版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)
文檔簡介
1、畢業(yè)設(shè)計(論文)生物材料動態(tài)力學(xué)實驗機的研制dynamic mechanical studiesof biological materials machine學(xué)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)摘要本課題完成了人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗臺的研制。該試驗設(shè)備主要由機械傳動部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。試驗機液壓系統(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、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
2、的負載。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)abstractthe subject completed a total hip simulator hydraulic system and mechanical test rig. the test equipment mainly consists of me
3、chanical transmission parts, temperature control system and hydraulic loading system components. the subject completed the simulation of artificial hip joint and the hydraulic system tested. tests of the characteristics of hydraulic system are based on simulated force characteristics of artificial h
4、ip joints can make the sharing of the load. the hydraulic loading system is mainly used to achieve the joint head specimens forward, reverse and the load imposed. bench works is to sample the femoral head and ace tabular components installed in accordance with its normal position test stand, the exp
5、erimental device to generate required between the loads over time. test the hydraulic system and the main consideration for the design of ac load factor is ruche characteristics (ac hydraulic), making it can load in the correct environment in the test chamber simulating human hip joint the actual lo
6、ading conditions, so that testing machine produced forms of exercise and the actual conditions of use of artificial joint line, which can accurately and reliably test of artificial joint materials, terminological properties of biological parameters, to provide guidance for the clinical application o
7、f test data. according to the above requirements and design a hydraulic system tests bed assembly drawing.keywords artificial joints simulative test hydraulic system i徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)目 錄摘要iabstractii1 緒論11.1 引言11.2 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機的分析與研究11.3人工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求11.4 本課題研究內(nèi)容擬解決的主要問題22 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析32.1人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)32.2 髖關(guān)節(jié)運
8、動分析32.3 人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)62.4 試驗機的工作原理63 液壓系統(tǒng)設(shè)計83.1 液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計流程83.2 液壓加載系統(tǒng)的工作原理83.3 液壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計83.4 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計算93.4.1液壓缸主要參數(shù)的確定93.4.2 液壓泵的性能參數(shù)計算113.5 液壓元件的選擇123.5.1 控制閥的選擇123.5.2 輔助元件的選擇144 液壓缸主要零部件設(shè)計154.1缸筒154.1.1 缸筒結(jié)構(gòu)154.1.2 缸筒材料154.1.3 缸筒計算164.2 活塞184.2.1 活塞結(jié)構(gòu)184.2.2 活塞與活塞桿的連接形式184.2.3 活塞的密封184.2.4 活塞材料204.2
9、.5 活塞尺寸及加工公差204.3活塞桿204.3.1 活塞桿結(jié)構(gòu)204.3.2 活塞桿的材料和技術(shù)要求214.3.3 活塞桿的計算215 液壓站的設(shè)計235.1 液壓泵站235.2液壓泵站的類型選擇235.3液壓油箱及其附件235.3.1 油箱的用途與分類235.3.2 油箱的構(gòu)造與設(shè)計要點235.3.3 油箱的容量及計算245.3.4 標(biāo)準(zhǔn)油箱的規(guī)格及外形尺寸255.4 油路板的設(shè)計265.4.1 板式集成的結(jié)構(gòu)特征265.4.2 油路板的設(shè)計要點265.4.3 油路板設(shè)計說明26結(jié)論30致謝31參考文獻32321 緒論1.1 引言人工關(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
10、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、磨損機理的研究都需要進行摩擦學(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
11、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。1.2 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機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械性失效,還會產(chǎn)
12、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。因此,要求新的模擬試驗機在實驗室環(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)模擬試驗機發(fā)展的一個重要因素是試驗機工位太少。大多數(shù)試驗機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21063106轉(zhuǎn)(相當(dāng)于關(guān)節(jié)假體在病人體內(nèi)23年的運動
13、量)的試驗工作需要23個月的時間。針對這一問題,研究者提出了多工位試驗機的概念。到目前為止,有各種多工位試驗機乃至100工位的試驗機在研究中使用。多工位試驗機可同時進行多副人工關(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。1.3人工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求人體髖關(guān)節(jié)是受力復(fù)雜的負重關(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100300萬次循環(huán)的體重負荷, 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
14、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、強度和韌性與人的皮質(zhì)骨相匹配, 在負載情況下, 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,
15、設(shè)計服役壽命應(yīng)達到1020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理進行研究, 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。1.4 本課題研究內(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)
16、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)。2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析2.1人體髖關(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2-1給出人髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖:圖2-1 人體髖關(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
17、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,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
18、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,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,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。一般認為,此韌帶對髖關(guān)節(jié)的運動并無限制作用。2.2 髖關(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,故運動
19、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??紤]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2-2 內(nèi)收/外展、內(nèi)外旋運動圖2-3 曲伸展運動 說明: 1負載軸; 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
20、極軸與負載力線的夾角; n髖臼基底平面與負載力線的夾角,一般為57o63o; p當(dāng)內(nèi)收/外展運動處于中間位置時,股骨柄與負載力線間的夾角;1) 內(nèi)收/外展運動 (abduction/adduction): 如圖2-2,所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(flexion/extension): 如圖2-3,所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(inward/outward rotation): 如圖2-2,所示的髖臼部分與股骨部件間的相對角運動。4) 極軸(polar axis):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,
21、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)r.c.johnston、j.l.smidt等的研究結(jié)果表明,人體正常行走時,髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖2-2所示:fe角(flexion-extension)的變化幅度為046;aa角(abduction-adduction)和ier角(internal-external rotation)的變化幅度同為012;fe角和aa角的相位相差/2;在足跟離地前0.1t時,關(guān)節(jié)彎曲度達到最大;腳尖離地前0.1t時,關(guān)節(jié)拉伸度達到最大(t為步態(tài)周期,單位:秒)。一個運動周期內(nèi)股骨部件各角運動變化角度如下表2-1
22、所示:表2-1 一個運動周期內(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%0215062100屈曲角(+)或伸展角(-)(o)3o25-1825內(nèi)收角(+)或外展角(-)(o)3o37-43內(nèi)旋角(+)或外展角(-)(o)3o-102-10根據(jù)圖2-4所示運動曲線,利用計算機模擬技術(shù)對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進行了相應(yīng)計算,其結(jié)果如圖2-5所示??梢钥闯?,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。 圖2-4 人體步態(tài)運動步行
23、圖 圖2-5 選取點的滑動軌跡圖 2.3 人工髖關(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2-6示出了人工髖關(guān)節(jié)的實物照片。與天然髖關(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38mm52mm,每隔2mm為一種規(guī)格。 圖2-6 人工髖關(guān)節(jié)實物照片2.4 試驗機的工作原理人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機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載及相
24、對角運動,股骨頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上,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,可滿足試驗時不同載荷要求。圖2-7示出了人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機的實物照片。圖2-7 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機實物照片3 液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1 液壓加載系統(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、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、后退的思想,其設(shè)計流程圖如圖3-1所示: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、后退時載荷的施加確定關(guān)節(jié)頭步進
25、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 圖3-1 液壓系統(tǒng)設(shè)計流程圖3.2 液壓加載系統(tǒng)的工作原理試驗機的液壓加載系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)關(guān)節(jié)頭試件的前進、后退及載荷的施加,其工作原理圖如圖3-2所示。液壓系統(tǒng)工作時,活塞桿的前進、后退主要由三位四通電磁換向閥控制?;钊麠U前進時,三位四通電磁換向閥處于左位,此時進油路線為: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
26、通電磁換向閥處于中位時,油泵卸載,油缸不動。3.3 液壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計試驗時,開啟電機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。由于該閥中位機能為m型,此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,油泵輸出壓力油推動活塞上移并帶動上試件后退。 圖3-2 液壓系統(tǒng)原理圖3.4 液壓系統(tǒng)的參數(shù)計算3.4.1液壓缸主要參數(shù)的確定(1) 液壓缸工作
27、壓力的確定已知最大實驗載荷p=1t,最大壓強p小于6.3mpa。按照初定值取缸的工作壓力為6mpa。(2) 液壓缸內(nèi)徑尺寸的確定以無活塞桿側(cè)作為液壓缸的進油腔,則 式(3.1)式中:缸筒內(nèi)徑,mm; 液壓缸工作壓力,mpa; 實驗載荷,n;按gb/t23481993將所計算的d圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑,得。(3) 活塞桿直徑的確定由上知= 50 mm,則 式(3.2)式中:活塞桿直徑,mm; 速比,根據(jù)壓力,按表3-1選?。?表3-1 液壓缸安全系數(shù)公稱壓力mpa 1012.5-20 201.331.46,2 22由所定工作壓力取1.33,則按gb/t23481993將所計算的圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑
28、,得。(4) 活塞的理論推力和拉力 式(3.3) 式(3.4)(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,因為活塞桿一般為細長桿。當(dāng) (1015)時,由歐拉公式推導(dǎo)出: 式(3.5) 式中:活塞桿橫截面慣性距,mm4 ; 圓截面 活塞桿直徑,mm; 液壓缸末端條件系數(shù); 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力, n; 活塞桿的縱向壓縮力,n; 安全系數(shù),通常= 3.56; 材料的彈性摸數(shù),鋼材的;將數(shù)據(jù)代入并簡化后 本設(shè)計活塞桿行程s=125mm,不會出現(xiàn)確定的
29、行程與設(shè)計的活塞桿直徑相矛盾,達不到穩(wěn)定的要求,因此無須對活塞桿進行修正。(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2030倍。即: (2030)d 式(3.6) 10001500式中:l液壓缸缸體長度, mm;實際液壓缸的長度為225mm,故滿足要求。由此確定: 液壓缸的公稱壓力p=6.3mpa; 液壓缸的內(nèi)徑 d=50mm; 活塞桿直徑 d=25mm;活塞桿行程 s=125mm;3.4.2 液壓泵的性能參數(shù)計算(1)確定液壓泵的最大工作壓力 式(3.7)式中執(zhí)行元件的最高工作壓力; 執(zhí)行
30、元件進油路上的壓力損失,初定=0.5mpa,由執(zhí)行元件的工作情況可知,mpa,假使液壓泵的最高工作壓力為額定壓力,則mpa(2)確定液壓泵的最大流量 式(3.8)式中同時動作的個執(zhí)行元件所需流量之和的最大值; 泄露系數(shù),一般取=1.11.3, 這里取=1.1,假定系統(tǒng)最大流量為理論流量,則。(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3-2所示:表3-2 葉片泵的型號型號流量額定壓力轉(zhuǎn)速傳動功率重量yb1-1010l/min
31、6.3mpa1450r /min2.2kw5.3kg (4)選擇電動機的規(guī)格型號液壓泵的電動機功率kw 式(3.9)式中:電動機功率,kw; 液壓泵最大工作壓力,pa; 液壓泵的輸出流量,; 液壓泵總效率,估取0.8。電動機的型號和參數(shù)指標(biāo)如表3-3所示:表3-3 電動機的型號型號額定功率滿載轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速極數(shù)y2-100l1-42.2 kw1420r /min1500r /min43.5 液壓元件的選擇3.5.1 控制閥的選擇1、 三位四通電磁換向閥 型號:34d-6b 通徑:6mm 額定流量:25 l / min 壓力:6.3mpa 連接方式:板式連接重量:4kg2、溢流閥 型號:yf3-1
32、0b 通徑: 10mm 額定流量:63 l / min 調(diào)壓范圍:0.5-6.3mpa 連接方式:板式連接重量:1.6kg3、電磁比例溢流閥 型號:yf3-10b 通徑:10mm 額定流量:63 l / min 調(diào)壓范圍:0.5-6.3mpa 連接方式:板式連接重量:3.2 kg4、壓力表開關(guān) 型號:kf-l8/12e 通徑:8mm 額定流量:10 l / min 壓力:350mpa 連接方式:板式連接5、截止閥 型號:yjzq-h10n 通徑:10 mm 壓力:20 mpa 連接方式:螺紋連接6、單向閥 型號:cit-03-35-50 通徑:3mm 壓力:25 mpa 額定流量:30 l /
33、 min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34d-6b6mm6.3mpa25l/min板式連接4kg溢流閥yf3-10b10mm0.5-6.3mpa63l/min板式連接1.6kg電磁比例溢流閥yf3-10b10mm0.5-6.3mpa63l/min板式連接3.2kg壓力表開關(guān)kf-l8/12e8mm350mpa10l/min板式連接截止閥yjzq-h10n10mm20mpa螺紋連接單向閥cit-03-35-503mm25mpa30l/min管式聯(lián)接0.3kg 連接方式:管式聯(lián)接各液壓元件規(guī)格參數(shù)如表3-1所示:表3-1 所選液壓元件規(guī)格參數(shù)3.5.2 輔助元件的選擇1、吸
34、油過濾器 型號:ycx 25180l 通徑:15mm額定流量:25 l / min 過濾精度:180 mm 壓力損失:0.01mpa2、蓄能器 型號:nxq1/2 l10-10 通徑:40mm 壓力:10mpa連接方式:螺紋聯(lián)接3、空氣過濾器 型號:ef1-25 空氣過濾口徑:25mm 加油流量:9l/min空氣流量:65l/min空氣過濾精度:0.279油過濾精度:125m4、管接頭 型號:jb/t 966-1997通徑:15mm連接方式:螺紋聯(lián)接4 液壓缸主要零部件設(shè)計4.1缸筒4.1.1 缸筒結(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
35、素。常見的缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)如圖4-1所示:圖4-1 缸體與缸蓋的連接結(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)
36、 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。4.1.2 缸筒材料缸筒的材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性,能承受最高工作壓力及短期動態(tài)試驗壓力而不產(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,機械預(yù)加工后再調(diào)質(zhì)到241285hbs;前端蓋采用ht200;缸底采用ht
37、200;4.1.3 缸筒計算(1) 缸筒內(nèi)徑的確定 由前面計算得到:缸筒內(nèi)徑。(2) 缸筒壁厚計算缸筒壁厚為:關(guān)于的值,可按下列情況分別進行計算:當(dāng)時,可用薄壁缸筒的實用計算式: m 式(4.1) 顯然過?。划?dāng)= 0.080.3時,可用實用公式:考慮到和,取壁厚為5mm,此時式中: 為缸筒材料強度要求的最小值,m; 為缸筒外徑公差余量,m; 腐蝕余量,m; 缸筒內(nèi)徑,m; 缸筒內(nèi)最高工作壓力,mpa; 缸筒材料的許用應(yīng)力,mpa, ; 缸筒材料的抗拉強度,mpa;(3) 缸筒壁厚驗算額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值,以保證工作安全: 式(4.2) 同時,額定工作壓力也應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比
38、例范圍,以避免塑性變形的發(fā)生。式中:缸筒發(fā)生完全塑形變形的壓力,mpa; 國內(nèi)外工廠實際采用的缸筒壁厚也即外徑,mm; 則 mpa此外,還應(yīng)驗算缸筒的暴裂壓力: 式(4.3)式中:缸筒耐壓實驗壓力,mpampa mpa (4) 缸筒底部厚度缸筒底部為平面,其厚度可以按照四周嵌住的圓盤強度公式進行近似的計算: 式(4.4)式中:筒底厚,mm; 筒內(nèi)最大工作壓力,mpa; 計算厚度外直徑,mm;(5) 缸筒與端部焊接缸筒與端部用焊接連接時,其焊縫應(yīng)力計算: mpa 式(4.5)式中:缸內(nèi)最大推力,n; 焊縫底徑,m;焊接效率,?。缓笚l材料的抗拉強度,mpa;安全系數(shù),參照缸筒壁的安全系數(shù)選?。?.
39、2 活塞4.2.1 活塞結(jié)構(gòu)根據(jù)密封裝置型式來選用活塞結(jié)構(gòu)形式。通常分為整體活塞和組合活塞兩類。整體活塞在活塞圓周上開溝槽,安置密封圈,結(jié)構(gòu)簡單,但給活塞的加工帶來困難,密封圈安裝時也容易拉傷和扭曲。組合式活塞結(jié)構(gòu)多樣,主要受密封型式?jīng)Q定。組合式活塞大多數(shù)可以多次拆裝,密封件使用壽命長。4.2.2 活塞與活塞桿的連接形式活塞與活塞桿的連接形式主要有以下幾種:1)卡環(huán)型 兩半卡環(huán)卡入卡環(huán)槽后會松脫,需套上卡環(huán)帽,再裝上彈性擋圈。裝拆方便,低速時使用廣泛;2)軸套型 采用螺釘固定,不便于設(shè)計緩沖柱塞,活塞桿縮回撞擊底缸時,螺釘易損壞;3)螺母型 結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便,但一般需備螺母防松裝置;4)焊接
40、型 結(jié)構(gòu)簡單,軸向尺寸緊湊,但損壞后需整體更換。4.2.3 活塞的密封活塞裝置主要用來防止液壓油的泄漏。對密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能,并隨壓力的增加能自動提高密封性,除此以外,摩擦阻力要小,耐油,抗腐蝕,耐磨,壽命長,制造簡單,拆裝方便。油缸主要采用密封圈密封,密封圈有o形、v形、y形及組合式等數(shù)種,其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。1)o形密封圈 o形密封圈的截面為圓形,主要用于靜密封。o形密封圈安裝方便,價格便宜,可在-40120oc的溫度范圍內(nèi)工作,但與唇形密封圈相比,運動阻力較大,作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),故一般不單獨用于油缸運動密封(可與其它密封件組合使用)。 圖4-2
41、o型密封圈的結(jié)構(gòu)類型o形圈密封的原理如圖4-2(a)所示,o形圈裝入密封槽后,其截面受到壓縮后變形。在無液壓力時,靠o形圈的彈性對接觸面產(chǎn)生預(yù)接觸壓力,實現(xiàn)初始密封,當(dāng)密封腔充入壓力油后,在液壓力的作用下,o形圈擠向槽一側(cè),密封面上的接觸壓力上升,提高了密封效果。任何形狀的密封圈在安裝時,必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量,過小不能密封,過大則摩擦力增大,且易于損壞,因此,安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關(guān)手冊給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。在動密封中,當(dāng)壓力大于10mpa時,o形圈就會被擠入間隙中而損壞,為此需在o形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈,其厚度為1.252.5mm,雙向受高壓時,兩側(cè)都要加擋
42、圈, 其結(jié)構(gòu)如圖4-2(b)所示。2)v形密封圈v形圈的截面為v形,如圖4-3所示,v形密封裝置是由壓環(huán),v形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10mpa時,可增加v形圈的數(shù)量,提高密封效果。安裝時,v形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。圖4-3 v形密封圈 v形圈密封性能良好,耐高壓,壽命長,通過調(diào)節(jié)壓緊力,可獲得最佳的密封效果,但v形密封裝置的摩擦阻力及結(jié)構(gòu)尺寸較大,主要用于活塞桿的往復(fù)運動密封,它適宜在工作壓力為p50mpa,溫度-4080oc的條件下工作。3)y形密封圈y形密封圈的截面為y形,屬唇形密封圈。它是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好、摩擦阻力小、壽命較長的密封圈,故應(yīng)用也很普遍。y形圈主
43、要用于往復(fù)運動的密封,根據(jù)截面長寬比例的不同,y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式,圖4-4所示為寬斷面y形密封圈。 圖4-4 y形密封圈y形圈的密封作用依賴于它的唇邊對藕合面的緊密接觸,并在壓力油作用下產(chǎn)生較大的接觸壓力,達到密封目的;當(dāng)液壓力升高時,唇邊與耦合面貼得更緊,接觸壓力更高,密封性能更好。y形圈安裝時,唇口端面應(yīng)對著液壓力高的一側(cè),當(dāng)壓力變化較大,滑動速度較高時,要使用支承環(huán),以固定密封圈,如圖4-4(b)所示。寬斷面y形圈一般適用于工作壓力p20mpa的場合;窄斷面y形圈一般適用于工作壓力p32mpa下工作。本設(shè)計中,活塞與缸筒之間的密封采用孔用y形密封圈。它顯著地提高了密封性能
44、,降低了摩擦阻力,無爬行現(xiàn)象,具有耐磨損、安裝溝槽簡單、裝拆方便的特點。同時,允許活塞外圓與缸筒內(nèi)壁之間有較大的間隙?;钊c活塞桿之間為間隙密封,配合之間的密封為固定密封,采用o形橡膠密封圈密封,密封槽開在活塞桿上。4.2.4 活塞材料 根據(jù)設(shè)計需要選用碳素鋼45號,在外徑套聚四氟乙烯材料制成的支承環(huán)。4.2.5 活塞尺寸及加工公差綜合考慮活塞采用卡環(huán)型整體活塞,活塞寬度一般為缸筒內(nèi)徑d的0.61倍,但也要根據(jù)密封件的型式、數(shù)量而定。活塞外徑的配合一般采用f9,外徑對內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm ,端面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm,外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公
45、差之半?;钊麑挾?b(0.61)50 3050mm活塞的設(shè)計草圖如圖4-5所示: 圖4-5 活塞的結(jié)構(gòu)形式4.3活塞桿4.3.1 活塞桿結(jié)構(gòu)活塞桿為實心桿,外端螺紋為外螺紋,外端結(jié)構(gòu)形式如圖4-6所示:圖4-6 桿外端結(jié)構(gòu)形式4.3.2 活塞桿的材料和技術(shù)要求本設(shè)計中選擇45號碳素鋼,要求淬火,淬火深度一般為0.51mm?;钊麠U要在導(dǎo)向套中滑動,一般采用h8/h7或h8/f7配合。其圓度和圓柱度公差不大于直徑公差之半,安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于0.01mm,是為了保證活塞桿外圓與活塞外圓的同軸度,以避免活塞與缸筒、活塞桿與導(dǎo)向套的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差
46、不大于0.04mm/100mm,以保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜?;钊麠U的外圓粗糙度ra值一般為0.10.3m。為了提高耐磨性和防銹性,活塞桿表面需進行鍍鉻處理,鍍層厚0.030。05mm,并進行拋光或磨削加工?;钊麠U內(nèi)端的卡環(huán)槽也要保證與軸線的同心,卡環(huán)槽取動配合公差,螺紋則取較緊的配合。4.3.3 活塞桿的計算活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件,它承受拉力、壓力、彎曲力和振動沖擊等多種作用力,必須有足夠的強度和剛度。對于設(shè)計中的活塞桿,其活塞桿直徑,可根據(jù)往復(fù)運動速比來確定。m 式(4.6)如果活塞桿長度小于或等于10倍的缸徑,不能確定速比時,可按下式計算: 式(4.7)式中:材料的許用壓力,mpa;
47、= 340 n/mm2,n = 5, ; 液壓缸的推力,n;計算結(jié)果小于25mm選用桿直徑符合要求。下一步對其強度進行計算:活塞桿的強度計算活塞桿在穩(wěn)定工況下,如果只受軸向推力或拉力,可以近似地用直桿承受拉壓負載的簡單強度計算公式進行計算: mpa 式(4.8)式中: 材料的許用應(yīng)力,mpa; 無縫鋼管mpa;活塞桿一般都設(shè)有螺紋、退刀槽等結(jié)構(gòu),這些部位往往是活塞桿上的危險截面,也要進行計算。危險截面處的合成應(yīng)力應(yīng)滿足: mpa 式(4.9)式中: 活塞桿的拉力,n; 危險截面的直徑,m; 對于活塞桿上有卡環(huán)槽的斷面,除計算拉應(yīng)力外,還要計算校核卡環(huán)對槽壁的擠壓應(yīng)力,即: 式(4.10)式中:
48、 卡環(huán)槽出外圓直徑,m; 卡環(huán)槽處內(nèi)圓直徑,m; 卡環(huán)擠壓面倒角,m; 材料的許用擠壓應(yīng)力,mpa;由結(jié)果可得出強度足夠?;钊麠U的設(shè)計草圖4-7如下:圖4-7 活塞桿的結(jié)構(gòu)形式5 液壓站的設(shè)計5.1 液壓泵站液壓泵站由泵組、油箱組件、濾油器組件、控溫組件及蓄能器組件等組合而成。它是液壓系統(tǒng)的動力源,可按機械設(shè)備工況需要的壓力、流量和清潔度,提供工作介質(zhì)。5.2液壓泵站的類型選擇本設(shè)計采用上置式立式液壓泵站,上置式液壓動力源占地面積小,結(jié)構(gòu)緊湊,液壓泵置于油箱內(nèi)的立式安裝,噪聲低而且便于收集漏油。油箱容量可達1000l,在中、小功率液壓站中被廣泛采用。其液壓泵使用定量泵。5.3液壓油箱及其附件5
49、.3.1 油箱的用途與分類油箱在系統(tǒng)中的功能,主要是儲油和散熱,也起著分離油液中的氣體及沉淀污物的作用。根據(jù)系統(tǒng)的具體條件,合理選用油箱的容積、形式和附件,以使油箱充分發(fā)揮作用。油箱有開式和閉式兩種。(1)開式油箱開式油箱應(yīng)用廣泛。箱內(nèi)液面和大氣相通。為防止油液被大氣污染,在箱內(nèi)頂部設(shè)置空氣過濾器,并兼作注油口用。(2)閉式油箱閉式油箱一般指箱內(nèi)液面不直接與大氣連通,而將通氣孔與具有一定壓力的惰性氣體相接,充氣壓力可達0.05mpa。油箱的形狀一般采用矩形、而容量大于2m3的油箱采用圓筒形結(jié)構(gòu)比較合理,設(shè)備重量輕,油箱內(nèi)部壓力可達0.05mpa。本設(shè)計采用開式油箱,開式油箱中液面與大氣相通,為減少油液污染,其頂蓋上應(yīng)設(shè)置通氣過濾器,使大氣與油箱內(nèi)的空氣經(jīng)過過濾器相通。在潮濕地區(qū)應(yīng)用的油箱,在通氣過濾器上還應(yīng)裝有一定量的干燥劑。5.3.2 油箱的構(gòu)造與設(shè)計要點(1
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 駕校教練入職合同模板
- 紙箱行業(yè)銷售合同模板
- 錦江區(qū)醫(yī)院保安合同模板
- 草坪封閉維護合同模板
- 背包購買合同模板
- 醫(yī)院裝修裝飾合同模板
- 隔斷墻裝修合同模板
- 租鄰合同模板
- 電氣開關(guān)購銷合同模板
- 私人土地抵押合同模板
- 隧道施工控制要點及措施ppt課件
- 公共衛(wèi)生科工作規(guī)劃[新].doc
- (完整)斷路器調(diào)試報告
- 突發(fā)性耳聾病人的心理護理
- 弱電系統(tǒng)施工方案(完整版)
- 無菌手套的戴法PPT課件
- 坐標(biāo)系對應(yīng)EPSG代號、經(jīng)度范圍、中央經(jīng)線
- 農(nóng)耕文化詩詞諺語博物館
- 汽車客運站安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化考評實施細則
- 物業(yè)公司小區(qū)業(yè)主滿意度調(diào)查表(共5頁)
- 肩周炎的護理ppt課件
評論
0/150
提交評論