萬能液壓試驗機機械傳動系統(tǒng)設計及三維建模

1、1 前言液壓萬能試驗機是試驗機的傳統(tǒng)產品，老式的液壓萬能試驗機在國際上已被淘汰，在國內也已不能滿足新修訂的試驗方法標準GB228的要求，急需更新?lián)Q代。目前限于國內廠家的技術成熟程度和生產能力，提供給用戶的產品90%仍是老式產品，不能滿足用戶需求。1.1 液壓式萬能試驗機概述液壓式萬能試驗機主要用于金屬材料的拉伸、壓縮、剪切和彎曲試驗，是科研單位、冶金和機械制造廠、質檢站和大專院校的必備設備。萬能液壓試驗機主要為油缸下置式主機結構，油缸采用間隙密封、靜壓油膜支撐、無摩擦技術，電機帶動鏈輪、鏈條驅動絲杠轉動，固定絲母帶動橫梁調整試驗空間。是大專、院所、企業(yè)、科研機構等實驗室理想的檢測設備。屏顯測控

2、系統(tǒng)具有網絡接口，可方便實驗室聯(lián)網操作及試驗結果的網絡傳輸。還有一部分為油缸上置式，采用了電機帶動鏈輪，鏈輪帶動蝸桿，通過渦輪蝸桿機構使下夾頭上下移動，從而拉伸試件。壓縮試件是通過油缸活塞運動帶動下橫梁上升，從而壓縮試件。1.2 液壓式萬能試驗機種類（1）油缸下置式，油缸采用間隙密封、靜壓油膜支撐、無摩擦技術，電機帶動鏈輪、鏈條驅動絲杠轉動，固定絲母帶動橫梁調整試驗空間。（2）油缸上置式，電機帶動鏈輪，鏈輪帶動蝸桿，通過渦輪蝸桿機構使下夾頭上下移動，從而拉伸試件。壓縮試件是通過油缸活塞運動帶動下橫梁上升，從而壓縮試件。1.3 研究內容液壓式萬能試驗機主要用于金屬材料的拉伸、壓縮、剪切和彎曲試驗

3、，是科研單位、冶金和機械制造廠、質檢站和大專院校的必備設備：要求試驗機能夠實現(xiàn)的主要性能參數(shù)為：（1） 最大載荷：600KN（2） 拉伸夾頭間最大距離（包括活塞行程）：500mm（3） 上下壓力板尺寸：125mm（4） 圓試樣夾持范圍：(2050)mm（5） 扁試樣夾持范圍：(040)mm，最大夾持寬度為70mm（6） 活塞上升速度：(0-30)mm/min（7） 外形尺寸：主機：(10006502050)mm，測力機：(12007501800)mm（8） 油缸采用上置式。確定能夠實現(xiàn)以上功能的試驗機傳動方案，完成各個零部件的設計計算和校核，并繪制圖紙，撰寫詳細設計說明書。2 總體方案設計2.

4、1試驗機總系統(tǒng)圖2.1 液壓式萬能試驗機示意圖2.1.1 加載系統(tǒng)在底座1上由兩根固定立柱2和固定橫梁3組成承載框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上，支承著由上橫梁6、活動立柱7和活動平臺8組成的活動框架。當油泵16開動時，油液通過送油閥門17，經送油管18進入工作油缸，把活塞5連同活動平臺8一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭9和下夾頭12之間，由于下夾頭固定，上夾頭隨活動平臺上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個承壓墊板11之間，或將受彎試件置放于兩個彎曲支座10上，則因固定橫梁不動而活動平臺上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，試驗開始前如欲調整上、下夾頭之間的距離，則可

5、開動電機14，驅動螺桿13，便可使下夾頭12上升或下降。但電機14不能用來給試樣施加壓力。2.1.2 測力系統(tǒng)加載時，開動油泵電機，打開送油閥17，油泵把油液送入工作油缸4頂起工作活塞5給試樣加載；同時，油液經回油管19及測力油管21（這時回油閥20是關閉的，油液不能流回油箱），進入測力油缸22，壓迫測力活塞23，使它帶動拉桿24向下移動，從而迫使擺桿26和擺錘25聯(lián)同推桿27繞支點偏轉。推桿偏轉時，推動齒桿28作水平移動，于是驅動示力度盤的指針齒輪，使示力指針29繞示力度盤30的中心旋轉。示力指針旋轉的角度與測力油缸活塞上的總壓力（即拉桿24所受拉力）成正比。因為測力油缸和工作油缸中油壓壓強

6、相同，兩個油缸活塞上的總壓力成正比（活塞面積之比）。這樣，示力指針的轉角便與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經過標定便可使指針在示力度盤上直接指示載荷的大小。試驗機一般配有重量不同的擺錘，可供選擇。對重量不同的擺錘，使示力指針轉同樣的轉角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。所以，示力度盤上由刻度表示的測力范圍應與擺錘的重量相匹配。開動油泵電機，送油閥開啟的大小可以調節(jié)油液進入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。開啟回油閥20，可使工作油缸中的油液經回油管19瀉回油箱37，從而卸減試樣所受載荷。試驗開始前，為消除活動框架等的自重影響，應開動油泵送油，將活動平臺略微升高。

7、然后調節(jié)測力部分的平衡鉈31，使擺桿保持垂直位置，并使示力指針指在零點。試驗機上一般還有自動繪圖裝置。它的工作原理是，活動平臺上升時，由繞過滑輪（1）和（2）的拉繩33帶動滾筒32繞軸線轉動，在滾筒圓柱面上構成沿周線表示載荷的坐標。這樣，試驗時繪圖筆34在滾筒上就可自動繪出載荷位移曲線。當然，這只是一條定性曲線，不是很準確的。如圖1.12.2 方案確定油缸上置式，電機帶動鏈輪，鏈輪帶動蝸桿，通過蝸桿轉動帶動蝸輪轉動，蝸輪轉動使里面的螺桿上下移動，從而使下夾頭上下移動，從而拉伸試件。壓縮試件是通過油缸活塞運動帶動下橫梁上升，從而壓縮試件。3 主要傳動構件設計3.1 液壓缸的設計3.1.1 液壓缸

8、類型的選擇 液壓缸可按運動方式、作用方式、結構形式的不同進行分類，其常見類型有：活塞式液壓缸（雙桿式、單桿式）、柱塞式液壓缸、擺動式液壓缸、伸縮式液壓缸、齒條式液壓缸。一、活塞式液壓缸活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結構形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式，如圖3.1所示。這種液壓缸常用于要求往返運動速度相同的場合。圖3.1 雙活塞桿液壓缸安裝方式簡圖單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運動可以獲得不同的速度和輸出力。二、柱塞式液壓缸 前面所討論的活塞式液壓缸的應用非常廣泛,但這種液壓缸由于缸孔加

9、工精度要求很高，當行程較長時，加工難度大,使得制造成本增加。在生產實際中,某些場合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價格低廉的液壓缸。如圖3.2（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內壁不接觸，因此缸筒內孔不需精加工，工藝性好，成本低。柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其它外力來完成，如果要獲得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用圖3.2（b）。柱塞缸的柱塞端面是受壓面，其面積大小決定了柱塞缸的輸出速度和推力，為保證柱塞缸有足夠的推力和穩(wěn)定性，一般柱塞較粗，重量較大，水平安裝時易產生單邊磨損，故柱塞缸適宜于垂

10、直安裝使用。為減輕柱塞的重量，有時制成空心柱塞。圖3.2 柱塞式液壓缸柱塞缸結構簡單，制造方便，常用于工作行程較長的場合，如大型拉床，礦用液壓支架等。三、擺動式液壓缸 擺動液壓缸能實現(xiàn)小于360角度的往復擺動運動，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動液壓馬達，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結構形式。圖3.3(a)所示為單葉片擺動液壓缸，主要由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成。圖3.3 擺動液壓缸單葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過 ，雙葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過 。當輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動液壓缸擺動軸輸出轉矩是相同參數(shù)單葉片擺動缸的兩倍，而擺動角速度

11、則是單葉片的一半。擺動缸結構緊湊，輸出轉矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復擺動，轉位或間歇運動的地方。四、伸縮式液壓缸圖3.4所示為伸縮式液壓缸的結構圖，它由兩級（或多級）活塞缸套裝而成，主要組成零件有缸體、活塞、套筒活塞等。缸體兩端有進、出油口A和B。當A口進油，B口回油時，先推動一級活塞向右運動，由于一級活塞的有效作用面積大，所以運動速度低而推力大。一級活塞右行至終點時，二級活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運動，因其有效作用面積小，所以運動速度快，但推力小。套筒活塞既是一級活塞，又是二級活塞的缸體，有雙重作用（多級時，前一級缸的活塞就是后一級缸的缸套）。若B口進油，A口回油，則二級

12、活塞先退回至終點，然后一級活塞才退回。圖3.4 伸縮式液壓缸的結構圖伸縮式液壓缸的特點是：活塞桿伸出的行程長，收縮后的結構尺寸小，適用于翻斗汽車，起重機的伸縮臂等。五、齒條活塞缸圖3.5 齒條活塞液壓缸的結構圖齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙作用活塞缸和齒輪齒條機構組成，如圖3.5所示，活塞往復移動經齒條、齒輪機構變成齒輪軸往復轉動，它多用于自動線，組合機床等轉位或分度機構中。在本設計中，我采用活塞式液壓缸。3.1.2缸筒結構缸筒主要技術要求：1）.有很高的強度，能承受最高工作壓力及動態(tài)實驗壓力而不致產生永久性變形；2）.有很高的剛度，能夠承受活塞閥向力和安裝的反作用力從而不致于產生彎曲；3）.內表

13、面與活塞密封件和導向環(huán)的摩擦力作用下，長期工作而磨損少，有較高的幾何精度，足以來保證活塞密封件的密封性；4）.有的鋼筒還要求有較好的可焊性，以便于在焊上法蘭或者管接頭后從而不致于產生裂紋和過大的變形。 缸筒采用無縫鋼管制成，用45號鋼調質。液壓缸內圓柱表面粗糙度為R0.20.4um。為不損傷活塞和缸蓋上的密封圈，此缸筒在入口處及有密封圈滑過的孔槽口。圖3.6 缸筒 常用的缸筒連接結構有8類，分別為拉桿連接，焊接，內螺紋連接，外螺紋連接，外卡環(huán)連接，半環(huán)連接，法蘭連接和擋圈連接。通常根據(jù)缸筒與鋼蓋的連接形式選用其結構，而連接形式又取決于額定工作壓力、用途、使用環(huán)境等因素。此處選用的連接結構為半環(huán)

14、連接。3.1.3缸頭結構缸底用45號鋼鍛件。采用半環(huán)連接，其特點是加工容易成本低，拆卸方便，但也有其缺點：外形尺寸較大，較笨重。裝配時對拉桿要有足夠的預擰緊，否則工作中拉桿伸長變形會產生不良影響。 圖3.7 缸底缸頭與缸體的連接方式的選擇：焊接：結構簡單，尺寸小，質量小，使用廣泛。 3.1.4 液壓缸的設計計算液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內徑D、缸的長度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負載、活塞運動速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。一、液壓缸工作壓力的確定液壓缸要承受的負載包括有效工作負載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負載確定。對于不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍

15、也不同。設計時，液壓缸的工作壓力可按負載大小及液壓設備類型參考表3.1、表3.2來確定。表3.1 液壓缸的公稱壓力（單位：MPa,GB7938-87）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0表3.2 各類液壓設備常用的工作壓力(單位：MPa) 設備類型一般機床一般冶金單位農業(yè)機械、小型工程機械液壓機、重型機械、軋機壓下、起重運輸機械工作壓力（Mpa）16.36.31610162032二、液壓缸主要尺寸的確定設計壓力5Mpa 初選執(zhí)行原件及設計壓力。計算和確定液壓缸主要機構尺寸，設計壓力1016，在這我取=15Mpa；無桿腔為工作腔F=600KN，=0.51

16、.5Mpa，我取1.0Mpa，無桿腔活塞的有效面積為 （3.1）有桿腔活塞的有效面積為 （3.2）當壓力油進入無桿腔的流量為，活塞右移速度為、輸出力為 （3.3） （3.4）式中 -進油壓力； -回油壓力。桿徑d可根據(jù)工作壓力選取，見表3.3；表3.3 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑液壓缸工作壓力P(Mpa)5577推薦活塞桿直徑（0.50.55）D（0.60.7）D0.7D當液壓缸的往復速度比有一定要求時，進退速度相同，A2=A1/2，桿徑比取，由公式3.4得D=236mmd=167mm所以液壓缸選擇液壓缸的缸筒長度由活塞最大行程，活塞長度，活塞桿導向套長度，活塞桿密封長度和特殊要求的長度確定。

17、其中活塞長度為（0.61.0）D；導向套長度為（0.61.5）d。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應大于內徑的2030倍。3.2蝸輪蝸桿傳動設計3.2.1選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ZI）。3.2.2選擇材料根據(jù)庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳動的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋面要求淬火，硬度為HRC45-55。蝸輪用錫青銅ZQSn10-1，金屬模制造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，反齒圈用青銅制造，而輪芯用鑄鐵HT150制造。3.2.3按齒面接觸疲勞強度進行設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲

18、勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距 (3.5)(1)確定作用在蝸輪上的轉矩T2,按Z1=2.估計效率： (3.6)(2) 確定載荷系數(shù)K用渦輪蝸桿減速器隨電機的頻繁停動而時停時動，故載荷分布不均系數(shù)K=1.4。由機械設計表11-6選取工作情況系數(shù)KA=1.2;由于轉速不高，沖擊不是很大，可取動載荷系數(shù)Kv=1.05；則 (3.7)(3)確定彈性影響系數(shù)因選用的是錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故： （3.8）(4)確定接觸系數(shù)先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值為：由機械設計圖11-18中可查到:(5)確定需用接觸應力1根據(jù)蝸桿材料為蝸輪用錫青銅ZQSn10-1，金屬模制造。蝸

19、桿的螺旋齒面硬度45HRC，可從機械設計表11-7中查到蝸桿的基本許用應力：應力循環(huán)系數(shù)： （3.9）壽命系數(shù)為： （3.10）則 （3.11）(6)計算中心距 (3.12)取中心距a=200，因為i=20。故從機械設計表11-2中取模數(shù)m=5，蝸桿的分度圓直徑為d1=80mm.這時d1/a=0.4，從機械設計圖11-18中可查出接觸系數(shù):因為故以上的計算結果可用。3.2.4 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸（1）蝸桿軸向齒距Pa=25.133；直徑系數(shù)q=10；齒頂圓直徑齒根圓直徑分度圓導程角蝸桿軸向齒厚蝸輪蝸輪齒數(shù)Z2=41;變位系數(shù)驗算傳動比這時傳動比誤差為故在誤差上是允許的蝸輪分度圓直徑

20、為蝸輪喉圓直徑為蝸輪齒根圓直徑蝸輪咽喉母圓半徑3.2.5校核齒根彎曲疲勞強度 (3.13)當量齒數(shù) (3.14)從機械設計圖11-19中可查到齒形系數(shù)螺旋角系數(shù)許用彎曲應力從機械設計表11-8中查到有錫青銅制造的蝸輪的基本許用應力為56MPa。壽命系數(shù) (3.15)故彎曲強度滿足3.3.6精度選擇和公差，表面粗糙度的確定由于所設計的蝸桿傳動是用于動力傳動的，希望使用壽命長些，另外，它屬于通用機械的減速器，所以選擇8級精度和保證側隙DC，即標準為“8-DC JB162-60”4螺桿的設計設定下夾頭的上下移動速度為160mm/min，根據(jù)實際情況選擇螺桿的螺距P=9，由機械設計課程設計手冊表3-8

21、和3-9知道它的公稱直徑為60。蝸輪轉速nn=160/P=18（r/min）外螺紋小徑d3=d-10=50（mm）內外螺紋中徑D2=60-4.5=55.5（mm）內螺紋大徑D4=d+1=61（mm）內螺紋小徑D1=d-9=51（mm）根據(jù)實際情況取螺桿長度為300mm5鏈傳動設計由于蝸輪轉速為18r/min傳動比i=n1/n2 （5.1）所以蝸桿轉速為n1=36r/min大鏈輪轉速為36r/min一、選擇鏈輪齒數(shù)z1、z2和確定傳動比由機械設計鏈輪齒數(shù)z1取18，傳動比i取2，大鏈輪齒數(shù)為36二、計算當量的單排鏈的計算功率PcaPca=KaKzP/Kp （5.2）Pca=3.3式中Ka工況系數(shù)

22、；Kz-主動鏈齒輪數(shù)系數(shù)；P傳遞功率。三、確定鏈條型號和節(jié)距由Pca可以確定鏈條節(jié)距p=15.875mm四、計算鏈節(jié)數(shù)和中心距初選中心距，按下式計算鏈節(jié)數(shù)Lp0 （5.3）=107.2 為了避免使用過渡鏈節(jié)，應將計算出的鏈節(jié)數(shù)圓整為偶數(shù)。=108鏈傳動最大中心距為： （5.4）式中，為中心距計算系數(shù)，查表為0.24937（mm）五、計算鏈速，確定潤滑方式平均鏈速計算 （5.5）=3.38（r/min）采用油池潤滑或油盤飛濺潤滑。滾子直徑分度圓直徑 （5.6）d=92（mm）齒頂圓直徑（mm）齒根圓直徑（mm）齒高確定的最大軸凸緣直徑6電機選擇電機采用Y132S-8額定功率2.2kw轉速710r

23、/min7 結 論該畢業(yè)設計液壓是萬能試驗機機械傳動系統(tǒng)設計實現(xiàn)了金屬材料的拉伸、壓縮、剪切和彎曲試驗，是科研單位、冶金和機械制造廠、質檢站和大專院校的必備設備。其主要由電動機、機械傳動部分、夾緊裝置以及底座等幾部分組成。該機器結構比較簡單，價格低廉，適合小型工廠使用。在整個設計中，對機械傳動傳動部分采用了電機帶動鏈輪，鏈輪帶動蝸桿，通過渦輪蝸桿機構使下夾頭上下移動，從而拉伸試件。壓縮試件是通過油缸活塞運動帶動下橫梁上升，從而壓縮試件。參考文獻1 蔡琴生，梁昔明液壓實驗臺CAT系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)J.機電工程技術，2005(5):32-352 劉鳳仙，趙樹忠，楊來永微機控制插裝式綜合液壓實驗臺設計N承德石油高等?？茖W校學報，1999-1-43 盧秉恒. 機械制造技術基礎（第3版） M. 北京：機械工業(yè)出版社，20074 杜君文. 機械制造技術裝備及設計（新版）M.天津：天津大學出版社，20075 章宏甲，黃誼. 液壓傳動M. 北京: 機械工業(yè)出版社，19996 俞啟榮. 液壓傳動M .北京：機械工業(yè)出版社，19907 袁承訓. 液壓與氣壓傳動M . 北京：機械工業(yè)出版社，19998 王廣懷. 液壓技術應用M . 哈爾濱：哈爾