（机械电子工程专业论文）空间节点自动加载机构的设计.pdf

摘要 摘要 随着国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建，大跨度空间结构的 社会需求和工程应用逐年增加。目前的节点加载试验设备多为平面加载，通用性差，不能 满足空间结构大型节点的加载需要。本文设计了一种空间结构大型节点试验全方位加载系 统，加载吨位大、自动化程度高，能够实现多点的嵌入式导轨自动加载，适用于工程中所 应用的大部分节点的拉伸和压缩试验。全文的主要内容如下： 第一章介绍了空间结构的发展概况，结构试验的分类和加载方法。提出空间结构大型 节点试验全方位加载系统的设计要求和实现的功能。 第二章设计了加载机构的整个机构。设计内容包括：主油缸加载机构，运动油缸加载 机构以及连接部分加载设计。 第三章对在加载的重要零部件进行了有限元仿真，分析了各个重要机构的应力和变形 等。 第四章对整个加载机构进行了安装并进行了测试，在此基础上进行了加载系统的整个 试验过程，并介绍了系统的使用方法和注意事项。 第五章，对全文进行了工作总结及下一步展望。 关键词：空间节点、加载试验、节点、机构设计、有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t 、i t ht h em u s h r o o m i n go fm a n ye x h i b i t i o nc e n t e r s ，s t a d i u m sa n da i r p o r t s n a t i o n w i d e ，t h e r ei sai n c r e a s i n gi ns o c i a ld e m a n da n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f w i d e s p a ns p a c es t r u c t u r e h o w e v e r , m o s to ft h en o d a lp o i n t sl o a d i n gt e s td e v i c e st h a t a r ec u r r e n t l yw o r k i n gb e l o n gt op l a n el o a d i n gt y p e ，h a v i n gp o o rv e r s a t i l i t y , u n a b l et o m e e tt h el o a d i n gr e q u i r e m e n to fl a r g en o d a lp o i n t so ft h es p a t i a ls t r u c t u r e s t h i s a r t i c l ed e s i g na no m n i - b e a r i n gl o a d i n gs y s t e mf o rt e s to fn o d a lp o i n t so ft h es p a t i a l s t r u c t u r e s i t sa d v a n t a g e sa r eb i gl o a d i n gc a p a c i t y , h i g ha u t o m a t i c i t ya n ds y n c h r o n o u s l o a d i n go fm u l t i p l en o d a lp o i n t s i ta p p l i e st ot h ee x t e n s i o na n dc o m p r e s s i o nt e s to f m o s tn o d a lp o i n t si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s n ef i r s t c h a p t e rp r e s e n t sag e n e r a lv i e wo fs p a t i a ls t r u c t u r ed e v e l o p m e n t ， c l a s s i f i c a t i o no fs t r u c t u r et e s ta n dm e t h o d so fl o a d i n g p u tf o r w a r dt h ed e v i s er e q u e s t a n ds o m eo ft h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h es e c o n dc h a p t e rp r o p o s e sad e s i g no ft h em e c h a n i s ms y s t e mi n c l u d i n gm a i n h y d r o c y l i n d e rl o a d i n gm e c h a n i s m ，m o v i n gh y d r o c y l i n d e rl o a d i n gm e c h a n i s ma n dt h e d e s i g no f t h el i n kf o rl o a d i n gt e s ta m o n gt h e m 1 1 1 et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ef i n i t ee l e m e n te m u l a t i o n ，a n a l y s i st h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es y s t e m a n da b t a i n e dt h er e s u l tt h es t r e s sa n dt h es t r a i no f t h es p a r ep a r t s t h ef o r t hc h a p t e rd e s c r i p t et h ei n s t a l l a t i o no ft h em e c h a n i s ms y s t e m ，i n o r d e rt o e x a m i n et h es y s t e m ，w ep u tt oat e s t i nt h ee n dw ea l s oi n t r o d u c t i o nt h eu s em e t h o d a n ds o m en o t e sd u r i n gt h ea p p l y m e n t i nc h a p t e r5 ，s o m ec o n c l u s i o n so ft h ew o r ka n dt h ef u r t h e rw o r k st od oa r eg i v e n k e y w o r d s ：s p a t i a ls t r u c t u r e ，l o a d i n gt e s t ，n o d a lp o i n t ，m a c h i n ed e s i g n ， f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名刖簟， 签字日期矽。矿年 石月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、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。本人授权逝鎏盘堂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：褶砂f 玛一7 新始嬲 日 签字日期： 川年莎月哆日 签字日期：。9 年孑月i3 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一 概进 1 1 空问结构的概念及发展 1 1 1 空间结构的概念i j 3 l 第一章概述 窄间结构是指结构的形态呈三维状态，在荷载作用下具有三维受力特性并呈空间t 作的结构、平板网架、网壳以及悬索结构等，如图卜l ，1 2 所示。空间结构由于受力 合理、造型优美、用材经济等优点，近年柬被广泛地应用于公共和工业建筑，是人类向 超大跨度建筑冲击的最有竞争力的一类结构型式，也是当今世界衡量个国家建筑科投 和经济发展水平的重要标志之一。 图1 1 网架结构型式图1 2 张力结构型式 目前空问结构向着轻量、大跨度方向发展，空间结构出现了很多的类型主要有：折 板结构、簿壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构以及杂交结构等。 1 1 2 空间结构的发展情况 随着空间结构住幽内外得到了广泛的应用，其结构型式也在发生不断的变化，近二 十余年来，各种类型的太跨空间结构在美、日、欧等发选国家发展很快。建筑物的跨度 和规模越来越大，目前尺度达1 5 0 m 以上的超太规模建筑已非个别：结构形式丰富多 彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如1 9 9 3 年建成直 径为2 2 2 m 的开本福州体育馆在结构上采用了开合性。1 9 8 3 年加拿大建成了卡尔加里 体育馆采用职曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径1 3 5 m 是迄今仍是世界上最大的索网 结构。7 0 年代以来，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索- 膜结构( 用索加强的 膜结构) 获得了发展，美国建造了许多规模很大的气承式索一膜结构：1 9 8 8 年东京建成 的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为2 0 4 m ： 美国亚特兰大为1 9 9 6 年奥运会修建的“佐治亚穹顶”( g e o g i ad o m e 1 9 9 2 年建成) 采 用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达1 9 2 m x 2 4 1 m 。许多宏 m 江 项l 学位论女生目节 口o # 机目设 伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。 由于经济和文化发展的需要，人们还在不断追求覆盖更大的空间，例如有人设想将 整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起柬形成一个可人工控制气候的人聚环境或休 闲环境：为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹，也有入设想采用超人跨度结构物将其覆 盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家证在进彳亍尺度为3 0 0 m 以上的超大跨度空间 结构的设计方案探讨。 在我国，大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会 发展的需要，近十余年柬也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的 类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。咀北京2 0 0 8 年 奥运会主场馆“鸟巢”为代表的许多体育建筑( 如图i - 3 所示) 作为我国建筑科技 进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。 幽1 0 国家奥运体育场鸟巢 1 1 3 空间节点的概念1 1 1 一【5 i 空问结构节点是指能承受三维空间力，可以组成三维空间结构的最小组成单元，其 丰要作用一是连接汇交杆件，可靠传递杆件内力；二是承受荷载和传递荷载。 节点是空间结构最重要的个组成部分。空间结构节点一般具有构造简单、受力明 确、安装方便、造价低等特点在空问结构的发展过程中起到了很大的作用。在我国空 间结构的发展过程中，总共研制开发了近二十余种节点，在这些节点中，有些节点足因为 其自身的局限性没有得到推广使用有些节点则是因为研发出来的时间不长，尚没有在使 用中接受实践的检验而没有应用于工程，但是这些节点形式都对空间结构的发展起到了 一定的推动作用。在这些节点中，目前只有螺栓球节点和焊接空心球节点最为普及。 目前主要有1 6 种比较有代表性的节点如圈l - 4 所示：1 、焊接板节点；2 、焊接空心 球节点；3 、实心螺栓球节点| 4 、水雷式螺栓球谛点；5 、螺栓板节点；6 、新型空心螺栓球节 点；7 、毅式节点：8 、用于s p a c ed e c k 体系的改进节点：9 、组合节点；1 0 、方钢管相贯节 点；l l 、网筒刚性节点，1 2 、迭合节点；1 3 、圆钢管相爨竹点；1 4 、焊接钢管节点；1 5 、组合 网架螺艳球竹点1 6 、铸钢节等。 隧。毖鬻糯囝 峰谶罄晒黪 圈罐垮趔茹延 黔拶擀忝零 一”? 1t r “m ； 圈i 4 节点的种类 我国网格结构最常用的节点有以下几种：焊接空心球节点，螵栓球节点，改进型的螺 栓球节点，彀式节点，冲也扳节点，及焊接钢板节点等淇中应用屉为昔遍的是前两种。 焊接空心球节点( 如嗣1 5 ，6 所示) 是日前在国内得到广泛应用的种节点形式， 约占已建成网架工程5 0 左右。这种节点是一种空心球体，它是将两块圆钢板经热雎 或冷压成两个半球壳后再对焊而成。由于球体为各向同性，钢管杆件与空心球的配合不 会产生偏心，因此，焊接空心球节点适应性强。 悲嘲圈 圈i - 5 典型的空间球甘点图i - 6 节点实物 1 1 4 空间结构试验研究发展情况1 1 4 卜1 1 6 l 结构试验是研究和发展结构理论的重要手段：是发现结构设计问题的主要手段；是 验证结构理论的惟一方法：是建筑结构质量鉴定的直接方式；是制定各类技术规范和技 术标准的基础”。从确定结构材料的力学性能到验证粱、板、柱等单个构件的计算方法 及至建立复杂结构体系的计算理论，都离不开试验研究。 m 学蛳学位论文 夺目节a 自动加载机构的啦” 1 1 5 空间节点加载试验的基本方法 空 i i j 节点的荷载试验是结构试验的基本方法，也足空i j 】节点结构设计重要手段，为 了设计出根加台理的节点型式，在设计时需要进行多次的加载实验，目前加载方法很多， 产生荷载的方法和加载设备有很多种类：在静力试验中有利用重物直接加载如图l 一7 所 示或通过杠杆作用间接加载的重力加载方法如图1 - 8 所示，有利用液压加载器和液压试 验机的液压加载方法如图l - 1 0 所示，有利用铰车、差动滑轮组、弹簧和螺旋千斤顶进 行平面加载等机械设备的机械加载方法如图1 - 9 所示，以及利用压缩空气或真空作用的 特殊方法等等。 图1 - 7 利用机械力进行加载加载图1 8 动力伺服液压伺服加载 图1 9 液压平面加载( 南京奥体节点)图1 一1 0 利用螺旋千斤顶进行加载 液压加载是目前结构试验中应用比较普遍和理想的一种加载方法。它的优点是利用 油压使液压加载器( 俗称液压千斤顶) 产生较大的荷载，试验操作安全方便，特别足对于 大型结构构件，当试验要求荷载点数多、吨位大时更为合适。尤其是电液伺服系统在试 验加载设备中得到广泛应用后，为结构动力试验模拟地震荷载、海浪波等不同特性的动 力荷载色4 造了有利条件，使动力加载技术发展到了个新的高度。 第一章概述 1 2 大跨度结构设计方法汹卜 大跨度结构主要应用在桥梁、隧道、场馆建筑等，目前对桥梁、隧道等建筑主要的 设计方法有新奥法、结构承载能力法、利用计算机仿真有限元分析、结构c a d 法设计， 可靠性分析设法等手法，在对结构加载试验过程中一般采用计算机采样，人工计算等方 法，通过试验改进设计。另外还有一种新型的大跨度梁体结构及其设计方法，该梁体 结构是由多个杆件通过螺栓相互连接而成的，其特征在于，所述的杆件是等长度及相同 截面的，每个杆件上具有m 个连接点，它们将所述杆件长度分成m 一1 个线段，各个杆 件上对应线段相等，位于梁体上方的线段依次地大于下方的线段，且位于梁体上方相邻 线段的差依次地大于位于下方相邻线段的差，每个梁体单元中所有杆件分成等量的前杆 件组及后杆件组，其中一个杆件组中的每个杆件上的m 个连接点中的每个连接点分别与 另一杆件组中m 个依次排列的不同杆件上的对应连接点相连接。 在试验机构设计上，目前对于大跨度设计还比较少，主要设计方法是计算应力应变 的传统设计，加以有限元辅助设计等。 1 3 课题的研究意义 目前对于空间结构有很多的加载试验方法，但是对于空间结构大型节点试验多采用 液压加载法，即将试件固定载地面上，液压千斤顶配合荷载架和静力试验台座对试件进 行加载。这种方法多为平面加载，很难满足多点同步加载卸载的需要，且对于不同的节 点设计专门的加载装置，加载装置成本昂贵、通用性差、自动化程度低，试验完成后， 相应的加载装置基本报废，造成极大的资源浪费。 本课题所涉及的空间节点全方位加载系统可实现空间任意位置的加载，可实现对各 种类型的节点的加载，而且加载吨位高，通用性高，能满足目前大多数加载试验的要求， 整个系统可实现自动控制，具有良好的人机界面，降低试验的复杂性，操作简单，能极 大的提高效益。 1 4 课题的研究总体要求 1 4 1 课题的提出 根据国内外空间结构节点的各种形式，设计一个空间结构大型节点试验全方位加载 系统试验台，可以提供自动化的、通用的节点试验加载系统，研究空间结构节点在复杂 受力状态下的应力、应变分布及节点的破坏模式，为空间结构的节点设计提供理论依据， 并应用于实际工程中节点工作性能的检验。 加载系统的反力支承体为一空心球。试验台是一个三维空间、自动定位、大载荷的 5 浙江大学硕士学位论文空间节点自动加载机构的设计 加载系统。施加载荷的方向范围基本覆盖整个球体的全部空间，同时给试件、线路、管 路留下足够的空间；定位装置运转自如，任意一只油缸能够按照给定的位置参数自动平 稳到位；多方向载荷同时作用，每只油缸均在可控的状况下进行逐级加载或卸载；同时 在加载或卸载过程中能够利用传感装置获取节点试件的力( 应力) 及应变的变化曲线。 控制系统采用计算机控制，操作简便，图形显示明了；具备完善的可操控性和安全保护 措施。 试验台应充分发挥机械设备灵活机动的特点，满足不同节点情况下试验载荷方向分 布、载荷大小等变化的要求，设备便于在长期使用中检查、维护。 试件试验包括对杆件施加拉力和压力试验两种类型，适用于多根杆件的节点，也是 用于单根杆件加载，并在试验中记录杆件弯曲、应变和变形情况，以便于设计出更合理 更安全的空间结构形式。球内径6 米的多维节点加载试验系统可以适用于目前工程中所 遇到的大部分节点试验，当然也适用于一维杆件或节点的拉伸、压缩试验。 1 4 2 机构的设计要求 机构的设计要实现通过控制或人工定位，能在内径为6 m ，外径为8 m 的支承空心 球内实现： 1 、任意位置定位，使加载油缸始终指向球心； 2 、加载系统定位后实施加载时不影响导轨，防止导轨因偏载而受力； 3 、加载定位精度达到3 m m ，运动速度0 0 5 m s 左右； 4 、加载区域要求尽可能大。 1 5 课题研究概况 1 5 1 方案简述 为了实现空心球内任意方位的加载，采用小车导轨式的结构。导轨分为径向导轨 和纬向导轨，径向导轨可以在纬向导轨上转动；加载点即液压缸安装在径向导轨上，并 能够上下运动，这样油缸就可以到达球内壁上的任意一点，从而实现对节点放在球心的 工件进行任意角度加载。如图卜l l 。 6 图i 1 1 加载区域示意图 根据导轨结构形式及安装位置的不同，先后设计了两种方案：双层导轨方案和嵌入 武导轨方案。 双层导轨方案中径向导轨8 条，分为内外两层：纬向导轨两条，也是内外两层，安 装在空心球下部。径向导轨上安装小车，通过齿轮齿条啮合在导轨j 一运动。径向导轨在 纬向导轨卜的运动也是通过齿轮啮合实现的。 嵌入式导轨方案中纬向导轨两条，在赤道附件嵌入球壳内部；径向导轨4 条。步进 电机驱动径向导轨沿纬向转动，小车在径向导轨上的运动通过液压绞车卷扬提拉实现。 1 5 2 难点 1 、加载的死区问题。设计该系统的初衷就足为了实现空问的全方位加载，但由于 导轨、加载油缸等机构本身的体积因素，存在加载死区是不可避免的。所以如何尽可能 的减少盲区是我们设计的出发点之一。不论足总体方案还是导轨的布置等设计过程中都 考虑了尽量减少盲区。这是能够实现全方位加载的最为重要的个问题。 2 、连接部分的设计。由于该系统要求实现的自动化程度较高尽量减少人工操作， 而且连接部分承受的力很大( 最大压力1 2 0 0 吨) ，又要保证加载的时候不偏载，油缸底 座和承力球内壁的连接都既是重点又是难点。 3 、系统的加载吨位大，最大推力拉力为1 2 0 0 8 0 0 吨，为减小液压缸尺寸，减小加 载的死区，从而液压系统的工作压力最终确定在6 3 m p a ，几乎是液压元件能正常工作 的极限。且加载的吨位需要实现上下调节，各个加载回路独立，不能相互影响。由于加 载油缸运动范围较大，相应的随行电缆和油管的跟随距离就长；而且由于承力球内活动 部件较多所以随行电缆和油管就不能任意悬垂以免干涉活动部件在加载过程中产生 危险。因此合理布置油管，安全可靠而又留出足够的加载空问也是关键问题之一。 m z l 大学砸j 位论空 4 、试件加裁时，保持多缸同步加载是安全加载的重要的前提。产生偏载将对系统 产生不良的影响，对加载试验的结果也将产生影响。 1 5 j 课题组前人完成的工作 为r 实现系统所要达到的要求，机构设计总体围绕了往向导轨、纬向导轨和油缸小 车的设计，在课题组的共同努力下已经完成了些工作，主要有：盲区分析及解决方案 的提出，分析出了加载盲区主要有轨问茸区、两端盲区以及门区卣区等，并对j 区大小 进行了计算，分析突出了加载机构的双层导轨机构，如图卜1 2 所示并进行了初步的 设计计算， 图1 1 2 双层导轨加载系统 经过分析双层导轨机构存在的一些不可不避免盲区问题，在进一步的分析设计中提 出了嵌入式导轨系统，该系统设想如下，将导轨分成上下两部分，每部分都能自由运 动，每一条导轨对应一个加载油缸，加载油缸通过在导轨e 的提升机构进行维向运动， 衽向运动设想通过一个水平驱动小车进行。 嵌入式导轨方案中，经向导轨上下各两条，并且为单根，宽度减小很多不会出现 在底端圆周布满而相互卡死的情况。但由于在空心球底端有操作半台和下回转支撑，上 端有太缸和上回转支撑，仍然存在两端死区，但是在空心球的上端，固 定的最大拉力，压力为1 2 0 0 吨“8 0 0 吨的大缸，可以减小一部分上端死区。 两端死区对于加载系统来说是不可避免的，同时在杆件出现在两端的概 率较小，即使有杆件处于两端死区的范围之内( 受力最太的 t 件除外) ， 可以调整试件，把该杆件转到两端死区之外。 双层导轨加载系统中的轨间死区比较大，有2 6 度左右，不能满足 第一章概述 一些节点的加载需要。嵌入式导轨加载系统中，经向导轨采用单根，油缸小车偏置，小 车在两条经向导轨上相对安装，两条导轨可以运动到只有小车油缸的体积的距离。从而 两个油缸的活塞杆可以在同一经度上，轨间死区变得很小，几乎为零。上下经向导轨长 度都超过赤道，因此在上半球的上部有3 个加载点，下半球的下部有2 个加载点，在赤 道附近有4 个加载点。轨间死区可以减小到几乎为零，加载死区大大减小，扩大了该空 间结构大型节点试验全方位加载系统的应用范引6 4 1 。 纬向导轨采用上下两条，用回转支承与空心球连接，为经向导轨的运行轨道。纬向 导轨虽然最好安装在赤道上，因为在赤道上驱动半径最大，需要的驱动力小，但是由于 在赤道位置，小车牵引力的垂直轨道平面，不利于加载油缸跨过赤道，因此将纬向导轨 向上偏移一定距离，安装在空心球球壳内。将纬向导轨偏离赤道，略向上偏移，径向导 轨设计成上下两段，顶端通过连接机构固定在回转支承，另一端穿过纬向导轨，使加载 小车在轨道上运动产生加载重叠区， 嵌入式导轨加载系统没有考虑空心球门区及试件的运送问题。 9 学顿 位论z夺目 立自动加栽h l 构的啦l f 第二章全方位加载系统机构设计 2 1 加载机构总体方案 根据上述分析加载机构采用上下单根导轨机构，每个油缸独立运行，相互不干涉， 导轨与回转支承联接，分为1 号上导轨，2 号卜导轨、1 号下导轨和2 号下导轨，每个 导轨上的运动小车分别为1 号上小车，2 号上小车，1 号下小车和2 号下小车。导轨可 以进行绕支承球垂卣中心线回转，每个加载小车可以沿着对应的导轨进行上下运动，小 车通过液压绞车的正反转实现沿着导轨上下运动。顶部固定油缸与支承球鞋接，主轴 通过支承球的垂直中心线，其机构总体靠局如图2 1 所示。 2 2 固定油缸加载机构 图2 - 1 加载机构总体布局图 2 2 1 固定油缸加载要求 主油缸是大压力6 3 m p a ，位于加载大球的顶部，其轴线通过球心电是其他加载 点的参考，主油缸承担着对试件的1 2 0 0 吨雎力试验和8 0 0 吨拉力试验，此试验压力大， 对支撑球体的反作用力很大，稍微的偏差在如此大的压力作用下可能会出现意想不到的 后果，因此主油缸在设计和安装方面都有很高的要求。 镕一哉g 【j * 在设计l ，油缸本身必须保证足够的强度，最小的变形；加载试验时必须保证良好 的支撑通过设计有效的支撑1 2 0 0 吨的力，- qd , i 在加载过程中，位移、压，拉力实现自 动或手动控制；油缸在做加压拉试验过程中，可以单控或群控；在试验过程中，由于节 点的变形，为观察变形量，要求液压缸能实现一个位置进给。 2 2 2 固定油缸加载机构设计 油缸在承力球内通过法兰闻承力球内侧连接，姬过中法兰同后端承力板连接，整个 油缸主体通过螺柱固定在球体内。如2 - 2 ，3 图所示。 图2 - 3 顶部油缸三维图图2 - 2 顶部油缸固定方案 根据液压部分设计，得到液压油缸的基本数据： ( 1 ) 缸筒外径：d = 6 8 0 m m ；( 2 ) 缸筒长度：l - - 1 1 4 5 m m ：( 3 ) 活塞杆径，d - - 2 8 0 m m 油缸固定支撑法兰 支撑法兰的作用主要一方面用于圃定主油缸，另- 方面通过和油缸缸筒螺纹连接用 以承受油缸受拉时的力。 适应外径6 8 0 r a m ，采用m 6 8 0 6 的特制螺纹连接，螺纹强度足够。 连接螺柱选用： 根据法兰盘的大小我们设计了1 2 根螺柱，1 2 0 0 吨的推力，选用m 6 0 3 的螺栓， 螺纹小径为5 65 7 2 m m 。螺钉材料1 2 9 绂：o - 6 = 1 2 0 0 m p a ，= 1 0 8 0 m p a 。( 参考机 械设计p 7 7 ) _ 作时，螺栓总拉力： f 。= f + f 其中， 为残余预紧力；f 为工作拉力，一般f i = ( o2 o6 ) f ，在这里取o 5 。 则预紧力： * 学i ：学位论女夸问* 点自动加辊机构的世计 f q = _ + c b c b c 、f 其。一，云? 詈巧为螺栓相对刚度由于采用同样的材料，该系数取” 按工作来拉力8 0 0 t 计算其安全系数 单根螺栓工作拉力为6 7 t ，疋= 1 5 f = 1 2 0 t 则预紧力：f o - ( o5 + 05 ) f = 8 0 t 由拉应力校核麟= 半印 寺 1 0 8 0 x i0 6 兰5 6 5 7 2 2x 1 0 - 6 将参数带入得到：一! 0 1 - 3 - 只a s = 1 五暑面j 百r 一l 7 4 2 3 运动油缸加载机构 运动油缸加载机构是实现任意位置加载的机构主要功能是定位，通过同转支承、 水平驱动小车、嵌入式导轨和上下导轨运动来进行径向定位，加载小车通过绞车实现维 向定位；二是加载，油缸小车支撑油缸，在油缸作用下通过液压系统实现加载。该机构 可以分为纬向运动机构和经向运动机构两部分如图2 - 4 所示。 图2 4 运动油缸加载机构 第二章加载机构方案设计 2 3 1 径向运动机构设计 径向运动机构主要由上下回转支承、上下导轨，嵌入式导轨和驱动小车等部分组成， 上下回转支承和嵌入式导轨组成一个回转支承体系，使得上下导轨能实现围绕支承反力 球的上下回转轴的回转，驱动小车是该回转支承体系的动力机构，下面分别进行设计和 验算。 1 、回转支撑选择 回转支承在使用过程中，一般要承受轴向力f a 、径向力f r 以及倾覆力矩m 的 共同作用，对不同的应用场合，由于主机的工作方式及结构形式不同，上述三种荷载的 作用组合情况将有所变化，有时可能是两种载荷的共同作用，有时也有可能仅仅是一个 载荷的单独作用。通常，回转支承的安装方式有以下两种形式，座式安装和悬挂式安 装。两种安装形式支承承受的载荷示意如图2 5 ，2 - 6 所示： h 图2 5 下回转支承座式安装 图2 - 6 上回转支承悬挂式安装 本加载系统根据设计要求，估计轴向承载5 吨，径向承载1 5 吨，故 f a = 5 0 0 0 9 8 = 4 9 0 0 0 _ n ， f r = 14 7 0 0 n ，m = 4 9 0 0 0 x1 6 0 = 3 9 2 2 4 n m 取安全系数f s - - 1 2 5 ；按承载角4 5 度计算： 静态载荷： f a k ( 1 2 2 5 x f a + 2 6 7 6 x f r ) f s = ( 1 2 2 5 x 4 9 0 0 0 + 2 6 7 6 x 1 4 7 0 0 x 1 2 5 ) ：1 2 3 8 9 6 5 k n 倾覆力拒： m 生1 2 2 5 m f s = 1 2 2 5 3 9 2 2 4x1 2 5 = 6 0 0 6 2 5 k n m 按承载角6 0 度计算： f a 。- ( f a + 5 0 4 6 x f r ) x f s = ( 4 9 0 0 0 + 5 0 4 6 x 1 4 7 0 0 ) x 1 2 5 = 1 5 3 9 7 k n m _ m f s = 3 9 2 2 4 1 2 5 = 4 9 0 3 l ( n m 根据表2 1 ，曲线，( m - ，f a ) 点位于曲线l 的下方，符合静态载荷要求。 1 3 浙江大学硕士学位论文空间节点自动加载机构的设计 i ”露，x 秘啪 2 、嵌入式导轨设计。表2 - l 回转支承载荷曲线 嵌入式导轨是上下导轨运动的基座，上下导轨通过导轨周向驱动机构造嵌入式导轨 基座内运动。 初步估计车子中面r 3 0 5 6 ，上导轨厚5 0 m m ，下导轨厚8 0 m m ，选择材料6 5 m n ， 热处理：淬火，中温回火，ob 1 0 0 0 m p a ，h b s 3 0 2 此时：【以- 1 6 = 9 0 m p a ，满足。 3 0 0 强度和疲劳强度校核 = 0 4 1 8 等= 0 4 1 8 、篇等= 5 3 4 5 胁 ：f = e + f = 3 6 7 5 + 1 3 1 7 9 = 4 9 9 2 9 n _ 一 阻力矩计算， = f g = 4 9 9 2 9 x 0 1 = 4 9 9 2 9 n m 若步进电机采用速比为i 。= 6 0 减速机，齿轮减速传动比暂定i 2 = 2 5 ，设传递效率 r = 0 8 ，则减速比i = i l i2 = 6 0 x 2 5 = 1 5 0 步进电机需要的扭矩： t = m f i r = 4 9 9 2 9 + 1 5 0 + 0 8 = 4 1 6 n m 选择步进电机扭矩大小：瓦= ( 2 3 ) t = 8 3 2 1 2 4 n m 若前轮选择材料为铸铁材料，则按照上述计算得到 e = 兰= 1 上= 0 0 1 ： r1 0 0 浙江大学硕士学位论文空间节点自动加载机构的设计 e = 彤奉耳= 3 7 5 x 1 0 3x 9 8 x0 0 1 = 3 6 7 5 n e = 辱= 3 3 7 9 3 x o 0 1 = 3 3 7 9 n 吒= 矿。4 - e = 9 8 0 + 3 3 7 9 = 1 0 1 3 8 n 。f = 只4 - f r 可- - 3 6 7 5 + 1 0 1 3 8 = 1 3 8 1 2 n _ 一 坼= f e = 1 3 8 1 2 x 0 0 1 = 1 3 8 1 2 n m t = m f i r = 1 3 8 1 2 1 5 0 0 8 = 0 11 5 n m 此说明选择步进电机的扭矩必须大于2 0 8 n m 才能满足要求。根据此扭矩要求，初 步选择1 3 0 b y g 2 5 0 3 的步进电机。其性能：当f = 1 0 0 h z 时电机转速n = 1 5 转分最 大扭距t = 4 6 n m ，当f _ 1 0 0 0 0 h z 时电机转速n = 1 5 0 0 转分，最小扭距t = 5 n i t i 。 2 、减速机选择 根据传递扭矩和减速比的要求，选择湖北行星传动设备有限公司的生产的p l l 2 0 型 减速机，其最大减速比6 0 ，最大转动惯量2 5 7 k g c r n 2 ，抗扭刚性11n m a r c m i n ，最大 输入速度6 0 0 0 转分，额定输入速度3 5 0 0 转分，额定输出扭矩2 6 0 n m ，故障停止扭矩 为2 倍输出扭矩，满载效率9 6 ，最大径向力2 0 0 0 n ，最大轴向力2 8 0 0 n 3 、传动齿轮设计 根据上述设计暂定齿轮减速比为2 5 。齿轮材料选择为4 0 c r ，硬度为h r c 4 0 4 5 ， 则h b s = 3 8 0 ，取小齿轮齿数为z i21 6 。由于该装置中大齿轮的分度圆直径较大，齿轮传 动的传动比较高，小齿轮的应力循环次数较多；而且传递的扭矩较大，因而小齿轮的破 坏形式既可能是接触疲劳破坏，也可能是弯曲强度破坏，下面就分别按照齿根接触强度 和齿根弯曲强度对此齿轮传动进行设计计算。 该齿轮组传递扭矩大小t = 2 5 0 n m ； 小齿轮转速：n 1 2 n o i l5 7 5 0 6 0 = 1 2 5 r m i n 传动比i 25 2 5 大齿轮转速n 22 n l i l = 1 2 5 2 5 = 5 r m i n 齿轮采用悬臂布置。 首先按照接触强度估算小齿轮的分度圆直径 根据h b s = 3 8 0 ，取齿轮的接触疲劳极限仃胁59 6 0 m p a 则其许用接触应力= 0 9 铀= 8 6 4 m p a 1 8 第二章加载机构方案设计 d l 4 式中，k ：载荷系数石：齿轮传动所传递的转矩 ：齿型系数：齿轮传动的传动比 将k - 1 2 ，互：2 5 0 n m ，：0 5 ，：2 5 带入计算，可得： d l 山 = 7 9 1 m m 再按照弯曲强度计算齿轮模数如下： 由机械设计手册查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 o p p = 1 6 0 舳= 1 6 3 4 0 = 5 4 4 m p a5 齿形系数= 3 5 齿宽系数丸= 九z l = 0 5 x 1 6 = 8 故有， m 1 2 5 3 0 8 得到d l 7 9 4 和m 3 0 8 根据计算结果和模数的国家标准为模数圆整为m - - 5 m m 则小齿轮分度圆直径d = m z = 5 x 1 6 = 8 0 m m 小齿轮的宽度： b = 九d i = 0 5 宰9 0 = 4 5 m m 小齿轮上的切向力 f ：2 0 0 o r , ：2 0 0 0 x2 5 0 ：5 5 5 5 6 一= 一= 一= n ，、， 。d l 9 0 标准直齿轮，其压力角口为2 0 则径向力 c = f , t a n a = 5 5 5 6 x t a n 2 0 0 = 2 0 2 2 n 强度校核 1 9 浙江大学硕士学位论文空间节点自动加载机构的设计 o h = z z n z z f z 口 根据计算查表得到： 齿轮2 接触强度极限应力盯月劬= 9 6 0 0 ，齿轮2 抗弯疲劳基本值o r 肥：= 4 8 0 0 计算许用应力： 叮肿：a n , m , z x l z i l , , r z w z x ， 岫 【】l = 1 2 1 0 6 m p a ，【】l = 7 0 9 2 m p a ，【】2 = 1 2 1 0 6 m p a ， 】2 = 7 0 9 2 m p a 安全系数： 品：a , i z 肛z i l v r z z x 接触强度计算应力0h = 9 8 9 4 m p a ，oh 【oh i 满足 疲劳强度计算应力： ：红哟如 o f l i m o h i = 2 0 6 3 m p a 】l ，o r f 2 = 1 8 1 o m p a 【咋】2 满足要求。 3