試驗機(jī)液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗臺的研制【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

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購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 圖書分類號： 密 級： 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 生物材料動態(tài)力學(xué)實驗機(jī)的研制 F 生姓名 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 指導(dǎo)教師 20**年 5 月 27 日 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) I 摘要 本課題完成了人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗臺的研制。該試驗設(shè)備主要由機(jī)械傳動部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。試驗機(jī)液壓系統(tǒng)的特性是根據(jù)模擬人工髖關(guān) 節(jié)受力特點，可實現(xiàn)交流負(fù)載。該液壓加載系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)關(guān)節(jié)頭試件的前進(jìn)、后退及載荷的施加。實驗臺的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于試驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時間變化的負(fù)載。該液壓系統(tǒng)及試驗臺設(shè)計時考慮的主要因素是如何實現(xiàn)交流加載特征（交流液壓站），使其提供的載荷能在試驗室環(huán)境中正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際受力工況，以使試驗機(jī)產(chǎn)生的運動形式與人工關(guān)節(jié)實際使用條件相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞 人體 髖關(guān)節(jié)；模擬實驗；液壓加載系統(tǒng) 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) he a of of of of on of of is to is to in to C it in in so of of of of of to of to a 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) I 目 錄 摘要 .................................................................................................................................................. I ........................................................................................................................................ 緒論 ............................................................................................................................................. 1 言 ...................................................................................................................................... 1 工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)的分析與研究 .............................................................................. 1 工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求 ....................................................................................... 1 課題研究內(nèi)容擬解決的主要問題 .................................................................................. 2 2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析 ............................................................................................................. 3 體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) ................................................................................................................... 3 關(guān)節(jié)運動分析 .................................................................................................................. 3 工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 6 驗機(jī)的工作原理 .............................................................................................................. 6 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計 ............................................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的設(shè)計流程 .................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的工作原理 .................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計 .................................................................................................. 8 壓系統(tǒng)的參數(shù)計算 .......................................................................................................... 9 壓缸主要參數(shù)的確定 ................................................................................................ 9 壓泵的性能參數(shù)計算 ............................................................................................. 11 壓元件的選擇 ................................................................................................................ 12 制閥的選擇 ............................................................................................................. 12 助元件的選擇 ......................................................................................................... 14 4 液壓缸主要零部件設(shè)計 ........................................................................................................... 15 筒 ..................................................................................................................................... 15 筒結(jié)構(gòu) ..................................................................................................................... 15 筒材料 ..................................................................................................................... 15 筒計算 ..................................................................................................................... 16 塞 .................................................................................................................................... 18 塞結(jié)構(gòu) ..................................................................................................................... 18 塞與活塞桿 的連接形式 ......................................................................................... 18 塞的密封 ................................................................................................................. 18 塞材料 ..................................................................................................................... 20 塞尺寸及加工公差 ................................................................................................. 20 塞桿 ................................................................................................................................. 20 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 活塞桿結(jié)構(gòu) ................................................................................................................. 20 塞桿的材料和技術(shù)要求 ......................................................................................... 21 塞桿的計算 ............................................................................................................. 21 5 液壓站的設(shè)計 ........................................................................................................................... 23 壓泵站 ............................................................................................................................ 23 壓 泵站的類型選擇 ......................................................................................................... 23 壓油箱及其附件 ............................................................................................................. 23 箱的用途與分類 ..................................................................................................... 23 箱的構(gòu)造與設(shè)計要點 ............................................................................................. 23 箱的容量及計算 ..................................................................................................... 24 準(zhǔn)油箱的規(guī)格及外形尺寸 ..................................................................................... 25 路板的設(shè)計 .................................................................................................................... 26 式集成的結(jié)構(gòu)特征 ................................................................................................. 26 路板的設(shè)計要點 ..................................................................................................... 26 路板設(shè)計說明 ......................................................................................................... 26 結(jié)論 ............................................................................................................................................... 30 致謝 ............................................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 32 充值后就可以下載此設(shè)計說明書。全套資料包含有相應(yīng)的 明書（附帶：外文翻譯）和 紙（共計 9 張圖 紙）。 需要全套資料的朋友請 加 1： 1459919609 或 2： 1969043202， 需要其他設(shè)計題目直接聯(lián)系?。?！ 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 1 緒論 言 人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。人工關(guān)節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、成型技術(shù)和醫(yī)療等多門學(xué)科的知識，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性的研究由于直接關(guān)系到置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床壽命而備受人矚目。人體關(guān)節(jié)屬于身體活動的連接機(jī)構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對滑動，因此會 產(chǎn)生摩擦、磨損和潤滑等摩擦學(xué)問題。摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、摩擦磨損特性評價以及摩擦過程、磨損機(jī)理的研究都需要進(jìn)行摩擦學(xué)試驗。由于摩擦磨損測試涉及整個摩擦學(xué)系統(tǒng)，試驗時外部因素（接觸方式、運動類型、載荷、速度、溫度、時間、介質(zhì)及環(huán)境氣氛等）和內(nèi)部因素（材料性質(zhì)、表面狀態(tài)、潤滑劑性能等）改變時都會導(dǎo)致測試結(jié)果發(fā)生變化。近期的研究工作已證明人工關(guān)節(jié)磨損時產(chǎn)生的磨損顆粒與置換關(guān)節(jié)的無菌性松動有直接關(guān)系。因此，積極開展人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性方面的研究，掌握置換關(guān)節(jié)材料在生物機(jī)體環(huán)境內(nèi)的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關(guān)節(jié)的 開發(fā)中引入摩擦學(xué)設(shè)計（包括基于生物力學(xué)的關(guān)節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動摩擦學(xué)行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機(jī)理及有效識別等），對于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。 工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)的分析與研究 人工關(guān)節(jié)的磨損，尤其是人工髖關(guān)節(jié)的磨損，是一個重要的臨床問題。人工關(guān)節(jié)的磨損不僅能造成關(guān)節(jié)假體本身的破壞而引起機(jī)械性失效，還會產(chǎn)生大量磨損顆粒引導(dǎo)假體周圍骨溶解。 1965年以來，研究者相繼開發(fā)關(guān)節(jié)模擬實驗裝置，曾采用銷盤磨損實驗、環(huán)盤磨損實驗、四球磨損實驗 及塊環(huán)磨損實驗等，但實驗設(shè)備由于結(jié)構(gòu)限制無法進(jìn)行全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦實驗，而且在試件偶副接觸方式提供的運動形式以及載荷性質(zhì)上，都與關(guān)節(jié)的實際工況相距甚遠(yuǎn)。因此，要求新的模擬試驗機(jī)在實驗室環(huán)境中能夠更真實地模擬人體髖關(guān)節(jié)的運動情況及運動環(huán)境，為不同髖關(guān)節(jié)材料的臨床應(yīng)用提供較為準(zhǔn)確可靠的試驗數(shù)據(jù)。 困擾關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)發(fā)展的一個重要因素是試驗機(jī)工位太少。大多數(shù)試驗機(jī)在一次試驗過程中只能容納一個關(guān)節(jié)摩擦副，在這種試驗設(shè)備上完成 2× 106～ 3× 106轉(zhuǎn)（相當(dāng)于關(guān)節(jié)假體在病人體內(nèi) 2～ 3年的運動量）的試驗工作需要 2～ 3個月的 時間。針對這一問題，研究者提出了多工位試驗機(jī)的概念。到目前為止，有各種多工位試驗機(jī)乃至 100工位的試驗機(jī)在研究中使用。多工位試驗機(jī)可同時進(jìn)行多副人工關(guān)節(jié)偶件對比試驗，因此試驗周期短，對試驗數(shù)據(jù)的對比分析可靠度高。 工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 人體髖關(guān)節(jié)是受力復(fù)雜的負(fù)重關(guān)節(jié) , 同時承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力以及反復(fù)疲勞、磨損的綜合作用 , 每年要承受 100～ 300萬次循環(huán)的體重負(fù)荷 , 并且由于其長期植入體內(nèi) , 要經(jīng)受體液的腐蝕作用。鑒于特殊的使用環(huán)境 , 對髖關(guān)節(jié)假體材料的性能提出了很高的要求。臨床 醫(yī)學(xué)認(rèn)為 , 人工髖關(guān)節(jié)作為植入器官應(yīng)具備以下幾項性能 : (1)生物相容性。生物組織相容性要求髖關(guān)節(jié)假體材料不能對周圍組織產(chǎn)生毒副作用 , 組織對植入材料無排斥反應(yīng) ; 生物力學(xué)相容性要求髖關(guān)節(jié)假體材料的彈性模量、強(qiáng)度和韌性與人的皮質(zhì)骨相匹配 , 在負(fù)載情況下 , 髖關(guān)節(jié)假體與所接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào) , 并且植入期間假體材料與周圍的骨組織結(jié)合良好 , 不發(fā)生松動和下沉 ; (2)生物摩擦學(xué)性能。要求髖關(guān)節(jié)假體材料的摩損率低 ,磨損顆粒數(shù)量少且對人體組織無不良影響 ; (3)抗腐蝕、耐疲勞性能。要求髖關(guān)節(jié)假體材料在人 體環(huán)境中經(jīng)受化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕而不失效 , 在人體循環(huán)疲勞作用下不損傷 ; (4)制備工藝和服役壽命。要求髖關(guān)節(jié)假體材料易于合成和制造 , 便于批量生產(chǎn)和質(zhì)量檢測 , 設(shè)計服役壽命應(yīng)達(dá)到 10～ 20年。 各種人工髖關(guān)節(jié)材料都在不斷的發(fā)展和完善之中 , 但都存在各自的不足之處。要進(jìn)一步改善材料的功能適應(yīng)性 , 延長其服役壽命 , 提高我國人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的水平 , 還有諸多研究工作需要完成。 (1)髖關(guān)節(jié)假體材料的表面改性是未來研究的熱點 , 需要不斷探索新的表面改性方法 ,在材料表面合理設(shè)計梯度功能涂層以及智能化涂層是極具潛力的 發(fā)展方向 ; (2) 對人體髖關(guān)節(jié)生物摩擦行為和潤滑機(jī)理進(jìn)行研究 , 正確掌握髖關(guān)節(jié)的運動方式和磨損規(guī)律 , 并有針對性的開展仿生設(shè)計 ; (3) 完善髖關(guān)節(jié)假體材料性能評價 體系。 課題研究內(nèi)容擬解決的主要問題 本設(shè)計是 根據(jù)人類行走時下肢關(guān)節(jié)的運動特點，結(jié)合醫(yī)學(xué)中對人體關(guān)節(jié)、骨骼力學(xué)性能試驗的要求，研制一套 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗臺 。液壓系統(tǒng)設(shè)計時考慮的主要因素是如何實現(xiàn)交流加載特征（交流液壓站），使其提供的載荷能在試驗室環(huán)境中正確模擬人體下肢關(guān)節(jié)的實際受力工況，以使試驗機(jī)產(chǎn)生的加載形式與人 體關(guān)節(jié)實際使用條件相一致。力學(xué)試驗臺可以在試驗室環(huán)境中準(zhǔn)確、可靠地測試生物材料的各項特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析 體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一，圖 2 圖 2體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 髖關(guān)節(jié)由股骨頭與髖臼相對構(gòu)成，屬于杵臼關(guān)節(jié)。髖臼內(nèi)僅月狀面被覆關(guān)節(jié)軟骨，髖臼窩內(nèi)充滿脂肪，可隨關(guān)節(jié)內(nèi)壓的增減而被擠出或吸入，以維持關(guān)節(jié)內(nèi)壓的平衡。在髖臼的邊緣有關(guān)節(jié)盂緣附著。加深了關(guān)節(jié)窩的深度。在髖臼 切跡上橫架有髖臼橫韌帶，并與切跡圍成一孔，有神經(jīng)、血管等通過。關(guān)節(jié)囊厚而堅韌，上端附于髖臼的周緣和髖臼橫韌帶，下端前面附于轉(zhuǎn)子間線，后面附于轉(zhuǎn)子間嵴的內(nèi)側(cè)（距轉(zhuǎn)子間嵴約 1 厘米處），因此，股骨頸的后面有一部分處于關(guān)節(jié)囊外，而頸的前面則完全包在囊內(nèi)。所以股骨頸骨折時，根據(jù)其骨折部位而有囊內(nèi)、囊外或混合性骨折之分。髖關(guān)節(jié)周圍有韌帶加強(qiáng)，主要是前面的髂股韌帶，長而堅韌，上方附于髂前下棘的下方，呈人字形，向下附于股骨的轉(zhuǎn)子間線。髂股韌帶可限制大腿過度后伸，對維持直立姿勢具有重要意義。此外，關(guān)節(jié)囊下部有恥骨囊韌帶增強(qiáng)， 可限制大腿過度外展及旋外。關(guān)節(jié)囊后部有坐骨囊韌帶增強(qiáng)，有限制大腿旋內(nèi)的作用。關(guān)節(jié)囊的纖維層呈環(huán)形增厚，環(huán)繞股骨頸的中部，稱為輪匝帶，能約束股骨頭向外脫出，此韌帶的纖維多與恥骨囊韌帶及坐骨囊韌帶相編織，而不直接附在骨面上。股骨頭韌帶為關(guān)節(jié)腔內(nèi)的扁纖維束，主要起于髖臼橫韌帶，止于股骨頭凹。韌帶有滑膜被覆， 內(nèi)有血管通過。一般認(rèn)為，此韌帶對髖關(guān)節(jié)的運動并無限制作用。 關(guān)節(jié)運動分析 髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運動。但由于股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關(guān)節(jié)盂緣加深，包繞股骨頭近 2/3，所以 關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩二者的面積差甚小，徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 故運動范圍較小。加之關(guān)節(jié)囊厚，限制關(guān)節(jié)運動幅度的韌帶堅韌有力，因此，該關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性大 ， 而靈活性則甚差。這種結(jié)構(gòu)特征是人類直立步行，重力通過髖關(guān)節(jié)傳遞等機(jī)能的反映。當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲、內(nèi)收、內(nèi)旋時，股骨頭大部分脫離髖臼抵向關(guān)節(jié)囊的后下部，此時若外力從前方作用于膝關(guān)節(jié)，再沿股骨傳到股骨頭，易于發(fā)生髖關(guān)節(jié)后脫位。 考慮到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中的運動軌跡。據(jù)此，首先分析得出人體行走時，髖關(guān)節(jié)所做的幾種運動： 圖 2收 /外展、內(nèi)外旋運動 圖 2伸展運動 說明： 1—— 負(fù)載軸； 2—— 屈曲 /伸展運動角度； 3—— 內(nèi)收 /外展運動角度； 4—— 內(nèi) /外旋運動角度； 5—— 髖臼部分的極軸； L—— 髖臼部分極軸與負(fù)載力線的夾角； N—— 髖臼基底平面與負(fù)載力線的夾角，一 般為 57o～ 63o； ； P—— 當(dāng)內(nèi)收 /外展運動處于中間位置時，股骨柄與負(fù)載力線間的夾角； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 1) 內(nèi)收 /外展運動 (: 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對角運動。 2) 屈曲 /伸展運動（ : 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對角運動。 3） 內(nèi) /外旋運動（ : 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對角運動。 4) 極軸（ : 指通過髖臼部分內(nèi)球面中心并垂直于髖臼凸緣平面的軸；如果髖臼沒有凸緣，則是指通過款就部件內(nèi)球面中心并垂直于髖臼基；底平面的軸。 結(jié)合實際參照資料，根據(jù) 體正常行走時，髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 2 變化幅度為 0～ 46o； 變化幅度同為0～ 12o； 位相差π /2； 在足跟離地前 節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 節(jié)拉伸度達(dá)到最大（ 位：秒）。一個運動周期內(nèi)股骨部件各角運動變化角度如下表 2 表 2個運動周期內(nèi)股骨部件各角運動變化 一個運動周期內(nèi)股骨部件各角運動變化 所占一個運動周期時間的比例（ %）± 1% 0 21 50 62 100 屈曲角（ +）或伸展角（ -）（ o）± 3o 25 25 內(nèi)收角（ +）或外展角（ -）（ o）± 3o 3 7 內(nèi)旋角（ +）或外展角（ -）（ o）± 3o 2 據(jù)圖 2用計算機(jī)模擬技術(shù)對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機(jī)選取點的運動軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計算，其結(jié)果如圖 2以看出，這些點的運動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復(fù)合滑動摩擦。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 圖 2體步態(tài)運動步行圖 圖 2取點的滑動軌跡 圖 工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 人工髖關(guān)節(jié)假體仿照人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，將假體柄部插入股骨髓腔內(nèi)，利用頭部與關(guān)節(jié)臼或假體金屬杯形成旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)股骨的曲伸和運動。 圖 2天然髖關(guān)節(jié)相對應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。 產(chǎn)品根據(jù)臨床需要，頭部直徑分為 3852隔 2 圖 2工髖關(guān)節(jié) 實物照片 驗機(jī)的工作原理 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于實驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時間變化的負(fù)載及相對角運動，股骨頭試件由夾具夾持固定于試驗機(jī)主軸上，試驗時載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗時不同載荷要求。圖 2 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 圖 2工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機(jī)實物照片 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計 壓加載系統(tǒng)的設(shè)計流程 分析人體髖關(guān)節(jié)受力狀況，模擬關(guān)節(jié)頭試件的前進(jìn)、后退及載荷的施加，通過對一系列參數(shù)和指標(biāo)的分析，提出運用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)關(guān)節(jié)頭的前進(jìn)、后退的思想，其設(shè)計流 程圖如圖 3 圖 3壓系統(tǒng)設(shè)計流程圖 壓加載系統(tǒng)的工作原理 試驗機(jī)的液壓加載系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)關(guān)節(jié)頭試件的前進(jìn)、后退及載荷的施加，其工作原理圖如圖 3壓系統(tǒng)工作時，活塞桿的前進(jìn)、后退主要由三位四通電磁換向閥控制。 活塞桿前進(jìn)時 ,三位四通電磁換向閥處于左位，此時進(jìn)油路線為：油泵→三位四通電磁換向閥→油缸上腔；回油路線為：油缸下腔→三位四通電磁換向閥→油箱； 活塞桿后退時，三位四通電磁換向閥處于右位，此時進(jìn)油路線為：油泵→三位四通 電磁換向閥→油缸下腔；回油路線為：油缸上腔→三位四通電磁換向閥→油箱； 三位四通電磁換向閥處于中位時，油泵卸載，油缸不動。 壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計 試驗時，開啟電機(jī)并將三位四通電磁換向閥置于左位，活塞桿向下移動并帶動上試件（關(guān)節(jié)頭）壓向下試件（關(guān)節(jié)窩）。當(dāng)兩試樣接觸時，調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥并觀察壓力表使油壓滿足試驗條件要求。試驗結(jié)束后，首先將三位四通電磁換向閥置于中位。由于該閥中位機(jī)能為 時液壓泵出油口油液直接回油箱卸載。蓄能器為了保持壓力穩(wěn)定，會向保壓系統(tǒng)供油、補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏。然后將三位四通電磁 換向閥置于右位，開啟電機(jī)，油泵輸出壓力油推動活塞上移并帶動上試件后退。 分析人體髖關(guān)節(jié)受力、運動狀況 模擬關(guān)節(jié)頭的前進(jìn)、后退時載荷的施加 確定關(guān)節(jié)頭步進(jìn)順序，設(shè)計液壓系統(tǒng)原理圖 根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，合理選擇液壓元件 復(fù)檢并改善此液壓系統(tǒng) 提出用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)控制 檢查 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 1 - 油 箱 2 - 過 濾 器 3 - 單 作 用 葉 片 泵 4 - 電 動 機(jī)5 - 單 向 閥 6 - 溢 流 閥 7 - 三 位 四 通 電 磁 換 向 閥 8 - 壓 力 表 開 關(guān)9 壓 力 表 1 0 - 加 載 油 缸 1 1 - 電 磁 比 例 溢 流 閥 1 2 - 蓄 能 器圖 3壓系統(tǒng)原理圖 壓系統(tǒng)的參數(shù)計算 壓缸主要參數(shù)的確定 (1) 液壓缸工作壓力的確定 已知最大實驗載荷 P=1t， 最大壓強(qiáng) 按照初定值取缸的工作壓力為 6 (2) 液壓缸內(nèi)徑尺寸的確定 以無活塞桿側(cè)作為液壓缸的進(jìn)油腔，則 14×6 100 00×410×π31 ??? 式 （ 式中： D —— 缸筒 內(nèi)徑 ， p —— 液壓缸工作壓力， 1F —— 實驗載荷， N； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 按 2348― 1993將所計算的 0? 。 (3) 活塞桿直徑的確定 由上知 D = 50 ?? 1 式 （ 式中： d —— 活塞桿直 徑 ， ? —— 速比，根據(jù)壓力， 按 表 3 表 3壓缸安全系數(shù) 公稱壓力 ≤10 >20 ? 2 22 由所定工作壓力 ? 取 0 ??? 按 2348― 1993將所計算的 d 圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，得 5? 。 (4) 活塞的理論推力和拉力 0 00 04π 21 ?? 式（ 5 00)－d(4π 222 ??式（ (5) 活塞的最大允許行程 活塞行程 S，在初步確定時，主要是按實際工作需要的長度來考慮，但這一工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程。為了計算行程，應(yīng)首先計算出活塞桿的最大允許計算長度為活塞桿一般為細(xì)長桿。 當(dāng) 10～ 15） d 時，由歐拉公式推導(dǎo)出 ： 式（ 式中： I —— 活塞桿橫截面慣性距， 圓截面 4 40 . 0 4 964?d —— 活塞桿直徑， n —— 液壓缸末端條 件 系數(shù) ； 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力， N； F —— 活塞桿的縱向壓縮力， N； 安全系數(shù)，通常6； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 E —— 材料的彈性摸數(shù)，鋼材的 25 /101.2 ? ； 將數(shù)據(jù)代入并簡化后 1 0 6 9 m =125不會出現(xiàn)確定的行程與設(shè)計的活塞桿直徑相矛盾，達(dá)不到穩(wěn)定的要求 ，因此 無須對活塞桿進(jìn)行修正。 (6) 缸筒 長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 20～ 30倍。 即： ?L （ 20～ 30） D 式（ ＝ 1000～ 1500 式中： L—— 液壓缸缸體長度 ， 實際液壓缸的長度為 225滿足要求。 由此確定： 液壓缸的公稱壓力 P= 液壓缸的內(nèi)徑 D=50 活塞桿直徑 d=25 活塞桿行程 S=125 壓泵的性能參數(shù)計 算 （ 1）確定液壓泵的最大工作壓力??1p 式中 1p —— 執(zhí)行元件的最高工作壓力； p?? —— 執(zhí)行元件進(jìn)油路上的壓力損失，初定 p?? = 執(zhí)行元件的工作情況可知 錯誤 !未找到引用源。 ， ??? 假使液壓泵的最高工作壓力為額定壓力，則 p ??? 2）確定液壓泵的最大流量qK≥q ?式（ 式中— 同時動作的個執(zhí)行元件所需流量之和的最大值； K —— 泄露系數(shù)，一般取 K =這里取 K =定系統(tǒng)最大流量為理論流量 qm a x L??，則 L /m .1≥。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 （ 3）選擇液壓泵的規(guī)格型號 由于 葉片泵結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，排量范 圍大，壓力流量脈動小，噪聲低，壽命長等一系列優(yōu)點，被廣泛用于機(jī)床設(shè)備和其他中低壓液壓系統(tǒng)中。因此本液壓系統(tǒng)中選擇 單級葉片泵 。 其葉片泵的型號和參數(shù)指標(biāo)如表 3 表 3片泵的型號 型號 流量 額定壓力 轉(zhuǎn)速 傳動功率 重量 0L/450r /（ 4）選擇電動機(jī)的規(guī)格型號 液壓泵的電動機(jī)功率 P ?? 式（ 式中： P —— 電動機(jī)功率， p—— 液壓泵最大工作壓力， 液壓泵的輸出流量， ； p?—— 液壓泵總效率，估取 電動機(jī)的型號和參數(shù)指標(biāo)如表 3 表 3動機(jī)的型號 型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 同步轉(zhuǎn)速 極數(shù) .2 420r /500r / 壓元件的選擇 制閥的選擇 1、 三位四通電磁換向閥 型號： 34徑： 6定流量： 25 L / 力： 接方式：板式連接 重量： 4、溢流閥 型號： 徑： 10定流量： 63 L / 州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 調(diào)壓范圍： 接方式：板式連接 重量： 、電磁比例溢流閥 型號： 徑： 10定流量： 63 L / 壓范圍： 接方式：板式連接 重量： 3.2 、壓力表開關(guān) 型號： 2E 通徑： 8定流量： 10 L / 力： 350接方式：板式連接 5、截止閥 型號： 徑： 10 力： 20 接方式： 螺紋 連接 6、單向閥 型號： 徑： 3力： 25 定流量： 30 L / 接方式： 管式聯(lián)接 各液壓元件規(guī)格參數(shù)如表 3 表 3選液壓元件規(guī)格參數(shù) 元件名稱 型號 通徑 壓力 額定流量 連接方式 重量 三位四通換向閥 345L/式連接 4流閥 03L/式連接 磁比例溢流閥 03L/式連接 力表開關(guān) 2E 8500L/式連接 截止閥 00螺紋連接 單向閥 50L/式聯(lián)接 州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 助元件的選擇 1、 吸油 過濾器 型號： 5× 180L 通徑： 15定流量： 25 L / 濾精度： 180 力損失：〈 、蓄能器 型號： 徑： 40力： 10接方式： 螺紋聯(lián)接 3、空氣過濾器 型號： 氣過濾口徑 ： 25油流量 ： 9L/氣流量 ： 65L/氣過濾精度： 過濾精度： 125μm 4、管接頭 型號： 966徑： 15接方式： 螺紋聯(lián)接 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 4 液壓缸主要零部件設(shè)計 筒 筒結(jié)構(gòu) 缸筒結(jié)構(gòu)通常根據(jù)缸筒與端蓋的連接型式選用，而連接型式又取決于額定工作壓力、用途和使用環(huán)境等因素。 常見的缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)如圖 4 圖 4體與缸蓋的連接結(jié) 構(gòu) a) 法蘭式連接，結(jié)構(gòu)較簡單，易加工，易裝卸，但是要求缸筒端部有足夠的壁厚，用以按裝螺栓或旋入螺釘。缸筒端部一般用鑄造、鐓粗或焊接方式制成粗大的外徑，它是常用的一種連接形式。 b) 半環(huán)式連接，分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式，半環(huán)連接工藝性好，連接可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，但削弱了缸筒強(qiáng)度。半環(huán)連接應(yīng)用十分普遍， 常用于無縫鋼管缸筒與端蓋的連接中。 c) 螺紋式連接，有外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩種，其特點是外徑小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，但缸筒端部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝卸時要用專門的工具，這種連接形式一般用于要求外形尺寸小，重量輕的場合。 d) 拉桿式連接，缸體最易加工，最易裝卸，結(jié)構(gòu)通用型大，但端蓋的體積和重量較大，拉桿受力后會拉伸變長，影響密封效果。 e)焊接式連接，強(qiáng)度高，制造簡單，但焊接時易引起缸筒變形。 本設(shè)計中缸體、前缸蓋采用焊接式連接；缸體、后缸蓋采用法蘭式連接。 筒 材料 缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和 沖擊韌性，能承受最高工作壓力及短期動態(tài)試驗徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 壓力而不產(chǎn)生永久變形；有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不產(chǎn)生彎曲。 需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不至于產(chǎn)生裂紋或過大的變形。 本設(shè)計中，缸筒采用 35號 鋼，機(jī)械預(yù)加工后再 調(diào)質(zhì) 到 241～ 285前端蓋采用 底采用 筒計算 (1) 缸筒內(nèi)徑 的確定 由前面計算得到：缸筒內(nèi)徑 0? 。 (2) 缸筒壁厚計算 缸筒壁厚 δ為： 210 ?? ??關(guān)于0?的值，可按下列情況分別進(jìn)行計算： 當(dāng) ?D? 時，可用薄壁缸筒的實用計算式： δ m 式 （ 顯然過小 ； 當(dāng) D/? = 用實用公式： a xm a ??? ???? ??考慮到 1c 和 2c ， 取壁厚為 5此時 ?D? 式中： 0?—— 為缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值， m； 1c —— 為缸筒外徑公差余量， m； 2c —— 腐蝕余量， m； D —— 缸筒內(nèi)徑 ， m； 缸 筒內(nèi)最高工作壓力， p?—— 缸筒材料的許用應(yīng)力 ， ?? ?； b?—— 缸筒材料的抗拉 強(qiáng)度， (3) 缸筒壁厚驗算 額定工作壓力 以保證工作安全： 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 ? ?M P 0 . 0 6×320×