（机械制造及其自动化专业论文）千斤顶综合试验仪的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文结合我国千斤顶生产行业专用检测设备缺乏的现状，利用计算机控制技术、传感器技 术，研制了一种千斤顶综合试验仪。本项目的开展，对于提高千斤顶产品质量，促进我国千斤项 行业的发展具有积极的推动意义 第一章简要介绍了试验仪的开发及应用背景；回顾了国内千斤顶检测设备的发展和使用状 况；介绍了被测千斤顶的特点及主要失效形式；结合企业的实际需求及相关标准确定了试验仪的 设计耳标和具体设计任务。 第二章详细阐述了试验仪机械结构的各个组成部分，主要包括试验台架结构、扭矩检测结构、 千斤顶安装结构等，机械结构使试验仪可以实现对不同结构千斤顶的自动检测。 第三章阐述了以微控制器为核心的试验仪下位机系统硬件设计方案，下位机硬件设计主要包 括电机控制电路、串口通信电路和模拟信号采集电路等多个模块。设计方案中采用多种抗干扰措 施，使系统具备较好的抗干扰性和可靠性。 第四章介绍了试验仪下位机的软件结构与串口通信协议。按照结构化编程思想，将下位机软 件划分为主程序、子程序和中断程序三部分分别进行设计。设计的同时，注重提高软件的可靠性 和维护的方便性。 第五章介绍了上位机软件的设计原则，提出上位机总体设计方案，完成了试验仪上位机软件 的设计与编制。上位机软件主要包括串口通信、数据库和出错日志记录等功能。 第六章依据加速寿命试验相关理论，设计了加速寿命试验的具体方案，选用合理的寿命分布 和加速模型对试验数据进行分析，实现了千斤顶预期寿命的快速评定。 第七章概括了本论文的主要工作，并对今后需要进一步开展的工作进行了展望。 关键字：千斤顶试验仪可靠性加速寿命试验 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h el a c ko fs p e c i a lj a c k t e s t i n ge q u i p m e n t si nc h i n a , t h ed i s s e r t a t i o n d e v e l o p e dt h ej a c kc o m p o s i t i v ee x p e r i m e n te q u i p m e n tu s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y a n ds oo n ，1 n h es t l l d yo nt h ep r o j e c th a sav e r yp o s i t i v em e a n i n ga n dv a l u et ot h e d e v e l o p m e n to f i a c ki n d u s t r y i n c h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do ft h i sa s s i g n m e n ti sb r i e f l y i n t r o d u c e d t h ep r e s e n tr e s e a r c ha n du s i n gs i t u a t i o ni nj a c ke x p e r i m e n te q u i p m e n t s a r er e v i e w e d t h et r a i ta n dt h em a i nf a i l u r et y p eo ft h ei a c kw h i c hi st e s t e da r e i n t r o d u c e d t h ed e s i g no b e e t i v ea n dc h i e f a s s i g n m e n to f t h ed e t e c t o ri sc o n f i r m e db y t h ec o m p a n y sd e m a n d sa n ds o m er e l a t e ds t a n d a r d s i nc h a p t e r2 ，t h ec o m p o n e n t so ft h ee q u i p m e n t sm e c h a n i s ma r ee x p o u n d e d ， i n c l u d i n gt h et e s t - b e d 。t l l et o r q u em e a s u r e m e n ts y s t e m , i n s t a l l a t i o ns t r u c t u r eo fi a c k a n ds oo n a st h ed e s i g n i n go ft h ee q u i p m e n t sm e c h a n i s m ，t h ej a c ke o m p o s i t i v e e x p e r i m e n te q u i p m e n ti sf i tf o rm a n yk i n d so f j a e k s i nc h a p t e r3 t h ec o m p o n e n t so f m c uc h i pc e n t e r e da u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e ma r ee x p o u n d e d i n c l u d i n gm o t o rc o n t r o lc i r c u i t , s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t , a n a l o gs i g n a l c o l l e c t i o nc i r c u i ta n ds oo n s o m ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r eu s e d i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , t h es a f e t y , a n dt h es t a b i l i t yo f t h es y s t e m i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r es t r u c t u r eo ft h ee q u i p m e n t sl o w e rm a c h i n ea n dt h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li si n t r o d u c e d ，a c c o r d i n gt os t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g , t h es o f t w a r eo ft h el o w e rm a c h i n ei sc o m p o s e db yt h em a i np r o g r a m , t h es u b r o u t i n e a n di n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e i nt h ep r o g r a m , s o m em e t h o d sa r eu s e dt oi m p r o v et h e s o f t w a r e sr e l i a b i l i t ya n dt h es i m p l i c i t vo f o p e r a t i n gm a i n t e n a n c e i nc h a p t e r5 1 1 l ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h eu p p e r s o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d n 坨d e s i g na n dc o d i n go ft h eu p p e rs o f t w a r ei sc o m p l e t e d n es o f t w a r eo ft h eu p p e rm a c h i n ei sc o m p o s e db ys e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n 、 d a t a b a s ea n ds oo n i nc h a p t e r6 ，d e p e n do nt h ea c c e l e r a t e dl i f et e s tt h e o r y , t h em a t e d a la c c e l e r a t e d l i f et e s tp r o j e c ti sd e s i g n e d t h en o r m a ll i f co ft h et e s t e dj a c ki se v a l u a t e db y a n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t sw i t hl i r ed i s t r i b u t i o na n da p p r o p r i a t ea c c e l e r a t e di i r em o d e l i nc h a p t e r7 t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r k , w h i c hw i l lb ed o n ei nt h en e a rf u t u r en o wo ni sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：s c r e w j a c k ，t e s t e r ，r e l i a b i l i t y ，a c c e l e r a t e dl i f et e s t n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 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过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘芏或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：奎永 签字日期：2 彩多年9 月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝江盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：给j 弋乎已 签字日期；卫 z 年宇月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 象鼓 签字日期：卅年7 月7 日 电话： 邮编： ， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 本课题研究的背景 千斤项是一种常用的小型起重工具类产品，使用范围非常广泛，不仅是各种机动车辆的 必备工具，在建筑、铁路、汽车维修等部门也有着广泛的应用【1 川。千斤顶的市场容量相当大， 目前世界汽车的年产量是6 0 0 0 万辆，汽车保有量在3 5 亿辆以上，因此仅用于汽车配套和维 修用的千斤顶国际市场容量就在1 亿台以上。随着生产现代化程度的不断提高和人们对汽车， 游艇等大件消费品消费的不断增加，以及技术进步带来的产品更新换代，市场对千斤顶的需 求空间将会越来越大。 千斤项行业属于劳动密集型行业，由于发达国家的劳动力成本高出发展中国家几十倍， 因此主要依靠从国际市场进口各种千斤顶产品，而我国具有的劳动力成本优势给我国千斤顶 行业的发展提供了良好的契机。我国千斤顶行业起步较晚，直到1 9 7 9 年才接触到类似于国外 卧式千斤顶这样的产品，经过二十余年的技术引进与自主创新，我国生产的千斤项在外形设 计、可操作性、承载范围和使用寿命等方面达到了较高水平。目前，我国已经成为国际千斤 顶市场的主要出口国家之一，千斤项生产厂家超过三百家。年总产量在三千万台以上，千斤 顶出口率在5 0 以上。在我国的千斤顶制造企业中，江苏通润机电集团有限公司是规模最大 的千斤顶制造企业，其商用千斤项产量居世界第一，该企业在2 0 0 4 年出口创汇突破i 亿美元 浙江等沿海省份也拥有一批致力于各种千斤顶产品开发与制造的民营企业，例如，立式千斤 项产销鼍居世界第一的浙江省海盐县在2 0 0 5 年已有8 5 家千斤顶生产企业，年生产能力达到 1 0 0 0 万台。 世界主要的千斤项进口国家和地区为确保千斤顶的使用安全，大都制定了千斤顶产品的 质量检测国家技术标准，例如欧共体p r e n l 4 9 4 标准、美国a s m e 标准、英国b s a v 标准，德国 d i n 标准、澳大利亚 s 标准和日本j i s 标准中都有涉及到各型千斤顶产品的相关规定，这些 规定提高了千斤顶产品进入当地市场的准入门槛我国的相关主管部门基于提高我国千斤顶 行业标准化水平，推动行业技术进步，技术创新，引导行业结构调整、结构优化、产业升级， 促进千斤顶行业的健康、快速发展等目的，在参照国际先进标准的基础上，制定了一些关于 千斤顶产品的部门标准。例如适用于螺旋千斤顶的j b t 2 5 9 2 1 9 9 1 标准和适用于液压千斤顶 的j b t 2 1 0 4 - 2 0 0 2 标准等。在这些标准中，明确规定了千斤顶的各种检测项目与指标，例如 动载检验、超载检验、倾斜加载检验、寿命试验等。另外，国内的千斤顶生产厂家有时还要 按照客户的要求进行一些特定的检验项目并提供检测报告，以满足客户的个性化需要。可见， 千斤顶厂家有必要具备一定的产品检测能力，以便适应市场的需要，更好地满足用户的要求。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 本课题的意义 千斤顶是一种具有一定安全性使用要求的起重工具类产品，我国政府为提高我国千斤项 行业的整体水平，规定千斤项产品在进入国际市场时，必须通过国家的出口产品质量检验并 取得出口产品质量许可证，未取得质量许可证的企业不准进入国际市圳因此，千斤项生 产企业有必要对本企业生产的千斤项产品按照检验标准进行各种项目的试验与检测。这种试 验与检测一方面可以对已有产品进行性能检测，检验产品是否满足性能要求；另一方面还可 以找出现有产品的问题，指导设计人员改进千斤顶设计方案，改善千斤顶制造工艺水平，进 而提高产品质量。 目前，我国的千斤顶行业的检测水平比较低，大多数国内千斤顶生产厂家采用人工检测 方法。只有少数大型企业具有自动检测与试验能力1 1 4 j 开发具备一定自动化水平的符合千斤 顶生产实际的千斤顶自动化检测设备不仅能满足千斤顶制造企业对于斤顶检测设备的需求， 而且能改变企业传统的手工检测方式，实现千斤顶检测的自动化和智能化，提高检测效率与 检测精度。本项目的实施对我国的千斤项行业整体检测技术的提升和千斤顶设计、制造工艺 水平的提高具有一定的促进意义，对千斤项产品的升级与改进，提升我国出口千斤顶产品的 档次具有一定的推进作用。 1 2 千斤顶简介 千斤顶又称举重器，是用刚性项举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小行程 内顶升重物的轻小起重设备i i l 】。由于千斤顶具有构造简单、轻巧简便、灵活可靠、携带方便、 便于操作与维护等优点，广泛用于厂矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑、 吊装等工作中 1 2 1 千斤顶分类 千斤顶种类繁多，分类标准也多种多样：根据千斤顶外形的不同，可分为立式千斤顶和 卧式千斤顶；根据动力装置的不同，可分为电动千斤顶、手动千斤顶和电动手动两用千斤顶； 根据工作原理及结构来分，可以分为液压千斤顶、机械千斤顶和气压千斤顶三种，如下所示， 其中，括号内的英文字母是该种千斤顶的表征字母 千斤项 液压千斤顶 兰喜詈蓄曩篆荤斧嚣需嚣千斤顶q y l 机械千斤项 气压千斤顶 齿条千斤项 螺旋千斤顶 2 普通型螺旋千斤顶( q l ) 普通高型螺旋千斤顶( q l g ) 普通低型螺旋千斤顶( q l d ) 钩式螺旋千斤顶( q l g ) 剪式螺旋千斤顶( q l j ) 自落式螺旋千斤项( o l z ) 浙江大学硕士学位论文 液压千斤项是一种采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶，具有结构紧凑，工作平 稳等优点，具备自锁功能，适用于重物 项升、静力压桩、机械拆卸、设备校调、 基础沉降、桥梁及船舶修造，设备维修 等作业，可以单独使用，也可多个液压 千斤顶通过分流阀同时使用。与其它千 斤顶相比，液压千斤顶的不足是起重高 度有限和起升速度较慢。 液压千斤顶主要是由油室、油泵、 储油腔、活塞，油阀和手摇把等组成， 如图1 1 所示。使用时先将手柄提起， 油进入油泵，再将摇把下压，压力油进 入油缸，使活塞上升，实现重物的起升 1 语塞2 储曲腔3 回油旧4 油童5 簟向蝇6 油泵l 摇把 图1 1 液压千斤顶原理示意图 过程；下落重物时，需放松回油阀，使油缸里的压力油流回储油室，活塞随之下落，实现重 物的下降过程。 液压千斤顶按其结构可分为立式螺纹连接结构的液压千斤项和立卧两用液压千斤顶，从 设计上又可分为通用和专用两类。 f 通用液压千斤顶 桩惭顶协液压千斤顶鬣妻鎏篆需 通用液压千斤顶适用于起重高度不大的各种起重作业。专用液压千斤顶是专用的张拉机 具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力，常用的有穿心式和锥锚式两种。 机械千斤顶起重量小、操作比较费力，多用于机械维修工作，主要包括螺旋式与齿条式 两种。螺旋千斤项是一种采用螺杆或由螺杆推动的升降套筒作为刚性顶举件的千斤顶。主要 由铸铁底座，固定在外壳内的螺母和螺杆所组成，在螺杆上端装有托盘用以支承载荷，手柄 用来旋转螺杆。螺旋千斤项具有工作平稳、准确、可靠( 有自锁作用) ，构造简单耐用等优点， 在安装工作中用得较多齿条千斤顶又称为起道机，是一种采用齿条作为刚性顶举件的机械 式千斤顶，主要由齿条、齿轮、手柄等组成。使用时，只要摇动手柄，带动齿条上升或下降， 从而实现重物的上升或下降。齿条千斤顶具有结构简单、使用方便、安全可靠、多机并用等 优点，多用于机械装配，车辆检修、铁路检修等场合，是一种应用较广的起重工具。 气压千斤项又称充气千斤项，主要由顶盖、底座、外壳、气囊和进气口组成。使用时， 可以用软管将千斤项进气口连在汽车的捧气管上，将汽车排放的废气充入气囊内，使气囊内 具备一定的气压而鼓起，将外壳撑起，从而将顶盖顶起，同时将待支撑物( 汽车等) 顶起。 气压千斤顶克服了普通千斤项产品技术上的不足，具有便于携带、操作方便、自身重量小、 安装距离小，顶举行程大，接触面积大，稳定性好等优点，是一种特别适合于汽车运输维修 部门使用的千斤项。 本论文研制的千斤顶综合试验仪是为了完成合作单位生产的船用拖车千斤顶的检测任 浙江大学硕士学位论文 务被测船用拖车千斤顶是基于螺旋传动的工作原理，属于螺旋千斤项。为更好地了解被测 千斤顶的特性，完成试验仪的研制工作，有必要对螺旋千斤顶进行比较详细的介绍 1 2 2 螺旋千斤顶简介 螺旋千斤顶1 1 1 $ j 是一种传统的机械式千斤顶( 如图1 2 所示) ，广泛应用于起重、运输、装卸、安装及某些特殊 的工艺操作。它通过螺旋传动，使螺旋杆旋转，带动项垫 ( 举臂) 升降，从而达到起重或顶压的目的。螺旋千斤项 具有结构紧凑、操作方便的特点，适用于无电源或空间狭 小的使用场合，便于在进行流动性或l 临时性作业时使用。 4 浙江大学硕士学位论文 段 图1 3 不同负载时磨损曲线示意图 使用次数 图1 4 不同负载时工作扭矩曲线示意图 使用次数 在跑合磨损阶段，由于千斤顶螺旋副零件的适应性、表面形貌和磨擦相容性在使用过程 中渐渐得到改善，增大了接触面积，降低了磨损速度，千斤顶的使用扭矩和磨损率具有逐渐 减小的趋势。当千斤顶经过跑合磨损阶段的磨损性能改善后，千斤项便进入了稳定磨损阶段 这一阶段的磨损率和使用扭矩要比跑合磨损阶段略小一些。并且基本保持不变，这是千斤顶 的主要使用阶段。千斤顶经过一定次数的使用后，磨损积累到一定程度，导致螺旋副配合精 度下降，间隙增大，磨损率和使用扭矩逐渐变大，千斤项进入剧烈磨损阶段。 对同一型号的千斤顶施加不同的载荷时，磨损特性和扭矩特性也各不相同。负载越小， 工作扭矩数值越小，稳定磨损阶段越长，使用寿命也更长一些。如果负载过大，超出千斤顶 的承载极限，螺旋千斤项在结束跑合磨损阶段后直接进入剧烈磨损阶段，导致千斤顶报废， 如图l3 和图1 4 中的点虚线所示。 1 2 3 被测千斤顶简介 根据企业要求，试验仪应能够完成该厂生产的四种类型五十余个型号千斤顶的检测任务。 由于被测千斤项种类较多，样式也不尽相同，因此，对被测千斤顶的具体类型进行分析与研 究是设计试验仪的基础。 经过对合作厂家所生产的千斤顶进行分析，被测千斤顶的区别主要体现在手柄位置、螺 杆旋向、安装同定盘方向和底座样式四个方面，如图1 5 所示，具体分析如下： 5 浙江大学硕士学位论文 1 按手柄的位置来分：有手柄位于千斤顶顶端的项摇式千斤顶；有手柄位于千斤顶侧 面的侧摇式千斤项。图1 5 中千斤项4 和5 就是项摇式千斤顶，千斤顶l 、2 和3 属 于侧摇式千斤项。 2 按千斤顶的安装固定盘的位置来分，可以分为水平安装型千斤顶和垂直安装型千斤 顶。图1 5 中千斤项l 和2 属于垂直安装型千斤顶，它们的安装固定盘与地面垂直； 千斤顶3 和5 属于水平安装型千斤顶。 3 按千斤顶的底座样式来分，可分为轮式底座千斤顶和板式底座千斤顶。图1 5 中千 斤顶1 、2 和3 的底端安装有滚轮，属于轮式底座千斤顶；千斤顶4 和5 属于板式底 座千斤项。 4 按螺杆旋向来分，可以分为左旋千斤顶和右旋千斤顶。 相同样式的千斤顶根据设计承载能力的不同，还可以分为多种不同的规格类型。千斤顶 综合试验仪的检测对象的型号多达五十余种，各种型号千斤项之问在结构、样式，尺寸等方 面各不相同。 图i 5 被测千斤顶示例 1 3 千斤顶检测技术概述 检测技术也称为测试技术【4 2 4 s ，包含着测量和试验两个方面的内容测量，就是把被测 对象的某种特征信息检测出来，并加以度量；试验，就是人为地使用某种方法，利用专f j 的 装置，把被测系统存在的某种特征信息激发出来并加以测量。随着现代科学技术尤其是计算 机技术和微电子技术的发展，检测技术得到了突飞猛进的进步。现代检测系统已开始向自动 化与智能化检测、自动化数据分析与处理和系统功能软件化方向发展州。 1 3 1 千斤顶检测技术分类 随着现代科学技术的进步，特别是计算机技术、传感器技术应用丁二千斤顶检测行业，千 斤顶的检测技术也有了很大的发展吲。从检测方法和检测设备方面来分，千斤顶检测方法可以 分为三大类：人工检测方法、专用设备检测方法、系统检测方法。 人工检测方法是一种展简单的检测方法，主要是由经验丰富的专业人员依靠“眼看、手 6 浙江大学硕士学位论文 摸、耳听”等原始手段以及一些简单的通用工具进行这种方法只能发现那些明显的质量问 题，不能够发现一些隐藏的问题。这种检测只能定性进行，且检测结果与检测人员的经验有 关，检测结果带有明显的主观性，通常应用在日常的单件产品维护中，不能在生产试验过程 中应用。 专用设备检测方法1 4 ，1 是利用一些可以定量检测的专用检测设备获取千斤顶的检测参数， 由专业技术人员对检测参数进行分析，根据数据对于斤顶做出评价。这种检测方法提高了检 测准确性和可靠度，但存在着效率不高的缺点，而且对检验人员的要求较高。 系统检测方法一卅是一种基于计算机多功能检测设备的检测方法。它采用先进的计算机技 术、现代检测技术等多种技术，能够实现对多个信号同时采集、特征提取与实时处理，通过 屏幕显示、打印输出等多种方式输出检测与分析结果。 1 3 4 千斤顶检测技术发展现状 在千斤顶制造企业中，已有一些有远见的企业认识到千斤顶检测设备在实际生产中的重 要地位和作用，而目前市场上未出现千斤顶专用的检测设备，他们出于提高自身产品质量与 档次的角度的需求，或联合相关高校科研单位，或自己组织技术人员设计并制造了一些适合 本企业的千斤顶专用检测设备。 千斤顶负载力值的检测是千斤顶检测的一个重要项目传统的千斤顶负载力检测方法是 用被测千斤项项压报废的汽车轮辋进行压力测试吲，以轮辋内圈的变形程度来估计千斤顶是否 达到额定吨位。这种传统的测验方法只可以定性地观察千斤顶的输出力特性，具有较大的主 观性无法获得被测千斤顶的具体数据，无法满足现代化生产的需要。目前，千斤项生产厂 家多采用万能油压机进行千斤项的压力检测与校验，也有部分厂家开发了一些专用的负载力 检测设备。 山西某汽修厂为满足自身需要，开发了一种 千斤顶压力试验台l s j ，如图1 6 所示。该试验台 由上台座、下底座立柱、油缸及配套部件、压力 表等零部件组成。该试验台基于帕斯卡原理，在 试验台油缸截面积不变的条件下，压力表的数值 随千斤顶吨位的大小而变化，即千斤顶吨位大， 压力表的数值就大，反之压力表数值就小。采用 这种试验台可以进行液压千斤顶额定静承载试 验、模拟升顶试验和自落所需载荷试验，通过观 察被测千斤顶外观、有无异常现象以及压力表刻 度值来判断千斤顶有无故障。该试验台具有操作 容易，读数直观等优点，适合于液压千斤顶的负 载值检测。 7 1 压力表2 油堵3 油缸4 螺帽5 上台 座6 胶皮碗7 立柱8 活塞9 调整丝杆 l o 垫铁1 1 下台座 图1 6 千斤顶压力试验台示意图 浙江大学硕士学位论文 上海某企业在1 9 8 8 年设计了一种滑模千斤顶工 作性能检测装置纠，如图1 7 所示。该检测装置的 测试基本原理是基于千斤顶倒置负荷挑担原理。具 体测试过程如下：在一根具有足够刚度的钢结构横 梁3 的两侧各挑着相同质量的重物4 ，千斤顶5 则置 于扁担的中央位置并通过固定螺栓6 固定在底座7 上。千斤顶进油后支承杆往上运动，把横梁项起； 在关闭进油阀门以后停止进油，这时就可以在固定 标尺2 上看到千斤顶在不同负荷下的滑移鼍、行程 高度和承载能力等各项工作技术性能参数，从而达 到了测试和检验千斤项性能的目的。 这套测试装置能够有效地测出新旧滑模千斤项 在静止状态与额定荷载条件下的实际行程高度，滑 i 立柱2 标尺3 横梁4 重物 5 千斤顶6 同定螺栓7 底座 图1 7 滑模千斤项测试装置示意图 移量。并可检验其密封性能等主要技术参数。具有结构简单合理、性能可靠、制作方便、成 本低廉、操作简便、使用安全等特点，是目前滑模施工较为实用的千斤顶工作性能测试装置， 也是在国内滑模施工行业的首次应用。此外，应用该装置还可以较准确地判断千斤顶的使用 寿命并有效地挖掘千斤顶的潜力，具有一定的经济效益、实际使用价值和推广价值。 负载试验是现代工程技术中的一项基本试验，用于检验零件、构件乃至整个机器、产品 在模拟使用状态下的各项性能指标。航天部一四六厂根据航空部要求，研制成功了一种进行 水平和垂直两个方向复合负载试验台，完成对l o 吨飞机液压千斤顶在复合负载条件下的气密、 强度、自锁性、高温、寿命、破坏等项试验， 该试验台采用溢流阀控制的液压加载 方式实现负载数值的控制，结构如图1 8 所 示垂直加载液压缸固定在台架1 0 上，在 它的活塞杆顶端固定有滑板5 ，滑板5 上的 水平加载液压缸1 3 与负载复合器1 1 之间连 接有用于检测水平载荷值的力传感器1 2 ，滑 板5 由三根导向柱3 ( 其中一个上带有齿条) 导向作垂直上下运动。带有齿条的导向柱3 与装在滑板5 上的齿轮蜗杆轴4 的齿轮啮 合，依靠垂直相对运动作用、齿轮蜗杆轴4 转动，通过涡轮6 带动光杆2 转动，进而带 动发信凸轮8 转动发信，使调压阀7 的调压 头轴向位移而调节水平负载液压缸的驱动 压力，改变被测千斤顶水平方向的负载。 该试验台可以模拟具有固定关系的、简 8 为该产品的设计和工艺定型提供试验数据。 1 垂直液压缸2 光杠3 导向柱4 齿轮蜗杆轴5 滑 扳6 蜗轮7 调压嘲8 发信凸轮吼被铡千斤项io 台架1 1 负载复合器1 2 力传缮器1 3 水平液压缸 图1 8 复合负载试验台原理示意图 浙江大学硕士学位论文 单的施力函数加载过程，具有简单可靠、方便使用和对油液无特殊要求、节约费用等优点。 南京理工大学为某企业开发了一套基于工控机、a d 及i o 板卡的千斤顶测试系统【7 1 该 测试系统采用工控机作为上位机进行系统总控，专用数据采集卡作为下位机进行数据采集； 采用小型液压站驱动液压缸来模拟工作负载，由执行电机带动千斤项工作，实现自动化检测。 采用电压电流传感器、压力传感器和转速转矩传感器等信号检测元件对于斤顶的测试过程参 量进行采集，通过数据采集卡对采集信号进 行转换处理后送入工控机进行数据显示与 分析。整个千斤项测量系统的组成结构原理 方框图，如图1 9 所示。 该检测设备综合运用了计算机检测技 术和传感器技术，实现对电机电压、电流和 电机轴的转矩、转速以及千斤项移动速度和 输出力的实时监测，是一种较先进、通用的 千斤顶检测设备。但是，该设备采用小型液 工 控 机 i 世里塑j 磊随鳜圈 采蠊速梧感铟 集殖传感羽 ! 圃虱 扩面丽 执行电机 千斤顶 震 加载装置 图1 9 基于工控机的千斤顶测试系统 压站驱动液压缸来模拟工作负载具有设备复杂度高、控制难度大，设备成本高等不足。 中南大学的夏建芳等人开发的螺旋传动效率测试系统也可用于螺旋千斤顶的传动效率测 试【2 们，系统结构如图1 1 0 所示。该测试系统根据效率的计算方法，结合螺旋传动的型式、特 点，运用计算机技术、传感器技术，经济地解决了矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹螺旋传 动效率的测试问题。 ， 图1 1 0 螺旋传动效率测试系统 该系统通过电机及减速设备带动螺旋副工作，通过控制箱实现螺纹在一定负载下匀速间 歇性往复运动，通过行程开关实现螺旋副往复运动，利用智能转矩转速传感器采集数据；采 用面向对象可视化编程技术开发系统的配套软件，实现采集数据的计算处理与自动绘制效率 曲线功能；采用空载测试的方法较好地排除螺旋传动工作机构其它摩擦因素( 如轴承) 对测试 结果的影响，保证测试数据的准确性。该系统具有方案合理、螺旋副拆装方便、测鼍数据准 确、软件界面良好等特点。 9 浙江大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究要求和内容 1 4 1 本课题的研究要求 本论文需要实现对浙江某千斤顶厂家生产的多种系列千斤项产品进行工作特性和使用寿 命等产品数据的检测试验。试验仪的具体设计要求如下： 1 实现对该厂生产的多种规格千斤项的手动与自动检测； 2 能够模拟千斤顶在设定负载条件下的工作过程，实现检测过程的自动化； 3 试验仪具有试验过程的参数设置，多路信号实时检测等功能； 4 可以实现试验数据的实时显示，自动保存、多模式检索、打印输出等功能； 5 ， 具有较高的可靠性与安全性，具备一定的升级能力； 6 操作简单易学，用户接口友好。 千斤项综合试验仪的具体设计参数包括： 1 千斤顶高度范围：5 0 c m l l o c m ； 2 扭矩检测范围：o 4 0 n m ： 3 扭矩检测精度： 2 5 f s ； 4 压力检测范围：8 0 0 5 0 0 0 磅； 5 压力检测精度： 2 5 f s ； 6 检测工作行程：l 3 0 c m 。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题要设计一种千斤顶综合试验仪，对某企业生产的某一螺旋千斤顶系列的性能与寿 命的检测试验。实现多种非电参量的自动检测，评定产品质量，提供设计数据。 本论文所设计的试验仪的主要思想用传感器技术将千斤项工作过程中的相关非电量时变 信号转化为易于用仪器仪表检测的电量模拟信号；然后把经过相关处理的电量模拟信号通过 a d 转换器件转换成计算机可以处理、分析的数字信号；通过串口通信技术实现计算机与试验 仪控制柜之间的数据通信；由计算机实现试验数据的显示、保存、分析与打印报表功能。 为了实现上述综合试验仪的各项功能，本论文将试验仪的设计任务分为如下几个模块来 实现： 1 试验仪试验台架的结构设计。为满足不同型号千斤项的尺寸要求和设计载荷要求， 设计专门的试验台架以实现自动化检测的要求。 2 传感器的选取与检测电路的设计。本论文需要检测的千斤顶工作时的参数包括工作 扭矩、工作载荷，这些被测参数都是非电量参数，需要选取合适的传感器件将其转 化为电量信号，以方便计算机的采集与处理。 3 以微控制器为核心的机构运动控制与数据采集模块的设计与实现。该模块需要实现 试验台架的运动控制功能；实现采集信号的模数转换，以满足试验系统使用计算机 进行数据处理的要求；实现微控制器与计算机的串口实时通信功能。 1 0 浙江大学硕士学位论文 4 试验仪专用测控软件的设计与开发试验仪采用上下位机的控制结构，采用p c 机作 为上位机，上位机软件实现检测流程控制，提供试验仪的操作界面。下位机采用单 片机测控系统，下位机软件主要是根据上位机的指令实现对检测过程的监控和数据 采集。 5 在完成试验仪研制的基础上，结合加速寿命试验理论，通过加速寿命试验实现对被 测千斤顶工作寿命的评估。 千斤顶综合试验仪的总体设计框图如图1 1 1 所示。 图1 1 1 千斤顶综合试验仪总体设计 浙江大学硕士学位论文 第二章试验仪机械结构设计 2 1 机械结构设计要求与设计方案 千斤项综合试验仪的设计目的是完成多系列螺旋千斤项的检测任务。而要实现这个功能， 必须要有一个设计合理，运行稳定可靠的载体作为基本条件，这个载体就是试验仪的机械结 构部分。 2 l1 试验仪机械结构设计需求分析 为了实现五十余种不同型号千斤顶的检测任务，试验仪须要满足各种型号被测千斤顶的 安装与检测要求，包括：不同的手柄位置、不同的螺旋旋向、不同的安装方式、不同的标准 载荷和不同的千斤顶尺寸等；为实现试验仪的检测目的，机械结构设计还要考虑到信号检测 的要求。总之，试验仪的机械结构设计方案应满足以下几项设计要求； 1 能够调整试验负载，满足不同型号千斤顶的负载要求 2 实现千斤顶检测过程的自动化，改变以前采用的人工检测方式。 3 可以对该企业生产的各种型号千斤顶产品进行测试，能够适应不同的千斤顶高度、 安装方式和不同的手柄方向。 4 设计过程中应满足试验仪的检测原理的结构要求与各种检测器件的安装要求。 5 设计过程中考虑结构工艺性，降低制造成本与使用成本。 2 1 2 试验仪机械结构总体设计 为满足以上设计要求，试验仪的机械结构设计方案主要包括以下几个方面： 1 试验台架是试验仪机械结构的主体部分，具备安装驱动电机、承载模拟负载、安装 被测千斤顶、安装各种检测开关和信号传感器的作用。 2 为满足不同的千斤顶手柄位置要求，采用两台电机驱动装置分别承担对顶摇式千斤 顶和侧摇式千斤顶的驱动任务。 3 被测千斤顶的安装方式多种多样，千斤顶的结构尺寸更是千差万别，为实现被测千斤 顶的准确定位与固定，设计了多种安装转接板以满足不同型号被测千斤顶的定位与 固定要求。 4 试验台上安装有多种检测开关和信号传感器，实现试验状态的监测和被测信号量的 检测功能。 5 采用砝码块模拟工作负载，满足不同试验的载荷要求，具有简便、安全的特点。 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 2 试验仪机械结构详细设计 2 2 1 模拟负载力装置设计 模拟负载力装置主要分电气式负载模拟器、电液式负载模拟器和机械式负载模拟器三种 【4 2 l 。其中，前两种模拟器均需要有配套的伺服系统与辅助装置才能工作，存在加工要求高、 结构复杂、成本高的缺点。电液负载模拟器还存在漏油造成环境污染和液压油易受污染造成 执行机构堵塞等问题。与前两种装置相比，机械负载模拟装置具有结构简单、易于加工、成 本低廉和可靠性高等优点，多应用在一些要求不高的使用场合 千斤顶综合试验仪只需要在试验前设定好工作负载，在检测过程中不需要动态调整工作 负载，而且工作负载的准确度要求不高，因此，综合考虑各方面因素，本论文采用砝码块做 为千斤顶综合试验仪的模拟负载，有利于提高试验仪的可靠性，降低试验仪设备复杂度和设备 成本。 砝码块每块质量2 5 千克，呈长方体形状，设计有内嵌式把手刚，可方便地进行搬运。砝 码块上设计有相互匹配的圆形凸起和凹坑，叠放时可起到防止倒塌的作用，提高试验时的安 全性 2 2 2 电机安装及扭矩测量装置设计 千斤顶的工作扭矩是反映其工作状态的典型机械量之一，它包含着被测千斤顶运行状况 的重要信息1 。通过分析工作扭矩，可以了解被测千斤项的磨损情况和工作状态等信息，因此， 实时监测被测千斤顶的扭矩变化是千斤顶综合试验仪的主要任务之一 扭矩的测量方法较多，按其基本原理可以分为传递法、平衡力法和能量转换法三种 1 ) 传递法又称扭轴法，是一种根据扭矩轴在传递扭矩时所产生的物理参数变化来测量扭 矩的方法，这些变化的物理参数包括扭矩轴的变形、应变、应力等目前，大部分扭矩传感 器都是基于传递法实现扭矩测晕的，例如磁弹扭矩传感器、应力型扭矩传感器和应变型扭矩 传感器等。 原动机联轴器 支承联轴器扭矩倍感器联轴器支承联轴器梗拟负载 图2 1 扭矩传感器一般安装方式 采用传递法须要在扭矩轴线中接入扭矩传感器，如图2 1 所示，图中虚线框内的器件是 为检测扭矩而串接的检测器件。使用扭矩传感器导致系统扭矩轴线加长，安装结构相对复杂， 不适于结构紧凑的小型设备 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 ) 平衡力法又称反力法，是一种根据驱动机械( 原动机) 或制动机械( 制动机) 机体上作用 的平衡力矩( 与转轴所承受的转矩大小相等、方向相反) 的大小来测量扭矩的刀- 。 3 t j 。以驱动 电机为例，如图2 2 所示，平衡力法一般是使用高质量滚 动轴承将驱动电机悬浮安装，电机整体可随轴承内圈自由 转动，力传感器与电机通过力臂连接，传感器作用点到电 机中心的距离即为力臂的长度l 。驱动电机通电产生旋转 力矩，电机转轴克服负载力矩转动，此负载力矩通过磁电 感应传递给电机定子，使电机定子具有向负载力矩反方向 转动的趋势。由于电机定子通过一个力臂与力传感器连 接，电机定子上的负载力矩便通过力臂转化为作用在力传 感器上的作用力f ，通过力传感器检测出作用力的大小， 与力臂长度l 相乘便等于负载力矩的数值。 平衡力法具有结构紧凑，原理简单，简化制造过程， 图2 2 平衡力法示意图 使用寿命长等特点，其中，滚动轴承摩擦扭矩和安装精度是决定平衡法检测精度的关键因素。 3 ) 能量转换法是一种根据其它能量参数来测量机械能参数及扭矩的方法，一般只适合用 来测量电机的动态转矩l 划。 以上三种扭矩测量方法中，传递法和平衡力法为直接测量扭矩方法，其测量方便、精确 度高，而能量转换法为间接测量扭矩方法，测量误差比较大，所以只有在无法进行直接测量 的场合下才使用。 考虑到试验仪扭矩检测精度要求不是很高以及扭矩传感器价格过高、体积过大、安装复 杂等原因，本论文采用平衡力法实现对千斤顶工作扭矩的检测。 为满足顶摇式和侧摇式千斤顶的检测要求，试验仪包含有两套电机装置( 包括三相交流 电机和减速机) ：垂直安装电机与水平安装电机 垂直安装电机装置如图2 3 所示，用于带动顶摇式千斤顶工作，其采用底端约束的悬臂 安装结构。由轴承座7 、轴承8 和轴承套9 组成的悬浮安装结构是实现电机装置悬浮安装的关 键。由于轴承8 须要承受一定的轴向力( 电机及配套减速机的重力) ，因此，选用高精度角接 触球轴承实现电机装置的悬浮安装，两个轴承采用串联安装方式，具有较大的轴向承载能力， 并保证电机具有一定的垂直精度。 如图2 3 中a 图所示，电机装置与移动底板5 之间通过一套轴承装置相连。电机装置与 轴承座之间和移动式底板与轴承套之间通过螺栓实现完全固定，而轴承座与轴承套之间通过 一对角接触轴承不完全固定。因此，使用这种安装方法并不是将电机装置完全固定在试验台 架上，电机装置还具有轴线方向的转动自由度，也就是说，电机不能提供带动千斤顶工作的 扭矩若要使电机可以带动千斤顶工作，必须对电机装置轴线方向的转动自由度进行约束。 根据力矩平衡原理，这个约束力产生的扭矩和千斤顶的工作扭矩大小相等 图2 3 中b 图是a 图的项视图，本论文在电机的切线方向用一个力传感器2 对电机装置 轴线方向的转动自由度进行约束，传感器两端通过关节轴承3 分别与电机装置，移动式底板 联接。当电机带动千斤顶工作时，通过力传感器可以得到电机轴线方向转动自由度的约束力 1 4 浙江大学硕士学位论文 数值根据扭矩定义和力矩平衡原理，约束力与力臂的乘积与千斤顶的工作扭矩大小相等、 方向相反。移动式底扳5 上设计有四个平行安装槽，可以实现对电机安装位置的细微调整， 保证被测千斤顶与电机实现对中。 ab 1 行星减速机2 力传感器3 关节轴承4 轴承基座5 移动式底板 6 弹性挡圈7 轴承座8 角接触轴承9 轴承套 图2 3 垂直安装电机装置示意图 水平安装电机用于带动侧摇式千斤顶工作，除了采用两端约束的水平安装方式并选用调 心球轴承实现电机的悬浮安装以外，与垂直安装电机相同。 在试验过挣中，扭矩传感器所测得的信号是轴承的摩擦扭矩、千斤顶工作扭矩等值的叠 加。从滚动轴承的相关文献可知，轴承的摩擦力矩值是一个随机变龟，难以获得实际工 作时的力矩数值，但摩擦扭矩的平均值可以通过下面的经验公式求出。 m = o 5 1 t f d ( 2 一1 ) 式中：m 表示轴承摩擦力矩；是滚动轴承摩擦系数；f 表示轴承载荷；d 是轴 承内径。本论文选用的行星摆线针轮减速机总质量为1 7 千克，轴承内径为8 5 毫米，摩擦