毕业论文-管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计

管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 I 摘 要 本文设计了一套实验装置用来完成管道的初期检测， 模拟水下的恶劣环境提前检测管道的机械性能， 让其能够适应海底的恶劣环境从而更好的工作延长其使用寿命，更好的完成其工作。 本文主要设计了该实验装置的弯矩加载结构部分，此部分主要包括夹紧装置，操作台，以及加载装置等，通过这三个主要部分能够实现对管道加载来模拟海底恶劣环境的实验目的并提供有关数据。 该结构主要采用了关节式的机械手臂作为加载装置，通过操作台的控制调整机械手臂的运动，通过液压杆的伸缩来调节手臂的位置，使机械手臂能够像人手一样绕铰接轴自由弯曲移动并进行加载。液压系统控制的特点是加载时载荷大，可以有效地控制速度，容易防止过载，较安全，并可以远程控制。经过校核与分析，该实验装置能够完成管道加载实验并得到有效实用价值，能够较好的模拟管道的受载情况，有一定的实际价值。 关键词： 管道检测，弯矩加载，机械实验装置 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 II Abstract This article designed a set of test installation to use for to complete pipelines initial period examination, simulated the submarine adverse circumstance to examine pipelines mechanical property ahead of time, let its be able to adapt the seabed adverse circumstance, thus a better work lengthened its service life, better completed its work. This article has mainly designed this test installation bending moment load structure division, this part mainly includes the clamp, the control desk, as well as the load installment and so on, can realize through these three main parts to the pipeline load simulates the seabed adverse circumstance the experiment goal and provides the related data. This structure mainly used joints-like mechanical arm to take the load installment, through the control desk control adjustment gear arms movement, adjusted arms position through the fluid strut bracings expansion, enabled the mechanical arm to look like the manpower to circle the articulation coupling spindle free bend to move and to carry on the load equally. The hydraulic system controls characteristic is when the load the load is big, may the control speed, the easy overload protection, be effectively safe, and may the remote control. After the examination and the analysis, this test installation can complete the pipeline to load tests and obtains the effective use value, can the good simulation pipelines standing under load situation, have certain actual value. Keywords： Pipeline detection, bending, mechanical loading experiment device 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 III 目 录 第一章 绪 论 .11.1管道弯矩加载技术的发展 .11.2管道弯矩加载技术的研究现状 .21.3管道弯矩加载技术的应用前景 .41.4检测技术的原理 .6第二章 管道弯矩加载结构总体设计 .92.1弯加载装置的总体结构设计 .92.2弯加载装置的夹紧装置设计 .92.3弯加载装置的加载装置设计 .102.4机体基本结构设计 .112.5几种典型的机械试验加载装置 .122.5.1 拉伸实验装置结构 .122.5.2 扭矩实验装置结构 .132.5.3 大型电液伺服疲劳试验机 .142.6管道弯矩加载装置结构设计时的关键问题 .152.6.1 液压系统的问题 .152.6.2 可靠性问题 .152.6.3 速度及位置识别 .15第三章 弯矩加载装置的机械结构设计 .173.1液压传动系统的设计 .173.1.1 液压系统设计参数 .173.1.2 液压执行元件载荷力和载荷转矩计算 .173.1.3 液压马达载荷转矩计算 .173.1.4 液压系统主要参数计算 .173.1.5 液压元件的选择 .183.2电机的选择 .193.3机械手臂的设计 .203.3.1 大臂 .203.3.2 小臂 .22第四章 三维造型的设计 .24第五章 弯矩加载装置结构的稳定性分析 .29管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 IV 5.1机械手臂的连杆机构的传动比 .295.2机械手臂大臂的校核 .295.3小臂受力分析 .315.4滑动轴承的分析 .335.5主要铰接轴的分析 .36第六章 经济技术分析报告 .38第七章 结论与展望 .39一、 取得的成果 .39二、存在的问题和日后需要进一步研究的方向 .39参考文献 .41致 谢 .43声 明 .44管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 1 第一章 绪 论 1.1 管道弯矩加载技术的发展 管道弯矩加载装置是一种模拟深海管道受到各种恶劣环境的一种模拟装置，它是由夹紧装置，液压控制的机械手臂，电机等部分组成的。主要用机械手臂对管道进行加载来模拟受到的外在力而使管道变弯， 其意义是在管道投入使用之前进行检测的一种实验装置， 或者可以进行一些管道加载实验。 在管道投入使用前，我们所能做的就是尽量让它适应其工作的恶劣环境， 从而增强其使用周期和安全性，加强其工作效率。随着石油，化工等工业的快速发展，该实验装置也将受到广泛的应用。 管道作为大量输送石油、 气体等能源的安全经济的运输手段在世界各地得到了广泛应用。 同时,管道的维护管理, 防止泄漏,保证管道安全运行已成为重要课题。 近年来,美国运输部制定了用于管道检查诊断的清管器的法规,促进了清管器的开发与应用。 使用清管器的在线检测法已在世界各地有许多应用实例, 并取得很大成绩。 长输油气管道运行过程中通常受到来自内、外两个环境的腐蚀，内腐蚀主要由输送介质、管内积液、污物以及管道内应力等联合作用形成；外腐蚀通常因涂层破坏、失效产生。内腐蚀一般采用情管、加缓蚀剂等手段来处理，近年来随着管道业主对管道运行管理的加强以及对输送介质的严格要求， 内腐蚀在很大程度上得到了控制。目前国内外长输油气管道腐蚀控制主要发展方向是在外防腐方面，因而管道检测也重点针对因外腐蚀造成的涂层缺陷及管道缺陷。 近年来，随着计算机技术的广泛普及和应用，国内外检测技术都得到了迅猛发展，管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术（涂层检测、智能检测）两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀，管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷的目的，对于目前大多数布局北内检测条件的管道是十分有效的。管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷，也可间接判断涂层的完好性。 试验机是测试、评定和研究材料、零部件、整机（整车）和各类工项目的物理性能、机械（力学）性能、工艺性能、安全性能、舒适性能的试验仪器和设备， 是科学仪器众多种类中很重要的一类测试仪器。 试验机对材料及其制成品、零部件、整机（整车） 、工程项目的性能检测和管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 2 试验、质量控制和质量保证起着不可替代的作用；对各类工程科学理论研究和工程项目的实施起着极其重要的保障作用；多数试验机产品还属于计量器具，对保证和维持我国长度、值、硬度量值的准确和溯源具有举足轻重的作用。 长期以来， 试验机作为很重要的一类科学仪器， 被广泛地应用于冶金、 建筑、航天、航空、机械、交通、国防军工、水利、电力、石油、化工、轻工、纺织等行业的国家重点实验室、工业实验室、计量室、质检机构和制造业的生产线及各类工程现场。科研院所、大专院校、质检计量机构、各类企业构成了试验机的用户群。 1.2 管道弯矩加载技术的研究现状 海底管道作为海上油气运输的大动脉， 正日益发挥着越来越重要的作用， 但因环境及其他因素导致的海底管道设计使用寿命缩短和其他安全问题， 也日渐突出 , 引起业内的高度关注。影响海底管道使用寿命和日常安全的因素主要来自两个方面 : 环境因素和人为因素。环境因素主要包括腐蚀和有机物损坏、波浪或潮流形成的冲刷和悬空 , 波浪的水动力、沉积物液化产生的浮力、飓风等。影响海底管道寿命的主要因素 :1.波浪或潮流形成的冲刷和悬空及其防范 海底管道在波浪或潮流影响造成的冲刷和悬空隐患。 当波浪或潮流冲到海管上时，如果其诱发速度超过原来的速度，就会有沉积物的迁移运动。如果埋地管道附近的潮流较强，而海底条件宜于冲刷，这样，管道上的覆盖层易被冲掉，管道失去上层覆盖物压力的作用和土壤的抗剪力， 就会暴露在海水波浪冲击的动态作用下。 如果这段海管海床是由可冲刷携带物组成的， 沉积物的动态平衡就会不稳定 ,也会有沉积物被冲走或淤积现象，当暴风雨来临时，冲刷作用使管道裸露部分受到很大的水平拖曳力和惯性力，导致管道损坏或强行跳出以前的管沟甚至断裂。在冲刷严重的地方，管道基础被淘空，其间距可能超过设计悬空高度，出现使管道断裂的应力，或产生振荡力使其疲劳损坏。管道悬空引起的主要事故有：波浪或潮流引起的拖曳力导致悬空管道沿水平方向位移断裂或由悬空管道自重作用造成断裂。 2波浪的水动力冲刷及其防范 海底管道必须有足够的水平和垂直方向上的稳定性， 以抵抗各种环境力和冲管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 3 击力。在管道的受力中，重力荷载和环境力是两个重要因素。重力载荷包括管道自重、防腐涂层、混凝土或钢管涂层以及管内介质的重量等；环境力包括 :暴风雨或飓风导致波浪对海底构筑物形成涡流引起的各种力， 这些力对管道的危害程度 , 取决于暴风雨的强烈程度、管道方位、水深和海底海床的特性。 波浪力对海底管道的影响较大，尤其是在浅水区域，其危害性更大，波浪力的合力由独立速度分量 (拖曳力 )和加速度分量 (惯性力 )组成，其拖曳力系数和惯性力系数随受力物的外形、流态、管道的埋深等因素的变化而异。据有关试验表明，一条直径为 508 mm 的海底管道 ,其全部裸露于海床上所受到的拖曳力要比同样管径裸露出 25%时的拖曳力大 5 倍。 在潮流的作用下，海底管道会向另一个方向做同样的运动，另一方向上的沉积物又会沉积其下，如此往复管道逐渐被抬高，直至管沟被填满，最终暴露在海床上 , 在波浪力的作用下受到损坏。 3.由于沉积物的液化而产生的浮力及其防范 管道的稳定性取决于所受各种作用力的大小，主要有：自重和管内流体引起的重力、浮力、覆盖土层的重量和剪切力等。管道覆盖土层的重量和其表面抗剪力强度对管道埋地有锚固作用，当覆盖层稳定时，管道周围土壤未被液化，浮力对管道影响不大；当覆盖土层液化或裸露、悬空时，浮力会导致管道受到危害、断裂或浮出海床。有关试验资料表明，如果覆盖土层采用原土回填或埋在松软的土质内，在重复出现的周期性波浪力的冲击作用下，海水会顺土壤孔隙渗漏到覆盖土层内， 使原土液化，从而使覆盖土层的有效抗剪力强度降为零，故一旦管道的比重小于其浮力，管道就会从管沟浮出海床，裸露或呈漂浮态，在水动力的影响下受到损坏。同时管道频繁的外界扰动或振动也会使回填管沟周围土壤液化，发生漂浮。 4. 飓风及其防范 绝大多数管道事故是波浪和潮流长期冲击的结果，飓风会诱发风、波浪、潮汐和海潮的急剧变化，从而引起水下管道、立管的位移和破坏，造成极大的经济损失，飓风可使管道沿海床发生横向位移，也可使管道沿轴向损坏平台。为了避免或减少飓风损失，通常可从以下途径加强管道的安全可靠性： (1)严格按设计要求施工、检验，确保管道埋深在设计深度，尽量避免管道裸露或悬空； (2)加强对裸露或悬空管道的常检查，对存在的问题或隐患要及时解决和治理； (3)增大设计强度，如增大管道的壁厚，选用良好材质的材料等； (4)根据管道所受浮力大小，合理调整管道自重； (5)在飓风或其他风暴潮来临前，通过锚链等措施管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 4 提前固定悬空管道。 从以上分析可以看出， 环境因素对海底管道的影响普遍存在 ,不可避免， 但通过对海洋环境不断深入的了解和不断提高人为控制海底管道设计施工等的水平，可以不断地削弱环境因素对海底管道损坏的影响，从而提高管道的安全使用寿命。 1.3 管道弯矩加载技术的应用前景 试验机是测试、评定和研究材料、零部件、整机（整车）和各类工项目的物理性能、机械（力学） 性能、工艺性能、安全性能、舒适性能的试验仪器和设备，是科学仪器众多种类中很重要的一类测试仪器。 试验机对材料及其制成品、零部件、整机（整车） 、工程项目的性能检测和试验、质量控制和质量保证起着不可替代的作用；对各类工程科学理论研究和工程项目的实施起着极其重要的保障作用；多数试验机产品还属于计量器具，对保证和维持我国长度、值、硬度量值的准确和溯源具有举足轻重的作用。 长期以来， 试验机作为很重要的一类科学仪器， 被广泛地应用于冶金、 建筑、航天、航空、机械、交通、国防军工、水利、电力、石油、化工、轻工、纺织等行业的国家重点实验室、工业实验室、计量室、质检机构和制造业的生产线及各类工程现场。科研院所、大专院校、质检计量机构、各类企业构成了试验机的用户群。 对试验机制造企业而言，未来 10 年 20 年的发展关键取决于企业的自主创新能力的提升。 试验机制造企业自身R&D的战略目标、 科技人员和科研经费的投入、科研手段的配备与提升必须落实。 没有自主创新的独特技术就没有高端产品市场的话语权。在研究R&D战略目标时，应注意解决好当前制约行业技术发展的几个问题： 变形测量技术是试验机行业技术发展的基础技术之一。 国外一些同行在变形测量技术的研发上已经取得了新的明显的进展。 试验机行业应尽快在非接触式变形测量技术和全自动变形测量技术上有所突破， 这对促进试验机行业的技术发展是非常有意义的； 进一步提高动静态力学性能试验机控制器的技术性能，使其数据采集、处理系统、闭环控制系统的性能完全达到或超过国外同类产品的性能，同时提高产品的工艺水平，保证整机的可靠性达到国外同类产品的水平； 充分重视并投入大量的人力、资金，大力加强试验机应用软件的开发、升级、创新，使国产应用软件的结构更加合理，功能更加强大，操作更加方便，改版升级更加快捷，加快缩短同国外试验机应用软件的差距； 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 5 重视并加大试验机夹具、附件的开发力度，增加品种，扩大、延伸试验机的功能； 加快多通道力学性能动静态试验系统和多 自由度实际工况模拟试验系统的开发创新步伐，加大开发创新的力度，增加国产高档试验仪器品种，提高国产高档试验仪器的市场占有率。在此进程中，要注重解决好研发高档试验仪器所需解决的一些关键基础技术和基础部件的制造技术问题，如密封技术降噪技术、频响优良的作动器制造技术等等；攻克多自由度（多通道）协调加载控制技术；攻克实际工况信息的采集、处理、再现、模拟（仿真）技术；开发所需结构合理、功能强大的控制软件和开放性好的应用软件等等； 参照并跟踪相关国际标准， 开发用于金属硬度和材料参数测量的仪器化压痕试验机、数字化冲击试验机等新产品。参照并跟踪相关国际标准开发新型试验机可能会使试验机制造商获得新的经济增长点； 开发全自动万能试验机等科研和经济建设急需的新产品， 最大限度地满足各类用户的不同需求。应该指出：关注某一行业原材料、产品、工程的性能测试、试验的需求开发专用试验机对制造商来说是非常重要的。 这类专用试验机在一定时期内可能会形成一定的批量。如：用于公路施工的土工沥青试验机、用于建材行业的门窗力学性能试验机等。注重加大对近几年进口量较大产品研发的力度，加快其产业化步伐，有效地降低此类产品的进口量。如：某些试验台、动平衡机等； 加强对制造业零部件、整机整车性能在线检测、试验装置、设备、仪器、系统开发的力度； 加强对各类工程科学理论研究和工程项目性能试验所需的试验装置、设备、系统的开发创新力度，扩大行业的技术服务领域。这将是试验机行业充满生命力的广阔的用武之地； 加强对系统集成创新的认识，采用系统集成创新的方式加快大型、高档、精密测试、试验仪器的研发速度。实践证明，采用国际上已成熟的基础技术、基础部件进行系统集成创新是加快我国高档精密试验仪器开发、 加快试验机行业技术进步的有效途径； 注重采用电气伺服马达（或线性伺服马达）作为动力源的各类新型试验机的研发。尽管这种技术正在发展之中，会有其一定的局限性,但可望能获得省能源、省空间、降低成本、降低噪声、清洁环境、维护简便的效果。 （2） 试验机产品市场的空间还是很大的。多年来，国内市场始终有近50%的份额被进口产品所占有， 国外的市场容量也是很可观的,尤其是发展中国家的市场是很广阔的。这对于有自主创新能力、市场开拓能力、科学管理能力的制造企业管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 6 而言， 是会大有作为的。 （3） 随着市场经济的发展，在有序的竞争中，试验机制造企业的组织结构会产生一些积极的变化。名品会造就一批名企,假冒伪劣产品会使其制造者被淘汰出局，一个适度规模、发展有序的试验机行业会在竞争中形成。可以预测,经过 10 年20 年的努力， 我国试验机行业在技术与产品的发展上可以基本满足国内市场的需求， 并会有批量产品出口， 基本赶上或在某些领域超过发达国家的技术水平。 1.4 检测技术的原理 埋地管道通常采用涂层与电法保护（C P）共同组成的防护系统联合作用进行外腐蚀控制，这2种方法起着一种互补作用：涂层是阴极保护即经济又有效，而阴极保护又使涂层出现针孔或损伤的地方受到控制。 该方法是已被公认的最佳保护办法并已被广泛用于对埋地管道腐蚀的控制。 涂层是保护埋地管道免遭外界腐蚀的第一道防线， 其保护效果直接影响着电法保护电流的工作效率，NACE1993年年会第17号论文指出：“正确涂敷的涂层应该为埋地构件提供99%的保护需求，而余下的1%才由阴极保护提供”。因此要求涂层具有良好的电绝缘性、黏附性、连续性及耐腐蚀性等综合性能，对其完整性的维护是至关重要的。涂层综合性能受许多因素的影响，诸如涂层材料、补口技术、施工质量、腐蚀环境以及管理水平等，并且管道运行一段时间后，涂层综合性能会出现不同程度的下降，表现为老化、龟裂、剥离、破损等状况，管体表面因直接或间接接触空气、土壤而发生腐蚀，如果不能对涂层进行有效的检测、维护，最终将导致管道穿孔、破裂破坏事故。 涂层检测技术是在对管道不开挖的前提下， 采用专用设备在地面非接触性地对涂层综合性能进行检测，科学、准确、经济地对涂层老化及破损缺陷定位，对缺陷大小进行分类统计， 同时针对缺陷大小、 数量进行综合评价并提出整改计划，以指导管道业主对管道涂层状况的掌握，并及实践性维护，保证涂层的完整性及完好性。 国内实施管道外检测技术始于20世纪80年代中期， 检测方法主要包括标准管/地电位检测、皮尔逊（Pearson）涂层绝缘电阻测试、管内电流测试等。检测结果对涂层的总体评价到了重要作用，但在缺陷准确定位、合理指导大修方面尚有较大的差距。近年来，通过世界银行贷款以及与国外管道公司交流，管道外检测设备因价格相对较为便宜，操作较为方便，国外管道外间的技术已广泛应用于国内长输油气管道涂层检测， 目前国内管道外检测技术基本上达到先进发达国家水平，在实际工作中应用较为广泛的外检测技术主要包括：标准管/地电位检测、管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 7 皮尔逊检测、密间距电位测试、多频观众电流测试、直流电为梯度测试。 1.标准管/地点位检测技术（P/S） 该技术主要用于监测阴极保护效果的有效性，采用万用表测试接地CU/CuSO4 电极与管道金属表面某 一点之间的电位，通过电位距离曲线了解电位分布情况，用以区别当前电位与以往电位的差别，还可通过测得的阴极保护电位是否满足标准衡量涂层状况。该法快速、简单，现仍广泛用于管道管理部门对管道涂层及阴极保护日常管理及监测中。 2.皮尔逊监测技术（PS） 该技术是用来找出涂层缺陷和缺陷区域的方法，由于不需阴极保护电流，只需要将发射机的交流信号（1000Hz）加载在管道上，因操作简单、快速曾广泛使用与涂层监测中。但检测结果准确率低，以受外界电流的干扰，不同的土壤和涂层段组都能引起信号的改变，判断是缺陷以及缺陷大小依赖于操作员的经验。 3.密间距电位测试技术（CIS、CIPS） 密间距电位测试（ Close Interval Survey）和密间距极化电位（Close Interval Potential Survey）监测类似于标准管/地电位（P/S）测试法，其本质是管地电位加密测试和加密断电电位测试技术。通过测试阴极保护在管道上的密集电位和密集化电位，确定阴极保护效果的有效性，并可间接找出缺陷位置、大小，反映涂层状况。该方法也有局限性，其准确率较低，其准确率较低，依赖于操作者经验，易受外界干扰，有的读书误差达200300mV。 4.PCM多频管中电流测试 多频管中点留法是监测涂层漏电状况的新技术， 是以管中电流梯度测试法为基础的改进型涂层检测方法。它选用了目前较为先进的PCM仪器，按已知检测间距测出电流量，测定电流梯度的分布，描绘出整个管道的概貌，可快速、经济地找出电流信号漏失较严重的管段，并通过计算机分析评价涂层的状况，再使用PCM 仪器的“A”字架检测地表电位梯度精确定位涂层破点。该方法是与不同规格、材料的管道，可长距离地检测整条管道，受涂层材料、地面环境变化影响较小，适合于复杂地形并可对涂层老化状况评级；可计算出管段涂层面电阻Rg值，对管道涂层划分技术等级，评价管道涂层的状况，提出涂层维护方式。采用专用的耦合线圈，还可对水下管道进行涂层检测。 5.直流电位梯度（DCVG）方法 该方法通过检测流至埋地管道涂层破损部位的阴极保护电流在土壤介质上产生的电位梯度 （即土壤的IR降） 并依据IR降的百分比来计算涂层缺陷的大小，管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 8 其优点在于不受交流电干扰，通过确定电流是流入还是流出管道，还可判断管道是否正遭受到腐蚀。 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 9 第二章 管道弯矩加载结构总体设计 2.1 弯加载装置的总体结构设计 管道弯矩加载总体结构如图2-1所示。该系统由管道夹紧装置，加载手臂和液压系统组成。加在手臂由液压系统控制其伸缩，升降，推动等过程，夹紧装置负责将管道两端夹紧，防止其受推力滑动。系统工作原理：首先用卡盘先将管道卡紧，固定好后，操纵加载机械手臂靠近管道并抓紧，此时液压系统会使机械手臂进行位置调整待手臂完全抓紧管道后，液压系统将使手臂伸长对其进行加载，一直到将管道推断为止。 图 2-1 管道弯矩加载装置结构总体方案 2.2 弯加载装置的夹紧装置设计 根据设计的具体要求和实现此试验装置的工作目的， 要将被加载的管道进行两端固定，本设计将采用工业机械加工车床的夹紧装置进行加固，在这里我选择用三爪卡盘进行夹紧。 在这里最重要的是夹紧后，管道的两端轴线必须是在同一水平线上的，如果不在一条直线上，那么这样加载后的数据可能会和真实结果又很大出入。 本次设计夹紧装置选择三爪卡盘是因为考虑到海底管道会有不同的公称直径，所以将会采用三爪卡盘作为紧固件，这样可以通过调节卡尺来调节所夹管件的公称直径，便于一机多用。并且三爪卡盘便于调节管道的轴线，这也能够是管道两端的同轴度精度大大提高。三爪卡盘使用用伏打扳手旋转锥齿轮，锥齿轮带管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 10 动平面矩形螺纹，然后带动三爪向心运动，因为平面矩形螺纹的螺距相等，所以三爪运动距离相等，有自动定心的作用。所以本次设计的夹紧结构最终将采用三爪卡盘来完成对管件的夹紧作用。 2.3 弯加载装置的加载装置设计 考虑到管道较长，限于机械手臂与操作台的链接和安装尺寸，我们选择设计了一个滑轨，这样方便操作台带动机械手臂移动，并可任意移动到我们想加载的地方。 操作台欲在滑轨上进行平稳、可靠的启停、行走，必须满足形封闭、力封闭和有足够的驱动力等三个条件。 因此， 滑轨本体设计过程需要考虑如下因素： （1）较大的承载能力； （2）较高和均匀的移动速度； （3）较好的弯管通过性； （4）机构具有较好的柔性。 综合轮式驱动、履带式驱动、腿式驱动、电磁式驱动等不同结构的优缺点，以及简单性和实用性特点， 最后确定采用轮式驱动结构。 轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构的设计，可以适应操作台在滑轨上自由移动，方便快捷，速度平稳。因此采取适当的结构，可以实现在操作台在滑轨上移动。而且轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。 本设计采用了轮式结构驱动操作台做直线往复运动，这种结构简单方便迅速，甚至不需要用电机驱动就可以随人的推动而自由移动，大大节省了时间和能耗。 下图2-2为轮式驱动的机械零件： 图2-2 轮式驱动的轮子 由于对管道进行加载需要很大的载荷，而且要保证加载时的载荷多样的，有平稳的加载的，还有快速加载的介于考虑这两种因素，我们将设计由液压系统操控，这样机械手臂的传动有固定的特性，而且液压系统容易进行无级变速，变速管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 11 范围广，即能在很宽的范围内很容易地调节力与转矩；控制性能好，即力、速度、位置等能以很高的响应速度正确地进行控制。另外，对于电气，机械等其它的控制方式具有很好地适应性，特别是和电气信号处理相结合，可得到优良的响应特性；动作可靠，操作性能好；结构和特性上具有适度的柔性；可以用标准元件构成实现任意复杂机能的回路。 液压回路的基本机能在于以液体压力能的形式进行容易控制的能量传递。从能量传递方面看： 液压技术大致处于机械式能量传递和电气式能量传递之中间位置。 使用液压系统作为传动的优势 （1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 （2）重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 （3）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1） 。 （4）可自动实现过载保护。 （5）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。 （6）很容易实现直线运动。 （7）很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，而且可以实现遥控。 下图2-3为机械手臂模型： 图2-3 机械手臂模型 下图 2-4 为管道加载装置的整体设计 ： 其中包括滑轨，操作台，机械手臂，液压杆件滚轮等。 2.4 机体基本结构设计 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构的总体设计就是夹紧装置的设计管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 12 和加载机构的设计，前面我们已经分析了夹紧装置的设计要求及设计模型，主要还是参考机床的夹紧装置的设计，从中也吸取了不少有用的东西；而加载结构我 图 2-4 机械手臂模型 主要参考了挖掘机的手臂设计原理，模拟了人手推拉东西的结构机理,设计了一个长臂和一个短臂，并用液压杆件通过液压系统来控制其升降并对管道进行加载。 前面已经确定了加载装置的结构设计，由于蜗轮的特殊齿形，不能直接传动车轮使操作台移动，要加工一个与蜗轮啮合的齿轮，难度是非常大的，而且这样的啮合肯定会使操作台行走起来产生较大的波动，这样蜗轮的磨损会增加，大大缩短蜗轮的寿命。因此本文提出一种滚轮的基本结构，这样可以加快操作它快速移动，可以用电机控制还可以手动控制，有利于减少能耗。为了能够支撑起操作台在滑轨上快捷移动，我在操作台底部设计了两排滚轮，每排5个，这样有效地增加了操作台与滑轨的有效间接接触，增强了滑轮的使用寿命，也能更好的完成其使用目的。减少了对滚轮的磨损，不会对操作台产生较大波动，有利于平稳操作操作台的行进。 2.5 几种典型的机械试验加载装置 2.5.1 拉伸实验装置结构 WDW-50微机控制电子万能试验机采用先进设计理念，外形美观、操作方便、性能稳定可靠。计算机通过全数字控制系统（PCI 卡） 、直接控制交流伺服调速系统及交流伺服电机转动， 交流伺服电机转速经减速系统减速后传递给精密滚珠丝杠副实现横梁上升、下降、试验等动作，完成试样的拉伸、压缩等力学性能试验。 试验机专业软件实现自动求取弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂强度、管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 13 试样延伸率、减震系统的刚度、定力求变形、定变形求力等数据和指标，可满足恒位移、恒应力、恒变形的闭环控制方式、试验过程可标准要求编程控制。计算机控制系统对试验过程的控制和数据处理符合相应金属材料与非金属材料国家标准的要求、试验报告多样化如WORD、EXECEL等方式。 本机无污染、噪音低，效率高，具有较宽的调速范围。本机适用于各种金属、非金属及复合材料的力学性能指标的测试，完全符合国家相关标准的要求。该机广泛应用于建筑建材、航空航天、机械制造、电线电缆、橡胶塑料、汽车制造、减震系统等行业的材料检验分析， 是科研院校、 大专院校、 工矿企业、 技术监 督、商检仲裁等部门的理想测试设备。 2.5.2 扭矩实验装置结构 CTT1000电子扭转试验机是电子技术与机械传动相结合的新型材料试验机，它具有宽广准确的加载速度和测力范围，对载荷、变形、位移的测量有较高的精度和灵敏度，还可以进行等速加载、等速位移的自动控制试验。该系列机型主要适用于扭矩低于3000Nm的金属材料扭转试验。 本系列试验机适用于金属材料、非金属材料、复合材料以及构件的扭转性能测试试验。 此试验机的主要特点： （1）采用高速DSP平台，其高集成度、强大的控制、数据处理能力、高可靠性，是采用其它处理器的试验机所无法比拟的。 （2）可进行扭矩、扭角等速率控制及保持。 （6）USB1.1通讯，通讯速率为12Mb/s，采用全速模式，批量传输方式。 （7）系统板采 用4层PCB独特抗干扰布线方法，抗干扰能力强。 （8）除电源接口外，其它接口一律采用标准 USB 式接口，即插即用接口此种接口可实现热插拔，即具有即插即用功能。接口特性可由软件在线设置。使得各接口布局工整合理，插拔方便。 (9) 整个控制系统具有很高的性价比、高可靠性。 (10)该电子扭转试验机采用微机控制全试 验过程，实时动态显示扭矩、扭角、标距扭角、扭转速度和试验曲线。 (11) 采用微机进行数据处理分析，试验结果可自动保存，试验结束后可重新调出试验曲线，通过曲线遍历重现试验过程，或进行曲线比较、曲线放大。 (12)全中文的 Windows 平台下的试验软件，具有很强的数据和图形处理功能， 管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 14 可即时打印出完整的试验报告和试验曲线。 (13)具备完善的超载保护、急停等安全保护功能。 下图为CTT1000电子扭转试验机结构： 图 2-4 CTT1000 电子扭转试验机 2.5.3 大型电液伺服疲劳试验机 图 2-5 大型电液伺服疲劳试验机 最早的静态试验机是机械式，如英国早在 1880 年已生产了杠杆重锤式材料试验机,在1908年又生产了螺母、螺杆加载的万能试验机（电子万能试验机的雏 形） ，这些试验机可进行材料的拉伸、压缩、弯曲和扭转等验，约在90年前，瑞士 Amsler 公司开发了液压万能试验机，这种试验机较机械式操作简便、输出力大、结构简单、体积紧凑，能完成材料的各种静态力学性能试验。 仅仅了解材料的静态力学性能是远远不够的， 在现实生活中大部分的破坏是因为疲劳破坏。根据国外统计，失效的机器零件中50%-90%为疲劳破坏。因此许多发达国家非常重视对疲劳强度的研究。机器上装备了高精度位移传感器，适合多种试验（从静态到动态） ，有很好的抗疲劳可靠性，精确性和可重复性。 从上述的几种机械加载实验装置中我们可以获得一些启发， 首先我们所设计管道综合机械性能实验装置弯矩加载结构设计 15 的弯矩加载实验装置应该