机械性能拉伸试验机的设计说明书

毕 业 设 计题 目 机械性能拉伸试验机的设计 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 学 生 学 号 指导教师 二一一年五月三十日济南大学毕业设计- I -摘 要疲劳试验机是研究材料在动态力作用下的疲劳性能常用的试验机，而电液伺服疲劳试验机是集机、电、液于一体的试验设备，具有精度高、负荷大、频响宽、控制灵活等特点，成为精确研究材料、零部件甚至整机在实际使用状态下的力学性能的有力试验手段。然而，材料或者零部件往往在多种应力的共同作用下疲劳失效的，因此，设计一种能够集拉、压、弯、扭，以及多种应力复合作用下的电液疲劳试验机是多个领域的迫切要求。本文综述了国内外试验机的研究现状和未来的发展趋势，对试验机根据不同的方式进行了分类。在分析试验机工作原理基础上，确定了 2.5 吨疲劳试验机的主要结构。对试验机的主要零部件作动器、横梁、夹头等进行了计算校核，同时对液压系统进行了详细设计。所设计的电液伺服疲劳试验机可以完成试样在复合应力作用下的高周疲劳性能，通用性好，精确可靠。关键词：试验机；疲劳；复合应力；电液伺服济南大学毕业设计- II -ABSTRACTElectro-hydraulic servo fatigue testing machine is widely used in modern material mechanics test, which integrate hydraulic, electronic, computer with mechanics. It has the advantages of high precision, large load, wide frequency response, flexible control, and so on. However, the failure of materials or component parts is due to the affection of several kinds of stresses such as tension, compression, torsion and bending. Therefore, a multi-stress integrated fatigue testing machine is required. Based on the review of the development and trend tendency in domestic and overseas, testing machines are divided into several types. In this paper, the main structure of an electro-hydraulic servo fatigue testing machine is designed and the primary components are checked by calculation such as actuators, beam, and chucks and so on. Furthermore, the hydraulic system is designed in detail. The designed testing machine has the advantages of high frequency, high accuracy and adapting to several testing conditions. Key words：testing machine; fatigue; composite stress; electro-hydraulic servo济南大学毕业设计- III -目 录摘要. .IABSTRACT.II1 前言.11.1 试验机的研究背景. .11.2 试验机的发展历程. .11.3 国内外发展现状.21.4 试验机的发展趋势.21.5 本章小结.22 试验机的研究.32.1 试验机的原理 .32.2 试验机的分类. .42.2.1 按试样性质分类. .42.2.2 按试验功能分类. .52.2.3 按控制方式分类. .52.3 试验机的主要结构. .42.3.1 主机部分. .52.3.2 测量放大部分. .52.3.3 液压部分. .52.3.4 控制和数据处理部分. .52.3.5 附件. .52.4 本章小结. .63 试验机的结构方案确定.73.1 作动器的选择 .73.2 横梁升降装置 .73.3 横梁夹紧装置 .73.4 试样夹持装置 .83.5 控制系统选定 .83.6 本章小结 .94 试验机的结构方案确定.104.1 拉压作动器的选择与计算校核 .104.2 扭转作动器的选择与计算校核 .124.3 横梁立柱选择 .15济南大学毕业设计- IV -4.4 横梁升降的液压传动计算 .184.5 本章小结. ,.195 液压系统设计.,.205.1 泵站与电机的选择. ,.205.2 液压油的选择. ,.205.3 油源的设计. ,.205.4 本章小结. .216 传感器的选择与安装. .206.1 传感器的选用原则 .206.2 传感器的选择与安装. .236.3 本章小结. .237 结论.24参考文献.25致谢.26济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1 试验机的研究背景电液伺服试验机集机、电、液等多项技术于一体，应用广泛。它既利用了液压系统功率的重量比高、负载刚度大及作用力大的特点，又充分发挥电气系统灵活、精度高的优势；既能进行动态的高周疲劳程序控制和低周疲劳试验，也能进行静态的恒变形速率、恒负载速率和各种常规的力学性能试验；还可以进行断裂力学试验。根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验。这是其它形式的试验机所不能比拟的 1。所以，电液伺服试验机历来为国内外众多试验机厂家所重视，并在航天、航空、汽车交通、机械制造、船舶、电子等行业广泛应用。但是现在市场上的电液伺服试验机只能进行独立的拉压、弯曲或扭转试验。但是现实使用中，材料部件要同时承担拉压、弯曲、扭转的复合应力，或者承担疲劳载荷，所以如果要检测一种材料的机械性能，需要几种不同的试验机进行测试，其过程复杂，测试结果具有很大的局限性，而且也不够精确。这就迫切要求设计一种新型的集拉压、弯曲、扭转于一体的试验机，可以测试试样在弯曲和扭转载荷作用下的疲劳寿命，可以做单弯曲试验，拉压试验，拉压疲劳试验，并且也可以做弯扭复合试验（弯曲、扭转同时进行） ，符合材料式部件在实际使用中所受的多种载荷作用 2。1.2 试验机的发展历程最早的疲劳试验机出现在 1850 年，德国人沃勒设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，但是这种疲劳试验机作用力小，改变幅值和频率都比较困难，给疲劳试验的研究带来很大的难度，同时阻碍了材料疲劳性能的研究。在这种情形下，电液伺服疲劳试验机随着电液伺服技术的发展而发展起来。由于其既能进行静态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种常规的力学性能试验，也能进行动态的高低周疲劳试验、程序控制疲劳试验，还可以进行断裂力学试验，根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验，也可以对广义范围上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩展、断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况模拟等，有着其他种类的试验机不能比拟的优势，被国际疲劳研究者最推崇得材料疲劳试验设备 3。随着生产力水平的提高和科学技术的飞速发展，各种用于加载试验的设备和系统不断产生，其性能不断完善，试验手段也不断拓展。目前，人类文明已经进入计算机时代，计算机的应用己走入科研和生产的各个领域，并在这些领域为我们开辟了许多新的发展空间。和其它许多科研领域一样，材料的强度实验也进入了计算机时代。计算机参与控制的疲劳强度试验系统是一种软硬件结合的控制系统，相对于济南大学毕业设计- 2 -传统的控制系统而言，其优势是不言而喻的。1.3 国内外的发展现状目前，国外生产电液伺服疲劳试验机的厂家很多，技术处于领先的知名厂家有：日本岛津公司、美国 MTS 公司、德国中克公司及英国英斯特朗等。我国的各类机械式试验机是20世纪50年代发展起来的，如机械式拉力试验机、机械万能试验机、机械振动台等。这类机械一般具有足够的精度和稳定性，可实现无级调速。但负荷能不大，难于控制，且不够灵活。20世纪60年代开始，制出了液压试验机，如液压式拉力试验机、液压万能试验机。采用液压系统加荷，加荷能力较高，加荷平稳，加荷速度可自由调节，负荷测量范围宽.可从几吨到几千吨。这类试验机一直被广泛采用，有的还增加了一些新装置，如定速加荷装置、应力应变自动记录装置、差动变压器应变测量装置等。1980 年，济南试验机厂生产的 WE-60 型液压万能试验机获得国家经委颁发的银质奖，并在 1983 年定为国家优质产品。1982 年长春试验机厂研制成功 50t 电液伺服程序疲劳试验机，还研制成功疲劳试验机的关键部件一无齿夹头，为试验机提供了可靠的夹具。1985 年长春试验机研究所试制成功 200t 电液伺服试验机，是中国第一台机电一体化的低应变率、大吨位电液伺服试验机。采用电子计算机控制电液伺服系统，可实现负荷、变形、位移控制，可进行数据采集、处理、绘图、打印和显示。在 20 世 纪 90 年代，长春试验机研究所和长春试验机集团公司共同研制的“电子万能试验机”，在测量精度、拉压负荷传感器、弹性体处理技术等方面有了突破，特别是在微机控制方面，采用 GPIB 国际标准接口总线，使产品技术指标达到国际 20 世纪 90 年代先进水平。1.4 试验机的发展趋势经过 150 年的发展，材料试验机已经越来越成熟，从以前的简单试验机发展到现在的电液伺服试验机。现如今，越来越多的高精度，高性能的设备的出现，也迫切需要高精度的试验机。此时，电液伺服疲劳试验机以其精度高、负荷大、频率响应宽，正日渐成为精确研究材料的力学性能，模拟零件、部件甚至整机在使用状态下的力学特性的有力试验手段。另一方面，材料试验机也正在向计算机化，自动化，系统化，微型化，合成化发展。1.5 本章小结本章主要介绍了试验机的研究背景、发展历程以及国内外试验机的发展现状和试验机的发展趋势，对试验机的总体概况有了一定程度的理解和认识，提出了设计一种新型的试验机的要求。济南大学毕业设计- 3 -2 试验机的研究2.1 试验机的原理电液伺服试验机是由机械、液压、电气、计算机四大部分组成。由工作台、立柱、横梁试件、上下夹头、负荷传感器以及活塞杆组成的机械部分承受试验载荷；液压部分是试验机的能源；电气部分主要完成力学量（负荷、变形、位移）的检及安全保护等功能；控制信号的产生（试验波形） 、PID控制参量的调节、试验结果的数据处理等工作由计算机完成。由PC机发出的控制信号与反馈信号相比较，所得的偏差信号经伺服放大器处理后产生控制电流，送到电液伺服阀的控制线圈。在输入电流的作用下阀芯移动，控制进入作动器内油液流量，使活塞运动，并经负荷传感器、上夹头将力传递给试件，再经下夹头传给机架。负荷传感器检测试件所受的力并转化成电量，经放大器处理后，作为反馈信号与输入信号相比较，这就构成负荷反馈控制回路。反馈信号还可以从夹持在试件上的引伸计或装在作动器上的位移传感器引出，从而构成变形（应变）反馈回路或位移反馈回路 4。试验机的工作原理图见下图图 2-1 试验机的工作原理济南大学毕业设计- 4 -2.2 试验机的分类试验机根据不同的分类方式可以进行不同的分类2.2.1 按试样性质分类 试验机按试样的性质可分为金属试验机和非金属试验机。目前伴随着新材料的发展，也出现了新材料试验机。 2.2.2按试验功能分类 试验机按试验功能可分为拉压试验机和扭转试验机。 （1）拉压试验机 拉压试验机是驱动拉压作动器对试样进行拉压试验以获得试样的拉压特性的设备。对试样进行试验时，把试样放在底座和作动器（即液压缸）之间，通过夹头夹持，然后控制作动器加载拉力、压力或疲劳载荷，并在相应位置安装传感器，检测并显示试验结果，工作图如下图 2-2 拉压试验机结构图济南大学毕业设计- 5 -（2） 扭转试验机 拉压试验机是驱动扭转作动器对试样进行扭转试验以获得试样的扭矩特性的设备。试验机工作时将试样放在扭转作动器和尾座之间，通过方形夹头夹持，然后利用液压伺服系统控制扭转作动器施加扭矩或疲劳载荷，以达到检测试样扭矩特性的目的，也是通过传感器显示试验结果。机构如下图图 2-3 扭转试验机结构图2.2.3 按控制方式分类 试验机按控制方式可分为开环试验机和闭环试验机5。 2.3 试验机的主要结构2.3.1 主机部分 主机主要有基座、作动器、工作台、横梁、试样夹持机构和横梁升降机构等组成。 主机通常分为油缸上置和油缸下置两种主要形式。 在本次设计中采用的是油缸上置的形式。主要功能：根据试样的形状通过液压控制横梁的升降来调整试样的夹持空间，由试样夹持机构夹紧和固定试样，通过作动器完成对试样的加载。 2.3.2 测量放大部分 基本组成：力传感器、位移传感器、角位移传感器、扭矩传感器、放大器等。 主要功能：检测试样在加载过程中所受到的拉压力、扭矩、变形以及转动的角度，并通过放大器显示出来。 济南大学毕业设计- 6 -2.3.3 液压部分 液压部分也就是试验机的动力部分，主要是提供动力源。基本组成：电机、油泵、油箱、各类控制阀、液压油及辅助装置。 主要功能：控制试样夹持机构，对试样的加载和横梁的升降。 2.3.4 控制和数据处理部分 基本组成：计算机、输出设备和专用控制器等 主要功能：完成整个系统的控制，各类参数的设置、显示，试验机工作过程及试验结果的记录，试验数据的处理、存储，试验结果的输出等功能。 2.3.5 附件 基本组成：拉压试验夹头、扭转实验夹头、弯曲试验顶杆及其它特殊试验附件。主要功能：通过更换夹头，完成各种特定试验如拉压试验、扭转试验、弯扭复合试验等6。2.4 本章小结本章主要介绍了试验机的工作原理、试验机的分类以及试验机的主要功能结构，这使我们对试验机有了初步的认识。济南大学毕业设计- 7 -3 试验机的结构方案确定本设计采用双立柱框架形式，液压缸上置式结构，通过液压系统控制横梁的升降来调整试验空间，试样夹紧采用液压自动夹紧装置，横梁采用机械式夹紧，试台下面安装有高精度的力传感器和位移传感器。试验机主机的上横梁、立柱、试台、传感器与调心装置形成另一个刚性体。在试验时，上、下钳口夹持住试样，上横梁通过活塞向上运动，完成对试样的加载。3.1 作动器的选择在此设计中，作动器主要包括拉压作动器和扭转作动器，此处均采用液压缸，之所以采用液压缸，是因为液压传动与机械传动，电气传动相比较，有以下特点：优点：液压传动元件使用方便，可根据需要，灵活运用；体积小，重量轻，运动惯性小，反应速度快；操作控制方便，可实现大范围的无级调速；可自动实现过载保护；一般使用矿物油为工作介质，相对运动面可自动润滑，使用寿命长；更易实现直线运动；容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现远程遥控控制。缺点：由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低；工作性能容易受温度的影响，不宜在温度过高和过低的环境下 ；液压元件的制造精度要求高，造价贵；由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动；维修困难。3.2 横梁升降装置横梁升降装置也采用液压控制系统。这是由于液压传动与机械传动，电气传动相比较，有以下特点：优点：液压传动元件使用方便，可根据需要，灵活运用；体积小，重量轻，运动惯性小，反应速度快；操作控制方便，可实现大范围的无级调速；可自动实现过载保护；一般使用矿物油为工作介质，相对运动面可自动润滑，使用寿命长；更易实现直线运动；容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现远程遥控控制。缺点：由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低；工作性能容易受温度的影响，不宜在温度过高和过低的环境下 ；液压元件的制造精度要求高，造价贵；由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动；维修困难。3.3 横梁夹紧装置横梁夹紧通常采用两种方式，一是液压夹紧，二是机械夹紧。济南大学毕业设计- 8 -在此设计中，采用的是机械式夹紧，与液压夹紧相比较，机械式的夹紧更容易控制，而且更精确，所以采用机械式夹紧。3.4 试样夹持装置本文介绍了一种以液压油为动力源、液压强迫夹持的闭式夹头，它具有夹紧力宽范围可调、变形小、工作可靠等优点，在实际使用中取得了满意的夹持效果。原因：在材料的动态试验中，首先，液压夹头所承受的是过零点的拉压双向载荷。这就首先要求夹头必须采用液压强迫夹持方式，即夹头的钳口在承受试件的反推力作用时，不产生滑移。其次，由于液压夹头所夹持的试件硬度覆盖面宽，不仅有硬度很高的金属材料，还有呈塑性的非金属材料和易碎而坚硬的陶瓷材料，这就要求夹紧力有较宽的可调范围，对不同材料具有较强的适应性。再次，液压夹头输出的夹紧力必须稳定、波动度小，这就一方面要求液压夹头的供油压力脉动要小，同时还要求钳口座刚性好、变形小7。基于以上理由，所以选择这种夹头。 3.5 控制系统选定 本次设计的试验机控制系统选用MTS电液伺服控制系统。 电液伺服控制的特点：响应速度快、控制精度高、频带宽、稳定性好、控制波形种类多、操作简单、定位方便、调正校核快捷有效总体结构见下图图3-1 试验机的结构图济南大学毕业设计- 9 -3.6 本章小结：本章详细介绍了作动器以及横梁升降装置选择液压系统的主要原因，介绍了横梁夹紧装置、试样夹持装置和控制系统的选定原则，最后又介绍了试验机的主体结构布局，使我们对于试验机的整体方案进行了确定，为以后的试验机的结构选择奠定了基础。济南大学毕业设计- 10 -4 试验机主要结构的选择和计算校核本设计的基本参数最大试验力：25kN 最大扭矩：800Nm测量范围：0100kN，01000 试验力示值的相对误差：1% 横梁最大行程：300mm 拉压作动器最大行程：50mm 外形尺寸(长宽高)：约800*600*1800框架形式：双立柱 拉压作动器位置：上置 试样夹持直径：1220mm 疲劳试验基本参数见下表表4-1 疲劳试验基本参数4.1 拉压作动器的选择与计算校核4.1.1 作动器作动器实际工作的是一液压缸，此处采用的是双活塞杆双作用缸。4.1.1.1 作动器采用通用型液压缸。通用型液压缸结构比较简单，零部件标准化，通用化程度高，制造安装都很方便，用途广泛，适用于各种液压系统。此处，取额定压力 Pn25MPa，缸筒内径 D250mm，允许最大行程 S2m4.1.1.2 液压缸主要部件 材料和技术要求(1)缸筒和端盖频率 拉压疲劳试验幅值 扭转疲劳试验幅值 10Hz 1mm 1 20Hz 0.5mm 0.6 30Hz 0.33mm 0.1 40Hz 0.25mm 0.07 50Hz 0.2mm 0.05 济南大学毕业设计- 11 -材料：热轧或冷拔无缝钢管（目前普遍采用）技术要求：1.缸筒内径采用 H8 配合2.采用活塞环密封，表面粗糙度 Ra 为 0.40.2um，需要研磨3.缸筒内径的圆度和圆柱度采用 8 级精度4.缸筒端盖的垂直度公差采用 7 级精度5.为防止腐蚀缸筒内表面镀铬，镀层厚度 30-40um，镀后抛光(2)活塞：采用整体活塞，密封环，导向环同槽安装材料：碳素钢 45 号技术要求：1.活塞外径 D 对内径 D1 的径向跳动公差为 7 级精度2.端面 T 对内径 D1 的轴线的垂直度公差为 7 级精度3.活塞外径 D 圆柱度公差按 9 级精度(3)活塞杆：采用空心活塞杆材料：高精度冷拔活塞杆，材质：35 号碳素钢技术要求：1.活塞杆表面镀铬，镀层厚度 15-25um2.活塞杆外径公差 f7，直线度0.02mm/100mm，表面粗糙度 Ra 0.3 0.4 m3.活塞杆外径 d 的圆柱度公差选 8 级精度4.1.1.3 计算校核取液压缸负载率为 0.5实际使用拉力/理论额定拉力0.5 理论额定拉力 Fz50kN（4.1）AdDF2224取 =25.0MPa=50cm2 A根据中国机械设计大典 5P 199 表 42.4-6，得到取 d=28mm， =57.5，=12代入得到活塞杆面积 A615.44mm 由（4.2）12取 D=100mm， 7850D214m当活塞杆受压时，要求济南大学毕业设计- 12 -（4.3）sSnFd2此时 F=50kN, =3ns材料为 35 号碳素钢，s根据机械设计常用标准 ，山东大学机械工程学院=315MPa，代入得 d 24.6mms 取 d=28mm ，合理，符合条件。两腔面积比 14.615780221 mA取 S=50mm，合理（2）由 F 2=A2p ，得到 pF 2/A250kN/(7850-615.44)=6.9MPa活塞杆理论推力 F 1A 1p54kN,取压力为 p n25MPa允许最好压力 pmax1.5p n=1.525=37.5MPa耐压试验压力 pT=1.5pn=37.5MPa效率：机械效率 m m0.95容积效率 v v0.98总效率 vm0.93（3）泵的选择泵：采用齿轮泵，采用铝合金壳体和浮动轴套，结构简单，质量小，能长期保持较高的容积率。之所以选择齿轮泵，因为齿轮泵相对于柱塞泵和叶片泵，具有低噪音，抗污染能力强，适应能力强等特点，所以选择齿轮泵。取 CBZ2040,排量 40ml/r,额定压力 25MPa，额定转速 n=2500r/min，容积效率 v90%驱动效率 p=37.2kw理论流量 qtv/6010 -6250040/6010 -61.6710 -3m3/s实际流量 q qtv1.6710 -3901.5310 -3m3/s速度：由于采用双活塞杆，这样更易控制，也使得进出油速度相等。4qv/（D2d2）0.18m/sv21液压缸功率 P=F1v1 =F2v2=pq=50kN0.18m/s=9kW4.2 扭转作动器的选择与计算校核济南大学毕业设计- 13 -在此处选择摆动液压缸，我选择了叶片和轴做成一体的摆动液压缸。见图 4-1.特点：反向间隙小，结构紧凑，空间安排合理，无需变速，适用于动静态试验；制造精度高，造价贵，维修困难8。在选择摆动液压缸时，我选择了叶片和轴做成一体的摆动液压缸。如图图4-1 扭转摆动缸结构图在图中，3是与叶片做成一体的输出轴，5是缸体，4是底座，1.2分别是进油口和出油口。当液压油从1进入时，推动叶片向右运动，当液压油从2进入时，推动叶片向左运动，这样叶片来回运动，就带动着与它一体的输出轴摆动，输出扭矩。结构特点：结构简单紧凑，轴向尺寸小，重量轻，安装方便，便于整体布局，机械效率较高。但是密封较困难，加工复杂，输出轴受不平衡径向力较大，输出轴通过花键于夹头相连接输出转矩。材料选择和技术要求：缸筒：材料：热轧或冷拔无缝钢管（目前普遍采用）要求有足够的强度和冲击韧性，能承受活塞侧向力和安装的反作用力。具体选择 27SiMn技术要求：1.缸筒内径采用 H8 配合2.采用活塞环密封，表面粗糙度 Ra 为 0.40.2um，需要研磨3.缸筒内径的圆度和圆柱度采用 8 级精度4.缸筒端盖的垂直度公差采用 7 级精度5.为防止腐蚀缸筒内表面镀铬，镀层厚度30-40um，镀后抛光叶片与轴做成一体材料：45钢技术要求：1.叶片外径对内径的径向跳动公差为 7 级精度2.端面 T 对内径的轴线的垂直度公差为 7 级精度济南大学毕业设计- 14 -3.叶片外径圆柱度公差按 9 级精度 4.轴表面镀铬，镀层厚度 15-25um5.轴外径公差 f7，直线度0.02mm/100mm，表面粗糙度 Ra 0.3 0.4 m6.轴外径的圆柱度公差选 8 级精度（3）计算校核：根据中国机械设计大典 5，P199.式 42.4-8取液压缸负载率： .0（4.4）5.0理 论 最 大 扭 矩实 际 使 用 最 大 扭 矩由 NmT80理论最大扭矩=1600Nm对于输出轴（4.5）SATmax由于材料是 45钢MPans169.235n 为安全系数，取 n=2.1根据材料力学得到（4.6）TdAmax24代入得 ，取 d=50mmmd7.34设计内径 D,根据中国机械设计大典 510621281PDbTT -输出转矩Z-叶片数，此处 z=1b-轴向宽度P1-进口压力P2-出口压力D-缸筒内径d-输出轴直径济南大学毕业设计- 15 -机械效率，此处取 =90%mm代入得到， D152取 D=160mm最后定 D=160mm，d=50mm，b=20mm叶片强度校核：对于叶片，危险截面在底部根据中国机械设计大典 5，P274 式 42.4-49最大正应力为 （4.7）2max43dDWT再根据式 42.4-50许用应力为 （4.8）ns其中 -叶片根部厚度n-安全系数，这里取 3代入得到， 20.1mm取 20mm计算流量根据公式（4.9）1062140862RfxPFQ得到 Q=43.1 /minL液压缸功率（4.10）kwpq601.364.3 横梁立柱选择 1、横梁材料：45#钢 b600MPa s355MPa截面：工字钢 20a Wx309cm 3 Ix3400cm 4济南大学毕业设计- 16 -计算校核图 4-2 横梁弯矩图C许用正压力 s/2.1169MPaC 截面为危险截面 于是危险截面最大正压力为 maxMmax/Wx 13.510 -3/30910-64307MPa满足强度条件 a M maxya/Ix13.510 3（200/2-12.3）10 -3/340010-834.8MPa 满足条件，梁的作动器的自重经计算远小于这里的 50kN,忽略不计。注：横梁面积：S=100X12.3X2+7.5X200-2X7.5X12.3=3775.5m=3.78X10-3 横梁的质量: m=pV=psL=3.78X10 -3X1X7.8X103 =29.5梁的自重：G=mg=29.5X9.8N=289.1N在本次设计中，采用的是液压缸上置，所以也要考虑液压缸的自重，估计济南大学毕业设计- 17 -500N，总的自重为 789.1N,总的自重占作动器最大拉力的 1.5%，故忽略不计。立柱：材料 45#钢 b600Mpa s355Mp 截面如图，采用圆形截面 图 4-3 立柱截面图图 4-4 立柱受力图F27KN 可分解为 FN27KN M13.5KN.m许用压力 s/2.1169MPa由 F/A AF/=2710 3/169106=15910-6m2A= 15910 -6m2r2R7.1mm济南大学毕业设计- 18 -max=M/Wz=13.510 332/d3得到 d93.3mm取 d=100mm校核 =7850mm2 RA2（4.11）MPaF4.3785016（4.12）符合条件。4.4 横梁升降的液压传动计算1、亦采用通用型液压缸， 取额定压力 Pn21MPa，缸筒内径 D250mm，允许最大行程 S2m2、液压缸主要部件 材料缸筒，热轧和冷拔无缝钢筒活塞，无导向环整体活塞，用高强度铸铁 HT200活塞杆，45#钢估算横梁与夹具等整体重量 G1=1000N另作动器等重量 G2=1000N总计 G=2000N活塞杆伸出的理论推力，F 1=实际推力/ =2000/0.5=4000N选液压缸内径 D=100mm活塞杆外径 d=32mm面腔面积比 =1.12A1=7850mm2A2=7046mm2由 F1= A1P 得 P=4000/7850=0.51MPaF2= A2P=3590.3N取液压缸公称压力 Pn=0.63MPa最高允许压力 Pmax1.5P n=0.945MPa选用 CB-B32 型齿轮泵V=32mL/r,n=1450r/min v=90%,P=1.65kW理论流量 qt=nV/6010-6=773.310-6m3/s济南大学毕业设计- 19 -实际流量 q=qt v=726.910-6m3/s液压缸效率 =90% v=0.98速度计算：无杆腔进油时速度 V1= =726.910-60.98/785010-6 =89mm/s有杆腔进油时速度 V2= 26.910-60.98/7046.1610-6=101mm/s4.5 本章小结本章具体对试验机的拉压作动器、扭转作动器、横梁、立柱和横梁升降的液压系统进行了材料选择和计算校核。经过校核，可得出各部件均达到了使用要求。 济南大学毕业设计- 20 -5 液压系统设计疲劳试验机的大部分动力源都是由液压系统提供的，那么液压系统的设计就显得至关重要。试验机的液压系统主要包括泵的选择，液压油的选择和夹紧、升降液压部分的设计。5.1 泵站与电机的选择根据以上的计算结果所需要的流量，查中国机械设计大典，P109 表 42.3-17CBZ型齿轮泵的技术规格，选择 CBZ4125 型齿轮泵，具体规格如下表 5-1根据齿轮泵，查机械设计手册，选择 Y315M-2 三相异步电动机，具体参数如下表 5-2额定功率 P 132kw额定电流 I 203A转速 n 2980r/min效率 v93%5.2 液压油的选择选择 HFB 液压油（油包水乳化液）特点：1.含有矿物油的一些基本优点，润滑性好2.与液压系统常用的密封材料有很好的相容性3.具有较好的抗燃性，而且加个低廉5.3 油源的设计（1）根据选择的油源，来提供动力，确保各项试验能够顺利进行，原理图如下公称排量 V 125ml/r额定压力 p 25MPa额定转速 v 2000r/min驱动功率 p 115.7kw容积效率 v92%济南大学毕业设计- 21 -图5-1 液压原理图当电源打开后，电机6驱动内啮合齿轮泵7转动，液压油经滤油器9的过滤后，分别流向左右测，组成试验机的拉压和扭转试验回路。当手动控制三位三通阀，使液压油流向16.17和18，来控制横梁的升降。当控制19三位四通阀使液压油流向19.20时，来实现对试样的夹紧。（2）结构及功能特点油源结构比较紧凑，操作比较方便。电机与油泵放在油箱的一侧，与油箱分别固定在底座上，冷却器紧固在油箱的侧面。电器控制系统安装在电控柜内，控制柜的侧面板上安装的是电源总开和急停等按钮，以及温度、液位、滤油器等报警灯，可以很方便地操作 9。5.4 本章小结本章主要介绍了液压系统中泵站、电机的选择和液压油的选择，接着又介绍了液压系统的结构和功能特点，并简要接受了其工作原理。济南大学毕业设计- 22 -6 传感器的选择与安装6.1 传感器的选用原则(1) 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高、与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比， 尽员减少从外界引入的干扰信号。（2）频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大 因而频率低的传感器可测信号的频率较低。（3）线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 （4）稳定性。传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器， 或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合， 所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 （5）精度。精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高 10。济南大学毕业设计- 23 -6.2 传感器的选择与安装6.2.1 位移传感器位移传感器选择 MTS 产的传感器。安装方式：一端与拉压作动器缸体相连，另一端与拉压作动器活塞杆相连。6.2.2 角位移传感器角位移传感器选择亦选择 MTS 生产的传感器安装方式：一端与扭转作动器输出轴相连，另一端与扭转作动器缸体相连。 6.2.3 力传感器根据机械工程师手册,传感器选用压电式传感器安装方式：直接与拉压作动器活塞杆相连。6.3 本章小结本章简要介绍了选用传感器的标准和原则，并分别根据需要选择了要使用的传感器，以及传感器的安装。济南大学毕业设计- 24 -7 结论本次设计首先通过对国内外试验机的了解分析，并在此基础上对现有试验机进行了局部的改进和创新。首先本次设计结合当今试验机的发展趋势，从试验机的原理出发，确定了试验机的总体结构，而且对主要的零部件进行了分析和计算，从而保证了试验机的使用寿命。同时，还对局部进行了改进，例如液压夹头的设计，这样可以充分与整个液压系统结果起来，使得总体布局紧凑。 电液伺服控制系统精度高、负荷大、频率响应宽，是本试验机完成基本功能的根本保证。液压系统控制试验机的四大重要部件：拉压作动器、扭转作动器、衡量升降装置、夹头夹紧装置，是本设计的重要体现。 本次设计的一个创新是在一个试验机上可以完成以前在多个试验机上才能完成的任务，这样即可以节省工作量，也可以保证试验的精确性。本次设计的目的也正如此。当然，设计中也有很多缺点和不足，如结构还不够紧