式所計(jì)算出的液壓缸的壁厚通常很小，使缸體的剛度往往很不夠，如在做切屑加工過程中出現(xiàn)的變形，安裝變形等會(huì)引起液壓缸工作時(shí)卡死或漏油。因此一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式校核。 對(duì)于D/＜10時(shí)，應(yīng)按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計(jì)算。 對(duì)脆性及塑性材料 （2-6） 式中符號(hào)意義同前。 液壓缸壁厚算出后，即可馬上求出缸體的外徑為 D+2 （2-7） 式中值應(yīng)按無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。 本次設(shè)計(jì)選取液壓缸缸體厚為7.5mm，即可求出缸體的外徑為115mm。 2.2.3 液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程的長(zhǎng)度，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的實(shí)際工作的最大行程來確定，并參照表2—6中的系列尺寸來選取標(biāo)準(zhǔn)值。 表2—6液壓缸活塞行程系列（GB2349-80） 第一系列 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 第二系列 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 800 110 1400 1900 2200 2800 3000 第三系列 240 260 300 340 380 420 480 530 600 630 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 根據(jù)所選試件的試驗(yàn)長(zhǎng)度為100mm，而且是比例拉伸試件，加上裝卸試件的長(zhǎng)度，根據(jù)表中系列尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)值200mm。 2.2.4 液壓缸油口直徑和缸蓋厚度的計(jì)算 液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)的最高速度v和油口最高液流速度而定 （2-8） 式中 ——液壓缸油口直徑（m） D——液壓缸直徑（m） V——液壓缸最大輸出速度（m/min） ——油口液流速度（m/s） 其中，D=100mm，v=1m/s，=2m/s，代入公式得油口直徑=18.5mm 液壓缸一般都是平底缸蓋，其有效厚度t按照強(qiáng)度要求可用下面兩個(gè)公式進(jìn)行近似計(jì)算。 缸底無(wú)油孔時(shí) （2-9） 式中 h——缸底厚度（m） D——液壓缸內(nèi)徑（m） ——試驗(yàn)壓力（MPa） ——缸底材料的許用壓力（MPa）。 缸底有油孔時(shí) （2-10） 式中 ——液壓缸油口直徑（m） 其他符號(hào)同上式 將各個(gè)數(shù)據(jù)代入公式得到有油孔時(shí)缸蓋厚度h=30mm 2.2.5 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 當(dāng)活塞全部外伸時(shí)，從缸蓋滑動(dòng)支承面的中點(diǎn)到活塞支承面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)線長(zhǎng)度（如圖2—2）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過小，將使液壓缸的軸線撓度（間隙引起的撓度）增大，影響液壓缸工作的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)有必要保證一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 圖2— 2液壓缸的導(dǎo)向長(zhǎng)度 對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求： （2-11） 式中 L——液壓缸的最大行程； D——液壓缸的內(nèi)徑。 活塞的寬度B一般取B=（0.6~1.0）D，缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度l，根據(jù)液壓缸的內(nèi)徑D而定； 當(dāng)D<80mm時(shí)，取l=（0.6~1.0）D； 當(dāng)D >80mm時(shí)，取l=（0.6~1.0）d。 為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，若過分增大l和B都是不可以的，也是不合適的，必要時(shí)可在缸蓋與活塞之間加一隔套K來增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C由需要的液壓缸活塞桿的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即 （2-12） 2.2.6 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部總長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞總行程和活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的總厚度。通常液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的2030倍。 2.3 液壓缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 液壓缸主要尺寸確定以后，就要進(jìn)行各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)，活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)，活塞桿導(dǎo)向部分結(jié)構(gòu)，密封裝置，緩沖裝置，排氣裝置及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況選擇。 2.3.1 缸體和缸蓋的連接形式 缸體端部與缸蓋的連接形式一般與工作壓力、缸體材料以及工作條件等有關(guān)。 由于是設(shè)計(jì)電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)，要求結(jié)構(gòu)要緊湊所以選擇螺紋連接形式。這種連接形式的優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕。 2.3.2 活塞桿和活塞部分的結(jié)構(gòu)形式 a）活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的連接形式可分為兩種：整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為：螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。這里選取整體式連接結(jié)構(gòu)，整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 活塞桿與活塞連接形式如下圖： 圖2—3活塞桿與活塞的連接形式 b）活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)、以及密封、防塵和緊鎖裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)可以用端蓋整體式來直接導(dǎo)向，也可以與端蓋分開做成導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套如果磨損便于更換，所以應(yīng)用較普遍。導(dǎo)向套可安裝在密封圈的內(nèi)圈的位置，也可以裝在外側(cè)。機(jī)床和工程機(jī)械中通常采用裝在內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑，而由壓機(jī)一般采用裝在外側(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使密封圈有足夠的油壓將唇邊張開，以提高密封性能。 活塞桿處的密封形式有O形，V形，Y形密封圈。為了清除活塞桿處外露部分沾附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，需要在端蓋外側(cè)增加防塵圈。常用的有無(wú)骨架防塵圈和J形橡膠密封圈，也可以用毛氈防塵。 本次設(shè)計(jì)采用端蓋直接導(dǎo)向。這種導(dǎo)向端蓋與活塞桿直接接觸導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，蓋與桿密封常用O型，Y型密封。 C）活塞及活塞桿處密封圈的選用 活塞及活塞桿處選用密封圈，應(yīng)根據(jù)密封的部分。使用的壓力、溫度、運(yùn)動(dòng)速度的不同而選擇不同類型的密封圈。 2.3.3 液壓缸的緩沖裝置 液壓缸帶動(dòng)工作部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，因運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)速度較高，則在到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊，甚至使活塞與缸筒蓋之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，所以在行程末端設(shè)置緩沖裝置。 圖2—4環(huán)狀間隙或緩沖裝置 圖中所示為環(huán)狀間隙式緩沖裝置，它由活塞上的圓形凸臺(tái)和液壓油缸端蓋上的凹形腔組成。凸臺(tái)和凹腔的間隙為δ當(dāng)凸臺(tái)開始進(jìn)入凹腔時(shí)，缸內(nèi)的油液只能通過間隙δ擠壓出去。因此，活塞受到一個(gè)很大的阻力，缸的運(yùn)動(dòng)速度減慢。這種緩沖裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開始緩沖時(shí)效果顯著，但整個(gè)緩沖過程中緩沖效果逐漸減弱，適用于慣性較小、速度較低的場(chǎng)合。 必須指出，緩沖裝置，只能在液壓缸全行程終了時(shí)才起緩沖作用，當(dāng)活塞在運(yùn)動(dòng)過程中停止時(shí)，緩沖裝置不起緩沖作用。這時(shí)在回油路上可設(shè)置行程閥來實(shí)現(xiàn)緩沖。 2.3.4 液壓缸的排氣裝置 對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定性有較高要求的機(jī)床液壓缸和大型液壓缸，則需要設(shè)置排氣裝置，如排氣閥或排氣螺釘?shù)取Ｅ艢饴葆斎缦聢D 圖2—5排氣螺釘 排氣閥通常安裝在液壓缸兩端的最高處。雙作用液壓缸需裝設(shè)兩個(gè)排氣閥。仿液壓缸需要排氣時(shí)，打開相應(yīng)的排氣閥，空氣連同液壓油經(jīng)過椎部縫隙和小孔排除缸外，直至連續(xù)排油時(shí)（不冒氣），就將排氣閥關(guān)死。 2.3.5 液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu) 液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)包括液壓缸的安裝結(jié)構(gòu)、液壓缸進(jìn)出油口的連接等。 根據(jù)安裝位置和工作要求的不同可有腳架安裝，長(zhǎng)螺栓安裝，法蘭安裝，軸銷和耳環(huán)安裝等。 本次設(shè)計(jì)采用尾部法蘭式安裝。安裝螺釘受力較小。 液壓缸的進(jìn)、出油口，可布置在端蓋或缸體上。對(duì)于活塞桿固定的液壓缸，進(jìn)、出油口可設(shè)在活塞桿端部。如果液壓缸無(wú)專用的排氣裝置，進(jìn)、出油口應(yīng)設(shè)在液壓缸的最高處，以便空氣能首先從液壓缸排出。進(jìn)出油口的形式一般選用螺孔或法蘭連接。 2.3.6 液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求 液壓缸主要零件如缸體、活塞、活塞桿、缸蓋、導(dǎo)向套的材料和技術(shù)見表2—7 表2—7液壓缸主要零件的材料和技術(shù)要求 零件名稱 材料 主要表面粗糙度 技術(shù)要求 缸體 45號(hào)無(wú)縫鋼管 液壓缸內(nèi)圓柱表面粗糙度為 0.4 （1）內(nèi)徑用H8~H9的配合 （2）內(nèi)徑圓度，圓柱度不大于直徑公差一半 （3）內(nèi)表面母線直線度在500mm長(zhǎng)度上不大于0.03mm （4）缸體端面對(duì)軸線的垂直度在直徑每100mm上不大于0.04mm （5）缸體與缸蓋采用螺紋連接時(shí)，螺紋采用6H級(jí)精度 （6）為防止腐蝕和提高壽命，內(nèi)徑表面可以鍍0.03~0.04mm厚的硬鉻 活塞 45鋼 活塞外圓柱表面粗糙度為 0.8 （1）外徑D的圓度，圓柱度不大于外徑公差一半 （2）外徑D對(duì)內(nèi)孔的徑向跳動(dòng)不大于外徑公差一般 （3）端面對(duì)軸線垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm （4）內(nèi)孔與活塞桿的配合可取H8 活塞桿 45鋼 桿外圓柱面粗糙度為0.5 （1） 材料熱處理，調(diào)質(zhì)20~25HRC （2） 外徑的圓度，圓柱度不大于直徑公差一半 （3） 外徑表面直線度在500mm長(zhǎng)度上不大于0.08mm （4） 活塞桿與導(dǎo)向套采用H8/f7配合，與活塞的連接可采用H8/h7配合 缸蓋 45鋼 配合表面粗糙度0.8 （1） 配合表面的圓度，圓柱度不大于直徑公差一半 （2） 端面對(duì)孔軸線的垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm 2.4 活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 液壓缸承受軸向壓縮載荷時(shí)，如圖2—6所示，當(dāng)活塞桿直徑d與活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度l之比大于10時(shí)（即），應(yīng)校核活塞桿的縱向剛性強(qiáng)度或穩(wěn)定性。 當(dāng)無(wú)偏心載荷時(shí)，由材料力學(xué)知識(shí)可知，受壓細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)載荷力接近某一臨界值時(shí)，桿將產(chǎn)生縱向彎曲。且其撓度值隨壓縮載荷的增加急劇增大，以致屈服破壞，對(duì)于沒有偏心載荷的細(xì)長(zhǎng)桿，其縱向彎曲強(qiáng)度的臨界值，可按等截面法和非等截面法計(jì)算。 等截面計(jì)算法：當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，可按歐拉公式計(jì)算臨界載荷。 此時(shí)： （2-13） 式中 ——活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷（N） n——末端條件系數(shù) E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼，取為E= J——活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（），實(shí)心活塞桿： d——活塞桿直徑（m） l——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，即活塞桿的最大伸出時(shí)，活塞桿支點(diǎn)和液壓缸安裝點(diǎn)間的距離（m） K——活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑（m），實(shí)心活塞桿 A——活塞桿截面積（）； m——柔性系數(shù) 若活塞桿為實(shí)心桿，并用鋼鐵材料制造時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為 （2-14） 當(dāng)活塞桿細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，用戈登-蘭金公式計(jì)算臨界載荷，此時(shí) （2-15） 式中 ——材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，見表2—8； a——試驗(yàn)常數(shù)，見表2—8； 其他符號(hào)同上式。 表2—8實(shí)驗(yàn)常數(shù) 材料 鑄鐵 鍛鋼 低碳鋼 中碳鋼 560 250 340 490 a 1/1600 1/9000 1/7500 1/5000 m 80 110 90 85 當(dāng)活塞桿細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，可按純壓縮計(jì)算。 根據(jù)之前的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)的確定，這里： d=100mm，E=，=25mm，n=4，A=0.785 代入公式： 得出液壓缸的活塞桿縱向彎曲強(qiáng)度和穩(wěn)定性良好。 2.5 本章小結(jié) 本章先是確定了液壓缸的工作壓力，通過工作壓力和負(fù)載力計(jì)算，并對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定了液壓缸的缸徑及活塞缸直徑，也對(duì)液壓缸的行程，壁厚，油口直徑，導(dǎo)向長(zhǎng)度等重要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算確定。并根據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)需要對(duì)液壓缸的各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和確定。最后選出適合拉伸試驗(yàn)機(jī)的液壓缸。 第3章 液壓系統(tǒng)元件的選擇 第3章 液壓系統(tǒng)元件的選擇 3.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知工作循環(huán)中系統(tǒng)壓力和穩(wěn)定流量分別為4MPa和10L/min，液壓泵驅(qū)動(dòng)功率可由下列公式計(jì)算： （3-1） 式中 P——液壓缸的最大工作壓力（MPa）； ——液壓泵的最大流量（L/s）； ——液壓泵的總效率，查表取0.7。 代入式中的液壓泵驅(qū)動(dòng)功率 =1KW 3.2 液壓系統(tǒng)中各元件的選擇 3.2.1 液壓泵和電動(dòng)機(jī)的選擇 a)液壓泵的選擇 主要根據(jù)系統(tǒng)的工作情況來選擇液壓泵。泵的主要參數(shù)有壓力，流量，轉(zhuǎn)速，效率。為了保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)和系統(tǒng)的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%左右，要求工作可靠性較高的系統(tǒng)或設(shè)備，系統(tǒng)工作壓力為泵額定壓力的60%左右。泵的流量要大于系統(tǒng)工作的最大流量。 選用液壓泵的型號(hào)：CB—FC10型齒輪泵。 CB—FC系列外嚙合齒輪泵采用鋁合金壓鑄成形泵體，徑向密封采用齒頂掃鏜，軸向密封采用浮動(dòng)壓力平衡側(cè)板，因而達(dá)到了高效率。該泵具有體積小、重量輕、效率高、性能好、工作可靠、價(jià)格低等特點(diǎn)，該泵單向運(yùn)轉(zhuǎn)，旋向可根據(jù)用戶需要提供。由于該泵具有以上特點(diǎn)，所以工作范圍廣泛，，能夠用于工作條件惡劣的場(chǎng)合。 CB-FC10型齒輪泵理論排量：10.44mL/r； 額定壓力：16MPa； 最高壓力：20MPa； 額定轉(zhuǎn)速：2000r/min； 最高轉(zhuǎn)速：2500r/min； 最低轉(zhuǎn)速：600r/min； 容積效率90%； 總效率81%； 驅(qū)動(dòng)功率：6.4kW（額定工況下）； 重量：7.85kg。 b)電動(dòng)機(jī)的選擇 Y系列的電動(dòng)機(jī)為全封閉自扇冷或水冷式籠型三相異步電機(jī)，用于空氣中有易燃、易爆或腐蝕性氣體的場(chǎng)合。它適用于電壓為380V且無(wú)特殊要求的機(jī)械上，如泵、馬達(dá)和機(jī)床等。 根據(jù)給定的參數(shù)的計(jì)算所得液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率為6.4kW，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用電機(jī)型號(hào)：Y132M-4。該電機(jī)可防水滴、鐵屑以及其他物件沿垂直方向掉入電機(jī)內(nèi)部，它可作為泵、機(jī)床等的動(dòng)力源使用。該電機(jī)性能如下： 額定功率：7.5kW； 同步轉(zhuǎn)速：1500r/min； 滿載轉(zhuǎn)速：1440r/min； 額定轉(zhuǎn)矩：2.2； 電壓：380V。 3.2.2 聯(lián)軸器的選擇 選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器。彈性套柱銷聯(lián)軸器具有一定的補(bǔ)償兩軸線相對(duì)偏移能力和緩沖減震能力。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。維護(hù)方便。適合由于振動(dòng)要求不高，底座剛性好、對(duì)中精度較高場(chǎng)合，不宜用于高速或低俗重載場(chǎng)合，是應(yīng)用廣泛的一種聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩： （） （3-2） 式中 T——理論轉(zhuǎn)矩（）； ——驅(qū)動(dòng)功率（kW）； n——工作轉(zhuǎn)速（r/min）； ——?jiǎng)恿C(jī)的系數(shù)，查表取1.0； K——工況系數(shù)，查表取1.5； ——啟動(dòng)系數(shù)，查表取1.0； ——溫度系數(shù)，查表取1.5； ——公稱轉(zhuǎn)矩（） 將數(shù)據(jù)代入式中，計(jì)算的：=111.9 經(jīng)計(jì)算選取聯(lián)軸器的型號(hào)：LT5 ZC35X82/J1B32X60GB/T4323—1984,。 聯(lián)軸器的參數(shù)如下： 主動(dòng)端：Z型軸孔、C型鍵槽，=35mm，=82mm； 從動(dòng)端：J1型軸孔、B型鍵槽，=32mm，L=60mm。 3.2.3 液壓介質(zhì)的選擇 液壓工作介質(zhì)的選擇應(yīng)該是根據(jù)液壓系統(tǒng)中重要元件的油膜承載能力確定的，故應(yīng)在保證承載能力的條件下，選擇適合的介質(zhì)黏度。 工作介質(zhì)黏度太大，系統(tǒng)的壓力損失大，效率降低，而且泵的吸油狀況惡化，容易產(chǎn)生空穴和氣蝕作用，使泵運(yùn)轉(zhuǎn)困難，黏度太小，則系統(tǒng)泄露太多，容積損失增加，系統(tǒng)效率亦低，并使系統(tǒng)的剛性變差。因此，為了使液壓系統(tǒng)能夠正常和穩(wěn)定地工作，要求工作介質(zhì)的黏度隨溫度的變化要小。 工作介質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)部件起潤(rùn)滑作用。以降低摩擦和磨損，保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作，故要求液壓系統(tǒng)的介質(zhì)要具有很好的潤(rùn)滑作用。 另外液壓介質(zhì)還要有抗氧化性，防銹和不腐蝕金屬，同密封材料相容，消泡和抗泡沫性，抗乳化性，潔凈度高等要求。 根據(jù)液壓系統(tǒng)要求選擇液壓介質(zhì)如下 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》齒輪泵工作溫度：5~40攝氏度，推薦選用運(yùn)動(dòng)黏度（37.8攝氏度）：30~70。葉片泵工作溫度：5~40攝氏度，推薦選用運(yùn)動(dòng)黏度：30~49 綜合考慮以上情況選用：L-HM32礦物油型液壓油。 L-HM32礦物油型液壓油，運(yùn)動(dòng)黏度0攝氏度時(shí)不大于420，40攝氏度時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度范圍時(shí)28.8~35.5，時(shí)防銹抗氧精制礦物油，可改善液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的抗磨性，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保持性能安全可靠。 其部分質(zhì)量指標(biāo)如下： 運(yùn)動(dòng)黏度：28.8 粘度指數(shù)：不小于9.5 抗磨性試驗(yàn)：不小于10（FZG齒輪及試驗(yàn)），不小于100（葉片泵試驗(yàn)） 機(jī)械雜質(zhì)：無(wú) 空氣釋放值：6/min（50攝氏度） 泡沫性：150/10（24攝氏度） 3.2.4 閥的選擇 QDY系列電液伺服閥具有零點(diǎn)穩(wěn)定，靈敏度高，零漂小，頻帶寬，穩(wěn)定性高，長(zhǎng)期工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。適用于位置控制，速度控制，加速度控制等自動(dòng)控制系統(tǒng)。 在本系統(tǒng)中，選用的是QDY4系列電液伺服閥。QDY4系列電液伺服閥為動(dòng)圈式雙滑閥結(jié)構(gòu)，分為先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)。 先導(dǎo)級(jí)為動(dòng)圈式磁力馬達(dá)推動(dòng)的彈簧對(duì)中式四凸肩四通滑閥，功率級(jí)采用四凸肩四通滑閥接位移傳感器的結(jié)構(gòu)，采用伺服放大器進(jìn)行位置閉環(huán)控制，以保證伺服閥功率級(jí)閥芯位移與伺服放大器輸入信號(hào)成正比。 QDY4型電液伺服閥的部分參數(shù)如下： 額定流量:80L/min; 額定供油壓力：21MPa 供油壓力范圍：1.52~21MPa 零位流量：<4L/min 工作溫度：-40~100 DB/DBW型溢流閥具有壓力高，調(diào)壓性能平穩(wěn)最低調(diào)節(jié)壓力和調(diào)壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)。DB型閥組要用于控制系統(tǒng)壓力；DBW型電磁溢流閥也可以控制系統(tǒng)的壓力并能在任意時(shí)刻使之卸荷。設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)泵的出口壓力為5MPa，查《技術(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)》選擇溢流閥型號(hào)：先導(dǎo)式溢流閥DB10AG1-5X/50。 DB10AG1-5X/50型先導(dǎo)式溢流閥部分參數(shù)如下： 通徑：10mm； 最大調(diào)節(jié)壓力：35MPa； 最大流量：250L/min； 設(shè)定壓力：5.5MPa。 3.3 管路的設(shè)計(jì) 3.3.1 管路的種類核材料 按照管路在液壓系統(tǒng)中的作用，可分為以下幾種： 主管路——包括吸油管路、壓