磨擦磨损试验台设计【10张图纸-3A0】【优秀】

磨擦磨损试验台设计71页 24000字数+说明书+任务书+10张CAD图纸A0-泵站总装图.dwgA0-试验台承载框架图.dwgA1-加载缸.dwgA1-增压缸.dwgA2-加载缸导向套.dwgA2-加载缸缸筒组件.dwgA2-增压缸导向套.dwgA2-大泵组.dwgA2-大泵罩.dwgA3-增压缸三半卡环.dwg任务书.doc扉页评阅书摘要目录.doc磨擦磨损试验台设计说明书.doc目录独创性声明 i摘要.iiAbstract .iii第一章绪论 11.1 课题研究的背景与意义.11.2 课题相关技术发展概况.21.2.1 如今试验台测试技术的发展概况21.2.2 机械密封理论的发展概况.21.2.3 创新设计理论概述21.2.4 现代机械功能优化设计理论概述41.2.5 三维建模及运动仿真技术51.3 本文研究的主要内容.6第二章试验台夹具系统总体规划和目标要求72.1 试验台夹具系统分类.72.1.1 被测阀体的测试要求72.1.2 夹具系统的分类72.2 试验台夹具系统总体规划.82.2.1 试验台夹具系统总体布置82.2.2 试验台夹具系统重要参数的计算.10第三章试验台夹具结构.133.1 两位两通试验台典型支路夹具结构.133.1.1 夹具工作行程的确定.133.1.2 夹具工作原理.133.1.3 夹具结构.143.1.4夹具相关计算及强度校核.163.1.5夹具研发中关键技术的分析.183.2 两位两通试验台水压强度试验夹具结构.223.2.1 水压强度试验夹具的特点.223.2.2 水压强度试验夹具工作原理233.2.3 水压强度试验夹具结构243.2.4 水压强度试验夹具研发中关键技术的分析263.2.5 创新设计在水压强度试验夹具结构研发中的运用283.3 两位多通试验台夹具结构.303.3.1两位多通试验台夹具结构特点.303.3.2 两位多通试验台夹具结构303.4 试验台夹具附件电动升降台结构.333.4.1 升降台行程确定333.4.2 升降台工作原理343.4.3 升降台结构353.4.4升降台相关计算.363.4.5 创新原理在升降台结构研发中的应用38第四章密封圈密封理论的研究394.1 O形密封圈的密封原理394.2 O形密封圈设计及相关计算394.2.2 O形密封圈产生摩擦力的计算.404.3 Y形密封圈设计使用中若干问题的研究.424.3.1 Y形密封圈的工作原理.424.3.2 Y形密封圈的失效原因及解决措施.434.4 影响密封圈密封的因素.444.4.1 温度对密封圈密封的影响.444.4.2 硬度对密封圈密封的影响.454.4.3 应力松弛对密封圈密封的影响.454.4.4 摩擦对密封圈的影响.45第五章试验台夹具三维建模和运动仿真475.1 试验台夹具的三维建模475.1.1 两位两通试验台夹具的三维建模.475.1.2两位两通试验台水压强度试验夹具的三维建模.495.1.3 两位多通试验台夹具三维建模.525.1.4电动升降台三维建模.535.2 试验台夹具的运动仿真.535.2.1 两位两通试验台夹具运动仿真过程.535.2.1 两位多通试验台夹具运动仿真过程.545.2.2 两位两通试验台水压强度试验夹具运动仿真过程.56第六章结论60参考文献61摘要长期以来，试验台的性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效率低、人为因素影响大、自动化水平低。随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地应用到工业中，用人工进行试验台性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，试验台性能的自动化检测必将成为该行业的主流。本论文研究的试验台试验系统正是为某试验台公司研制的自动化检测系统，它将改变该公司目前人工检测的状况，实现检测过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。能够实现自动化检测的前提和基础就是拥有一套准确可靠的自动化夹具。本文的研究内容就是设计一套能够夹紧各种阀体的夹具系统。它的基本要求是在测试之前，完成对被测阀体的夹紧工作，并且保证在测试过程中无泄漏。同时，夹具必须操作简单，维护方便。本课题是在认真分析各种被测阀体的测试需求，外形尺寸，工作参数的基础上完成机械设计的过程。为了保证密封良好，不仅多处应用了机械密封理论知识，而且结构上力求优化合理。在设计完成之后。应用Solidworks三维软件进行建模和运动仿真，直观的检验设计的效果。为了从理论上保证系统的可靠性，在本文的第四章，对机械密封圈的相关理论作了一定的研究，其中包括工作原理，设计方法及主要失效形式。作为测试系统的重要组成部分，夹具的好坏直接关系到整个测试系统的成败。所以说本文有较高的理论价值和实用价值。在设计上，本文突破传统夹具的设计方法，引入多处创新设计思想设计出一套更为实用合理的夹具系统。所以说，本系统将和整个测试系统一起，在试验台的测试领域里发挥重要的作用。关键词：试验台试验，夹具，密封理论，建模与仿真Research and Development of Fixture for Solenoid Valves Test SystemAbstractSolenoid valve needs to be tested by hand for a long time. So the testing efficiency is low and it is prone to be affected by artificialness. Now, automation technology has been applied to more and more factories. The Solenoid Valve test system will also realize auto-test by computer in the future. The Solenoid Valve test system researched in this paper is developed for a company. It will realize auto-test, improve the efficiency in testing solenoid valve performance and make the testing data more precise than before.In order to realize auto-test in the system, it needs a fixture system which is exact and credible. This paper discusses a kind of fixture which can clamp all kinds of solenoid valves. The basic request is to finish clamping the tested valves before the test, and to assure that theres no leakage during the test. At the same time, the fixture must be easy to manipulate and convenient to maintenance.

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关键词：: 磨擦摩擦磨损试验台设计图纸

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磨擦磨损试验台设计

71页 24000字数+说明书+任务书+10张CAD图纸

A0-泵站总装图.dwg

A0-试验台承载框架图.dwg

A1-加载缸.dwg

A1-增压缸.dwg

A2-加载缸导向套.dwg

A2-加载缸缸筒组件.dwg

A2-增压缸导向套.dwg

A2-大泵组.dwg

A2-大泵罩.dwg

A3-增压缸三半卡环.dwg

任务书.doc

扉页评阅书摘要目录.doc

磨擦磨损试验台设计说明书.doc

独创性声明 ……………………………………………………………………i

摘要…………………………………………………………………….……ii

Abstract ……………………………………………………………………..…iii

第一章绪论 …………………………………………………………………1

　　　1.1 课题研究的背景与意义…………………………………………………………...1

　　　1.2 课题相关技术发展概况…………………………………………………………...2

　　1.2.1 如今试验台测试技术的发展概况…………………………………………2

　　1.2.2 机械密封理论的发展概况………………………..………………………..2

　　1.2.3 创新设计理论概述…………………………………………………………2

　　1.2.4 现代机械功能优化设计理论概述…………………………………………4

　　1.2.5 三维建模及运动仿真技术…………………………………………………5

　　　1.3 本文研究的主要内容……………………………………………………………...6

第二章试验台夹具系统总体规划和目标要求………………………………7

　　　2.1 试验台夹具系统分类……………………………………………………………...7

　　2.1.1 被测阀体的测试要求………………………………………………………7

　　2.1.2 夹具系统的分类……………………………………………………………7

　　　2.2 试验台夹具系统总体规划………………………………………………………...8

　　2.2.1 试验台夹具系统总体布置…………………………………………………8

　　2.2.2 试验台夹具系统重要参数的计算………………………………………..10

第三章试验台夹具结构……..………………………………………………13

　　　3.1 两位两通试验台典型支路夹具结构…………………………………………….13

　　3.1.1 夹具工作行程的确定……………………………………………………..13

　　3.1.2 夹具工作原理……………………………………………………………..13

　　3.1.3 夹具结构…………………………………………………………………..14

　　3.1.4夹具相关计算及强度校核………………………………………………...16

　　3.1.5夹具研发中关键技术的分析……………………………………………...18

　　　3.2 两位两通试验台水压强度试验夹具结构……………………………………….22

　　3.2.1 水压强度试验夹具的特点……………..…………………………………22

　　3.2.2 水压强度试验夹具工作原理……………………………………………23

　　3.2.3 水压强度试验夹具结构…………………………………………………24

　　3.2.4 水压强度试验夹具研发中关键技术的分析……………………………26

　　3.2.5 创新设计在水压强度试验夹具结构研发中的运用……………………28

　　　3.3 两位多通试验台夹具结构……………………………………………………...30

　　3.3.1两位多通试验台夹具结构特点………………………………………….30

　　3.3.2 两位多通试验台夹具结构………………………………………………30

　　　3.4 试验台夹具附件——电动升降台结构………………………………………...33

　　3.4.1 升降台行程确定…………………………………………………………33

　　3.4.2 升降台工作原理…………………………………………………………34

　　3.4.3 升降台结构………………………………………………………………35

　　3.4.4升降台相关计算………………………………………………………….36

　　3.4.5 创新原理在升降台结构研发中的应用…………………………………38

第四章密封圈密封理论的研究……………………………………………39

　　　4.1 O形密封圈的密封原理…………………………………………………………39

　　　4.2 O形密封圈设计及相关计算……………………………………………………39

　　4.2.2 O形密封圈产生摩擦力的计算………………………………………….40

　　　4.3 Y形密封圈设计使用中若干问题的研究……………….………………………42

　　4.3.1 Y形密封圈的工作原理…………………………….…………………….42

　　4.3.2 Y形密封圈的失效原因及解决措施……………….…………………….43

　　　4.4 影响密封圈密封的因素………………………………….….…………………..44

　　4.4.1 温度对密封圈密封的影响………………………….……………………44

　　4.4.2 硬度对密封圈密封的影响……………………….………………………45

　　4.4.3 应力松弛对密封圈密封的影响………………….………………………45

　　4.4.4 摩擦对密封圈的影响………………………….…………………………45

第五章试验台夹具三维建模和运动仿真…………………………………47

　　　5.1 试验台夹具的三维建模…………………………………………………………47

　　5.1.1 两位两通试验台夹具的三维建模……………………………………….47

　　5.1.2两位两通试验台水压强度试验夹具的三维建模………………………..49

　　5.1.3 两位多通试验台夹具三维建模……………….…………………………52

　　5.1.4电动升降台三维建模………………….………………………………….53

　　　5.2 试验台夹具的运动仿真………………………….……………………………...53

　　5.2.1 两位两通试验台夹具运动仿真过程……….……………………………53

　　5.2.1 两位多通试验台夹具运动仿真过程……….……………………………54

　　5.2.2 两位两通试验台水压强度试验夹具运动仿真过程….…………………56

第六章结论…………………………………………………………………60

参考文献………………………………………………………………………61

摘要

　　　长期以来，试验台的性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效率低、人为因素影响大、自动化水平低。随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地应用到工业中，用人工进行试验台性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，试验台性能的自动化检测必将成为该行业的主流。本论文研究的试验台试验系统正是为某试验台公司研制的自动化检测系统，它将改变该公司目前人工检测的状况，实现检测过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。

　　　能够实现自动化检测的前提和基础就是拥有一套准确可靠的自动化夹具。本文的研究内容就是设计一套能够夹紧各种阀体的夹具系统。它的基本要求是在测试之前，完成对被测阀体的夹紧工作，并且保证在测试过程中无泄漏。同时，夹具必须操作简单，维护方便。

　　　本课题是在认真分析各种被测阀体的测试需求，外形尺寸，工作参数的基础上完成机械设计的过程。为了保证密封良好，不仅多处应用了机械密封理论知识，而且结构上力求优化合理。在设计完成之后。应用Solidworks三维软件进行建模和运动仿真，直观的检验设计的效果。为了从理论上保证系统的可靠性，在本文的第四章，对机械密封圈的相关理论作了一定的研究，其中包括工作原理，设计方法及主要失效形式。

　　　作为测试系统的重要组成部分，夹具的好坏直接关系到整个测试系统的成败。所以说本文有较高的理论价值和实用价值。在设计上，本文突破传统夹具的设计方法，引入多处创新设计思想设计出一套更为实用合理的夹具系统。所以说，本系统将和整个测试系统一起，在试验台的测试领域里发挥重要的作用。

　　　关键词：试验台试验，夹具，密封理论，建模与仿真

Research and Development of Fixture for Solenoid Valves Test System

Abstract

　　Solenoid valve needs to be tested by hand for a long time. So the testing efficiency is low and it is prone to be affected by artificialness. Now, automation technology has been applied to more and more factories. The Solenoid Valve test system will also realize auto-test by computer in the future. The Solenoid Valve test system researched in this paper is developed for a company. It will realize auto-test, improve the efficiency in testing solenoid valve performance and make the testing data more precise than before.

　　In order to realize auto-test in the system, it needs a fixture system which is exact and credible. This paper discusses a kind of fixture which can clamp all kinds of solenoid valves. The basic request is to finish clamping the tested valves before the test, and to assure that there’s no leakage during the test. At the same time, the fixture must be easy to manipulate and convenient to maintenance.

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内容简介：: 中国矿业大学毕业设计任务书学院应用技术学院专业年级机自039班学生姓名崔蕾蕾任务下达日期: 2007年1月11日毕业设计日期: 2007年3月25 日至2007 年6月20日毕业设计题目：磨擦磨损试验台得设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：熟悉18042欧洲标准中磨擦磨损、千斤顶技术条件部分的内容和我国磨擦磨损试验相关标准，总结磨擦磨损的检验项目和检验方法，据其设计一台磨擦磨损性能试验台的结构，要求该试验台能够完成工作阻力不低于8000kN的磨擦磨损的检验。重点设计试验台外加载系统与承载框架，关键部分详细计算。绘制外加载系统、承载框架总装图，选取代表性的部件和零件绘图，总图量折合后不少于3张0图纸。承载框架部分，用SolidWorks 2007进行三维建模，用有限元分析工具进行应力分析。按照中国矿业大学本科生毕业设计撰写规范整理计算说明书，总字数不少于35000字。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学本科生毕业设计姓名：崔蕾蕾学号： 14030401 学院：应用技术学院专业：机械工程及自动化设计题目：磨擦磨损试验台得设计专题：指导教师：舒凤翔职称：讲师 2007 年 6 月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院应用技术学院专业年级机自039班学生姓名崔蕾蕾任务下达日期: 2007年1月11日毕业设计日期: 2007年3月25 日至2007 年6月20日毕业设计题目：磨擦磨损试验台得设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：熟悉18042欧洲标准中磨擦磨损、千斤顶技术条件部分的内容和我国磨擦磨损试验相关标准，总结磨擦磨损的检验项目和检验方法，据其设计一台磨擦磨损性能试验台的结构，要求该试验台能够完成工作阻力不低于8000kN的磨擦磨损的检验。重点设计试验台外加载系统与承载框架，关键部分详细计算。绘制外加载系统、承载框架总装图，选取代表性的部件和零件绘图，总图量折合后不少于3张0图纸。承载框架部分，用SolidWorks 2007进行三维建模，用有限元分析工具进行应力分析。按照中国矿业大学本科生毕业设计撰写规范整理计算说明书，总字数不少于35000字。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要液压支架是现代煤矿综采工作面中的配套支护设备,磨擦磨损是其主要结构件。磨擦磨损工作的可靠性直接关系到矿井生产的正常化和工人的生命安全。随着我国煤炭工业的不断发展，国家对安全生产治理力度的加大，对矿用机电设备的检测技术提出了更高的要求。磨擦磨损性能检测试验台是进行磨擦磨损质量检测的必要设备,是磨擦磨损质量监控的保障。本文设计的磨擦磨损试验台能够兼容欧洲标准和国家标准，能够检测单根工作阻力达8500kN的磨擦磨损的性能。本文介绍了磨擦磨损性能检测的方法、试验台的组成、原理，设计了加载系统和承载框架。本设计的主要内容：1. 详细设计了外加载系统、加载液压缸、增压缸、油箱、联结罩、联轴器、承载框架。2. 选取外加载泵站、大泵组、增压缸、加载液压缸、联轴器、加载缸导向套等零部件进行了绘图。3. 承载框架部分，用SolidWorks 2007进行建模，并借助于SolidWorks 2007的一款有限元分析工具COSMOS进行了应力分析。关键词：液压支架磨擦磨损；液压加载系统；试验台；ABSTRACTIn the modern mining the hydraulic support is the necessary ancillary equipment, the legs is one of its main elements. The reliability of the legs directly relates the mine pit production normalized and workers safe.Along with China coal industry unceasing development, the government to safety dynamics enlarging in production set a higher request to the mineral electromechanical device examination technology.The legs performance test-bed is the legs quality examination of the fittings is the quality monitoring safeguard of the legs.The legs test-bed of this article designed can compatible European standard and the national standard.，can examine the legs performance of the working resistance reach 8500kN。This article introduced the method of legs performance examination, the test platform composition, designed the loading system and the load bearing frame.The main content of this article:1. This article designed the loading system,the hydraulic cylinder，the turbo-charged cylinder, the pumping station fuel tank, joins the cover, the shaft coupling, the load bearing frame in detail.2. Selected the pumping station of loading, the big pump group, the hydraulic cylinder, the turbo-charged cylinder, the shaft coupling, the cylinder guidance and so on has carried on the cartography.3. The design of load bearing frame, with the SolidWorks 2007 carries on the design, and drew support to SolidWorks 2007 section finite element analysis tool COSMOS carried on the stress analysis.Keywords: The Legs of hydraulic support; Hydraulic Loading System; Test-bed;目录1 磨擦磨损试验台总体结构方案设计11.1 课题研究背景和意义11.2 磨擦磨损试验台检测项目和实验方法11.3 拟定试验台总体结构方案32 外加载液压系统设计52.1 液压技术简介52.1.1 液压系统概述52.1.2 液压传动的优点62.1.3 液压技术的缺点72.2 液压加载系统工况分析及设计要求72.3 液压加载系统方案设计82.3.1 选择液压动力源82.3.2 选择执行元件82.3.3 确定控制方式82.3.4 液压回路设计92.3.5 选定液压油类型112.3.6 系统压力、流量的调定和测量122.4 拟定外加载系统原理图122.5 加载液压缸主要参数计算142.5.1 初选液压缸工作压力142.5.2 确定液压缸的主要结构尺寸142.5.3 验算最小稳定速度152.5.4 活塞杆稳定性验算162.6 计算系统压力172.6.1 计算加载缸各工况压力182.6.2 确定系统供油压力182.7 计算系统各工况的流量182.8 液压泵的参数计算与型号选择192.8.1 计算液压泵的最大工作压力192.8.2 确定液压泵的输出流量202.8.3 选择液压泵212.9 与液压泵匹配的原动机的选择242.9.1 计算液压泵各工况的输出功率242.9.2 选择电动机型号252.10 液压元件的选择262.10.1 液压阀类元件的选择262.10.2 过滤器的选择272.10.3 蓄能器的选择282.10.4 液压油管的选择302.10.5 液压油箱容积的计算342.11 外加载液压系统的验算342.11.1 系统的压力损失验算352.11.2 系统的发热温升验算372.12 油箱的设计382.12.1 油箱设计要点392.12.2 确定油箱的外形尺寸402.12.3 油箱的结构设计422.13 泵站结构布置设计422.13.1 液压泵站结构设计的注意事项422.13.2 选择液压泵站安装方式432.13.3 电动机与液压泵的联接方式432.13.4 液压泵站布置方案443 外加载液压缸设计453.1 液压缸的类型及其特点453.2 液压缸主要结构尺寸和性能参数463.3 液压缸缸筒和缸盖的计算463.3.1 缸筒和缸盖的结构形式463.3.2 确定缸筒的壁厚483.3.3 确定液压缸的外径483.3.4 缸筒壁厚的验算483.3.5 缸盖厚度的计算503.4 缸体长度的确定513.5 活塞的最小导向长度H的确定523.6 导向套尺寸配置523.6.1 导向套受力分析523.6.2 导向套尺寸与加工要求543.7 液压缸油口直径的计算553.8 活塞杆组件的尺寸计算563.8.1 活塞杆组件的组成与材料563.8.2 活塞尺寸计算及连接方式选择563.9 加载缸密封圈的选择593.9.1 密封装置类型选择593.9.2 密封圈材料的选择643.10 液压缸设计注意的问题644 增压液压缸设计664.1 增压液压缸工作原理664.1.1 增压回路664.1.2 增压液压缸结构674.2 增压缸主要结构尺寸计算和性能参数确定684.2.1 已知增压缸参数684.2.2 确定增压缸的主要结构尺寸684.2.3 确定液压缸的増压行程694.3 增压缸大缸筒的计算704.3.1 大缸筒和两缸盖的结构形式704.3.2 确定大缸筒的壁厚704.3.3 确定增压缸大缸筒的外径714.3.4 大缸筒壁厚的验算714.4 增压缸小缸筒的计算734.4.1 小缸筒和两缸盖的结构形式734.4.2 确定小缸筒的壁厚744.4.3 确定小钢筒的外径754.4.4 小缸筒壁厚的验算754.5 缸体长度的确定764.6 活塞的最小导向长度H的确定775 试验台承载框架结构设计785.1机架设计的准则和要求785.1.1 机架设计的准则785.1.2 机架设计的一般要求785.1.3 机架设计的传统步骤795.2 承载框架的结构选型与三维建模795.2.1 选择机架形式与钢板材料795.2.2 三维设计应用的趋势805.2.3 选择三维设计软件的关键考虑因素815.2.4 SolidWorks的功能815.3 承载框架的有限元分析826 结论89参考文献90附录92附录内加载系统原理图与选型92附录框架单侧承载梁应力分布图94附录框架单侧承载梁位移分布图95附录 SolidWorks最新版本SolidWorks 2007概述96附录 COSMOS 2007简介99致谢102东北大学硕士学位论文摘要磨擦磨损试验台得设计摘要长期以来，试验台的性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效率低、人为因素影响大、自动化水平低。随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地应用到工业中，用人工进行试验台性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，试验台性能的自动化检测必将成为该行业的主流。本论文研究的试验台试验系统正是为某试验台公司研制的自动化检测系统，它将改变该公司目前人工检测的状况，实现检测过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。能够实现自动化检测的前提和基础就是拥有一套准确可靠的自动化夹具。本文的研究内容就是设计一套能够夹紧各种阀体的夹具系统。它的基本要求是在测试之前，完成对被测阀体的夹紧工作，并且保证在测试过程中无泄漏。同时，夹具必须操作简单，维护方便。本课题是在认真分析各种被测阀体的测试需求，外形尺寸，工作参数的基础上完成机械设计的过程。为了保证密封良好，不仅多处应用了机械密封理论知识，而且结构上力求优化合理。在设计完成之后。应用Solidworks三维软件进行建模和运动仿真，直观的检验设计的效果。为了从理论上保证系统的可靠性，在本文的第四章，对机械密封圈的相关理论作了一定的研究，其中包括工作原理，设计方法及主要失效形式。作为测试系统的重要组成部分，夹具的好坏直接关系到整个测试系统的成败。所以说本文有较高的理论价值和实用价值。在设计上，本文突破传统夹具的设计方法，引入多处创新设计思想设计出一套更为实用合理的夹具系统。所以说，本系统将和整个测试系统一起，在试验台的测试领域里发挥重要的作用。关键词：试验台试验，夹具，密封理论，建模与仿真 64 东北大学硕士学位论文摘要 Research and Development of Fixture for Solenoid Valves Test SystemAbstractSolenoid valve needs to be tested by hand for a long time. So the testing efficiency is low and it is prone to be affected by artificialness. Now, automation technology has been applied to more and more factories. The Solenoid Valve test system will also realize auto-test by computer in the future. The Solenoid Valve test system researched in this paper is developed for a company. It will realize auto-test, improve the efficiency in testing solenoid valve performance and make the testing data more precise than before.In order to realize auto-test in the system, it needs a fixture system which is exact and credible. This paper discusses a kind of fixture which can clamp all kinds of solenoid valves. The basic request is to finish clamping the tested valves before the test, and to assure that theres no leakage during the test. At the same time, the fixture must be easy to manipulate and convenient to maintenance. The fixture designing is finished after researching the requirement of the valves test figure size and work parameter. In order to keep good airproof, the fixture not only used mechanism airproof theory, but did some optimizing design on structure. After the design, SolidWorks is used to model and do some kinematics analysis. It can check up the effect of the design more intuitively. In order to keep the system more reliably, in chapter 4, mechanism airproof theory is researched. It contains work principle, design method and main invalidation form. As an important part of valves test system, whether the fixture is good or not is correlate to the whole test systems capability. So the paper is valuable on theory and practicality. This paper breaks through traditional design method, and designs a more practical fixture system by introducing innovation design method. So this fixture system and valves test system will both exert important action in valves test field. Key words: test of solenoid valve, fixture, airproof theory, modeling and simulation东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明 i摘要.iiAbstract .iii第一章绪论 11.1 课题研究的背景与意义.11.2 课题相关技术发展概况.21.2.1 如今试验台测试技术的发展概况21.2.2 机械密封理论的发展概况.21.2.3 创新设计理论概述21.2.4 现代机械功能优化设计理论概述41.2.5 三维建模及运动仿真技术51.3 本文研究的主要内容.6第二章试验台夹具系统总体规划和目标要求72.1 试验台夹具系统分类.72.1.1 被测阀体的测试要求72.1.2 夹具系统的分类72.2 试验台夹具系统总体规划.82.2.1 试验台夹具系统总体布置82.2.2 试验台夹具系统重要参数的计算.10第三章试验台夹具结构.133.1 两位两通试验台典型支路夹具结构.133.1.1 夹具工作行程的确定.133.1.2 夹具工作原理.133.1.3 夹具结构.143.1.4夹具相关计算及强度校核.163.1.5夹具研发中关键技术的分析.183.2 两位两通试验台水压强度试验夹具结构.223.2.1 水压强度试验夹具的特点.223.2.2 水压强度试验夹具工作原理233.2.3 水压强度试验夹具结构243.2.4 水压强度试验夹具研发中关键技术的分析263.2.5 创新设计在水压强度试验夹具结构研发中的运用283.3 两位多通试验台夹具结构.303.3.1两位多通试验台夹具结构特点.303.3.2 两位多通试验台夹具结构303.4 试验台夹具附件电动升降台结构.333.4.1 升降台行程确定333.4.2 升降台工作原理343.4.3 升降台结构353.4.4升降台相关计算.363.4.5 创新原理在升降台结构研发中的应用38第四章密封圈密封理论的研究394.1 O形密封圈的密封原理394.2 O形密封圈设计及相关计算394.2.2 O形密封圈产生摩擦力的计算.404.3 Y形密封圈设计使用中若干问题的研究.424.3.1 Y形密封圈的工作原理.424.3.2 Y形密封圈的失效原因及解决措施.434.4 影响密封圈密封的因素.444.4.1 温度对密封圈密封的影响.444.4.2 硬度对密封圈密封的影响.454.4.3 应力松弛对密封圈密封的影响.454.4.4 摩擦对密封圈的影响.45第五章试验台夹具三维建模和运动仿真475.1 试验台夹具的三维建模475.1.1 两位两通试验台夹具的三维建模.475.1.2两位两通试验台水压强度试验夹具的三维建模.495.1.3 两位多通试验台夹具三维建模.525.1.4电动升降台三维建模.535.2 试验台夹具的运动仿真.535.2.1 两位两通试验台夹具运动仿真过程.535.2.1 两位多通试验台夹具运动仿真过程.545.2.2 两位两通试验台水压强度试验夹具运动仿真过程.56第六章结论60参考文献61 东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究的背景与意义本课题来自鞍山试验台股份有限责任公司和东北大学机械电子工程研究所合作对厂方原有的试验台测试系统改造。其总体目标是根据“鞍山试验台有限责任公司试验台架改造技术要求”，提出一套性能高、实用性强、节能环保、扩展性好的试验台测试系统方案。该系统可以在水、油、气介质和真空条件下对试验台进行测试试验，可以测试试验台的空载动作、最小压差动作、密封性试验、水压强度试验、响应时间试验、泄漏量测试、Kv值和流阻系数测定及寿命实验。本文作者所承担的是试验台测试系统中自动化夹具的设计任务。本课题是整个试验台测试系统的重要组成部分，是准确地进行试验台的空载动作、最小压差动作、密封性试验、水压强度试验、响应时间试验、泄漏量测试、Kv值和流阻系数测定及寿命实验的基础和前提。通过对厂方现有夹具系统的调查可以看出，厂方现有的夹具系统存在诸多问题。首先，夹具的密封性不好。在使用过程中，经常出现漏水漏油的现象。这些不仅给操作者带来不便，更为重要的是，使测试结果不准确。第二，夹具损坏现象严重。第三，夹具的自动化程度很低，使用极不方便。如今厂方使用的夹具，大都是七十年代设计制造的手动夹具。这不仅加大了工人的劳动强度，还限制了阀的测试的速度。显然和现代科学技术特别是自动控制技术的迅猛发展是不相适应的。本课题是一个机电液结合的产品，包含许多学科的交叉，因此有较强的理论研究意义。另外，设计中包含多处创新原理的应用，无论是作为结构创新，还是产品创新，都有进行理论研究的价值。作为实际项目的一部分，设计制造完成之后，要应用于实际的生产过程中，其应用价值是显而易见的。试验台是液压系统中的重要零部件，它的优劣直接影响到整个液压系统的质量。而试验台的出厂测试，是其生产过程中最后也是最重要的环节。自动化夹具是一切测试能否进行的前提和基础，如果被测阀夹不紧，放不稳，一切测试都无从谈起。夹具的好坏，直接影响到测试系统的好坏，以致影响到试验台的质量。所以说，设计一套方便可靠的自动控制夹具有很高的理论价值和实用价值。1.2 课题相关技术发展概况1.2.1 如今试验台测试技术的发展概况本系统在设计之前，认真调查了国内很多试验台厂家现有的测试技术。如今国内试验台厂家应用的试验台测试系统1存在以下几个问题：第一，现有测试系统只能测试小口径的阀体，对于大口径的阀体很难测试。第二，现有测试系统很难同时进行空载动作、最小压差动作、密封性试验、水压强度试验、响应时间试验、泄漏量测试、Kv值和流阻系数测定及寿命试验等多项试验。第三，现有测试系统只能测试液压阀体，对于其它介质的阀体很难测试。根据上面的分析可以看出，本系统将为国内最先进，测试阀体范围最大，测试项目最全的试验台测试系统。相应的测试需要的夹具系统适应范围大，操作方便，可靠性强，也为较先进的一套夹具系统。1.2.2 机械密封理论的发展概况机械密封2是常用的旋转轴密封，在流体机械中应用非常广泛。与其他密封相比，它具有泄漏少，摩擦磨损少，使用寿命长，可靠性好，无需日常维护的特点。此外，许多高压，高温，易燃，易爆介质等工况下取得了较好的使用效果。机械密封技术正向更深层次方向发展高参数，高性能和高水平。非接触式密封发展方向是减少泄漏，提高稳定性和可靠性，延长寿命和扩大使用范围。密封圈密封是机械密封的一种形式。广泛应用于流体机械的密封。比如在液压缸体的密封中可以分为静密封和动密封两种密封形式，静密封中常使用O型密封圈，动密封常使用Y型密封圈。在本课题的设计中，存在多处密封圈的使用，因此有必要对密封圈的相关理论作深入地研究。在论文的第四章专门作理论分析，这里就不详细介绍了。1.2.3 创新设计理论概述创新设计3是一种现代设计方法，它是研究设计程序，设计规律和设计中思维与方法的一门新型综合性科学。在工程设计过程中，只有充分发挥创造性思维，采用创新设计方法，才能设计出富有新颖性和先进性的产品，最大限度的适应和满足人们在生产和生活中的需要，促进经济的发展和社会的进步。创新设计通常可以分为以下几种类型。首先为原理拓展类。这类创新设计的特点在于应用新技术原理解决老问题以及对旧技术原理进行更新。由于新技术原理源于科学研究和技术发明，因此应用新技术原理进行新产品开发，可以获得突破性的创新成果。第二为组合创新类。如果将已有的零部件，通过合理组合形成一种新产品，这种产品便能实现一种新的整体功能，故这种组合也是一种创新设计。因此，组合创新要求组合后的产品在性能上具有1+12的效果。第三，转用创新类。如果将某一技术领域的成熟技术和结构转用在其他技术领域，产生出一种新的产品，也是一种创新设计。第四，克服偏见类。所谓偏见，是指某一技术领域中长期以来存在着的一种固有认识，而这种认识一致阻碍着人们对该技术领域深入地探讨和研发。如果克服了这种偏见，就可以构思出非常规的设计，则这种设计属于创新设计范畴。创新设计的基本方法有：(1) 综合法。组合相同性质的物体，将相近性质的作业在同一时间内组合；使物体具有复合功能。如电子计算机是大规模集成电路技术，计算科学，精密仪器的综合；激光技术是光学，机械，电学的综合等。(2) 还原法。围绕产品功能进行创新。如在应用系统化设计法进行原理方案设计，先从功能分析入手，利用创造性构思等多种方法求解多种方案，然后进行技术经济评价，通过选择和优化，求得最佳方案。(3) 类比法。借鉴成熟的原理与技术加以比较，找到相似点。(4) 移植法。多种技术的移植嫁接，形成新技术，新材料，新产品，新工艺。如系统间的相互交换(机械系统，光学系统，听觉系统，嗅觉系统，场强等)，机构间的相互利用(气压机构，水压机构，油压机构，机械机构等)。(5) 离散法。将原有产品技术进行分离，形成新构思。如隐形眼镜是镜片与镜架分离的结果；音箱是扬声器与收录机分离的结果。(6) 强化法。如采用金属粉末热喷涂强化工艺，提高机械零件表面强度硬度和耐磨性；采用复合材料增加结构刚度，稳定性和减震性。(7) 换元法。如采用材料替代，零件替代，方法替代，包装替代，品牌替代等。(8) 迂回法。面临困难时扩大搜索范围，从其他领域寻找启发，激发创意，解决问题。(9) 逆反法。突破传统的思维定势，进行逆向思维，引出新的创意。(10) 仿形法。从产品造型上模仿。如鸟的翅膀与飞机的机翼，海洋生物的流线型躯体与潜艇造型等。(11) 群体法。依靠群体智慧，相互启发，集思广益。1.2.4 现代机械功能优化设计理论概述产品的方案和结构形式是由设计者根据产品的功能来确定的，也就是通过产品的功能分析或功能优化设计4来完成的，所以功能分析和功能优化设计是产品设计工作的最重要环节之一。用户对产品功能的需求是多种多样的，对所需产品的要求也是千变万化的，因此，对用户功能信息要采用先进的聚类与合成技术，进行收集和整理、筛选和归纳。对某种产品功能的要求必须根据实际情况来确定，不能有过高的不切实际的要求，但也不能过分降低要求，必须恰如其分。对功能要求过高，就会使产品构造复杂化，增加设备加工工时和提高产品制造成本等；过分降低要求，产品工作时会达不到工作技术指标和性能的要求，进而会影响物质处理和加工的质量。有了合理的功能，工程师们可以根据总的功能要求，把它分解为各个子功能，对于含有多个子功能的机械系统，要对执行各个子功能的方案加以搜索和研究、分析与综合，形成产品的总的初步设计方案。下面简要介绍一下产品功能分析：机械设备的功能可分为以下几类：基本功能和辅助功能目的功能和手段功能目的功能：任何一种功能，不管是基本功能还是辅助功能，都具有一定的目的，所以都可视为目的功能。手段功能：某些功能常常是实现另一目的的手段，相对而言，它又是一种手段功能。使用功能和表现功能使用功能是指产品所要实现的使用价值。表现功能是在使用功能的基础上，对产品工艺造型方面进行更合理和有效的设计，使其外形更加美观，富有表现能力和具有形象力，更能吸引用户和观众。必要功能和不必要功能必要功能是指用户所需要的功能，包括基本功能和辅助功能。不必要功能是指那些不必要的和多余的功能。例如，过大的安全系数、超过实际要求的精度和光洁度、超出实际功能需要的材质、过长的和不合理要求的寿命、过分装饰的外观等，因为这会增加制造的复杂性，延长制造周期等，进而会提高制造成本等。无论对于基本功能，还是辅助功能，对它们都有一些基本要求，即在完成功能时，对它们的工作性能都有基本要求。具体包括：功效实用性，工作耐久性，操作宜人性，设备维修性，人机安全性，系统可靠性，结构紧凑性，运行稳定性，指标优越性，状态测控性，结构工艺性等。实际上，任何产品的设计过程都应在实现基本功能和辅助功能的同时，考虑到对于工作性能的基本要求，这样才能使设计更加合理和完善。1.2.5 三维建模及运动仿真技术目前用于三维建模及运动仿真5的技术有很多。在机械设计过程中，运用三维软件进行建模可以更加直观地看到设计实体，并进行干涉检查和运动仿真。提高设计的准确性。Solidworks 是目前应用非常广泛的三维设计软件。美国Solidworks公司是一家从事三维机械设计软件的高科技公司，公司的宗旨是使每一位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最新CAD/CAM/CAE/PDM系统，公司的主导产品是世界先进水平的Solidworks软件。Solidworks软件本身非常强大，再加上有很多公司开发的插件对他的支持，使其功能在很多方面得到了扩展。这里介绍几个本课题涉及的几种功能。(1) Top Down(自顶向下)的设计自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全相关设计环境。(2) Down Top(自下而上)的设计自下而上的设计是指用户先设计好各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力，在装配关系制定好后，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状，零部件之间完全自动相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。(3) 零部件镜像Solidworks提供了零部件镜像的功能，不仅镜像零部件的外形，而且包括产品结构和配合条件，还可以根据实际的需要区分是简单的拷贝还是自动生成零部件的对称件。这一功能将大大节约设计时间，提高设计效率。而其他的设计软件是不具有这种功能的。(4) 装配特征Solidworks提供完善的产品级的装配特征功能，以便创建和记录特定的装配体设计过程。实际设计中，根据设计意图有许多特征是在装配环境下在装配操作发生后才能生成的，设计零件时无需考虑。Solidworks支持大装配的装配模式，拥有干涉检查，产品的简单运动仿真，编辑装配体透明的功能。(5) 工程图Solidworks提供全相关的产品级二维工程图，现实世界中的产品可能有成千上万个零件组成，其生成图的生成至关重要，其速度和效率是各3D软件均要面临的问题。Solidworks采用了生成快速工程图的手段，使得超大型装配体的工程图的生成和标注变得十分快捷。Solidworks可以允许二维工程图暂时与三维工程图脱离关系，所有标注可以在没有三维模型的状态下添加，同时用户又可随时将二维工程图和三维模型同步。从而大大加速工程图生成过程。1.3 本文研究的主要内容根据厂方提出的测试要求，试验台测试夹具系统主要包括以下四个方面的内容。第一，水，气，油介质测试试验台夹具设计。根据不同阀体的外形尺寸和压力要求，水介质试验台分为六条支路（300，150，100，50，25，10），油介质试验台分为两条支路(100，50)，气介质试验台分为两条支路(100，50)。每条支路中涵盖一些型号的阀体。第二，水介质水压强度试验台夹具设计。由于水介质的水压强度试验需要拆下被测阀体的一部分进行测试，同时需要对被测阀体上下，左右四个方向夹紧，所以需要单独设计试验夹具。第三，电动升降台的设计。由于各种被测阀体的尺寸差异，需要将被测阀体抬高到一个确定的高度。第四，两位多通阀体试验台夹具的设计。两位多通阀体由于外形结构和两位两通阀体差异很大，所以需要单独设计夹具系统。此外，为了使夹具系统真正实现零泄漏，需要对液压密封理论作一些研究，其中主要包括O型密封圈和Y型密封圈相关理论的研究。东北大硕士学位论文第二章电磁阀夹具系统总体设计和目标要求第二章试验台夹具系统总体规划和目标要求2.1 试验台夹具系统分类2.1.1 被测阀体的测试要求根据我们与厂方的技术协议规定，我们需要设计出能够完成以水、气、油和真空为介质的工业过程控制用试验台性能测试系统。该系统将完成通径为5mm-300mm被检测试验台（以下简称为“被测阀”）的动作试验、耐压试验、密封试验、泄漏量试验、Kv值测定试验和寿命试验。同时还要求能够实现夹具的自动化夹持，数据的自动采集与处理和工艺流程的自动化控制6。2.1.2 夹具系统的分类根据被测阀体的测试需求，原则上可以将夹具系统作如下的分类：按介质分：水介质，油介质，气介质，真空介质。按阀体口径大小分：，。按阀体的功能分：两位两通阀，两位三通阀，两位四通阀，两位五通阀。按测试项目分：动作试验、耐压试验、密封试验、泄漏量试验、Kv值测定试验和寿命试验。按被测阀体的外形分(考虑到夹具设计)：法兰式，对夹式，管道式。按介质温度分：常温，低温，中温。按工作压力划分：2Mpa以下，24Mpa，46Mpa。从上面的分类可以看出，整个夹具系统要综合考虑上述的各种因素的影响，设计出一套适用，方便，维护性好的系统。本套测试系统的分类首先考虑到完成各种测试需要的测试方法，在各种测试方法确定之后，作者认为，夹具系统的最初分类应该按照阀体通过介质进行分类，这样能够保证测试的完整性。其次，考虑到阀体尺寸差异很大，将每种介质的阀体按阀口尺寸大小分成若干支路。第三，考虑到水压强度试验的特殊性，将水压强度试验单独设计一条支路。最终确定的夹具系统采用如下的分类方式：两位两通阀体：水介质：，。气介质：，。油介质：，。真空介质：。两位两通阀体水压强度试验：一条支路测试至所有阀体。两位多通阀体：一条支路测试所有尺寸阀体。2.2 试验台夹具系统总体规划自动化夹紧装置（又简称为“夹具”）是本系统中最重要的机械本体，它是系统实现自动化夹紧的基础，是完成试验台试验项目的保障。由于夹紧被测阀是做试验台性能检测试验的第一步，如果夹紧装置夹不紧或是本身就存在泄漏，那么用该装置夹持被测阀做泄漏量检测试验必然是失败的。所以夹具的设计目标是：能够实现自动化夹紧；保证自身无泄漏。第点可以在具体设计与制造加工中实现，而第点则应该在设计自动化夹紧装置的方案时应该确定下来的，同时它的好坏直接影响第设计目标的实现。2.2.1 试验台夹具系统总体布置根据上一节的夹具系统设计方案，设计夹具系统的总体布置图。该图可以完整地反应出整套夹具系统的各个夹具的位置。夹具系统油介质试验台100支路油介质试验台100支路水介质试验台水压强度试验水介质试验台300支路水介质试验台150支路水介质试验台100支路水介质试验台50支路水介质试验台25支路水介质试验台10支路真空介质试验台气介质试验台100支路气介质试验台50支路两位多通试验台泵站一泵站二泵站三图2.1 夹具系统分类图Fig.2.1 the disposal fig of the fixture system2.2.2 试验台夹具系统重要参数的计算根据夹具系统的总体要求，需要确定夹具系统使用的三套液压泵站的参数，分别为水，油，气介质夹具系统(10300支路)，两位多通阀体夹具系统，水压强度试验的夹具系统。特别说明的是，夹具系统泵站压力和流量的计算需要夹具本体的结构尺寸，是在夹具设计之后才计算完成的。但是考虑到论文结构的完整，将其提前到系统整体设计中给出。2.2.2.1 泵站系统参数的设计计算水介质实验台共有6条支路分别为300支路，150支路，100支路，50支路，25支路，10支路。计算水介质泵站系统参数的计算7-9。下面以100支路为例，计算缸所需流量。由于缸的行程为80mm(根据被测阀体的外形尺寸计算)，设经过5s钟到达。则，m/s (2-1) 由于活塞密封L/min其它支路的流量计算如下表：表2.1 夹具流量计算表Table 2.1 table of fixture flux calculation支路行程速度时间所需泵的流量50支路800.016m/s5s6.12L/min25支路1200.024m/s5s5.76L/min10支路40 0.01m/s4s1.68L/min150支路400.016m/s5s20L/min300支路2800.014m/s20s44.4L/min所以，选择液压泵的流量为50L/min。下面以100支路为例，计算系统所需的压力。由产品样本可知该支路所控制的阀体的最大工作压力为1.6Mpa。设计时按照最大工作压力的1.5倍计算。100支路夹具使用的O型密封圈的尺寸为d1=115,d2=5.3 矩形槽尺寸 b1=7.1。 o型密封圈的密封原理如图2-5，图2-6所示：流体给被测阀的压力由两部分构成。一部分为流体直接给被测阀的压力。另一部分为流体给密封圈的压力，该力经密封圈转化为密封圈给被测阀的压力。（这里存在一个压力传递系数为1.5）。因此，主要是计算两个力的受力面积。图2.2 O型密封圈工作原理图Fig.2.2 work principle fig of sealing O-ring21图2.3 O型密封圈工作力分析图Fig.2.3 power analysis fig of sealing O-ring流体最大压力 1.51.6=2.4Mpa两处作用面积为m2 对被测阀体的压力为N设夹具液压缸的有效作用面积为设夹具液压站提供的压力为2Mpa N (2-2) 从上面可以看出：所以可以得出结论：夹具能够完成对被测阀体的夹紧。对于其它支路可以作如下的计算：具体数据见下表2.2：对于油，气以及真空介质的阀体，虽然通过的介质不同，但是阀体的工作压力和水介质是一样的。所以说，这几种介质夹具支路各自压力和流量的计算，参照水介质的计算结果。表2.2 各支路夹紧力计算表Table2.2 table of calculation of every clamp power 支路5025300150最大工作压力1.6Mpa4Mpa0.8Mpa0.8Mpa对夹具作用力NNNN泵站提供压力3.4Mpa2.3Mpa3.6Mpa3.2Mpa夹具夹紧力NNNN2.2.2.2 两位多通试验台泵站系统参数的设计计算两位多通夹具只有一套夹具系统，其中涵盖两位三通，两位四通，两位五通三种阀体。对于它们在外形上的差异，通过更换夹具头的方法来解决。其泵站所需的压力和流量的计算方法和上述的方法一致。在这里，只给出最后的计算结果。两位多通试验台泵站所需压力为2-5Mpa，流量为20L/min。2.2.2.3 两位两通水压强度试验台泵站系统参数的设计与计算水压强度试验只有一套夹具系统，要测试从25300支路的所有阀体。夹具的工作行程为450mm。其液压夹具本体结构参照水介质100支路结构设计。其泵站所需的压力和流量的计算方法和上述的方法一致。在这里，只给出最后的计算结果。两位两通阀体水压强度试验夹具泵站所需流量为40L/min。系统压力为2-5Mpa。东北大学硕士学位论文第三章电磁阀夹具结构设计第三章试验台夹具结构3.1 两位两通试验台典型支路夹具结构两位两通试验台是被测阀中数量最多，通径范围最大的一类阀体。从夹具系统的分类可以知道，该类阀体共有11条支路，受到篇幅所限不可能把所有支路的设计过程完全写出来，现仅以水介质100支路为例，介绍两位两通试验台夹具的设计过程。3.1.1 夹具工作行程的确定对于水介质100支路的夹具来说，其工作行程是由该支路涵盖的阀体的外形尺寸差异来决定的。该支路被测阀体外形尺寸见表3.1所示。表3.1 试验台外形尺寸表Table 3.1 table of valves figure size两位两通阀体阀体长度阀体法兰外径连接凸出部分直径1003502201588031020013365290185122由表3.1可知，夹具理论的工作行程为60mm。考虑到被测阀搬运方便，设计夹具的工作行程为80mm。3.1.2 夹具工作原理由测试要求可知，夹具需要将被测阀体左右两侧夹紧。为了使得夹具结构相对简单，将夹具一侧作为固定结构，另一侧为可移动结构。设计夹具采用液压夹紧结构，但是其有区别于普通液压缸体，主要是由于夹具液压杆中心要通过介质，需要做成空心结构。其结构原理10-12图如下图所示。图3.1试验台夹具原理图Fig.3.1The principle of solenoid valve fixture 3.1.3 夹具结构下面应用机械功能优化设计方法，来设计两位两通试验台100支路夹具13-17结构。在了解了夹具的工作任务和原理之后，将夹具的功能进行分解。夹具主功能夹紧被测阀动力功能液压驱动密封系统密封形式密封结构其他功能运动形式系统结构夹具本体底架固定夹具头图3.2 两位两通试验台功能分析图Fig.3.2 The function analysis of solenoid valve fixture根据功能树中提出的各种功能，制定功能实现的策略，并构建功能实现策略表。表3.2 功能实现策略表Table 3.2 table of function realize strategy序号分功能与系统结构功能实现策略ABC1夹具头连接形式螺旋法蓝2夹具头密封圈尺寸d115 80653导向形式整体式导向环拆分式导向环导向带4动密封密封形式O形密封圈Y形密封圈5活塞形式整体式拆分式6缸筒端盖联接形式法兰式螺纹式7活塞活塞杆联接焊接螺纹8升降台驱动形式电动液压手动综合考虑各种因素，从上述表中选择两套方案，并通过对指标的综合评价得到最优功能优化方案。方案1：1A-2A-3B-4B-5B-6A-7A-8A方案2：1B-2A-3C-4B-5A-6B-7B-8B方案的综合评价评价指标和加权系数的确定.从技术性能，经济性能和社会性能3个方面对产品的设计方案进行评价，其中技术性能又由结构性能，工作性能和工艺性能3方面来评价。综合考虑各个性能指标的重要程度，确定其权系数。两位两通电磁阀夹具技术性能0.72经济性能0.16社会性能0.12结构性能0.26工作性能0.30工艺性能0.16造型艺术性0.08系统可靠性0.18工效实用性0.18系统可控性0.12结构工艺性0.09机器规范性0.07制造经济性0.10使用经济性0.06人机安全性0.08环境无害性0.04图3.3 试验台评价目标树Fig.3.3 The evaluation object tree of solenoid valve fixture专家组综合各个方面的因素，对上述方案各项评价目标进行评分，采用10分制。其对应规则为：非常好，9-10分；很好，8分；好，7分；较好，6分；一般，5分；尚可，4分；较差，3分；差，1-2分。表3.3 方案综合评价表Table 3.3 table of precept integration evaluation序号评价指标加权系数方案1方案21造型艺术性0.0880.6470.562系统可靠性0.1891.6281.443工效实用性0.1871.2671.264系统可控性0.1291.0880.965结构工艺性0.0960.5450.456机器规范性0.0770.4970.497制造经济性0.1070.750.58使用经济性0.0650.370.429人机安全性0.0880.6450.410环境无害性0.0480.3280.32总评价值（）7.596.80由于方案1的评价值高于方案2，所以取方案1为产品设计方案。根据上述的设计方案设计工程图293031如图3.4所示。3.1.4夹具相关计算及强度校核在设计完夹具的结构之后，需要做下述一系列的相关计算和强度校核18。其中包括夹具提供夹紧力的计算，液压夹具行进速度计算，以及各处螺栓强度校核。夹具夹紧力和夹具行进速度已经在第二章中给出，现计算校核各处螺栓强度。首先计算左侧端盖的流体作用力：N每个螺栓承受的力为：图3.4 100支路夹具结构图Fig.3.4The structure of 100 spur track solenoid salve fixture由公式： (3-1) 其中： (3-2) =1.8FN (3-3)选螺栓等级为4.6级选M20螺栓。疲劳强度校核 (3-4) 经计算由于右侧端盖的受力面积小于左侧，所以螺栓满足要求。3.1.5夹具研发中关键技术的分析从本章开头的分析可以看出，夹具设计的主要功用是准确可靠的加紧被测阀体，为系统进行各种测试做必要的准备。可以说，夹具设计的好坏，直接影响到试验台测试系统的成败。密封夹具设计中需要重点考虑的问题，其中包括对被测阀体的密封和夹具本身的密封。在夹具的设计过程中，应用了多处密封圈密封形式，关于密封圈相关理论的研究，将在第四章中阐述。另外，除了使用密封圈之外，结构上采用了多种方法来保证系统的密封。下面重点对机械结构上采用的设计方法进行简略的分析。3.1.5.1 夹具和被测阀体同轴度的保证方法由机械设计相关理论可以看出，保证系统同轴度19主要是通过控制机械加工形位公差的方法来实现。在本设计中，认真控制了各个零件的同轴度，垂直度，表面粗糙度等形位公差的大小，从而保证设计精度，受文章篇幅的限制，在这里就不再详细论述了。另外，机械结构的合理性，也是保证其同轴度的重要因素。下图为初始设计的夹具本体结构。图3.5初始设计夹具结构图Fig.3.5 The structure of first designed solenoid salve fixture 从上图可以看出夹具右端盖(图中画圈的部分)实际上只有密封圈和活塞杆接触，而右端盖与活塞杆形成一定间隙。仔细分析结构可以看出，活塞与液压缸内壁的支撑只有活塞导向环部分，在活塞杆伸出后，形成悬臂结构。由于夹具头和活塞杆伸出部分自身的重力，必然导致夹具头有一定程度的下沉。这显然对密封不利。下图为改进后的结构。从图3.6的结构可以看出，在右端盖上加支撑环结构，这样就能够解决悬臂的问题。支撑环可以做成可拆卸的结构，另外在材料上，选青铜可以减小摩擦。这样做可以解决上述的问题。支撑环图3.6改进后试验台夹具结构图Fig.3.6 The structure of ameliorated solenoid salve clamp 从图3.6的结构可以看出，在右端盖上加支撑环结构，这样就能够解决悬臂的问题。支撑环可以做成可拆卸的结构，另外在材料上，选青铜可以减小摩擦。这样做可以解决上述的问题。3.1.5.2 液压缸活塞与内筒配合的确定在液压缸本体结构的设计中，合理的选取液压活塞与内筒配合2021可以降低系统的内泄漏，提高系统的效率。下面分析如何选择间隙的大小，才能使得平均泄漏量最小。首先从定性的角度来分析公差等级高低和间隙大小对密封的影响2223。公差等级过低，显然活塞和缸筒内壁较为粗糙会减少接触面积造成泄漏。但是如果公差等级过高，会使得内外表面很难吸附一定的油液，使得液压缸的磨损加剧，同时加大系统的摩擦力。从间隙大小的角度来说，间隙过大会降低液压缸的容积效率，但是减小间隙会使系统的摩擦力增加，降低机械效率，从而使得总效率降低。下面通过理论计算定量的求出最佳间隙的大小。图3.7配合间隙分析图Fig.3.7 The analysis of assort clearance fixture设液压缸内筒与活塞的间隙为h，活塞两端的压力分别为。假设活塞以速度从左向右运动，根据牛顿液体内摩擦定律24： (3-5)其中：为粘性系数； du/dy速度梯度，即油层相对速度对油层厚度的变化率由缝隙在压差和剪切作用下的速度公式25： (3-6) 其中存在两个边界条件：对(3-6)式求导可得 (3-7)当y=0时，式(3-7)变为： (3-8)将(3-8)代入(3-6)可得活塞表面上总摩擦力为： (3-9)由摩擦力引起的功率损失为： (3-10)由缝隙泄漏造成的功率损失为： (3-11)总的功率损失为： (3-12)对(3-12)式求导可得： (3-13)令可得使总功率损失P最小的值。 (3-14)这就是理论上推出的最佳间隙值，也就是说在此种状态下，液压缸的平均泄漏量最小。3.2 两位两通试验台水压强度试验夹具结构3.2.1 水压强度试验夹具的特点两位两通试验台的水压强度试验由于要求对被测阀体上下左右同时夹紧，并且在一条支路上涵盖从25300通径的所有阀体，所以在结构上区别于普通的两位两通试验台夹具。从四个方向上夹紧被测阀体要求夹具要保持良好的对中性，同时又要防止被测阀体发生扭转。另外由于被测阀体外形尺寸差异很大，需要合理的设计夹具的行程和夹具头的形状。可以说，它是一套更为复杂的夹具系统。3.2.2 水压强度试验夹具工作原理固定夹具头上部夹紧夹具根据水压强度试验的要求和被测阀体的特点，准备采用液压夹紧和手动夹紧相结合的方式，设计夹具的结构。下图为水压强度试验夹具原理简图。直线导轨升降台底架图3.8 水压强度夹具原理图Fig.3.8The principle of hydraulic pressure solenoid salve fixture 从上面的原理图中可以看出，水压强度夹具系统主要由4部分构成。左侧是一个液压夹紧装置，右侧是固定夹具头，用来实现对被测阀体左右夹紧。下部是电动升降台，上部是手动夹紧装置，用来实现对被测阀体的上下夹紧。由于阀体尺寸的差异，对于不同尺寸的阀体在上下两个方向对被测阀体夹紧之后，左右方向需要一个偏移（由于夹具头一端固定结构），所以，在升降台的底部，安装直线导轨。3.2.3 水压强度试验夹具结构下面应用机械功能优化设计方法，来设计两位两通试验台水压强度试验夹具26-31。在了解了夹具的工作任务之后，将夹具的功能进行分解。夹具主功能夹紧被测阀动力功能液压驱动密封系统密封形式密封结构其他功能运动形式系统结构夹具本体底架固定夹具头上部夹紧装置图3.9 两位两通夹具功能分析图Fig.3.9 The function analysis of solenoid valve fixture根据功能树中提出的各种功能，制定功能实现的策略，并构建功能于实现策略表。表3.4 功能实现策略表Table 3.4 table of function realize strategy序号分功能与系统结构功能实现策略ABC1夹具头连接形式螺旋法蓝2上部夹紧装置形式手动液压电动3导向形式整体式导向环拆分式导向环导向带4动密封密封形式O形密封圈Y形密封圈5活塞形式整体式拆分式6缸筒端盖联接形式法兰式螺纹式7活塞活塞杆联接焊接螺纹8升降台驱动形式电动液压手动综合考虑各种因素，从上述表中选择两套方案，并通过对指标的综合评价得到最优功能优化方案。方案1：1A-2A-3B-4B-5B-6A-7A-8A方案2：1B-2A-3A-4B-5A-6B-7B-8B两位两通电磁阀水压试验夹具技术性能0.72经济性能0.16社会性能0.12结构性能0.26工作性能0.30工艺性能0.16造型艺术性0.08系统可靠性0.18工效实用性0.18系统可控性0.12结构工艺性0.09机器规范性0.07制造经济性0.10使用经济性0.06人机安全性0.08环境无害性0.04图3.10 试验台评价目标树Fig.3.10 The evaluation object tree of solenoid valve fixture方案的综合评价从技术性能，经济性能和社会性能3个方面对产品的设计方案进行评价，其中技术性能又由结构性能，工作性能和工艺性能3方面来评价。综合考虑各个性能指标的重要程度，确定其权系数。专家组综合各个方面的因素，对上述方案各项评价目标进行评分，采用10分制。其对应规则为：非常好，9-10分；很好，8分；好，7分；较好，6分；一般，5分；尚可，4分；较差，3分；差，1-2分。表3.5 方案综合评价表Table 3.5 table of precept integration evaluation序号评价指标加权系数方案1方案21造型艺术性0.0870.5670.562系统可靠性0.1881.4471.263工效实用性0.1881.2671.264系统可控性0.1291.0880.965结构工艺性0.0980.7270.636机器规范性0.0770.4970.497制造经济性0.1080.850.58使用经济性0.0660.3670.429人机安全性0.0880.6470.5610环境无害性0.0480.3280.32总评价值（）7.676.96由于方案1的评价值高于方案2，所以取方案1为产品设计方案。设计的工程图如图3.11所示。3.2.4 水压强度试验夹具研发中关键技术的分析水压强度试验台夹具设计区别于普通的两位两通支路夹具设计，因为它需要对被测阀体上下左右一起夹紧，这对夹具系统提出了更高的要求。在设计过程中，要保证水平和竖直方向上夹具良好的对中性，不能使阀体发生扭转，这样才能保证良好的密封。由于水压强度试验台需要测试通径25-300的阀体，所以所需液压夹具的行程为800mm。图3.11水压强度夹具结构图Fig.3.11 The structure of hydraulic pressure solenoid salve fixture由于液压缸的行程过长将导致水平方向夹具的对中性差。所以采取了下面图3.12的结构来解决这个问题。图3.12 固定夹具位置图Fig.3.12 The position of fixed solenoid salve fixture 仔细分析被测阀体尺寸可以知道，从25-100的阀体，所需的液压夹具形成为400mm。对于150，300通径的阀体可以单独确定固定夹具头的位置。这样做可以解决液压夹具行程过长影响对中性的问题。3.2.5 创新设计在水压强度试验夹具结构研发中的运用水压强度试验要求对被测阀体上下左右四个方向夹紧。从被测阀体的外形结构上可以看出，由于被测阀体下部形状很不规则，所以说想要稳定的夹住阀体非常困难。所以需要设计特殊的夹紧装置来实现夹紧功能。从图3.?可以看出，1，2，3三个表面均可以作为夹持表面。而对于竖直向下的方向，很难找到工作表面。在开始的设计中，考虑应用左右两个法兰盘的上表面作为夹具工作面，但是由于整个阀体是铸件且夹持力很大，这样很容易使得阀体遭到破坏。所以说此种方案不可取。如果利用4面作为夹持工作面，显然不会对阀体造成破坏。24431图3.13水压试验阀体结构图 Fig.3.13 The structure of hydraulic pressure solenoid salve clamp 本处设计应用机械创新设计理论中的迂回法，即在现有的夹具结构中很难找到适当的方法，就转向其他领域的机械产品中选择合适的结构。作者再次分析了所有被测阀体的外形尺寸之后，设计了如图3.14所示的结构。11图3.14两自由度夹紧装置结构图Fig.3.14 The structure of 2-DOF fixture equiment 在图3.14的结构中，夹持装置在水平面内的两个方向上都可以移动，这样可以适应更多种类的阀体，1面为其工作表面。这样很好地解决了被测阀体在竖直方向上很难夹紧的问题。3.3 两位多通试验台夹具结构3.3.1两位多通试验台夹具结构特点两位多通试验台包含两位三通试验台，两位四通试验台和两位五通试验台。该系统夹具的特点是被测阀体的阀口较多且位置变化较大，这就要求夹具头的设计要因阀而异，才能很好的适应测试系统的要求。另外在阀口的密封方法上，由于阀口的尺寸过小，不宜采用密封圈密封的结构，而用胶垫密封来代替。为了使得夹持更为稳定，需要在夹具头外侧设有定位槽。其夹具头的结构形式如图3.15所示。图3.15两位多通夹具头结构图Fig.3.15The structure of double-position multi-way solenoid salve clamp 3.3.2 两位多通试验台夹具结构下面应用机械功能优化设计方法，来设计两位多通试验台夹具26-31结构。在了解了夹具的工作任务和原理之后，将夹具的功能进行分解。两位多通夹具的功能分解与两位两通试验台一致，只是在功能实现策略上有所区别。根据功能树中提出的各种功能，制定功能实现的策略，并构建功能于实现策略表。表3.6 功能实现策略表Table 3.6 table of function realize strategy序号分功能与系统结构功能实现策略ABC1夹具头连接形式螺旋法蓝2夹具头密封形式胶垫密封密封圈密封3导向形式整体式导向环拆分式导向环导向带4动密封密封形式O形密封圈Y形密封圈5活塞形式整体式拆分式6缸筒端盖联接形式法兰式螺纹式7活塞活塞杆联接焊接螺纹8夹具头的通用性一阀一个多阀一个综合考虑各种因素，从上述表中选择两套方案，并通过对指标的综合评价得到最优功能优化方案。方案1：1A-2A-3B-4B-5B-6A-7A-8A方案2：1B-2A-3C-4B-5A-6B-7B-8B方案的综合评价,评价指标和加权系数的确定。从技术性能，经济性能和社会性能3个方面对产品的设计方案进行评价，其中技术性能又由结构性能，工作性能和工艺性能3方面来评价。综合考虑各个性能指标的重要程度，确定其权系数。其评价目标树也和两位两通试验台的评价目标树完全相同。专家组综合各个方面的因素，对上述方案各项评价目标进行评分，采用10分制。其对应规则为：非常好，9-10分；很好，8分；好，7分；较好，6分；一般，5分；尚可，4分；较差，3分；差，1-2分。其方案评价表如表3.3所示。由于方案1的评价值高于方案2，所以取方案1为产品设计方案。根据上述的设计方案设计工程图如图3.16所示。图3.16 两位多通电磁阀结构图fig 3.16 the structure of two-position multi-way valve表3.7 方案综合评价表Table 3.7 table of precept integration evaluation序号评价指标加权系数方案1方案21造型艺术性0.0880.6470.562系统可靠性0.1881.6281.443工效实用性0.1871.2671.264系统可控性0.1291.0880.965结构工艺性0.0960.5450.456机器规范性0.0770.4970.497制造经济性0.1070.750.58使用经济性0.0650.380.429人机安全性0.0880.6460.410环境无害性0.0480.3280.32总评价值（）7.416.783.4 试验台夹具附件电动升降台结构3.4.1 升降台行程确定考虑到夹具系统的实际需要，每条测试支路都将配有一个升降台，这样每个升降台的行程，只与本支路涵盖的被测阀体外形尺寸有关。下面仍然以水介质100支路为例，计算出升降台所需的行程。图3.17 升降台行程分析图Fig.3.17 The analysis of lifters distance上图中，从左到右依次为100口径，80口径，65口径阀体的法兰盘侧视图。为了使被测阀体稳稳的放在升降台上采用V型块定位的方法。这样，法兰盘中心下降的距离即为升降台需要升高的距离。如图可知，升降台需要行程为20mm。3.4.2 升降台工作原理升降台的作用是将被测阀体抬高到一个统一的高度，以方便左右两侧夹紧。考虑到整个系统的成本，采用电动升降台的结构。电机通过链轮带动螺母转动，螺杆自动升降。其基本工作原理如下图所示。螺杆螺母链轮电机底架图3.18升降台工作原理图Fig.3.18 The work elements of lifter 3.4.3 升降台结构根据升降台的工作原理，设计升降台的结构262730-32如下图所示。图3.19升降台结构图Fig.3.19 The structure of lifter 3.4.4升降台相关计算升降台采用滑动螺旋传动形式，所以说需要对螺旋传动及其功率做如下计算1626。螺杆的轴向位移L： (3-15)螺杆的轴向移动速度： (3-16)螺纹摩擦力矩： (3-17)其中：为螺纹中径；F为螺旋传动的轴向载荷；为螺纹线升角；为当量摩擦角；。螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩，当为环形面支撑时： (3-18)其中：为轴向支撑面间摩擦系数；及为支撑环面外径和内径。为螺旋传动径向轴承摩擦力矩，无径向支撑时取0。螺纹驱动力矩： (3-19)电机驱动功率： (3-20)其中：为螺纹效率；为轴向支撑面效率；当为滚动轴承时取大值，滑动轴承时取小值，无轴承时取1。下面以两位两通试验台100支路升降台为例，计算升降台电动机所需的驱动力矩。根据厂方提供的产品样本，两位两通100口径被测阀体的重量为81公斤。查阅机械设计手册选定30度梯形螺纹，因为它的自锁性能良好，可以承受双向轴向力。螺纹线升角: (3-21)当量摩擦系数:选择螺纹中径mm。螺纹摩擦力矩：N.mm螺纹传动轴向支撑面摩擦力矩：N.mm升降台无径向支撑，N.m需要电机提供驱动力矩：N.m升降台采用本溪市微分电机公司生产的ZYGS系列齿轮减速伺服电动机ZYGS-80转矩N.m，转速65r/min。考虑到转矩不够，需要加一级减速机构(采用链轮结构)，同时可以降低转速。经过链轮减速之后，电机提供的驱动力矩为N.m。3.4.5 创新原理在升降台结构研发中的应用在电动升降台的设计中，如何使得被测阀体稳定的放置在升降台上，同时能够满足尽可能多尺寸的阀体，是设计中需要解决的关键问题。在分析阀体的外形特点后可以看出，大部分阀体两端都采用法兰式连接。可以说从外形上看，两侧的法兰部分是整个被测阀体最规则的部分，应当充分地加以利用。V型块是机械设备中常用的一种定位装置。特别是对于圆形物体具有定位准确，稳定性强的特点。本设计把V型块结构引入其中，很好地解决了阀体的定位问题。此处设计采用了创新设计方法中的移植法，将现有的V型块结构引入升降台结构中，发挥了很好的作用。另外，在设计中发现，V型块结构对不同口径阀体的适应能力很强，不仅降低了设计成本，也是系统使用更加方便。东北大学硕士学位论文第四章密封圈密封理论的研究第四章密封圈密封理论的研究在厂方使用的夹具系统中大多采用胶垫密封，虽然施加了很大的夹紧力，还是有泄漏的现象发生，大大影响了测试结果。主要原因是胶垫密封表面与阀体表面并未完全接触。O型密封圈作为静密封33的主要密封形式，因其结构简单且密封效果良好广泛的应用于流体系统中。在夹具系统设计中，夹具被测阀体的接触面都采用O型密封圈密封。在设计的夹具本体中还应用了Y形密封圈用于动密封。为了使系统密封效果更加可靠，需要对密封圈的相关理论343536进行研究。4.1 O形密封圈的密封原理O形密封圈373839作为一种密封形式具有结构简单且拆卸方便的特点，广泛应用于流体机械中。O形密封圈密封属于挤压弹性密封，是靠密封圈预先被挤压由弹性变形产生预紧力，同时工作介质压力也挤压密封圈，使之产生自紧力。密封圈在介质压力作用下，产生的接触压力： (4-1)其中：为介质压力下的总接触压力为密封圈预紧压力介质压力经密封圈传给接触面的接触压力，其中k为侧压系数，v为密封圈材料的泊松比。要保证密封，必须保证，而永远小于，故应保持足够的预接触压力，即密封圈要有足够的预压缩率，才能保证密封。4.2 O形密封圈设计及相关计算4.2.1 O形密封圈密封沟槽深度的设计根据O形密封圈的使用情况可以分为内密封圈和外密封圈。对于内密封圈来说，由于在安装过程中不存在拉伸，所以在设计沟槽的过程中，不用考虑到密封圈本身的弹性变形，可以直接根据手册中给出的沟槽尺寸设计就可以了。但是对于外密封圈来说，由于安装过程中需要对密封圈进行拉伸，因此密封圈存在一定的弹性变形，在设计沟槽时，需要对这一点加以考虑。下面通过计算分析，此种状态下，O形密封圈变形量的大小及沟槽的尺寸设计4041。假设需要密封的内外表面的直径分别为d和D。O形密封圈外径为，截面直径为。设密封圈经过拉伸后，截面直径变为。为密封圈的过盈量。根据密封圈的体积不变原理， (4-2)为了简化计算，在等式的右端用代替。则上式可以简化成 (4-3)简化后计算出的值存在一定误差，可以将值带回到上式中求出，一般情况下，基本可以满足要求。则密封沟槽的底径为： (4-4)按照上述公式，可以准确的计算出密封沟槽的尺寸。4.2.2 O形密封圈产生摩擦力的计算O形密封圈结构简单，密封性能良好，所需的空间尺寸小，一般情况下，东摩擦阻力也很小，是液压系统中应用最广泛的一种密封装置。O形密封圈在低压时，主要依靠橡胶的弹性密封，而在压力升高时，则靠密封圈预压缩变形和液压油作用下的变形来实现密封，随着预压缩变量的增加和液压油压力的上升，O形密封圈在往复运动过程中所产生的摩擦力也会增加，有时会直接影响到液压系统的可靠性。因此，分析液压系统的摩擦力42变得十分重要。4.2.2.1 O形密封圈的应力应变分析YzAAxz首先分析一下由于预压缩产生的应变和应力。设O形密封圈的截面直径为w，外径为D。沟槽底部至缸壁的距离为b，密封圈的压缩率为e。图4.1O形圈应力分析图Fig.4.1 The stress analysis of sealing O-ring取密封圈上A点进行分析。在预压缩作用下，单元体沿Z方向的应变可以写成： (4-5)O形密封圈材料遵循胡克定律43： (4-6) (4-7)其中：分别为单元体在X，Y，Z方向上的正应力，在无液压油的作用下，将(4-5)式代入(4-6),(4-7)可得： (4-8)应用赫兹接触理论来近似确定O形密封圈与液压缸壁接触面上的正应力 (4-9)其中：，X为接触点到原点的横坐标。第二，分析一下液压油对密封圈产生的应力和应变。在不考虑密封圈预压缩的条件下，。将上述条件代入(4-6)(4-7)可得： (4-10)4.2.2.2 O形密封圈引起的摩擦力计算首先计算预紧力引起的摩擦力。设f为O形密封圈与缸壁之间的摩擦系数，则 (4-11)将代入(4-9)式，再代入(4-11)得 (4-12)第二，计算液压油引起的摩擦力。由于密封圈在液压油的作用下，其截面与液压缸接触的宽度接近于w。所以，液压油引起的摩擦力为： (4-13)将(4-10)式代入(4-13)可得： (4-14)因此，O形密封圈总的摩擦力为： (4-15)4.3 Y形密封圈设计使用中若干问题的研究4.3.1 Y形密封圈的工作原理Y形密封圈的截面成Y形，属于唇形密封圈的一种，它广泛的应用于液压往复密封中。它具有密封性好，摩擦阻力小，耐压性好的特点。图4.2Y型密封圈工作原理图Fig.4.2 The work elements of sealing Y-ring 液压力将密封圈的两唇边h1压向形成间隙的两个零件的表面。这种密封作用的特点是能随着工作压力的变化自动调整密封性能，压力越高则唇边被压得越紧，密封性越好；当压力降低时唇边压紧程度也随之降低，从而减少了摩擦阻力和功率消耗，除此之外，还能自动补偿唇边的磨损，保持密封性能不降低。4.3.2 Y形密封圈的失效原因及解决措施4.3.2.1 间隙咬伤现象及解决办法Y形密封圈的间隙咬伤现象发生在其根部，如下图所示。在液压油的作用下，Y形圈的一部分会被挤入密封间隙中，导致局部应力集中。而且这种现象会随着油液压力和密封间隙的增大而加剧。对于大于16Mpa的Y形圈，应设挡圈来解决上述问题。图4.3Y形圈间隙咬伤分析图Fig.4.3 The clearance bite analysis of sealing Y-ring 4.3.2.2 逆压损坏现象及解决方法Y形密封圈用于双作用液压缸活塞密封时，必须背对背的安装，以封住两个方向的液压油。当两个Y形圈之间的油压小于其两侧唇口出的压力时，就会逐渐由外向内渗入压力油而储能。当工作压力卸去时，Y形圈在安装槽内就会从根部被反向挤压，使其唇口被挤入缸筒和活塞之间的缝隙被夹破，从而造成逆压损坏。解决的方法是在活塞挡圈上开小孔释放蓄能。当Y形圈工作压力卸去时，通过小孔可以引出被困液压油。图4.4 Y形圈逆压损坏分析图Fig.4.4 The contrary pressure attaint analysis of sealing Y-ring4.3.2.3 翻转及根部磨损现象解决方法如果运转时由摩擦力产生的外力矩大于密封圈本身的抗扭能力，则密封圈就会发生旋转进而丧失密封能力。解决的方法是采用硬度较高的密封材料或者设置支撑环的结构。密封圈的根部磨损主要是因过盈量过大而产生较大的摩擦力，或出现干摩擦所致。因此，在设计时应注意沟槽尺寸和密封圈的尺寸。对于密封圈沟槽尺寸的设计方法以及密封圈的摩擦力分析方法，与O形密封圈的设计计算方法相同，请参见相关章节。4.4 影响密封圈密封的因素影响密封圈密封的因素44有很多，下面从温度，硬度，应力松弛和摩擦四个方面来分析对密封圈的影响。4.4.1 温度对密封圈密封的影响温度对密封圈的性能有较大的影响，特别是对于压缩量比较小的密封圈来说影响更大。常温下，密封圈具有良好的性能。对于低温环境来说，密封圈只是暂时受到影响，不会产生永久性的破坏。在低温环境下，橡胶的硬度增加，体积收缩，橡胶失去弹性，密封的接触面减少，容易产生泄漏。在高温环境下，由于多种成份组成的橡胶材料会发生不可逆的物理和化学变化，促使橡胶老化变质。高温环境下，橡胶的体积会膨胀，由于橡胶的膨胀系数会比金属的膨胀系数大十几倍，当设计的密封槽空间较小时，会导致密封圈被挤出，造成泄漏。4.4.2 硬度对密封圈密封的影响硬度比较低的橡胶比较容易挤到密封表面的微观不平处形成密封；而硬度比较高的橡胶需要比较大的压缩力进行挤压，才能使橡胶挤入密封表面的微观不平处形成密封，这需要较大的安装力。但是，硬度大的橡胶的耐磨性增大，可以延长密封圈的使用寿命。另外，硬度和温度之间存在着一定的关系，当温度升高时，橡胶的硬度会下降，因此，应该综合考虑这两个因素。4.4.3 应力松弛对密封圈密封的影响密封圈密封是依赖于密封圈截面的弹性变形产生的压缩力而保持密封。密封圈经过较长时间的压缩后，会产生弹性变形，引起应力松弛，导致密封圈密封力最终低于系统压力而引起泄漏。密封圈在一定的压缩量下，应力松弛率是随着材料，温度和流体的反作用比率衰减，初始压缩应力是是正比于时间对数的比率衰减。4.4.4 摩擦对密封圈的影响密封摩擦是密封圈设计中必须考虑的因素，在滑动密封中摩擦力会使轴向力增加，同时加剧密封圈的磨损。因此，为了保证密封圈的正常工作，必须是密封摩擦降低到最低限度。密封摩擦力是橡胶材料的摩擦因数和压缩力的乘积，摩擦力的大小与材料的硬度，压缩力，和粗糙度有关。橡胶材料的硬度对摩擦有一定的影响，随着硬度的增加，密封圈和密封体的接触面积会减小，摩擦力趋向于减小。但是硬度增加，会使密封圈装配困难，和增加密封压缩力。运动表面适当的表面粗糙度会使摩擦减少，因为表面留下的细槽可以保存一定的润滑剂，减少摩擦；而表面摩擦过小时，由于工作表面难以储存润滑剂，反而会引起较高的摩擦。橡胶密封圈的起动摩擦因数和运动摩擦因数相同，前者比后者要高出3倍。其原因是橡胶嵌入金属表面的细槽内，由于分子的内部作用，随着时间的延长，引起两个表面之间紧密地粘着，粘着力十分高，甚至能将润滑油从接触面中挤出。因此，当系统启动时，必须克服那种粘着力，因此，起动力非常大。东北大学硕士学位论文第五章电磁阀夹具三维建模和运动仿真第五章试验台夹具三维建模和运动仿真5.1 试验台夹具的三维建模在试验台夹具设计完成之后，为了更好的检验设计是否合理，同时能否完成对被测阀体的夹紧动作，应用solidworks三维设计软件对夹具进行三维建模。5.1.1 两位两通试验台夹具的三维建模两位两通试验台夹具包括水，气，油及真空四种介质共11条支路，考虑到其工作原理基本相同，所以仅给出水介质100支路三维建模4647的过程。利用Solidworks自上而下的设计方法，完成三维建模过程。首先设计各个零部件，然后根据装配关系完成对各个部件的装配，最后完成总装配体的装配。图5.1 两位两通100支路夹具三维建模图Fig.5.1 The 3D modeling of double-position double-door 100 spur track fixture 图5.2 两位两通固定夹具头三维建模图Fig.5.2 The 3D modeling of double-position double-way fixed fixture cover图5.3 两位两通底架三维建模图Fig.5.3 The 3D modeling of double-position double-way fixture plank 图5.4 两位两通夹具装配图Fig.5.4 The3D assemblage modeling of double-position double-way fixture 5.1.2两位两通试验台水压强度试验夹具的三维建模两位两通试验台水压强度试验是单独设计的一条支路。下面分别给出个部件的结构图4849和总装图。图5.5水压试验夹具三维建模图Fig.5.5 The 3D modeling of hydraulic pressure test fixture图5.6水压固定夹具头三维建模图Fig.5.6 The 3D modeling of hydraulic pressure fixed fixture cover图5.7水压底架三维建模图Fig.5.7 The 3D modeling of hydraulic pressure fixture plank 图5.8水压上部夹紧装置三维建模图Fig.5.8 The 3D modeling of hydraulic pressure upside clamp equiment图5.9水压试验总装三维建模图Fig.5.9 The 3D assemblage modeling of hydraulic pressure fixture5.1.3 两位多通试验台夹具三维建模两位多通试验台夹具5051由于其结构形式的特殊性，单独设计一条支路进行各种测试。下面分别给出各部件图和总装图。图5.10 两位多通夹具三维建模图Fig.5.10 The 3D modeling of double-position multi-way test fixture 图5.11两位多通夹具总装三维建模图Fig.5.11 The 3D assemblage modeling of double-position multi-way fixture5.1.4电动升降台三维建模电动升降台是整个夹具系统的通用部件，两位两通试验台夹具，水压强度试验台夹具都需要升降台来把被测阀体抬高到一定的高度。下面给出电动升降台的总体装配图。图5.12升降台装配三维建模图Fig.5.12 The 3D assemblage modeling of lifter5.2 试验台夹具的运动仿真利用solidworks软件建模之后，为了分析夹具能否顺利完成对被测阀的夹紧过程，利用solidworks的动画功能，仿真了整个对被测阀的夹紧过程。制作动画生成的avi文件，在硕士论文的电子光盘中给出，在这里选择几个重要位置以图片的形式给出。5.2.1 两位两通试验台夹具运动仿真过程为了使仿真更为真实，根据两位两通试验台100口径阀体外形尺寸，对被测方进行了三维建模。图5-13为两位两通试验台100口径的阀体，夹具需要左右两个方向对被测阀体夹紧。图5.13 100通径试验台三维建模图Fig.5.13 The 3D modeling of 100 diameter valve图5-15中第一幅图为两位多通阀体夹具的初始位置图。从图中可以看出，被测阀体安放在升降台上之后，垂直方向和水平方向的位置都需要调整。图5-15中第二幅图为夹具整个操作过程的一个中间状态。首先需要启动升降台，将被测阀体升高到与夹具同轴心的位置。接下来，需要将升降台连同被测阀体一起水平向右移动，直到被测阀体的右端靠紧固定夹具头为止。图5-15中第三幅图为夹具夹紧被测阀体的最终状态。下面可以根据阀体的测试需求，对阀体做各种测试。阀体的拆卸过程，是和夹紧相反的过程。5.2.1 两位多通试验台夹具运动仿真过程图5.14 两位三通试验台结构图Fig.5.14 The structure of double-position three-way fixture图5.15两位两通夹具三维运动过程图Fig.5.15 The 3D play course of double-posi

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