万能液压试验机的机械传动系统设计

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1、目录1前11.1弓I言11.2万能液压试验机概述12选题的背景与意义22.1选题背景与意义22.1.1选题背景22.1.2选题目的与意义22.2课题研宄的主要内容及研宄重点32.2.1课题研宄的主要内容32.2.2课题的主要重点、难点33万能液压试验机总体设计53.1传动方式53.2 54运动动力的设计与计算74.1升降电机的选择74.2蜗轮蜗杆的设计计算74.3上下横梁的刚度校核124.3.1下横梁的刚度校核124.3.2上横梁的刚度校核144.4丝杠的校核154.4.1耐磨性计算164.4.2自锁条件的计算174.5轴承的选择184.6立柱的强度校核184.7其他注意事项194.7.1万能

2、液压试验机的安装194.7.2万能液压试验机的维护和保养195论20# M21W221.1引言材料试验机作为一种单独的产品，诞生于二百多年前的西欧|。液压万能材料试 验机是测定材料机械性能的常用设备之一，也有近百年的历史了，可对各种金属、非 金属材料进行拉伸、压缩、弯曲等试验，测定材料的强度、塑性等指标1。万能液压试验机主要用于金属和非金属的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验，可广 泛应用于建材、冶金、科研单位、大专院校、质量检测中心和商品检验部门，是生产、 科研和教学等行业理想的试验设备2。材料的选取直接影响产品的质量，万能液压试 验机的功能就在于测定材料的力学性能，为材料的选取提供依据。材料在一

3、定条件下会相继发生弹性、塑性、断裂三个变形过程，各个过程中都己 有相关的技术标准或规范来规定出相关性能的技术指标，这些指标的测定就需要万能 液压试验机来实现。试验机设计制造在起步较晚，新成立以后，党和政府高度重视计量检测 技术的发展，在仪表仪器工业上采取多种重要措施。我国试验机的设计制造在六十多 年得时间里经历了从无到有、从小到大、从单一参数到多重参数，静态测量到动态测 量的发展过程。目前我国可生产静负荷试验机，例如拉、压万能试验机、扭矩试验机、 松弛试验机、持久强度试验机等；动负荷试验机，例如冲击试验机、疲劳试验机等。 试验机发展可分为几个阶段：五十年代主要从苏联等国引进，六十年代仿制，七

4、十年代定型大批量生产，八十年代可开发新产品，九十年代以后吸收国外先进技术开 发。长期以來，试验机一直是西方发达国家对我国尖端科研课题限制出口的产品。 经过多年的摸索发展试验机技术水平得到/长足的发展，与国外试验机技术水平 的差距在逐步缩小，但差距依然存在。1.2万能液压试验机概述H前，在国内使用较为普遍的静态材料试压机主耍有液压万能试验机、电子万能 试验机、扭转试验机、压力试验机等，而液压万能试验机因其测力和控制方式的不同 又可分为摆锤式液压万能试验机、数显式液压万能试验机、微机屏显式液压万能试验 机、微机控制电液伺服万能试验机等3。液压万能试验机的主要目的是用来测定材料 在拉仲、压缩、弯曲和

5、剪切作用下材料的变形，用来确定产品所需选用材料，以提高 产品质量和使用寿命。2选题的背景与意义2.1选题背景与意义2.1.1选题背景长期以来，试验机同其他精密机床一样是欧美对我国尖端科研课题限制出U的产 品，我国的许多重要的生产、科研部门都不能直接进U某些关键材料试验设备及仪器。 随着科学技术的进步和自动化水平的不断提高，对材料机械性能实验的要求越来越 高，特别是在实验的精度，实吋显示，以及数据处理等方面都有了更高的要求LU。新中国成立以来我国党和政府高度重视计量检测技术的发展，在仪表仪器工业上 采取多种重要措施。我国试验机的设计制造在六十多年得吋间里经历了从无到有、从 小到大、从单一参数到多

6、重参数，静态测量到动态测量的发展过程。近年来，随着我国航空、造船、冶金、化工和机械工业生产技术的迅猛发展，对 金属及非金属材料的试验提出了越来越高的要求，各种机械产品的重要零件都要在各 种情况下进行材料强度试验。2.1.2选题目的与意义机械产品的质量除了从产品的结构设计、加工工艺、处理规范等多个方面考虑外, 还要考虑产品材料的选择。在选择材料的过程中必须知道材料的性能；研究新材料新 的加工工艺过程中也要测定材料的机械性能；对大型构件整机试验时要考虑所用材料 及工艺设计是否合理等都需要各种试验机来测量所需参数。万能液压试验机的功能就在于通过拉伸、压缩、弯曲和剪切试验，确定材料的性 能，为产品的设

7、计、生产提供依据。试验机的质量与精确度直接影响实验结果的准确 性。试验机的工作主要靠液压系统的传动，各种液压元件的选取及确定在试验机的设 计过程中起到了至关重要的作用，另外需要用到蜗轮蜗杆与丝杠的配合。该题目的综 合性较强，可以巩固和加强所学各科知识提高木人综合运用知识能力和解决具有一定 复杂程度的工程实际问题的能力。实际上，对于工业生产和各种工程设计而言，试验机是确保各种机器、车辆、船 舶和结构物的合理设计与安全运行的重要检测设备。材料的合理选取可以使得设计更 加合理，更加安全可靠，避免因为设计而出现的材料浪费等设计缺陷，避免了设备使 用中事故的发生。综上所述，足以说明材料试验机的发展对航空

8、、冶金、机械、建筑和造船等行业 在合理设计工程结构、节约材料、提高产品质量、改进工艺和降低成木等诸多方面的重要意义。此外材料试验机所涉及的学科领域广泛，例如高温技术、低温技术、真空技术、 液压技术、光学、电子技术、激光技术等等。试验机还需用到各种测量、记录和显示, 材料试验机的发展，取决于多种学科的技术发展水平。2.2课题研究的主要内容及研究重点2.2.1课题研究的主要内容液压式万能试验机主要用于金属材料的拉伸、压缩、剪切和弯曲试验，是科研单 位、冶金和机械制造厂、质检站和大专院校的必备设备：要求试验机能够实现的主要 性能参数为：(1) 最大载荷：300KN(2) 测量范围：0-60KN、0-

9、150KN、0-300KN(3) 拉伸夹头间最大距离(包括活塞行程)：600mm(4) 上下压力板尺寸：O 125mm(5) 圆试样夹持范围：(O 100 32) mm(6) 扁试样夹持范围：(040)mm,最大夹持宽度为76mm(7) 活塞上升速度：(0-40)mm/min(8) 外形尺寸：主机：(1000X650X2050)mm，测力机：(1200X750X 1800)mm(9) 油缸采用下置式，中横梁的移动通过蜗轮蜗杆传动来实现。确定能够实现以上功能的试验机传动方案，完成各个零部件的设计计算和校核， 并绘制图纸，撰写详细设计说明书。2.2.2课题的主要重点、难点(1) 承载能力与尺寸承载

10、能力的选取对于万能液压试验机的设计生产有至关重要的作用，承载能力的 选定要根据试样被拉断时所需的最大力来决定，以确保万能液压试验机完成预期功 能。对于尺、？的来说，试验机需提供做够的空间，包括横向和纵向空间都应该合适。 对于某些特殊材料，实验过程中变形量较大，所以试验机的垂直尺、*必须有足够的长 度，来确保材料延伸的需要。此外还需考虑特殊夹具，固定装置等的尺、上。(2) 横梁的刚性横梁用来确保实验数据的准确性，横梁刚度的要求至关重要，横梁的挠度及形变 直接影响实验数据，设计过程中需特别注意校核横梁的强度。(3) 丝杠的选取丝杠作为试验机支持及实验过程中承载部件，需要单独验证丝杠的刚度、强度、使

11、用寿命等参数。(4)蜗轮蜗杆的设汁液压万能试验机的下横梁通过蜗轮蜗杆实现在丝杠上的上下移动，同吋为试验机 上部空间的拉伸试验提供动力。蜗轮蜗杆传动需要验证功率及强度。3万能液压试验机总体设计3.1传动方式万能试验机的传动方式有单丝杠式、双丝杠式和多丝杠式。单丝杠式难于保证精 度，加载时容易偏离中心线，卡死横梁。多丝杠式结构过于复杂，不适用于本试验机， 故采用双丝杠式传动。丝杠下端固定在箱体上，下横梁的移动靠蜗轮蜗杆传动实现, 蜗轮与丝杠配合采用螺旋传动。蜗轮蜗杆具有很强的自锁能力，装配时必须注意其旋 转方向。同时丝杠副同样需要自锁以确保试验机工作过程中的精度。3.2总体结构图3.1万能液压试验

12、机传动系统原理图1底座2丝杠3汕缸4活塞5按钮盒6上横梁 7立柱8下横梁9工作台10电机万能液压试验机主要由底座(1)、丝杠(2)、油缸(3)、活塞(4)、工作台(9)、上横梁 (6)、立柱(7)等组成。工作台(9)和上横梁(6)通过立柱(7)连接成一个刚性框架，活塞(4) 再通过螺钉与工作台(9)连接；底座(1)和下横梁(8)通过丝杠(2)连接成封闭框架，这样 就形成了两个工作空间：上横梁(6)和下横梁(8)之间为拉仲空间可用来做拉仲试验；下横梁(8)和工作台(9)之间为压缩空间可进行压缩、弯曲及剪切试验。结构简图见图3.1。万能液压试验机的主机部分是其主体结构，其所七空间与试验场地有密切关

13、系， 因此，设计是应严格按照设计任务所指定的主机尺汴，使其便于安装和运输。4运动动力的设计与计算4.1升降电机的选择升降电机作用是为卜横梁的移动提供动力，其运动只在空载时供调整夹具位置， 虽然试验机的试验力较大但调整下横梁不需要大功率的电动机来带动，同吋升降电机 的动作形式要求实现不同方向的转动随时调整故考虑选取小功率的伺服电机，来实现 下横梁的灵活调节。估算下横梁的重量为500kg,下横梁的运动速度为初步定为 10mm/s计算得下横梁运动所需的功率为P=50W,考虑到传动过程中的功率损失选取电 机功率为550W。可选取EDSMT-2T110-020A型伺服电机，其具体技术参数见表1:表4.1

14、 110系列伺服电机参数表电机型号额定功率(KW)额定转速(rpm)额定力矩(N .m)峰值力矩(N m)额定线电压(V)转子惯量(KG m2)EDSMT-2T110-020A0.63000262200.31 X103伺服电机的基木结构如图2所示I:抱闸为 8X.m: Dc99Vo 插座管脚为1，2脚.LA R J : 110 系列加 R 74nmu150 系列 I川 1C: 57ninvLF图4. 1 110系列伺服电机安装尺寸4.2蜗轮蜗杆的设计计算蜗杆传动是可以实现在空间交错的根轴之间传递运动和动力传递。采用蜗杆传 动具有以下儿个优点：(1) 传动比大，对于单头蜗杆，蜗杆每旋转一周，蜗轮

15、只转过一个齿距，可以实现较人的传动比，一般情况下单头蜗杆的传动比i=580;在分度机构和只传递运动 的装置中传动比可以更大。(2) 传动平稳，噪声低。蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，蜗杆和蜗轮的啮合是逐渐 进入和退出的，同时结合的齿数较多，从而实现了平稳传动且传动时噪声低的传动特 点。(3) 当蜗杆的螺旋升角小于啮合面得当量摩擦角时，蜗杆可以实现白锁。根据蜗杆的形状不同，可以将蜗杆分为以下几种形式：圆柱蜗杆传动、环面蜗 杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆传动根据不同的齿廓曲线可分为阿基米德蜗杆(AZ蜗 杆)、渐开线蜗杆(ZI蜗杆)、法向直廓蜗杆(ZN蜗杆)以及锥面包络蜗杆(ZK蜗杆)，根 据GB/T 10085-1998的推荐，一般采用ZI蜗杆和ZK蜗杆两种。万能液压试验机的减速机只要求能够带动下横梁调节试验时所需的位置，且运 动速度较低选取功率为0. 55KW,蜗杆转速1400r/min,传动比i=60,使用寿命在 15000ho 1选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)。2选择材料考虑到蜗杆传动功率小，故蜗杆可以采用45