毕业设计（论文）-低周疲劳拉伸试验机设计.doc

吉林大学机械科学与工程学院本科生毕业设计（说明书）题目：低周疲劳拉伸试验机English title：Low cycle fatigue tensile testing machine 学生姓名： 学 号： 班 级： 专 业： 机械工程及自动化 指导老师： 摘要 目前，我国的制造业发展十分顺速，制造业的水平和能力有了极大的提高。在各种各样的制造行业中，对制造的材料的要求也变得越来越严格。好的产品必须要有好的材料来生产，好的材料才能保证产品的性能优越。 低周疲劳试验机是对金属材料及其合金进行疲劳测试的机械装置，在机械的领域中占有重要的地位。能够节省生产成本，降低材料的浪费，提高机械产品的使用寿命。通过疲劳试验机对试件做疲劳测试，从而收集和得到我们需要的数据。对数据分析和处理后，对金属材料合理的使用。 该疲劳试验机是利用液压系统来设计的，主要包括液压系统元件、夹具、负荷传感器、引伸计等。本文主要根据机械设计手册4、机械师设计手册及相关书籍和文献包括液压泵的基本参数计算、液压缸的设计与计算，夹具的设计与计算以及其它部分的选择。全套图纸加扣 3012250582AbstractAt present, the development of Chinas manufacturing industry is very fast, the level of manufacturing and ability to greatly improve. In a variety of manufacturing industries, the requirements for the manufacture of materials have become increasingly stringent. Good product must have good material to produce, good material in order to guarantee the product performance superiority.The low cycle fatigue testing machine is a mechanical device for fatigue testing of metallic materials and its alloys, and plays an important role in the field of machinery. Can save production cost, reduce material waste, improve the service life of mechanical product. Through the fatigue testing machine to test pieces of fatigue testing, so as to collect and get the data we need. After data analysis and treatment, the reasonable use of the metal materials.The fatigue testing machine is through hydraulic system design, mainly includes the hydraulic system components, fixture, a load sensor, extensometer,. In this paper, according to the Mechanical Design Manual 4, the mechanic design handbook and relevant books and literature includes calculation of the basic parameters of the hydraulic pump, the design and calculation of hydraulic cylinder, fixture design and calculation and other parts of the selection.35目录摘要2Abstract2第一章 绪论4前言41.1 低周疲劳试验机的特点41.2 低周疲劳原理和疲劳试验原理41.3 低周疲劳试验机的设计要求5第二章 低周疲劳拉伸试验机方案的选择与结构的设计72.1 低周疲劳试验机设计的总体方案选择72.2方案设计72.3方案比较92.4 结构设计要求10第三章 低周疲劳试验机主要的设计与计算133.1 低周疲劳试样的选择133.2 液压泵的选择与计算133.3 电机的选择163.4 液压缸的选择与计算173.4.1液压缸的基本参数173.4.2液压缸的设计计算183.4.3 液压缸主要零件的结构、材料以及技术要求213.5 油箱的设计与计算253.6 油管的设计263.7夹具的设计273.8液压控制阀的选择293.9负荷传感器的选择303.10 引伸计的选择31第四章、总结展望33第五章 参考文献34第一章 绪论前言低周疲劳拉伸试验机是一个对试件（试件一般为金属试件，截面主要是圆形和板形，圆形试件主要有直径为8/10/12.5三种）在低频（这里是50HZ）状态下做反复拉伸的测试，即疲劳测试。从而得到该试件的疲劳特性。我们知道疲劳强度设计是以实验为基础的，所以，分析一个机械零件的疲劳强度是通过实验来评价的。但是，由于零件的尺寸、结构、制造和受应力状态等情况是十分复杂的，所以直接对零件分析成本和消耗太大。所以，在实际工程中用低廉的标准试样进行疲劳试验，为零件的疲劳设计提供依据。而疲劳试验机就是对标准试样进行测试，得到我们所需要的数据。疲劳试验机主要包括夹具、拉伸装置、测试装置、液压系统等结构。拉伸装置主要用活塞式液压缸来实现，测试装置主要指负荷传感器和引伸计。1.1 低周疲劳试验机的特点疲劳试验机，是一种可以测试材料疲劳性能试验的机器。在室温状态下，主要通过测试金属（主要是钢铁）受到拉伸、压缩的力。 疲劳试验机特点：能够实现大负荷、频率高、消耗少，把试验的时间减短，减少试验带来的费用。 疲劳试验机主要是检测金属、合金及它的构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等等）。主要是在室温状态下试样的的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验（主要是受拉伸、压缩或者拉压交变负荷等）。 疲劳试验机的分类：高频疲劳试验机、中频疲劳试验机和低频疲劳试验机三种。高频疲劳试验机能够在测试正弦载荷下，做三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、CT试验、CCT试验、齿轮疲劳试验等。电磁谐振的原理是高频疲劳试验机的工作原理 ，主要根据电磁铁震荡，从而施加载荷，假如力比较大，达到20KN-300KN的时候，80-250HZ频率是第一的选择。 低频疲劳试验机的工作原理主要是元件电液伺服，通过液压缸的往复运动对系统施加负载，首选5KN-1000KN的负载和0-50HZ的频率，50HZ左右是最佳的选择，频率太高的话对液压阀、密封圈等等这些部件的摩擦太大，容易产生破坏，并且维护的成本也会变得很高。因此，高频率的不适合，频率太高对疲劳试验机的寿命的影响较大，对试验机的要求也会变得严格。1.2 低周疲劳原理和疲劳试验原理 低循环疲劳（即低周疲劳）是对于零件、机构的应力是比较高的 ，做破坏的循环次数少于103104的疲劳。有关实际运用说明，疲劳寿命的分散性有点大，因此，一定要经过统计分析，不能够忽视存活率（即可靠度）。具有可靠性p（一般达到95%、99%、99.9%）的Np（疲劳寿命）的含义 ：母体（总体）中疲劳寿命大于Np的有p个体。而破坏概率等于（ 1 p ） 。平常通过疲劳试验得到的曲线（S-N曲线）是p等于50%的 。对应于各可靠性的p的S-N曲线也叫做p-S-N曲线。因此，拉伸低周疲劳试验机是在一定拉伸拉力F/KN和拉伸频率f/Hz下对试件反复进行拉放实验，测试试件在该条件下到破坏被拉伸的次数。疲劳试验是在对金属材料进行实验，测的其材料的-1值，通过该值画出材料的S-N曲线，然后再来观察疲劳破坏产生现象和试样断口处特征，学会金属材料疲劳极限在受到对称循环力的时的措施。疲劳试验机和游标卡尺是常用的测量设备。 交变应力有足够大的时候下的作用，金属材料外观有变形、表面上有痕迹或者内部有缺陷的部分，都可能因为应力集中过大产生微观裂纹。微观裂纹会经过叠加从而形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹经过慢慢地延伸，试样的横截面积逐步变小，当横截面积足够小时，试样会突然断裂。交变应力引起的金属破坏失效的现象，叫做金属试样的疲劳。一些在静载荷下塑性性能好的试样，在受到交变应力时后， 应力如果屈服极限还要低，并且没有明显塑性变形的状况下，常常突然断裂。疲劳断口一般可以划分为两个区 ：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。在试样裂纹产生后，交变应力使裂纹的两侧展开和闭合时常发生，通过相互挤压和反复的研磨，光滑区就慢慢的产生了。负载的间断和大小的改变，会在光滑区产生多条裂纹 。对于粗糙的断裂的部分，那是最后突然断裂产生的。有关数据显示，机械零件的失效，大概70%左右是因为疲劳造成的，并且会产生严重的事故。，然后，通过与试验机相连接的电脑计算出来，并且得的相应的试件的疲劳特性曲线。我们可以通过对疲劳特性曲线的分析，得到试件的基本特性，就可以判断该试件是否满足要求，从而减少材料的浪费和提高产品的质量和生产率。 在对各种材料的产品做质量检验和对生产过程的质量的控制，力学性能测试一般都是必须应用试验机进行的。在我国，拉伸试验机在钢铁、建材、冶金、化工这些领域被大量使用。当前，国内估计最少有数万台国产以及进口的各种类别的试验机，其中，一大部分是手工控制、操作，原材料检验、质量监督检验、质量控制及教学是主要的应用方面，材料或产品的正常的力学性能检查。 1.3 低周疲劳试验机的设计要求（1）、液压系统的电磁换向阀的频率必须和拉伸试验机的拉伸频率一致，液压泵的输出口的压力和输出流量要满足要求。（2）、夹头要能够定心，夹持力要足够大，即Ff=uN,u是夹头夹紧块与试件接触处的摩擦系数。这样才能保持夹具能够夹紧试件。夹具的轴线必须与试件、拉伸装置（主要是液压缸）的轴线在同一直线上。并且，轴线要与两边的导轨（光杠）平行。（3）、光杠直径要足够，移动台厚度要足够厚，底座要足够厚，夹持处高度一般在操作人的胸口左右，大约1.2米，光杠要满足校核要求。（4）、液压缸一个与顶板连接，一个与底座连接，液压缸的行程不可以太大，否则，一次拉伸试件就会被拉断，满足不了疲劳测试要求。液压缸缸内液压压力要足够，不可太小，也不能太大。（5）、结构要合理，简单紧凑，工艺性好，成本低，满足经济要求。（6）、操作要灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，要满足拉伸试验机的使用要求。（7）、夹头组件要有足够的精度，试验机要有足够高的抗震性，热变形性。工作时噪音要小，满足拉伸试验机的工作性能。（8）、液压缸活塞杆的强度和精度要适合。拉伸试验机全部机构和组件都有足够的强度和刚度，满足拉伸试验机的动力要求。第二章 低周疲劳拉伸试验机方案的选择与结构的设计2.1 低周疲劳试验机设计的总体方案选择低周疲劳拉伸试验机： 是通过电机带动液压泵工作，液压泵输出液压油，通过电磁换向阀，溢流阀等控制元件把一定的压力油输入液压缸中，液压油推动液压缸的活塞伸缩，从而使试件拉伸。 是通过电动机带动减速器工作，使转速下降到合理处，再通过减速器输出轴带动齿轮转动，齿轮和丝杠连接，丝杠转动使上夹头移动，从而使试件拉伸，通过控制电机的正反转来控制试件疲劳测试，夹头采用手动夹持机构。对于本次低周疲劳拉伸试验机的设计，要配置的测量传感器，通常有：用来测量力大小的压力传感器、测力传感器、负荷传感器；用来测量试样变形量变化的变形传感器、引伸计等；用于测定试验机移动台移动量的位移传感器。在这里采取负荷传感器。在测试过程中，可以一边观察试验现象，一边对负荷传感器测得的力值进行数据收集和处理测试结果，对引伸计反应的试件的长度变化进行收集和处理。2.2方案设计方案一采用同步齿形带传动，交流伺服电机作为动力的来源，但是因为它的低速性能不是太好，所以，我们要加一个减速装置（减速器）。大致原理如图1所示：光电译码器拉力传感器图1 方案一大致简图此方案的优点是降低了制造成本，克服液压系统一些缺点，提高了整个系统的自动化操作程度，该方案为机械传动，结构简单。工作过程及机械原理：电机转动，经过联轴器带动减速器，再把转速通过减速器的输出轴传出来，经过同步齿轮的传动，使得两根丝杠转动，从而实现拉伸和缩短。减速器能够买到，能够减少计算和设计量，带传动使得成本降低。试验机的两根丝杠转动的时候，一定要同步，传送时选用齿形带。丝杠把螺母带动，而螺母却是在横梁上固定的，可以使得横梁一起上下运动。横梁与夹头是连在一起的，在上下夹头间夹着试样材料，所以运动的时候，上下夹头与工件之间没有动，试验机工作时，试样就会逐渐被拉断。光电译码器是装在丝杠的顶端，它是通过测量丝杠的转动的数目，经过计算得出工件的伸长量，从而使机械系统变成半闭环控制。拉力传感器安装在上夹头的端部，可以直接测量工件上承受的力。图2为大致装置图，如下所示：图2 方案二原理图方案二采用液压泵作为动力源，利用液压缸活塞伸缩来控制移动台移动，移动台与上夹头连接，下夹头固定在底座上，从而试件拉伸或收缩。该方案的大致方案图如下图3所示：图3 方案二构思图该结构的优点是结构简单，没有机械传动的缺点，为液压传动，自动性好，操作方便，液压泵，控制阀都是标准产品，可以直接在市场上购买，加工成本低廉。但是，该方案两边的液压缸伸缩可能不同步，从而导致拉伸效果不理想，不能实现所需要的疲劳试验，使得对产品的分析不准确。该方案的工作原理：电机带动液压泵工作，输出压力油，经过液压控制元件及液压阀（主要是溢流阀和电磁换向阀）的控制，输入合适的液压油进入液压缸，使得液压缸拉伸和收缩，上夹头拉紧试件，使试件做低周疲劳测试。上夹头和下夹头同样采用液压缸提供力来夹紧试件。夹头与顶板之间连有负荷传感器，用来测试拉伸和收缩时力的大小。试件上装有引伸计，用来测量试件的被拉伸区的长度变化。方案三在上述方案做少量改动。采用液压泵作为动力源，利用上下各一组液压缸来控制夹头拉伸和收缩，夹头夹紧也采用液压缸来控制，两边采用光杠作为导轨，大致方案图4如下：图4 方案三构思图此方案的优点是结构简单，组件少，液压泵可直接购买，加工成本低，且该方案是立式结构，占地面积少，操作自动化程度高，并且该方案可以通过控制液压泵来控制液压缸伸缩，从而控制夹头上下拉和缩，可实现低周疲劳试验。工作原理：液压泵把液体压向自动电磁换向阀，再通过液使液压缸活塞伸和缩，液压缸活塞伸缩带动夹头拉收，使得对试件进行低周疲劳测试，自动电磁换向阀可保证试件做低周疲劳。2.3方案比较我们可以看到方案一采用的是纯机械传动，方案二、方案三采用的是液压传动。我们比较方案一、三和方案二两个方案：采用液压作为执行机构的动力源（方案二、三）主要有以下优点：1） 传动平稳。对于液压传动装置，油液的压缩量非常小，几乎没有，因此，常常可以认为不能够压缩，并依靠油液的流动继续而进行传动。液压油有吸收振动的能力，我们可以在油路系统中装一个液压缓冲装置，那么不会如机械装置因为加工和装配承受误差会造成振动和冲撞 ，让传动变得平稳起来，方便实现经常换向；因此，在传动平稳的机械上应用是常见的。2） 质量轻体积小。液压传动与机械、电力传动来比较的话，在输出功率是相同的话，体积和质量可以减少很多，所以惯性（与质量有关，且成正比）变得很小、动作更加灵敏；这对液压的大致、液压自动控制能力和要求简单质量的机械产品来说，是相当重要的。3） 容易实现过载保护。液压系统中采取了很多的安全保护措施，能够自主的防范产生过载，避免发生安全事故。4） 液压元件能够自动润滑。工作介质一般是采用液压油，所以，液压传动装置能够实现自动润滑功能，因此，各构件的使用寿命都是比较长的。5） 简化机构。采用液压传动装置能够使机械结构得到简化，从而减少整个机械装置零部件的数量。6） 便于实现“三化”。液压元件是比较容易实现系列比、标准化和通用化能够使设计简单和组织大批量的生产，提高生产效率、提高产品的质量、降低生产的成本。采用液压作为执行机构的动力源主要有以下缺点：1） 液压元件制造精度一般要求是比较高。 因为液压元件的技术要求高，装配也是比较困难，维护使用严格。2） 油液受温度的影响。液压油的粘度会随着温度的改变而改变，因此，不应该在高温或低温的环境下让液压油工作。3） 油液中混入空气易影响工作性能。如果空气混到液压油中，会引起爬行、振动 和噪声等等，影响整个系统的工作性能。4） 油液容易污染。系统工作的可靠性会因为液压油的污染受到很大的影响。同时方案二和方案三更能够实现对试件在50HZ条件下低周疲劳测试，故障维修也方便。所以方案一被舍弃，应该选择方案二和方案三。我们比较方案二和方案三，它俩都采用液压作为执行结构的动力源。不同的是方案三采用的是光杠作为移动台，方案二是液压缸活塞杆直接和顶板连接在一起，只有上夹头可以随顶板反复移动，而下夹头与底座连接，是不动的。方案三却不一样，它的上下夹头都在同一轴线上上下移动。并且，方案二中，两液压缸在工作时，可能不同步，从而得不到我们希望的效果，试件并不是向我们希望的测试。综述，在此方案三是最合理的，方案二次之，因此选我择方案三为底座疲劳拉伸试验机的设计方案。2.4 结构设计要求低周疲劳拉伸试验机是自动反复拉伸试件的，因此，液压系统要适应自动化操作。在夹持机构里，夹具设计一般也要求自动化控制，即应该为自动夹紧机构，夹具结构要合理可行。 图5 液压回路图低周疲劳拉伸试验机的结构设计，是将设计方案（方案三）“结构化”，为生产加工提供各主要部分的装配图，主要包括夹具的装配图、液压缸的装配图，整个试验机的总体装配图，各个零件的零件图、零件的工作图以及零件标题栏和明细表。在液压系统中，换向阀应该通频率为50HZ的交流电，这样才能够保证低周疲劳拉伸试验机对试件做频率为50HZ的拉伸测试，液压系统能够实现无极调速，液压系统大致如上图5所示。在低周疲劳试验机的设计中，考虑到试验机的夹头位置和高度，夹头夹紧试件的高度应该大约1.2米左右，即在人的胸口高度位置，这样有利于操作人员方便夹紧试件。考虑到液压缸，夹头，导轨光杠，油箱，液压阀，液压泵等安装位置，它们都只是概略的给出形状与尺寸的要求，最终我们需要根据低周疲劳试验机的各元件的实际结构和布置来确定具体的方案，在可以的情况下，设计低周疲劳试验机的时候，应该尽量减少试验机的尺寸，以便能够节省制造的材料，减轻试验机的质量，满足生产和使用的要求和需要。设计时，我们要特别注意对于不同的情况要区别对待，例如，卧式的试验机底座应该放在一个平台上，而立式的试验机一般直接放在平面上：我们其实对低周疲劳试验机的光杠的截面面积要求不是特别严格，但是，有些时候，导轨光杠如果太细，容易受到拉力或者压力的时候，光杠会被拉断或者压溃。液压缸缸体的厚度要合理，否则，液压缸会因为受到油液的压力而被破裂。活塞与缸体内部的接触摩擦系数要尽量小，否则，摩擦阻力会阻碍活塞的运动。低周疲劳试验机的结构设计主要内容包括： 液压缸组件的设计； 夹具组件的设计； 液压系统组件的设计； 液压泵组件的设计； 引伸计和负荷传感器的选择； 其他零件的设计（顶板、底座、光杠）低周疲劳试验机装配图包括展开图，剖视图，外观图及其他必要的局部视图。我们在绘制展开图、剖视图时，要相互照应，交替进行，不要孤立单独的画图和设计，以免顾此失彼，导致表达不清楚或者混乱。在我们绘制出主要部件的结构装配草图之后，需要我们检查各元件或者组件是否相撞或者干涉，再根据我们之前的计算的结果来修改结构，然后进行细化，逐步完善装配草图，并且按照制图标准进行加深，最后，我们再按照规格进行尺寸、配合及零件的标注等。第三章 低周疲劳试验机主要的设计与计算3.1 低周疲劳试样的选择 低周疲劳试样主要标准有d=6.35/10/12.5三种圆形试样。在这里主要以d=10mm的试样设计，各种尺寸如下图6所示。试样的材料与所需要测试的零件材料是一样的，试验机对试样做低周疲劳测试，所得的数据用来分析和反应零件的性能。我们设计夹具的时候，也是根据该疲劳试样来设计的。该试样是根据国家标准GBT228-2002选择的，在低周疲劳试验中,为了获得试样可靠的疲劳寿命和减小试样寿命的分散性,所以，要求试验机的夹具应该具有良好的同心度,以尽量减小试样在加载时的偏心。图6 试件技术要求3.2 液压泵的选择与计算液压泵的原理：液压泵是将原动机（电机）输出的机械能（电机轴上的转矩Mp和角速度wp的乘积）转换为液压能（液压泵输出的压力Pp和输出的流量Qp的乘积）的能量转换元件，液压泵作为液压元件，它向液压系统所提供的具有一定压力和流量的液压油，即液压能，是液压系统的动力源。 液压系统的液压泵型式有很多种，但是，它们大多数都是容积式液压泵。液压泵的种类有：齿轮泵叶片泵柱塞泵其它种类的泵。 我们知道，对于容积式的液压泵，它们是依靠工作油腔（密封的）内的容积不断的变化来工作的。液压泵在吸油时候，吸油腔是一定要与油箱相连通，它与压油腔是不通的；对于压油的时候，液压泵压油腔与压力管道是连通的，与油箱不通的。 液压泵是借助于大气的压力，从比液压泵低的位置的油箱中自动吸油的能力叫做液压泵的自吸能力。 液压泵的选择： 考虑到之后液压缸的设计和低周疲劳试验机在稳态下的力的大小（50KN），参考王文斌机械设计手册4 由表23.5-3，我们可以得到选用外啮合齿轮泵。所以，CBF-E型齿轮液压泵是合理的选择，由表23.5-10，我们选择CBF-E10型，CBF-E型齿轮泵的外形尺寸由表23.5-11可得。CB表示齿轮液压泵/F表示阜液系列/E表示压力级16MPa/10表示 排量（ml/r）主要数据如下表所示：型号排量ml/r额定压力MPa最高压力MPa额定转速r/min最高转速r/min容积效率总效率功率（Kw）质量（Kg）CBF-E101016202500300091%82%8.53.6液压泵的基本性能参数与计算：液压泵的技术参数有液压泵的排量（ml/r）、液压泵的理论流量（L/min）、液压泵的核定流量（L/min）、液压泵的核定压力（MPa）。对于液压泵来说，其主要性能参数是压力P和输出流量Q。液压泵的基本参数是压力、流量、转速、效率。一般我们都要根据系统的实际情况来选择，是为了提高液压系统的可靠性，使液压泵的使用寿命变长，可以在低周疲劳试验机的液压系统中选择正常工作压力为液压泵的70-80%。（1） 压力p（MPa） 液压泵的工作压力指液压泵输出口处的油液的压力。负载决定决定液压泵的输出压力。当负载增加的时候，液压泵的压力就会升高，反之，当负载减少的时候，液压泵的压力就会降低。所以，在液压系统正常工作的时候，液压泵的压力是随负载改变而改变的。但是，负载不能够无限的增加，否则液压泵的压力就会增加的很高，从而导致密封、零件或管路被破坏。这是液压泵的一个重要的特点。因此，我们必须要在液压系统中设置安全阀（一般是直导式溢流阀）液压泵对于液压压力有两种规定，即是最大压力和额定压力。其中，额定压力是指液压泵在连续工作运转的情况下，所允许使用的工作压力。最大压力是指液压泵在很短的时间内能够允许被超越的极限压力，它是由液压系统的安全阀来限定的。安全阀的最大压力是不能够超过液压泵的最大压力。（2） 流量q（L/min）流量是指液压泵在单位时间内输出液体的体积，流量有实际流量和理论流量之分。理论流量等于排量Vp与转速n的乘积:排量是指液压泵每转动一周理论上所排出的油液的体积，它的数值取决于液压泵的结构参数。如果排量没有改变，就叫做定量泵。如果排量可以变化，则液压泵为变量泵。对于不同的液压泵，它的排量的计算方法是不同的。液压泵的排量仅仅取决于密封的液压泵工作油腔的容积随每转的变化量，与液压泵齿轮的转速无关。实际流量一般要小于理论流量qo。因为，液压泵的各密封间隙均存在泄漏。但是，液压泵的泄漏量与液压泵的输出压力有关系。压力越高，液压泵的泄漏量就越大，所以，泄漏损失量与液压泵的密封程度、工作压力和液压油的粘度有关。所以，液压泵的实际流量是随液压泵的输出压力变化而变化。但是，我们要知道理论流量与液压泵的输出压力却是没有关系的。实际流量 取 则 是指容积效率 (3) 转速n 液压泵的转速有最高转速和额定转速。液压泵的额定转速是指液压泵在正常的工作情况下的转速，它能够使液压泵具有一定自吸性能，能够避免产生空穴和气蚀现象。所以，我们一般是不允许液压泵超过额定转速运转。 液压泵的最高转速受运动件的磨损和寿命的限制，同样，它也受气蚀条件的限制。但是，如果液压泵的转速n大于最高的转速n，也可能产生气蚀的现象，它会使液压泵产生非常大的振动和噪音，会使零件的破坏加速，零件的寿命降低。 （4）扭矩和功率 液压泵的理论功率Po 式中To为液压泵的理论扭矩，为 实际上，液压泵和其它元件在能量转换的过程中是有损失的，所以，液压泵的输出功率要小于输入功率。 设总=85% 机械效率是液压泵理论扭矩Tpt与实际扭矩Tp的比值 液压泵的输入功率Pi 液压泵的输出功率Ppo 液压泵的理论扭矩Tpt 液压泵的实际扭矩Tp T (5)自吸能力 液压泵是借助于大气的压力，从比液压泵低的位置的油箱中自动吸油的能力叫做液压泵的自吸能力。 液压泵的自吸能力的实质是因为液压泵的吸油腔形成了局部真空，油箱里的液压油在受大气的压力的作用下流入液压泵的吸油腔。所以，液压泵的吸油腔的真空度越大，油液的吸油高度就会越高。 如果液压泵的自吸油能力不够，那么，我们可以采用如下的措施： 油箱内部油液的液面应该高于液压泵，所以，液压泵应该安装在油箱内部油液的液面的下面。 可以采用压力油箱。压力油箱即是一个一般有0.05-0.25MPa预压力的封闭油箱。 我们可以采用一个补油泵供油，一般补油压力为0.3-0.7MPa.我们知道，对于不同的结构类型的液压泵，它的自吸能力应该是不一样的。因此，液压泵的自吸能力也是我们用来评价液压泵的重要的性能指标之一。3.3 电机的选择电机是指一种根据电磁感应定律来实现电能的转换或传递的电磁装置，或者是将一种形式的电能转换成另一种形式的电能。电动机是将电能转换为机械能的装置（又称为马达）。我们都知道电动机在电路中是用字母“M”（旧标准用“D”）表示。电动机的主要作用是产生驱动转矩，用来作为用电器或各种机械的动力源。齿轮式液压泵就是用电机来驱动的，电机通过联轴器与液压泵连接，电机运转带动液压泵的齿轮轴转动，从而，液压泵工作。电机的种类：1、 按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。1） 直流电机按结构及工作原理分为：无刷直流电机和有刷直流电机。有刷直流电机可划分：永磁直流电机和电磁直流电机。电磁直流电机划分：串励直流电机、并励直流电机、他励直流电机和复励直流电机。永磁直流电机划分：稀土永磁直流电机、铁氧体永磁直流电机和铝镍钴永磁直流电机。2） 交流电机可划分为：单相电机和三相电机。2、 按照结构和工作原理可分为：直流电机、异步电机、同步电机。1）同步电机可划分：永磁式同步电机、磁阻式同步电机和磁滞式同步电机。2）异步电机可划分：感应式电机和交流换向器式电机。对于低周疲劳试验机，我们应该采用交流三相异步电机，并且电机的转速不能够超过液压泵的最高转速（3000r/min）电机的选型：液压泵的实际输入功率是选择电机的重要依据。下面是常熟久腾液压传动设备有限公司生产的一种液压泵专用的液压电机，在这里，我们选用该产品和型号的电机作为我们液压泵的驱动元件。它的大致性能如下可知。 它是一种三相异步电机，可适用于很多的场合。它能够在电压为380V并且没有特殊要求的机械上，是一种非常适用液压泵的电机。根据之前我们计算得到的液压泵的输入功率7.45KW，查机械设计手册我们选用的电机型号：Y132S2-2。该电机的优点是：它能够防止水滴、铁屑以及其他物件沿着垂直方向掉入电机的内部，是作为液压泵最适合的动力源之一，它的性能指标如下：额定功率 7.5 KW同步转速 2900 r/min额定转矩 2.0 Nm最大转矩 2.2 Nm3.4 液压缸的选择与计算3.4.1液压缸的基本参数液压缸是液压系统的执行元件，它可以把液压能转变为机械能。液压缸按照其结构的型式可以分为：活塞缸、柱塞缸、摆动缸。其中，活塞缸和柱塞缸能够实现往复直线运动，它输出推力和速度；摆动缸是实现往复摆动，输出的是转矩和角速度。对于本次低周疲劳拉伸试验机的设计，在这里选择活塞缸为试验机的拉伸元根据机械设计手册4表23.6-39，我们选择双作用液压缸，无缓冲式。它的计算式有：、。D为活塞杆的直径，D为液压缸的内径。该液压缸的特点是活塞双向运动，测试推力和拉力。活塞在行程结束的时候不减速。液压缸可以按照实际工作需求选用合适的安装方式，常用的液压缸的安装方式可以根据机械设计手册4表23.6-40，我们选择尾部法兰型安装方式。它的特点是：当我们采用尾部法兰式安装，它的安装螺钉受力较小，因此，它是和适合低周疲劳试验机的。液压缸的行程是非常重要的，我们考虑到低周疲劳试验机是对疲劳试样做测试的，因此，它的行程不能够太大。我们参照机械设计手册4表23.6-35，液压缸活塞行程第一系列，我们选择液压缸的行程为50mm，它是满足我们的液压缸的设计要求。3.4.2液压缸的设计计算1）液压缸设计计算步骤 根据主机的运动要求，选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，选择液压缸的安装方式。这些如上述所示。 我们根据试验机的运动分析和动力分析，确定活塞液压缸的主要尺寸和主要性能参数。有推力、拉力、活塞运动的速度、液压缸的内径、液压缸的行程、活塞杆的直径等。按照我们既定的液压缸的工作压力（4MPa）和材料，来进行液压缸的结构设计。主要有：液压缸的缸体厚度、液压缸的缸盖、液压缸的密封等等。2） 液压缸主要尺寸的计算液压缸的主要尺寸包括液压缸的行程s，液压缸的活塞杆的直径d，液压缸的缸体内径D。液压缸缸体内径D的计算根据机械设计手册4，按照载荷力的大小和选定的系统压力来设计计算液压缸缸体的内径D。初选背压P2=0.6MPa，工作压力P=4MPa。 式中 D 液压缸缸体的内径 F 液压缸的推力或者拉力(KN) P 计算选择的工作压力（MPa）所以液压缸缸体的内径D约为126mm,查机械设计手册4表23.6-33（GB/T2348-1993）圆整标准化可以得到D=125mm.液压缸活塞杆直径d的计算当液压缸的活塞杆是在稳定状态下时，仅仅承受轴向载荷的时候，液压缸活塞杆的直径可以按照简单拉、压强度计算，在这个时候，我们有：23.04425.244mm式中是指活塞杆材料的许用应力（MPa），我们选择活塞杆的材料为碳钢，它的许用应力=100120 MPa，我们再根据机械设计手册4表23.6-34，可以去d=25mm。液压缸行程s的确定液压缸行程s，主要是根据低周疲劳试验机的运动要求而确定的。但是，我们为了降低生产成本和减少加工工艺，所以，选择上述所示的行程，即液压缸的行程s 是50mm。3） 液压缸的结构参数的计算液压缸的结构参数主要指液压缸缸筒的壁厚、液压缸油口的直径、液压缸缸低的厚度，液压缸缸盖等。液压缸缸筒的壁厚的计算：我们知道标准液压缸外径，如表23.6-59（即下图7）所示：表23.6-59 工程机械用液压缸外径 缸径 /mm 液压缸外径/mm p16MPa 20 25 31.540505050545060606063.5637676838380959510210290108108108114100121121121127110133133133140125146146152152140168168168168160194194194194180219219219219200245245245245 图7 工程机械用液压缸外径由上表我们可以得到在压力p=16MPa时，液压缸的外径为146mm.壁筒的厚度的计算有三种规格，分别是按薄壁筒计算、按中等壁厚计算、按厚壁筒计算。我们先按照中等壁厚计算，有：对于液压缸缸筒，它的材料一般是采用无缝钢管，=1，材料是20钢的无缝钢管。因为，液压缸的工作压力为p16MPa，所以，液压缸的试验压力Py=1.5P,又材料的许用应力为=100110 MPa，此时， 3.0363.348mm取=3.3mm，所以，, 因此，这方案不适合。我们再采用薄壁筒计算，有：3.413.75mm明显，是适合条件的，所以，我们取=3.5mm，缸体为无缝钢管，材料是20钢。式中 液压缸缸筒的厚度 Py 液压缸的试验压力（MPa），当工作压力P16 MPa时，Py=1.5P；当工作压力P16 MPa时，Py=1.25P； D 液压缸缸体的内径 液压缸缸体材料的许用应力 b 液压缸缸体材料的抗拉强度对于：铸钢 =100110 MPa 锻钢 =100120 MPa 钢管 =100110 MPa 铸铁 =60 MPa 液压缸油口直径计算 根据机械设计手册4，我们知道，液压缸油口的直径设计应该根据液压缸活塞的最高运动速度v和油口出油液的最高液体流速vo来确定的 式中 do 液压缸油口的直径 D 液压缸缸体的内径 v 液压缸的最大输出的速度 vo 液压缸油口出油液的最高液体流速液压缸缸低厚度的计算1） 当缸低没有油口的时候，即平行缸低 12.641 13.258mm式中 h 液压缸缸低的厚度 D 液压缸缸体的内径Py 液压缸的试验压力（MPa） 液压缸缸低材料的许用应力取液压缸的缸低厚度h=13mm，实际上，为了简便，在这个低周疲劳试验机设计中，我们把液压缸的缸体和液压缸的缸低做成一体。2） 当液压缸缸低有油口的时候，我们有 =13.17913.822mm所以，我们可以取h=13.5mm，但是，考虑到液压缸安装在低周疲劳试验机上的位置，在这里，该情况应该被省略，即这种情况不符合我们的试验机的设计的需要。液压缸缸盖的设计计算因为液压缸缸盖上有液压缸活塞杆的导向孔，所以，它的厚度的计算方法肯定与液压缸缸低厚度的计算是不一样的。在这里，我们采用螺纹联接，即液压缸缸盖与液压缸缸体用螺栓连在一起。它的形状如下图8所示。9.79210.262mm所以，取h=10mm, 图8 法兰式液压缸缸盖式中 h 法兰的厚度 h=10mm F 法兰受到的力的总和 代入数据得到 d 密封环的内径 d=115mm dh 密封环的外径 dh=125mm p 液压系统的工作压力 p=4MPa 其它的值如下：D=165mm Do=147mm dcp=120mm do=10mm 联接螺纹在这里采用M10x25螺栓。液压缸的连接计算液压缸缸体与液压缸缸盖采用螺栓联接的时候，螺纹处的拉应力为 螺纹处的切应力为 它们之间的合应力为 Z为螺栓的数目3.4.3 液压缸主要零件的结构、材料以及技术要求1） 液压缸缸盖根据机械设计手册4，我们可以得到：液压缸缸盖的材料一般可以选择35钢、45钢、ZG35、ZG45、HT200、HT300、HT350等等。我们应该知道，当液压缸缸盖自己本身是液压缸活塞杆的导向套的时候，当然，我们最好用铸铁作为液压缸缸盖的材料，即是HT200、HT300、HT350。当然，考虑到它的工作条件，我们应该在作为导向的表面上熔粘一层黄铜、青铜或者其它的耐磨性能较好的耐磨材料。还有，在我们采用在液压缸缸盖中压人导向套这个结构的时候，导向套的材料最好是耐磨性较好的材料。对于液压缸缸盖我们一般有以下的技术要求：1） 直径D（它的基本尺寸与液压缸的缸体内径是一样的）、D2（作为液压缸缸盖的活塞杆的缓冲孔）、D3(它和活塞杆密封圈的外径是一样的)的圆度公差值应该按照9/10/11这三种精度来选取。2） 直径D2、D3、d之间的同轴度公差值是应该为0.03mm。3） 液压缸缸盖的导向孔的表面的表面粗糙度应该为Ra=1.25um。液压缸缸体对于液压缸缸体，它的材料我们一般选用20/35/45号无缝钢管。但是，20号无缝钢管的力学性能较低，是不能够调质的，所以，它的应用一般很少。当然，如果液压缸缸筒与液压缸缸底、液压缸缸头、油管的接头甚至是耳轴等零件需要焊接的时候，我们就应该采用焊接性能较好的35号无缝钢管，它一般是在粗加工之后进行调质处理。在一般的情况下，液压缸缸体都是采用45号无缝钢管，并且，要把它进行调质处理到241-285HB之间。在我们制作生产液压缸缸体的毛坯的时候，液压缸缸体的材料可以采用锻钢、铸钢、铸铁等。其中，铸钢可以用ZG35B作为材料，铸铁可以采用HT200-HT350之间的型号，或者用球墨铸铁也是可以的。当然，对于液压缸缸体我们一般也有以下几种技术要求：1） 液压缸缸体内径的圆度公差值可以按照9/10/11三种级别的精度来选取，圆柱度的公差值就应该按照8级精度等级来选取。2） 液压缸缸体的端面的垂直度的公差值，我们可以按照7级公差等级来选取。3） 液压缸缸体的内径我们一般采取H8、H9配合制公差来配合。对于液压缸缸体表面的粗糙度，有：当活塞采用橡胶密封圈来密封的时候，Ra一般为0.1-0.4um，当活塞是采用密封环用来密封的时候，Ra一般为0.2-0.4um。在这里，低周疲劳试验机的活塞采用的是第一种密封方式，即采用橡胶密封圈来密封的。当然，无论是哪种密封方式，都是需要珩磨的。4） 为了防止液压缸缸体腐蚀，同时，也为了提高液压缸缸体零件的寿命，我们应该在液压缸缸体内表面镀上一层厚度为30-40um的铬，镀完成后，一般还有经过珩磨或者抛光。5） 当液压缸缸体与液压缸缸头采用螺纹联接的时候，我们应该把螺纹采用6级精度等级且必须用米制螺纹。6） 当液压缸缸体是带有耳环或者销轴的时候，液压缸缸体的孔径D1或者轴径d2的中心线相对于液压缸缸体内孔轴线的垂直度也有公差要求，它的公差值是应该按照9级精度等级来选取。液压缸缸体端部的连接形式根据机械设计手册4，液压缸缸体的端部的连接形式和液压缸缸体的