（机械制造及其自动化专业论文）动水压力发生器的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 动水压力发生器是土力学试验仪器三轴试验仪的重要部件，为其提供动水压力。 它能够取代常规的室内压力源，根据实验要求产生不同频率不同幅度动态水压力。本文 根据实际需求，研制动水压力发生器，并对关键环节进行详细分析。 本文针对国内外三轴仪的发展现状及需求，利用目前较先进和广泛使用的c a d c a e c a m 软件p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 版，结合a l t t o c a d 和a n s y s 软件，完成 动水压力发生器的系统设计和相关配套部件的选取。在充分论证设计合理性的前提下， 利用p r o e n g i n e e r 设计出动水压力发生器的各个零部件。 针对关键部分的设计，采用p r o e 的p r o m e c h a n i c s 组件进行结构分析优化。对核心 部件滚珠丝杠，在理论计算的基础上，采用p r o m e c h a n i c s 与a n s y s 相结合的方法进 行有限元分析，对丝杠稳态进行分析，进一步确定和验证丝杠的相关参数。对于零件的 装配，结合p r o e 的p r o m e c h a n i c 模块，进行相关的运动仿真，并对关键点的运动路 径、速度和加速度等参数作出分析。在工程图的输出上，以a u t o c a d 为基础，对工 程图进行合理设置转换，通过a u t o c a d 输出标准工程图。 产品经过试验表明：系统设计合理、运作平稳，产生的动水压力符合设计要求，达 到了预期的设计目标。 关键词：动水压力；p r o e n g i n e e r ；运动仿真；有限元分析 动水压力发生器 r e s e a r c ho ft h eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r eg e n e r a t o r h y d r o d y n a m i cp r e s s u r eg e n e r a t o ri sa ni m p o r t a n ts u b a s s e m b l yo fs o i lm e c h a n i c st e s t i n s m n n e n t - - t r i x i a li 玎s m 加d e n ta n da f f o r dh y d r o d y n a m i cp r e s s u r e t h ei n s t r u m e n ti su s e di n g e n e r a t i n gd i f f e r e n tf l e q u e n c ya n dd i f f e r e n tr a n g eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ea sr e q u e s t , i n s t e a d o f n o r m a js o l j x c 2o f w a t e rp r e s s u r e t os = i s f yt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t , t h i s p a p e rd e v e l o p s i nc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hs u b j e c t ；d e t a i l sa r cp r o v i d e da ts o m e k e yp o i n t s i nt h er e s e a r c ho f t h el r i a x i a li n s t r u m e n t sd e v e l o p m e n ta n dr e q d i r e m e m , t h ep a p e ru s 船 t b cm o s tm v a n c e da n dc o n l l n o l l l yc a d c a e c a m s o f t w a r e - - - p r o e n g i n e e rw i l d f i r ee d i t i o n , a u t o c a da n da n s y st oc o m p l e t ea l lt h es e r i e so f d e s i g n sa n ds e l e c t so f t h es y s t e m b a s e d o nt h ew h o l ed e s i g ni si nr e a s o n , p r o e n g i n e e rw 硼丘把g i v et h e & s i g no f t h e g e n e r a t o rp a r t s a i m e da ts o l n em a i nc o m p l e x p a r t s p r o n 1 e c h a n i c ao f p r o e n g i n e e rp r o v i d eo p t i m i z e a d v i c ei nd e s i g n i nt h e & s i g no f t h em a i np 缸t - b a l l 帆o nt h eb a s e m e n t o f t h e o r y c a l c u l a 衄，t h ep r o m e c h a n i ca n da n s y s c o l l f i i t f it h ep a r a m e t e r so f t h eb a l l $ c l 州t o g e n e r a t ea na s s e m b l y ，p r o m e c h a n i cp r o v i d e st h ep r o d u c t sa s s e m b l ya n de m u l a t et h e m o v e m e n t , i tc a ns h o wt h em o v e m e n tt r a c k s 、s p e e da n da c c e l e r a t i o no f t h ek e yp o i n t , o p t i m i z et h ed e s i g n f i n a l l ye x p o r tas t a n d a r dp a p e ri na u t o c a d t h e d e b u g g i n ga n dr u n n i n go f t h es y s t e mi n d i c a t et h a tt h ed e s i g ni sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e m h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ef i m c t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e ；p r o e n g i n e e r ；m o v e m e n te m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t a n s y s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盔毖日期：型哩：z ：鲨 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：握殛 导师躲i 兰骞 丑丝2 年 月一2 生日 ， 大翘工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 岩土工程中有关土工问题可分为两类，即变形问题和稳定问题。变形问题是研究土 体由于其自身重量的作用，或在外加荷载的作用而产生变形的问题；稳定问题是研究土 体受到外力作用或自身重量的作用而产生破坏的问题f 1 1 自然形成的山坡、海岸、河岸和人工构筑的坝坡、路堤等之所以能保持一定的坡度 或直立状态，是因为土体本身具有一定的强度。水是没有强度的物质，因此它不能形成 坡度，更不能保持直立状态。这种土工构筑物的坡度或直立的高度则有一定的限度，这 种限度是由其本身的强度决定的，如超过其强度就会发生滑动或坍塌。挡土墙坍塌，房 屋因地基破坏而倾倒等事故，就是土体内部由于外加荷载所产生的剪应力超过了土的抗 剪强度所致。因此在工程勘察设计中，土的强度参数，是计算和研究土体稳定性、地基 承载力和土压力等的重要指标。 1 1 1 土力学的研究对象 土力学( s o i lm e c h a n i c s ) 是研究土的碎散特性及其受力后的应力、应变、强度、稳 定和渗透等规律的一门学科。它以力学和工程地质学的知识为基础，研究与工程建筑有 关的土的变形和强度特性，并据此计算土体的固结与稳定，为各项专门工程服务【2 】。 建筑物修建以后，地表土层中的应力状态、水文地质条件和土的性质将有所改变， 因而产生一些土工问题，如地基的变形和失稳、路堤和土坡滑动、土石坝渗漏和渗透变 形等。任何土工问题都是在地表土层中产生和演化的，土体的性质是决定工程活动与地 质环境相互制约的形式和规模豹根本条件。所以研究同建筑物有密切关系的地表土层的 工程地质特征和力学性质，有非常重要的意义。土力学不仅研究土体当前的性质，也要 分析其性质的形成条件，并结合自然条件和建筑物修建后对土体的影响，分析并预测土 体性质的可能变化，提出有关的工程措施，以满足各类工程建筑的要求。 1 1 2 动水压作用下的道路特性 在道路工程中，无论是高速公路还是城市快速路，许多地方都存在通车不久，就有 路面损坏而不得不进行大面积维修的事实，这就是普遍存在的早期损害现象，去除个别 人为因素造成的低质量施工，早期水损害是道路损害发生频率较高的。正是源于此，路 基、路面的早期水损害问题就引起了人们的广泛关注。 动水压力发生器 现在的高速路一般为沥青混合料，发生损坏路段一般是透水严重，且排水不畅。损 坏的季节以雨季居多，而且往往是行车道损坏比超车道严重，这必然与重载的频繁碾压， 有密切关系，如图1 1 。分析沥青路的损坏原因，主要归结为沥青混合料的空隙率过大， 路面渗水、排水设施不完善等。研究表明，沥青路面的空隙率在8 以下时，沥青层中 的水在荷载作用下一般不会产生动水压力，不容易造成水的损害破坏；当路面空隙大于 1 5 时，一般采用改性沥青，此时水能够在空隙中自由流动，也不易造成水损害破坏； 只有当路面实际空隙率在8 - 1 5 之间的范围时，水最易混合料的内部，且在循环荷载 的作用下易产生较大的毛细压力，从而使这部分水逐渐浸入到沥青与集料的界面上。沥 青膜渐渐从集料表面剥离，最终会导致沥青与集料之间的粘结力丧失，从而造成水损害 破坏f 3 】。 l0 0 0 量8 0 0 督枷 蓉枷 2 o 3 06 09 01 2 01 5 0 拿蘧y 戌i 锄i 一 图1 1 动水压力车速图 f i g1 1 r e l a t i o n sb c t w e e l ：lh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ea n ds p e e d 1 1 3 研究动水压力发生器的意义 土力学一直遵循着理论、实验和工程实践相结合的发展规律。“不进行任何土工实 验，不熟悉土的特殊的力学性质，仅仅埋头于理论，企图通过数学力学手段创造一个适 用于一切土，反映土的一切特性的本构模型，是不现实的”。【4 】土力学的发展离不开土 工试验，土的动力室内测试试验的主要任务是将土的试样按要求的湿度、密度、结构和 应力状态制备于容器中，然后施加不同形式和不同强度的振动荷载作用，再测量在振动作 用下试样的应力和应变，从而对土性和有关指标的变化规律作出判断。室内测试手段主 要有动三轴试验、振动扭剪和振动单剪试验、共振柱试验、振动台试验和离心模型试验 等5 种类型【5 】。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 土的应力应变本构模型，通常是先通过少量简单的试验，求取在比较简单的应力状 态下的应力一应变关系，然后用数学和力学及其它学科理论，把这些试验结果推广应用 到复杂的复合应力组合状态上去。在土的应力应变本构模型研究中，最常使用的土工试 验设备就是土工三轴试验仪。土工三轴试验具有能控制试样排水条件、试样中的应力相 对比较明确、能量化孔隙压力等优点，通过试验可以测定试样的应力、应变、体积应变、 强度和静止侧压力系数等。因此，土工三轴试验自二十世纪3 0 年代提出以来，得到了 迅速推广和广泛应用。由于土的力学性质的复杂性，近年来又研制和开发了以空心圆柱 压缩扭剪仪、方向剪切仪和真三轴仪为代表的新的土工试验仪器。它们可以用来进行复 杂应力条件和复杂应力路径下的试验，揭示在这些情况下土的力学特性，用它们的试验 结果来验证各种本构模型。但是在本构模型的实际应用中，又需要用尽可能简单和普及 的仪器来进行试验研究确定模型参数。土i - 轴试验除了可以测定土的抗剪强度c ，巾 值，还可以测定土的其它力学性质，如土的变形指标弹性模量e 、泊松比p 和固结系数 c v 等，因此，土工三轴试验又成为最重要的土体参数测试手段1 6 j 。 在实验中，不同的土体在不同的受力条件下，其应力应变也是不同的。为了研究土 体在不同的应力条件下的剪切破坏行为。动水压力发生器就是在研究循环动孔隙水压力 作用下的饱和砂土的力学特性中，产生和控制动水压力的重要装置。通过压力控制系统， 可以产生不同频率，不同幅值水压力，模拟现场工况，控制样品的损伤，以期取得与现 场最相近的数据结果，提高分析的准确度。 以往的室内动三轴试验，都是通过对饱和试样施加模拟的动主应力，测定试样在动 主应力作用下应力、应变和孔隙水压力的变化过程，从而确定饱和试样在动应力作用下 的破坏强度。特别是对于动孔隙水压力的量测，都是基于动应力作用下引起的孔隙水压 力的变化，被动的量测孔隙水压力的变化，然后通过数学分析和力学研究，从而建立一 个合理反映土体应力应变关系的数学模型。而现在我们试图通过直接在试样上作用动态 水压力，然后分析动态的孔隙水压力产生的影响来得到试样的力学性能，而与相关的动 水压力发生器的研制就有着重大的理论意义和实用价值。 1 2 国内外动水压力发生装置的发展 1 2 i 国外压力发生器的发展 三轴仪的加载主要有两种方式：刚性加载方式和液压加载方式。 刚性机构加载方式是现今三轴仪系统中技术最为成熟、应用最为广泛的轴向加载技 术，通过以加载框架的形式来实力。如美国公司g e o c o m p 公司的l o a d t m a 系统，其加 动水压力发生器 载原理为：步进电机驱动导向螺杆，将旋转运动变换为直线运动，带动三轴室托盘上升， 由移动的三轴室托盘和固定于顶部模梁的压缩杆联合对三轴试样施加载荷。， 液压加载方式是由英国帝国学院的b i s h o p 和w e s l e y 于二十世纪六十年代提出的， 实现这种加载方式的典型装置是b i s h o p & w e s l e y 型三轴室。b i s h o p & w e s l e y 型三轴室在 传统三轴室的底部加设一个液压活塞筒，通过液压泵将指定压力的脱气水注入该活塞筒 中，以活塞推动压缩杆上移，从而对三轴试样旖加轴向压缩载荷。这种加载方式省去了 体积较大的加载框架，使得三轴仪系统更加紧凑。如英国g d s 公司三轴仪用于3 8 m m 和5 0 m m 试验土样的加载采用的b i s h o p & w e s l e y 型三轴室。 g d s 三轴仪4 0 n 6 0 m p 型号的【7 l 加载性能： 轴向力精度= 荷重传感器量程的0 1 ( 即：对于1 0 k n 的荷重传感器来说，其精 度为l n l 轴向力分辨率= 1 6b i t ( 即：对予1 0 k n 荷重传感器来说 o 4 n ，对于4 0 k n 荷重 传感器来说 1 5 n ) 1 2 2 国内压力发生装置的发展及现状 我国于2 0 世纪5 0 年代开始研制三轴仪。1 9 5 3 年原南京水工仪表厂，即现在的南京 电力自动化设备厂首先制造了用磅称施加轴向力的三轴仪。1 9 5 7 年又仿制了应变式三轴 仪。6 0 年代又参照国外的经验和标准，研制了用齿轮变速控制轴向变形的三轴仪。这时 国内各科研、勘察和设计单位逐渐购置三轴仪，三轴试验逐渐开展起来。当时的试样直 径为3 8 m m 、7 6 m m 、1 0 0 m m 三种。周围压力只能达到6 0 0 k p a 。1 9 7 0 年研制了高压大 型三轴仪，试样直径为d f f i 3 0 0 m m ，周围压力达到1 5 0 m p a 。1 9 8 5 年由中国水利水电科 学研究院组织的三家工厂共同研制了周围压力达到7 m p a 的大型三轴仪，并配有了自动 采集数据装置。目前三轴试验已列入式我国各行业的土工试验规程及国家标准土工试 验方法标准嘲。 1 9 9 5 年，河海大学殷宗泽教授主持开发的真三轴仪，压力室是清华大学在日本诚 研舍真三轴仪的基础上作了改进后设计的，中科院科学仪器厂加工制造，加压系统和数 据采集系统由河海大学和南京电力自动化研究所共同研制，试样为矩形四棱柱，仍属于 刚性水平加压板类型。压力室的筒身外壁镶嵌连接中主应力的压力室和侧向位移测试 室，中主应力压力室的气压通过与传压杆连接的剐性板将中主应力施加到试验侧表面， 小主应力是通过将压力室充水，由水压提供，轴向加荷是类似常规三轴仪的应变控制加 荷台施加，中主应变的量测是点接触的位移传感器，在试验侧表面与中主应力活塞杆连 - 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 接的加压钢板之间垫加一块高度略低于试样高度的有机玻璃板，通过在有机玻璃板与包 裹试样的橡皮膜之间涂抹凡士林，尽可能地减少和避免因加压钢板直接与橡皮膜接触产 生的摩擦力对试样变形的影响。尽管这种改进的真三轴仪加荷系统和量测系统自动化程 度比较高，但未克服刚性水平加压板真三轴仪的缺点，除了边角效应以外，许多三维应 力路径，如轴向加荷压缩到一定变形量后，增加中主应力的试验，往往由于有机玻璃板 或刚性加压板高度的限制而无法进行。但朱俊高等利用该真三轴仪进行的土体侧向变形 性状及其机理的真三轴试验研究在国内是较早的，揭示的土体侧向变形现象与规律与 l a d e 的试验结果f 9 l 较吻合并在以后的试验中得到验证。 簟冉话缸 矧 宁悠 睃旺 烈 眦；。 f r 胃口i群野： 拙 目 蚪。爵 豹豺e缀黼 巳岛 0 i _ ，l 图1 2压力室 f i g1 2 p 煅“目m 轴晦传压扦 图1 3 主压力加压装置 f i g1 3 c e n t r a lp r sg e n e r a t o r 1 3 本课题的背景与意义 目前，由于国产三轴仪系统的精度和自动化程度均较低，一般情况下只能作为教学 仪器使用或仅仅作为定性分析的工具，难以满足科学研究的现实需求。我校自主开发的 新型三轴仪系统中，以凸轮机构做为传动机构通过步进电机的控制产生水压力，但在设 计中存在着输出水压力频率受限，输出水压力精度不高、压出水量偏少的缺陷。随着整 体技术水平的提升，国内众多的科研院所和工程公司都有对高级三轴仪的强烈需求，但 因为国产三轴仪技术水平无法满足这种要求，市场为少数几种类型的进口三轴仪所垄 动水压力发生器 断，而一套进口三轴仪售价往往高达数十万元人民币。由此可见，市场上存在着技术水 平相当，价格合理的国产三轴仪的生存空间。另一方面，从技术上来看，利用现有的机 电技术己经完全能够设计开发出与国外公司性能相当的三轴仪产品。因此，哈尔滨工业 大学交通学院委托我校开发动水压力、损伤可控的沥青混合料三轴实验装置。 在以往的三轴试验中，孔隙水压力通过水银压力调节阀或简易传感器来测量，手工 调节精度较差。而动水压力发生器的研制开发可以为实验室提供现代化的新型压力控制 器，该装置可以产生静态或动态的水压力，并通过微机进行显示和控制，直接在试样上 作用循环孔隙水压力，产生预设的循环孔隙水压力波形，通过模拟实地作用效果，可以 获得试样在动水压力作用下的力学特性，以分析试样在实际应用中可能出现在破坏。正 基于此，研制开发了动水压力控制器。 1 4 课题研究所要解决的主要问题 结合以往的设计经验，吸取国内外三轴仪水压力发生装置的优点，设计一种全新的 三轴仪动水压力发生器，以满足沥青混合料三轴仪实验系统的试验要求。 在形成合理设计方案的基础上，使用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 软件绘制出动水压力控 制器主体零件，结合a u t o c a d 和a n s y s ，完成这一系统的设计和相关配套部件的选 取。在充分论证设计合理性的前提下，利用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 设计出动水压力发生 器的各个零部件。 针对关键复杂部分的设计，采用p r o e n g i n e e r 的p r o m e c h a n i c a 组件和有限元分析 软件a n s y s 对控制器进行结构分析，对设计结果进行优化。 对于零件的装配，结合p r o e n g i n e e r 的p r o m e c h a n i s m 模块，进行使用虚拟装配。 完成相关的运动仿真，并对关键点的运动路径、速度和加速度等参数作了相应的分析， 做出了分析曲线，作为选择最佳的运动模型的依据，验证方案的合理性。 在工程图的输出上，利用a u t o c a d 在工程图上的优点，将零件导入a u t o c a d 中进行格式调整、图层转换、线宽设置、颜色设置等相关操作，最终输出标准的工程图。 大连理工大学硕士学位论文 2 动水压力发生器的机械设计 2 1 p r o e n g i n e e rw i l d 6 r e3 o p r o e n g i n e e r 三维实体建模设计系统是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c 公司) 的产品。p t c 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征 和完全关联的概念从根本上改变了机械c 黼燃a l 讧的传统概念，这种全新的设计 理念已经成为当今世界机械c a d c 删c a m 领域的新标准。p t c 公司在1 9 8 9 年提出了 p r o e n g i n e e r v l 0 版本，现在已经历时十多个年头，操作的直观性和设计理念的优越性 也深入人心，许多机械设计人员都给予了下面的评价。与此同时，p t c 公司一直致力于 开发新产品，定期推出新版本，新增各种实用功能【。 2 0 0 2 年6 月l o 日，p t c 公司正式在中国大陆发布p r o e2 0 0 2 英文版e n g i n e e r w i l d f i r e ( 野火) ，这是p r o e n g i n e e r 这一业界顶级的产品也被称为p r o e 设计和开发软件 的一个突破性版本。p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 是业界第一套把产品开发和企业商业过程无缝 连接起来的产品，它兼顾了组织内部和整个广义价值链。它是全面的一体化软件，可以 让新产品开发人员提高产品质量、缩短产品上市时间、减少成本、改善过程中的信息交 流途径，同时为新产品的开发和制造提供了全新的创新方法。p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 不 仅提供了智能化的界面，使产品设计操作更为简单，并且继续保留了p r o e n g i n e e r 将 c 觥胱触讧三个部分融为一体的一贯传统，为产品设计生产的全过程提供概念设 计、详细设计、数据协同、产品分析、运动分析、结构分析、电缆布线、产品加工等功 能模块。 目前日益复杂的产品开发环境要求工程师在不影响质量的前提下，压缩开发周期以 缩短上市的时间。为了成功地解决这些问题，工程师正在努力寻找能够提高整个产品开 发过程中个人效率和流程效率的解决方案。在p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 中解决了这些具 体问题f 1 2 1 。 p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 版本中用于提高个人效率的功能有： 快速绘图工具：该工具减少了使用和退出草绘环境所需的点击菜单次数。它可以 处理大型草图，使系统性能提高了8 0 之多。 快速装配：流行的用户界面和最佳装配工作流可以大大提高装配速度，速度提高5 倍，同时，对w i n d o w ，6 4 位系统的最新支持允许处理超大型部件的装配。 快速制图：这一给传统2 d 视图增加着色视图的功能，有助于快速阐明设计概念和 清除含糊内容。对制图环境的改进将效率提高了6 3 。 动水压力发生嚣 快速钣金设计：捕捉设计意图功能，使用户能以比以往快9 0 的速度快速建立钣 金特征，同时能将特征数目减少9 0 。 快速c a m ：制造用户接口增强功能使制造几何图形的建立速度提高3 倍。 流程效率是p r o f e n g i n rw i l d f i r e 非功过3 0 改进的第二个方面，其重要功能包括： 智能流程向导：系统新增的可自定义流程向导蕴涵了丰富的专家知识，它能让公 司针对不同流程来选用专家的最佳实践和解决方案。 智能模型：把制造流程信息内嵌到模型中，该功能让用户能够根据制造流程比较 轻松地完成设计，并有助于形成最佳实践。 智能共享：新推出的便携式工作空间可以记录所有修改过、未修改过和新建的文 件，它可能简化离线访问c a d 数据工作，有助于改进与外部合作伙伴的协作。 与w i n d c h i l l 和p r o i n t r a l i n k 的智能互操作性：重要项目的自动报告、项目只 有发生变更时才快速检出、以及模型树中新增的数据库状态的状态栏，提供了一个高效 的信息访问过程。 总之，p r o e n g i n e e rw i l d f i r e3 0 的特点是操作界面简单、功能齐全、支持网络连接， 能将用户在全世界的研发人员和资料连接起来，使企业有能力将产品和产品开发放在业 务的中心位置，并激发产品开发过程中的隐藏价值。 2 2 总体方案设计 三轴仪最终所确定的各项技术指标如下：发生器能对沥青混合料试件内部孔隙产生 最大可达2 m p a 的间隙式动水压力，动水压力间隙周期可调l 以秒，最小加压时间0 1 秒。方型压力室l 1 0 0 m m h 2 0 0 m m 。 根据要求，设定该动水压力发生器的要实现频率为1 0 h z 、压力为2 m p a 的精确水压 力输出。在实现这一目标的前提下，还应尽量满足移动实验的要求，也就是整体体积小、 重量轻，结构紧凑。 在三轴试验中，很多情况要求三轴仪要能提供极低的轴向加载速率，这样才能较好 的完成排水和固结。现代三轴仪通常都具有很低的的轴向加载速率，英国w f t 公司的 加载装置可以提供到0 0 0 0 0 1 r a m r a i n 钧轴向加载速率，因此，要实现良好的加载速率， 必须引进精密的运动变换机构。在众多的运动变换机构中，滚珠丝杠具有结构紧凑、传 动精度高和效率高( 可达9 0 以上) 的优点，非常适合于作为压力体积控制器轴向加载系 统的传动部件。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将 旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精 密数控机床。 本课题轴向加载系统采用伺服电机，直接依靠伺服电动机的正反转，通过丝杠传动 来实现柱塞的往复运动，它的优点在于结构简单，控制方便，且精度较高。但丝杠的往 复运动高的频率高，而且相关的伺服电机在高频时的输出扭矩迅速下降，这就需要对动 水压力发生器的硬件设计进行细化优化。 1 伺服电机2 滚珠丝杠3 活塞杆4 压力容器5 压力变送器6 控制系统 图2 1 仪器构造简图 下图就是最终设计方案： 伺服电机根据指令转动产生转动力矩，通过联轴结将力矩传递到滚珠丝杠上，由滚 珠丝杠将力矩的旋转运动转化为径向推力推动活塞杆，调节压力容器中试验样品内的压 力，通过产生实验要求的不同频率、不同幅度的动态水压力，对试样在不同实验环境下 的应力应变情况由传感器进行采集传输，设计结构模型如图2 2 。 图2 2 动水压力发生器设计方案示意图 f i g2 2h y d r o d y n a m i cp r 酷s g e n e r a t o rp l 锄 动水压力发生器 2 2 1 理论验证实验 为了满足压力积体控制器所要求的最大值为2 m p a 的水压力，需要知道多少的水压 缩量才能达到这个值。也就是说，在一个充满水的密闭的容器内，需要把其中的水压缩 成多大的体积才能获得相应的压力。有一点值得注意的是，所谓的水压缩量并不是真正 的压缩水，我们所压缩的。实际上是溶解在水中的空气。帕斯卡定律的基础是液体的不 可压缩性。液体的体积随压强变化的规律可表示为： v = v ol 1 一e ( p - - p o ) ( 2 1 ) 式中p o 为标准大气压强，v 。为压强p 0 时液体的体积，1 3 为液体的压缩系数。 压缩系数是个常数，且均很小，如水的压缩系数为b = 5 1 0 - 5 大气压，故通常认 为液体是不可压缩的。另外，技术参数要求水压力必须是连续可调的，这就需要我们去 找出水的压缩量与水压力的关系。于是我们做了下面这个实验。 图2 3 理论验证示意图 f i g 2 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t l t o r y 佃s 缸g 实验步骤： a 在三轴仪的一个进水口处接上水压表，注满水后检查容器的密封性。 b 将一与容器孔相配合的柱塞缓缓插入水中，记下柱塞与水压力表的初始读数。 大连理工大学硕士学位论文 c 当柱塞每伸入5 m m 时，记录下此时的水压力表读数及柱塞伸出段l 的长度。 d 为保证实验精度，记录相同试验条件下试验三次取得三组试验数据。 c 拆去实验装置，测量出容器的体积为5 2 5 0 m l 。 实验数据处理： 实验过程中获得的数据如表2 1 所示。 表2 1 理论验证实验数据 t a b2 1 t h e o r yt e s td a t a 由关系表可知，水压力值与水压缩量成线性关系。由此可以推断，水具有线性压缩 性，这是我们进行本设计的理论依据。 动水压力发生器 2 2 2 滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其长寿命、高刚度、高效率、 高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类精密机械的重要配套部件，并 已实现了标准化、通用化和商品化【1 3 】。同时，滚珠丝杠的设计直接影响着进给传动系统 的灵敏度、定位精度、是否爬行等。所以，应该认真对待滚珠丝杠的设计过程，以得到 最优化的设计结果。在三轴仪的研制中，动水压力发生器是重要的控制水压力的仪器， 它可以取代常规的室内压力源，可以产生不同频率、不同幅度的动态水压力波形，同时 可以根据设定的压力值进行水压力的稳态控制。为了满足三轴仪测试中能提供极低的进 给速度，并保证高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并 进行必要的校核计算。 ( 1 ) 滚珠丝杠的选取依据： 在土的三轴剪切试验中，很多情况下要求水压力发生器能提供极低的轴向加载速 率，这样才能较好地完成工作。要实现较低加载速率，必须引入精密的运动变换机构。 在众多的运动变换机构中，滚珠丝杠具有结构紧凑、传动精度高和效率高( 可达9 0 以 上) 的优点，非常适合予作为水压力发生器轴向加载系统的传动部件。滚珠丝杠副是由 丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直 线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩 擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床 1 4 1 。 选取滚珠丝杠的主要技术参数的确赳”】： 乱工作载荷f ：是指实验机工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数 值可用下列进给作用力的实验公式计算： f = ( 2 f m 。+ f m m ) ，3 ( 2 2 ) 式中：f 。i 。一最小载荷； f m 。广最大工作载荷； b 导程p h ：根据实验机传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。 一般选择时，先按实验机传动要求确定，其公式为： p h v 。n 。 ( 2 3 ) 式中：v 。机床工作台最快进给速度，r a m r a i n ： n 。广驱动电机最高转速， r r a i n 。 在满足控制系统分辨率要求的前提下，p h 应取较大的数值。 大连理工大学硕士学位论文 c 螺母选择：由于水压力发生器对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时 要注重其刚度的保证。一般推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环 的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大 导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。 滚珠的工作圈数i 和列数j ：根据所要求性能、工作寿命，推荐按表2 1 选取。 表2 2 丝杠螺母特性 t a b2 2c h 8 “i c t e ro f l e a d i n gs c r e wn u t 要求特性插管式( i j ) 滚珠循环流畅 刚性 1 5 21 5 3 2 5 l 2 5 2 2 5 3 法兰形状：按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。 d 累积基准导程目标值t ； 为补偿由于温度升高或在外部载荷下滚珠丝杠延伸，需规定累积导程的目标值 t 。以避免温度上升对导程精度的影响。 t = c 0 0 l ( 2 4 ) 式中：o 热膨胀系数( d = 1 2 l o 6 ) ； 0 一丝杠温升，( 一般取e = 2 3 ) ； l 一丝杠长度，m m 。 e 导程精度选择：根据实验机定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一 般情况下，推荐按下式估算： e ( 1 4 3 5 ) t d ( 2 5 ) 式中：e 累计代表导程偏差， i im ； t d 机床有效行程的定位精度，| lm 。 丝杠螺纹长度h 按下式计算： l = l u + h + 2 l e ( 2 6 ) 式中：l u 工作台有效行程，1 1 1 1 n ； k 余程，m m ； l l 螺母长度，m m 。 g 同时，设计滚珠丝杠还应考虑如下一些约束条件： 临界压缩载荷应大于轴向最大受压载荷，确保丝杠的稳定性。 动水压力发生器 丝杠的最高转速应小于临界转速，防止发生共振。 一 滚珠丝杠还应受d o n m a x 限制，一般d o n m a x ，7 0 0 0 0 m m r r a i n ： 滚珠丝杠应具有足够的剐度。 滚珠丝杠要有较高的工作效率。 ( 2 ) 滚珠丝杠型号的确定： 综合上述所选主要技术参数，根据滚珠丝杠产品样本，即可确定所选滚珠丝杠副型 号规格。如验算不满足要求，需另选其它型号，重复以上步骤，直至满足要求为止。同 时珠丝杠的选择要优选标准推荐系统，以提高零部件的互换性，降低成本。其选择的基 本流程如图2 4 【1 6 1 ： ( 3 ) 水压力发生器丝杠选型： 该水压力发生器的总体设计要求是实现频率为1 0 h z 、压力为2 m p a 的精确水压力 输出。压力容器的直径为1 0 0 m m ，则计算压力容器两端的最大压力： 2 m p a - - 2 1 0 6 n m 2 f = 兀x ( 0 1 0 2 ) 2 x 2 x1 0 6 = 1 5 7 0 7 k n ( 2 7 ) 丝杠导程的选择： 根据我国和日本精密滚珠丝杠导程标准以及系统工作要求范围，选用c 3 c 5 精度等 级的丝杠为参考 j7 】。 表2 3m i s i m i 精度指标 t a b2 3 m i s i m ip r e c i s i o na c c u r a c y 单位：vm c 5 b s s 2 51 0 ，2 0 0 0 0 5 以下 根据系统轴向加载力设计指标，参阅机械设计手册，选定丝杠公称直径2 5 r a m ，螺 距选择推荐数值为2 5 r a m 。总长度为3 7 8 m m 。采用4 5 钢为材料定制加i i t s l 。 丝杠轴精度等级的选择校验： 大连理工大学硕士学位论文 使用条件、负载、速度、加速度、最大行程、位置精度、寿命 p 类t 类 确定滚珠丝杠副的导程 确定滚珠丝杠副和载荷及转速计算 t 确定预期额定动载荷q 口 按精度要求确定滚珠丝由强度计算确定滚珠丝 杠铃最小螺纹底径d l 杠铃最小螺纹底径d 1 t 确定滚珠丝杠的螺母形式及规格代号 确定预紧力基本额定静载荷验算 对预拉伸滚珠丝杠，计算行程补偿值c 和预拉伸力l t r 确定滚珠丝杠副支承所用其所长轴承型号、规格 t 滚珠丝杠副工作图设计 各种传动力矩计算、电机选择 i 传动刚度计算 t 传动系统刚度验算及滚滚珠丝杠副精度 【球丝杠副精度选择， 按经验选择 滚珠丝杠副临界压缩载荷f c 的校验 滚珠丝杠副极限转速n c 的校验 v 滚珠丝杠副d n 值的校验 t 滚珠丝杠副形位公差的标注 图2 4 丝杠选型基本流程 f i g2 4t h ep i d c e o f c h o o s i n gl e a d i n g 辩删 一1 5 一 动水压力发生器 丝杠发生最大推力： f a ：2 石x r l x t 1 0 3 ：2 z c x 9 5 x 1 5 7 0 7 x 1 0 3 ：3 7 5 r2 5 式中：r i 丝杠传动效率5 卜丝杠传动力矩f 1 n v o ： r 丝杠螺距( n 吼) 滚珠丝杠副的极限转速： k 娟筹偿= 厂争矿 式中：1 1 c - 极限转速( 转分) k 安全系数，般取0 8 ： l a 安装间距 a 螺杆轴的断面面积对面彳2 予d ? d l 丝杠轴的沟槽谷径。可查得d l - - 2 2 2 m m 卜一丝杠的最小截面转动惯量；，= 鲁刀 m h 历式弹性模量，取2 i 1 0 畚l m m ； y 刊料虢钢的密度为y = 罴瓮等 f 、 表示与支承形式有关的系数； 固定支撑方式时，f = 1 5 1 ， _ 3 9 7 2 1 1 7 】 代入上式中可得： 毽筹层= 譬- 1 0 7 = 4 9 1 4 r m i n 小于极限转速7 0 0 0 ，符合要求。 丝杠系统的剐度计算包含以下计算项目： a 进给丝杠轴的轴向刚度融：丝杠轴采用固定支撑( 自由) 。 依据n o 3 0 0 1td - 5 6 式3 1 1 1 9 1 ，轴向刚度系数计算式为： 缸：生! 墨 1 0 0 0 x a 式中： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 b 杨式弹性模量e - 2 0 6x1 0 5 n m m 2 i a 一安装间距，可计算出为2 8 0 r a m 。 a = 兰砰 a 螺杆轴的断面面积对面 4 1 d 1 丝杠轴的沟槽谷径。可查得d 1 = 2 2 2 m m 由此可得丝杠轴的轴向刚度k s ： 必：生；巡。拿；x f f x 2 2 2 2 型唑礤4 7 7 枷( 2 1 2 ) 1 0 0 0 t 1 0 0 0t1 0 0 02 8 0 b 螺母的轴向剐度k n ：在三轴试验中，轴向负载是一个变化量，故依据n o 3 0 0 1t d 5 8 ，轴向负载的刚性值为： r w - - k ( 去卜s 眨 式中： k 尺寸表中的刚性值( n | im ) 查n o 3 0 0 1 td - 2 0 0 得k = 4 6 0 n um c 扣善本额定动负载( c a = 1 6 k n ) f 扣_ 一螺母的轴向负载( 按f a = f 。= 1 5 7 0 7 k n 进行计算) 代入参数可得到螺母副的轴向刚度：今 纠( 老) x 0 8 = 4 6 0 ( 黑 0 8 = 5 4 6 3 2 n 伽 旺 c 支撵轴承的轴向刚度k b 计算：角接触球轴承可以同时承受径向载荷及轴向载 荷，能够在高转速下正常工作。参考日本t h k 公司的丝杠传动系统设计手册，丝杠端 的固定系统应选用丝杠专用的角接球轴承做为支撑部件，采用中国洛阳轴承研究所的精 密滚珠丝杠推力角接触球轴承。计算公式为： r 一兰垃 o ( 2 1 5 ) 式中：k b 一支撑系统的轴向刚度( n l a m ) ； f a 矿一支撑轴承的预压负荷( n ) ； 6a 旷轴向位移量( i j , m ) ； 动水压力发生器 参照m i s u m ib s s 型号，外径2