（机械电子工程专业论文）电液伺服试验机主机同轴度综合误差分析.pdf

摘要 本论文研究的是电液伺服试验机主机由于各关键零部件的强度不足、受力过大和 工作方式不合理等问题引起的试验机主机的同轴度误差问题。 本文从研究电液伺服试验机主机受力同轴度入手，首先分析了电液伺服试验机各 零部件的结构，了解各零部件的材料性能，计算出试验机主机各零部件的受力负载， 根据试验机主机及其各零部件的应变情况找出影响试验机主机同轴度的因素。 其次，应用c a t i a 软件对电液伺服试验机主机及其零部件进行几何建模，并应用 有限元理论对模型进行合理必要的简化。 最后，应用a n s y sw o r k b e n c h 软件对模型进行了结构静力学分析，得出了电液伺 服试验机主机及其各零部件的应力、应变和节点位移的分布图。通过对试验机主机及 其零部件的分析，对试验机主机进行合理的优化，以便我们解决试验机同轴度误差这 一问题。 关键词：电液伺服试验机有限元分析同轴度 a bs t r a c t i 。k sp 印e rs t u d i e st l l ec o a ) 【i a lt o l e r a i l c eo f t l l ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ot e s t e r ，a i l dw 1 1 i c h d u et om ei n t e n s 蚵i 1 1 s u m c i e n c y ，w o r kf o r c ee x c e s s i v ea n dw o r kf o h nu i l r e a s o n a b l e b a s e do nt 1 1 er e s e a r c ha b o u tc o a x i a lo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cs e n ，ot e s t e r ，t h j sp 印e r f i r s t l ya i l a l y z e ss 仃u c t i 玳o ft l l ee l e c 们一h y 血l u l i cs e ot e s t e r sc o m p o n e n t ，u i l d e r s t a i l d i n g t h em a t e r i a lp e 怕肌a i l c eo ft l l ec o m p o n e n t s ，c a l c u l a t e s 也es 仃e s so fm ec o n l p o i l e n t s ， a c c o r d i n gt ot l l es 仃2 l i ns i t u a t i o nt of i n dt l l ef a c t o rw 1 1 i c hi i l n u e n c em ec o a ) 【i a lt o l e m c e s e c o n d l y ，t l l i sp 印e ra l s ob u i l d sag e o m e t r ym o d e lf o rt h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ot e s t e r 丽t l lc a t i a ，a i l du s i n gf 砬t ee l e m e n tt 1 1 e o r yt os i m p l i 母t l l em o d e l f i n a l l y ，t l l i sp 印e ra i l a l y s i sm eg e o m e 仃ym o d e la b o u ts t a t i ca n a l y s i sw i t l la n s y s w o r k b e n c h ，w ec a i lo b t a i nd i g t r i b u t i n g 捌n ga b o u ts 订e s s ，s 缸缸na n dd i s p l a c e m e n t t l l r o u 曲a 1 1 a l y s i sa i l do p t i m i 刎o nf o rm ec o m p o n e n t ，w ec a l ls o l v et l l ep r o b l e mo fc o a x i a l e t t o r i k e y w o r d s ：e l e c t m - h y d r a u l i cs e r v ot e s t a n s y sa 衄l y s i sc o a x i a l i i 第一章绪论帚一旱殖记 1 1 引言 电液伺服试验机是一种产品或材料在投入使用前，对其质量或性能按设计要求进 行验证的机器，其主要用途是在各种环境下测定金属和非金属材料、机械零件、工程 结构等动态和静态的机械性能、工艺性能、内部缺陷等。试验机是一种不可缺少的重 要测试机器，其广泛应用于机械、冶金、石化、建工、航空航天等工业部门及大专院 校、科研院所的相关实验室，对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、 保证产品安全可靠等都具有重要作用川。 试验机种类很多，按照传统分类方法可分为金属材料试验机、非金属材料试验机、 动平衡试验机、振动台和无损探伤机等五大类；按用途又可分类为测定机械性能用试 验机和工艺试验用试验机；按加荷分类方法分为静负荷试验机( 静态) 和动负荷试验 机( 动态) ；按测力方式分为机械测力试验机和电子测力试验机；按控制方式分为手动 控制和微机伺服控制试验机；按油缸位置分类为油缸上置式和下置式试验机。虽然试 验机的种类繁多，但试验机的结构大体上都是相似的，包括框架、夹具、动力系统、 传感器等，并且试验机主要测定的都是机械系统的性能参数。 本论文研究的是电液伺服试验机对试样做拉压疲劳测试时，试样的轴线与基准轴 线的不同轴程度，即同轴度。同轴度误差的存在使得试验机的测量结果失真，同时也会 造成试验机主机受力零部件的磨损或破坏，以致试验机不能正常运转。 因此，在研究电液伺服试验机主机同轴度时，我们要从实际问题出发，通过测定 被测试样的同轴度误差来找出引起这一误差的因素，结合测量数据、分析结果和试验 机工作的实际情况，寻求合理的优化方式来使试验机主机同轴度的误差降为最小，尽 可能的减小其对试验机试验结果的影响。 1 2 电液伺服试验机的结构形式 由于试验机的用途、加载方式、工作环境等的不同，试验机的结构形式多种多样。 就其工作框架的结构形式来说，主要分为双立柱门式和卧式两大类，且大多数试验机 的结构主要是由主机框架、动力系统和测控系统三大部分组成。 本次所研究的电液伺服试验机主机结构主要是双立柱门式，其结构特点是：主机 是双立柱与上下横梁构成的封闭式加载框架结构，移动横梁( 上横梁) 是以沿横梁两 侧的双油缸同步驱动方式来驱动的，采用液压油源为试验机的动力源，采用可双向拉、 压的液压夹头将试件与加载液压缸连接，配备负荷传感器、位移传感器和工控机等测 控装备对试验机的工作情况进行实时监控。 双立柱门式试验机的结构形式如图1 1 所示，该试验机为长春试验机研究所研制的 p l s 系列电液伺服动静试验机，主要用于对各种管类( 如波纹管等) 、轴类等机械零件 进行疲劳试验，测定其产品质量和抗疲劳强度。这类试验机主机结构紧凑、横梁升降 自如、机架刚度高、夹头夹持可靠、装卡方便、可配备各种夹具和环境试验装置以扩 展试验功能，油源压力稳定和流量大。 图1 1 、立柱式试验机 卧式结构形式的试验机如图1 2 所示，这类试验机主要是对构件或大型零件做横向 拉、压、扭转等的试验，其结构特点与双立柱门式基本相同，也是由动、静横梁和立 柱组成加载框架。卧式结构的加载油缸一般都比较大，活塞的自身质量也比较重，所 以一般都采用静压支撑技术，这样也就减小了不同轴对液压油缸的影响因素。 图1 2 、卧式试验机 1 3 国内电液伺服试验机的发展概况 随着现代科学技术特别是材料科学的发展，人们更加重视机械材料的动态试验。 而电液伺服技术是实现动态高频疲劳、程控疲劳和低频疲劳以及静态的恒变形速率、 恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。国外试验机同行在电液伺服技 术领域的应用和研制起步较早，自二十世纪5 0 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m t s ( 注：m t s 最先通过与m 0 0 g 公司的合作将电液伺服 阀应用于材料测试系统，树立了在动态测试领域的领导地位) 、英国i n s t r o n 、瑞士 a m s l e r 、德国s e h e n c h 和日本岛津等公司都先后研制成功各种电液伺服试验机。当时 我国在这个应用领域还是空白，使用的电液伺服试验机都是从这些国家进口的。 我国试验机厂家是在上世纪7 0 年代初才开始研制电液伺服试验机，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开始研制。在国家财力的支持 下，先后都成功地开发出电液伺服动静试验机，并开始在国内应用。正是通过当时这 段时间的成功实践，培养锻炼出一批技术人员，创建了我国今后电液伺服技术发展的 平台，奠定了国内在该技术领域的基础。 进入二十世纪9 0 年代，随着我国改革开放的步伐加快，国内试验机厂家与国外同 行之间的联系更加密切，双方为了各自的利益开始寻求合作的途径。在此期间长春试 验机所首先在1 9 8 9 年与美国m t s 公司正式签署技术合作协议，1 9 9 3 年开始进入实质性 的实施阶段。另外，长春试验机厂开始与英国达泰克公司进行技术合作，济南试验机 厂和日本的岛津合作，红山试验机厂也在同期与英国的i n s t r o n 公司进行联系洽谈( 注： 除了遭到惨重失败的岛津系列产品外，国内一直未见其他合作开发的产品) 。总之，这 段时间是我国主要几家试验机厂寻求与国外合作的时期。这个时期的电液伺服试验机 的产品品种也是最复杂；有国内自主产权的产品，有引进技术合作生产的产品，还有 国外技术国内生产产品。各试验机厂家产品代表各自的合作厂家的特点，在国内试验 机市场展开了一场较量。 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m t s 公司及英国的i i l s t r o n 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。并且，国内试验机的 研究还主要是在对国外试验机的仿制上，只是学习到国外试验机技术的皮毛，在试验 机的设计、制造工艺等方面和国外有很大的差距。在许多的细节方面我们关注的还很 不够。在主机方面目前主要的差距：一是在液压伺服油缸方面；二是在同轴度方面。 今后国内电液伺服试验机的发展还是要经历一个过程，要在不断吸取国外先进技术的 同时发展和提高我国的电液伺服试验技术。 1 4 电液伺服试验机主机同轴度和有限元法 1 4 1 电液伺服试验机主机同轴度 试验机的同轴度主要是指试验机试样夹持装置在主机中心位置上施加力的过程 中，上、下试样夹持装置的中心线与试验机的施力轴线间同轴的程度，如图1 3 所示。 所以，试验机主机同轴度主要是由试验机的试样夹持装置来体现的，可以说这里的试 验机主机同轴度误差就是试验机上、下两个夹头的位置误差。同轴度误差即被测轴线 相对基准轴线位置的变化量，它的简单理解就是：零件上要求在同一直线上的两根轴 线，它们发生了多大的偏离，两轴的偏离通常是三种情况( 基准轴线为理想的直线) 的综合一一被测轴线弯曲、被测轴线倾斜和被测轴线偏移，这一误差是反映在试样各 横截面上的圆心的不同心【2 j 。 图1 3i 司轴度描述 同轴度误差的存在对试验机主机主要部分的影响： 1 产生试验机同轴度误差的原因： 电液伺服主机为了满足各种试验的要求，扩展适用范围，其调节环节比较多，各 调节环节的协调性及一致性是导致同轴度的主要因素。 ( 1 ) 移动横梁的导向和移动环节的影响。电液伺服试验机适应的试件范围非常宽， 这主要是靠移动横梁的移动调节作用。由于移动横梁的移动是靠两侧的升降液压缸以 力同步的方式上下移动，两个升降液压缸由于自身的制造工艺以及外负载不一致等因 素的影响，使得上下移动过程中存在同步误差。这个同步误差使作用在移动横梁两侧 的力值不一致。移动横梁虽然有导向环节来保持平衡同步，但导向部分毕竟长度有限， 对两侧液压缸的输出的力值不一致性不能完全起到抑制作用。如果两侧的同步产生 o 1 唧误差，反映在夹头上的不同轴程度就比较可观了。另外，移动横梁的这种侧偏又 带有不确定性( 即不确定移动横梁移动时横梁在哪一侧产生偏移) ，它与两端立柱的加 工精度都有关系。 ( 2 ) 液压夹具环节的影响。液压夹具给电液伺服试验机的试件安装带来很大的方 便，但液压夹具的工艺性和加工精度要求非常高。由于被夹持的试样与理想轴线产生 偏移，夹具内的夹块受不均匀力而产生应力变形，受试样作用，夹块对夹具内与其接 触的活塞平面产生作用( 活塞平面的刚度) ，使活塞平面产生伤痕，并且夹块在夹持试 样时产生位置偏移。同时，由于夹块的特殊结构形式对试验机同轴度误差有放大作用， 4 且试样长度值越大放大效果越强，因此夹块的加工精度及自身硬度等是非常关键的， 也是影响同轴度的主要因素之一。 2 同轴度误差对主机产生的影响： ( 1 ) 对液压缸环节的影响。由于同轴度误差的存在，试验过程中液压缸的活塞与缸 体之间也必然不同轴，这样活塞与缸体的局部导向部分的摩擦力就会增大，使该局部 的磨损和发热量增大，一段时间后轻者导致试验机的液压缸出现漏油和导向铜套磨损， 重者会导致活塞杆或缸体研磨损坏，无法工作。 ( 2 ) 对试验结果的影响。由于同轴度误差的存在，试件的被测试结果往往不符合试 验的标准要求，被试件的断裂部位往往没在规定的标准范围内，导致这种现象的主要 原因是同轴度不合格引起的。同轴度误差造成被测试件不仅受到轴向的拉、压力，同 时还附加上一个弯矩。不同轴程度越严重，产生的弯矩就越大，试件的疲劳断裂点就 会越偏离正常范围越大。 对同轴度误差及其对电液伺服试验机主机的影响的了解，对我们今后研究解决试 验机主机同轴度有着重要作用，有助于我们今后的研究能够在有针对性的情况下进行， 同时所提出这些问题存在的难点及一些潜在的问题的存在为我们研究这一课题提出了 挑战。 1 4 2 有限元法在试验机主机同轴度误差分析中的应用 要保证电液伺服试验机能够稳定的运转，其必须具有良好的机械性能和足够的强 度，又由于试验机整体结构比较复杂，其各零部件的受力情况各不相同，所以选择合 理可行的方法对试验机同轴度进行分析研究就显得至关重要了，而具有较强分析处理 功能的有限元法就是一个很好的选择。 有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是一个将复杂问题简单化的数值求 解方法。它把复杂的求解域分化为相互连接有限的小的子域，并为每个子域赋予一个 合理的近似解，依据这些子域的近似解推导求出求解域的满足条件( 如机械结构的受力 平衡条件) ，进而求出待求域的解，但这并不是实际问题的准确的解，而是近似解，其 值无限趋近于实际值。在现实中，很多实际问题很难求出其实际的解，而有限元法不 仅计算精度高，而且还能适应各种复杂的问题，因而成为行之有效的工程分析手段3 1 。 应用有限元方法分析求解的基本流程如下图1 4 所示。 结构的离散化 选择插值函数 建立控制方程 求解节点变量 计算单元中的其他导出量 ， 图1 4 有限元分析流程图 有限元法被应用到电液伺服试验机主机同轴度的分析中来，对试验机主机框架及 其零部件的静力学分析提供了很大的帮助。随着计算机技术的不断发展和完善，有限 元分析方法己能够深入到试验机主机机械结构分析的各个方面，对同轴度误差分析的 研究有很大贡献。 1 5 论文研究的目的和主要内容 本文研究了电液伺服试验机主机的受力同轴度，为此分析了试验机主机及其关键 零部件在工作时的受力及应变情况，利用有限元方法简化了试验机主机的几何模型， 应用a n s y s 软件对模型进行了结构静力学分析，根据分析结果以及同轴度求解方法， 计算出试验机主机受力同轴度，通过对同轴度计算结果和零件有限元分析结果的分析 研究，找出合理的方法来解决试验机因受力而产生同轴度误差这一问题。 本文的主要研究内容 1 以研究试验机主机受力同轴度的角度，来分析电液伺服试验机主机的机械结 构，并对试验机各零部件的不同结构进行比较和分析，选择合理的结构形式，根据所 给出的试验机系统动力( 液压缸的输出油压) 计算出试验机零部件的受力载荷。 2 利用c a t i a 软件建立电液伺服试验机主机的几何模型，并且利用有限元分析 原理对其结构进行简化，然后导入到a n s y sw b r k b e n c h 软件中，利用a n s y s 软件对 所建立的几何模型进行结构静力学分析，分析得出电液伺服试验机主机的静态特性， 获得主机各关键零部件的应力、应变和节点位移情况，为电液伺服试验机主机同轴度 误差的研究做好铺垫。 3 依据试验机主机及其零部件受力分析所得的应力应变情况，校核试验机在满负 荷情况下主机及其关键零部件的强度，并找出对电液伺服试验机主机同轴度影响较大 的零部件，分析他们对试验机的影响。依据试验机受力同轴度的计算方法，计算出本 次所研究的电液伺服试验机受力同轴度的误差值，分析并找出合理的方法来降低试验 机主机受力同轴度的误差值，为以后研究电液伺服试验机主机同轴度提供参考。 6 第二章电液伺服试验机主机结构以及载荷计算 2 1 电液伺服试验机的机械结构和液压元件 此次研究的电液伺服试验机是动静疲劳试验机，其工作载荷较大，这就要求试验 机的机械结构部分要有良好的刚度及抗疲劳特性，为此我们要对电液伺服试验机的机 械结构加以分析，对各个组成部分的不同结构形式进行比较，分析它们的抗疲劳的性 能，最后选出合理的试验机主机结构。电液伺服试验机主机结构主要由主机框架、动 力装置、支撑结构、连接结构以及液压元件等组成。 2 1 1 电液伺服试验机的机械结构 1 电液伺服试验机主机框架的结构形式 电液伺服试验机主机框架作为实现试验机对试样做拉、压动静试验的机械结构， 是电液伺服试验机的重要组成部分，它的主要结构形式是双立柱式结构，即由双立柱， 移动横梁，下横梁及试验机底座构成的闭合结构。 由于主机框架结构是整体闭合的形式，所以它具有良好的几何形状，这就使它具 有良好的对称性，整个结构的刚度有了很大的提高，而且由于是规则的几何形状，也 使它具备了良好的动平衡性能，为电液伺服试验机对试样进行动静疲劳试验提供了有 力的支持，试验机的工作频率也可以达到很高的要求。最后在加工制作方面，试验机 框架的结构简洁紧凑，框架的组成部件结构相对简单，且容易加工并保证其加工精度， 很容易保证试验机的强度。 2 联接结构 联接结构是实现电液伺服试验机各零部件有机联系的关键。联接结构的设计主要 涉及刚度、强度、材质、结构形状等。刚度、强度问题是连接结构设计的普遍内容； 结构形状设计取决于设计的工艺性和局部功能的需要。在电液伺服试验机的设计中联 接结构多采用连接螺栓结构。 连接螺栓的主要材质是4 5 钢和4 0 c r 钢，其中以4 0 c r 钢居多。在电液伺服试验机 中，连接螺栓多承担拉、压正应力作用，如出现装配误差、同轴度误差等误差问题时， 连接螺栓也要承受弯矩的作用，这就要求连接螺栓要有良好的刚度和强度来满足试验 机工作的稳定性。另外连接结构中各环节都配合有消除间隙的斜盘消隙装置，消除拉、 压换向时的间隙。 3 液压夹头的机械结构 电液伺服试验机使用的液压夹头主要有闭口式和开口式两种。 闭口式液压夹头：结构紧凑、各部件间配合紧密、工作性能稳定、刚度和强度好， 但是，此类液压夹头的结构相对复杂，由于各部件处于封闭式夹头内，其零部件如出 现故障不容易维护，并且夹头的装配也比较困难，该液压夹头加工精度要求很高不容 易加工。由于以上的原因，在很多电液伺服试验机中这类液压夹头的使用相对来说要 较少些。其结构剖面图如图2 1 所示。 图2 1 闭口式液压夹头剖面结构图 开口式液压夹头：结构紧凑、装配方便、各零部件容易加工，可保证各部件的刚 度和强度。此类液压夹头的结构相对简单，加工起来比较方便，且夹头内的夹块可自 由装卸更换，同时夹头内零部件的刚度和强度也很容易提高，使得该液压夹头所适用 夹持的试样直径的范围较广，常应用于各类电液伺服试验机中；但是由于此液压夹头 的结构形式为开口式，所以其工作的稳定性不容易保持，常会伴有一些误差的存在。 其结构剖面图如2 2 所示。 图2 2 开口式液压夹头剖面结构图 由上面的两种液压夹头的剖面图以及前面所叙述过的内容可知，闭口式液压夹头的 结构相对复杂，安装麻烦，且各个零部件的加工精度要求很高，所以在大部分的试验机 ( 台) 中，闭口式液压夹头的应用还是比较少的；对于开口式液压夹头来说，其结构简 单，夹块拆卸方便，容易维护，应用广泛，不过它的工作精度相对于闭口式液压夹头要 差了些。本次研究我们选择了开口式液压夹头，并且开口式液压夹头的精度问题也是我 们的研究内容之一。 论文研究的是电液伺服试验机主机受力同轴度，通过前面对电液伺服试验机主机 框架的各个组成部分的分析，为了提高其工作时性能的稳定我们选定了各结构的具体 形式。首先在电液伺服试验机整体结构方面，本论文研究的电液伺服试验机是双立柱 门式试验机。它的综合性能较好，结构紧凑，如图2 3 所示，主机部分主要由底座，工 作框架两部分组成，底座与工作框架相互垂直，底座为四个空心方钢与横梁组成的箱 体结构，工作框架为双立柱门式结构，其移动横梁与下横梁采用q 2 3 5 碳素结构钢材料， 立柱导轨选用轴承钢材料。工作框架直接坐在底座上，夹头、油缸以及负荷传感器等 由连接螺栓联接在试验机的上、下横梁之上，这就组成了一台可对试样做动静疲劳测 试的电液伺服试验机。 图2 3 电液伺服试验机主机模型 电液伺服试验机的底座负责支承试验机的工作框架、液压夹头、液压缸以及间隙 元件的重量。为了保证电液伺服试验机的稳定性和精度，在设计时底座必须稳固结实， 而且为了防止共振，其固有频率也要高。为了达到这个目的，我们在电液伺服试验机 底座的选料材上，采用了h t 3 0 0 铸铁材料，这种材料的密度较大，质量较重，这样在 固有频率和稳固方面就可以满足设计要求。电液伺服试验机的底座采用地脚连接的方 式和支撑地面面直接连。 因为电液伺服试验机的精度比较高，所以我们要让上、下两个夹头以及液压油缸 三者同轴，这样可以确保试样的安装定位。由于需要控制电液伺服试验机对试样拉、 压的频率、深长量及压缩量，所在移动横梁的驱动方式选取了标准液压缸沿立柱双缸 9 驱动的方式。作为在液压夹头与油缸等之间起联接作用的连接螺栓，其材质我们采用 4 0 c r ，这种材质的连接螺栓更能承受正向载荷的作用。 2 1 2 电液伺服试验机的液压元件 电液伺服试验机的液压元件主要是与液压有关的液压油源、液压夹头、液压油缸、 伺服控制阀等液压器件，前面已经介绍了液压夹头，在此我们不多做介绍。 1 动力驱动装置 电液伺服试验机的动力驱动装置主要就是标准电液伺服油源。液压油源是由电机、 液压泵、油箱、滤油器、控制阀等组成，是液压传动与伺服控制系统中重要的组成部 分，它能够有效的供给系统执行元件所需的流量和压力，并能够对液压系统的压力、 油温、污染度等进行有效的控制。 液压油源具有结构紧凑，布局合理，集成度高，易维护等特点，同时具备超压报 警、污染报警、液位报警、油温自动控制、近程控制、远程控制等功能，液压油源既 可以具备常规的显示仪表，也可以根据要求选用压力、流量、温度、液位等传感器， 输出模拟量或数字量控制信号，实现高精度的控制【5 】。 液压油源( 也即液压泵站) 的种类很多，其分类如下【4 】 ( 1 ) 整体型( 泵组与油箱安置在一起，其结构紧凑，占地小) ： 整体型又分为上置式、非上置式、柜式和微型液压动力包四种，其中： 上置式，其主要结构形式是电动机、液压泵及控制阀等装置均安置在在油 箱上，节省了设备的使用空间，广泛应用在中小功率液压泵站，其油箱的容量 可达1 0 0 0 l ： 非上置式，与上置式的主要区别是：其电动机与泵组安装在油箱的旁侧， 与油箱共用一个底座，并且其传动的功率较大； 柜式：泵组和油箱置于封闭型柜体内，可以在柜体上布置仪表板和电控箱， 其外形整齐，尺寸较大，噪声低，受外界污染小，仅应用在中小功率液压泵 站 微型液压动力包：采用螺纹插装阀块将电动机、泵、阀及油箱紧凑地连接 在一起，体积小，重量轻，可作为小型液压缸、液压马达的动力源，其油箱容 积为3 3 0 l ； ( 2 ) 分离型：泵组和油箱组件分离，单独安装在地基上，这种形式可以改善液压泵 的吸入能力，并且便于维修，传动功率大，由于油箱容量大，其占地面积也大。 经过对试验机机械性能、电液伺服试验机的功率需求以及对系统结构等的考虑， 液压油源我们选上置立式液压油源为试验机油源，这类油源占地面积小，结构紧凑， 且噪声低，满足电液伺服试验机的需求。其主要技术参数如下 功能：液位报警、油温自动控制、污染报警、超压报警等 工作压力：2 1 m p a 额定流量：1 5 l m i n 1 0 过滤精度：3 2 0u m 压力脉动：o 2 m p a 噪音：7 5 d b 2 液压缸 液压油缸是液压系统的执行机构，其在液压系统中的主要作用是将液压能转变成机 械能，使机械实现直线往复运动。液压油缸的种类很多，其分类如下【5 】 f 单作用液压缸 推力液压缸： 双作用液压缸 l 组合液压缸 液压缸的主要参数如下下表2 3 表2 3 液压缸主要参数 液压缸的公称压力系列 0 6 3 、1 0 、1 6 、2 5 、4 、6 3 、1 0 、1 6 、2 5 、3 1 5 、4 0 o ( g b t7 9 3 8 19 8 7 ) m p a 液压缸内径系列c g 叭8 蒜j 、1 乏5 ：t 、1 嚣、惫、3 芋意：翥、之蠹竺瑞号： 2 3 4 8 1 9 9 3 ) m m 3 2 0 、 ( 3 6 0 ) 、4 0 0 、( 4 5 0 ) 、5 0 0 3 2 0 、( 3 6 0 ) 、4 0 0 、( 4 5 0 ) 、5 0 0 活塞杆直径系列c g b 门塞、麓_ 二支、5 0 5 三：、6 三? 、7 0 ；0 三。鼍。砻。茗、黧翟、 2 3 4 8 1 9 9 3 ) 肌 1 6 0 、1 8 0 、2 0 0 、2 2 0 、2 5 0 、2 8 0 、3 2 0 、3 6 0 根据前面给出的试验机技术参数，我们选择单活塞杆双作用推力液压缸为移动横 梁的驱动液压缸，其工作压力最大可达2 5 m p a ，液压缸内径为9 0 咖，活塞杆直径为5 6 m m ， 活塞行程可达1 0 0 姗。 3 电液伺服阀 电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，其不仅能够实现微小电气信号向大功 率液压信号( 流量与压力) 的转换，还可以根据输入电信号的大小，成比例地输出相 应的流量和压力。因此，在电液伺服系统中，电液伺服阀将电气部分与液压部分连接 起来，实现整个系统的控制策略和执行元件的动作。所以，电液伺服阀的性能，特别 是其动态特性和工作稳定性，直接影响到整个液压系统乃至机械设备的可靠性。电液 伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，己广泛应用于航空航天、 冶金、机械制造等重要领域中。电液伺服阀的种类很多，根据它的结构和机能分为如 下种【6 】： ( 1 ) 按液压放大级数，可分为单极伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺 服阀应用较广； ( 2 ) 按液压前置级的结构形式，可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、滑阀式、射 流管式和偏转板射流式； ( 3 ) 按反馈形式可分为位置反馈、流量反馈和压力反馈； ( 4 ) 按电一机械转换装置可分为动铁式和动圈式； ( 5 ) 按输出量形式可分为流量伺服阀和压力控制伺服阀； ( 6 ) 按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式。 根据所需系统动力和控制要求，我们选择额定压力为2 1 m p a 的双喷嘴挡板式压力反 馈双流量伺服阀为本试验机的伺服控制阀。 2 2 电液伺服试验机的载荷计算 2 2 1 电液伺服试验机的主要技术指标 1 一般特性 ( 1 ) 最大试验力：l o o k n ； ( 2 ) 液压夹头对试样的最大夹持力：1 2 0 k n ； ( 3 ) 最大拉伸空间：6 0 0 姗； ( 4 ) 最大压缩空间：5 0 0 咖； ( 5 ) 圆试样夹持直径：1 0 3 2 ； ( 6 ) 扁试样夹持厚度：o 1 5 舢； ( 7 ) 变形测量分辨率：0 0 0 1 m m ； ( 8 ) 试验力示值精度：1 ； 2 性能指标 ( 1 ) 试验机受力同轴度：1 0 2 5 ； ( 2 ) 试样的不同轴度：o 0 2 唧； ( 3 ) 试验力测量范围：2 1 0 0 f s ； 2 2 2 电液伺服试验机的载荷计算 在建立电液伺服试验机主机几何建模以及对其进行结构静力学分析前，首先必须 确定电液伺服试验机主机处于静态力作用下的应力应变情况，同时校核电液伺服试验 机主机的机械结构强度，为试验机受力同轴度分析提供依据。 电液伺服试验机在工作状态下所受的载荷主要有：重力载荷，液压夹头的动力载 荷，工作液压缸提供的动力载荷以及机械摩擦载荷。 机械摩擦载荷主要产生于电液伺服试验机各零部件之间( 尤其是移动横梁与立柱 之间的摩擦) ，这个摩擦力矩很小，因此在分析计算时就不再加以考虑。下面对另外三 种载荷进行分析计算。 1 重力载荷 重力载荷主要是由试验机移动横梁以及装载在其上的夹头等工作装置因重力而产 生的。通过对试验机主机零件的几何建模，给定零件的材料性能，应用c a t 认软件就 可直接检测出该零件的质量，则通过检测后得移动横梁的重量为1 3 2 7 埏，负荷传感器 1 2 的重量1 5 4 k g ，上液压夹头的总重量( 包括夹头体、活塞、夹头端盖、夹头内两个夹 块) 为3 4 k g ，连接螺栓为1 4 3 k g ，则重力载荷为1 9 6 4 n 。 2 液压夹头的动力载荷 该电液伺服试验机的液压夹头为试验机的主要工作部分，其主要是对试样施加夹 持力作用，为试验机与试样可靠的刚性连接，并实施拉、压动作提供保证，为此，液 压夹头所提供的动力载荷就要保证达到试验机的动力要求，以满足电液伺服试验机的 动态特性。 电液伺服试验机的各液压元件所需的动力皆为液压油源所提供，可以说液压油源 是电液伺服试验机的动力来源。本电液伺服试验机的液压油源所提供的工作压力最大 为2 1 m p a ，则作用在试验机液压夹头内的最大工作压力可达2 l m p a ，而所选的液压夹头 的最大动力为1 2 0 k n ，其对试样的夹持力最大可达1 2 0 k n 。 3 工作液压缸的动力载荷 电液伺服试验机中的工作液压缸主要是对液压夹头提供动力，实现下横梁上的液 压夹头对试样的拉、压动作。该工作液压缸的最大工作压力可达2 5 m p a ，由于该工作液 压缸与移动横梁两侧的液压缸的油压均为同一个液压油源所提供( 油源最大工作压力 2 1 m p a ) ，所以该液压缸在工作时所能达到的最大工作压力是2 1 m p a 。若选用油缸内径为 1 1 0 姗，其活塞杆直径为7 0 m ，则根据压强公式： 尸：曼 s 可得：，= 尸s = 2 1 脚口5 6 5 2 埘聊2 1 1 8 7 心。可知，工作液压缸为下夹头提供 的最大驱动力可达1 1 8 7 k n ，由于试验机的试验力最大为1 0 0 i ( n ，所以工作液压缸在工 作时的最大动力为1 0 0 l ( n 。 此外，参与试验机工作的还有移动横梁两侧的同步液压缸，由于这两个液压缸的 作用只是提供移动横梁上下移动的驱动力，所以，它们所提供的动力能够使移动横梁 平稳移动即可，则横梁两侧液压缸的动力为民曲= 1 9 6 4 即可。 2 3 本章小结 本章首先对电液伺服试验机主机的机械结构及液压元件进行了全面的介绍，对试 验机的几个关键零部件的不同结构形式进行比较，为电液伺服试验机配备了合理的机 械机构以及液压元件。然后根据前面所给出的系统动力以及工作元件的额定工作动力 计算出电液伺服试验机的工作载荷，为接下来的电液伺服试验机主机结构静力学分析 和受力同轴度误差分析做准备。 第三章试验机同轴度误差分析的理论基础和模型的建立 3 1 电液伺服试验机的有限元分析理论 通过前两章的介绍，我们对电液伺服试验机的工作情况、机械结构和其关键零部 件的选材等都有了一定的了解，为接下来的试验机主机同轴度分析提供依据。在分析 计算同轴度时，试验机主机的受力情况不易得知，因此我们借助有限元法来分析试验 机主机的受力情况，为我们提供同轴度计算所需要的数据。之所以会选择用有限元法 来分析电液伺服试验机主机受力同轴度，是因为在工作时电液伺服试验机的受力情况 比较复杂，直接对其结构进行分析比较困难，而且试验机本身也是一个结构复杂、精 度要求很高的机械装置，所以用有限元分析方法来进行分析就是一个比较好的选择。 由于计算机的功能越来越强大，有限元法的分析处理能力也因此得到了大大的增 强，这种建模仿真分析方法所能涉及到的领域越来越多，它的研究周期短，修改方便， 可信度高，为电液伺服试验机主机的受力同轴度误差研究提供了很大的帮助。下面我 们具体介绍一下有限元法的基本原理和a n s y s 分析软件。 3 1 1 有限元分析基本理论 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和 有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限元法，它的基本思想是将问题的求解域 划分为一些单元，单元之间仅靠节点相连，单元内部的待求量可由单元节点通过选定 的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于应用平衡关系和能量关系建立节点函 数方程式，然后将各个单元方程合成总体代数方程组，在代入边界条件后，就可求得 方程组的待求未知量【7 j 。 有限元的基本组成 ( 1 ) 节点 节点就是工程系统中的一个点的坐标位置，也是构成有限元系统的基本对象，它 具有物理意义上的自由度，该自由度为结构系统受到外力作用后系统的反应。 ( 2 ) 元素 元素是由节点与节点相互连接而成，不同特性的工程系统，所选用的元素是有所 不同的。 ( 3 ) 自由度 自由度是指表示工程系统受到外力后的反应结果，在a n s y s 软件中，可以通过其 自带的帮助文档直接查得每种元素类型的自由度。 有限元法是一种数值方法，用它来求解一般场的问题时，大致要经过如下几个过 程 ( 1 ) 寻找与原问题相适应的变分公式，同时也要将连续体的整体分割成小块的单元， 这有利于我们通过对节点的计算来达到解决实际问题的效果，这一方法也称为连 1 4 续结构的离散化； ( 2 ) 建立有限元子空间，即选择元素类型和相应的形状函数，同时也把连续体的求 解域分解为大小、形状不同，但却彼此相连的有限离散域，也即对实体的有限元 网格划分； ( 3 ) 单元刚度矩阵、单元阵列的计算和总刚度矩阵、总阵列的合成，为我们接下来 的分析计算提供理论支持，同时也要确定所分析的连续体的状态变量以及控制方 法，并确定位移插值函数； ( 4 ) 边界条件的处理和有限元方程组的求解，接下来我们要对其进行单独的介绍， 这里就不做解释了； ( 5 ) 回到实际问题的求解中，在计算中我们要保证问题求解的收敛性，使其无限的 趋近于实际求解，同时通过求得的近似解，推导出所分析连续体的实际状态量。 上面的叙述让我们对有限元的组成形式以及解题步骤有了深入的了解，但是作为 一种数值分析方法，其计算方法也是我们更应该了解的，也为我们接下来的a n s y s 静 力学分析提供理论支持，下面就是有限元分析的线性方程组建立的基本步骤【8 j ： 选择适当的函数坐标系，写出有限元单元的力向量扩8 和位移向量诊8 ； 选择出适当的位移插值函数： p g ，少) ) = l 厂g ，少胎)同时要确定l 厂g ，y ) 】 求出单元中任一点位移与节点位移的关系以及插值函数中的未知系数 p 。 - 阻)导出 口) = _ 】- 1 p 8 将( 3 2 ) 代入到( 3 1 ) 式中得 p g ，y ) ) = l 厂g ，少) 】阻】。p 8 = 【g ，y ) 】p 8 建立单元应变一单元位移一节点位移之间的关系函数 p g ，y ) = c 】阻】一p 8 ) = 陋】p 8 建立应力一应变一节点位移间的关系函数 p g ，y ) ) = p 】k g ，y ) 】= 【d 】陋】p 。 建立节点力一节点位移之间的关系函数 厂 矿。) = lf 陋】r 【d 】陋k ( v d 圳p 8 ) l 0j 得到单元刚度矩阵：k 。 = f 陋r 【d 】陋p ( v d ，) 、将单个的域组合为离散域，即可建立所要求解的线性方程组 扩) = 医 通过前面建立的线性代数方程组再加上边界条件，就组成了新的方程组，这时就 可以直接通过求解这个线性方程组，来求得所有单元节点的未知量，然后将求得的节 点状态量回代到其他的方程中就可以求出我们想要求得的系统状态量。 3 1 2a n s y s 概述 1 a n s y s 简介 计算机技术的发展极大地推动了计算机仿真、模拟技术在工程问题分析中的应用， 而有限元分析技术作为一种现代分析计算方法也得以迅速发展，a n s y s 软件是有限元分 析软件中的佼佼者，得到众多工程分析计算人员的喜爱。 a n s y s 软件是集结构、流体、电场、磁场、声场等分析于一体的大型有限元分析 软件，它具有与p r o e n g i n e e r 、c a t i a 等多数绘图软件进行数据共享和信息交换的功 能，是一款现代高级产品设计软件。该软件可在大多数计算机及操作系统( 如w i n d o w s 、 u n i x 、l i n u x ) 中运行，在p c 机、工作站、大型机和巨型机的所有硬件平台上，a n s y s 数据文件均可兼容。可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽 车交通、电子、土木工程、水利等众多工业领域及科学研究当中【9 1 。 2 a n s y s 的组成 a n s y s 主要包括三个部分 ( 1 ) 前处理模块 前处理模块包括实体几何建模、结构网格划分、材料性能参数设置及与三维软件 进行数据共享和交换功能，用户可以根据自己的需要很容易地建立实体的有限元几何 模型。 ( 2 ) 分析计算模块 分析计算模块包括结构线性静力学分析、结构动力学分析( 包括模态分析、瞬态 动力学分析、谐响应分析和谱分析等) 、流体动力学分析、非线性分析和热力学分析等， 可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析功能。 ( 3 ) 后处理模块 包括通用后处理模块和时间历程响应后处理模块两个部分。 通用后处理模块可以用于查看整个模型或选定的部分模型，在某一子步或时间步 的计算结果，运用该模块可获得各种应力场、应变场及温度场的等值线图形显示、变 形形状显示以及检查和解释分析的结果列表； 时间历程响应后处理模块用于查看模型的特定点在某一或所有时间布内的计算结 果，可获得结果数据对时间或频率的关系图形曲线及列表。另外，该模块还具有很多 其他功能：可以进行曲线的代数计算，变量之间可以进行加、减、乘、除运算以产生 新的曲线；也可以取绝对值、平方根、对数、指数以及最大和最小值等；还可以对曲 线进行微积分计算；并且还能够从时间历程结果中生成谱响应【l o 】。 3 1 3 电液伺服试验机结构分析的内容 结构分析是有限元分析中最常用的一个部分，在很多领域中都有应用，在这里， 使用的是广义的结构概念，它不仅包括一些通用零部件，还包括船舶、电子、电气、 土木工程结构等，甚至还涉及到m e m s 封装、生物医学等相关领域问题的分析。结构分 析包括：结构静力学分析、结构动力学分析( 其中包括模态分析、瞬态动力学分析、 1 6 谐响应分析和谱分析等) 和非线性分析( 其中包括材料非线性、几何非线性和单元非 线性三种) 。 本次分析的电液伺服试验机主要是材料动静疲劳试验机，试验机主机的受力主要 是静态力( 振动较小可以忽略) ，所以在对试验机主机结构的分析中，我们引入结构静 力学分析作为主要的分析手段，来求解试验机主机及其关键零部件受力后的应力应变 问题。结构静力学分析主要是用来分析求解因外力载荷作用所引起的结构的应力、应 变和节点位移等问题，当惯性和阻尼对机械结构分析的影响并不明显时，结构静力学 分析尤其适用。 在研究电液伺服试验机主机受力同轴度误差时，机械结构的静力学分析是至关重 要的环节，各个工作实体组成了电液伺服试验机主机这一整体，在电液伺服试验机工 作时，其各个工作实体起到不同的作用，受到的外载荷以及因此产生的应力应变也各 不相同，用经典的弹性力学方法来分析复杂的机械结构时，将会受到很多的限制，为 此我们以有限元理论为基础，以电子计算机以及结构分析软件为研究手段，有效而又 深入的对复杂工程结构问题进行数值分析。 应用有限单元法对电液伺服试验机的机械结构件进行分析，这其中涵盖了很多方 面的内容，综合性很强，首先需要对所要分析的试验机主机结构建立实体模型，并将 建立的实体模型转化为可以用于有限元分析的几何模型，在这个过程中，需要不断的 对模型进行结构简化；然后通过所给的机械结构的材料特性及性能参数与机械结构所 受到的外载荷，对机械结构进行分析计算；最后通过分析计算出的结果，对所得到的 数据信息进行分析处理，并求得出机械结构受力后的力学特性。 3 2 电液伺服试验机模型的建立 在第二章中，我们了解了电液伺服试验机主机及其关键零部件的机械结构，它包 含了很多比较规则的几何形体，如横梁、立柱等，同时又存在一些并不规则的零部件， 在进行建模分析时，如果将试验机的整体及零部件按照实际结构构造，则在软件分析 中，要将该实体模型的分析情况如实的体现出来就会很困难，所以在分析机械结构的 力学特性时，一些不规则部件的结构是可以进行简化的，只要简化后的结构能够反映 出实际机械实体的性能特征，这样的简化是被允许的。本文针对电液伺服试验机主机 的结构特性，依据其主要的工作形式，对其具体的实体结构进行了等效的处理和合理 的简化。下面是简化过程中需要注意的几个方面： ( 1 ) 对试验机主机的几何建模，必须如实地体现出实体的几何形状，而且试验机主 机几