毕业设计（论文）-电液伺服拉伸试验机设计.doc

电液伺服拉伸试验机Electro hydraulic servo tensile testing machine作者姓名：高庆源专业名称：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：未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日摘 要摘 要随着我国经济的飞速发展，工业的发展也越来越受到重视。一个国家对零部件的实验技术和能力几乎代表着一个国家工业发展的水平。拉伸试验机可以提供一种模拟实际工作情况的测试，电液伺服系统在现阶段可以很好的满足试验机实验精度的控制要求，电液伺服试验机已经成为各个国家重要发展的对象。本文首先对试验机的整体做了一个介绍，对液压缸、液压元件、油箱做了整体介绍。通过查阅机械设计手册，机械设计师手册等相关资料计算，并校核了相关零部件。对各个零件在整体布局中的安装和连接方式也做了详细的介绍和说明。最后可以通过详细的计算，确定各个零部件的参数，选择设计最合理的零部件。将选定的零部件通过确定的连接结构，安装在一起，并通过调试，可以做出达到一定要求的电液伺服拉伸试验机。关键词： 电液伺服系统，拉伸试验机，液压全套图纸加扣 30122505823ABSTRACTAbstractAlong with the rapid development of our country economy, the development of the industry is more and more attention. The experimental technology and ability of a country to spare parts almost represents the development of a countrys industry. Requirements for tensile testing machine can provide a to simulate the actual working condition test, electro-hydraulic servo system at this stage can be very good to meet the test machine of experimental precision control electro-hydraulic servo testing machine has become an important development in various countries.In this paper, the overall introduction of the experimental machine, the hydraulic cylinder, hydraulic components, fuel tanks made an overall introduction. Through the access to the mechanical design manual, mechanical designer manual and other related information, and check the relevant parts. The installation and connection of the parts in the overall layout are also introduced and explained in detail.Finally, the parameters of the parts can be determined and the most reasonable parts are selected by the detailed calculation. The selected parts can be determined by determining the connecting structure, and through debugging, and can reach a certain requirements of the electro-hydraulic servo tensile testing machine.Keywords: electro hydraulic servo system, tensile testing machine, hydraulic pressure目 录目 录第1章绪论11.1研究背景及意义11.2拉伸试验机国内外的发展情况21.2.1国外的发展情况21.2.2国内的发展情况31.2.3国内外试验机的技术对比51.3电液伺服控制系统概述61.3.1电液伺服系统控制结构61.3.2电液伺服系统控制特点和研究发展历史61.4设计内容和方案71.4.1设计内容71.4.2电液伺服系统控制结构71.4.3设计方案7第2章液压缸的设计与选型92.1液压缸工作压力的确定92.2液压缸主要几何尺寸的确定92.2.1液压缸内径D和活塞杆直径d的计算92.2.2缸筒壁厚和外径的计算122.2.3液压缸工作行程的确定132.2.4液压缸油口直径和缸盖厚度的计算132.2.5最小导向长度的确定142.2.6缸体长度的确定152.3液压缸结构的设计152.3.1缸体和缸盖的连接形式152.3.2活塞杆和活塞部分的结构形式152.3.3液压缸的缓冲装置162.3.4液压缸的排气装置172.3.5液压缸的安装连接结构172.3.6液压缸主要零件的材料和技术要求172.4活塞杆稳定性验算182.5本章小结20第3章液压系统元件的选择213.1液压系统的设计计算213.2液压系统中各元件的选择213.2.1液压泵和电动机的选择213.2.2联轴器的选择223.2.3液压介质的选择233.2.4阀的选择233.3管路的设计243.3.1管路的种类核材料243.3.2油管尺寸的确定243.3.3油管接头的选取253.3.4液压管路的连接方法253.4本章小结25第4章油箱的设计274.1油箱容积的确定274.2油箱结构的设计284.3油箱附件的选择294.3.1液位计的选择294.3.2吸油管处滤油器的选择294.3.3精滤油器的选择294.4本章小结30第5章机械系统整机设计分析31第6章总结与展望37参考文献39致谢41I第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景及意义工业生产中的各式各样的材料、零部件也是需要的，以至整个构件可能都需要在经过拉伸实验后确定它们的力学性能。在科研人员了解这些性能之后，也许有可能使设计更加合理。想使用更加可靠的话，那也只有通过实验，没有别的办法，也只有这样才能知道性能优劣。拉伸试验机如果说作为一种在实验室内提供典型拉伸条件或者说是模拟再现环境，用来对各类工程装置或设备机械力学性能的标准试验设备进行检验和评价，在国民经济发展中那可是占有相当重要的地位的啦，就是它发展水平的高低在一定程度上也反映了一个国家具有什么样的工业水平，所以说世界各国都很重视也抓紧了零部件的试验技术和试验系统的研究开发工作。拉伸试验机有机械式的，但是因为出力小、结构复杂且难以结合计算机实现自自动编程，一旦制造以后就无法根据具体要求进行更改，还是很麻烦的，国民的经济发展好了，对试验机也有越来越高的要求了，像上面说的那种试验机在真正的研究中受到很大的局限，已经不怎么使用了。然后就是因为电液控制系统出力很大、又很快的响应的优点，它不仅具有电气控制的那种灵活性、比较好的快速性和较高的控制精度，他还有液压控制的大功率操作这种能力，而且还能和计算机联接，以此来进行各种复杂的控制和数据处理，很高级所以应用很广泛。所以说电液控制就会在试验机这个大家庭中获得愈来愈多的应用。电液伺服这种系统具有很多优点的：响应速度很快、控制精度也很高、抗负载的刚度也高、控制方式还很灵活等优点，其应用当然就会范围很广，尤其应该在各类材料试验机，环境模拟实验装置啦这种领域应用十分广泛，是眼前时期响应速度和控制精度都高人一等的一类伺服系统。可能不知道电液伺服这类的控制技术最先产生于强大的美国的，后来可能是因为其响应速度快，精度高的原因吧，很快很快就在工业界得到了大量普及。电液伺服系统当然是以液压动力元件作为他自己的执行机构的了，根据的是负反馈这种原理，使系统的输出能够跟踪给定信号的很厉害的控制系统。它不仅能自己自动、准确、快速地弄出输入信号的变化规律，而且能自己对输入量进行变换与放大，作为这个领域的一个很重要研究对象，电液伺服这种系统的设计理论和方法受到控制学科的指导和启发也就没断过，发展历程也是经历了线性控制过渡到非线性智能控制。目前存在的问题是： 应用方面的非线性系统理论没有什么经验，对像这种控制策略设计，稳定性的分析以啦及非线性和智能控制理论方法在实际应用中存在的局限性啦，一直都在有针对性的研究。另外，需要告诉的是，虽然电液伺服这种系统中的非线性因素，比如说温度、死区、库仑摩擦等这些东西都会对控制系统的设计、产生不同程度的影响，但是这些非线性因素的影响在多数条件下还是远远赶不上负载干扰的影响大，还有就是现在对死区、库仑摩擦的分析和处理，已经有了比较成熟的处理方法和结果，比如说相平面法，描述函数法等都是。1.2 拉伸试验机国内外的发展情况国内外的试验机设计人员及科技人员一直在对试验机设计流程、夹具精度、驱动方法等设计领域的不同方面进行研究，其成果已经部分应用于新拉伸试验机的研发过程当中。1.2.1 国外的发展情况英国早在1880年已生产了杠杆重锤式材料试验机，在1908年又生产螺母、螺杆加载的万能试验机。这些试验机可进行材料的拉伸、压缩、弯曲和扭转等试验，但它们的结构复杂、体积庞大、操作繁琐，只能进行静态试验，目前已被淘汰。约在90年前，瑞士的Amsler公司开发了液压万能试验机，它利用液压油的压力对试件加载。这种试验机操作方便、作用力大、结构简单、体积紧凑，至今这种试验机仍在生产和使用。它能进行各种静态试验，但在加载的过程中不能进行控制。在加载情况不同时所测得的数据将有差别。因此，目前国际上和我国的试验标准都规定了试验时需在恒速率、恒负载速率和恒变形速率控制下进行试验，在这种情况下，原有的液压万能试验机已面临更新换代的命运。国外已开发了在它原有的基础上增加电液控制部分的电液控制液压万能试验机。这种试验机能满足试验标准所规定的要求。电液压万能试验机出现的同时，在原有双螺母、螺杆试验机的基础上还发展了电子万能试验机。这是用伺服电机控制，经减速器减速后驱动二根螺杆转动，相应的螺母使横梁移动，从而对装在横梁及底座上的试件施加。这种试验机调速范围广、精度高。国外试验机同行在电液伺服技术的应用和研制起步较早，自二十世纪50年代中期以来就先后生产了各种使用电液伺服系统的试验机，如美国mts、英国instron、瑞士amsler、德国sehench和日本岛津等公司都先后研制成功各种电液伺服试验机（如图）。Zwick液压万能试验机H系列 Instron拉力试验机 高温材料试验机 岛津EZTest拉力试验机各种夹具图21外国试验机1.2.2 国内的发展情况国内电液伺服试验机的发展按照产品发展时期的特点大致划分成两个阶段：即自主发展阶段和与国外合作发展阶段。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE二十世纪70年代末期到二十世纪90年代初期，国内的电液伺服试验机都是以自主开发为主。主要是集中在国内几个有实力的试验机厂家，如长春试验机研究所、长春试验机厂、红山试验机厂和济南试验机厂等。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE这个时期的主要代表性的产品有：f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE1983年长春试验机研究所研制的2000kN电液伺服岩石压力试验机，该设备采用高压容器作为围压，模拟试样的真实受力情况。是三轴动静试验机的代表性产品，并首次把计算机引入电液伺服试验机的控制。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE1984年长春试验机研究所研制的3000kN电液伺服双缸卧式拉力试验机。该项目中首次应用静压支撑技术，成功地在两个卧式伺服油缸上实现静压支撑。另外，还首次应用了伺服同步技术，实现双缸系统的同步跟踪和精确定位。双缸的同步精度达到了0.03mm。该产品标志着国内静压支撑技术和双缸系统的同步技术已经成熟。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEf3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE1985年长春试验机厂研制的200kN电液伺服动静试验机，在国内首次采用高压无齿夹头和横梁预应力锁紧技术。是标准动静试验机的典型代表产品。1986年长春试验机研究所研制出小型随机电液振动台。1987年长春试验机研究所研制的1MN电液伺服大型结构试验机，这是当时研制的国内最大吨位的电液伺服试验机。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEf3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE红山试验机厂同期已经研制出国内第一台拉扭电液伺服动静试验机，首次集拉压与扭转试验于一体。该产品标志着国内拉扭传感器技术、扭转摆动缸技术及拉扭合成试验技术已开始应用。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE这个时期研制生产的电液伺服试验机的技术特点是：f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEa.在测控系统，随着数字电路技术和计算机技术的发展，开始从模拟控制向模数混合式控制方向发展，并开始将计算机技术应用到控制系统中。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEb.应用了伺服同步技术，实现双缸系统的同步跟踪和精确定位。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEc.研制出低阻尼、高响应、长寿命的静压支撑动态伺服油缸。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEd.利用增压技术，实现高压无齿夹头和横梁预应力锁紧。f3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTEf3V中国热处理技术网 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE随着电液伺服技术的成熟，国内试验机厂家利用电液伺服技术开始从单纯的材料试验向更广泛的多应用试验领域方向发展。如长春试验机研究所面向新材料研究领域开发的国内首台“电液伺服双轴四缸试验机”和“电液伺服显微观察试验机”解决了国内材料研究领域的特殊需求，填补了国内空白；面向汽车零部件试验领域开发的 “电液伺服减振器性能和疲劳试验台”、“电液伺服方向盘性能及疲劳试验台”、“电液伺服扭转疲劳试验机” 和“X-Y电液伺服双轴向振动台”等。 长春试验机研究所产品 长春试验机研究所四立柱试验机YDL系列万能试验机 高频疲劳试验机图22我国的试验机代表1.2.3 国内外试验机的技术对比三十年来国内电液伺服试验机的发展取得了长足的进步，但与国外试验机同行相比，特别是与美国MTS公司及英国的Instron等这样的大牌公司相比较差距还是很大的，特别是在高技术试验应用领域方面还无法与国外同行相抗衡。不论是在技术手段和产品品种方面都存在很大的差距。表1 1国外与国内动态伺服控制器的对比功能及指标 美国 MTS公司TeststarII控制器 长春试验机研究所PLS 控制器控制器类型 数字式模拟和数字混合式 频率范围0.0011000Hz0.001100Hz测量通道扩展方便、通用性强。 具有自动调零、自动标定和多点线性修正功能。自动调零、自动标定 控制参数PID设置 具有一般和高级PID参数自整定功能手动调节，辅助控制功能、相位补偿、幅度补偿、频率反向补偿、 任意波形补偿、前馈控制 幅度补偿从上面列出的指标中看到，MTS公司的电液伺服试验机最高频率目前可以达到1000Hz，比国内电液伺服试验的频率高一个数量级。频率的提高涉及一系列的技术提升环节，不仅仅体现在控制系统的响应速度上，相应的主机作动器、伺服阀和液压源等各组成环节的响应速度都影响着整机的频率提高。所以说这是一个综合性能指标标志。1.3 电液伺服控制系统概述1.3.1 电液伺服系统控制结构电液伺服系统是以电液驱动装置为驱动元件的伺服系统。伺服系统是自动化系统的一个基本环节，也叫随动系统，顾名思义就是系统输出量总能跟随复现输入量。伺服系统的另一个基本职能就是信号放大，确保被控对象（负载）有足够大的推动能量跟随输入信号规律运动，并确保偏差不超过指定范围。伺服系统由若干元件组成，它的基本部分为：控制器，功率放大器，伺服阀，液压缸，位移传感器等。其中，输入元件、反馈测量元件与比较元件组合成为误差检测器。电液伺服阀是电液伺服控制系统的电液转化放大装置，它既将电气信号转化为液压信号，又将输入的小功率电信号进行功率放大，控制液压能源流向执行元件的压力与流量的阀芯运动。电液伺服阀有响应速度快，控制精度高的优点。电液伺服系统其他元件也起着重要作用：1.功率放大器将控制器输出的小电流信号放大到足够大的功率以驱动电液伺服阀，起功率放大作用。2.液压缸是执行元件。它将液压能转化为机械能（直线运动与力）。3.反馈检测装置是位移传感器，它将检测出的系统输出位移转化为电压信号作为反馈信号，与输入信号比较得出偏差信号，形成闭环控制系统。电液伺服控制系统的输入信号是电信号，输出信号是液压信号，为一个闭环控制系统。它既融合信息，电子科学的长处又结合液压技术的优点。如 ：电子信号有便于测量、校正、放大、处理、控制容易的特点；电气传感器种类多，检测信号快，测量精度高；液压系统有结构小巧、惯性小，执行速度快、输处功率大的优点。正是由于电液伺服控制系统同时具有这些优点，它受到了工程技术人员的青睐，在许多领域都得到了应用。1.3.2 电液伺服系统控制特点和研究发展历史20世纪50年代电液伺服控制技术产生于美国麻省理工学院，当时采用基于工作点附近增量线性化模型进行综合分析。PID控制以其控制规律简单，容易理解的优点，受到了科技工作者的喜欢。但随着工业技术的进步，对控制品质要求的提高，单纯的PID控制已经不能满足需要。这与电液伺服系统本身的性质有密不可分的关系。首先，电液伺服系统是一个非线性不确定性系统。它工作的外界环境复杂，存在外干扰，交叉耦合的现象。其次，要求电液伺服系统的工作频率和跟踪精度高。第三，在要求的高精度快速跟踪的条件下，电液伺服系统的非线性是不可忽视的。因此电液伺服系统具有扰动大、工作范围宽、时变参量多、难以精确建模的特点。这些特点对系统的稳定性、动态特性和精度都会产生严重的影响，特别是控制精度受负载特性的影响而难以预测。因此，需要有新的控制方法代替PID控制算法，以实现电液伺服系统更好的控制效果。近几十年，随着工业技术的发展进步，军事、航空、宇航技术对所应用的系统有了高精度，快速，大功率的要求。电液伺服系统则以其反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性大等优点，广泛地应用于以上各个行业中，在其控制算法上也有了进一步的改进，以适应系统要求。70年代末80年代初，电液伺服控制普遍采用的是自适应算法。所谓自适应控制就是针对结构或参数不完全知道的系统，边估计未知参数，边修正控制作用。自适应控制有两个大类，分别以“自校正控制”为代表和以“模型参考自适应控制”为代表。慢时节的对象通常采用自校正控制，这对液压伺服系统是不适合的。液压伺服控制系统采用的是模型参考自适应控制。文献10深入研究了模型参考自适应控制，提出了模型参考自适应控制的新方法并将其应用于机器人电液伺服控制系统中，解决了模型跟踪条件难满足的问题。文献11对应用于机器人中的电液伺服控制系统提出了自适应控制方法，解决了该系统参数变化难于控制的问题。虽然自适应控制有很多优点，但单纯的自适应控制对被控对象要求严格，也有鲁棒性不够好等的缺点，限制了自适应控制的发展应用。在工业发达国家，由电液伺服阀、电液比例阀，以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件，组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展，已综合形成液压工程技术，它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展立玉的重要标志，是液压工工业又一个新的技术热点和增长点。在我国同样有一大批主机产品的发展，需要应用该项技术，因此，将其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一。1.4 设计内容和方案1.4.1 设计内容毕业设计内容为电液伺服拉伸试验机。首先确定拉伸试验机的结构和总体布局，再根据最大拉伸力和所选试件计算选取液压缸，设计计算试验机的夹具，选取力传感器和位移传感器以及其他试件。选取试件和零件后对试件和零件进行校核，最后还要分析仪器的性能。有关工作主要涉及材料力学有限元方法机械设计基础以及测试传感技术等有关理论。1.4.2 电液伺服系统控制结构电液伺服系统控制结构电液伺服系统是以电液驱动装置为驱动元件的伺服系统。伺服系统是自动化系统的一个基本环节，也叫随动系统，顾名思义就是系统输出量总能跟随复现输入量。伺服系统的另一个基本职能就是信号放大，确保被控对象（负载）有足够大的推动能量跟随输入信号规律运动，并确保偏差不超过指定范围。伺服系统由若干元件组成，它的基本部分为：控制器，功率放大器，伺服阀，液压缸，位移传感器等。其中，输入元件、反馈测量元件与比较元件组合成为误差检测器。电液伺服阀是电液伺服控制系统的电液转化放大装置，它既将电气信号转化为液压信号，又将输入的小功率电信号进行功率放大，控制液压能源流向执行元件的压力与流量的阀芯运动。电液伺服阀有响应速度快，控制精度高的优点。电液伺服系统其他元件也起着重要作用：1.功率放大器将控制器输出的小电流信号放大到足够大的功率以驱动电液伺服阀，起功率放大作用。2.液压缸是执行元件。它将液压能转化为机械能（直线运动与力）。3.反馈检测装置是位移传感器，它将检测出的系统输出位移转化为电压信号作为反馈信号，与输入信号比较得出偏差信号，形成闭环控制系统。1.4.3 设计方案在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能 的要求，并应详细分析负载条件。2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算 动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。41第2章 液压缸的设计与选型第2章 液压缸的设计与选型根据拉伸试验机的运动要求，选择单活塞杆双作用液压缸，根据机构的结构要求选择后法兰安装方式。单活塞杆双作用液压缸2.1 液压缸工作压力的确定液压缸的工作压力的确定主要根据液压设备的类型，对于不同的液压设备，由于工作负载不同，通常选择液压缸的压力范围也不一样。表21列出的数据，可供工作压力的选择时参考。表21 按负载选择液压缸的工作压力负载F/kN50液压缸工作压力p/MPa816MPa同上比中低压系统高50%100%高压系统1632MPa如锻压机械等初算时背压可忽略不计表23液压缸内径D与活塞杆直径d的关系按机床类型选择d/D按液压缸工作压力流选取d/D机床类别d/D工作压力（MPa）d/D磨床、珩床0.20.3 20.20.3拉床、刨床0.5250.5062钻、车、铣床0.7570.62.7070.70F工作循环中最大的外负载；液压缸密封处阻力，他的精确度不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。 （2-3）式中液压缸的机械效率，一般取=090.97；其中F=25xN，=4，=0.6，=0.95，=0.5；将数据带入式中，可得D为 （2-4）求得D=97.15mm， d=48.58mm由计算所得D和d分别按表24和25取相近的标准直径，以便采用标准的密封直径。表24液压缸内径尺寸系列（GB2348-80）810121620253240506380（90）100（110）123（140）150（180）200（220）250320400500530注：括号内的数值为非优先选用值表25活塞缸直径系列（GB2348-80）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400标准化后取D=100mm， d=50mm。2.2.2 缸筒壁厚和外径的计算液压缸的壁厚通过液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚通常是指缸筒结构中最薄地方的厚度。根据材料力学的原理可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律，因壁厚的不同而异。一般计算是可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚d的比值D/ 10的圆筒被称为薄壁圆筒。起重运输机械和一般的工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于的是薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 （2-5）其中 液压缸壁厚（m）； D液压缸内径（m）； 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）； 缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢：=110120MPa；铸钢：=100110MPa；无缝钢管：=100110MPa；高强度铸铁：=60MPa；灰铸铁：=25MPa。在中低压液压系统中，按上式所计算出的液压缸的壁厚通常很小，使缸体的刚度往往很不够，如在做切屑加工过程中出现的变形，安装变形等会引起液压缸工作时卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式校核。对于D/10时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。对脆性及塑性材料 （2-6）式中符号意义同前。液压缸壁厚算出后，即可马上求出缸体的外径为D+2 （2-7）式中值应按无缝钢管标准，或按有关标准圆整为标准值。本次设计选取液压缸缸体厚为7.5mm，即可求出缸体的外径为115mm。2.2.3 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程的长度，可根据执行机构所需要的实际工作的最大行程来确定，并参照表26中的系列尺寸来选取标准值。表26液压缸活塞行程系列（GB2349-80）第一系列2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000第二系列40639011014018022028036045055070080011014001900220028003000第三系列24026030034038042048053060063075085095010501200130015001700190021002400260030003800根据所选试件的试验长度为100mm，而且是比例拉伸试件，加上装卸试件的长度，根据表中系列尺寸选取标准值200mm。2.2.4 液压缸油口直径和缸盖厚度的计算液压缸油口直径应根据活塞运动的最高速度v和油口最高液流速度而定 （2-8）式中液压缸油口直径（m） D液压缸直径（m） V液压缸最大输出速度（m/min） 油口液流速度（m/s）其中，D=100mm，v=1m/s，=2m/s，代入公式得油口直径=18.5mm液压缸一般都是平底缸盖，其有效厚度t按照强度要求可用下面两个公式进行近似计算。缸底无油孔时 （2-9）式中h缸底厚度（m）D液压缸内径（m）试验压力（MPa）缸底材料的许用压力（MPa）。缸底有油孔时 （2-10）式中液压缸油口直径（m）其他符号同上式将各个数据代入公式得到有油孔时缸盖厚度h=30mm2.2.5 最小导向长度的确定当活塞全部外伸时，从缸盖滑动支承面的中点到活塞支承面中点的距离H称为最小导线长度（如图22）。如果导向长度过小，将使液压缸的轴线挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸工作的稳定性，因此设计时有必要保证一定的最小导向长度。图2 2液压缸的导向长度对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求： （2-11）式中L液压缸的最大行程；D液压缸的内径。活塞的宽度B一般取B=（0.61.0）D，缸盖滑动支承面的长度l，根据液压缸的内径D而定；当D80mm时，取l=（0.61.0）d。为保证最小导向长度H，若过分增大l和B都是不可以的，也是不合适的，必要时可在缸盖与活塞之间加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的液压缸活塞杆的最小导向长度H决定，即 （2-12）2.2.6 缸体长度的确定液压缸缸体内部总长度应等于活塞总行程和活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的总厚度。通常液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。2.3 液压缸结构的设计液压缸主要尺寸确定以后，就要进行各个部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构，活塞杆与活塞的连接结构，活塞杆导向部分结构，密封装置，缓冲装置，排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况选择。2.3.1 缸体和缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式一般与工作压力、缸体材料以及工作条件等有关。由于是设计电液伺服拉伸试验机，要求结构要紧凑所以选择螺纹连接形式。这种连接形式的优点是外形尺寸小，结构紧凑，重量较轻。2.3.2 活塞杆和活塞部分的结构形式a）活塞杆与活塞的连接结构活塞杆与活塞的连接形式可分为两种：整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为：螺纹连接、半环连接和锥销连接。这里选取整体式连接结构，整体式结构简单。活塞杆与活塞连接形式如下图：图23活塞杆与活塞的连接形式b）活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构、以及密封、防尘和紧锁装置等。导向套的结构可以用端盖整体式来直接导向，也可以与端盖分开做成导向套结构。后者导向套如果磨损便于更换，所以应用较普遍。导向套可安装在密封圈的内圈的位置，也可以装在外侧。机床和工程机械中通常采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑，而由压机一般采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。活塞杆处的密封形式有O形，V形，Y形密封圈。为了清除活塞杆处外露部分沾附的灰尘，保证油液清洁以及减少磨损，需要在端盖外侧增加防尘圈。常用的有无骨架防尘圈和J形橡胶密封圈，也可以用毛毡防尘。本次设计采用端盖直接导向。这种导向端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，盖与杆密封常用O型，Y型密封。C）活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处选用密封圈，应根据密封的部分。使用的压力、温度、运动速度的不同而选择不同类型的密封圈。2.3.3 液压缸的缓冲装置液压缸带动工作部件运动时，因运动件的质量较大，运动速度较高，则在到达行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒盖之间产生机械碰撞。为防止这种现象的发生，所以在行程末端设置缓冲装置。图24环状间隙或缓冲装置图中所示为环状间隙式缓冲装置，它由活塞上的圆形凸台和液压油缸端盖上的凹形腔组成。凸台和凹腔的间隙为当凸台开始进入凹腔时，缸内的油液只能通过间隙挤压出去。因此，活塞受到一个很大的阻力，缸的运动速度减慢。这种缓冲装置的特点是结构简单，开始缓冲时效果显着，但整个缓冲过程中缓冲效果逐渐减弱，适用于惯性较小、速度较低的场合。必须指出，缓冲装置，只能在液压缸全行程终了时才起缓冲作用，当活塞在运动过程中停止时，缓冲装置不起缓冲作用。这时在回油路上可设置行程阀来实现缓冲。2.3.4 液压缸的排气装置对于运动速度稳定性有较高要求的机床液压缸和大型液压缸，则需要设置排气装置，如排气阀或排气螺钉等。排气螺钉如下图图25排气螺钉排气阀通常安装在液压缸两端的最高处。双作用液压缸需装设两个排气阀。仿液压缸需要排气时，打开相应的排气阀，空气连同液压油经过椎部缝隙和小孔排除缸外，直至连续排油时（不冒气），就将排气阀关死。2.3.5 液压缸的安装连接结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出油口的连接等。根据安装位置和工作要求的不同可有脚架安装，长螺栓安装，法兰安装，轴销和耳环安装等。本次设计采用尾部法兰式安装。安装螺钉受力较小。液压缸的进、出油口，可布置在端盖或缸体上。对于活塞杆固定的液压缸，进、出油口可设在活塞杆端部。如果液压缸无专用的排气装置，进、出油口应设在液压缸的最高处，以便空气能首先从液压缸排出。进出油口的形式一般选用螺孔或法兰连接。2.3.6 液压缸主要零件的材料和技术要求液压缸主要零件如缸体、活塞、活塞杆、缸盖、导向套的材料和技术见表27表27液压缸主要零件的材料和技术要求零件名称材料主要表面粗糙度技术要求缸体45号无缝钢管液压缸内圆柱表面粗糙度为0.4 （1）内径用H8H9的配合（2）内径圆度，圆柱度不大于直径公差一半（3）内表面母线直线度在500mm长度上不大于0.03mm（4）缸体端面对轴线的垂直度在直径每100mm上不大于0.04mm（5）缸体与缸盖采用螺纹连接时，螺纹采用6H级精度（6）为防止腐蚀和提高寿命，内径表面可以镀0.030.04mm厚的硬铬活塞45钢活塞外圆柱表面粗糙度为0.8（1）外径D的圆度，圆柱度不大于外径公差一半（2）外径D对内孔的径向跳动不大于外径公差一般（3）端面对轴线垂直度在直径100mm上不大于0.04mm（4）内孔与活塞杆的配合可取H8活塞杆45钢杆外圆柱面粗糙度为0.5（1） 材料热处理，调质2025HRC（2） 外径的圆度，圆柱度不大于直径公差一半（3） 外径表面直线度在500mm长度上不大于0.08mm（4） 活塞杆与导向套采用H8/f7配合，与活塞的连接可采用H8/h7配合缸盖45钢配合表面粗糙度0.8（1） 配合表面的圆度，圆柱度不大于直径公差一半（2） 端面对孔轴线的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm2.4 活塞杆稳定性验算液压缸承受轴向压缩载荷时，如图26所示，当活塞杆直径d与活塞杆的计算长度l之比大于10时（即），应校核活塞杆的纵向刚性强度或稳定性。当无偏心载荷时，由材料力学知识可知，受压细长杆，当载荷力接近某一临界值时，杆将产生纵向弯曲。且其挠度值随压缩载荷的增加急剧增大，以致屈服破坏，对于没有偏心载荷的细长杆，其纵向弯曲强度的临界值，可按等截面法和非等截面法计算。等截面计算法：当细长比时，可按欧拉公式计算临界载荷。此时： （2-13）式中活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷（N）n末端条件系数E活塞杆材料的弹性模量，对于钢，取为E=J活塞杆截面的转动惯量（），实心活塞杆：d活塞杆直径（m）l活塞杆计算长度，即活塞杆的最大伸出时，活塞杆支点和液压缸安装点间的距离（m）K活塞杆断面的回转半径（m），实心活塞杆A活塞杆截面积（）；m柔性系数若活塞杆为实心杆，并用钢铁材料制造时，上式可简化为 （2-14）当活塞杆细长比时，用戈登-兰金公式计算临界载荷，此时 （2-15）式中材料强度实验值，见表28；a试验常数，见表28；其他符号同上式。表28实验常数材料铸铁锻钢低碳钢中碳钢560250340490a1/16001/90001/75001/5000m801109085当活塞杆细长比时，可按纯压缩计算。根据之前的数据和结构的确定，这里：d=100mm，E=，=25mm，n=4，A=0.785代入公式：得出液压缸的活塞杆纵向弯曲强度和稳定性良好。2.5 本章小结本章先是确定了液压缸的工作压力，通过工作压力和负载力计算，并对照国家标准确定了液压缸的缸径及活塞缸直径，也对液压缸的行程，壁厚，油口直径，导向长度等重要参数进行了计算确定。并根据结构和系统需要对液压缸的各个部分的结构进行了分析和确定。最后选出适合拉伸试验机的液压缸。第3章 液压系统元件的选择第3章 液压系统元件的选择3.1 液压系统的设计计算已知工作循环中系统压力和稳定流量分别为4MPa和10L/min，液压泵驱动功率可由下列公式计算： （3-1）式中P液压缸的最大工作压力（MPa）；液压泵的最大流量（L/s）；液压泵的总效率，查表取0.7。代入式中的