材料試驗機液壓系統(tǒng)設計[含CAD高清圖紙和文檔全套]

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摘 要 現(xiàn)代機械一般多是機械、電氣、液壓三者緊密聯(lián)系，結合的一個綜合體。液壓傳動與機械傳動、電氣傳動并列為三大傳統(tǒng)形式，液壓傳動系統(tǒng)的設計在現(xiàn)代機械的設計工作中占有重要的地位。因此，《液壓傳動》課程是工科機械類各專業(yè)都開設的一門重要課程。它既是一門理論課，也與生產(chǎn)實際有著密切的聯(lián)系。為了學好這樣一門重要課程，除了在教學中系統(tǒng)講授以外，還應設置課程設計教學環(huán)節(jié)，使學生理論聯(lián)系實際，掌握液壓傳動系統(tǒng)設計的技能和方法。 液壓傳動畢業(yè)設計的目的主要有以下幾點： 1、綜合運用液壓傳動課程及其他有關先修課程的理論知識和生產(chǎn)實際只是，進行液壓傳動設計實踐，是理論知識和生產(chǎn)實踐機密結合起來，從而使這些知識得到進一步的鞏固、加深提高和擴展。 2、在設計實踐中學習和掌握通用液壓元件，尤其是各類標準元件的選用原則和回路的組合方法，培養(yǎng)設計技能，提高學生分析和嫁接生產(chǎn)實際問題的能力，為今后的設計工作打下良好的基礎。 3、通過設計，學生應在計算、繪圖、運用和熟悉設計資料（包括設計手冊、產(chǎn)品樣本、標準和規(guī)范）以及進行估算方面得到實際訓練。 關鍵詞：材料試驗機；液壓系統(tǒng)；試驗；檢測 目 錄 摘 要 1 第一章 緒 論 4 1.1 研究背景及意義 4 1.1.1材料試驗機簡介 4 1.1.2材料試驗機的用途與作用 4 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 1.2.1 國內(nèi)材料試驗機的現(xiàn)狀 5 1.2.2 國外材料試驗機的現(xiàn)狀 7 1.3 本論文研究內(nèi)容 9 第二章 設計要求及工況分析 10 2.1 材料試驗機液壓系統(tǒng)設計注意事項 10 2.1.1負載動力的合理匹配 10 2..1.2伺服閥的正確選用 10 2.1.3作動器固有頻率的提高 11 2.1.4 夾緊油源與夾緊裝置 11 2.1.5 冷卻方式的選擇 11 2.2設計要求 12 2.3負載與運動分析 13 2.4 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 14 2.4.1初選液壓缸工作壓力 14 2.4.2計算液壓缸主要尺寸 14 第三章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 17 3.1選擇基本回路 17 3.1.1選擇調(diào)速回路 17 3.1.2選擇油源形式 17 3.1.3選擇快速運動和換向回路 17 3.1.4選擇速度換接回路 18 3.1.5選擇調(diào)壓和卸荷回路 18 3.2組成液壓系統(tǒng) 18 第四章 設計計算及液壓元件的選擇 20 4.1確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率 20 4.1.1計算液壓泵的最大工作壓力 20 4.1.2計算液壓泵的流量 20 4.1.3確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率 20 4.2閥類元件及輔件的選用 21 4.2.1 壓力控制閥 21 4.2.2 流量控制閥 22 4.2.3 方向控制閥 22 4.3管路，過濾器，其他輔助元件的選擇計算 23 4.3.1確定油管 23 4.3.2 過濾器的選擇 24 4.3.3 輔件的選擇 24 4.4 液壓元件的連接 25 4.4.1 液壓裝置的總體布置 25 4.4.2液壓元件的連接 25 4.5油箱及附件 25 4.5.1 油箱的容積 26 第五章 驗算液壓系統(tǒng)性能 27 5.1驗算系統(tǒng)壓力損失 27 5.1.1判斷流動狀態(tài) 27 5.1.2計算系統(tǒng)壓力損失 27 5.2驗算系統(tǒng)發(fā)熱與溫升 30 結 論 32 參考文獻 33 致 謝 34 第一章 緒 論 1.1 研究背景及意義 1.1.1材料試驗機簡介 材料試驗機（material testing machine）是對材料、零件、構件進行力學性能和工藝性能試驗的儀器和設備。材料試驗機，是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構等的機械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗旋轉零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。近年來，試驗機行業(yè)技術突飛猛進。試驗機向著兩個方向即超微外力檢測與超大外力檢測發(fā)展。高檢測精度、高靈敏度、運動平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗機的主要發(fā)展方向。在研究探索新材料、新工藝、新技術和新結構的過程中，材料試驗機是一種不可缺少的重要檢測儀器。常用的材料試驗機有拉力試驗機、壓力試驗機、扭轉試驗機、沖擊試驗機、疲勞試驗機等，能兼作拉伸、壓縮、彎曲等多種試驗的試驗機稱為萬能材料試驗機，簡稱萬能機。供靜力試驗用的普通萬能材料試驗機，按其傳遞荷載的原理可分為液壓式和機械式兩類。在研究探索新材料、新工藝、新技術和新結構的過程中，試驗機是一種不可缺少的重要測試儀器。廣泛應用于機械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通運輸、等工業(yè)部門以及大專院校、科研院所的相關實驗室。對有效使用材料、改進工藝、提高產(chǎn)品質量、降低成本、保證產(chǎn)品安全可靠等都具有重要作用。 材料試驗機的種類很多，有多種不同的分類方法。按加荷方法分類: 靜負荷試驗機 (靜態(tài))和動負荷試驗機(動態(tài))。其中靜態(tài)試驗機一個主要組成部分萬能試驗機又可分為液壓萬能試驗機、電液伺服萬能試驗機和電子萬能試驗機。 1.1.2材料試驗機的用途與作用 材料試驗機是對材料、零件和構件進行機械性能和工藝性試驗的設備。產(chǎn)品好壞，除了從結構設計、加工工藝、處理規(guī)范諸方面去考慮以外，合理選擇材料也是一個重要方面，例如金屬、非金屬、各種新型的高溫合金、高分子化合物及復合材料等要達到物盡其用，就必須知道材料的性能；在研究新材料、新工藝，也需測定材料的機械性能；對新型機器或設備的受力部件，特別是大型構件（如橋梁、船體等）有時還需進行整機試驗，以考慮所用材料及工藝設計是否合理等，都需要各種專門的材料試驗機來測量相關參數(shù)。 材料受載后表現(xiàn)出彈性、塑性、斷裂三個變型過程，并且在各個過程已有相關技術標準（規(guī)范）規(guī)定出相關性能的技術指標，這些性能指標的具體測定必須在試驗機上來完成。試驗機的功能和計量特性指標是否滿足預期使用要求，是材料機械性能試驗的關鍵。材料試驗機不僅是研究材料機械性能理論的基本手段和依據(jù)，也是企業(yè)、事業(yè)單位目前生產(chǎn)檢驗的基本手段之一。 總之，材料試驗機為合理利用原材料、降低消耗、節(jié)約資金、保障安全生產(chǎn)起到保障作用，同國家經(jīng)濟建設、國防建設、科學研究及人民生活都有密切關系，并隨著他們的發(fā)展，試驗機也必將得到發(fā)展。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)材料試驗機的現(xiàn)狀 我國計量檢測事業(yè)的歷史悠久，但試驗機制造行業(yè)在舊中國是空白，中華人民共和國成立后，黨和政府十分重視計量檢測技術的發(fā)展，采取了許多重要措施來發(fā)展儀器儀表工業(yè)。經(jīng)過五十多年的努力，我國萬能材料試驗機的制造，從無到有、從小到大，從單參數(shù)到多參數(shù)，從靜態(tài)到動態(tài)，逐步發(fā)展成初具規(guī)模，具有能生產(chǎn)靜負荷試驗機（如拉、壓萬能試驗機、扭轉試驗機、松弛試驗機、持久強渡試驗機、蠕變試驗機、復合應力試驗機等）和動負荷試驗機（如沖擊試驗機和疲勞試驗機等）的能力，有效地促進了國民經(jīng)濟建設和國防建設的發(fā)展。我國萬能材料試驗機市場已形成一定的規(guī)模，試驗機產(chǎn)品的發(fā)展日趨大型化、智能化、動靜態(tài)功能復合化，有的試驗機產(chǎn)品已出口到國外，遠銷到亞洲和歐美市場，具有一定的競爭能力。 圖1-1 電子萬能試驗機 上圖1-1所示為電子萬能材料試驗機(雙柱落地式)，它主要用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學性能測試和分析研究。可自動求取ReH、ReL、Rp0.2、Fm、Rt0.5、Rt0.6、Rt0.65、Rt0.7、Rm、E等試驗參數(shù)，并可根據(jù)GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等國際標準進行試驗和提供數(shù)據(jù)。 1.2.1.1電子萬能試驗機(雙柱落地式)性能特點 電子萬能試驗機(雙柱落地式)采用高強度光杠固定在上橫梁和工作臺面，使之構成高剛性的門式框架結構。采用伺服電機驅動,伺服電機通過傳動機構帶動移動橫梁上下移動,實現(xiàn)試驗加載過程.分為單空間和雙空間兩種機型。主本機采用先進的DSCC-1全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)進行控制及測量，采用計算機進行試驗過程及試驗曲線的動態(tài)顯示，并進行數(shù)據(jù)處理，試驗結束后可通過圖形處理模塊對曲線放大進行數(shù)據(jù)再分析編輯，產(chǎn)品性能達到國際先進水平。 圖1-2 液壓萬能試驗機 上圖1-2所示為液壓萬能試驗機WAW-100型，它的程序采用開放的數(shù)據(jù)庫結構定義，符合標準GB228—87、GB/T228—2002、GB7314-87等試驗方法，也可恨據(jù)用戶要求定制特殊的試驗方法。測量方式采用的是高精度壓力傳感器、高精度位移傳感器、高線性低雜信的信號處理及放大模塊，人機交互方式分析計算測試材料的機械性能指標，試驗結束時自動計算彈性模量、屈服強度、非比例延伸應力等，在自動分析的基礎上，還可以人工修正分析結果提高分析的準確性。 液壓萬能試驗機可配置專用于材料試驗機的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)采集的電液控制器(可以根據(jù)客戶要求配置進口控制器，如：DOLI)，它具備強大的功能，叉兼有十分優(yōu)異的性能價格比。適用于科研單位、大專院校、質監(jiān)部門及檢測中心進行檢測、科研、仲裁及特殊試驗的需要。 1.2.1.2液壓萬能試驗機WAW-100型的特點 1、控制模式：等速率活塞行程控制、等速率力控制、等速率應力控制、等速率應變控制、力保持控制、定應力轉定應變控制。 2、試驗力量程自動轉換功能：若達到容量的90%自動轉換到較大容量 3、自動夾持：采用液壓自動夾緊，夾持可靠，不打滑 4、多重保護：具有軟件、硬件過載和位置保護 5、自動校準：負荷、變形、位移可按標準值自動校準 6、自動停機：實驗結束后活塞自動停止工作 1.2.2 國外材料試驗機的現(xiàn)狀 下圖1-4所示為AG-IC系列立式電子萬能試驗機，它是日本島津蘇州工廠組裝的最先進的電子萬能試驗機，現(xiàn)已在國內(nèi)的機械、電子、大學、研究院所等行業(yè)得到廣泛的應用。該系列立式電子萬能試驗機已經(jīng)取得國際CE認證。 圖1-4 電子萬能試驗機 1.2.2.1電子萬能試驗機的特點 1.簡便直觀的中文試驗軟件。 2.具有2.5ms采樣間隔的高速度數(shù)據(jù)采集，適合各種特性材料的測試數(shù)據(jù)的真實性。 3.高速返回原點功能，縮短下次試驗的準備時間，提高試驗效率。 4.擁有多種完善的試驗夾具，適合多種樣品的試驗要求。 1.2.2.2 電子萬能試驗機的用途 1．各種金屬材料、非金屬材料、復合材料的拉伸試驗、壓縮、彎曲試驗 2．機械部件、電子部件的拉伸、剝離、焊接強度試驗 3．控制或循環(huán)試驗 4．應力松弛或蠕變試驗 下圖1-5所示為島津液壓萬能試驗機UH-I系列，它是以電子控制液壓驅動的伺服式萬能試驗機，試驗載荷采用高精度壓力傳感器，被廣泛的應用在鋼鐵、建材等行業(yè)。 圖1-5 液壓萬能試驗機 1.2.2.3島津液壓萬能試驗機的用途 1． 各種金屬材料的拉伸試驗、壓縮、彎曲試驗 2． 木材、纖維板的壓縮、彎曲試驗 3． 上述材料的載荷保持試驗 4． 瀝青、混凝土的壓縮試驗 1.2.2.4島津液壓萬能試驗機的特點 1. 采用大形LCD輕觸屏，可以顯示試驗曲線，操作方便、可視性好。 2. 豐富的自動控制程序為標準配置。 3. 可以選擇模擬指針式度盤顯示器。 4. 通過試驗軟件，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。 1.3 本論文研究內(nèi)容 以往，國內(nèi)外生產(chǎn)的萬能試驗機主要包括:機械式、液壓式和電子式三種。七十年代初期又發(fā)展了電液伺服萬能試驗機。液壓式萬能試驗機是應用較久的一種萬能試驗機。 本論文主要研究材料試驗機的液壓系統(tǒng)部分。材料試驗機液壓系統(tǒng)采用高壓液壓源為動力源，采用手動閥、伺服閥或比例閥作為控制元件進行控制，通過油缸實現(xiàn)加載、夾緊等。 本次課題研究的具體內(nèi)容：一是明確設計要求，進行工況分析；二是擬定液壓系統(tǒng)原理圖；三是液壓元件的計算和選擇；四是液壓系統(tǒng)的性能驗算。 第二章 設計要求及工況分析 2.1 材料試驗機液壓系統(tǒng)設計注意事項 液壓式材料試驗機主要用于材料和零部件的力學性能試驗研究，它需要完成拉伸、壓縮、彎曲、剪切試驗，而且還可以完成動態(tài)下的諸如高周疲勞、低周疲勞、斷裂力學、疲勞裂紋的預制、隨機波譜試驗等工作．靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗對試驗機提出了不同的要求：靜態(tài)試驗所追求的主要是試驗精度；而動態(tài)試驗所追求的是在必要的試驗精度基礎上，還應保證較強的穩(wěn)定性和較高的頻響速度．以上要求通常用示值誤差、幅值精度、波形失真度、幅值穩(wěn)定度等指標來衡量，而一套優(yōu)化合理的液壓控制系統(tǒng)無疑是保證這些性能指標的關鍵． 具體來講，液壓式材料試驗機液壓系統(tǒng)設計時應考慮的問題主要有： 2.1.1負載動力的合理匹配 在試驗機的正常工況，作動器中活塞的運動速度可以從靜態(tài)試驗時的0．01 mm／s到動態(tài)試驗時的1．5 m／s速度范圍內(nèi)變化，調(diào)速比為150 000：1，如此寬的速度變化范圍為油源的設計和伺服閥的選擇帶來了難度，導致出現(xiàn)靜態(tài)小流量和動態(tài)大流量之間的矛盾．解決此矛盾的關鍵是對作動器、伺服閥、液壓源之問進行合理的負載匹配．所應遵循的設計原則是：作動器、伺服閥、液壓源所提供的液壓動力應滿足試驗機的速度、加速度和試驗力的要求，同時還應考慮系統(tǒng)的效率． 2..1.2伺服閥的正確選用 由于電液伺服動靜萬能試驗機既要控制力又要控制位移和應變，所以一般都采用位置反饋式的流量型伺服閥，以力反饋式的噴嘴擋板閥使用最為普遍．壓力型的伺服閥雖然控制作用力時性能較好，但因無法控制位置而不適用．當動態(tài)試驗要求的流量較大時，可以采用幾個閥并聯(lián)工作，也可以采用三級伺服閥．并聯(lián)使用時由于各閥之問存在相位差，將給電控系統(tǒng)帶來一定的麻煩． 供油壓力的選擇也很重要，較高的供油壓力，可以減輕作動器活塞的質量、提高伺服閥的流量增益，從而獲得較快的響應速度．但過高的供油壓力使得伺服閥的零位泄漏量加大、使用壽命減小、系統(tǒng)噪音增大． 根據(jù)有關資料 ]，供油壓力選擇21～28 MPa的范圍為佳，負載壓力按系統(tǒng)效率最高原則確定，為供油壓力的2／3時可獲得最高的系統(tǒng)效率．動靜萬能試驗機對電液伺服閥的性能要求比較高，既有靜態(tài)和動態(tài)性能的要求，又有壽命的要求，因此在選用上必須嚴格掌握，必要時應從伺服閥的制造廠家訂做專用閥． 2.1.3作動器固有頻率的提高 當伺服油源壓力確定后，試驗機要求的作用力和振幅是給定參數(shù)，作動器固有頻率的提高只有從減小運動質量和提高油液彈性模量兩方面考慮．在作動器可動部分的剛度和強度足夠的前提下，應盡可能減輕活塞和夾頭的質量．對連接伺服閥和作動器管路內(nèi)油液的當量質量不容忽視，若設計不當，這一部分質量將遠大于活塞的質量．因此在設計中必須注意使伺服閥至作動器的油腔盡可能短而且過流面積不能太?。ǔ５淖龇ㄊ撬欧y直接固定在作動器的外圓上，且伺服閥至作動器兩腔的油路對稱等長． 2.1.4 夾緊油源與夾緊裝置 夾緊油源是向液壓夾頭和橫梁夾緊裝置提供動力．適當提高夾緊油源的供油壓力，可以使液壓夾頭的體積和重量大為降低，從而使系統(tǒng)固有頻率得到提高，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度．提高夾緊油源的供油壓力也是受橫梁夾緊裝置的設計空間限制之故．因此，夾緊油源的供油壓力高于伺服油源的供油壓力，一般在35 MPa以上． 2.1.5 冷卻方式的選擇 為了維持理想的油溫，電液伺服動靜萬能試驗機的液壓系統(tǒng)須采取強制冷卻方式．冷卻方式一般有三種：風冷式、水冷式和冷媒式．風冷式調(diào)溫能力有限，不適合大功率的油源使用；水冷式冷卻能力強，但冷卻裝置占用面積大；冷媒型對油溫控制精度高、體積較小，初始費用雖較高，但運轉費用較低，且可以和油源一起安裝在室內(nèi)，因此，其應用面在逐漸擴大． 一套合理適用的液壓系統(tǒng)是保證試驗機正常工作、順利完成各種動作的保證．對電液伺服動靜萬能試驗機而言，其液壓系統(tǒng)有相似之處，但針對不同規(guī)格的試驗機，液壓系統(tǒng)又有著各自的特點．因此在設計試驗機的液壓系統(tǒng)時，一方面應遵循共同的原則，另一方面還應因地制宜、有的放矢。 2.2設計要求 要求設計的動力滑臺實現(xiàn)的工作循環(huán)是：快進上升à慢速上升à停留à快速下降快進,液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件選為液壓缸。 本次設計參數(shù)參照液壓萬能材料試驗機WAW-100型進行液壓系統(tǒng)設計，液壓萬能試驗機WAW-100型的技術參數(shù)如下： （1）最大試驗力：100KN （2）測量范圍：1-100KN （3）負荷測量精度：±1% （4）試驗速度mm/min：0-190 （5）變形精度：示值的±0.5%以內(nèi) （6）位移精度：示值的±0.5%以內(nèi) （7）應變速率范圍：2-60 （8）應變速率范圍：0.00025-0.0025l/s （9）活塞行程：150mm （10）拉伸鉗口間最大距離（包括活塞行程）：520mm （11）圓試樣夾持直徑：直徑6-12，12-20mm （12）扁試樣夾持厚度mm：0-8×60 （13）壓板尺寸mm：直徑120 （14）主柱間距離：400mm （15）試樣直徑：10mm （16）彎曲支承最大距離：300mm （17）移動電機功率：0.18KW （18）電壓：380V （19）油泵功率：0.75KW （20）橫梁自重：G=1500N 2.3負載與運動分析 (1) 工作負載 工作負載即為實驗力FL=1-100KN 。 (2) 摩擦負載 摩擦負載即為導桿的摩擦阻力，此處可忽略不計。 (3) 慣性負載 由于實際負載時油缸速度很慢，此處慣性負載可忽略不計。 設液壓缸的機械效率ηcm=0.9，得出液壓缸在各工作階段的負載和推力，如表1所列。 表1液壓缸各階段的負載和推力 工況 負載組成 液壓缸負載F/N 液壓缸推力F0=F/ηcm/N 啟 動 0~1500 0~1667 快速上升 1500 1667 慢速上升 1500~100000 1667~111111 停留 100000 111111 快速下降 1500~0 1667~0 根據(jù)液壓缸在上述各階段內(nèi)的負載，即可繪制液壓缸的工況圖如圖1所示。 圖1 液壓缸的負載循環(huán)圖 2.4 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 2.4.1初選液壓缸工作壓力 所設計的材料試驗機在停留加壓時負載最大，在其它工況負載都不太高，參考表2和表3，初選液壓缸的工作壓力p1=16MPa。 2.4.2計算液壓缸主要尺寸 鑒于動力滑臺快進和快退速度相等，這里的液壓缸可選用單活塞桿式差動液壓缸（A1=2A2），快進時液壓缸差動連接。工進時為防止孔鉆通時負載突然消失發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸的回油腔應有背壓，參考表4選此背壓為p2=0.6MPa。 表2 按負載選擇工作壓力 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa <0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 機械類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合試驗機 龍門刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 表4 執(zhí)行元件背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力/MPa 簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 0.4~0.6 回油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5~1.5 用補油泵的閉式回路 0.8~1.5 回油路較復雜的工程機械 1.2~3 回油路較短且直接回油 可忽略不計 表5 按工作壓力選取d/D 工作壓力/MPa ≤5.0 5.0~7.0 ≥7.0 d/D 0.5~0.55 0.62~0.70 0.7 表6 按速比要求確定d/D 2/1 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2 d/D 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 注：1—無桿腔進油時活塞運動速度； 2—有桿腔進油時活塞運動速度。 由式得 則活塞直徑 參考表5及表6，得d0.71D =71mm，圓整后取標準數(shù)值得D=100mm，d=75mm。 由此求得液壓缸兩腔的實際有效面積為 根據(jù)計算出的液壓缸的尺寸，可估算出液壓缸在工作循環(huán)中各階段的壓力、流量和功率，如表7所列，由此繪制的液壓缸工況圖如圖2所示。 表7液壓缸在各階段的壓力、流量和功率值 工況 推力 F0/N 回油腔壓力 p2/MPa 進油腔壓力 p1/MPa 輸入流量 q×10-3/m3/s 輸入功率 P/KW 計算公式 啟動 0~1667 — 0~0.37 — — 快速上升 1667 p1+Δp 0.37 1.4×10-2 0.0052 慢速上升 1667~111111 0.6 0.97~15.5 7.85×10-3 0.008~0.122 停留 111111 — 14.9 — — 快速下降 1667~0 0.5 0.87 1.08×10-2 0.0094 注：1. Δp為液壓缸差動連接時，回油口到進油口之間的壓力損失，取Δp=0.5MPa。 2． 快退時，液壓缸有桿腔進油，壓力為p1，無桿腔回油，壓力為p2。 圖2 液壓缸的工況圖 第三章 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 本次設計要完成的工作循環(huán)是：快進上升、慢速上升、停留、快速下降。 3.1選擇基本回路 液壓基本回路是指由一些液壓元件與液壓輔助元件按照一定關系組合，能夠實現(xiàn)某種特定液壓功能的油路結構。 最常用的基本回路是：壓力控制回路；速度控制回路；方向控制回路；多執(zhí)行元件控制回路。每一個基本回路都具備一種特定功能。液壓基本回路實驗臺的回路選取應盡量貼近現(xiàn)實工程中的液壓工作實際，選取典型的液壓回路。 3.1.1選擇調(diào)速回路 由圖2可知，這臺試驗機液壓系統(tǒng)功率較小，油缸運動速度低，選用進口節(jié)流調(diào)速回路。為防止實驗時負載突然消失引起運動部件前沖，在回油路上加背壓閥。由于系統(tǒng)選用節(jié)流調(diào)速方式，系統(tǒng)必然為開式循環(huán)系統(tǒng)。 3.1.2選擇油源形式 從工況圖可以清楚看出，在工作循環(huán)內(nèi)，液壓缸要求油源提供快進、快退行程的低壓大流量和工進行程的高壓小流量的油液。最大流量與最小流量之比qmax/qmin=0.5/(0.84×10-2)60；其相應的時間之比(t1+t3)/t2=(1+1.5)/56.8=0.044。這表明在一個工作循環(huán)中的大部分時間都處于高壓小流量工作。從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看，選用單定量泵油源顯然是不合理的，為此可選用限壓式變量泵或雙聯(lián)葉片泵作為油源。考慮到前者流量突變時液壓沖擊較大，工作平穩(wěn)性差，且后者可雙泵同時向液壓缸供油實現(xiàn)快速運動，最后確定選用雙聯(lián)葉片泵方案，如圖2a所示。 3.1.3選擇快速運動和換向回路 本系統(tǒng)已選定液壓缸差動連接和雙泵供油兩種快速運動回路實現(xiàn)快速運動?？紤]到從工進轉快退時回油路流量較大，故選用換向時間可調(diào)的電液換向閥式換向回路，以減小液壓沖擊。由于要實現(xiàn)液壓缸差動連接，所以選用三位四通電磁換向閥，同時外加二位三通電磁換向閥如圖2b所示。 3.1.4選擇速度換接回路 由于本系統(tǒng)滑臺由快進轉為工進時，速度變化大（1/2=0.1/(0.88×10-3)114），為減少速度換接時的液壓沖擊，選用電磁閥控制的換接回路，如圖2c所示。 3.1.5選擇調(diào)壓和卸荷回路 在雙泵供油的油源形式確定后，調(diào)壓和卸荷問題都已基本解決。即油缸慢速上升時，高壓小流量泵的出口壓力由油源中的溢流閥調(diào)定，無需另設調(diào)壓回路。在油缸慢速上升和停止時，低壓大流量泵通過液控順序閥卸荷，高壓小流量泵在滑臺停止時雖未卸荷，但功率損失較小，故可不需再設卸荷回路。 圖2 選擇的基本回路 3.2組成液壓系統(tǒng) 將上面選出的液壓基本回路組合在一起，并經(jīng)修改和完善，就可得到完整的液壓系統(tǒng)工作原理圖，如圖3所示。在圖3中，為了解決滑臺工進時進、回油路串通使系統(tǒng)壓力無法建立的問題，增設了單向閥6。為了避免試驗機停止工作時回路中的油液流回油箱，導致空氣進入系統(tǒng)，影響滑臺運動的平穩(wěn)性，圖中添置了一個單向閥13?？紤]到這臺試驗機用于測試材料力學性能，對位置精度要求較高，圖中增設了一個壓力繼電器14。當油缸碰上死擋塊后，系統(tǒng)壓力升高，它發(fā)出快退信號，操縱電液換向閥換向。 圖3 液壓原理圖 第四章 設計計算及液壓元件的選擇 液壓元件主要包括有：油泵，電機，各種控制閥，管路，過濾器等。有液壓元件的不同連接組合構成了功能各異的液壓回路，下面根據(jù)主機的要求進行液壓元件的選擇計算。 4.1確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率 4.1.1計算液壓泵的最大工作壓力 小流量泵在快進和工進時都向液壓缸供油，由表7可知，液壓缸在工進時工作壓力最大，最大工作壓力為p1=15.5MPa，如在調(diào)速閥進口節(jié)流調(diào)速回路中，選取進油路上的總壓力損失∑?p=0.6MPa，考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的最高工作壓力估算為 大流量泵只在快進和快退時向液壓缸供油，由表7可見，快退時液壓缸的工作壓力為p1=1.43MPa，比快進時大?？紤]到快退時進油不通過調(diào)速閥，故其進油路壓力損失比前者小，現(xiàn)取進油路上的總壓力損失∑?p=0.3MPa，則大流量泵的最高工作壓力估算為 4.1.2計算液壓泵的流量 由表7可知，油源向液壓缸輸入的最大流量為0.5×10-3 m3/s ，若取回路泄漏系數(shù)K=1.1，則兩個泵的總流量為 考慮到溢流閥的最小穩(wěn)定流量為3L/min，工進時的流量為0.84×10-5 m3/s =0.5L/min，則小流量泵的流量最少應為3.5L/min。 4.1.3確定液壓泵的規(guī)格和電動機功率 根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，并考慮液壓泵存在容積損失，最后確定選取PV2R12-6/33型雙聯(lián)葉片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分別為6mL/r和33mL/r，當液壓泵的轉速np=940r/min時，其理論流量分別為5.6 L/min和31L/min，若取液壓泵容積效率ηv=0.9，則液壓泵的實際輸出流量為 由于液壓缸在快退時輸入功率最大，若取液壓泵總效率ηp=0.8，這時液壓泵的驅動電動機功率為 根據(jù)此數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的Y100L—6型電動機，其額定功率為1.5KW，額定轉速為940r/min。 4.2閥類元件及輔件的選用 液壓系統(tǒng)應盡可能多的由標準液壓控制元件組成，液壓控制元件的主要選擇依據(jù)是閥所在的油路的最大工作壓力和通過該閥的最大實際流量，下面根據(jù)該原則依次進行壓力控制閥，流量控制閥和換向閥的選擇。 4.2.1 壓力控制閥 壓力控制閥的選用原則 壓力：壓力控制閥的額定壓力應大于液壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最高壓力，以保證壓力控制閥正常工作。 壓力調(diào)節(jié)范圍：系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力應在法的壓力調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。 流量：通過壓力控制閥的實際流量應小于壓力控制閥的額定流量。 結構類型：根據(jù)結構類性及工作原理，壓力控制閥可以分為直動型和先導型兩種，直動型壓力控制閥結構簡單，靈敏度高，但壓力受流量的變化影響大，調(diào)壓偏差大，不適用在高壓大流量下工作。但在緩沖制動裝置中要求壓力控制閥的靈敏度高，應采用直動型溢流閥，先導型壓力控制閥的靈敏度和響應速度比直動閥低一些，調(diào)壓精度比直動閥高，廣泛應用于高壓，大流量和調(diào)壓精度要求較高的場合。 此外，還應考慮閥的安裝及連接形式，尺寸重量，價格，使用壽命，維護方便性，貨源情況等。 根據(jù)上述選用原則，可以選擇直動型壓力閥，再根據(jù)發(fā)的調(diào)定壓力及流量和相關參數(shù)，可以選擇DBD式直動式溢流閥，相關參數(shù)如下： 型號：DBDS6G10 最低調(diào)節(jié)壓力：5MPa 流量： 40L/min 介質溫度： 4.2.2 流量控制閥 流量控制閥的選用原則如下： 壓力：系統(tǒng)壓力的變化必須在閥的額定壓力之內(nèi)。 流量：通過流量控制閥的流量應小于該閥的額定流量。 測量范圍：流量控制閥的流量調(diào)節(jié)范圍應大于系統(tǒng)要求的流量范圍，特別注意，在選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，所選閥的最小穩(wěn)定流量應滿足執(zhí)行元件的最低穩(wěn)定速度要求。 該千斤頂液壓系統(tǒng)中所使用的流量控制閥有分流閥和單向分流閥，單向分流閥的規(guī)格和型號如下： 型號： FDL-B10H 公稱通徑：10mm 公稱流量: P,O口 40L/min A，B口 20L/min 連接方式：管式連接 重量：4Kg 分流閥的型號為：FL-B10 其余參數(shù)與單向分流閥相同。 4.2.3 方向控制閥 方向控制閥的選用原則如下： 壓力：液壓系統(tǒng)的最大壓力應低于閥的額定壓力 流量：流經(jīng)方向控制閥最大流量一般不大于閥的流量。 滑閥機能：滑閥機能之換向閥處于中位時的通路形式。 操縱方式：選擇合適的操縱方式，如手動，電動，液動等。 方向控制閥在該系統(tǒng)中主要是指電磁換向閥，通過換向閥處于不同的位置，來實現(xiàn)油路的通斷。所選擇的換向閥型號及規(guī)格如下： 型號：4WE5E5OF 額定流量：15L/min 消耗功率：26KW 電源電壓： 工作壓力：A.B.P腔 T腔： 重量：1.4Kg 根據(jù)系統(tǒng)的最高工作壓力和通過各閥類元件及輔件的實際流量，查閱產(chǎn)品樣本，選出的閥類元件和輔件規(guī)格如表8所列。其中，溢流閥9按小流量泵的額定流量選取，調(diào)速閥4選用Q—6B型，其最小穩(wěn)定流量為0.03 L/min，小于本系統(tǒng)工進時的流量0.5L/min。 表8液壓元件規(guī)格及型號 序號 元件名稱 通過的最大流量q/L/min 規(guī)格 型號 額定流量qn/L/min 額定壓力Pn/MPa 額定壓降?Pn/MPa 1 雙聯(lián)葉片泵 — PV2R12-6/33 5.1/27.9* 16 — 2 節(jié)流調(diào)速閥 <1 Q—6B 6 6.3 — 3 單向閥 70 I—100B 100 6.3 0.2 4 單向閥 29.3 I—100B 100 6.3 0.2 5 背壓閥 <1 B—10B 10 6.3 — 6 溢流閥 5.1 Y—10B 10 6.3 — 7 濾油器 36.6 XU—80×200 80 6.3 0.02 8 壓力繼電器 — PF—B8L — 14 — *注：此為電動機額定轉速為940r/min時的流量。 4.3管路，過濾器，其他輔助元件的選擇計算 4.3.1確定油管 在選定了液壓泵后，液壓缸在實際快進、工進和快退運動階段的運動速度、時間以及進入和流出液壓缸的流量，與原定數(shù)值不同，重新計算的結果如表9所列。 表9允許流速推薦值 管道 推薦流速/(m/s) 吸油管道 0. 5～1.5，一般取1以下 壓油管道 3～6，壓力高，管道短，粘度小取大值 回油管道 1. 5～3 由表9可以看出，液壓缸在各階段的實際運動速度符合設計要求。 根據(jù)表7數(shù)值，按表9推薦的管道內(nèi)允許速度取=4 m/s，由式計算得與液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為 為了統(tǒng)一規(guī)格，按產(chǎn)品樣本選取所有管子均為內(nèi)徑20mm、外徑28mm的10號冷拔鋼管。 4.3.2 過濾器的選擇 過濾器的選擇應考慮以下幾點： (1)具有足夠大的通油能力，壓力損失小，一般過濾器的通油能力大于實際流量的二倍，或大于管路的最大流量。 (2)過濾精度應滿足設計要求，一般液壓系統(tǒng)的壓力不同，對過濾精度的要求也不同，系統(tǒng)壓力越高，要求液壓元件的間隙越小，所以過濾精度要求越高，過濾精度與液壓系統(tǒng)壓力的關系如下所示： 表 10 過濾精度與液壓系統(tǒng)的壓力關系 （3）濾芯應有足夠的強度，過濾器的實際壓力應小于樣本給出的工作壓力。 （4）濾芯抗腐蝕性能好，能在規(guī)定的溫度下長期工作。 根據(jù)上述原則，考慮到螺桿泵的流量，選定過濾器為燒結式過濾器，其型號及具體參數(shù)如下所示： 型號： 流量： 過濾精度： 接口尺寸： 工作壓力： 壓力損失: 4.3.3 輔件的選擇 4.3.3.1 溫度計的選擇 液壓系統(tǒng)常用接觸式溫度計來顯示油箱內(nèi)工作介質的溫度，接觸式溫度計有膨脹式和壓力式。本系統(tǒng)中選用膨脹式，其相關參數(shù)如下： 型號： 測量范圍：，， 名稱：內(nèi)表式工業(yè)玻璃溫度計 4.3.3.2壓力表選擇 壓力表安裝于便于觀察的地方。其選擇如下： 型號：Y-60 測量范圍： 名稱：一般彈簧管壓力表 4.4 液壓元件的連接 4.4.1 液壓裝置的總體布置 液壓裝置的總體布置可以分為幾種式和分散式兩種。 集中式布置是將液壓系統(tǒng)的油源、控制及調(diào)節(jié)裝置至于主機之外，構成獨立的液壓站，這種布置方式主要用于固定式液壓設備。其優(yōu)點是裝配、維修方便，從根本上消除了動力源的振動和油溫對主機的影響。本液壓系統(tǒng)采用集中式布置。 4.4.2液壓元件的連接 液壓元件的連接可以分為管式連接、板式連接，集中式連接三種。這里介紹整體式連接中的整體式閥板。它是本液壓系統(tǒng)中將要采用的連接方式。 整體式閥板的油路是在整塊板上鉆出或用精密鑄造鑄出的，這種結構的閥板比粘合式閥板可靠性好，應用較多，但工藝較差，特別是深孔的加工較難。當連接元件較多時，各孔的位置不易確定。它屬于無管連接，多用于不太復雜的固定式機械中。 采用整體式閥板時，需要自行設計閥板，閥板的設計可參考相關資料。 4.5油箱及附件 油箱在系統(tǒng)中的主要功能為：儲存系統(tǒng)所需要的足夠的油液;散發(fā)系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的一部分熱量，分離油液中的氣體及沉淀污物。 4.5.1 油箱的容積 油箱容積的確定是設計油箱的關鍵，油箱的容積應能保證當系統(tǒng)有大量供油而無回油時。最低液面應在進口過濾器之上，保證不會吸入空氣，當系統(tǒng)有大量回油而無供油時或系統(tǒng)停止運轉，油液返回油箱時，油液不致溢出。 初始設計時，可依據(jù)使用情況，按照經(jīng)驗公式確定油箱容積： 式中: 油箱的容積 單位 液壓泵的流量 單位 經(jīng)驗系數(shù) 見下表 表9.1 行走機械 低壓系統(tǒng) 中壓系統(tǒng) 鍛壓系統(tǒng) 冶金機械 1—2 2—4 5—7 6—12 10 本試驗機為中壓系統(tǒng)，取=7，則油箱的容量可以確定為: 第五章 驗算液壓系統(tǒng)性能 5.1驗算系統(tǒng)壓力損失 由于系統(tǒng)管路布置尚未確定，所以只能估算系統(tǒng)壓力損失。估算時，首先確定管道內(nèi)液體的流動狀態(tài)，然后計算各種工況下總的壓力損失?，F(xiàn)取進、回油管道長為l=2m，油液的運動粘度取=1′10-4m2/s，油液的密度取r=0.9174′103kg/m3。 5.1.1判斷流動狀態(tài) 在快進、工進和快退三種工況下，進、回油管路中所通過的流量以快退時回油流量q2=70L/min為最大，此時，油液流動的雷諾數(shù) 也為最大。因為最大的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)（2000），故可推出：各工況下的進、回油路中的油液的流動狀態(tài)全為層流。 5.1.2計算系統(tǒng)壓力損失 將層流流動狀態(tài)沿程阻力系數(shù) 和油液在管道內(nèi)流速 同時代入沿程壓力損失計算公式，并將已知數(shù)據(jù)代入后，得 可見，沿程壓力損失的大小與流量成正比，這是由層流流動所決定的。 在管道結構尚未確定的情況下，管道的局部壓力損失?pζ常按下式作經(jīng)驗計算 各工況下的閥類元件的局部壓力損失可根據(jù)下式計算 其中的Dpn由產(chǎn)品樣本查出，qn和q數(shù)值由表8和表9列出。滑臺在快進、工進和快退工況下的壓力損失計算如下： 1．快速上升 滑臺快進時，液壓缸通過電液換向閥差動連接。在進油路上，油液通過單向閥10、電液換向閥2，然后與液壓缸有桿腔的回油匯合通過行程閥3進入無桿腔。在進油路上，壓力損失分別為 在回油路上，壓力損失分別為 將回油路上的壓力損失折算到進油路上去，便得出差動快速運動時的總的壓力損失 2．慢速上升 滑臺工進時，在進油路上，油液通過電液換向閥2、調(diào)速閥4進入液壓缸無桿腔，在調(diào)速閥4處的壓力損失為0.5MPa。在回油路上，油液通過電液換向閥2、背壓閥8和大流量泵的卸荷油液一起經(jīng)液控順序閥7返回油箱，在背壓閥8處的壓力損失為0.6MPa。若忽略管路的沿程壓力損失和局部壓力損失，則在進油路上總的壓力損失為 此值略小于估計值。 在回油路上總的壓力損失為 該值即為液壓缸的回油腔壓力p2=0.66MPa，可見此值與初算時參考表4選取的背壓值基本相符。 按表7的公式重新計算液壓缸的工作壓力為 此略高于表7數(shù)值。 考慮到壓力繼電器的可靠動作要求壓差Dpe=0.5MPa，則小流量泵的工作壓力為 此值與估算值基本相符，是調(diào)整溢流閥10的調(diào)整壓力的主要參考數(shù)據(jù)。 3．快速下降 滑臺快退時，在進油路上，油液通過單向閥10、電液換向閥2進入液壓缸有桿腔。在回油路上，油液通過單向閥5、電液換向閥2和單向閥13返回油箱。在進油路上總的壓力損失為 此值遠小于估計值，因此液壓泵的驅動電動機的功率是足夠的。 在回油路上總的壓力損失為 此值與表7的數(shù)值基本相符，故不必重算。 大流量泵的工作壓力為 此值是調(diào)整液控順序閥7的調(diào)整壓力的主要參考數(shù)據(jù)。 5.2驗算系統(tǒng)發(fā)熱與溫升 由于工進在整個工作循環(huán)中占96%，所以系統(tǒng)的發(fā)熱與溫升可按工進工況來計算。在工進時，大流量泵經(jīng)液控順序閥7卸荷，其出口壓力即為油液通過液控順序閥的壓力損失 液壓系統(tǒng)的總輸入功率即為液壓泵的輸入功率 液壓系統(tǒng)輸出的有效功率即為液壓缸輸出的有效功率 由此可計算出系統(tǒng)的發(fā)熱功率為 按式計算工進時系統(tǒng)中的油液溫升，即 °C 其中傳熱系數(shù)K=15 W/（m2·°C）。 V: 油箱體積，當油箱的3個邊長之比在1:1:1 ~ 1:2:3范圍內(nèi)，且油位高占油箱高80%時，其散熱面積 設環(huán)境溫T2=25°C，則熱平衡溫度為 °C 油溫在允許范圍內(nèi)，油箱散熱面積符合要求，不必設置冷卻器。 結 論 畢業(yè)設計是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的學習機會，通過這次對材料試驗機液壓系統(tǒng)理論知識和實際設計的相結合，鍛煉了我的綜合運用所學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設計讓我積累了許多實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝起來，也必然讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。 順利如期的完成本此畢業(yè)設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關注新科技新設備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進知識，更好的為祖國的四化服務。 參考文獻 【1】胡世超.《液壓與氣動技術》，鄭州：鄭州大學出版社 ，2008.5. 【2】周亞，程友斌等.《機械設計基礎》，上海：化學工業(yè)出版社，2008.6. 【3】魏增菊，李莉等.《機械制圖》，北京：科學出版社，2007. 【4】劉建華,杜鑫等.《機械設計課程設計指導》，上海：化學工業(yè)出版社，2008.8. 【5】肖瓏.《液壓與氣壓傳動技術》，西安：西安電子科技大學出版社，2007. 【6】丁樹模,丁問司等.《液壓傳動》，北京：機械工業(yè)出版社，2009.6（2011.1重?。? 【7】李洪人.《液壓控制系統(tǒng)》，北京：國防工業(yè)出版社，1990. 【8】鄒建華，吳定智，許曉明等.《液壓與氣動技術基礎》，武漢：華中科技大學出版社，2006. 【9】張群生.《液壓與氣壓傳動》，北京：機械工業(yè)出版社，2008. 【10】張利平.《液壓與氣動技術實用問答》，上海：化學工業(yè)出版社，2007. 【11】周士昌.《液壓系統(tǒng)設計圖集》，北京：機械工業(yè)出版設，2005. 【12】雷天覺.《液壓工程手冊》[M]，北京.機械工業(yè)出版社，1990. 致 謝 大學四年即將結束，在這短短的四年里，讓我結識了許許多多熱心的朋友、工作嚴謹教學相幫的教師。畢業(yè)設計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老師的精心指導，在此向所有給予我此次畢業(yè)設計指導和幫助的老師和同學表示最誠摯的感謝。 首先，向本設計的指導老師——****老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時間對我們進行指導，時刻關心我們的進展狀況，督促我們抓緊學習。老師給予的幫助貫穿于設計的全過程，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，他都給予了指導，不僅使我學會書本中的知識，更學會了學習操作方法。也懂得了如何把握設計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設計過程中，她和我們在一起共同解決了設計中出現(xiàn)的各種問題。 其次，要向給予此次畢業(yè)設計幫助的老師們，以及同學們以誠摯的謝意，在整個設計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關懷，更重要的是為我們提供不少技術方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。 另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝。 總之，本次的設計是老師和同學共同完成的結果，在設計的一個月里，我們合作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W表示感謝！ 34