液压采煤毕业设计说明书.doc

中国矿业大学徐海学院毕业设计目 录第1章 概述31.1 制动器实验台的概述31.2 盘式制动器的结构31.3 盘式制动器的优点41.4 制动器摩擦片应用机理与性能要求91.5 摩擦材料性能要求101.6 摩擦热对制动摩擦副的影响121.7 本课题研究的主要内容131.8 本章小结14第2章 实验测量装置的总体设计142.1 实验台研制的主导思想152.2 实验台的组成152.3 实验台的工作原理及总体布置15第3章 实验台机械结构设计163.1 设计原始参数163.2 闸瓦试件的形状及尺寸的确定173.3 夹具设计183.4 电动机的选型计算193.5 轴的设计计算及强度校核203.6 联轴器的设计263.7 飞轮的结构设计273.8 制动盘的设计273.9 键的设计计算283.10 传感器的选型293.11 轴承的计算选型303.12 实验台的结构设计313.13 本章小结32第4章 液压系统的设计334.1 加压油缸的设计选型及结构设计344.2 泵的选择394.3 溢流阀的选择424.4 卸荷阀的选择434.5 单向阀的设计选择434.6 电机、油箱及其附件的选择444.7 液压站的设计454.8 本章小结46第5章 测控系统的设计475.1 测试参数的测定475.2 测试系统的组成495.3 数据的采集与处理505.4 调速系统的设计525.5 汇编语言程序545.6 本章小结667 参考文献678 致 谢69第1章 概述1.1 制动器实验台的概述 制动器能用来减低机械设备的运行速度或者使其停止，是车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。摩擦制动器具有结构简单、工作可靠的优点，己广泛地应用在各种机械设备中。其工作原理是利用摩擦副相对运动时，接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度大小，以停止运动。随着机械设备上速度的不断提高，对制动器性能的要求也越来越高，因此制动器生产企业需要对制动器进行各种质量检测和性能综合评价。制动器试验台是测定和分析制动器性能和质量的试验装置。制动器生产企业要求试验台系统能够检测制动器的各种性能，其具体测试项目为:制动器性能试验、制动器热衰退及恢复试验、制动衬片、块磨损试验、制动器噪声测定、试验过程中温度的同步测量和记录;记录输入管路压力和输出制动力矩的关系;记录制动时间和输出力矩的关系。1.2 盘式制动器的结构 盘式制动器的工作表面为圆盘的两侧平面(少数为圆锥面)，其摩擦副由制动盘和制动块(或摩擦盘)组成，沿制动盘的轴向施加压力，制动盘轴不受弯曲，制动性能稳定、可靠。由于盘式制动器的制动盘暴露在空气中，使得盘式制动器有优良的散热性，当车辆在高速状态做紧急制动或在短时间内多次制动，制动的性能较不易衰退，可以让车辆获得较佳的制动效果，以增进车辆的安全性。并且由于盘式制动器的反应快速，有能力做高频率的制动动作，因此许多车型采用盘式制动器与ABS系统以及VSC，TCS等系统搭配，以满足此类系统需要快速制动的需求。鉴于盘式制动器的结构特点，制动时盘上某处材料表面与片处于周期性间歇摩擦接触，这种移动热源造成的热冲击，以及反复制动过程中的冷热冲击、制动压力和摩擦力的协同作用可导致表面热开裂和(热)磨损。图1-1 盘式制动器工作原理1.3 盘式制动器的优点 与鼓式制动器相比，盘式制动器具有以下突出优点: (1)热稳定性好。 盘式制动器无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦系数的影响较小，即制动效能稳定。鼓式制动器受热膨胀后，工作半径增大，使其只能与制动蹄中部接触，从而降低了制动效能。而盘式制动器中制动盘的轴向热膨胀极小，径向热膨胀根本与性能无关，故不会因此而降低制动效能。 (2)水稳定性好。 盘式制动器中摩擦块对制动盘的单位压力较高，易于将水挤出。在车轮涉水后，制动效能变化较小，且由于离心力的作用及衬块对制动盘的摩擦作用，出水后只需一二次制动，性能即可恢复。而鼓式制动器则需多次甚至10余次制动，性能方能恢复。 (3)在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量较小。 (4)制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会象制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显增加而导致制动踏板行程过大。 (5)容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。 除了以上制动性能的优势外，盘式制动器在使用中还有噪音低、振动小等特点，改善了乘坐舒适性。 由于具备稳定可靠的制动性能，盘式制动器大大改善了汽车高速制动时的方向稳定性，因此取代传统的鼓式制动器已成为现代制动器发展的必然趋势。其中液压盘式制动器几乎是现代轿车的标准配置，尤其是用在轿车前桥上。而气压盘式制动器也大量应用于客车、中重型车辆上，其发展前景非常广阔。1.4 制动器摩擦片应用机理与性能要求1.4.1摩擦和运动 对机械运动来说，是在运动过程中一种物体与其它物体相接触，或者与其周围的液体或气体相接触。这样会产生接触摩擦，导致运动物体的速度减慢或停止。阻止运动物体的运动，使其运动速度减慢和停止的力为摩擦力（F），或者是介质阻力。摩擦力的方向与运动切向力方向相反。我们把摩擦力与施加在摩擦物体上的垂直负荷，即正压力（N）之比值，称之为摩擦系数。即 式中：摩擦系数 F摩擦力 N负荷 摩擦力对运动物体作功的过程中，消耗掉运动物体的动能，在摩擦过程中，消耗掉的动能转化成热能，以摩擦热的形式表现出来。摩擦材料工作表面摩擦时的瞬时温度可达到1000，这样的温度升高对摩擦物体接触表面的摩擦性能会产生各种影响。1.4.2摩擦基本理论摩擦是两个物体在压力作用下相互接触并在接触表面发生相对运动所引起的现象。摩擦是这个现象本身的力学特性。两个在接触表面相互摩擦的物体，称之为摩擦偶件或摩擦副。汽车的刹车片与制动盘或制动鼓就组成了摩擦副。摩擦材料的摩擦表面在摩擦过程中的作用机理，是属于干摩擦理论的范畴，主要为两种：一是“粘着理论”，二是“分子机械理论”。两个相互摩擦的物体表面总是在某些点上发生接触，真实接触面积比理论上的接触面积要小，其比值因接触材料的的机械性能、接触表面的光洁度、温度等情况的不同，可在1/1000至1/10的范围内变化。由于真实接触面积（A）小，即使在负荷（N）很小时，真实接触面积上，也会产生很大的单位压力。粘着理论 在很大的单位压力影响之下，一般物体即使硬和韧的金属表面也会发生塑性变形，此时在塑性接触点上的应力等于较软材料的压缩屈服强度极限或流动压力 ，真实接触面积等于负荷与流动压力之比，即： 式中：A为真实接触面积。由此可知，若负荷增加或较软材料压缩屈服强度极限降低，都会使真实面积增大。 当两物体表面摩擦时，接触点产生的瞬时温度可达1000，并可持续千分之几秒，高温会引起二物体发生“粘着（或称为冷焊），两物体表面相对移动过程中，这些粘着点就被剪切断掉，二物体发生“滑溜”，摩擦就是这种“粘着与滑溜交替进行的过程（当摩擦速度变快时，这种跃动式过程变得不明显）。 这种过程使两物体表面的相对移动受到了阻力，此阻力等于各粘着点被剪断时阻力的总和。这构成了摩擦力的主要原因，称之为摩擦力的“剪切项”，这项摩擦力（F）等于剪切面积（A）与剪切强度（S）的积，即：F =A S 两物体摩擦表面粗糙时，较硬材料会嵌入较软材料，并形成粘着。在相对移动时，这些“粘着点”会被剪断，这是构成摩擦力的另一个原因，是摩擦力的“粗糙度项”（刨削项）。表面不太粗糙时，这项摩擦力可以不计。摩擦系数（）为就是摩擦系数（）等于材料剪切强度（S）与压缩屈服强度极限或流动压力（）之比。由此可知，当材料的剪切强度增高或压缩屈服强度极限变小，均会导致材料摩擦系数的增大。 当摩擦材料中含有相当多的软质成分，构成软质摩擦材料，如橡胶基摩擦材料（软质刹车片），或摩擦表面温度在一定范围内升高时，材料的压缩屈服强度极限（）降低，导致摩擦表面真实接触面积（A）的变大，摩擦系数（）也会升高。 分子机械理论 在很大的单位压力的情况下，摩擦偶件表面的相互接触呈弹塑性混合状态，表面许多接触点互相啮合，在相对移动过程中，相互啮合的部分被剪断，形成两表面相对运动的阻力。这些接触点和啮合点上产生的阻力总和，即表现为摩擦力。在表面接触部位上，也会产生分子引力（）。此分子引力的作用如同对接触表面施加负荷的作用。摩擦即是由此二项因素决定的过程；一方面是克服机械的相互啮合，另一方面是克服分子引力，称为“分子机械理论”。摩擦系数（）为摩擦力与垂直负荷和接触表面分子引力之和的比值。即： 也可以写成： 摩擦时，表面的相互啮合和分子引力的形成与破坏造成了摩擦表面的磨损。真实摩擦系数与计算得到的摩擦系数的关系为：称为真实摩擦系数，这是一个恒量，是通过计算得到的摩擦系数，不是一恒量，它随负荷的增加而降低。摩擦材料行业里经常使用的摩擦系数，就是指经计算出来的摩擦系数，这不是一个恒量，是通过仪器在一定的条件下，进行测定并计算的。由于工作环境的变化及其它条件的变化，摩擦系数也发生变化。因为环境、条件也受各种因素的影响而变化，影响摩擦系数的因素就会更为复杂。1.4.3 磨损基本理论 汽车摩擦材料是一种成分复杂的复合材料，其中含有有机粘结剂，增强纤维，润滑剂及摩擦性能调节剂等，在摩擦磨损过程中，各组分相互作用、相互制约。摩擦材料与偶件间的摩擦可以使其接触表面变形、粘着点撕裂和使硬质点或磨屑产生犁切作用，其作用程度和表面形貌、滑动过程、使用的材料及环境因素等有关。所以摩擦磨损过程非常复杂，摩擦偶件之间的界面处不仅有复杂的物理作用，还有复杂的化学过程。许多研究表明，汽车摩擦材料的磨损形式主要有以下几种 ： (1)热磨损 高速行驶的汽车在制动过程中，动能转化为摩擦材料与其偶件之间因摩擦而产生的热能，致使摩擦材料温度升高，从而使摩擦材料中的某些组分发生诸如高温分解、氧化、颗粒化、暴裂融化、蒸发和升华，以及伴随着机械力变化的一系列物理的和化学的现象，使摩擦材料原子间结合不断破坏，导致材料磨损。高温分解主要出现在摩擦材料的芯部而较少发生在边缘和角部;而氧化现象主要出现在边缘和角部:摩擦材料的暴裂反应出现在苛刻制动条件下，瞬间产生的高热使亚表面固体汽化。 (2)粘着磨损 摩擦材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸体受到应力较大，发生塑性变形，有些接触点间的长程范德华力将起作用，出现强烈的短程交互作用力，在没有表面膜存在的情况下，两个接触表面将通过分子间的作用发生粘着。当摩擦材料在偶件表面上滑动时或压在其表面上然后拉开时，表面上一些小颗粒将会从一个表面粘附到另一个表面上，有时被粘附的表面材料又会回到原来表面上，发生反粘附。这些被转移的表面材料经过反复地粘附与反粘附及挤压等过程，会发生加工硬化、疲劳、氧化等过程，从而形成游离的磨屑脱落下来。同时，由于在摩擦过程中摩擦材料的表面瞬时温度可高达700以上，导致有机树脂变软甚至分解以及偶件局部产生由珠光体到马氏体的相变，粘接点在剪切力的作用下，会使摩擦材料表面产生较大的磨屑，甚至使增强纤维从摩擦材料中抽出导致较大磨损。 (3)磨粒磨损 摩擦材料内部含有纤维和硬颗粒，这些硬颗粒在摩擦材料中起承载作用，并在表面形成一系列比其偶件硬的小突起，在摩擦过程中，这些小突起象“刀具”一样，对其偶件表面进行切削，在反复多次作用力的情况下，这些小突起因疲劳而断裂形成磨屑，或者因摩擦表面温度升高，树脂软化，结合力下降，硬质点脱离摩擦材料形成磨屑，这样便使磨损由普通的二体磨粒磨损变为三体磨损。这样散落的磨屑将会同时作用于摩擦材料与其对偶件，导致摩擦材料和对偶的磨损增大，摩擦系数增大。 (4)疲劳磨损 在汽车制动过程中，摩擦材料与其对偶进行相对滑动，在两者接触区将造成很大的应力和塑性变形。在长期反复的交变应力作用下，摩擦材料及其偶件表面某些薄弱环节处将会引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后将可能以微细薄片形式断裂剥落下来。另外，在每次制动时，都伴随着材料表层温度的升高，导致材料的热疲劳，在长期反复热应力作用下，将加速材料表面裂纹的产生与扩展，加速材料的疲劳磨损。 (5)切削磨损 由于摩擦材料与其偶件的表面均高低不平，对摩两表面中较硬表面上的凸峰会压入较软材料内，在滑动时将软材料刨削，致使较软材料表面产生较深的犁沟和划痕，使材料磨损。 综上所述，在摩擦过程中，材料的磨损可能不止一种磨损机理在起作用，而是几种可能同时作用，并且在不同摩擦阶段，可能会有不同的磨损机理起主导作用，有时可相互转化，同时材料的磨损并不仅限于以上几种，这些都给认识和研究摩擦材料的磨损机理带来一定的难度。1.5 摩擦材料性能要求1.5.1适宜而稳定的摩擦系数 摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个最重要的性能指标，关系到摩擦片执行传动和制动功能的好坏，这不是一个常数，是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化的一个系数。理想的摩擦系数应具有理想的的冷摩擦系数和可以控制的温度衰退。 温度是影响摩擦系数的最重要因素。摩擦材料在摩擦过程中，由于温度的迅速升高，一般当温度达到200以后，摩擦系数开始下降，当温度达到树脂和橡胶分解温度范围以后，产生了摩擦系数的骤然降低，这种现象称为“热衰退”，严重的“热衰退”会导致制动效能变差，在实际应用中会降低摩擦力，即降低了制动作用。经过热衰退的摩擦片，当温度逐渐降低时摩擦系数会逐渐恢复至原来的正常情况，但有时也会出现摩擦系数恢复得高于原来正常的摩擦系数，即恢复得过头，对这种摩擦系数恢复过头，称为“过恢复”。 摩擦系数通常随速度增加而降低，但过多的降低不能忽视，我国汽车制动器衬片试验标准中规定制动力矩速度稳定性的要求。1.5.2良好的耐磨性 摩擦材料的耐磨性是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标，耐磨性越好，表明使用寿命越长。 工作温度是影响磨损量的重要因素。当材料表面温度达到有机粘结剂的热分解温度范围时，有机粘结剂如橡胶与树脂产生分解、碳化和失重现象，随温度的升高，这种现象加剧，粘结作用下降，磨损量急剧增大，称之为“热磨损”。 汽车摩擦片的耐磨性能指标，有多种表示方法，我国与国际的标准都有确切的法规。1.5.3具有良好的机械强度和物理性能摩擦材料制品在装配使用之前，需要进行钻孔、铆装、装配等机械加工，才能制成刹车片总成。在摩擦工作过程中，摩擦材料除了要承受很高温度的同时，还要承受较大的压力与剪切力。因此，要求摩擦材料必须具有足够的机械强度，以保证在加工或使用过程中不出现破损与碎裂。1.5.4制动噪音低引起制动噪音的因素很多，因为刹车片是制动总成的一个部件，制动时刹车片与刹车鼓（或盘）在高速与高比压相对运动下的强烈摩擦作用，彼此产生振动，从面产生不同的程度的噪音。就刹车片而言，造成制动噪音的因素为： 摩擦材料的摩擦系数越高，越易产生噪音。摩擦系数达到0.450.5或更高时，易产生噪音； 制品材质硬度高，易产生噪音； 高硬度填料用量多时，易产生噪音； 刹车片经高温制动作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又称釉质层，在制动摩擦时会产生高频振动及相应的噪音。 适当控制摩擦系数，使其不要过高，降低制品的硬度，减少硬质填料用量，避免工作表面形成碳化层，使用减震垫等以降低振动频率，可以减少和克服噪音。1.5.5对偶面磨损较小 摩擦材料制品的传动和制动功能，都要通过与对偶件即摩擦盘或制动鼓在摩擦中实现，这一过程中摩擦偶件相互都会产生磨损。要求作为消耗性的摩擦材料制品，自身应该尽量有小的磨损外，对偶件的磨损也小，这是良好的摩擦性能的特性。也要求在摩擦过程中，避免将对偶件即摩擦盘或制动鼓的表面磨成较重的擦伤、划痕、沟槽等过度磨损情况。摩擦材料除具有上述主要性能要求外，还有热膨胀、压缩性、缩水性、吸水性、粘结性等等一些性能要求。 1.6 摩擦热对制动摩擦副的影响摩擦制动器的实质是能量转换器或热交换器。摩擦制动副在很短的时间内把动能转换成热能。干式制动摩擦系统是由摩擦衬片、摩擦对偶件及界面第三体(界面膜、磨粒等)组成。 在载荷的作用下，摩擦部件产生了大量的热，摩擦热严重影响材料的物理及化学性能，是影响材料磨损机理的直接因素。在制动过程中，摩擦材料与金属对偶件间所产生的摩擦力可以使接触表面变形、粘着点撕裂，使硬质点或磨屑产生犁削效应，其影响程度与制动的各个参数、材料的性质、表面形貌以及环境因素等有关。大量的研究和试验表明:对于干摩擦及边界摩擦，在一定的压力条件下，摩擦系数和磨损率与最大表面温度之间有着明确的函数关系。速度对磨损过程的影响主要是通过摩擦温度而很少通过接触的流变性起作用。 同时，摩擦热还会影响材料的摩擦磨损性能。对于有机基衬片一金属摩擦副而言，摩擦表面温度场分布的不均匀性以及接触温度的过高会引起材料表面一系列的物理一化学变化(如热弹性不稳定性、材料的热降解、热变形等)。摩擦热引起衬片中的有机物组分发生热降解等一系列化学反应和物理作用，其反应速率随温度的升高呈指数增加。在接触界面形成转移膜，出现“制动热衰退”现象和“氢脆”现象，促进磨粒的形成，加剧材料的磨损。 一般来说，当摩擦表面温度不太高时，以粘着磨损、磨粒磨损为主;而在高温下，以粘着磨损、热疲劳磨损和热磨损为主。因此与摩擦热相关的热与热力学现象对摩擦副的摩擦学行为有着非常重要的影响。事实上，摩擦表面的接触温度及温度梯度集中反映了载荷、速度、摩擦系数、材料的热物理特性及耐久性、摩擦部件的设计尺寸和工作环境等因素对摩擦副的影响。1.7 本课题研究的主要内容 本文模拟矿井提升机的实际工况，设计摩擦磨损性能测试实验台，对闸瓦与制动盘之间的摩擦系数进行实验测试研究。本论文的主要工作如下：1） 通过对实际制动装置的结构和性能的介绍，阐述闸瓦的结构特点以及主要制动性能。2） 通过对实验台的工作原理以及加载方式的研究，确定实验台的总体设计方案3） 闸瓦性能测试实验台的机械结构设计对实验台的主要机械部件，包括主轴、飞轮、闸瓦制动装置、制动液压系统等进行设计，根据设计要求选取电动机、联轴器、传感器、轴承、液压站等部件。4） 摩擦磨损性能测试实验台的测量系统与电控系统进行设计根据试验要求，主要对主轴转速、制动力矩、摩擦副的温度和磨损量的测量方法进行研究，并设计出 整个实验台所需的控制系统。1.8 本章小结 本章阐述了制动器实验台的基本情况，介绍了盘式制动器的结构、优点，并对制动器摩擦磨损原理以及制动片的性能要求进行说明。第2章 实验测量装置的总体设计模拟矿井提升机的实际工况，设计摩擦磨损性能测试实验台，对闸瓦与制动盘之间的摩擦系数进行实验测试研究。2.1 实验台研制的主导思想1）能够模拟提升机制动器的制动过程；2）闸瓦在制动盘上的滑速能在范围内可调；3）能调节闸瓦的正压力以获得1Mpa的闸瓦比压，且装卸方便；4）各种被测参数能被自动的记录下来2.2 实验台的组成摩擦磨损实验台有以下几部分组成：1）实验台机械结构系统部分；2）实验台液压系统部分；3）实验台检测与控制部分；4）计算机控制系统2.3 实验台的工作原理及总体布置实验台的实验原理是将制动盘和闸块安装在实验台上，用转矩转速传感器检测制动力矩及制动盘的转速, 温度传动器和位移传动器检测摩擦片温度和摩擦片的磨损量，从而得到盘式制动器摩擦和磨损性能的数据，分析制动器的安全性和可靠性。实验时采用直流电动机作为该实验台的驱动设备,由飞轮来模拟载荷, 联轴器连接飞轮和实验台主轴，实现扭矩的传递，采用液压缸作为制动动力,以获得一定的闸瓦比压。因为传感器在实验前需要标定,而标定时为使轴不发生转动,产生误差,应闸住飞轮,采用液压缸来实现。为使受力均匀,轴向力相互抵消,采用双液压缸对称布置。如图2-1图2-1 实验台总体结构布置形式1、电动机 2、联轴器 3、飞轮、 4、固定支承 5传感器 6、制动盘 7、液压缸 8、闸瓦 9、液压泵第3章 实验台机械结构设计3.1 设计原始参数闸瓦比压：1Mpa测试速度(滑速):10m/s3.2 闸瓦试件的形状及尺寸的确定 （1）其设计应满足下表：温度摩擦系数磨损率 注:摩擦系数和磨损率两项同时考核。（2）冲击值应大于30.38 (3)布氏硬度应小于490（4）吸油率和吸水率在4小时内应小于1%（5）制动瓦的工作表面与衬板配合表面的平面度误差值每米应小于在0.3mm。制动瓦与衬板的配合度误差值在100mmx400mm时应小于0.4mm(6)制动瓦加工良好，不应有龟裂，起泡，分层，夹渣等压制缺陷。 因为制动盘作旋转运动而闸瓦固定于夹具上不动，为了便于测试时对转速和摩擦力矩的计算。因此将闸瓦试件的形状设计为以制动盘的轴心为圆心的扇形结构。如图所示：图3-1 闸瓦试件图 闸瓦为扇形结构，由于飞轮跟制动盘的半径较大，闸瓦扇形外圆半径取150mm,内圆半径取100mm,闸瓦弧度，所以闸瓦宽度为77.65mm,闸瓦试件长度为21mm。3.3 夹具设计 因为制动盘是作旋转运动，而闸瓦固定于夹具上不动，为了便于测试时对转速和摩擦力矩进行计算，因此将闸瓦试件的形状设计为以制动盘的轴心为圆心的扇形结构，根据闸瓦的形状设计夹具，夹具的长度和宽度配合闸瓦和飞轮（制动盘）的结构，再根据液压缸的尺寸结构来具体确定，在设计要求的闸瓦比压条件下，确定出夹具的厚度。如图3-2所示：图3-2闸块夹具1、上闸块 2、下闸块3.4 电动机的选型计算 电机选型主要依据实验中所需电机的功率和飞轮（制动盘）的转动惯量，也包括闸瓦所产生的摩擦力矩，即电机所产生的扭矩。 闸瓦产生的摩擦力矩： 其中：摩擦系数f=0.4,闸瓦比压Pa=1Mpa， , 所以飞轮和制动盘的转动惯量为：（1） 飞轮（2） 制动盘 (3)总转动惯量为 所以根据功率和转动惯量的计算数值，选用型直流电机，其额定功率为15KW，额定转速为1360r/min,惯量矩0.48，电机效率为81.2%。3.4.1直流电源的设计 本装置驱动电机为直流电机，而一般供给的电源为380V的交流电源。因此需要将交流转换为合适的直流，给电机供电。 转换原理:交流电源变压整流滤波稳压负载变压环节是将电网的交流电压换成所需的交流电压； 整流环节是用二极管把交流电压整流成脉动直流电压； 滤波环节可减小整流电压的脉动程度； 稳压环节用来稳定直流输出电压。3.5 轴的设计计算3.5.1 初选轴的直径(1)轴的转矩T：,其中：摩擦系数f=0.4,闸瓦比压Pa=1Mpa， , 所以 (2)确定轴的最小直径及校核轴选用45号钢，经过调质处理，轴的最大传递功率13kw,闸瓦作用时轴的最大转速为1360r/min,查机械工程学设计手册表4-2，取A=115，可得。因为轴上安装飞轮、轴承、联轴器等，因此要求轴径要与飞轮、轴承、联轴器的孔径配合，根据联轴器的孔径取最小轴径为40mm。其容许剪应力，剪切弹性模量，最大扭矩T=，长度杆的最大扭转角抗扭截面模量:综上所述，可选轴径d=40mm,分别满足强度和刚度条件要求。3.5.2 轴的结构设计根据实验台的总体布置要求，整个布置需要四根轴，分别定义为 电机轴、飞轮轴、传感器轴、制动盘轴电机轴与电动机相连接，通过向外传递扭矩，从而实现动力驱动。飞轮轴用于安装飞轮和滚动轴承，起到支撑和固定作用，同时也向后传递扭矩。传感器轴用来连接前两个轴，同时用于安装传感器。制动盘轴用于安装制动盘和滚动轴承，起到支撑和固定作用。 （1）按轴向定位要求，确定轴的直径和长度。（将轴从左到右分别定义为轴段、轴段、轴段）1）电机轴(如图3-3) 图3-3电机轴轴段 轴段的直径为，为了保证轴与直流电机的精确配合，考虑到实验台的总体布局，取轴长度为轴段 为了联轴器的轴向定位，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度为h=4mm,(h0.07d),而且要求与联轴器的配合。所以轴段的直径；为了便于拆转，轴的长度比联轴器长5mm,因此取2）飞轮轴（如图3-4）轴段 实验台要求与联轴器配合，所以轴段的直径取轴的最小直径；为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm，因此取图3-4飞轮轴。轴段 为了联轴器的轴向定位，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度h=5mm,(h0.07d)，所以轴段的直径为，考虑到轴段上要安装轴承，而且在实验台总体布置的要求，因此取。轴段 轴段是用于飞轮右端的轴环，取轴肩高度为h=8mm(h0.07d),因此轴环的直径,轴环长度取L3=10mm。轴段 轴段是用于安装飞轮和滚动轴承，轴承仅承受径向力，所以安装深沟球轴承，其直径为，考虑到安装飞轮和滚动轴承及轴承座的安装尺寸，因此取轴段的长度L4=135mm.轴段 实验台要求与联轴器的配合，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度为h=5mm,(h0.07d)，所以轴段的直径取轴的最小值；为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm,因此取L5=65。3）传感器轴(如图3-5)图3-5传感器轴 轴段 实验台要求与联轴器配合，所以轴段的直径取轴的最小直径，为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm,因此取 轴段 为了联轴器的轴向定位，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度h=5mm,(h0.07d)，所以轴段的直径为，考虑到轴段上要安装传感器，而且在实验台总体布置的要求，因此取。轴段 实验台要求与联轴器的配合，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度为h=5mm,(h0.07d)，所以轴段的直径取轴的最小值；为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm,因此取L5=65。4）制动器轴（如图3-6）轴段 实验台要求与联轴器配合，所以轴段的直径取轴的最小直径；为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm，因此取轴段 为了联轴器的轴向定位，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度h=6mm,(h0.07d)，所以轴段的直径为，考虑到轴段上要安装轴承，而且在实验台总体布置的要求，因此取。轴段 轴段是用于安装制动盘和滚动轴承，轴承仅承受径向力，所以安装深沟球轴承，其直径为，考虑到安装制动盘和滚动轴承及轴承座的安装尺寸，因此取轴段的长度L4=126mm.轴段 轴段是用于制动盘的右环取轴肩高度为h=8mm(h0.07d),因此轴环的直径,轴环长度取L3=10mm轴段 实验台要求与联轴器的配合，将轴段的左端制出轴肩，轴肩高度为h=5mm,(h0.07d)，所以轴段的直径取轴的最小值；为了便于拆装，轴的长度比联轴器长5mm,因此取L5=72。图3-6制动盘轴(2) 轴上零件的周向定位及倒角（圆角）尺寸电机轴：轴与联轴器的周向定位采用A型普通平键，按从手册中查到平键的截面尺寸，根据键槽的宽度，由键长系列中选取L=42mm,其配合公差为，轴端的倒角取。 飞轮轴：轴的两端与联轴器的周向定位采用A型普通平键，按，从手册中查到平键的截面尺寸，根据键槽的宽度，由键长系列中选取L=42mm,其配合公差为，轴与飞轮的周向定位也采用A型普通平键，其尺寸为，为了保证飞轮与轴有良好的对中性，取轴与飞轮的配合公差为，轴端的倒角取。 传感器轴：轴的两端与联轴器的周向定位采用A型普通平键，按，从手册中查到平键的截面尺寸，根据键槽的宽度，由键长系列中选取L=42mm,其配合公差为，轴端的倒角取。 制动盘轴：的两端与联轴器的周向定位采用A型普通平键，按，从手册中查到平键的截面尺寸，根据键槽的宽度，由键长系列中选取L=42mm,其配合公差为，轴与制动盘的周向定位也采用A型普通平键，其尺寸为，为了保证制动盘与轴有良好的对中性，取轴与制动盘的配合公差为，轴端的倒角取。 3.6 联轴器的设计 根据联轴器的额定转矩和最小轴径尺寸的要求，选择套筒联轴器, 选用轴径为40mm系列，其额定转矩710N.m,联轴器长L=120mm,平键尺寸,螺钉尺寸为，端部倒角为本实验台的传输扭矩不大，而且联轴器只受扭矩作用，其额定转矩为710N.m,闸瓦作用的最大转矩，远远大于实验台的最大转矩，所以联轴器的强度合格。图3-7联轴器3.7 飞轮的结构设计本实验装置采用直流电动机驱动，为是速度稳定，可在装置中安装一个具有很大的回转构件飞轮因为飞轮是用来模拟载荷，所以要求其有一定的质量和转动惯量，本实验台取飞轮的直径d=300mm，厚度L=50mm,边缘圆角r=5mm,转动惯量3.8 制动盘的设计 制动盘在实验台中是制动的对象，要求有足够的强度，根据实验台的整体布置取制动盘的直径d=300mm,轴径处厚度为L1=60mm,在满足强度和性能要求的情况下，为了节省实验台的空间和减轻重量，在d=100mm以外的部分取其厚度L1=20mm,边缘圆角r=5mm,转动惯量图3-8 制动盘3.9 键的设计计算 根据轴和联轴器的尺寸结构以及轴上传输扭矩的要求实验台各轴和联轴器的尺寸一样，所以各轴与联轴器的轴向定位采用A型普通平键，按d=40mm,从机械设计工程学查平键的截面尺寸。 根据轴与制动盘的尺寸结构，以及轴上传输扭矩的要求，轴与制动盘轴向定位也采用A型普通平键，其尺寸为，为了保证咒语制动轴与制动盘有良好的对中性，取轴与制动盘的配合公差为H7/r6。 根据轴与飞轮的尺寸结构以及轴上传输扭矩的要求，轴与飞轮周向定位也采用A型普通平键，其尺寸为3.10 传感器的选型 3.10.1传感器的选择原则设计开发传感器应用系统，要根据具体的应用场合、性价比、测试对象的要求等条件选用最适宜的传感器，一般依据以下几个原则 1）高的可靠性、强的适应性选用传感器时，要考虑传感器的精度、稳定性、响应速度、输出量及其电平、被测对象特性的影响、校准周期、过输入保护等其他各种不同的参数，同时传感器应用现场的环境复杂程度直接影响到测控系统的可靠性。因此，传感器应用系统的设计特别要考虑现场干扰、机械振动、噪声、粉尘、温度变化的影响。2）测量或控制的范围和精度不同的测量和控制对象，以及不同的应用场所，所要求的测量或控制的范围和精度是不一样的，所以设计时应确定最大测量范围，并保证在达到最大测量范围时，系统具备测量和控制精度的要求。3）高性价比根据系统的功能及性能要求，合理选择器材、元器件及相关的设备，以保证系统有极高的性能价格比。4） 结构简单，便于安装，使用和维护方便。3.10.2 实验台传感器的选择实验台要测出盘式制动器的摩擦磨损性能，应用转矩转速传感器检测制动力矩及制动盘的转速, 温度传动器。(1)转速转矩传感器的选型根据传动轴的最大扭矩，确定JCZ智能传感器，在其转速转矩传感器系列中，选用JCZ2型传感器。基本参数：额定转矩T=1000N.m，转速范围 (2)温度传感器的选型温度传感器选用贴片式铂电阻，铂电阻传感器共有三个，通过粘贴的方式布置在制动器的前端盖上。根据制动器端盖及摩擦副轴向位置、温度的回归方程可以方便的通过检测制动器端盖的温度，通过查表方式来计算摩擦副核心的温度，为同类型制动器的温度检测积累经验。3.11 轴承的计算选型分析知，实验台所选用轴承是用来支撑制动盘轴和飞轮轴，因为飞轮两边的轴承受力远小于制动盘两边的轴承，所以考虑制动盘即可。而其所受的力主要为径向载荷，是由闸瓦与制动盘之间的摩擦力施加的。由于是在制动盘两边同时施压，故对轴向影响相互抵消，轴承所受轴向载荷很小。根据以上工作特点，结合轴承的适用条件，选用深沟球轴承。以下参考机械设计进行设计计算：3.11.1 求当量动载荷Pr 因为轴承只受径向载荷的作用，所以选用深沟球轴承，在轴承型号未知的情况下，显然A/Re,查机械设计工程学表5-12得：X=1，Y=0，Pr=XR+YA=R飞轮的质量：制动盘的质量：制动盘两端的轴承承受的载荷较大，此处Pr=R137.5N。为了实验台的对称和协调，飞轮和制动盘处选用同种型号的轴承，当轴承在制动盘处满足强度和寿命要求是，在飞轮处也一定满足。3.11.2 计算轴承所需要的额定动载荷 因为轴承的工作温度不高，而且工作载荷只受轻微冲击，查机械设计手册可得ft=1,fp=1所以 式中，预设要求轴承寿命Lh=5000h,轴承转速n=1360r/min3.11.3 轴承的选型 查滚动轴承标准，选的6280型，r=29.5,显然满足强度要求，所以轴承合格。3.11.4 轴承座的计算选型 根据轴承和轴的尺寸结构选择SN210型轴承座 图3-9 SN210型轴承座3.12 实验台的结构设计 实验台的整体布置要求在尺寸结构合理的情况下尽可能占用空间小，体积小，美观可靠实用，由于该装置是实验台，所以要求其固定装置有较大的稳定性和抗震性。 实验台的支架采用角铁焊接而成，其尺寸为，实验台中央用于安装主轴及其配件，其水平侧面110mm处安装加压油缸，主轴下方的实验台台面使用厚度为5mm的铁板焊接，使实验台平整美观而且稳定，液压缸下采用铸铁作为衬垫使之调整到合适的高度，同时，利用液压缸与台面之间的空隙来安装轴承座，实验台下部焊接两竖向支柱和隔板，起到稳压作用，同时在距离地面100mm处焊接横向隔板，用于安装液压站。其左右两边做成抽屉和仪器柜，用于存放实验仪器和其他物件。图3-10 实验台3.13 本章小结 本章主要对实验台的实验台架进行设计，重点做了闸瓦及闸瓦夹具的设计、飞轮和制动盘的设计、电机的选型及传感器的选择；并对轴、键、联轴器及支撑轴承进行校核。第4章 液压系统的设计根据实验台的具体系统，要实现闸瓦比压为1MPa ，所以需要一个提供稳压的液压系统，系统中包括动力装置(液压泵)，执行元件（液压缸），控制元件（溢流阀，单向阀，换向阀）和辅助装置（油缸，压力表，过滤器等）。为保证测量的精确性和系统的稳定性,应使对称布置的两加压油缸同时动作,其油路可做并联布置。实验中,要求闸住制动盘的液压缸动作,而闸住飞轮的液压缸不动作。对传感器进行标定时,要求闸住飞轮的液压缸动作,而闸住制动盘的液压缸不动作。这种工作要求采用由同一回路并联两电磁换向阀来实现。本测试装置液压系统应满足: (1) 加压油缸保证在同一实验中压力恒定,且同一动作; (2) 力求设计出的系统重量轻,体积小、效率高、工作可靠、结构简单,操作和维护保养方便、经济性好。图4-1液压系统原理图4.1 加压油缸的设计选型及结构设计 缸筒是液压缸的重要零件，它与缸盖、缸底、油口等零件密封的容腔，用以容纳压力油液，同时也是活塞运行的轨道，所以在设计液压缸筒时，要正确确定各部分的尺寸，以保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力、缸外冲击力，缸筒内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和行程公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。 加压油缸的实际作用力 4.1.1加压油缸缸筒内径尺寸的设计计算查阅液压传动与气压传动可知，该液压系统执行元件工作压力P=1Mpa 查阅机械设计手册取D=50mm 即供油压力因为加压行程并不长，只需要闸瓦装卸方便即可。 加压油缸缸筒壁厚及外径设计 根据D=50mm，查阅机械设计手册，选择外径D1=65mm4.1.2 对所选壁厚进行验算 （1）额定工作压力Pn应低于一定极限值，以保证工作安全。 （2）额定工作压力应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性的发生。（3）缸筒径向变形应出在允许范围内。 对于工程机械，选用O型密封圈，材料为夹织物橡胶，其公称直径在00.18mm之间，查液压工程手册，得其允许的最大密封间隙 (4)验算缸筒爆裂压力4.1.3 活塞杆的设计计算活塞杆是液压油缸传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，因此，必须有足够的强度和刚度，其外端头与拖动机构连接，活塞杆在倒向套中滑动，采用H8/f7配合，其外圆粗糙度取0.3，其内端的卡环螺纹和缓冲柱都要保证与轴同心，而且在安装时不产生歪斜。液压杆的往复速比查机械设计手册-液压传动为=1.33；根据液压缸的直径D来确定活塞杆d的直径：根据以上计算查机械设计手册-液压传动选择轻型拉杆式液压缸的单活塞杆基本型缸内径，活塞杆直径为轻型拉杆式液压缸的结构特点：结构简单，制造和安装均较方便，按端盖与活塞均为通用件，但这类缸受行程长度、缸内径和额定工作压力等的限制。当行程即拉杆长度过长时，安装容易偏歪，致使缸筒端部泄露。缸筒内经过大或额定工作压力过高时，由于径向尺寸布置和拆装问题，拉杆直径尺寸受到限制，致使拉杆的拉应力可能超过屈服极限，因此这类液压缸通常适用于行程1.5m,缸内径250mm,额定工作压力Pn20Mpa4.2泵的选择4.2.1液压泵的分类图4-2液压泵分类简图液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动电动机及其联轴器等。其安装方式分为立式和卧式两种。液压泵是液压系统中的动力元件，它输出压力能。选择液压泵时要考虑的因素有工作压力、流量、转速、定量或变量、变量方式、容积效率、总效率、寿命、原动机的种类、噪声、压力脉动率、自吸能力等，还要考虑与液压油的相容性、尺寸、重量、经济性、维修性。转速关连着泵的寿命、耐久性、气穴、噪声等。虽然样本上写着容许的转速范围，但最好是在与用途相适应的最佳转速下使用。特别是用发动机驱动泵的情况下，油温低时若低速则吸油困难，有因润滑不良引起卡咬失效的危险，而高转速下则要考虑产生气蚀、振动、异常磨损、流量不稳定等现象的可能性。转速剧烈变动还对泵内部零件的强度有很大影响。寿命可以说是“在一定环境下能经济地维持所需性能的时间”。由于液压元件的特殊性，在完全相同的条件下使用的情况并不多见，失效分布往往不明确，寿命的估计很困难。制造厂提供的额定寿命数据，通常是根据泵内轴承的B10寿命（一组轴承中有90能达到和超过的工作小时数）和实验测得的磨损特性确定的。寿命还与暂载率有关。油液不清洁、安装不正确 （如轴上承受径向载荷）、使用不当（如频繁带载起动、长时间低速运行）等会使泵夭折，而降低参数使用可以延长泵的使用寿命。开式回路中需要泵具有一定的自吸能力。发生气蚀不仅可能使泵损坏，而且还引起振动和噪声，使控制阀、执行器动作不良，对整个液压系统产生恶劣影响。在确认所用泵的自吸能力的同时，必须在考虑液压装置的使用温度条件、液压油的粘度来计算吸油管路的阻力的基础上，确定泵相对于油箱液位的安装位置并设计吸油管路。另外，泵的自吸能力就计算值来说要留有充分裕量。液压泵是主要噪声源。在对噪声有限制的场合，要选用低噪声泵或降低转速使用。泵的噪声数据有两种，即在特定声场测得的和在一般声场测得的数据，两者之间显著不同。定量泵简单、便宜，变量泵复杂、贵，但节省能量。定量泵与变量泵分别有自己的适用场合。变量泵（尤其是轴向变量柱塞泵）的变量机构有各种形式：就控制方法来说，有手动控制、内部压力控制、外部压力控制、电磁阀控制、顺序阀控制、电磁比例阀控制、伺服阀控制等。就控制结果来说，有比例变量、恒压变量、恒流变量、恒转矩变量、恒功率变量、负载传感变量等。变量方式的选择要适应系统的要求，实际使用中要弄清这些变量方式的静特性、动特性和使用方法。各种液压泵的比较如表4.2所示。装缸机的泵站选用柱塞泵。柱塞泵工作压力高（常用压力为：2040MPa、最高可达80MPa），加工性好，配合精度高，密封性好，结构紧凑，效率高，流量高，调节方便，单位功率的重量小，寿命长。缺点是结构复杂，制造工艺要求较高，价格贵，油液抗污染敏感性强，自吸能力差，使用与维护要求高。主要适用于高压、大流量、大功率的系统，且流量需要调节的场合表4.2 液压泵的性能比较与选用性能外啮合齿轮泵双作用叶片泵限压变量叶片泵径向柱塞泵轴向柱塞泵输出压力低压中压中压高压高压流量调节不能不能能能能效率低较高较高高高输出流量脉动很大很小一般一般一般自吸特性好较差较差差差对油的污染敏感性不敏感较敏感较敏感很敏感很敏感噪声大小较大大大根据液压系统所需压力和流量的要求查机械设计手册-液压传动，本实验台选用外啮合齿轮泵CB-B型，排量为2.5125mL/min,压力为2.5Mpa,额定转速为1450r/min齿轮泵的结构特点：结构简单，工艺性好，体积小，重量轻，使用寿命长，但工作压力低，流量脉动和压力脉动较大，在高压下如果不采用端面补偿，会产生端面间隙泄露，使容积效率明显下降。二位四通阀的选择 在液压系统中，要实现闸瓦和夹具的往返运动，则需要液