毕业设计（论文）-10T液压拉伸试验机设计.doc

10T液压拉伸试验机设计10T Hydraulic Tensile Testing Machine作者姓名：专业名称：机械工程及自动化指导教师：学位类别：论文答辩日期： 2015年 6 月 13 日授予学位日期： 2015年 月 日论 文 评 阅 人：摘要摘要拉伸试验机在现代工程中非常常用。无论是民用工程机械、汽车、船舶乃是军工、航天乃至到外太空探索，无不需要材料作为设备建设的基础。因而，拉伸试验机的应用则尤为重要。现在市面上所见到的拉伸试验机大多以电机驱动，无法输出较大的试验力，在夹持方面多使用手动夹持，无法克服因拉伸力变化引发的打滑现象。此外，当今的试验机大多不重视拉伸过程中的对心问题，使得试验受拉伸方向的影响而失去精度。本课题以理论分析为主，以CAD技术以及仿真技术为辅助，全面设想并设计一种新型的液压拉伸试验机，其输出力可达到10T，即100kN。鉴于拉伸力比较大，若以电机驱动恐怕有所不足，因而改用液压缸进行拉伸。并且液压结构相对简单，能避免复杂的电器元件。考虑到整机的布置，为避免两液压缸不同步的情况，此处采用单液压缸进行拉伸。在夹具方面，着重加强定位与夹紧。定位方面采用v型块定位，夹紧则以改进的圆锥液压楔形夹头进行夹紧。在此过程中可保证定位与夹紧均可达到预期效果。在夹头对中方面加入球形自动定心机构。使得拉伸试验进行过程拉力方向与试件轴线始终为统一直线，有效避免因为轴线不重合引起的误差。关键词：液压、拉伸、定位、对中全套图纸加扣 3012250582ABSTRACTAbstractTensile testing machine is common in modern engineering. Whether civil engineering machinery, cars, ships are military, aerospace and even outside space exploration, all the need for the construction of equipment materials as the foundation. Therefore, the application of tensile testing machine is particularly important. Now on the market see the tensile testing machine mostly to motor drive, unable to output the large test force, in the clip to more use of manual clamping, unable to overcome the INLA drafting changes caused by slippage. In addition, most of the test machines do not pay attention to the heart problem during the stretching process, so that the test is affected by the tensile direction and lose the precision.This thesis is based on the theory analysis, CAD technology and simulation technology, and design a new hydraulic tensile testing machine, its output power can reach 100kN, that is, 10T. In view of the tensile force is relatively large, probably inadequate in terms of driving motor, thus to hydraulic cylinder stretching. And the hydraulic structure is relatively simple, can avoid complex electrical components. Taking into account the layout of the whole machine, in order to avoid the two hydraulic cylinder is not synchronized, the use of a single cylinder for stretching.In the jig, the emphasis is to strengthen the positioning and clamping. The location positioning V type block, with tapered wedge clamping hydraulic chuck clamping were improved. In the process, the positioning and clamping can be ensured to achieve the expected results. In the aspect of adding spherical chuck automatic centering mechanism. The tension direction of the tensile test and the axis of the specimen are always uniform, and the error caused by the axes is avoided.Keywords: Hydraulic、Tension、Positioning、Right目录摘要1Abstract1目录2第一章 绪论11.1课题背景以及意义11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究意义11.2国内外发展现状及课题发展前景21.2.1国外发展现状21.2.2国内发展现状与展望31.2.3传统试验机的不足之处51.3课题研究内容与目标6第二章 夹具体设计62.1夹头结构设计72.2夹头的有限元仿真分析72.3夹具体结构设计12第三章 拉伸功能的设计与实现133.1液压缸的选择与设计133.1.1初选液压缸的工作压力133.1.2对液压缸主要几何尺寸计算133.1.3液压缸的性能计算153.1.4液压缸结构参数的计算153.1.5液压缸的联接计算173.1.6缸体各类主要零件结构，材料以及技术要求173.1.7活塞杆的导向、密封和防尘193.1.8液压缸的排气装置193.1.9液压缸活塞杆的有限元分析193.2液压泵的选择27第四章 油路设计与阀的选择294.1阀的选择294.1.1液压控制阀的分类294.1.2液压阀的选择294.2控制油路的设计30第五章 其他配套液压元件的设计与选用325.1油箱325.1.1油箱设计对各部分的要求325.1.2油箱的设计注意事项325.1.3油箱容量计算以及温升验算335.2液压装置的结构设计345.2.1选择液压装置结构形式345.2.2液压元件的配置形式345.2.3管路连接方式345.3液压装置结构设计及安装中的注意事项355.3.1液压装置的布局355.3.2液压油的污染控制355.3.3液压装置的振动、噪声及其防止措施365.4管路365.4.1管子内径的计算37第六章 结论与展望40致谢41参考文献42I第一章 绪论第一章 绪论1.1课题背景以及意义1.1.1 课题研究背景如研究题目所言，此处设计内容为液压拉伸试验机，其输出力可达到10T，即100kN。从广义上来讲，对某种材料或者是产品输出到市场进行应用之前对它的性能按照预定的要求与期望进行测试检验的机器都可以叫做试验机。由此很容易理解，能实现这一功能的仪器都可冠以试验机之名。当然不排除别的书中将其呼作拉力测试仪、拉力机、拉力检测器等五花八门的名字。而对于具体的材料试验机，则是在各种不同时间空间与环境下对各种常用材料以及工程设计件各方面性能进行测试的仪器，输出测试所得数据以便进行研究。所测试材料的机械性能多为以下所列出的几种类型：拉伸、压缩、弯曲、剪切、蠕变、持久、松弛、扭转、冲击、疲劳、磨损、硬度等，不一而尽。为了发掘出能行之有效服务于主流科技与应用的新型材料和结构，材料试验机的重要性自然显得不言而喻，不可或缺了。而对于大量材料，拉伸是一个基本而常见的过程，工件或者产品因拉伸强度不够而损坏的例子比比皆是。因而拉伸试验机在诸多试验机相关产品之中，紧握龙头之位。掰指细数至今，我国试验机发展亦足60多春秋。从最初的以仿制国外产品开头，诸多汝硬度计、机械振动台、摆锤式试验机等结构简单、精度与现在相比略逊一筹的检测仪器，一直延续到今天各种超声波探伤机，放射射线探伤仪、纳米级别的高精度实验装置等等林林总总的高科技产品，硕果累累，一时间若是细数，倒是难以说尽。现在是21世纪，我国试验机的发展虽然未能称为数一数二，但是说句蒸蒸日上，如日中天倒是不为过。对计算机技术、测量技术、微型电子电路技术、数字化技术以及各种新型传感器技术的快速创新突破，带动着我国电子拉伸试验机，高频疲劳试验机，微电子控制液压拉伸试验仪、大吨位电动振动台以及各种硬度测量装置的发展打开一道道大门，在多个阶段之间进行飞跃，此中也孕育出了更多的新型产品，比如趋向于多通道，多自由度协调发展的力学性能测试系统和实际工况模拟系统此种先进产品之类。此等种种，均为我国试验机产业前进与推广铺下了长久的行进之路。拉伸试验机的分类方法很多，在此无谓一一列举。比如按照力学性能试验进行划分，大致便是分为两大种：静态拉伸试验机以及动态拉伸试验机。静态力学性能测试设备的关键技术一直在突破，其成果甚为可观，略见一斑。比如从电子拉伸试验机、微机控制液压拉伸试验机等控制技术中就可看出此一惊人的突破。基于全数字化技术的新型拉伸试验机进入市场，以及基于DSP技术的动静试验机控制器研制成功，彰显着我国动态力学性能测试设备的飞速发展，也说明了在这一领域我国已迈进了新的阶段。 1.1.2 课题研究意义为在工业生产与各种工程设计中确保各类机器、车辆、船舶以及其他结构物设计的正确与安全工作，必须以材料试验机作为其中一关键验证工具。在实际设计过程中，力求令各种工程设计能以最经济的价格获得最安全使用的质量，亟需以材料的机械性能作为依据选择最佳的材料，以免多余浪费，抑或是导致引发严重的事故。要预先对所考虑的不同材料获得其准确的拉伸性能测试数据，则需要用到拉伸试验机。无论是普通民用工业生产，还是特殊的军工航天工业生产，为求产品的质量要求如预期所料，多需要对各式各样的材料以及零部件进行检验与测试。比如某些关键的热处理零部件，如轧钢机的钢辊、汽车的连杆和机器的主轴等等，都需要经过严格的硬度检定，以确保其使用安全。以上列出的数条已经足以阐明材料试验机的发展对机械、建筑、冶金、船舶、航天等工业部门在合理设计工程结构、节省材料、优化产品质量、改良工艺以及节约成本方面占有紧要的一席之地。所以，对于材料机本身而言，其各方面不见得设计或选型都极为重要，环环相扣，不可忽视。此外，因为科学技术领域对材料试验机产生较大依赖，比如真空技术、高温技术、光学技术、液压技术、电子技术和激光技术之流，并且用于各类测试、记录和显示仪器，从而材料试验机的技术前进道路，往往对许多科学技术领域的水平有着极其明显的依赖，同时也为其所阻碍。主流的试验机型号多为液压式和机械式。考虑到前者使用液压驱动，相对来说便于提供大载荷，其发展前景在现代重工业，乃至未来高科技工业，都有着广阔的发展空间。1.2国内外发展现状及课题发展前景1.2.1国外发展现状如下所列为国外四大著名的试验机生产厂商：德国的Schenck、美国的MTS，日本的岛津和英国的INSTRON。德国的Schenck公司UPM液压试验机利用速度控制器对力矩电机进行控制操作，从而对压力控制阀施加压力以达到控制的效果，此过程中加入计算机处理和控制功能。其控制方式相对来说还是比较传统的。日本的岛津公司研发出来的UDH系列的试验机能分为手动与自动两种操作，同样具有计算机控制和数据处理的功能。其机种覆盖范围广，系列性能优越，然而自动化程度低反而成为其难以忽略的劣势，在此处也多为抓襟见肘。美国的MTS公司研发了NEW81a系列主机，其特点在于对伺服液压缸的滑动表面进行过非金属喷涂处理的工艺，借此减小了其摩擦阻尼。其电控系统主要是MTSTESTSTAR试验系统和MTSTESTLINK试验系统，前者参与控制，只需要给定PID的具体参数，便可以TESTLINK连接到计算机进行处理。可惜此一控制的非线性区控制能力稍有几分欠佳，因而无法实现控制方式的平滑切换。英国INSTRON公司研发的1190系列、1100系列以及日本岛津公司研发的Dss系列和AG-X系列试验机中搭载着当时最新的计算机以及多种功能附件，使得其精度与可靠性均远远地超于兄弟产品之上。2000年前后期间，INSTRON公司在其研发的5500系列电子试验机上搭载了微软公司的Windows图形界面系统以及Morlin标准软件，大幅度提升了其产品的性能。再如英国INSTRON公司研发的HTV液压试验机，此种试验机量程小，造价高昂，在我国工业范围内推广较为缓慢。此处列出上述的部分产品以供参考。德国Schenck UPM试验机美国MTS试验机英国INSTRON试验机日本岛津试验机1.2.2国内发展现状与展望自五十年代后期，我国液压试验机研发生产开始起步，借鉴德国Schenck公司研制的手动控制UPM系列液压拉伸试验机开始研发生产属于我国的特有产品。比如国内各地试验机生产厂家研制的YA系列万能试验机和WE系列拉伸试验机大多都采用手动控制系统。操作过程都是手动加载与卸载，利用传统的摆锤进行力的测量，以度盘显示数值。这一类型设备的测量精度不高，范围也不甚够大，一旦试件产生变形或者位移将无法对其进行速率控制。此外由于设备中采用了摆锤结构，其惯性引起的误差对实验结果造成不小的误差，精度上难以保证。此种相关产品在发展进程中经已渐渐淡出，市场被更为先进的其他产品所占有不少。但由于此产品价格便宜、易于维护，在总体市场份额上仍有不小的一席之地。以求使得测量精度不受摆锤影响而得到提升，国内某些实验厂家开始向电子测力方向着手研究。此类型的试验机着力于在测力系统和数据显示以及统计分析方面作出改进和创新，多数以工业控制机进行数据采集与处理。在控制系统以及长期可靠性方向已经开始慢慢取代万能试验机。 坐落于吉林省长春市的试验机研究所研发的WAW系列微机控制液压试验机机能有6个档位的测量范围，并且能对金属拉伸实现等速控制的功能。其自动换挡方式借助于继电器和模拟放大器进行实现，在实现平滑换挡以及其可靠性方面，还是略为有点不足之处。此外，除了国内自主研发，也有不少试验机厂致力于额和外国先进的试验机制造商联合开发能实现自动控制的液压拉伸试验机。比如上海华龙测试仪器厂曾引进日本岛津技术，研发了WAW-Y系列微机控制的电液伺服拉伸试验机；济南试验机厂引进德国DogI公司生产微机控制电液伺服万能试验机的技术，开发出自己的产品。当时引进的试验机可以实现闭环控制，不失为一大亮点，只是其控制方式难以灵活组合应用。若是试件材料刚度发生变化，控制性能则变得无法随之适从改变。其复杂的调试与困难的操作，普适性也欠缺，并且其高昂的价格也非一般使用群体所能承受。 自从改革开放之后，尤以1995年到2010年这段时间里，国产的拉伸试验机技术水平越发提升得明显与迅速。在质量方面改善尤为明显，新出的产品触痛雨后春笋般涌现，在现代工程科学应用与研究的各个方面，此一产品的踪迹也可略见一斑。液压拉伸试验机的试验对象已经从开始的基本的材料试件延伸到零部件，乃至整机以及生产系统等重要场合，其试验场所也从原来的研究所、高等学府延伸到企业、质检、施工现场乃至到宇宙空间的概念领域。试验方式也大有发展，从单个离散方式的时间发展到批量测试、连续测试、自动测试、原位测试等等，其实验理论与技术相辅相成，互相促进。在试验理论方面，伴随工程理论研究与工程性能试验的快速发展，我国在应用到试验机上的方法与技术也有着不间断的进步和创新。时至今日，由于科技的飞速发展以及对外贸易的开放，在我国沿海地带的各种小型机械厂如同雨后春笋般涌现，相对而言，液压试验机的也随之得到发展。无论在技术上以及性能上都得到了飞跃。价格也相对降低，从1万到20万均有。被各类研究行业、高校等广泛接受。规格型号WEW-600GWEW-1000G最大试验力600kN1000kN量程全程不分档 ，分辨率0.1kN全程不分档， 分辨率0.1kN测力范围4%-100%FS4%-100%FS试验力示值相对误差1%1%变形精度0.5%FS0.5%FS拉伸空间1000mm1000mm压缩空间600mm600mm夹持方式自动夹紧自动夹紧圆试样夹持直径11.11;12.7;15.24mm11.11;12.7;15.24mm上下压板尺寸160mm160mm拉伸空间两支柱距离450mm450mm主机外形尺寸72058023508906602500净重2600Kg3500kg1.2.3传统试验机的不足之处对传统材料试验机进行分析，可见其不足主要如下所列：（1）难以确保对角度以及位移测量的精度。现代位移测量系统主要应用磁栅、光栅、球栅和容栅等诸如此类的栅式测量系统以及感应同步器，确定位置和材料延伸率多基于增量测量方法，精度达到0.11um，速度可达16m/s；传统试验机多以游标卡尺人工测量为主，甚至有用滚筒进行粗略记录，难以满足当下的精度要求。（2）数据人工生成。人工读取获得的数据毕竟有所精度限制，在时间上也有所延迟，数据的汇总和分析耗时耗力。（3）通过机械的有级调速进行速度调节，以开环控制来控制速度，无法构成转速闭环。（4）无法对材料的弹性模量E、屈服强度、硬化指数n和塑形应变比r等参数进行测量。然而实际上当前主流的计算机控制材料试验机和多功能材料试验机、万能材料试验机等机器的实验原理并未出现实质性的变化，其被控对象以及对控制效果的要求均比较类似。计算机控制材料试验机主要是把计算机辅助测试（CAT）、高精度的位移传感器、具有液压伺服或者交流电机伺服驱动、数据采集与控制装置等引入到控制系统上。1.3课题研究内容与目标本课题设计一种能输出10T（即100kN）拉力的拉伸试验机，并且能在夹紧过程与拉伸过程中自动定心，保证试件轴线跟拉伸方向均处于同一直线上，以获得最为精确的拉伸试验数据。针对本设计需要实现的每一个功能，在此作出如下详细叙述：（1） 本试验机以液压系统作为辅助，最大可输出100kN的拉伸力。此一功能将通过液压换向阀、油箱、液压泵、液压缸等液压系统元件来实现。相比于传统拉伸试验机，这一设计可避免复杂的电路结构。（2） 本试验机在夹具上进行了定位与夹紧的改进，能严格控制试件的具体定位。此一功能将以改进过的液压楔形夹头进行控制，有效改进传统试验机因手动夹紧带来的试验误差。（3） 采用球头自动定心结构，使得试件轴线与拉伸力始终保持在同一轴线上，以避免因不同轴而产生的弯矩对试件的影响。（4） 利用力传感器与位移传感器对拉伸过程进行实时监控，在一定周期间隔内向电脑输出数据挥出拉伸力走向图，得出试样具体的拉伸属性数据。摒弃传统的纸笔记录拉伸曲线这种不精准的记录方法。39第二章 夹具体设计第二章 夹具体设计在拉伸实验中，设计试验机的夹具是其中不可忽视的一大环节。夹头的定位、夹紧与加工精度均对试验产生不可忽视的影响。传统拉伸试验机的夹头多有两种。一种直接利用u型结构卡住试件，使得试件得到固定。然而这种方法并不能完全保证试样轴线与拉伸方向同轴，误差难以避免。另一种则是利用手动夹紧的方式以施加夹紧力以夹持试件。然而在拉伸过程中随着拉伸力增加，初始加载的夹紧力提供的摩擦力将不足以维持试样的夹紧，从而使得试验数据受到影响。此外，仅仅利用摩擦力对试件进行夹紧则需要特别大的工作压力，对夹头的寿命影响较大。2.1夹头结构设计夹头设计如图所示。一个夹具里有一对夹头，整机包含两个夹具。夹头上部分的棱孔为定位机构，相当于短V型块，限制试件2个自由度；下部分圆孔对试件过渡处进行限制。两个夹具（4个夹头）可限制试件5个自由度。这一结构设计简单，价格低廉，加工替换方便。2.2夹头的有限元仿真分析夹头在夹具体中作为关键的一部分，是主要受力的零件。因而在此利用Catia软件的GAS进行有限元分析，检验设计方案的可行性。网格划分：实体尺寸节点13307分子8358元素类型：连接统计TE108358（100.00）单元质量：标准良好穷坏最差平均伸展8358（100.00）0（0.00）0（0.00）0.3430.645长宽比8083（96.71）275（3.29）0（0.00）4.3491.831材料钢杨氏模量2E + 011N_m2泊松比0.266密度7860kg_m3热膨胀系数1.17E-005_Kdeg屈服强度2.5E + 008N_m2边界条件图1结构计算节点数：13307元素的数量：8358自由度数：39921联系关系的数：0运动关系的数：0抛物线四面体：8358负荷计算应用负载产生的：FX=9.471e-016FY=-1.923e-014FZ=7.997e + 001MX=1.456e-006NXMMY=-4.642e-001NXMMZ=-1.981e-016NXM刚度计算行数：39921系数数：1569081块数：4每个阵营系数的最大数量：499998总矩阵大小：18.11MB奇异性计算当地的奇异数：0翻译奇数：0旋转奇号：0产生约束类型：MPC约束计算限制数量：2634系数数：0因式分解的数量限制：2634系数数：0递延数量限制：0分比计算方法：稀疏工厂化程度的数：37287超级节点数量：1965架空指数数：282504系数数：17169642最大宽度前方：2196最大规模前：2412306在工厂化基质的大小（MB）：130.994块数：18MFLOPS的数量分解：1.868e + 004MFLOPS的数量解决：6.886e + 001最小相对转动：1.775E-001最小和最大支点值自由度节点X（毫米）Y（毫米）Z（毫米）7.3601e + 007TX90961.8509e + 0003.0496e + 0014.3738e + 0014.3886e + 009TX83544.1326e + 0013.1431e + 0011.2790e + 000最小的支点值自由度节点X（毫米）Y（毫米）Z（毫米）7.9350e + 007TY90961.8509e + 0003.0496e + 0014.3738e + 0017.9420e + 007TZ7203.3245e + 0013.4790e + 0011.5759e + 0018.5228e + 007TZ90953.1680e + 0003.2486e + 0014.3870e + 0018.5428e + 007TY7213.0000e + 001-2.8967e + 0013.3393e + 0019.1558e + 007TX7213.0000e + 001-2.8967e + 0013.3393e + 0011.0238e + 008TY90681.3953e + 0003.3050e + 0013.6899e + 0011.1325e + 008TX66711.0314e + 001-5.6633e + 0002.4178e + 0011.2081e + 008TZ7243.7148e + 0013.4856e + 0018.0117e + 0001.2337e + 008TZ7304.6891e + 0012.4478e + 0012.6409e + 000平移支点分配值百分比10.E7 - 10.E81.6091e-00210.E8 - 10.E92.5529e + 00110.E9 - 10.E107.4455e + 001直接法计算组件应用力反应残留相对幅度误差FX（N）9.4715e-0161.1036e-0121.1045e-0125.6427e-013FY（N）-1.9227e-0141.3174e-0131.1251e-0135.7480e-014FZ（N）7.9972e + 001-7.9972e + 0014.9738e-0132.5410e-013MX（NXM）1.4555e-006-1.4555e-006-7.8952e-0167.4891e-015我的（NXM）-4.6420e-0014.6420e-0014.9072e-0144.6548e-013MZ（NXM）-1.9810e-016-1.3051e-014-1.3249e-0141.2568e-013静态情况变形的网格划分图2静态情况冯米塞斯应力（节点值）图3静态情况平移位移图4由上述分析可见，最大应力处并未超过夹具材料的许用应力，因而此设计方案符合要求。2.3夹具体结构设计考虑到夹具需要定位与夹紧，定位已经由夹头部分完成，夹紧机构如图所示。其中1为球头定心轴；2为液压芯轴；3、4、5构成液压缸外壳；6为夹头连接轴；7为夹头。A、B为油腔。工作方式：当需要装夹试件时，往B腔灌入高压油，液压缸外壳相对于固定的液压芯轴向下移动，此时可人工手动移动夹头，使之分别向垂直于纸面的内外方向移动，让出夹持试件的空间；夹持后，6、7由于重力下落，试件被定位；此时B腔高压油压出，A腔高压油进入；液压缸外壳相对于液压芯轴向上移动，使得7沿着5的内曲面移动被夹紧，此时试件夹紧完成。拉伸试验开始后，由于球头1与液压芯轴2之间留有空隙，球头旋转使得拉伸方向与试件轴线始终处于同一方向上。第三章 拉伸功能的设计与实现第三章 拉伸功能的设计与实现3.1液压缸的选择与设计3.1.1初选液压缸的工作压力系统整机设计是否合理，很大程度上取决于液压缸工作压力的选择。首要满足的条件自然是满足负载要求，除此以外还需要周全到装置的性能要求以及达到最大的经济效益。倘若为液压缸初选的压力比较高，则应当适当减小选择的液压元件的尺寸，使得结构更为轻巧与紧凑。其惯性负载的影响因此能在启动与加速时减小，便于实现高速运动。然而过高的工作压力，同时也对系统的密封性能有着更高的要求，在制造方面更显得有难度，液压装置的使用寿命也随之缩短。不仅如此，高压容易引发构件较大的弹性形变，且容易诱发工艺系统的振动。对于本拉伸试验机的液压缸选择设计，按照负载为10T，即100kN选择。参考液压传动与气压传动P122表6-3依照负载对液压缸选择其工作压力，初选p=6.5MPa。（1）液压缸的安装方式参考机械设计手册液压传动与控制分册P23-174表23.6-19选择无缓冲式双作用液压缸即可满足使用要求。（2）液压缸的安装方式由于本方案液压缸只需要实现轴向运动的功能，参考机械设计手册液压传动与控制分册P23-176表23.6-40选取法兰型安装方式，初选定尾部法兰安装方式最为合适。（3）液压缸的设计计算方案1）根据主机的运动要求，按照机械设计手册液压传动与控制分册P23-176表23.6-39选择液压缸的类型。按照机构的结构要求，按机械设计手册液压传动与控制分册P23-176表23.6-40选择液压缸的安装方式。2）针对主机分析其动力与运动，选定所需液压缸的主要性能参数及其尺寸。比如液压缸输出的推力、速度、作用时间以及缸筒内径、活塞杆行程和活塞直径等。3）设计液压缸的结构，在此处依照所选定的材料与工作压力进行。譬如液压缸缸体壁厚、缸盖结构、密封形式、缓冲及排气等。4）液压缸性能的验算。3.1.2对液压缸主要几何尺寸计算液压缸的主要几何尺寸包括有液压缸的内径、活塞杆直径d和液压缸行程s等。（1） 液压缸内径D的计算工程上可借鉴以下所列方法确定液压缸的内径D:从强度的角度出发，依据液压缸的载荷力以及输入到系统的压力来求解液压缸内径；从运动的角度出发，依据对执行机构的速度要求以及选定的液压泵流量来求解液压缸内径。鉴于本设计对拉力有要求，因而以前者进行选择：式中：D液压缸内径（m）；F液压缸推力（kN）；p选定的工作压力（MPa）。此处，因而算得D=140mm。参考机械设计手册液压传动与控制分册P23.173表23.6-33选择推荐的液压缸内径D=160mm。（2） 活塞杆直径d的计算工程上可借鉴以下所列方法确定活塞杆的直径径d:从强度的角度出发，依据液压缸的载荷力以及输入到系统的压力来求解活塞杆直径；从运动的角度出发，依据对执行机构的速度推拉比以及选定的液压泵流量来求解活塞杆直径。考虑到本设计着重在力方面，对机械构件强度的要求更为严格，因而选择后者。工作过程中，活塞杆匀速运动，处于稳定的运动状态，在受力上仅仅承受轴向载荷，因而其直径设计按照简单的拉压强度计算即可。此时式中 活塞杆材料的需用应力（MPa），当使用碳钢作为活塞杆的材料时，=100120MPa；此处F=100kN，=100。由此计算出d=36mm。鉴于本设计活塞杆不受弯曲作用，故在此不考虑弯曲，查机械设计手册液压传动与控制分册表23.6-34取d=70mm。（3） 活塞杆行程的确定对于活塞杆的行程s，此处依照整机的运动要求来计算确定。本试验机采用的试样标准为国家标准（GB6397-86），如下表列出金属拉伸比例试件的尺寸：试件标距长度L0横截面积A0圆试件直径d0表示延伸率的符号比例/长短11.3A0或10d0任意任意105.65A0或5d0任意任意5本实验以国家标准规定的拉伸试件长比例试件标准，如图所示,实验段直径d0=10mm ,标距l0=100mm低碳钢拉伸试件考虑到工程材料的延展率一般多在80%附近，因而参考机械设计手册液压传动与控制分册表23.6-35选择液压缸标准活塞行程第一系列s=100mm。3.1.3液压缸的性能计算（1） 液压缸的输出力单杆式液压缸可输出的最大拉力为：F液压缸拉力（kN）p2工作压力（MPa）A2液压缸有杆腔作用面积（m2）,其中此处p=6.5MPa，D=160mm，d=70mm。由此计算出F=105.68kN，在100kN以上，符合要求。（2） 液压缸的阻力式中：F1作用在活塞杆上的工作阻力（kN）；F2液压缸在起动、制动或者换向时的惯性阻力（kN）。液压缸加速起动的时 候取正值，减速制动的时候取负值，等速运动时为零；F3除液压缸外设计系统中其他运动部件的摩擦阻力（kN）；F4运动部件的自重（kN），对于立式设备，上行取值为正数，下行取值为负 数；F5液压缸活塞与活塞杆处的密封摩擦阻力（kN），一般反映在液压缸的机械 效率；F6回油背压阻力。 此处由于工作拉力足够，阻力可以忽略不计。3.1.4液压缸结构参数的计算液压缸的结构参数主要包括液压缸缸筒的壁厚、进出油油口的直径、液压缸缸底的厚度以及其缸头厚度等等。（1） 缸筒壁厚的计算此处直接参考机械设计手册液压传动与控制分册P23.192表23.6-59工程机械用液压缸外径系列根据缸径D=160mm，p16MPa选择液压缸外径194mm。由此可根据求出缸体厚度，即缸体厚度=17mm。（2） 液压缸油口直径的计算液压缸油口直径应该参照活塞最高运动速度v以及油口最高液流速度v0两参数而确定式中d0液压缸油口直径（m）；D液压缸内径（m）；v液压缸最大输出速度（m/min)；v0油口液流速度（m/s)。此处可查机械设计手册液压传动与控制分册P23.209表23.6-73选择油口直径为25mm。（3） 缸底厚度计算本设计采用缸底为平型缸底，缸底不设置油孔式中：h缸底厚度（m）；D液压缸内径（m）；py试验压力（MPa）；缸底材料的许用压力（MPa）。此处D=160mm，py=1.5p，=100MPa。由此得出h=22mm。（4） 缸头厚度计算考虑到在液压缸的缸头设置了活塞杆的导向孔，因而计算缸头厚度的方法和缸底厚度的计算略有不同。本设计在此采用螺钉联接式法兰，计算如下：式中：h法兰厚度（m）；F法兰受力总和（N），其中d密封环内径（m）；dH密封环外径（m）；p系统工作压力（Pa）；q附加密封力（Pa），如果使用金属作为密封材料，q值应取其屈服点；D0螺钉孔分布圆直径（m）；dcp密封环平均直径（m）；法兰材料的许用应力（Pa）。此处，。由此算出F=138987N，h=20mm。考虑到现有的缸缸头厚度可取大一点以方便设置油孔，取h=50mm。3.1.5液压缸的联接计算（1） 缸盖联接计算此处连接缸盖和缸体的方法为螺栓联接。螺纹处的拉应力，其中K为螺纹拧紧系数。静载情况下取K=1.251.5，动载情况下取2.54.此处考虑动载情况取K=2.5。Z为螺栓数。合成拉应力与切应力，n=89.8MPa。（2） 活塞与活塞杆的联接计算若以螺纹连接的方式连接活塞杆与活塞，可计算活塞杆危险截面（螺纹退刀槽）处的拉应力，此处d166mm，则可求出=73.07MPa，其n=1.3=95MPa。3.1.6缸体各类主要零件结构，材料以及技术要求（1） 缸体1） 缸体的材料液压缸的缸体一般多选择20钢、35钢或是45钢的无缝钢管作为材料。鉴于20号钢不能调质，其力学性能也相对不高，因此应用不甚广泛。倘若缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，考虑到对焊接性能要求相对较高，应该选用35钢为宜，粗加工以后需要进行调质处理。在大多数场合，多以45钢为主，并进行调质处理，使其强度达到241285HB。制作液压缸缸体毛坯时，采用铸钢、锻钢或者是铸铁作为材料均可考虑。铸钢可采用ZG35B等材料。铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或者球墨铸铁。若有特殊场合，也可以考虑以铝合金材料进行制作。2） 缸体的技术要求A. 缸体内径采用H8、H9配合。表面粗糙度：如果使用橡胶密封圈对活塞与缸体之间进行密封，Ra为0.10.4m；若活塞采用活塞环密封，Ra为0.20.4m。且均需珩磨。B. 可以依照9、10或者11级精度对液压缸缸体内径D的圆度公差进行选取，其圆柱度公差值则需要依照8级精度选取。C. 应按照7级精度对液压缸缸体端面选取垂直度公差值。D. 若液压缸缸体与缸头使用螺纹联接，螺纹应该取用6级精度的米制螺纹。E. 若缸体安装时需要销轴或是耳环，孔径D1或者轴径d2的中心线对缸体内孔轴线的垂直度公差值应该按照9级精度选取。F. 对缸体内表面应该镀上厚度为3040m的铬层可达到阻止腐蚀以及提高寿命的效果，镀铬后应该对该表面进行抛光或者珩磨。（2） 缸盖1） 缸盖的材料液压缸的缸盖可以选用35、45号锻钢或者ZG35、ZG45铸钢或者HT200、HT300、HT350铸铁等材料。当以缸盖本身用作活塞杆的导向套时，应该选用铸铁作为材料最佳。对于导向表现应该进行黄铜、青铜或是其他耐磨材料的熔堆处理。如果采用把导向套压入缸盖的方案，应选取耐磨铸铁、青铜或者黄铜作为导向套材料。2） 缸盖的技术要求（应该有图）A. 直径d（基本尺寸同缸径）、D2（活塞杆的缓冲孔）、D3（基本尺寸同活塞杆密封圈外径）的圆柱度公差值，应按9、10或11级精度选取。B. D2、D3与d的同轴度公差值为0.03mm。C. 端面A、B与直径d轴心线的垂直度公差值应该按照7级精度选取。D. 导向孔的表面粗糙度为Ra125m。（3） 缸体端部联接形式缸体端部联接采用法兰连接。此种方法特点在于结构简易，便于加工，容易装卸，应用范围广。然而其径向尺寸较大。质量比螺纹连接大。对于非焊接式法兰的缸底端部而言，应该进行镦粗处理。（4） 活塞1） 活塞的材料液压缸活塞常用材料多以灰铸铁（HT300、HT350）、耐磨铸铁、钢（有的在外径上套有尼龙66、尼龙1010或是夹布酚醛塑料的耐磨环）以及铝合金等为主。2） 活塞的技术要求A. 活塞外径D对于内孔D1的径向跳动公差值应该按照7、8级选取。B. 端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值应该按照7级精度选取。C. 外径D的圆柱度公差值应该按照9、10或11级精度选取。3） 活塞与活塞杆的联接方式此处采用螺纹联接。4） 活塞与缸体的密封结构由于液压缸缸体与其活塞之间存在相对运动，另外需要保证液压缸的大腔与小腔之间不能漏油连通，因而对其具体的密封结构需要作出谨慎的考虑。此处采用O型密封圈密封。此种密封方式性能甚佳，有较小的摩擦系数，需要的安装空间也不是很大。(5) 活塞杆1） 活塞杆端部结构参考机械设计手册液压传动与控制分册P23-180表23.6-44选择外螺纹结构。2） 活塞杆结构活塞杆有两种类型：空心活塞杆与实心活塞杆。此处选用实心活塞杆。3） 活塞杆的材料实心活塞杆材料为35、45钢。此处选择45钢。4） 活塞杆的技术要求A. 活塞杆的热处理：在其粗加工后对活塞杆进行调质处理，使其硬度达到229285HB，若有必要，应该再进行高频淬火处理，使其精度达到4555HRC。B. 应该按照9、10或者11级精度分别选取活塞杆d和d1的圆度公差值。C. 应该按照8级精度对活塞杆d的圆柱度公差值进行选取。D. 活塞杆d对d1的径向跳动公差值应是0.01mm。E. 应该按照7级精度对端面T的垂直度公差值进行选取。F. 一般来说，应该对活塞杆上的螺纹依照6级精度进行加工；如果在机械振动比