毕业设计（论文）-液压冲击试验台设计（全套图纸）.doc

液压冲击试验台设计摘要在我国大发展、快发展的大背景下,我们的国民经济也处于不断上升的过程中,工业的发展成为带动经济发展的重要力量。在这过程中,液压技术也得到了较大的发展空间,液压技术渗透在我国工业的各项领域中,其中,液压传动是一门较新的技术,虽然仅短短几十年的发展历程,可是如今却被大规模地应用在矿山、冶金机械、工程机械、机床等多种机械以及相关的武器装备里。抗冲击性能作为产品可靠性的重要组成部分,现在已备受产品生产者和使用者的关注。冲击试验则是测试产品抗冲击性能约一个重要手段。为了提高检测产品的抗冲击性能的试验水平,改进和完善冲击试验机性能则是一个重要的研究方向。本论文主要设计了一种对被试件进行冲击性能试验的试验台。介绍了该试验台液压系统和测控系统的设计及工作原理，确定了元件的主要参数。验算液压系统的性能，以及液压控制系统的设计步骤，以及设计液压系统时应注意的问题。在综合国内外文献的基础上介绍了液压冲击试验机的发展历史,研究与应用现状,并介绍了液压冲击试验与冲击波形的运用状况。关键词：液压系统；测试；性能全套图纸加153893706 AbstractIn our country under the background of great development, fast development, our national economy is rising in the process, the development of industry become the important force in driving the development of economy. Hydraulic technology in the process, also get the larger development space, hydraulic technology in the domain of industry in China, among them, the hydraulic transmission is a relatively new technology, although only a short span of decades of development, but now has been largely used in mining, metallurgical machinery, engineering machinery, machine tools and various machinery and related equipment.Shock resistance as an important part of product reliability, product producers and users of the watches now. Impact test is a test product shock resistance about an important means. In order to improve the level of detection products shock resistance of the test, to improve and perfect the impact testing machine performance is an important research direction. This paper mainly designs a shock performance testing of the specimens test rig. The test rig of hydraulic system are introduced and the design and working principle of measurement and control system, determine the main parameters of the element. Checking the performance of hydraulic system and hydraulic control system design steps, and the problems should be paid attention to when design the hydraulic system. On the basis of comprehensive literature at home and abroad to introduce the development history of hydraulic impact testing machine, research and application status quo, and introduces the hydraulic impact test and the application of shock wave.Key words: hydraulic system; test ;performance III目录前言11绪论21.1课题研究的社会背景、目的和意义21.1.1课题研究的社会背景21.1.2课题研究的目的和意义31.2国内外相关领域的研究现状31.2.1液压冲击试验台的发展现状32 冲击试验台整体方案设计82.1液压冲击试验台的工作原理82.1.1冲击动力学基本概念82.1.2液压冲击试验台的数学模型82.2 液压冲击试验台设计预期成果102.3液压冲击试验台主体设计与实现102.3.1系统要求102.3.2冲击头与立柱的导向设计112.3.3导向立柱的设计122.3.4试验台整体模型的建立与实现133冲击试验台液压系统设计153.1冲击试验台液压系统的设计要求153.1.1冲击试验台的组成153.1.2本设计实例的设计参数和技术要求153.2工况分析153.3液压缸的典型结构183.4确定液压系统的主要参数193.4.1初选工作压力193.4.2确定液压缸的主要尺寸设计及校核193.4.3计算最大流量223.5导向环的设计计算233.5.1导向环的主要优点233.5.2导向环的型式233.5.3导向环的尺寸不同243.6 活塞杆导向套253.6.1结构式253.6.2材料253.6.3尺寸配置253.6.4加工要求263.7 拟定液压系统原理图263.7.1设计思想263.7.2试验台工作原理273.8 液压元件的选择273.8.1液压执行元件的选择283.8.2液压泵的选择283.8.3原动机的选型293.8.4液压控制阀的选择293.8.5管路的选择303.8.6确定油箱容积313.8.7蓄能器的选择313.8.8过滤器的选择313.8.9液压油的选择313.9 液压系统性能验算323.9.1系统压力损失计算323.9.2液压系统发热温升计算334 测试数据采集系统的研究364.1数据采集方案原理设计364.1.1信号及数据采集364.1.2 A/D基本概念374.1.3瞬态冲击力测量系统384.1.4测试系统方案384.2信号采集硬件394.2.1加速度传感器的选择394.2.2数据采集卡的选择404.2.3信号调理及采集触发电路415数据处理及分析系统的实现425.1信号预处理425.1.1信号直流分量的消除425.1.2信号的平滑425.2 滤波器436产品经济分析467总结47致谢48参考文献49附录A：译文50附录B：外文文献54前言 冲击试验台是指对试样施加冲击试验力，进行冲击试验的材料试验机。联工生产冲击试验机分为手动摆锤式冲击试验机、半自动冲击试验机、数显冲击试验机、微机控制冲击试验机、非金属冲击试验机等。可以通过替换摆锤体和试件基座，来实现简支梁和悬臂梁两种不同形式的试验。在电子、机械等制造行业,样品的制造、运输、搬运及其运行过程中无到处存在着各种各样类型、不同程度的碰撞冲击,因此检测产品的抗冲击性能成为反映其质量的重要因素,同时也是产品可靠性的重要组成部分。随着人们对产品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行业发展的需要,越来越受到人们的重视。与之相应的冲击试验机也在不断发展。本章首先在综合国内外文献的基础上详细说明了冲击试验台的历史发展、研究和应用现状,并介绍了冲击试验的运用情况,然后根据参数进行液压系统设计，机械方面设计，并且对其进行验算。本次液压冲击试验台的设计完成，有利于冲击试验的进行。1绪论1.1课题研究的社会背景、目的和意义1.1.1课题研究的社会背景 冲击是一种非周期性的瞬态振动,可以看作是一个结构系统受到瞬态载荷的作用,也可以看成能量从外界传递到一个结构系统的短暂过程冲击可以看作是振动环境的一种特例冲击一般分为简单冲击和复杂冲击,简单冲击,其冲击幅值随时间变化的曲线按国际标准可以近似为简单的几何图形,如半正弦矩形波和锯齿波等;复杂冲击,其冲击幅值随时间变化的曲线呈复杂的衰减振荡形状。冲击往往会使设备激起强迫振动和固有频率响应,使产品性能和结构强度受到不同程度的损害甚至失效飞机船舶车辆及各种工程机械,在其运行时经常受到冲击的作用,对各自的结构性能以及安装设备都将产生有害影响。 液压冲击试验台用于实验室模拟产品在实际使用中，需要承受的冲击破坏的能力，以此来评定产品结构的抗冲击能力，并通过试验数据，优化产品结构强度。根据正确评定产品的抗冲击能力，可有效地提高产品使用的可靠性。用实验室试验的方式来模拟包装运输件在运输、装卸过程中可能受到的冲击破坏，由此来评定包装件在运输过程中受到冲击时，包装的缓冲、减振能否达到对产品的保护能力冲击试验台 。现有国内冲击试验机主要有摆锤式冲击试验机、落锤式冲击试验机和霍普金森压杆冲击试验机。其中，摆锤冲击试验机主要是进行材料的冲击性能检测，能级较小，一般只有几百焦耳；金属落锤冲击试验机测试范围比较广，最大的湖南大学工程结构综合防护研究所的重型超高落锤冲击试验机，能级可达到十万焦耳，速度可达17m/s；霍普金森压杆冲击试验机主要进行小试件的高速冲击测试，子弹冲击速度较大，但能级较小。国外比较先进的冲击试验机当属英国的Instron高速冲击试验机以及日本岛津Shimadzu冲击试验机，两者都是采用高速电液伺服控制系统，其特点是利用储能器积蓄高压液体，然后通过作动器快速释放来使冲头短程内达到极高冲击速度，能够保持持续较高的冲击力和作用速率，但目前两种冲击试验机能级都比较小，最大的Instron VHS 160/100-20型高速冲击试验机只有160kN的动态冲击力，能量只有48KJ，并且价格昂贵。而冲击地压发生所释放的能量作用于单个支护体结构上就高达几百万焦耳，现有的冲击试验机均无法满足煤矿支护重型设备和材料的冲击实验需求，同时还存在一个问题是这些冲击试验机都不能对试件施加静动结合加载，与煤矿支护体所受冲击地压的破坏情况有所不同。1.1.2课题研究的目的和意义液压冲击试验台是指对试样施加冲击试验力，进行冲击试验的材料试验机。在机械、电子等制造行业,产品的生产、运输、搬运及其运行过程中无处不存在各种不同类型、不同程度的冲击,因而检测产品的抗冲击性能成为反映其质量的重要方面,同时也是产品可靠性的重要部分。随着人们对产品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行业发展的需要,越来越受到人们的重视。与之相应的液压冲击试验机也在不断发展。本课题旨在通过搭建一种液压冲击试验台，对被冲击件进行冲击试验，最终得出这些被冲击件在时间范围内的变形量、冲击能量、冲击速度之间的关系，另外，本课题的研究还有如下几方面的意义： 首先，本课题在充分考虑功能要求和经济成本的基础上，搭建了具有大冲击能量范围、高测试精度、数据采集分析一体化等诸多优点的液压冲击试验台。虽然这种变形的试验台还有一定的局限性，但是由于液压冲击试验台在我国甚至是国际上也属于刚刚起步，试验成本极高，且数据处于保密状态，因而本试验台具有很高的实用价值及现实意义。本试验台在测试功能上也具有较大的优势，价格方面更是如此。本课题搭建的液压冲击试验台在做一定的扩展之后，完全可以进行材料学方面的试验。因此，从现实需求与经济角度考虑，本课题的研究都具有重要的意义。同时本试验台的研究，具有一定的社会效益和经济效益。 1.2国内外相关领域的研究现状1.2.1液压冲击试验台的发展现状 随着国外计算机技术、信息技术和测试技术的迅猛发展,许多外国液压件研发单位都在积极研发和检验。液压泵试验台开展工作较早的国家有德国、美国、英国、日本等,如SUNDSTRON公司、力士乐公司和日本制钢所的柱塞泵效率试验台等都有用于液压泵等测试的试验平台。近几年,新型液压测试平台的发展特点为高速化、高效率、多样化、自动化的计算机辅助测试技术,其中,液压泵试验台测试技术的发展更是突飞猛进,计算机辅助测试技术在液压领域中应用越来越广泛,并且有更大的发展潜质。以机电液技术为基础的液压泵试验台是综合运用计算机技术、传感器技术、比例控制技术、集成插装技术等高新技术研制开发而成的一种综合试验检测装置。测试平台按照中华人民共和国机械工业相关标准,对各种型号和排量的液压泵进行模拟工况条件下的各种测试,计算机自动采集各种工况条件下的测试数据,并且打印报表和特性曲线。液压泵试验台液压系统主要组成部分有液压系统油路、传感器、采集卡、计算机等。其中,液压系统部分根据有关国家标准进行设计,由于该部分基本已成型,最近几年,主要在系统的自动化和比例控制方面进行研究。液压技术经过几十年的发展,目前主要靠现有的技术来改进和不断扩大其应用领域,为了满足今后对液压技术的要求,主要的研究方向集中在,高效节能、减少污染和机电一体化与计算机技术相结合的相关技术,因此在未来的一段时间内,试验台的研究主要的集中在运用各种技术不断提高试验台的测试系统的性能,节约能源,减少污染,展开综合应用研究等方面。在机械、电子等制造行业,产品的生产、运输、搬运及其运行过程中无处不存在各种不同类型、不同程度的冲击,因而检测产品的抗冲击性能成为反映其质量的重要方面,同时也是产品可靠性的重要部分。随着人们对产品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行业发展的需要,越来越受到人们的重视。与之相应的冲击试验机也在不断发展。以试验机力脉冲发生器的发展为标志,冲击试验机的发展大致经历了三个阶段。第一阶段是早期以橡胶、毡垫、弹簧等作为力脉冲成形器的机械式冲击机。这类冲击试验机的自动化程度往往较低,只能产生单一波形类型。第二阶段则是以自动控制理论的发展,自动化设备的兴起,新材料的发展为基础,以使用特制材料与液压或气动控制结合为特征的力脉冲发生器作为缓冲器,不同的脉冲发生器对应不同波形,这种力脉冲发生器精确度比较高,性能也比较稳定。第三阶段是上个世纪八十年代末以来,随着计算机应用与集成电子技术的快速发展,以能在一台缓冲器上产生多种力脉冲波形的智能化力脉冲发生器为特征,并辅以高度自动化的控制以及数据分析设备的新型冲击试验机。这种冲击试验机现在正逐步替代第二代冲击台,并广泛流行。这些产品主要有:美国MTS公司生产的886系列冲击试验机、美国AVCO公司生产的SM系列冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的ASQ系列冲击试验机Lansmont公司机械式,跌落式冲击台、美国TEAM公司的振动冲击台等。总的来看,由于美国、日本、欧洲等国家和地区在冲击试验方面的研究以及在冲击试验台的研制上都比我国开展的早,所以他们的研发水平都高于我国的现有水平。如图1.1(a)美国Lansmont公司的机械式冲击台系列因其工作台面有较高的共振频率而确保了冲击脉冲的清晰度,而且它的较大的导柱、端面轴承,、刚性工作台面、整块式的钢制台基都是以满足最大的硬度要求和使用寿命来设计的。它精密的冲击波形发生器结构能保证准确的冲击波形.,光学位移传感器使试验的跌落高度和冲击触发的位置得到保证.该系列的冲击机不是按通常的方式用毛毡作缓冲垫,而是使用了特别的缓冲垫材料,这大大减少了导致冲击脉冲响应谱低频区域歪曲的脉冲毛刺,由这些脉冲变形导致的高频噪声也被减少了二到五成,然而这些缓冲垫材料需要选择和配置一致,并定期更换。日本吉田精机株式会社是典型的日本为数不多的试验机专业生产厂家之一,（a） (b)图1-1冲击试验台（a）机械式冲击台；（b）冲击试验机Fig.1-1Impact testing rig (a) mechanical impact test rig; (b) impact testing machine它的冲击试验机在日本是最具代表性的,如图1.1(b)为其中MDST系列能产生两种波形:梯形波与半正弦波脉冲。可作包装货物的等效跌落实验。试验条件的设定与自动控制都是利用计算机与控制装置自动化操作。可作多频的加速度测量与各种分析(合成,SRS,SR,损伤边界线图等)。采取控制策略来防止再次冲击,它具有高刚性的试品安装台。该系列是其公司产品中较先进的一款冲击机.而它的锯齿形发生器则是由传统的方法产生,用带有锥形顶端的圆柱形错垫来作力脉冲发生器,半正弦波和梯形波则是采用特制专利材料作为力脉冲成形器,并用高压气缸控制波形的变化,使之达到冲击试验标准的要求。图1-2西北机器厂的Y52系列冲击台Fig.1-2 Y52 impact testing rig from Northwest Manufacturing Company我国国内也有不少企业和研究机构在生产和研制各种类型的冲击试验机。虽然这些冲击试验机在某些结构形式、局部装备方面不尽相同,但多数厂家和研究机构的产品和成果是第二代的冲击台,能产生的波形比较单一,即以橡胶、液压气动来提供缓冲波形。这些厂家和研究机构如:苏州试验仪器厂,苏州新区东菱振动试验仪器有限公司,无锡市苏威试验设备有限公司,沈阳水利工程研究所等。苏州试验仪器总厂的CP系列冲击台虽然能对不同质量大小的产品进行试验,而其缓冲器只能产生半正弦波形。苏州新区东菱振动试验仪器有限公司生产的SH一200型冲击台可产生半正弦波和梯形波。但目前我国也有少数厂家仿造研制了能产生多种波形的力脉冲发生器以及用它装备的冲击试验机。 西北机器厂的Y52系列冲击台能产生满足国标、国军标、以及美军标的电工电子产品冲击标准的波形,如图1.2,是目前我国国产试验机中较先进的一个系列。其提升系统在液压缸的作用下使工作台提升到设定跌落高度。导向系统能保证冲击系统有足够的横向自由度,限制横向加速度在规定的范田内。支承系统主要起缓冲作用,以取代需要用户建造的专用地基。多种脉冲波形发生器:能够产生用户需要的半正弦波、后峰锯齿波和梯形波三种冲击波形,是冲击试验机的关键部件。增压制动系统:控制工作台的提升和回跳。电气测量控制系统:采用微电子技术,控制冲击台的动作顺序,并测量分析冲击台的冲击信号,可打印冲击台面的加速度波形等实验数据及参量。该产品由于在关键部件冲击脉冲触发器方面实现了在一台机器上试验多种波形,设计目标是达到国际上第三代冲击试验机的水平。正弦波力脉冲是靠闭式橡胶作为成形器来产生,锯齿波是用的铅块作冲击垫来产生,梯形波的产生也是用橡胶垫结合高压气缸来触发和控制。从现有的国内文献来看,国内许多研究机构都在冲击机的基本原理、力学模型、设计方法等方面作了探索与实践,所设计的冲击机在正弦波形上能产生满足国标、IEC、国军标或美军标的冲击试验机,但是在冲击机的核心部件力脉冲发生器梯形波、后峰锯齿波方面的解决方法虽然也曾探索过采用液压小孔节流,并采取气液结合的控制方式,但是现有的研究成果显示其还存在以下不足:一、波形超差严重、调节不便;二、只能产生一种峰值、脉宽的波形,不能按照需求任意选择;三、调节不便。因此要解决现有冲击波形成形器存在的问题,并降低冲击试验机的成本,需要研制性能更好、价格较低的新型冲击脉冲成形器。1.2.2冲击试验的研究 普通冲击试验能够测出的冲击功，在材料生产和加工工艺过程及机器零部件的检验上总结了许多经验，它成功地被应用在以下几个方面：(1)冲击功对被试材料的宏观缺陷、显微组织上的差别等异常敏感，一直以来有效的利用在检定钢材的质量和鉴定冶金、加工和热处理步骤的正确性，由此来控制和稳定产品的质量；(2)因为冲击功对随温度变化的钢材产生的韧脆转变相对敏感，所以被用来测定钢材韧脆转变的趋势和转变温度。(3)冲击试验对被试件的缺口异常的敏感，所以经常用来评定金属受到大能量冲击的缺口敏感性；(4)近些年常用冲击试验来评测钢材的冲击功，确定钢材的时效敏感性；(5)由于冲击试验台设备较简易，试样加工容易，试验时间较短等优点，所以在配合其它试验方法使用也引起了人们的注重。例如，断裂韧性与冲击功的关系上，建立了许多经验公式。随着科学和技术的快速发展，特别是自动化、计算机和光电技术的迅猛发展，促进了(数字化)冲击试验台的发展。不仅提高了力和位移测量的精确度，使冲击试验技术从落后状态迅速进入了先进技术行列。从只能定性测定物理意义不是太明确的冲击功，走向了定量测量而且具有使用价值的裂纹形成功和裂纹扩展在冲击过程中各项指标变化的许多参数。这些反映材质抗冲击性能的指标将成为以后的冲击性能指标，为冲击试验台的发展开创美好的发展前景。新标准的实施和深刻理解，必然会在许多方面取得更大的研究成果。冲击试验是材料学领域内比较广泛使用的一种分析手段。在航天、航空、兵器、电子、动力、车辆、包装等行业都具有重要的地位。市场上目前所存在的冲击试验设备主要是服务于包装产品的测试，钢铁产品的测试。就类型上来讲，其主要又分为两大类：一类是摆锤型冲击试验机，利用摆锤在一定高度下落过程中所具有的能量去冲击目标试件；另一类是落锤式冲击试验机，利用锤体自由落体的能量去冲击目标试件。在冲击能量方面，市场现有产品都主要集中于几百焦耳至几千焦耳的小能量范围，个别达到万焦以上能量的设备也是需要定制的。在本课题研究的过程中，曾对国内材料试验机做过市场考察，目前威海试验机厂以及深圳新三思集团可以生产能量在 30000J左右的冲击试验机。市场上的试验台架多数采用气动式，加载精确平稳，缺点是占地大，成本较高，且由于有庞大的动力装置与气体管道，造成日常维护不便。其一般的落锤下落都有立柱定位，圆形立柱导套精度高，刚度大，但质量太大，结构笨重。 2 冲击试验台整体方案设计2.1液压冲击试验台的工作原理2.1.1冲击动力学基本概念 冲击是系统受到了瞬时冲击时，它的力、位移、速度或加速度会发生突然变化的现象。冲击是振动的一种特殊状态，它与一般状态的振动不同，具有自己独特的特点: (1)冲击过程是瞬态的，持续时间较短暂； (2)冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量传递和转换过程； (3)冲击激励往往是非周期的，其频谱是连续的，冲击过程一次性完成，不呈现周期性； (4)系统在冲击作用下所产生的运动为瞬态运动，运动状态与冲击持续时间及系统的固有周期有关。 从理论分析角度看，冲击运动就是系统受到一种短暂的脉冲、阶跃或其它瞬态的非周期激励下的响应。冲击响应引起的系统振动能够很快消失，但它引起的最大应力(或位移)却可能使系统损坏。冲击动力学过程是一系列随时间变化的动态过程。理想的规则冲击载荷波形主要有矩形、半正弦、梯形、三角形、锯齿波等。但在工程实践中，冲击激励的时域波形可能是非规则的，但是可以用理想的规则形状来表示某些特定的冲击。针对不同的冲击载荷波形(冲击形式)，系统的动态响应也不同，系统的响应主要取决于冲击载荷脉冲的峰值、持续时间及波形形状。 2.1.2液压冲击试验台的数学模型根据方案的功能要求，最终对试验结果的分析涉及到的物理量有瞬态冲击力、瞬态速度、瞬态位移以及冲击能。由于冲击试验属于破坏性较强的试验过程，所以测量方式必须为非接触式。综合考虑各个方面的因素，选定以加速度量为基本测量目标。由加速度信号，可以得到瞬态冲击载荷： （2-1）式中瞬态压缩载荷(N)； 重锤质量(kg)； 测得的瞬态加速度()； g 重力加速度（)。 当不考虑重物与导轨之间的摩擦时，落锤冲击试件的瞬间接触速度可按自由落体来计算。例如国外有人设计的落锤动态试验系统采用了每秒2000-2500 帧的高速摄像机，发现测得的落锤与试件接触速度同自由落体计算得到的速度非常的相近，误差小于 5%，这说明在下落过程中落锤与导轨之间的摩擦和小的撞击的能量损失可以忽略不计。因此在以上瞬态力的计算过程中将这一部分忽略。对加速度进行一次和二次积分，可获得相应的瞬态速度和瞬态位移： （2-2） （2-3）式中 初始冲击速度(m/s)； 初始压缩位移(m)； 瞬态速度(m/s)； 瞬态位移(m)。 结合式(3-2)和式(3-3)，可得到载荷-位移历程 。对载荷-位移曲线进行积分可得试件吸收的冲击能： （2-4）对于不同材料、不同结构的薄壁梁，能量吸收能力可以由破坏单位质量材料或结构(压碎破坏部分)所吸收的能量来度量，称为“比吸能”： （2-5）式中， A为薄壁梁的横截面积， 为材料的平均密度。 2.2 液压冲击试验台设计预期成果（1）理论冲击力输出值：35200吨，冲击行程500mm，满行程冲击力衰减25%，最大冲击能量不小于800KJ。能实现静态加载、动态加载及静动结合加载。（2）冲击速度：最大冲击速度1020m/s。（3）冲击试验台功能：对试样施加冲击试验力，进行冲击试验的材料试验机（4）试验台刚度及强度校核：在200吨冲击压力下，结构件最大变形量小于0.15mm，最大应力小于100MPa。（5）控制方式：采用计算机、PLC联合控制，能够实现在计算机和控制台两种控制方式。采用高速数据采集系统对数据进行采集与数据处理。得到所要求的数据记录和图像绘制。（6）安全性能：实验系统设计要充分考虑冲击实验过程的安全性，要求足够的安全设计与防护措施。2.3液压冲击试验台主体设计与实现2.3.1系统要求参照国家标准 GB/T6803 对普通冲击试验台的技术规定，结合本课题实际情况，对系统提出以下要求： (1)强度与刚度。由于系统在运行时，冲击试验台冲击能量大，故要求系统机械结构有足够的强度与刚度； (2)冲击缸应与底座垂直，两导轨应平行，以保证冲击头冲击试件的瞬时速度的方向应尽可能垂直向下； (3)地基刚性和惯性。理论上的地基应为无限大的刚性平板，因此地基的设计必须是高刚性高强度的。试验过程应保证不对台架周围的数据采集设备产生干扰，且在数次试验之后，地基不产生整体下沉，不产生表面裂纹。与此同时，地基与试验室周围地面之间应当以吸震缓冲结构隔离，防止震动对地面整体的损伤； (4)为了防止在冲击过程中，冲击头表面自身变形造成的误差，冲击头表面应有足够大的硬度，硬度值应达到 50HRC 以上； (5)试验人员的安全性。为了防止冲击过程中试件突然崩出，必须在台架周围设有防护围栏； (6)数据采集的高速性。由于落锤的运动速度很快，且撞击的过程瞬间完成，因而对采样率和采样精度有一定的要求。2.3.2冲击头与立柱的导向设计冲击试验的能量全部来源于从一定高度下落的冲击头所具有的动能。为了便于试验台功能的拓展性以及确保本阶段试验的顺利进行，设计冲击能量在一定范围内是具有可调节性的。这一能量范围的确定不仅要依靠台架设计高度来保证，同时也要依靠锤体自身质量的变化范围。从现实意义来讲，台架的设计高度主要依赖于冲击初速度的确定，并且由于受场地、成本以及一定高度之后的自身挠度等因素所限，台架不可能无限价高，所以冲击头的速度可变性显得尤为重要。 本系统采用一块合金工具钢作为冲击头的主体部分，考虑到尺寸以及未来安装传感器的要求。冲击头上表面中心开有 M104的螺纹孔，便于传感器的加装。以弹簧垫片以及双螺母紧固，防止冲击过程中冲击头自身的震动。图 2-1 所示为三维建模软件CAXA 中设计的冲击头结构。图2-1 冲击头结构平面设计图Fig.2-1 Structural design of the impact head在冲击头材料的选择上，考虑到冲击本身对冲击头的破坏性，要求冲击头的材料必须具有冲击韧性及表面强度。冲击韧性保证锤体在冲击之后不会发生裂纹，表面强度保证锤体与试件接触面不发生明显的变形，从而影响试验精度。铸铁以及钢是最常用的材料，但是铸铁虽有好的表面硬度但是同时也是属于脆性材料，而普通的钢虽有韧性但表面强度不够。热处理之后的钢可以提高表面强度但同时也失去了本身的韧性。因此普通的铸铁及钢均不满足条件。在广泛使用的材料中，合金工具钢是较好的选择。合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢 3 类。其中碳含量高的钢(碳质量分数大于 0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在 HRC60 以上，且具有足够的耐磨性；碳含量中等的钢(碳质量分数 0.35%-0.70%)多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为 HRC50-55,但韧性良好。最终，本锤体主体部分采用了中等碳含量的合金工具钢。2.3.3导向立柱的设计导向柱的作用主要是为了保证冲击头下落的稳定性，同时防止冲击过程结束后冲击头发生偏离预定方向的运动。为了增加抗震性，导向套通过润滑良好的轴承固定在基座之上，基座与导向柱两侧表面用螺栓连接。设计中考虑到可能产生的横向冲击，所以导向柱的轴心与锤体两侧表面的距离尽可能的小，以增加稳定性。图 3-2 所示为 CAXA 中的导向模型。导向柱的设计考虑了系统要求中的强度和刚度，并且要求良好的垂直度，同时还要考虑与导向套的配合方式。在技术要求方面，导轨决定了整个台架的有效高度，因此根据设计范围的冲击能量和冲击速度，确定导轨的高度为1.8m。导轨底座钢板采用焊接的固定方式，导轨两侧焊接有圆钢，作为支架，保证其垂直度。支架支撑点为槽钢米高处。另外为了保证锤体在两导轨间可以平顺的下落，又为了防止由于焊接造成的不可调节性，在两导轨间设计有丝杠-螺母结构，这样一来，可以通过两个部位的微调来改变导轨之间的距离，进而可以根据锤体下落的情况来保证下落的平顺。在活动横梁与立柱的接触处，装有上、下两个导套。它们由两瓣组成，两端装有防尘用的毡圈。这种导套结构简单，加工方便。图 2-2 所示为 CAXA 中的导向模型。 图 2-2 圆柱面立柱导套Fig.2-2 A cylinder pillar guide bush2.3.4试验台整体模型的建立与实现根据以上台架各个部分的设计，试验机主体部分主要包括刚性框架、冲击装置、基础支座、导向装置，轨道，以及刚性卡环和小油缸等，利用 CAXA 将其进行装配设计，得到整个试验台架的装配模型图2-3 冲击试验台结构平面设计图Fig.2-2 Structural design of the Shock Testing Machine3冲击试验台液压系统设计3.1冲击试验台液压系统的设计要求3.1.1冲击试验台的组成该试验台主要由试验机架、液压缸、油源系统(油箱、泵组件及恒温系统)、测系统(检测元件及控制装置)及辅助系统组成。其中试验机架用于安装被试件和液压缸等元件，液压缸用于完成对被试件的冲击(以下称液压缸活塞杆端为冲击头)，油源系统给液压缸供油并保持油温恒定，测控系统完成对试验台的控制、数据采集处理和环境参数的监测等工作。3.1.2本设计实例的设计参数和技术要求理论冲击力输出值(t)：35200冲击行程(mm): 500满行程冲击力衰减：25%最大冲击能量(kJ): 不小于800最大冲击速度（m/s）: 1020试验台刚度及强度校核：在200吨冲击压力下，结构件最大变形量小于0.15mm，最大应力小于100MPa。3.2工况分析设计液压冲击头的一般步骤,大体可以分为三步,第一步是设计方案的确定,根据加工工艺要求、加工制造能力等实际情况,参考国内外有关技术资料,确定冲击头的工作原理、本体结构、液压传动方式及液压控制系统的工作原理;第二步是参数的设计计算,按照选定的方案、给定的参数或一些参数选择范围,去计算其它一些主要性能和结构参数,根据选定的液压液压系统原理进行液压系统的计算,选择液压元件;第三步是机器总体和零部件设计,并对主要的零部件进行必要的刚度、强度和稳定性的校核计算。对冲击头的工作原理分析可知,冲击头在向下打击锻件的过程中,可以分为加载阶段和卸载阶段,在冲击头冲击的过程中,它的打击力很大,这样就可以忽略其它力的作用,根据冲击头和被试件碰撞前后的总动量守恒,把被试件塑性变形所需的能量在冲击打击能量中所占的比例,称为打击效率,其打击效率为: 3-1式中 -冲击头的质量（kg）； -支座的质量（kg）； K -恢复系数（表示冲击系统在打击后的相对速度和冲击前的相对速度的比值）。在打击过程中,打击能量公式: 3-2打击次数是冲击头的一个重要指标,如果不考虑打击时的上下停顿时间,则一个工作周期包括打击时间和回程时间,完成一次打击过程,理论上所需时间:液压冲击头在打击的过程中,冲击头的速度由初始时的静止状态到打击的最终速度10m/s ,我们近似的将冲击头打击的速度看成是匀速运动,在冲击头打击的过程中,冲击头的受力分析如图 3-1,冲击头主要受活塞杆对它的向下作用力,冲击头与导轨、活塞与液压缸、活塞杆与密封套、联动杆与密封圈等处的摩擦力,冲击头与活塞杆、联动杆的重力,另外还有冲击头的惯性力。图3-1 冲击头的受力分析Fig.2-2 Impact force analysis of the head对冲击头进行受力分析,得出它的受力平衡方程: 3-3式中 F-液压缸对冲击头的推力（N）； -冲击头的惯性力（N）； -冲击头系统 所受的摩擦阻力（N）； -冲击头系统自重；冲击头的惯性力为： 3-4冲击头系统所受的摩擦阻力为:（取摩擦系数0.1） 3-5冲击头的自重为： 3-63.3液压缸的典型结构1 拉杆型液压缸两端盖和缸筒用多根长拉杆来连接，通常两端盖均为正方形或长方形用四根拉杆拉紧图3-1 拉杆式液压缸Fig.3-1 Tie rod hydraulic cylinder2 螺纹盖型液压缸活塞杆侧的前端盖制有螺纹以旋入相应的缸筒螺纹内，后端盖则多数是焊接 在缸筒后端这类液压缸暴露在外面的零件较少，外表光洁，外形尺寸较小，能承受一定的冲击负载和严酷的外界环境条件。但由于前端盖螺纹强度和预紧端盖的操作的 限制，因此不能用与过大的缸内直径和太高的额定工作压力，通常用与内径d这类液压缸多用与车辆，船舶，矿业等室外作业机械上。3 法兰型液压缸两端盖均有法兰用多个螺钉分别与缸筒相应的法兰连接。3.4确定液压系统的主要参数3.4.1初选工作压力表3-1 按载荷选择工作压力Tab.3-1 According to the work load selection pressure载荷/KN50工作压力/MPa0.8-11.5-22.5-3 3-4 4-53.4.2确定液压缸的主要尺寸设计及校核 活塞杆受压时 （ 3-6） 活塞杆受拉时 （3-7）式中无杆腔活塞有效作用面积（）有杆腔活塞作用面积（）液压缸工作腔压力（Pa）液压缸回油腔压力，即背压（Pa），其值根据回路的具体情况而定，初值时可参照表2.3取值，D活塞直径(m)d活塞杆直径（m） 液压缸主要在受压状态下工作，其活塞面积为 （3-8） 表3-2 按工作压力选取d/DTab.3-2 According to the working pressure choose d/d工作压力/MPa5.0-7.0d/D0.5-0.550.62-0.700.7 表3.3 执行元件背压Tab.3-3 Components of back pressure系统类型背压/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计 查表的;=d/D=0.5,=0.5MPa.带入公式（3）得=65.4mm 查表得液压缸内径D=80mm,活塞杆内径d=56mm。（3） 缸筒长度L 缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：L=l+B+A+M+C。 式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度。 一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。图3-2油缸的导向长度Fig.3-2 The length of the cylinder guide当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(如图2-1所示)。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一最小导向长度。最小导向长度应满足下式：HL/20+D/2 3-9式中：L为液压缸最大工作行程(mm);D为缸筒内径(mm)。 H500/20+80/2=65mm一般导向套滑动面的长度A，在D80mm时取A=(0.6-1.0)D,在D80mm时取A=(0.6-1.0)d；活塞的宽度B则取B=(0.6-1.0)D。为保证最小导向长度，过分增大A和B都是不适宜的，最好在导向套与活塞之间装一隔套K，隔套宽度C由所需的最小导向长度决定，即： 3-10 mm采用隔套不仅能保证最小导向长度，还可以改善导向套及活塞的通用性。 (4)强度校核 a) 缸筒壁厚校核缸筒壁厚=10mm。对液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。缸筒壁厚校核。缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况，当D/10时为薄壁，壁厚按下式进行校核：=ptD/2 3-11式中：D为缸筒内径；pt为缸筒试验压力，当缸的额定压力pn16MPa时，取pt=1.5pn，pn为缸生产时的试验压力;当pn16MPa时，取pv=1.25 pn;为缸筒材料的许用应力，=b/n,b为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。当D/10时为厚壁，壁厚按下式进行校核： 3-12Pn=10MPa，Pt=1.5Pn=15MPa=1.05所以缸筒壁厚=10mm满足条件。 b) 活塞杆直径校核。活塞杆的直径d按下式进行校核： 3-13 式中：F为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力。活塞杆的直径d=60mm满足条件。3.4.3计算最大流量=12m/s=,=2m/s=冲击试验台冲击头在慢速接近被试件过程中所需要的流量为=50247200L/min=361.7L/min冲击试验台冲击头在快速接近被试件过程中所需要的流量为=50241200L/min=602.9L/min冲击试验台冲击头在慢速退离被试件过程中所需要的流量为=2562.27200L/min=184.5L/min3.5导向环的设计计算 导向环安装在活塞外圆的沟槽内或活塞杆导向套内圆懂得沟槽内，以保持活塞与缸筒或活塞杆与其导向套同轴度，并用以承受活塞或活塞杆的侧向力。3.5.1导向环的主要优点a. 低泄露。由于摩擦副同轴度好，圆周间隙均匀，故泄露少；b. 导向环可用耐磨损材料，磨损后更换方便；c. 低摩擦系数；d. 能刮掉杂质，防止杂质嵌入密封圈；e. 有良好承载能力 目前使用较多足浮动型导向环，因其加工较方便，采用不同材料。3.5.2导向环的型式 有嵌入型和浮动型嵌入型导向环：在活塞外圆加工出燕尾型截而