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钢管水压试验机预密封系统设计,钢管,水压试验,密封,系统,设计
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成都理工大学2015届本科毕业设计（论文）钢管水压试验机预密封系统设计作者姓名：张文博 专业班级：机械工程及自动化三班 指导教师：郝兴安摘 要 钢管水压试验机是通过压力试验产品的特性指标的机器，主要通过压力的测定和耐压时间的测定对各种管件的耐压性能进行测试。在我国的钢管企业中被广泛用于测试产品的质量。 水压试验机试产品的流程如下: 通过送料装置将钢管送至水压试验机的预定密封处向冲水头和排气头两侧进行径向加压预密封向钢管充水排气开始增压保压一段时间后卸压两侧进行径向预密封卸压充水头和排气头退回钢管退出。其中预密封加压过程的完成的及时程度决定了试验能否成功。传统的水压实验设备在工作初始阶段由于泄漏会引起水压不稳定的问题，并且由于使用了传统的油液压装置，会对环境造成污染。本文通过对预密封系统进行了重新设计，采用新技术改进原有的试验机密封原理，并使用水液压代替油液压，使钢管水压试验机在对钢管进行水压试验时更加安全、高效从而提高该设备的可靠性。关键词：水压试验机 预密封 水液压30The System Design for Are-sealing of Steel pipeHydro-static Testing MachineAbstract:Steel pipe hydro-static testing machine is a machine by the characteristic parameters of pressure testing products. The compression properties of various kinds of pipe fittings performance test through the test of pressure and pressure time. It is widely used to test the quality of the products in our country. The testing process of the hydro-static testing machine is as follows:Sending steel pipe to reserve seal of hydraulic pressRadial sealing pressure Water filling exhaust Booster Holding the pressure Pressure relief Radial sealing pressure relief Exit the water headers and exhaust headers Exit the tube.The seal compression process is the key part witch determines the test success. Traditional hydraulic equipment reliability test equipment have some flaws.In the initial stage ofthe workof waterleakage will causethe instability problem, and the use of a conventional hydraulic system, causing pollution on the environment.This paper redesign the sealing system by using high-technology to improve the original principle, and use waterinstead of oil inhydraulic system. The new system makes steel pipe hydro-static testing machine for steel pipe during hydro-static test is more secure and efficient and the reliability of the device can be improved . Keywords：hydro-static testing machine Preliminary seal Waterhydraulic 目 录摘 要1第1章 前 言41.1 水压试验机的简介41.2 钢管水压试验机预密封的加压原理41.3 现有水压试验机工作原理的缺陷41.4 设计要求及目的5第2章 设计方案的确定72.1 预密封系统的设计方案的选择72.1.1 设计方案一72.1.2 设计方案二72.2方案的选择82.3 设计方案应注意的问题9第3章 预密封装置的设计和计算103.1 进行工况分析103.2 进行方案设计103.2.1 初拟液压系统原理及原理图103.3 计算和选择液压元件113.3.1柱塞缸的设计113.3.2活塞缸的设计113.4.3 其它元件的设计17第4章 元件的选用和校核194.1水液压泵的选型194.2电机的选择204.3 其它元件的选用204.4系统性能的验算224.2.1液压缸前进234.2.2液压缸后退234.3 油液温升验算234.4液压介质的处理254.4.1水的理化性质对设备的影响以及解决方案254.4.2结论26结论27致谢28参考文献29第1章 前 言1.1 水压试验机的简介水压试验机就是一种通过压力测定和耐压时间的测定对各种管件的耐压性能进行测试的机器。在我国水压试验机被广泛用于钢管企业测试其企业产品的质量。1钢管水压试验机的组成部分如下：1.钢管的传送系统；2.钢管的水路系统；3.钢管的油路系统；4.试验机的控制系统。钢管水压试验机的传送装置可以在测试前后输送钢管，水路系统可以在进行试验时对钢管进行充水，在被测钢管进行试验时，油路系统控制钢管两侧密封以平衡水油压力，控制系统则负责对整个设备的自动运行进行控制，与此同时还可以自动保存实验数据和管理历史数据。1.2 钢管水压试验机预密封的加压原理其加压原理如图1-1所示。首先在钢管被试验机的送料装置送至预定密封处后，预密封装置先对试压机上的密封装置施加压力，使密封圈发生变形后紧贴钢管外壁（起到密封作用），然后充水罐向钢管内注水；注水的同时，排气头排出水中的空气；注水完毕，主增压缸（器）的活塞杆伸出，对钢管内的水进行压缩（增压）；水压达到试验压力后，进行保压；在保压时间内，钢管管壁完好，水压波动在允许范围内，判定钢管合格；然后，卸压装置开启，对钢管内的高压水预卸压；然后进行试压的移动装置带动排气头与钢管分离。钢管的升降装置把钢管放到输送辊道上运走。在整个密封过程中高压蓄能器和封端蓄能器可以补充泄漏量直到测试钢管内的水压可以达到所需压力要求,钢管水压机的检测完成。21.3 现有水压试验机工作原理的缺陷 钢管水压试验机通过液压系统驱动实现增压工作,如液压系统存在缺陷,必然会对增压效果产生影响。现有水压试验机主要存在以下缺陷： 现有水压机预密封液压增压器为单作用的液压增压器，由于单作用的液压增压器工作方式存在间歇，流量脉动量大；在换向时，会停止压水，从而不能持续对密封的各处保持压力的输出，从而降低设备的可靠性。17. 换向阀图1-1钢管水压机的工作原理图 众所周知，液压利用的工作介质是液体。而水是最常见的液体，因此早期的液压装置所使用的介质一直是水。而随着20世纪人们对密封技术的进一步研究以及石油工业开始兴起，主要的液压系统的工作介质由原来的水变为了液压油和高水基乳化液，对于液压技术的发展而言是一次飞跃。矿物型的液压油理化性能也要优于原来的介质水。 液压系统和元件是一个工业过程中的重要组成部分。然而，由于在密封的过程中存在持续缓慢的泄漏，因此会对环境造成一定程度上的污染。在内泄漏发生的时候，过程中的损失一部分转化为热能，使系统液压油的油温上升，油温上升使液压元件工作的性能下降，严重的时候甚至会引发工作事故。这会对系统安全性产生影响，同时油液的浪费会对周围的生态环境造成污染。3 1.4 设计要求及目的 针对140mm-426mm钢管水压试验机，设计以水为介质的高压水动力预密封增压装置，要求：1.预密封装置的增压比1: 3，高压水输出流量为200L/MIN，预密封装置的输出压力为40MPa；2.保障水压试验机在试压时的压力稳定性；3.以水替代液压油作为工作介质，达到环保和节约成本的目的。需要解决的问题：1.预密封装置工作初始阶段由于泄漏引起的水压不稳定问题；2.如何应用水液压技术替代目前不环保、高成本的油液压系统。第2章 设计方案的确定2.1 预密封系统的设计方案的选择2.1.1 设计方案一1. 钢管 2.梭阀 3.主增压器 4.单向阀 5.溢流阀 6.蓄能器 7.预密封驱动缸 8.预密封增压缸图2-1水压试管机预密封的加压原理图方案一的工作原理如图2-1所示。首先当钢管被水压试验机的送料装置送至试验机的预定密封位后，预密封装置先对试压机上的密封装置施加压力，使密封圈发生变形后紧贴钢管外壁（起到密封作用），钢管内开始注水；当钢管中注满低压水时，压力油进入主增压缸3的无杆腔，缸3的活塞杆开始伸出对钢管中注入高压水，其中梭阀2起压力选择作用，确保在整个密封过程中密封处始终充满高压水，密封装置可以持续保持密封状态直到试压结束，蓄能器6可以补充密封过程中的泄漏量。2.1.2 设计方案二第二种方案的原理如图2-2所示。钢管水压机预密封的增压装置由柱塞缸和活塞缸两部分组成。增压装置是水压机的核心部分。为了高效快捷的得到符合压力的水压，一般采用液压增压的方式提高水压。把活塞缸和柱塞缸组成增压缸，并利用两者的有效面积不同，通过活塞缸的运动使增压缸中获得高压水，并将高压水注入钢管两端的预密封装置。钢管水压试验机在低压水充满被试钢管后，DT1通电，此时预增压装置开始向右侧运动，向预密封装置中注入高压水。在增压器的活塞杆即将运动到极限工作位置的时候，限位开关2会被撞块开启，DT2处于通电状态，此时预增压装置开始反向工作。当撞块碰到限位开关3的时候，预增压装置会再次换向。以此形成循环。这样就可以补充增压器在换向的时候由于水压的改变而产生压力的瞬间下降，从而使整个试验过程变得稳定。电接点压力表10可以测量预密封装置中的压力，当预密封装置的泄漏引起压力表指针低于最低点时，DT3通电，电液换向阀9开启，水液压泵1、2来补充泄漏量，当电接点压力表10的指针高于最高点时，DT3失电，电液换向阀9复位，从而确保预密封装置工作可靠性。1、2、3、4.限位开关5.预增压装置6、7.水液压泵 8.溢流阀 9.二位四通型电液换向阀 10.电接点压力表图2-2钢管水压试验机的预密封原理图本方案选择使用纯水压泵代替传统液压泵。2.2方案的选择方案一使用油液压工作，会对环境造成污染。在实际使用过程中,预密封时经常由于钢管两端面外形不规则无法完全密闭，有水外泄漏，导致预密封水压下降，预密封作用失效；此外，在试压过程中，若钢管两端有少量外泄漏，会导致试压的高压水压力下降和波动，影响试压的效果。当低压水充满试验机的钢管内的时候，开启增压装置向钢管内注入高压水。这个过程当中，由于在预密封作用下，密封圈同钢管内壁会在预密封压力作用下紧密的接触，但是当密封装置突然前后微动时候，由于摩擦力作用，可能会导致密封圈侧面同密封槽不再接触，严重时甚至可能从密封槽翻出造成预密封泄漏，从而导致加压失败。第一种方案增压的方式为间歇增压, 此种方式仅适用于泄漏量比较小的液压系统。方案二使用了双向的液压缸进行水的输出，由于可以连续输出高压水，工作过程不存在波动性，保证高压水的持续稳定输出，同时出于环保的角度使用水液压泵进行工作。而且相对传统的液压装置，水液压装置有很多优点： (1) 使用水不消耗稀缺资源，在液压油的更新方面成本会更低，同时在进行设备的维护和清洁上也比传统的液压油要方便。 (2) 它还能降低采购、储存和处理废液的成本。由于水的自身成本比较低，并且储存和运输的成本也不高，因此相对于其它的液压介质而言，使用水的经济性更高。 (3) 水的阻燃性能好，安全性高，特别是在存在明火的隐患时更显示出其优越性。因为水的压缩系数比传统液压油小，压缩的损失大约是传统液压介质的75%，因此也可对由于泄漏引起容积损失有一定的补偿作用，故纯水介质可使控制系统的执行器实现更准确的定位，对于增加钢管水压机工作的稳定性也有一定的帮助。 (4) 由于水的环保性好，因此纯水即使在工作时的真的发生泄漏也不会对环境产生污染。用水液压的元件和系统代替传统液压元件和系统，不仅节约了传统液压油，同时还可以避免污染，节约治污费，为人类创造一个美好的环境，并且在经济和社会两方面同时创造巨大的效益。 综合上面讨论应采取方案二。2.3 设计方案应注意的问题 水液压也有自己的缺点。当水的温度达到50时其粘度为0.551mm2/s，而传统液压介质的粘度为1570mm2/s，故水液压的液压泵的泄漏比传统液压泵大，这个问题一方面造成其容积效率降低，而另一方面也加大了装置密封间隙的流速，这会腐蚀硬度较低的金属从而让泄漏更加严重。 同时相对传统液压油水的润滑性较差，水自身所能够产生的润滑膜厚度仅仅有传统液压油的1/31/20，因此摩擦副没有办法达到液体润滑的要求，在高压的时候容易造成两个运动的表面进行直接的接触，加剧磨损，导致缩短泵的寿命。与此同时水的气蚀性较强，水的饱和气化压力数值比传统液压油要高出千倍，随着温度升高，水的气化压力上升迅速，因此纯水气化沸腾都比较容易。同时随着压力的进一步上升，水中如氯化物的杂质将会在材料的表面进行复杂的理化反应，也就导致了泵和阀等液压元件很容易发生水的气蚀现象。水的强腐蚀性会使材料表面发生变化，而磨损会变得加速。另外由于水的硬度和pH 值以及水中存在大量微生物，元件和系统也会产生一些影响。同时，纯水的工作温度为 350之间，比传统的液压油要小一些。 钢管水压试验机一般会用较高含水量的乳化液作为介质, 所以要保证试验机中直接与介质接触的装置表面具有防水功能, 最好是采用不锈钢材料。同时由于水压试管机使用的介质为水，要注意将水排出空气后使用，从而使增压过程稳定。4第3章 预密封装置的设计和计算3.1 进行工况分析 根据设计任务书的输出水量和输出压力数据进行设计计算，已知高压水输出流量200L/min，额定压力40MPa。3.2 进行方案设计3.2.1 初拟液压系统原理及原理图 设计方案的原理如图3-1所示。1、2、3、4.限位开关5.双出杆缸6、7.水泵 8.溢流阀 9.钢管 10.主增压器图3-1水压试管机的预密封装置原理图水液压线路p可以补充预密封装置的泄漏量，同时满足正常的液压工作。3.3 计算和选择液压元件3.3.1柱塞缸的设计1. 柱塞杆直径d的确定现已知额定压力为40Mpa，输出流量为200L/min。根据机械设计手册5的液压缸国家标准，预选定柱塞缸的柱塞杆直径d取200mm。速度v由式3-1可知： (3-1)其中q为输出流量，由于双出杆缸做法往复运动时都有输出，因此q取100L/min。F为系统所受压力。 （m/s） (3-2) （N） 由公式3-1得出：柱塞杆移动速度v=3.2mm/s。由公式3-2 得出：所受压力F=12560N。2. 柱塞缸厚度确定活塞缸缸壁厚度，必须满足： (3-3)其中为选用材料的许用应力为228.6Mpa，为1.5P 。通过公式3-3计算柱塞缸缸壁厚为30mm，材料选用35号无缝钢管。3. 柱塞缸的确定由前面计算确定出柱塞缸壁厚取30mm，内径取200mm，前后端盖厚取30mm，根据机械设计手册5的液压缸国家标准缸体长度取800mm。由与柱塞杆与活塞杆需连接工作，因此柱塞杆也一定有部分在外工作。则其长度取1000mm。缸径为210mm，行程按标准取750mm。根据JB/T 5122-1991标准，可选择CC1-F200800柱塞缸。3.3.2活塞缸的设计活塞缸为双出杆缸，已知增压比为1：3，输出高压水额定压力为40Mpa，则活塞缸内工作压力约为13.34Mpa，由于柱塞缸和活塞缸通过柱塞杆与活塞杆直接相连接，可以得出，活塞杆受力为F等于柱塞杆受力F，两杆运动速度V相等。 (3-4) =345（mm）由公式3-4可得活塞缸内径D取为345mm。双作用活塞缸进行往复运动的速比为： (3-5)d为活塞杆直径。速比的取值过小或者过大，可能会造成背压的值过大或活塞杆的直径太细，从而影响工作的稳定性。按照JB2183-77标准，一般情况下。用于本次设计的活塞缸工作压力较大，因此值取为1.6。 (3-6) (mm) 公式3-6可知d=211mm，根据机械设计手册5取标准值210mm。 （m/s） (3-7) 根据机械设计手册5液压缸的取0.9。 由公式3-7可得出活塞缸输入流量Q约为160L/min。1. 对活塞杆强度及稳定性的校核本次设计选用35号钢作为活塞杆材料。（1）活塞杆强度必须满足： (3-8)其中为材料许用应力为228.6Mpa。通过对公式3-8的计算符合机械设计手册5的要求。（2）活塞杆的稳定性校核，活塞杆必须满足： (3-9)当时： (3-10)当时， (3-11)式中：临界载荷；活塞杆的最小回转半径；柔性指数；活塞缸支撑方式觉得的末端系数；活塞材料的弹性模量。取24，l为安装长度，为活塞杆横截面的惯性矩，的取值由材料本身决定，公式3-11中取=4.9 N/，为系数，取3，为2，为85，E为2.06N/，Ea为1/5000。因此。因此活塞杆满足要求。3. 活塞缸厚度确定活塞缸缸壁厚度，必须满足公式3-3，其中为选用材料的许用应力，为1.5P 。同理通过公式3-3计算活塞缸缸壁厚30mm，材料选用35号无缝钢管。4. 活塞缸外径确定活塞缸外径由活塞缸的内径加上下壁厚之和得到，由壁厚为30mm，可得出此次设计活塞缸的外径等于405mm。5. 油缸端盖的密封和防尘圈活塞与活塞杆选用O形密封圈，该密封圈利用材料本身的弹性使橡胶环形圈能在静配合面和动配合面上紧密贴合，从而起到防止泄漏的作用。其结构简单制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，根据机械设计手册5可知活塞缸内径为210mm时O形圈截面直径为1.8mm,材料NBR+夹纤维。防尘圈选用橡胶圈FA形，内径为210mm时,其防尘圈厚度为6.5mm。6. 活塞缸缸盖厚度确定活塞缸，缸盖的厚度t的确定，可用以下公式进行计算：有孔时： (3-13)无孔时： (3-14)其中为缸盖止口直径，为缸盖孔的直径26mm。活塞缸的缸盖厚度取30mm，材料选取35号钢。7. 活塞缸行程确定活塞缸要长于柱塞杆，因此行程取1200mm。8. 确定活塞缸的最小导向长度最小导向长度H就是在活塞杆全部伸出的时候，活塞所在的支撑面和缸盖滑动所在的支撑面的中点距离。如果H过小，活塞缸的初始挠度会受到影响，从而使系统稳定性下降。一般情况下，H应满足： (3-15) 其中L为液压缸工作的最大行程，本次设计取1200mm。D为液压缸内径，取210mm。本次设计中H取 170mm。活塞的宽度B，一般取B=（0.61.0）D；根据机械设计手册5B可取200mm。9. 活塞缸长度确定一般情况下，活塞缸的行程同活塞的宽度的和为缸体的内部长度：L+H。内部长度与两端盖的厚度之和为缸体的外形长度。此设计活塞缸长度取1067mm。10活塞杆长度确定活塞缸体长度为1067mm，活塞宽度为207mm，活塞行程为1200mm，导向长度为230mm。因活塞到达缸底时，活塞杆还有部分仍在缸体外，则活塞杆长度取2600mm。11.缸体结构连接方式的选择及缸体材料的确定由于双出出杆缸的极限工作压力,因此使用35号钢作为缸体的材料，经过调质后符合241-285HB标准，本次设计中缸体采用法兰式连接。 技术要求： （1）缸体内径采用H8、H9配合，表面粗糙度Ra的值为0.3m，需经过珩磨处理，密封方式为O型橡胶密封。 （2）缸体圆柱度的公差值取8级精度，其内径d圆度的公差值选取10级精度。 （3）为提高使用寿命，在缸体表面应镀铬层，其厚度为30-40，缸体表面需要抛光处理。 （4）与的同轴度公差值为。 （5）缸体端面的垂直公差值及A、B两端面与轴心线的公差值选取7级精度。 （6）导向孔的表面粗糙度为Ra0.4m。 12.活塞 活塞与或是杆的连接形式：螺纹连接 活塞与缸体的密封：O型密封圈密封，圆形截面，材料为耐油橡胶，本次设计使用防水腐蚀性的橡胶密封活塞与缸体，如图3-4所示。图3-4O型密封圈示意图 活塞的材料：选用45号钢。 活塞的技术要求： （1）活塞的外径对内径的径向跳动公差值的精度等级为7。 （2）端面对内孔尺寸在轴线垂直度公差值的精度等级为7。 （3）外径的圆柱度公差值的精度等级为10。 活塞材料为QA19-4，外径公差为f8，内径公差为H9，采用基孔制，其加工精度h9，密封面粗糙度取值为，内孔与端面A、B的垂直度为，外径内径间同轴度为。 13.活塞杆的端部结构：外螺纹连接 端部结构尺寸 端部连接方式为螺纹连接，尺寸如下： 直径与螺纹M30，螺纹长为40。 活塞杆结构：活塞杆选用实心杆。活塞杆的材料：35号钢。 技术要求： （1）杆部圆柱度以及端面T垂直度的公差值精度等级为7。 （2）和圆度公差的精度等级为10。 （3）对的径向跳动值为0.01mm。 （4）螺纹的加工精度等级为7。 （5）杆件的表面粗糙度为m。 （6）活塞杆的表面使用乳白铬和硬铬的双层镀铬工艺，杆头位置开有夹头和导向角，其表面硬度大于HRC60标准。3.4.3 其它元件的设计1. 缸筒和缸盖的连接本设计缸筒和缸盖都选用35号钢，选用法兰式连接，结构简单，容易加工，拆装也容易，其结构形式如图3-6。1 缸盖，2缸体图3-6 法兰式连接3. 缸头与法兰的联结计算联结方式：螺栓联结螺栓的设计(1)计算每个螺栓的总拉力F6个螺栓在缸头上均匀布置，由公式3-16 （3-16）得F=1444（N）。其中为螺栓所受总拉力8664N。(2)计算直径缸头和法兰通过螺栓连接，由于会受到变载荷作用，零件的疲劳强度会受到应力幅的影响，因此需要符合疲劳强度的应力条件。 缸头法兰连接，连接螺栓的拉应力为：= （3-17） 其中为螺栓受到轴向变载荷最大值，切应力 = （3-18） 则，合成应力 =1.3 （3-19） 螺栓直径可按下式进行计算，即：= （3-20） 螺纹预紧系数 k=1.3，螺栓的个数 Z=6，材料的须用应力 = 296MP， 材料为45号钢，由公式3-20得取7.1mm。 查机械设计手册5，选M8。4. 缸头厚度的计算本次设计选用链接法兰的方式为螺钉联结，因此可按下式计算，即： （3-21）式中槽宽0.4mm，槽深0.8mm，W为O型密封圈的压缩率，取W=20%，即：=0.2 （3-22）得，为密封圈直径。 由公式3-21， h可取32mm。5. 法兰直径和厚度的确定法兰直径和缸头直径取同一值，为413mm。法兰厚度取。6. 缸体的固定此增压装置在高压强度下工作，选用固定式连接，缸体利用法兰用螺钉固定于基架上。 基架与基座选用钢材焊接即可。 7.活塞杆与柱塞杆的连接根据机械设计手册5可选用选用扁头与插头连接。根据之前计算，查找液压设计手册6选取符合要求的双出杆缸。其型号为CG350CD/200-1200A1002CGUVA。第4章 元件的选用和校核4.1 详细设计原理以及原理图详细设计方案的原理如图4-7所示。1. 梭阀 2.单向阀 3.二位四通电液换向阀 4.插装阀 5.单向阀 6.溢流阀 7.过滤器 8.截止阀 9.三位四通电磁换向阀图4-7 详细设计方案原理图其中插装阀4可以代替初拟原理图中的三位四通电液换向阀控制增压装置的正常工作。4.2水液压泵的选型确定水液压泵工作压力的大小 （4-1）式中： 水液压执行元件的最高工作压力；水液压泵与液压缸之间管路的总损失。在本系统中，最高压力是双出杆缸前进时的压力，。根据经验，管路简单而且工作时流速较小的取；取=（0.51.5）MPa。在水压机系统中选取所以可得出： 水液压泵工作时的输出流量由式4-2可知。 （4-2）式中： K系统泄漏系数，一般取K=1.11.3； 液压缸同时工作的最大总流量。系统中存在溢流阀时，要同时加入溢流阀最小溢流量的值，取。所以可得出： 选择液压泵的规格根据以上求得的和值，按照系统中拟定的液压泵的形式，为了使液压泵有一定的压力储备，对系统可靠性和使用寿命进行优化，一般选取液压泵额定压力的80%作为系统的正常工作时的工作压力，可得出泵的额定压力：由于液压泵的流量受工况影响，因此在选择液压泵流量时须要比系统工作时的最大流量还要大。与此同时，为了延长液压泵的使用寿命，要注意最高压力与最高转速尽量选择其一使用。根据以上所述，可选择由Danfoss公司生产的Goldcup系列的P14，最大流量229.5L/min，额定压力18.5MPa，最高压力42MPa，其控制功能集成化，此泵为水液压泵。液压泵的外形图如图4-8和图4-9所示。图4-8 液压泵站外形图图4-9 液压泵站外形图4.3电机的选择在水压机整个动作循环中，所需功率较大而且持续时间较长，为满足整个工作循环的需要，按较大功率段来确定电动机功率。由前面的计算已知，液压泵的压力为，由流量为排量转速的乘积，最大流量，由公式： （4-3）式中： 水液压泵工作时所受最大压力； 水液压泵的流量（）； 水液压泵的总效率，可以参考表4-5选择总效率为0.8。表4-5 液压泵的总效率液压泵种类螺杆泵齿轮泵柱塞泵叶片泵总效率0.650.800.60.70.800.850.600.75所以水液压泵的总驱动功率为：根据此计算数据，查阅机械设计手册5选取Y280M-4电机，其额定功率为90KW，额定转速1490rpm。4.4 其它元件的选用 应根据计算的系统工作压力与实际通过的最大流量选择阀件，所选择的阀件应有相应的定型产品。应按照已选水液压泵工作的最大流量选取溢流阀；同时节流阀的最小稳定流量要满足该节流阀经过液压缸的最低稳定速度。在控制阀流量的选择上要稍大于实际通过流量。根据之前计算，插装阀需要满足流量192L/min，同时需要满足额定压力为40Mpa。因此查Danfoss公司相关元件手册，选择型号为C1D08的插装阀，可满足工作要求。4.4.1水液压阀的选用由于本次设计使用水作为液压介质，因此元件选用Danfoss公司产品。 查Danfoss公司相关元件手册，可选用元件如表4-6。表4-6 元件表序号名称通过流量/额定流量/额定压力/型号规格1梭阀16019313.3KSF-50-L1X2单向阀16019335C4V033电磁换向阀80354D01-32464插装阀19235C1D085单向阀19235C5V066溢流阀19235R4V064.4.2. 连接管道以及油箱的选用 本设计为增压缸，工作压力为40MPa，工作压力大，工作介质为水，应选用能承受高压，价格低廉，耐氧化，抗腐蚀，刚性好的无缝不锈钢作为连接管道和油箱的材料。4.4.3. 过滤器的选用根据之前计算，过滤器需要满足流量192L/min，目标清洁度为NAS 9，因此查液压设计手册6，选择型号为YPH240-005W，可满足工作要求。4.5系统性能的验算沿程压力损失可由公式4-6，4-7算出： （4-6）其中，为阻力系数由经验公式可得，v为平均流速，为液体密度，水的密度为1g/cm3。 液体在直管中作层流流动时，由公式4-7及可得： （4-7）其中阻力系数理论值是 局部压力损失可由公式4-8算出： （4-8）其中为局部阻力系数，v为平均流速。由于阻力系数由管道的具体布局图确定，因此此处根据经验选取估算值，由前式计算速度确定。 发热升温验算，可根据公式 （4-9）算出，为油液升高温度40C，其中为单位时间输入的热量，V油箱有效容积。 整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。4.5.1双出杆缸前进双出杆缸前进过程中，油路总压降为： 此值不大，不会使压力阀开启，故能保证泵的流量全部进入双出杆缸。回油路上，液压缸两侧有杆腔中的油液的流量都是193.02L/min。由此可算出双出杆缸前进时两侧有杆腔的压力之差。 此值小于原估计值，所以是安全的。4.6 油液温升验算计算发热功率在系统的工作过程当中，功率损失会转化为热量。由于液压缸在前进和后退过程中，95%以上为匀速过程，因此在验算过程中可以忽略。液压缸前进时的有效功率： （4-13） 液压缸在前进时液压油经过阀类元件的总损失压力为：因此液压泵输出的压力为： （4-14） 液压缸前进时泵的总输出功率为： （4-15）液压缸前进时的总发热功率为： （4-16） 由于液压缸为双出杆缸，因此后退时的发热功率与前进时相同。液压缸整个工作循环的总发热功率为：计算散热功率前面初步求得油箱的有效容积为，按求得油箱各边之积： 取为1.25m，、分别为2m。由油箱散热面积公式： （4-17）可求得散热面积为：油箱的散热功率为 （4-18）式中 油箱散热系数，此处取； 油温与环境温度之差。由于油箱本身散热不能满足系统对于散热的要求，需要额外使用冷却器进行冷却。因此查液压设计手册6，选择型号为FL-10，可满足工作要求。4.7液压介质的处理水液压系统使用的水所指的不不是纯净水，而是经过加工过后的生活用水。因此液压介质必须要满足GB5750。通常来说未经加工的生活用水也可以看做纯水，但是经过水液压系统中一段时间的使用过后，生活用水的理化性质可能发生变化，从而影响到水液压系统的正常工作。4.7.1水的理化性质对设备的影响以及解决方案（1） 理化性质的改善 由于水本身的粘度只有传统化石液压油的1/30，润滑性能没有传统化石液压油的润滑性能好，因此为了避免由于水本身润滑性能的问题引起的泄漏量过大而对水压试验机的工作产生影响，因此要提高水的润滑性能。传统的乳化剂虽然可以提高水的润滑性能，但是由于乳化剂本身也会对环境造成一定的污染，因此出于环保的目的选择向水内添加对环境没有影响而且无色无味的水溶性和硅树脂以提高水的润滑性能。同时要减少水压系统中的间隙和公差，对液压介质中颗粒的大小进行控制，在现有工艺的水平上尽量将间隙减小到318-8m范围内，这样可以防止液压介质中的颗粒对水液压设备造成磨损。现有的解决方案是在泵的出口使用过滤精度能够达到要求的过滤器。（2） 排气 由于水中本身存在空气，因此随着压力的升高可能导致一定的空气排出，由于液压介质的不稳定而影响水压试验机本身的稳定性，因此可以通过降低气体在水中的溶解度来优化液压介质。常温水在50-60时会产生气泡，这是因为高温使得气体在水中的溶解度减小，溢出的氧气和二氧化碳气体形成气泡。因此可以在液压介质使用前增加温度使水中的气体含量减少，从而提高水压试验机的工作稳定性。（3） 微生物 关于水中微生物和杂质的处理，由于未经过处理的水中含有微生物和杂质，如果不进行处理，长时间使用未经处理的水作为液压介质可能会对液压元件造成损害，形成生物膜，对过滤器造成阻塞。液压介质本身也可能存在变质的现象。因此在使用前需要对液压介质使用活性炭过滤器进行预处理，由于活性炭有很强的吸附性，可以除去液压介质中的异味和有机物，同时也可以起到过滤杂质的作用，从而延长液压介质的使用时间，降低产品的维护成本。同时可以增加系统的液压介质的流速，同时利用化学方法调整水的PH值，使环境不适合微生物的生长。（4） 腐蚀性 水的腐蚀性可能对设备造成损害，从而影响水压试验机的使用寿命，可以通过加入缓蚀剂来抑制水对产品的腐蚀。同时由于水液压系统采用了不锈钢作为材料，而缝隙腐蚀和点腐蚀可能对不锈钢造成损坏，因此可以选择奥氏体作为零件材料。（5） 系统的清洁度 由于水液压元件在制造运输过程中可能在元件上涂抹有机物，因此在水液压元件开始使用前要用清洗剂清洗来保证元件的清洁。 同时水质参数应满足表4-7条件。表4-7 水质参数表参数取值pH值6.5-8.5Cl- 浓度(盐类)250mg/L硬度50总硬度250mg/L (以CaCO3 计)微生物有机体22: 100个/ml固体颗粒直径 10m结论本次设计成功的解决了由单作用增压缸输出高压水压力波动引起的钢管水压试验机预密封失效问题，并以水代替传统液压油作为液压介质，不仅降低了设备的维护成本，更重要的是水作为介质比传统液压油对环境更加友好。既符合了可持续发展的原则，又能降低设备工作时的风险。本次设计在设计使用元件时使用DENISON丹尼逊公司的产品，该公司的元件针对水作为液压介质从材料和结构上进行了优化，可以满足钢管水压试验机使用水作为介质稳定工作所需要求。同时由于增压缸由标准件构成，因此节省了额外制作研发的成本，同时方便维护、修理和设备的替换。钢管水压机的预密封设计的设计是整个水压试验机设计的一部分，它的任务是根据水压机的用途以及自身的特点和要求，在液压传动的基本原理的基础上，确定改进的预密封方案，同时经过对数据的计算来确定该系统的各项参数，最后通过这些参数选用合适的液压元件完成系统的整体结构设计。本设计根据钢
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