（机械设计及理论专业论文）u型管压力实验台的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 u 型管压力实验台是根据某企业的实际生产需要研究开发的，是用来检测使 用在u 型管换热器的u 型管，在尚未装配使用前，模拟u 型管的工作压力来检 测是否有破裂或泄露现象的实验设备。该研究是针对u 型管式换热器中的u 型管 在5 3 0 m p a 压力下的工况下设计的实验方案，其中包括对该实验台部分加压系 统和高压水路密封腔的设计、夹紧机构和封口机构的设计、液压系统、控制系统 的设计。 首先对加压系统进行了设计，对加压系统中涉及到的主要元件进行了设计计 算，确定了丝杠的直径和加压水缸的最大行程，校核了丝杠螺母，然后确定了加 压系统中电动机和减速器的型号，最后对高压水路密封腔进行了设计并绘制了高 压水路密封腔图。 在封口机构和夹紧机构中，设计了夹紧机构和封口机构，应用a n s y s 软件 对u 型管与夹具接触部分进行了应力分析，仿真结果表明夹具设计是可行的，并 对其中使用到的密封圈和橡胶进行了讨论。 液压系统设计中，首先分析实验台的实验方法，并在此基础上，进行了液压 系统原理图的设计，确定了液压系统的执行元件，然后计算了整个液压系统的流 量，并根据流量和压力进行了液压阀的选型和油箱的设计，计算了整个油压回路 系统的功率，选择了电动机的型号。最后绘制了实验台液压系统的原理图。 控制系统采用了可编程控制器( p l c ) 作为实验台的控制器，并对p l c 的工 作过程进行了介绍，对p l c 及相关元件进行了选型，同时绘制了p l c 控制系统 的输入、输出点分配图，并采用梯形图编程，实现实验台的自动化。 本设计正在调试安装阶段，将很快投入使用。 关键词：u 型管；实验台；加压系统；液压系统；控制系统：可编程控制器 u 型管压力实验台的研究设计 a b s t r a c t f b rt h en e e d0 fa ne n t e f p r i c e ，t h eu - p i p et e s t b e di sd e v e l o p e dt od e t e c tw h e t h e r t h e r ci sal e a ki nt h eu - p i p et h a ta s s e m b l e dt oa nu - t u b eh e a te x c h a n g e ru n d e rt h e p r e s s u r eo fp r a c t i c a lw o r kb e f o r ei ti su s e di np r a c t i c c t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m ei s d e s i g n e df 6 rt h eu 。p i p eo ft h eu t u b eh e a te x c h a n g e rt ow o r ku n d e rt h ep r e s s u r eo f 3 0 m p a s o m eh i g h p r e s s u r es y s t e m so ft h i se x p e r i m e n ts t a t i o n ，t h ed e s i g no ft h e h i g h - p r e s s u f ew a t e rs e a lc a v i t y ，t h ed e s i g no ft h es t e p p e du pa n ds e a lm e c h a n i s m ，t h c h y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea l li n c l u d e di nt h ea r t i c l e i nh i g h 。p r e s s u r es y s t e ma n dt h ed e s i g no ft h eh i g h - p r e s s u r ew a t e rs e a lc a v i t y ，t h e h i g h - p r e s s u r es y s t e mi sd e s i g n e df i r s t t h e n ，t od e t e r m i n et h ed i a m e t e ro ft h es c r e w a n dt h em a x i m u mt r i po ft h eh i g h p r r e s s u r ew a t e rja r ，g e s i g na n dc a l c u l a t et h em a i n e l e m e n t sr e l a t e dt ot h eh i g h p r e s s u r es y s t e m a f t et h a t ，c h e c kt h es c r e wa n dn u t ，a n d d e t e r m i n gm o d e l so ft h ee l e c t r i cm o t o ra n dt h er e d u c er m o t o ri nt h eh i g h - p r e s s u r e s y s t e m f i n a l l y ，d e s i g nt h eh i g h p r e s s u r ew a t e rs e a lc a v i t ya n dd r a wad r a f to fi t i nt h ec h a p t e ro ft h es e a la n ds t e p p e d u p m e c h a n i s m e s i g nt h es t e p p e d - u p m e c h a n i s ma n du s et h ea n s y ss o f t w a r et oa n a l y s et h ef o r c e0 ft h ee l e m e n tc o n t r a c t w i t ht h e s t e p p e d u p t h er e s u l to ft h cs i m u l a t i o ns h o w at h a tt h ed e s i g no ft h e s t e p p e d - u pc a nb ep u t c i n t op r a c t i c e f 0 1 1 0 wt h ed r a f t s0 ft h eu p i p ea n dt h es e a l m e c h i 9 n s mt h e r ei sa ni n t r o d u c t i o n0 f t h es e a ic i r c l ea n dt h er u b b e rw h i c ha r eu s e di n i t h y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e df o rt h eh y d r a u l i cc i r c u i to ft h es t e p p e d u pa n ds e a l m e c h a n i s mo ft h ee x p e r i m e n ts t a t i o n f i r s t0 fa l l ，t h et e c h n o l o g e y0 ft h ee z p e r i m e n t t e s t - b e di sa n a l y s e d o nt h ef b u n d a t i o no fi t ，d e s i g nt h ed r a f to ft h ep r i n c i p l eo ft h e h y d r a u l i cs y s t e m ，a n dd e t e r m i n et h ee x e c u u t i v ee i e m e n t so fi t t h e n ，c a l c u l a t et h e d i s c h a n g eo ft h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e m ，a n dd e s i g nt h eh y d r a u l i cv a l v ea n dt h ef u e l t a n ka c c o r d i n gt ot h ed i s c h a n g ea n dt h ep r e s s u r e a tl a s t ，d r a ws o m ed r a f t so ft h c h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ee x p e r i m e n ts t a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sap r o g r a m m a b l el o g j oc o n t r o l l e r ( p l c ) a st h ec o n t r o l l e r 0 ft h em a c h i n e ，a n dt h ew o r kp r o c e s so ft h ep l ci si n t r o d u c e d ，s e l e c tp l ca n ds o m e r e l a t e de l e m e n t s ，a n dd r a wd r a f t so ft h ei n p u ta n do u t p u td i s t r i b u t i o no ft h ep l c c o n t r o ls y s t e m t h el a d d e 卜s h a p e dp r o g r a m m ei su s e dt or e a l i z et h ea u t o m a t i o no f t h e e x p r i m e n ts t a t i o n 硕士学位论文 k e yw r o r d s ： u p i p e ；e x p e r i m c n tp l a t f o r m ；t h em c c h a n i c a ls y s t c m h y d r a u l i cs y s t e m ： c o n t r o l l i n gs y s t e m ； p l c u 型管压力实验台的研究设计 图表索引 图1 1u 型管压力实验台工作流程3 图2 1 加压系统结构设计6 图2 2 丝杠螺母传动副的结构9 表2 1 牙型尺寸1 0 表2 2 滑动丝杠螺母材料的许用应力1 2 图2 3u 型管压力实验台高压水路密封腔设计图1 4 图3 1 封口机构图1 5 表3 1 密封圈数量1 6 图3 2 夹头结构图1 7 表3 2 天然橡胶的机械性能1 8 图3 3 模块化结构图2 1 图3 4u 型管简化模型2 1 图3 5 网格划分结果显示一2 2 图3 6 施加载荷后的模型2 2 图3 7 位移等值线图2 3 图3 8 应力等值线图2 3 图4 1 夹紧系统回路图2 7 图4 2 封口系统回路图2 7 图4 ：3u 型管压力实验台液压系统图2 8 表4 1 按载荷选择工作压力2 9 表4 2 液压往复速度比推荐值2 9 表4 3 液压泵的总效率3 1 表4 ：4 油压系统中液压阀的选取：3 2 表4 5 液压系统辅助元件的选择。3 3 图5 1 实验台控制系统共点式输入方式4 2 图5 2 实验台控制系统输出接线方式4 3 图5 3 外接电磁输出设备时的形式4 3 图5 4 系统工作流程图。4 4 硕士学位论文 表5 1c p u 2 2 4 主要性能指标4 6 表5 2 输入地址分配表4 7 表5 3 输出地址分配表一4 7 表5 4c p u 2 2 4 定时器的精度及编号。5 1 图5 5u 型管压力实验台控制系统梯形图5 2 图5 6 带有触摸屏的控制系统连接示意图5 4 图5 7u 型管压力实验台的开机主界面5 5 图5 8u 型管压力实验台当前工作显示界面5 5 图5 9u 型管压力实验台参数设置界面5 6 图5 1 0u 型管压力实验台的手动操作界面5 6 图5 1 1u 型管压力实验台故障显示界面5 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：菇”吼口奄年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 东弋t 歹艺挥 ? 日期：钐年月日 日期：d 矿年多月z ，日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1u 型管压力实验台设计的背景 近年来，随着国家经济的飞速增长，特别是石油化工行业的发展，在石油的 炼治过程中，u 型管换热器在一些行业中起着越来越重要的作用。某企业是一个 生产u 型管换热器的国有大型企业，该企业u 型管换热器的生产量由以前每年生 产5 6 台飞速增长为现在每年生产4 0 5 0 台，而u 型管作为u 型管换热器中 举足轻重的换热部件，每个u 型管换热器对u 型管的使用量在上百根到几百根不 等，换热器在使用过程中如果有一个u 型管产生泄漏，会导致整台设备的报废， 如果无意中把有细微裂缝的u 型管装配到u 型管换热器中，将给产品的生产带来 很不利的因素，给企业带来巨大的经济损失。为确保u 型管换热器的生产质量， 在u 型管装配到换热器之前对承压能力的检测就成了重中之重了。 在此情况下，该公司为了适应当前生产需要，增强公司在国际市场的竞争能 力，特请我们设计开发一台专用的检测u 型管承压的实验设备，双方经过反复切 磋和讨论认为此项研究对提高企业的生产能力有很重要的意义。 1 2 国内外发展现状 1 国外发展现状 国外同类设备的自动化程度远高与我国的现有该设备。国外微电子技术，半 导体大规模和超大规模集成电路制造技术比国内起步早发展快，特别是1 9 7 1 年英 特尔公司生产出第一片微处理器芯片起，大规模集成电路飞速的发展妇1 。在国外 得到了广泛的应用，在u 型管检测设备上也得到了很好的应用。国外u 型管压力 实验台有以下特点： ( 1 ) 操作性能优越 装有人机对话装置( 如键盘及显示器等) 操作人员可很方便的了解工作情况 和发布操作命令。从而简化了设备的操作，减少了操作过程中的错误，降低了劳 动强度。 ( 2 ) 可靠性高 电子元件具有高灵敏度和可靠性，能快速检测的到设备个检测点的工作情况， 反馈回微处理器有其作出相应的调整。大大地降低了故障率，提高了系统的可靠 u 型管压力实验台的研究设计 性能。 ( 3 ) 提高生产的安全性 国外设备有自动监视百报警、自动诊断、自我保护及修复的功能。遇到过载、 漏油等不正常情况时能自动采取对策，防止设备在运行中可能产生的危险，从而 提高了生产的安全性 2 国内发展现状 国内现有的u 型管承压检测设备比较多，由于其检测压力的大小和u 型管管 径的不同分很多种，其共有的特点有一下几条： ( 1 ) 现有的检测手段主要是以高压水泵直接为u 型管提供高压水，易产生 高压冲击，此检测手段有很多缺点：首先在整个实验过程中高压泵一直处在工作 状态，这将产生严重的电力浪费；被检测管的夹紧、封口都是有工作人员手工完 成，检测效率低。 ( 2 ) 另外在实验过程中只能通过工作人员查看压力表来检查整个过程的实验 压力，由于实验压力很大，如果高压回路出现故障，工作人员的人身安全将不能 得到保障。 ( 3 ) 设备操作过程烦琐，自动化程度低。 随着经济的飞速发展，石油、化工、制药、电力、冶金、造纸等产业部门对 u 型管换热器需求的争多，现有的检测设备检测效率低，操作过程烦琐，工作人 员劳动强度高等缺点已经完全暴露出来。解决这些问题，研发新设备已经是迫在 眉睫的事情。 1 3 实验台的工艺要求 实验台的工艺过程方案是设计压力实验台的基础，方案的选择与实验台的实 验性能和质量要求等因素有关。需从对u 型管的检测要以及操作工人的劳动强度 等方面进行考虑。应力求使实验台工艺方案既先进又可靠，在保证实验效果的基 础上，尽量降低压力机的制造成本。 1 被检测管材料和尺寸 在u 型管换热器中使用的u 型管材料为淬火奥式不锈钢，尺寸为1 9 m m ， 管壁厚2 1 1 6 m m ，管长4 5 0 0 m m ，u 型圆弧半径：3 0 0 1 3 0 0 m m ，管口无螺纹 和辅助设施图，为成品管。 2 u 型管的实验压力范围：5 3 0 m p a 。 2 硕士学位论文 3 实现实验台的自动化工作 4 实验台工作流程： 图1 1u 型管压力实验台上t f 讽任 1 4 课题的主要研究内容及解决方案 1 4 1 课题的主要研究内容 针对被测试对象需要的压力及实验台的工艺要求，本研究设计的主要内容有： 1 加压系统和高压水路密封腔的设计； 2 夹紧机构和封口机构的设计； 3 夹紧机构和封口机构的动力系统设计； 4 实验台自动控制系统的开发及设计。 1 4 2 课题研究内容的解决方案 1 加压系统和高压水路密封腔的设计 在u 型管内产生高压是实现u 型管试验的关键所在。就u 型管内产生高压 所能采取的措施就是在管内注入介质，并使介质产生高压。目前普遍使用的方法 是通过一套高压水泵提供高压流动介质。我们的新设计采用加压水缸丝杠机构， 3 u 型管压力实验台的研究设计 该机构加压平稳、准确、无冲击。对u 型管以水为介质，是最经济实用的。为u 型管内产生高压，实验台的高压环节包括加压系统、高压水路密封腔、注水管路 与高压管路切换等。本环节包括以下设计内容： ( 1 ) 加压系统方案的设计 在加压系统的设计中我们采用机械系统增压，它能平稳的实现实验台所需要 的实验压力，保证了系统工作的安全性。 ( 2 ) 高压系统中各元件的设计 根据压力实验台工作的需要，设计加压系统中需要的各元件，对其中使用的 元件进行计算和选型。 ( 3 ) 高压水路密封腔的设计 根据u 型管压力实验的要求，需使u 型管在加压过程中是在一个密封的水路 内，我们设计了高压水路密封腔；根据自行设计的高压水路密封腔阐述了高压管 路切换原理。 2 夹紧机构和封口机构的设计 该部分的设计完成对u 型管即插即密封的封口机构的设计构想和为避免u 型 管因夹紧压力过大引起u 型管变形的夹具设计，该部分主要包括以下内容： ( 1 ) 夹紧机构方案的设计。 ， ( 2 ) 封口机构方案的设计。 3 液压系统( 夹紧机构和封口机构的动力系统) 原由的设备被检测管的加紧和封口都是手动完成的，新设计采用液压动力， 实现被检测管加紧和封口的自动化，提高了生产效率。液压系统的设计为实验台 u 型管的夹紧和管口的密封提供动力。采用液压传动可以方便实现夹具和封口机 构的夹紧和封口速度，保压时间等参数的调节和控制，容易实现整台设备的自动 化控制。 ( 1 ) 根据实验台的工艺要求设计了夹紧系统和封口系统的液压回路，并结合 高压水路密封腔水路图，绘制实验台的液压站的装配图。 ( 2 ) 根据夹紧系统和封口系统液压回路设计要求确定执行元件的数量，分析 夹紧系统、封口系统、加压系统部分运动特点及实验台工艺要求，确定液压执行 元件的种类( 液压缸的大小、液压泵的选型) 。 ( 3 ) 选择液压控制元件和辅助元件，进行阀的选型，然后计算电动机的功率， 选择电动机型号，最后，验算液压系统的压力损失、温升及液压系统的压力冲击。 4 控制系统设计 实验台的自动化控制是该课题的又一创新点，由u 型管压力实验台的工艺流 程及操作管理的需求，控制系统应具备现代高自动化操作控制的要求。本系统拟 4 硕士学位论文 采用p l c 及触摸屏组成控制操作核心，实现实验台的自动化操作管理。 u 型管压力实验台是一种专用实验设备，由于实验压力高，在压力实验台封 口系统中，管口密封处的遗漏是不可避免的。本机采用的电气控制系统要求操作 维护简单、性能可靠、系统保护能力强等特性。 控制系统采用可编程控制器进行控制，其内容有： ( 1 ) 实验台电气系统。 ( 2 ) p l c 性能简介。 ( 3 ) 根据被控对象的控制要求，以及整个系统输入、输出设备的控制量及特 性，确定控制量的性质及控制点数，从而确定p l c 的i o 点数及特殊模块，然后 进行p l c 及相关元件的选型。 ( 4 ) 建立i o 地址分配表，绘制p l c 控制系统的输入、输出接线图。 ( 5 ) 实验台工作过程中对应的控制流程设计。 ( 6 ) 采用梯形图编程格式，编写控制流程过程的控制程序。 ( 7 ) 开发人机操作对话界面的触摸屏显示结构。 5 u 型管压力实验台的研究设计 第2 章加压系统和高压水路密封腔的设计 2 1 加压系统的设计 本章的设计根据实验台实验压力5 3 0 m p a 的要求，设计出套新的加压系 统方案，针对实验台应用当中所需要的各器件的参数进行确定，对其中主要参数 进行了设计计算，得出了确切的数据。 在以下章节的设计中使用最大压力3 0 m p a 和最小管壁厚2 1 1 m m 为设计参 数，计算出需要的参数。 2 1 1 加压系统的方案设计 加压系统是实验台中很重要的一部分，它必须保证能为实验台提供合适的实 验压力，因此它本身的可行性非常重要。 1 加压系统的结构 u 型管在装配到换热器上投入使用后，u 型管是在5 3 0 m p a 的高压下工作， 该实验台的设计必须保证u 型管的试验压力和工作压力相同，为适应实验台不同 工作压力的要求，我们设计的加压系统有以下几部分构成：丝杠螺母，减速器， 电动机，水缸等。加压系统设计方案如图2 1 所示。 图2 1 加压系统结构设计 加压系统为u 型管压力实验台提供试验压力，为保证u 型管在承压试验以后 能保持干净，不需要清理直接装配到换热器中，所以加压系统的流体压力介质选 用水。 2 加压系统工作原理简介 该设计中电动机转轴与减速器高速轴通过连轴器连接，中间省去了其他减速 设计，减速器的低速轴与丝杠之问有一副相同齿数和模数的齿轮起传动作用，加 压水缸的活塞杆连接在丝杠的螺母上，当丝杠转动时螺母带动活塞杆完成为检测 系统注水、加压和吸水的工作过程。 2 1 2 加压系统中液压缸的设计 因为要保持u 型管实验台的干净，所以加压系统使用水作为液压介质，输出 压力是高压。为保证设备的经济性，避免丝杠设计时带来的麻烦，液压缸的直径 应尽量小。加压系统需提供的最高压力为3 0 m p a ，下面我们以压力最大值进行设 6 硕士学位论文 计计算。 由于考虑到为加压缸提供力的丝杠的设计问题，在选取加压缸的内径时，内 经值不能太大，应尽量的小，初选液压刚的内径为8 0 m m ，因为水的可压缩性， 在3 0 m p a 的压力下水的体积变化较大，因此对液压缸的长度计算和被压缩水体积 的计算非常重要。 在实验过程中被压缩的水压缩前的体积有以下部分组成：u 型管、封口高压 腔和输送管道。 u 型管的尺寸根据绪论中的介绍可知，u 型管内能容水的体积k k - 石( 警) 1 2 0 0 0 | 3 4 0 2 1 0 6 m m 一 ( 2 1 ) 封口高压腔的尺寸为驴8 0 1 0 0 m m ，封口高压腔存水的体积k k 咧阿舢- 5 0 3 1 0 3m m 3 管路中选用三层钢丝编织胶管长度大约为驴1 0 m m 2 0 0 0 m m ，管路中存水的体 积巧 巧( 料3 咖- 2 3 6 1 0 5 m m 3 被压缩水压缩前的体积 y k + + k a3 4 0 2 1 0 6 + 5 0 3 1 0 3 + 2 3 6 1 矿一3 6 4 3 0 3 1 0 6m m 3 因为考虑加压水缸在高压工作状态下缸内水的余量，y 取为3 6 5 1 0 6m m 3 。 以上计算为大气压下水的体积，当液体所受压力增大时，液体的体积将减少， 因此计算水在3 0 m p a 工作压力下的变形量是非常必要的。 体积压缩系数七表示单位压力变化引起的体积相对变化量，即h 1 h 古等 ( 2 2 ) 卸y 。 式中，y 一为液压加压前的体积； y 一加压后的液体体积变化量； 卸一液体压力变化量。 液体体积压缩系数七的倒数称为液体的体积弹性模量，以k 表示嘲，即 k ( 2 3 ) 当液体中混入水不溶解的气体时，会造成弹性模量k 大大的降低。考虑到一 般液压系统中很难避免混入气体，所以计算时取水的弹性模量k 一2 0 4 1 0 5 n c m 2 这样计算结果与实际比较接近。 7 u 型管压力实验台的研究设计 被压缩水压缩后的体积计算，有公式( 2 2 ) 和公式( 2 3 ) 可得： y 一业 ( 2 4 ) 液体压力的变化量p ，在加压前水管是接在水箱中的，可看做加压前的压力 为一个大气压，与工作压力3 0 m p a 相比可忽略不记，取液体压力的变化量卸为 3 0 m p a ，水的弹性模量k 值取2 0 4 1 0 5n c m 2 ，液体压缩前的体积取3 6 5 1 0 6 m m 3 。 计算得出加压后体积的变化a y 为2 2 3 3 8 1 0 5 m m 3 ，得出的压缩量是在3 0 m p a 工作压力下的体积，须计算成工作压力前的体积，由公式2 4 计算得出工作压力 前的体积为2 2 6 7 1 0 5 m m 3 。在计算的加压水缸的体积时这部分必须计算在缸的体 积内，加压水缸的最小体积应为y + y ，因此可计算出加压水缸的最小长度拍1 。 。鞴 像5 ) 4 丽 喵。7 式中：k 为加压缸的最小长度，y + y 为加压水缸的最小体积，d 为加压缸 的直径。 加压缸的最小长度也就是加压水缸内活塞的最小行程，由公式2 5 计算得出 加压水缸的最小长度为7 7 9 1 2 8 m m 。液压缸长度主要由最大行程决定，行程有国 家标准系列，由于要设计的加压水缸中活塞到达最小行程处以后，液压系统的遗 漏只有向前很小的位移量来保证压力不发生变化，因此无最大行程 1 。通常活塞 宽度b 一( o 6 1 o ) d ，而导向长度c 在d 之8 0 m m 时，c = ( o 6 1 o ) d ，式中d 为活 塞杆直径。从制造角度考虑，一般液压缸的长度不应超过直径d 的2 0 3 0 倍。 综合各种条件，把加压水缸的长度定为9 0 0 m m 。 由于加压系统的加压缸是机械能转为液压能的缸，在设计中我们在考虑了产 生3 0 m p a 高压的情况下轴向力的情况，轴向力的大小对丝杠设计的影响等情况后， 根据经验初选了加压缸的直径，经计算得出的各项数据比较合适，因为是非标准 件，不能根据计算出的参数选型。 2 1 3 丝杠的计算 丝杠螺母传动副是一种利用螺旋斜面原理进行传动的机构。丝杠传动一般是 用丝杠螺母将旋转运动变为直线运动( 也有将直线运动变为旋转运动的) 。丝杠传 动的特点是工作平稳无噪音阳3 ，具有较高的传动精度，可以达到很大的降速传动 比，用较小的转矩转动丝杠能够获得较大的轴向驱动力。 1 丝杠螺母传动副的结构选用 丝杠螺母传动副主要分为两类，滑动丝杠螺母和滚动丝杠螺母，在实验台的 8 硕士学位论文 设计中我们选用滑动丝杠螺母的全螺母丝杠传动副，如图2 2 所示： 图2 2 丝杠螺母传动副的结构 此为最常用的普通四方螺母传动副，其优点是：接触刚性较好，可以达到较 高的传动精度，易于自锁，结构简单，制造方便。其缺点是：摩擦力大，进给灵 敏度差，容易磨损，传动效率低，对要求较高的双向移动应采用消除间隙机构砷1 。 2 滑动丝杠螺母传动副的设计 滑动丝杠传动副的设计内容，主要是确定丝杠和螺母的结构尺寸，螺纹的牙 形角，螺距以及螺纹公差；选用丝杠和螺母的材料及其热处理要求。 由于梯形螺纹的传动效率较高，精度好，加工方便，因此普通滑动丝杠广泛 采用这种牙形。标准梯形螺纹的牙形角a 一3 0 。对于传动精度要求较高的精密传 动丝杠，有时采用牙形角口 3 0 0 ，这是因为角口较小，螺距的测量误差越小。 丝杠的螺距及其与直径的关系，可按g b 7 8 4 6 5 梯形螺纹标准并根据传动进 给的实际需要选取，也可根据传动比的要求确定。在特殊情况下，允许采用非标 准尺寸n 0 1 。 ( 1 ) 滑动丝杠直径的确定 丝杠直径的确定可采用类比法和计算法。所谓类比法，就是参考规格参数近 似设备的丝杠直径与所设计之非标设备的具体情况，进行比较来确定丝杠的直径。 如果近似规格的设备做参考，则可以采用计算法确定或验算丝杠的直径。 丝杠在工作时受有扭矩、拉力和压力，这些力会引起丝杠螺母工作表面的磨 损和丝杠的变形；当丝杠的“长径比”较大且受压力载荷较大时，还可能产生侧 向弯曲，破坏丝杠的稳定性；当丝杠较长且转速又高时，丝杠容易发生震动。为 此，确定丝杠的直径，通常包括耐磨性、稳定性、刚度、强度以及临界转速等几 方面的计算。 丝杠螺纹工作面上单位压力的大小，直接影响丝杠磨损的快慢，为确保丝杠 的使用寿命，必须限制螺纹工作面上的单位压力，一般的丝杠都需进行耐磨性的 9 u 型管压力实验台的研究设计 计算。根据u 型管压力台的工作条件，选取丝杠螺母的材料，选用钢( 淬硬抛光) 一青铜，传动精度为一般传动丝杠，许用单位压力【p 】= 0 1 5 m p a ，丝杠螺纹采用单 头标准梯形螺纹，选用螺距f ，6 m m ，技术参数如表2 1 所示1 ： 表2 1 牙型尺寸 螺距t 牙形高度h l 工作高度h间隙z 圆角半径r 。 63 530 5o 3 当丝杠螺纹采用单头标准梯形螺纹时，丝杠直径的计算公式为n 2 1 畋0 ( 2 6 ) 式中，f p 】一螺纹表面的许用单位压力； f 一丝杠的轴向载荷； 以一螺纹中径； 妒一螺母长度与螺纹中径之比妒一； 口2 对与整体式螺母妒一1 2 2 5 对于部分式螺母纱一2 5 3 5 丝杠螺母传动副选用的是整体式螺母，因此选妒= 2 ，丝杠选用的是单头，螺 纹导程s = 6 m m 。 丝杠的轴向载荷为加压水缸工作压力下活塞的受力 p 一铀( 尝) ( 2 7 ) 公式中加压水缸的直径8 0 m m ，加压水缸工作压力3 0 m p a 有公式( 2 6 ) 和公式( 2 。7 ) 计算得出 d 2 乏5 6 8 m m 取丝杠中径以；5 8 m m ( 2 ) 验算螺纹工作面上的单位压力 u 型管压力实验台上的加压系统主要有丝杠螺母来完成压力的传递，轴向载 荷比较大，因此验算螺纹工作面上的单位压力就非常重要了“3 1 。丝杠螺纹表面的 许用单位应力p 卜o 1 5 m p a 。 p 。凳s 【p 】 ( 2 8 ) p 。磊：两乱p j l z 苎 式中，p 一丝杠螺纹面上的平均单位压力； 【p 】一螺纹表面的许用单位压力： p 一丝杠的轴向载荷； 1 0 硕士学位论文 以一螺纹中径； j i i 一螺纹牙的工作高度； z 一丝杠的螺纹头数； s 一螺纹的导程； 三一螺母的长度，妒攻； ， 妒一螺母长度与螺纹中径之比妒一； 4 2 对与整体式螺母妒一1 2 2 5 对于部分式螺母妒一2 5 3 5 丝杠螺母传动副选用的是整体式螺母，因此选妒= 2 ，丝杠选用的是单头，螺 纹导程s = 6 m m 。 由公式( 2 8 ) 计算得出： p o 1 2 7 1 5 m p a 由计算结果得出结论，丝杠螺纹表面强度是符合工作要求的，丝杠螺纹设计 是合格的。 ( 3 ) 丝杠的稳定性计算 当丝杠受压力作用，其长度和直径之比又很大时，容易产生侧向弯曲。故柔 度a 4 0 时，应校核其稳定性。如果被检测u 型管出现大的溢漏，丝杠将推动活 塞到缸底，系统停止工作，那么丝杠的最大工作长度为1 0 0 0 m m 。 丝杠的柔度计算公式n 们 a 。譬( 2 9 ) 王 式中，一长度系数，与丝杠的端部机构有关( 该设计才有f s 形式) ， 取值为0 7 ； 卜一丝杠的最大工作长度； 卜一丝杠危险截面的惯性半径，f 。粤： 4 盔一丝杠的根圆直径，吐一d ：一2 啊； 瑰一螺纹的牙形高度，螺距为6 m m 时牙形高度等于3 5 m m 。 由公式( 2 9 ) 计算得出 a = 3 5 5 弓4 0 得出结论丝杠是稳定的。 ( 4 ) 螺纹牙强度的计算 丝杠螺母主要承受轴向力作用时，对螺母、螺纹牙的磨损比较严重，对螺纹 1 1 u 型管压力实验台的研究设计 牙强度的计算是比较重要的。滑动丝杠螺母传动材料的许用应力如表2 2 所示n 钉： 表2 2 滑动丝杠螺母材料的许用应力 计算项目材料许用应力( m p a ) 螺母螺纹牙材料青铜铸铁耐磨铸铁 弯曲强度 0 4 0 6o 4 5 o 5 50 5 o 6 剪切强度 0 3 o 40 4o 4 螺母螺纹牙的强度： 吼，罴“仃l ( 2 1 0 ) 吼。蕊s 【仃l 【z l o ) 7 。祟s 卜】 ( 2 1 1 ) 7 一一s l fli z 1 l 石d 比z l。 、7 丝杠螺纹牙的强度： ；等等s 乩 ( 2 1 2 ) 4 丽s l l 矽 f 。黑s 卜】 ( 2 1 3 ) f _ 一s i z i i z 1 j i 砝。厶匕。1 、7 式中，吼一螺纹牙的弯曲应力； f 一螺纹牙的剪切应力； d 一丝杠螺纹外径； 6 一螺纹牙根部的宽度，梯形螺纹( 国标g b 7 8 4 6 5 ) 6 - 0 6 ； 【口l 一丝杠或螺母材料的许用弯曲应力； 卜1 一丝杠或螺母材料的许用剪切应力。 最后计算得出 i 仃l o 3 7 o 4 m p a lj w 卜】= o 2 7 8 o 3m p a 由计算的结果得出结论，丝杠螺母螺纹是符合工作要求的。 2 1 4 加压系统中电机的选择 电动机额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在确定额定转速时，必须 考虑机械减速机构的传动比，两者相互配合，全面比较才能确定n6 1 。通常，电动 机转速不低与5 0 0 r m i n ，因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大， 价格愈贵，而且效率也较低。如选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动 比，致使机械部分复杂起来。 在本设计中，电动机带动减速器，减速器驱动丝杠，有功率计算公式? 硕士学位论文 p ；旦 ( 2 1 4 ) 叩 式中，p 一电动机工作的功率； 卜丝杠所受的轴向力； 呀一总的传动效率： v 一丝杠的运动速度。 ，7a 讹( 2 1 5 ) 式中，仇一丝杠的传动效率( 仇= 0 9 2 ) ； 仇一减速器的传动效率，( 仇= 0 3 5 ) 。 由公式( 2 1 4 ) 和公式( 2 1 5 ) 计算出，p = 1 5 6 k w 根据以上计算，参照电动机产品目录，选用加压系统电动机型号y 2 0 0 l 1 6 额 定功率1 8 5 k w ，额定转速9 7 0 衫m i n 。 2 1 5 加压系统变速器的选择 丝杠螺母前进速度为2 m m s ，丝杠螺纹采用单头标准梯形螺纹， 纹导程为6 m m 。那么丝杠转速为2 0 r m i n 。 那么减速器传动比n 3 1 f 。丑 以2 丝杠梯形螺 ( 2 1 6 ) 式中，f 一减速器总传动比； 啊一电动机的转速； 巩一丝杠的转速。 计算得出减速器总传动比为f ；4 8 5 根据上述计算和分析，参照减速器产品手册，选用减速器型号j b 7 1 6 5 。 以上设计的加压系统中的设备都是可以直接使用的数据。 2 2 高压水路密封腔的设计 2 2 1 高压水路密封腔的设计原理 根据压力实验台的工作要求，u 型管要在3 0 m p a 的压力下保压5 秒，这就要 求我们为u 型管提供一个3 0 m p a 的压力密封水路，经过收集大量材料，我们的 设计是在u 型管的两个管口进行密封，在u 型管的两端水路中设置水阀控制水的 流通，从而形成了高压密封腔，使加压系统能完成对u 型管注水，然后加压的实 验要求。 u 型管压力实验台的研究设计 2 2 2 高压水路密封腔的设计 1 ：流量控制器；2 ：水阀1 ；3 ：封口机构；4 ：水阀2 ；5 ：水箱；6 ：被检测管 图2 3u 型管压力实验台高压水路密封腔设计图 上图2 3 为根据实验台工作要求设计的高压水路密封腔，加压系统启动对向 u 型管内进行注水时水阀2 是关闭的，水阀1 是打开的。当水注满后，水阀1 也 关闭，这就形成了一个高压密封水路，在水阀1 和水阀2 ，都关闭后，加压系统就 可以对u 型管加压，对u 型管进行检测。流量控制器的作用是检测u 型管中的 空气是否排空。 2 3 本章小结 本章根据u 型管压力实验台的加压系统、高压水路密封的要求，对实验台加 压系统进行原理设计，然后对加压系统中应用到的加压水缸、丝杠螺母、减速器、 电动机进行了设计计算，计算结果表明设计是可行的，最后对高压水路密封腔进 行了设计并绘制出了水路图。 1 4 硕士学位论文 第3 章封口和夹紧油压回路机械部分的设计 3 1 封口机构的设计 3 1 1 封口机构的设计原理 u 型管压力实验台的封口机构的设计是整台设备的关键部分，直接影响到整 个设备的工作效果。封口机构由封口装置、高压腔和机构推进油缸组成，由于u 型管，管口无螺纹、台阶等可起固定作用的设施，并且u 型管为成品管，不能在 管口处附加上任何装置，因此在密封的时候使用密封圈内密封轴的形式来实施密 封，设计密封机构如图3 1 所示。 2 1 ：外螺纹高压管腔；2 ：密封圈固定螺母；3 ：被检测u 型管；4 ：密封圈 图3 1 封口机构图 图中1 和2 的作用是固定密封圈，起密封作用的是密封圈。在封口机构中， 因被检测管为成品管，管轴向偏差很小，管直径为1 9 m m ，所以设计封口机构管径 为妒2 0 5 m m ，为保证被检测管能顺利插进封口机构，夹具在设备安装设计时，是 靠近关口处夹紧的，密封圈使用内径痧1 8 m m 的v 型橡胶密封圈该设计密封结构 简单，密封性能好，在密封圈使用一段时间后，如果密封效果下降，可更换密封 圈。 3 1 2 橡胶密封圈的选取 橡胶密封圈的密封作用主要是借安装时的预压力和在工作时由工作介质的压 力使密封圈产生变形来达到的。密封圈密封性能的好坏，直接影响着液压元件的 u 型管压力实验台的研究设计 工作，因此对密封圈材料提出如下要求n 引： 1 动力油中有较好的稳定性，即体积变化小( 不易膨胀及收缩) 难溶解、软 化和硬化。 2 动力油中压缩复原性大，永远变形小。 3 适当的机械强度，受动力油影响后机械强度变化大。 4 热性、耐寒性及吸振性能好。 5 磨性好，摩擦系数小。 6 材质密致，漏损小。 7 金属接触不相互起作用，如粘着、腐蚀等。 8 制造尺寸精度高，价格便宜。 根据以上的工作要求和选取原则，选用v 形夹织物橡胶密封圈由多层涂胶织 物压制而成。密封圈分为a 、b 两种类型，各由支承环、密封环和压环零件组成， 其中压力环的数量由压力值而定。密封圈数量的选取如表3 1 所示乜们。 表3 1 密封圈数量 工作压力m p a6 4 1 02 0 3 0 4 05 0 圈数厅2 3333 45 由