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1、济南大学泉城学院毕业设计I- -1 前言液压万能试验机是试验机的传统产品，老式的液压万能试验机在国际上已被淘汰，在国内也已不能满足新修订的试验方法标准GB228的要求，急需更新换代。目前限于国内厂家的技术成熟程度和生产能力，提供给用户的产品90%仍是老式产品，不能满足用户需求。1.1 液压式万能试验机概述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。万能液压试验机主要为油缸下置式主机结构，油缸采用间隙密封、静压油膜支撑、无摩擦技术，电机带动链轮、链条驱动丝杠转动，固定丝母带动横梁调整试验空间。是大专、院所、企业、科研机构
2、等实验室理想的检测设备。屏显测控系统具有网络接口，可方便实验室联网操作及试验结果的网络传输。还有一部分为油缸上置式，采用了电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过涡轮蜗杆机构使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。1.2 液压式万能试验机种类（1）油缸下置式，油缸采用间隙密封、静压油膜支撑、无摩擦技术，电机带动链轮、链条驱动丝杠转动，固定丝母带动横梁调整试验空间。（2）油缸上置式，电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过涡轮蜗杆机构使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。1.3 研究内容液压式万能试验机主要用于金属
3、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：600KN（2） 拉伸夹头间最大距离（包括活塞行程）：500mm（3） 上下压力板尺寸：125mm（4） 圆试样夹持范围：(2050)mm（5） 扁试样夹持范围：(040)mm，最大夹持宽度为70mm（6） 活塞上升速度：(0-30)mm/min（7） 外形尺寸：主机：(10006502050)mm，测力机：(12007501800)mm（8） 油缸采用上置式。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
4、设计说明书。2 总体方案设计2.1试验机总系统图2.1 液压式万能试验机示意图2.1.1 加载系统在底座1上由两根固定立柱2和固定横梁3组成承载框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上，支承着由上横梁6、活动立柱7和活动平台8组成的活动框架。当油泵16开动时，油液通过送油阀门17，经送油管18进入工作油缸，把活塞5连同活动平台8一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头9和下夹头12之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。若把试样置放于两个承压垫板11之间，或将受弯试件置放于两个弯曲支座10上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，试验开始前如
5、欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动电机14，驱动螺杆13，便可使下夹头12上升或下降。但电机14不能用来给试样施加压力。2.1.2 测力系统加载时，开动油泵电机，打开送油阀17，油泵把油液送入工作油缸4顶起工作活塞5给试样加载；同时，油液经回油管19及测力油管21（这时回油阀20是关闭的，油液不能流回油箱），进入测力油缸22，压迫测力活塞23，使它带动拉杆24向下移动，从而迫使摆杆26和摆锤25联同推杆27绕支点偏转。推杆偏转时，推动齿杆28作水平移动，于是驱动示力度盘的指针齿轮，使示力指针29绕示力度盘30的中心旋转。示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆24所受拉力）成正比。
6、因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。开启回油阀20，可使工作油缸中的油液经回油管19泻回油箱37，从而卸减试样所受载荷。试验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开
7、动油泵送油，将活动平台略微升高。然后调节测力部分的平衡铊31，使摆杆保持垂直位置，并使示力指针指在零点。试验机上一般还有自动绘图装置。它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮（1）和（2）的拉绳33带动滚筒32绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示载荷的坐标。这样，试验时绘图笔34在滚筒上就可自动绘出载荷位移曲线。当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。如图1.12.2 方案确定油缸上置式，电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，蜗轮转动使里面的螺杆上下移动，从而使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。- 24 -3 主要传动构
8、件设计3.1 液压缸的设计3.1.1 液压缸类型的选择 液压缸可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类，其常见类型有：活塞式液压缸（双杆式、单杆式）、柱塞式液压缸、摆动式液压缸、伸缩式液压缸、齿条式液压缸。一、活塞式液压缸活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图3.1所示。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。图3.1 双活塞杆液压缸安装方式简图单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力。二、柱塞式液压缸 前面所讨论的活塞式
9、液压缸的应用非常广泛,但这种液压缸由于缸孔加工精度要求很高，当行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。在生产实际中,某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。如图3.2（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。柱塞式液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成，如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用图3.2（b）。柱塞缸的柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大
10、，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。图3.2 柱塞式液压缸柱塞缸结构简单，制造方便，常用于工作行程较长的场合，如大型拉床，矿用液压支架等。三、摆动式液压缸 摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。图3.3(a)所示为单叶片摆动液压缸，主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。图3.3 摆动液压缸单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过 ，双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过 。当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转
11、矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系统中往复摆动，转位或间歇运动的地方。四、伸缩式液压缸图3.4所示为伸缩式液压缸的结构图，它由两级（或多级）活塞缸套装而成，主要组成零件有缸体、活塞、套筒活塞等。缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动，由于一级活塞的有效作用面积大，所以运动速度低而推力大。一级活塞右行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向右运动，因其有效作用面积小，所以运动速度快，但推力小。套筒活塞既是一级活塞，又是二级活塞的缸体，有双重作用（多级时，前一级缸的活塞就是后
12、一级缸的缸套）。若B口进油，A口回油，则二级活塞先退回至终点，然后一级活塞才退回。图3.4 伸缩式液压缸的结构图伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。五、齿条活塞缸图3.5 齿条活塞液压缸的结构图齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图3.5所示，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动，它多用于自动线，组合机床等转位或分度机构中。在本设计中，我采用活塞式液压缸。3.1.2缸筒结构缸筒主要技术要求：1）.有很高的强度，能承受最高工作压力及动态实验压力而不致产生永久性变形；2）.有很高的刚度，能够承受活塞阀向力和
13、安装的反作用力从而不致于产生弯曲；3）.内表面与活塞密封件和导向环的摩擦力作用下，长期工作而磨损少，有较高的几何精度，足以来保证活塞密封件的密封性；4）.有的钢筒还要求有较好的可焊性，以便于在焊上法兰或者管接头后从而不致于产生裂纹和过大的变形。 缸筒采用无缝钢管制成，用45号钢调质。液压缸内圆柱表面粗糙度为R0.20.4um。为不损伤活塞和缸盖上的密封圈，此缸筒在入口处及有密封圈滑过的孔槽口。图3.6 缸筒 常用的缸筒连接结构有8类，分别为拉杆连接，焊接，内螺纹连接，外螺纹连接，外卡环连接，半环连接，法兰连接和挡圈连接。通常根据缸筒与钢盖的连接形式选用其结构，而连接形式又取决于额定工作压力、用
14、途、使用环境等因素。此处选用的连接结构为半环连接。3.1.3缸头结构缸底用45号钢锻件。采用半环连接，其特点是加工容易成本低，拆卸方便，但也有其缺点：外形尺寸较大，较笨重。装配时对拉杆要有足够的预拧紧，否则工作中拉杆伸长变形会产生不良影响。 图3.7 缸底缸头与缸体的连接方式的选择：焊接：结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。 3.1.4 液压缸的设计计算液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。一、液压缸工作压力的确定液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途
15、的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3.1、表3.2来确定。表3.1 液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0表3.2 各类液压设备常用的工作压力(单位：MPa) 设备类型一般机床一般冶金单位农业机械、小型工程机械液压机、重型机械、轧机压下、起重运输机械工作压力（Mpa）16.36.31610162032二、液压缸主要尺寸的确定设计压力5Mpa 初选执行原件及设计压力。计算和确定液压缸主要机构尺寸，设计压力1016，在这我取=15Mpa；无杆腔为工作腔F=600KN，=0.51.5Mpa，我取1.0Mpa，无杆腔活塞的有效面积为 （3.1）有杆腔活塞的有效面积为 （3.2）当压力油进入无杆腔
