简易拉压试验机的设计【含6张CAD图纸、说明书】【GC系列】
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含6张CAD图纸、说明书
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目 录前言.31.概论.51.1拉压试验机的用途与作用.51.2 拉压试验机的历史、现状及发展趋势.51.3 拉压试验机方案的选择.72 .液压缸的设计.82.1 设计步骤.82.2 主要参数的确定.82.2.1 液压缸的工作压力.82.2.2 缸筒内径.92.2.3 活塞扦直径.112.3 液压缸的结构设计.122.3.1 缸筒.122.3.2 缸盖.222.3.3 活塞.222.3.4 活塞杆.252.3.5 导向套.322.3.6 密封和防尘.342.3.7 排气装置.362.3.8 油口尺寸.373. 试验机横梁的设计.383.1 材料选择.383.2 机构设计.394简易夹具设计.404.1 夹具的结构设计.404.2 夹具设计计算.414.3 夹具选材.414.4 夹具的校核计算.425.底座的设计.435.1 底座的选材.435.2 结构设计.446.支柱的设计计算.466.1 受力分析.466.2 支柱最小直径的计算.466.2.1 强度设计计算.476.2.2 稳定性校核.487.单片机应用系统设计.517.1 单片机选型.517.2 控制系统结构.517.3 双单片机系统设计.517.4触摸屏控制原理及软件流程.527.5 液晶显示器控制接口及软件流程.537.6 系统控制软件主流程.55总结.56致谢.57参考文献.58前言纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！作为一个机械设计制造及其自动化专业的本科生，我想大家都深深理解这句话的含义！我们毕业设计的意义也在于此。毕业设计是学生完成大学教学计划所规定的全部基础课和专业课后，综合运用所学的知识，与实践相结合的重要实践性教学环节。它是大学生活的最后一个里程碑，是培养学生综合运用知识的能力，培养学生专业工作能力，提高学生综合素质的重要手段，是对自己大学来所学到的知识的一次总结和应用。毕业设计成果的质量，也是学生毕业资格认定的一个重要依据，是对学校人才培养效果的全面检验，是学校教育教学质量评价的重要内容。毕业设计的主要目的是：（1）培养学生综合运用和巩固扩展所学知识，提高理论联系实际的能力；（2）培养学生收集、阅读、分析和运用各种资料，手册等科技文献的能力；（3）使学生更加熟练的运用AUTO CAD、Word 等计算机办公软件，提高计算机辅助设计的能力；（4）培养学生学习语言表达和撰写科技报告（论文）的能力；（5）培养学生的效益意识、全局观念和团队协作精神。毕业设计教学基本要求主要是通过毕业设计，将思想道德素质教育、业务素质教育、文化素质教育溶于一体，注重学生素质的全面提高，以达到培养目标的基本要求；注重培养学生严肃认真的工作态度、勤奋钻研的优良学风和独立工作能力；注重开发学生的创新精神和创造能力，实现毕业设计的教学目的。在此次设计中我所选择的毕业设计课题是简易拉压试验机的设计。试验机，广义上说，就是一种产品或材料在投入使用前，对其质量或性能按设计要求进行验证的仪器，属于仪器、仪表行业。拉压试验机是应用最广泛、最常见的实验仪器之一。近年来，随着我国经济技术的快速发展，国家对仪器、仪表行业日益重视，试验机行业得到了快速发展，出现了以三思等为代表的一批企业，结合新兴技术在研究、设计和制造试验机上不断积累经验，进一步开发新产品，以满足国内市场的需要，缩小国际差距，这对于我们来说是非常重要的。 本次设计由我一人完成，由于要求较高，设计环节较多，图书馆及网上与拉压试验机相关的资料比较少，而且我缺乏实际经验，所以在设计中难免有不足和疏漏，恳请各位老师和同学批评指正。在设计过程中，我得到了张教授的悉心指导和耐心讲解，这也是本次设计顺利完成的必要前提，在此向老师表示衷心的感谢。设计参数最大受力负载：F=300KN；最大拉伸距离：l=250mm；试件直径：1020mm；拉压速度范围：0190mm/min。1概论“仪器仪表对于科研和工业生产往往被看作配角，而实际上早已成为中国科技发展和提升工业产品质量举足轻重的核心组成部分。许多事实证明，中国科技实力与经济发展的咽喉被卡在仪器仪表这一关口上” 王大珩院士拉压试验机是一种常用的试验仪器设备，广泛应用于院校、研究所、工厂企业等。1.1 拉压试验机的用途与作用拉压试验机是对材料、零件和构件进行机械性能和工艺性试验的设备。产品好坏，除了从结构设计、加工工艺、处理规范诸方面去考虑以外，合理选择材料也是一个重要方面，例如金属、非金属、各种新型的高温合金、高分子化合物及复合材料等要达到物尽其用，就必须知道材料的性能；在研究新材料、新工艺，也需测定材料的机械性能；对新型机器或设备的受力部件，特别是大型构件（如桥梁、船体等）有时还需进行整机试验，以考虑所用材料及工艺设计是否合理等，都需要各种专门的材料试验机来测量相关参数。材料受载后表现出弹性、塑性、断裂三个变型过程，并且在各个过程已有相关技术标准（规范）规定出相关性能的技术指标，这些性能指标的具体测定必须在试验机上来完成。拉压试验机的功能和计量特性指标是否满足预期使用要求，是材料机械性能试验的关键。拉压试验机不仅是研究材料机械性能理论的基本手段和依据，也是企业、事业单位目前生产检验的基本手段之一。总之，拉压试验机为合理利用原材料、降低消耗、节约资金、保障安全生产起到保障作用，同国家经济建设、国防建设、科学研究及人民生活都有密切关系，并随着他们的发展，试验机也必将得到发展。1.2 拉压试验机的历史、现状及发展趋势拉压试验机的发展是与试验机行业的发展分不开的，它随着这个试验机行业的发展而不断进步。我国计量检测事业的历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，中华人民共和国成立后，党和政府十分重视计量检测技术的发展，采取了许多重要措施来发展仪器仪表工业。经过五十多年的努力，我国材料试验机的制造，从无到有、从小到大，从单参数到多参数，从静态到动态，逐步发展成初具规模，具有能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设的发展。在九十年代以前，计划经济时代，国内的试验机企业以国营体制为主，各企业间不存在什么竞争，所以国内试验机企业的进步是比较缓慢的，同国外试验机行业相比差距较大。二十世纪九十年代初，我国实行了市场经济，众多民营企业应运而生。试验机制造行业也和其它行业一样，民营企业登上了试验机行业的舞台。近几年，随着国内试验机民营企业的不断做强做大，国有企业的改制，中国的试验机行业由原来以国有企业为主逐步演变为以民营企业唱主角的时代。长期以来，试验机也一直是欧美对我国尖端科研课题限制出口的产品。我国的国防科技工业和其它部门的科研院所不能直接进口某些关键材料试验的仪器设备。所以，要发展中国的试验机产业，就必须走自主创新的道路。在新三思集团公司为首的中国试验机民营企业的不断努力下，中国试验机的技术水平得到了长足的进步，国内与国外的试验机技术水平的差距正在逐步的缩小。材料拉压试验机按照加载方式与控制方式区分，有三代产品:机械式加载试验机，液压式加载试验机，微机控制的电控试验机。前两代产品基本上是人控方式，不妨称为传统试验机。（1） 机械式加载试验机，主要是普通电动机、齿丝杠式传动加载及重锤杠杆式加载。其缺点是调整、控制加载速率十分困难，而且要求试验机承力结构抵抗变形的刚度很大。（2） 液压式加载试验机使人工调整、控制加载速率变得较为容易，加载能力也得到极大加强，而且对试验机结构刚度要求下降，特别是易于实现双向、二向加载，这是机械加载方式难以实现的。（3） 微机控制的电控试验机是在普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载的基础上改以采用便于自动控制的伺服电机，或者在液压加载方式的基础上采用电液伺服阀或比例阀，配上微机控制的自动控制系统及显示系统使得试验机的性能发生了革命性的变化，可以实现稳定的恒加载速率和稳定的恒变形速率；传统试验机度量力的大小基本上靠杠杆平衡原理，其受力精度依赖硅码的精度及杠杆系统的精度，而微机控制的电控试验机则利用力传感器作为力的测量装置，通过力传感器及相应电子放大线路则可以做到力的示值相对误差保持不变并通过提高力传感器及相应电子放大线路的质量极大提高了测力精度，微机的使用，使得显示数据、曲线变得更加容易，通过软件还可以对数据进行处理。这是X-Y记录仪所做不到的。另外利用微机的外设打印机可以极为容易地打出测试报告。因为考虑加载速率、变形速率对金属材料力学性能的影响，国际上通行的与我国现行的金属材料拉伸试验规范中都对这两者做出较为严格的规定。按照规定传统试验机因无法达到要求应属淘汰之列。但基于我国的试验机保有量和更新的经济承受力，现经过几年的更新过程，传统试验机正在逐步消失。目前计算机控制的电控试验机使用越来越广泛，尤其是科研单位、重点高校，已基本淘汰传统试验机展望材料试验机的发展趋势，几个问题值得思考：（1）加载平台不单单考虑单项加载，还要考虑双向、三向加载。液压式加载微机控制的电控试验机发展空间很大。（2） 在加载过程中试件上、下两端受力及位移等条件是不对称的，往往造成断口向一端偏移，为了解决此问题，使试件两端条件对称，要求两端同时同样产生位移，可采用液压式加载，双加力油缸。（3）微机控制的电控试验机是一种精密的自动控制测试设备，价格也较昂贵。因此进一步提高其可靠性、降低其维护费用、延长其某些配件的使用寿命成为试验机生产厂家必须考虑的问题。（4）试验机只是加载测试平台，为了利用好这个平台必须发展更先进的测试手段。从工程应用与发展理论来看，测试含有微裂纹试件的力学性能非常重要，尤其是通过测试过程揭示微裂纹发展、扩大，直至试件断裂的力学规律。最理想的方法是能够在加载条件下，三维显示微裂纹附近的应力、应变场及其随时间的演化过程，就像医学上的影像扫描技术一样，随着外载的变化，把试件内部应力、应变场随时扫描记录下来。1.3 拉压试验机方案的选择材料拉压试验机是分析材料或构件机械性能的基本设备，将材料试样或构件经实验机夹具固定后，对其施加轴向载荷，记录加载过程中承受载荷与产生变形的相关数据，可完成材料或构件多项机械性能的分析、检测。根据试验机传动形式的不同可分为：机械式（螺杆传动），液压式和电子式。机械式属于早期试验机的传动形式，现在已经逐步被淘汰掉。目前的拉压材料实验机主要有电子式及液压式两种主流类型，其中电子式拉压材料实验机采用计算机完成加载控制、数据采集及测试内容分析、功能齐全、自动化程度高，但存在价格昂贵、维护困难等问题。一般较多的应用于专业测试、研究领域，无法得到普及应用。液压式拉压材料实验机作为传统机型，采用液压缸进行传动，传动平稳，振动小，可实现大负载材料的拉压试验，普遍使用指针或数字仪表显示检测数据，造价相对较低，但存在测量精度差，整体性能单一，不具备数据存储，分析功能等缺陷，不利于对材料或构件的特性做详尽、深入的测试与分析。鉴于该现状，综合考虑各项因素，设计了一种结构简单的拉压材料实验机，由单片机完成载荷，变形信号的自动采集、智能分析和相关数据处理通过图形点阵式液晶显示器及四线电阻式触摸屏作为人机对话接口，具备实验参数选择，实时绘制载荷、变形曲线、实验数据存储、检测结果分析及实验曲线、数据遍历等测试分析功能。是介于电子式与液压式之间的一种全新的实验机类型、综合性能价格比高、具有良好的发展和应用前景。2 .液压缸的设计液压缸是将液压能转换为机械能的一种执行元件，主要用于要求实现住复直线运动或往复摆动的场合。液压缸按其结构形式，可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸、柱塞缸实现往复运动，输出力和速度；摆动缸实现小于360度的往复摆动，输出转矩和角速度。液压缸除单个使用外，还可以几个组合起来或与其它机构组合起来，以完成特殊的功用。液压缸的基本原始资料是液压缸负载值、负载运动速度、行程值、液压缸的结构形式及安装要求等液压缸的设计计算主要是确定液压缸的结构尺寸确定液压缸的使用压力和流量，并对液压缸的零部件进行强度校核和性能验算等。根据试验机的基本要求可知本试验机用液压缸的基本原始资料：液压缸的最大负载值F=300KN；负载时的压向速度=0130mm/min；活塞行程s=250mm。2.1 设计步骤（1）液压缸的工况特点，选择液压缸的类型和安装方式。本次设计的液压缸主要用于简易拉压试验机，对试件提供拉力和压力，选取双作用单活塞杆式液压缸，采用法兰安装。 （2）根据动力和运动分析，确定主要尺寸参数。液压缸固定，活塞带动活塞杆对外做工，做垂直往复运动，受到外在负荷力、摩擦力等。（3）设计主要零部件的结构。主要零部件为：缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、等。（4）液压缸的性能验算。2.2 主要参数的确定液压缸的主要尺寸参数包括：液压缸的缸筒内径D，、活塞杆直径d、液压缸行程s等。液压缸的性能参数主要有工作压力和工作速度等。2.2.1 液压缸的工作压力 液压缸的输出力F是由工作压力P和活塞的有效面积A决定，而液压缸的输出速度v是由输入液压缸的流量q和活塞的有效面积A来确定，即 FPA （21） V=q/A （22）由以上两公式可见当液压缸的输出力F一定时，若缸的工作压力P取得大则活塞有效面积A减小，液压缸的结构就紧凑，但液压元件的性能及密封要求也相应提高，若液压缸的工作压力P取得小，则活塞有效面积A就大，缸的结构尺寸增加，要使工作机够得到同样的速度v，就要求有较大的流量q，此时，将使有关的液压泵、阀等液压元件的规格要求相应增大，这就可能导致整个液压传动系统的结构庞大。因此确定液压缸的工作压力P时，要根据设备的工作要求、元件的制造水平等因素综合考虑，有时后者更为重要。表21 各类液压设备常用的工作压力设备类型机 床磨床组合机床车床铣床镗床拉床龙门刨床工作压力/MPa设备类型农业机械汽车工业小型工程机械及辅助机械工程机械重型机械锻压设备液压支架船用系统工作压力/MPa101616321425对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。根据表11初步选取本液压缸的压力大小范围为1632MP。初步选取G56型齿轮泵，额定压力P=25MP，转速v=9004000r/min,排量V=6.4ml/r.2.2.2 缸筒内径根据需要的液压缸的理论输出力F 和系统选定的供油压力P来计算缸筒内径D（m），计算公式如下： （23）式中 F液压缸的理论输出力(N); P供油压力(MPa)。液压缸的理论输出力F，可按下式确定： （24）式中 活塞杆的实际作用力(N)可以取估算负载值的最大值； 负数率，一般取0.5一0.7； 液压缸的总效率。则： （25） 表22 缸筒内径尺寸系列（mm）查液压缸缸筒内径尺寸系列表22(GB/T234893)取标准值D=160mm。2.2.3 活塞杆直径根据速度比的要求来计算活塞杆直径d(mm) （26）式中 D一一缸筒内径(m)；速度比，取1.4 表23 活塞杆外径尺寸系列（mm）由表23选取标准值=90mm。则：实际速度比为 （27） 式中 活塞杆缩入时的速度(m/s)；活塞杆伸出时的速度（m/s）。2.3 液压缸的结构设计2.3.1 缸筒2.3.1.1 主要技术要求（1）有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不会产生水久性变形。（2）有足够的刚度，能承受活塞侧向力和装置的反作月力，而不至于产生弯曲。（3）内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作且磨损极少，几何精度高，确保活塞的密封。（4）采用焊接式结构的缸简，焊接上法兰或管接头后，不应产生裂纹或有过大的变形。（5）在采用铸铁缸筒时，其组织应紧密无渗漏现象。2.3.1.2 结构形式根据需要缸底采用焊接方式，缸盖采用法兰连接。2.3.1.3 材科缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。本液压缸采用45钢，并调质到241285HBS。2.3.1.4 缸筒计算(1)缸筒厚度计算 十十 （28）式中 缸筒材料强度要求的最小值；缸筒外杆公差余量(m)；腐蚀余B(m)。表24 常用缸筒外径尺寸查表24取194mm.则 （2）缸筒厚度验算 对缸筒壁厚需作以下四个方面的验算 额定工作压力 (MPa)应低于一定极限值，以保证工作安全。表25 缸筒常用无缝钢管的材料力学性能由公式： （29）式中 一缸筒材料屈服强度(Mpa)查表25可知，45钢的无缝钢管的材料屈服强度为340Mpa； 缸筒外径(m)； d一缸荷内径(m)； 一额定工作压力(MPa)。由公式（29）可知：安全。为避免塑性变形，额定工作压力应满 (210)式中 缸筒发生完全塑性变形的压力。 (211) 符合要求。缸荷径向变形量应在允许范围内，不得超过密封圈的允许范围。 (212)式中 缸筒径向变形量（m）； 缸筒耐压试验压力（Mpa）；（=1.25=1.2525=31.25MPa）E缸筒材料弹性模量(MPa);（45钢取210Gpa=MPa）材料泊松比，钢材=0.3；由公式（212）可知： 符合要求。缸筒爆裂压力 (M Pa)应远远大于试验压力， （213）式中 缸筒材料的抗拉强度（MPa）; （45钢的为600Mpa）符合要求。(3)缸筒底部厚度选用平形缸底 缸底选为无油孔。则：缸底厚度为 （214）式中 D缸筒内径(m)；最大工作压力(MPa)；缸底材料的许用应力(MPa)，其选用方法与上述缸筒厚度计算相同；缸底厚度(m)；图21 无孔缸底表26 安全系数n由表26 可选n=5 = （214） Mpa =120Mpa则：由公式（214）得取=36mm。（4）缸筒头部与底部的法兰厚度h选用9.8级低碳合金钢、中碳钢，淬火并回火的螺栓进行连接。表27 9.8等级螺栓性能参数性能等级9.8公称抗拉强度度b/MPa900最小抗拉强度bmin/MPa900维氏硬度HV,F98N,min290维氏硬度HV,F98N,max360布氏硬度HBS,F=30D2,min276布氏硬度HBS,F=30D2,max342洛氏硬度HRC,min28洛氏硬度HRC,max37屈服强度s或非比例伸长应力0.2,公称720屈服强度s或非比例伸长应力0.2,min720保证应力Sp,Sp/MPa650保证应力Sp,Sp/s或者Sp/0.20.9冲击吸收功AKV/J min25安全系数由表26可取n=5，由表27取，则选用8个螺钉进行连接： （215）式中 螺栓实际受到的拉力（N）,为了保证联接的紧密性，以防止联接后结合面间产生缝隙，应使预紧力。推荐采用的为：对于有紧密性要求的联接，=（1.51.8）F；对于一般联接，工作载荷稳定时，=（0.20.6）；工作载荷不稳定时，=（0.61.0）；对于地脚螺栓联接，。根据工作状况和联接要求，选取=0.6F。 式中 螺栓危险截面的直径（mm），一般为螺栓的小径；材料的许用应拉应力（MPa）.取标准粗牙六角螺栓M24和螺柱M24做连接件。图22 缸筒头部法兰厚度 （216）式中 F缸筒内压最大时法兰承受的轴向力（N）； 法兰外圆半径m；孔径(m)等同于螺钉外径；法兰材料的许用应力(Mpa)（45钢）;b的含义见图22。 缸筒头部法兰的厚度：m为安全期间，选取头部法兰的厚度为25mm。螺钉安装基圆半径平形缸底法兰盘的厚度： 为安全期间，选取底部法兰的厚度为28mm。底部法兰螺栓的安装基圆半径为：131mm。（5）缸筒联接计算液压缸底采用对焊图23 缸底对焊焊缝的拉应力（MPa）为 （217）式中 F液压缸输出的最大推力（N）；式中 缸筒外径（m）； 焊缝底径（m）取170mm; 焊接效率，通常取=0.7。则：MPa缸筒与法兰采用角焊图24 角焊焊缝的拉应力（MPa）为 （218）式中 h角焊宽度(m)，其余同上。Mpa 2.3.1.5 缸筒加工工艺要求（1）缸筒内径采用H8、H9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈密封时，取0.10.4，当活塞采用活塞环密封时，取0.20.4。且均需珩磨。 （2）缸筒内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值可按8级精度选取。图25 缸筒机加工图（3）缸筒端面T的垂直度公差值可按7级精度选取。（4）为了防止腐蚀和提高寿命，缸筒内表面应镀以厚度为30一40的铬层，镀后进行珩磨或抛光。2.3.2 缸盖 2.3.2.1缸盖的材料 液压缸的缸盖可选用35、45锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT 300、HT350铸铁等材料。2.3.2.2缸盖的加工要求（1）直径d(基本尺寸同缸筒内径D)、 (活塞杆的缓冲孔)、(基本尺寸同活塞杆密封圈的外径)的圆柱度公差值，应按9、10、11级精度选取。（2）的同轴度公差值为0.03mm;（3）端面A、B与直径d轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。图26 缸盖机加工示意图(4)导向孔的表面粗糙度为1.25。2.3.3 活塞2.3.3.1 结构形式 根据活塞密封装置型式来选用其结构形式，而密封装置则按工作压力、环境温度、介质等条件来选定。表28 活塞环密封活塞环密封适用于温度变化范围大，要求摩擦力小、寿命长的活塞的密封。2.3.3.2 活塞与塞杆联接形式活塞与活塞杆的联接形式见表29所示。根据液压缸的工作工况，考虑到经济性等问题，本液压缸的活塞采用常用的联接形式螺纹连接。表29 活塞与活塞杆的联接形式2.3.3.3 材料活塞的材料一般不同于缸筒的材料，尤其是无导向环的活塞。无导向环的活塞：可用耐磨铸铁、灰铸铁(HT300、HT 350)、球墨铸铁等。有导向环的活塞：可用碳素钢20、35、45钢，特殊场合还可用铝合金等。根据实际情况选用耐磨铸铁。2.3.3.4 加工要求图27 活塞示意图（1） 活塞的宽度尺寸，根据密封结构形式活塞环密封。表210 液压缸用活塞环及安装沟槽尺寸（mm）表210 活塞环安装推荐值D/mm额定工作压力/MPa71421351502002003153155003344445545555666根据活塞的工作情况，由表210可知，活塞需要安装6个活塞环，选D=160mm的活塞环，活塞环宽度为B=6mm。则活塞宽度可取为 L=21251066=110mm（2）活塞外径d对内孔径的径向圆跳动公差值，按7、8级精度选取。（3）端面T对内孔轴线的垂直度公差值，按7级精度选取。（4）外径d的圆柱度公差值，按9、10、11级精度选取。2.3.4 活塞杆2.3.4.1 材料实心活塞杆的材料可采用35、45钢，鉴于本活塞杆受力较大选用40Mn2合金结构钢。表211 40Mn2合金结构钢的力学性能40Mn2力学特性抗拉强度b/MPa，885屈服点s/MPa，735断后伸长率5(%)，45冲击吸收功Aku2/J，55断后伸长率5(%)，122.3.4.2 活塞杆结构(1)端部结构 活塞杆的端部包括内端部和外端部。内端部与活塞杆联接、外端部与负载结构件相联接。表212 活塞杆的外端部结构形式及简图 外端部结构形式及尺寸 查表212活塞杆的外端部结构形式及简图。根据拉压试验机的外端部主要用固定家具，选用外螺纹连接。图28 活塞杆螺纹形式表213 螺纹尺寸系列（mm）直径与螺距螺 纹 长 A短 型长 型M30.3569M40.5812M40.7 *812M50.51015M60.751216M61*1216M811220M81.25*1220M101.251422M121.251624M141.51828M161.52232M181.52536（续表）直径与螺距螺 纹 长 A短 型长 型M201.52840M221.53044M2423248M2723654M3024060M3324566M3625072M4225684M4826396M56275112M64385128M72385128M80395140M903106140M1003112M1103112M1254125M1404140M1604160M1804180M2004200M2204220M2506250M2806280注：1.螺纹长度A:对内螺纹，是指最小尺寸；对外螺纹，是指最大尺寸。2.当需要用锁紧螺母时，应采用长型螺纹长度。3.带*号的螺纹尺寸，为汽缸专用。选用M72 的外螺纹连接。图29 外螺纹退刀槽表214 退刀槽尺寸螺距P/mmg2 /mm（max）g1 /mm（min）dg/mmr/mm61811d-93.2 内端部结构形式及尺寸 活塞杆的内端部结构形式见表活塞与活塞杆的联接形式 。图210 活塞杆内段部结构 活塞与活塞杆选为螺纹联接，螺纹退刀槽处为活塞杆的危险截面，其拉应力 (MPa)为 （219）其切应力 (MPa)为 （220）合成应力为 （221）式中 F液压缸的输出拉力（N)，为 P系统工作压力(Pa)；D缸筒内径(m)；d活塞杆直径（m）；K螺纹拧紧系数，静载时取K=1.251.5,动载时取K=2.54;螺纹摩擦因数，一船取=0.12；活塞杆材料的许用应力(MPa)，为一活塞杆材料的屈服强度(MPa)； n安全系数，一般取24。则：MPaMPa 符合要求，安全。(2)杆体结构 活塞杆杆体有实心杆和空心杆两种，股采用实心秆居多，本活塞杆选用实心杆。图211 实心活塞杆2.3.4.3 强度及稳定性验算活塞杆全部伸出时，活塞杆顶端至液压缸支承点之间的距离称为计算长，其值与按装形式有关。表215 末端条件系数根据拉压试验机的工作需要，选用一段固定，一端自由的安装形式。根据计算长度与活塞杆杆径d 的不同比值对活塞杆进行不同项目的验算。(1) 10时，必须进行活塞杆的稳定性校核，尤其当活塞杆受轴向压缩载荷时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作，即 （222）式中 一活塞杆失稳临界负载（N）； 安全系数，取=24。 活寒杆失稳临界负载的值，与活塞杆材料性质、截面形状、直径、计算长度、液压缸的安装方式、负载是否偏心等因素有关。 (2) 10时，属于短行程活塞缸，主要验算拉压强度： （223）式中 F活塞缸的最大推力(N)； 活塞杆直径(m)； 安全系数，24； 活塞杆材料的屈服极限（MPa)。初步估算，活塞缸为短行程活塞缸，暂以短行程活塞缸进行活塞杆的强度验算。则：强度完全符合要求，安全。2.3.4.4 加工要求（1）热处理：粗加工后，调质到硬度为229285 HBS，必要时，再经高额淬火，硬度达4555HRC。（2）表面处理：活塞杆表面须镀铬，厚1525，也有的要求达3050，防腐要求特别高的则要求先镀一层软铬或镍，后镀硬铬，镀后抛光。用于低负载(低活塞速度、低工作压力)和良好环境条件的液压缸，活塞杆可不作表面处理。（3）活塞杆和的圆度公差值，按9、10、11级精度选取。（4）活塞杆的圆柱度公差值，按8级精度选取。（5）活塞杆对的径向圆跳动公差值为0.001mm。（6）端面T的垂直度公差值，应按7级精度选取。（7）活塞杆上的螺纹，一般应按6级精度加工，如果负载较小、机械振动较小时，允许按7、8级精度加工。（8）活塞杆上有联接销孔时，该孔径应按11级精度加工。销孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。（9）活塞杆工作表面的粗糙度一般为，要求高时，活塞杆的直线度公差值为0.02100。2.3.5 导向套导向套是装在液压缸有杆侧的缸盖内，用以对活塞杆导向。导向套的内侧装有密封装置，保证缸筒有杆腔的密封性，外侧装有防尘圈，防止活塞杆内缩时把杂质、灰尘、水分等带到密封装置区。以致破坏密封装置，当导向套不是用耐磨材料制成时，其内还可以装导向环用以对活塞杆导向。表216 导向套的结构导向方式结 构 简 图备 注缸盖导向减少零件数量，装配简单，磨损快。导向方式结 构 简 图备 注导套向套导向普通导向套可利用压力油润滑导向套，并使其处于密封状态。可拆导向套容易拆卸，便于维修。适用于工作条件恶劣、经常更换导向套的场合球面导向套导向套自动调整位置，磨损比较均匀。（1）导向套的材料 导向套常用材料为耐磨铸铁、铸造青铜、聚四氟乙烯、夹布酚醛树酯等。（2）导向套的长度 导向套的长度通常要考虑活塞杆直径、导向套的结构形式、导向套材料的承压能力、最大侧向负载等因素，总长度不宜太长、以减少摩擦阻力。般，当缸筒内径D80mm时，导向套滑动面的长度取(0.61.0)D。当缸筒内径D80mm时，导向套滑动面的长度取(0.61.0) ，其中为活塞杆直径。（3）加工要求 导向套内圆的配合，一般取H8/f9(或H9/f9)；表面粗糙度为。 本液压缸为短行程液压缸，一般不需安装中隔套。2.3.6 密封和防尘（1）活塞与缸筒的密封结构在活塞章节已确定。（2）活塞杆的密封与防尘结构。各密封沟槽的尺寸、公差、粗粮度等数据，按相应的密封圈或防尘圈的要求选取。表217 活塞杆的密封与防尘结构 （续表） 注： 采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取，薄钢片厚度为0.5mm。 当液压缸所驱动的工作部件质量较大，移动速度较大(加大雨0.2m/s)时，由于具有的动量大，以致在行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件的损坏因此，在大型、高速或要求较高的液压缸中，住往要设置缓冲装置，本液压缸的移动速度较低，设计为无缓冲装置。2.3.7 排气装置由于各种原因，液压系统会混入空气，影响运动的平稳性、如活塞低速运动时产牛爬行、启动时造成冲击、换向时降低精度等，因此在没汁液压缸时，必须考虑空气的排除。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将液压缸的油口布置在缸筒两端的最高处，使空气随油液排往油箱，再从油液中逸出。对于速度稳定性要求较高的液压缸(如机床液压缸)和大型液压缸，则需要设置排气装置，如排气塞或排气阀等。图212 排气塞（阀）结构表218 排气塞（阀）零件尺寸 排气塞（阀）通常安装在液压缸的最高处，双作用液压缸应安装两个排气塞(阀)。在系统开始工作前，先打开排气塞(阀)，让活塞全行程空载往复数次(高压系统应将压力降至0.51MPa左右)，把空气排净后，再将排气塞(阀)拧紧关闭。2.3.8 油口尺寸液压缸的进、出油口可布置在缸盖或缸筒上。图213 液压缸进、出口尺寸代号表219 25Mpa系列单杆液压缸安装尺寸（mm）根据缸筒内径D=160mm选取。3. 试验机横梁的设计3.1 材料选择表31 碳素铸钢件铸件的力学性能牌号ZG200-400ZG230-450ZG270-500ZG310-570ZG340-640力学性能(min)屈服强MPa200230270310340抗拉强MPa400450500570640伸长率（%）2522181510断面收缩率（%）4023252118冲击吸收功AKV/J3025221510表32 碳素铸钢件铸件的特性及应用牌号主要特性应用举例ZG200-400有良好的甥性、韧性和焊接性能用于受力不大、要求韧性高的各种机械零件，如机座、变速箱壳体等ZG230-450有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性能良好，加工性尚佳用于受力不大、要求韧性较高的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体、犁柱等ZG270-500有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，加工性佳用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等ZG310-570强度和加工性良好，塑性、韧性较低用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子、机架等ZG340-640有高的强度、硬度和耐磨性，可加工性中等，焊接性较差；铸造时流动性好，但裂纹敏感性较大用于齿轮、棘轮、联结器、叉头等由表比较可知，横梁的材料可选用ZG270-500型号的铸钢。3.2 机构设计图31 横梁示意图横梁的设计采用相似类比设计方法，查取同等负荷级别的拉压试验机横梁的基本设计尺寸，估算本试验机横梁的基本尺寸。长=576mm；宽=116mm；高=150/250mm。横梁与夹具采用螺纹联接，选用M72内螺纹联接。4简易夹具设计夹具设计是工艺准备工作的重要工作之一。夹具设计的质量，直接影响工件的质量、生产率和加工成本，对于试验机来说将影响实验数据的准确性。夹具是由各种不同作用的元件组成。根据这些元件再夹具中所起的作用大体上分以下几类：（1）定位元件起定位作用的元件，夹具中定位元件组合称为定位装置。（2）夹紧元件起夹紧作用的元件，夹具中夹紧作用的组合称为夹紧装置。（3）自动定心元件或装置可同时起定位与夹紧作用的元件或元件的组合。（4）引导元件引导刀具并确定刀具对夹具的相对位置的元件。（5）夹具体用以连接夹具上所有元件和装置，使其成为一个夹具整体的零件。（6）分度元件或装置用于改变工件与刀具的相对位置以获得多个工位的元件或元件组合。（7）靠模元件或装置用来加工型面的元件或元件的组合。（8）动力元件或装置在非手动夹具中用来产生动力部分的装置。（9）其它元件包括与机床连接用的零件、各种连接件、特殊元件以及其它辅助元件等。但并非所有夹具都包括上述各类元件，鉴于本课题是简易拉压试验机的设计，主要面向学校学生的试验，让学生了解试验过程和材料的力学性能，对实验结果的精确度要求不高，所以简易拉压试验机的夹具设计可以满足基本的需要就可。4.1 夹具的结构设计简易夹具的结构如下图： （a） （b） 图41 夹具夹具的基本尺寸详见图纸标注说明。4.2 夹具设计计算 做拉伸试验时，夹具受到的最大拉应力F=236KN，由设计的基本尺寸进行工作应力计算： 4.3 夹具选材选用20CrMnTi合金结构钢渗碳钢，也可做为调质钢使用，淬火+低温回火后，综合力学性能和低温韧度良好的耐磨性和抗弯强度，热处理工艺简单，热加工和冷加工性较好，是应用广泛、用量很大的一种合金结构钢。表41 20CrMnTi的力学特性力学特性最小值抗拉强度1080屈服点850断后伸长率0断面收缩率45冲击吸收功Aku2/J5520CrMnTi的热处理工艺：（1）渗碳处理：850入炉，加热2小时，930保温6小时，随炉冷至室温，出炉；（2）最终热处理：将工件用碳粉覆盖，在550下预热1小时，再装入870高温炉内，加热0.5小时，在20号机械油中淬火，并200回火2小时；（3）硬度值（HRC）：5055。4.4 夹具的校核计算式中 材料的许用应力(MPa)； 强度极限（MPa）； 安全系数，一般取24。 由此可见，夹具在最大拉应力工作条件下是安全的，选材合适。在材料压缩试验时采用垫块。垫块主要受到作用在受压试件上的反向作用力，大小相等，方向相反。根据这点，在垫块的材料选择上，可以选用耐压材料加工成垫块。垫块的材料依然选取20CrMnTi合金结构钢。垫块的结构简图：图42 垫块结构基本尺寸见图纸。5.底座的设计5.1 底座的选材拉压试验机的机座主要承受试验机做压力试验时的压力，承受的拉应力较小，故在选材是可以选取脆性材料，如铸铁等材料。灰铸铁的流动性好、体收缩和线收缩小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高约34倍。吸振性好。弹性模量较低。灰铸铁的铸件形状可以复杂，结构允许不对称。有箱体性、筒性等，可用做发动机的汽缸体、筒套、各种机床床身、底座、平板、平台等铸件。表51灰铸铁的试验力学性能牌号试棒直径最小抗拉强度=MPaHT10030100HT15030150HT20030200HT25030250HT30030300HT35030350HT40030400 （1） HT100（铁素体会铸铁）低强度铸铁，对金相组织及强度无较高要求者；铸造性能好，工艺简便；铸造应力小，不用人工时效处理；减震性优良；用于负荷极低、对摩擦或磨损无特殊要求、变性很小的工作条件。如：盖、外罩、油盘、手轮、手把、支架、底板、重锤等形状简单、不重要的零件；对强度无要求的其他机械结构零件、构件。（2）HT150（铁素体珠光体灰铸铁件）中等强度铸件，基本组织为珠光体+铁素体（20%）。铸造性能好，工艺简单；铸造应力小，不用人工时效；有一定的机械强度及良好的减振性。工作条件：（1）承受中等应力的零件（弯曲应力9.81MPa）；（2）摩擦面积间的单位面积压力0.49Mpa下受磨损的零件；（3）在弱腐蚀介质中工作的零件。应用举例：（1）一般机械制造中的铸件，如：支柱、底座、罩壳、齿轮箱、刀架、刀架座、普通机床床身及其形状复杂、对强度要求不高、不容许有甚大变形又不能进行人工时效处理的零件；（2）滑板、工作台等与较高强度铸铁床身（如HT200）向摩擦的零件；（3）薄壁零件，工作压力不大的管子配件以及壁厚30mm的耐磨轴套等；（4）在纯碱或染料介质中工作的化工零件；（5）圆周速度612m/s的带轮以及其他符合所列条件的零件。（3）HT200HT250（珠光体灰铸铁件）较高强度铸件，基体组织为珠光体。强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性也良好，铸造性能较好，需进行人工时效处理。工作条件：（1）承受较大应力的零件（弯曲应力0.49Mpa；（3）要求一定的气密性或耐弱腐蚀性的介质。应用举例：（1）一般用于机械制造中较为重要的铸件，如：汽缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面等；（2）汽车、拖拉机的汽缸体、汽缸盖、活塞、刹车轮、联轴器盘以及汽油机和柴油机的活塞环；（3）具有测量平面的检验工件，如：划线平板、V形铁、平尺、水平仪框架等；（4）承受7.85Mpa以下中等压力的液压缸、泵体、阀体以及要求有一定耐腐蚀能力的泵壳、容器；（5）圆周速度1220m/s的带轮；（6）需经表面淬火的零件。（4）HT300HT350（孕育铸铁件）高强度、高耐磨性铸件，基本组织为100%珠光体体，属于需要采用孕育处理的铸件。强度高，耐磨性好；白口倾向大，铸造性能差，需进行人工时效处理。工作条件：（1）承受高弯曲应力（2025m/s的带轮以及符合上述工作条件的其他零件。根据上述灰铸铁不同型号的力学特性的分析及工作条件分析，结合拉压试验机的底座的实际工作条件，选定为HT200。5.2 结构设计（a）底座仰视图(b)底座俯视图根据相似类比设计方法，内部采用中空设计，具体尺寸详见图纸说明。6.支柱的设计计算6.1 受力分析支柱主要承受拉试件时的压力和横梁与液压缸的重力或做压缩实验时的轴向拉力： 拉伸试验时受力示意图 压缩试验时受力示意图图61 支柱受力示意图液压缸的输出设计最大压力是300KN，输出的最大拉力是236KN，初步试选用结构钢45钢。6.2 支柱最小直径的计算45钢为塑性材料，是最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。作为选用的支柱材料，根据支柱的受力分析，支柱受到的拉力要大于支柱受到的压力，在设计时需要做支柱的抗拉强度设计计算和压杆稳定性校核。6.2.1 强度设计计算对塑性材料式中 材料的许用应力(MPa)； 强度极限（MPa）； 安全系数。表61 45钢力学特性45钢力学特性（MPa）360（MPa）570（%）16（%）40查表61可知45钢的的最小值为360MPa。一般机械制造中，在静载荷的情况下，对塑性材料可取=1.22.5。脆性材料均匀性较差，且断裂突然发生，有更大的危险性，所以取=23.5，甚至取到39。在动载荷时，钢材螺纹连接安全系数=3.55，可取=4。则： 45钢在动载荷的情况下，许用应力为90Mpa。构件轴向拉伸或压缩时的强度条件为： （61）式中 载荷作用下构件的实际应力（MPa）； 外加负载（N）； A立柱的横截面面积（）。设计为两个立柱支撑，根据物体的的受力平衡原理分析可知，每个立柱的受力为： 则：由此可以求出考虑到横梁的重量，选取立柱的头部的外螺纹为M60；取立柱的直径为90mm。6.2.2 稳定性校核当细长杆件受压时，压杆因受到超过临界压力而发生压杆丧失其直线形状的平衡而过渡为曲线平衡称为丧失稳定，简称失稳，也称为屈曲。杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已丧失了承载能力。这是因为失稳造成的失效，可以导致整个机器或结构的损坏。根据设计尺寸支柱的长度：当，必须进行支柱的稳定性校核，当支柱受轴向压缩载荷时，支柱所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，拉压试验机的正常工作，即 （62）式中 支柱失稳临界负载（N）； 安全系数，取=24；支柱的失稳临界负载的值，与支柱的材料性质、截面形状、直径、计算长度、负载是否偏心等因素有关。在做拉力试验时，支柱受到垂直上下的无偏心压应力的作用，对于无偏心载荷的细长支柱，的汁算方法有等截法和非等截面法两种，采用等截面法进行校核计算。采用欧拉公式计算： （63）式中 临界负载(N)；压杆的长度因数（见表）；E支柱材料的弹性模量(Pa)（见63表），钢材一般取； I支柱截面的转动惯量（）； 支柱的计算长度。表62 压杆的长度因数压杆的约束条件长度因数两端铰支一端固定，另一端自由两端固定一端固定，另一端铰支表63几种常用材料的E的值材料名称E/（GPa）碳 钢196216合 金 钢186206灰 铸 铁78.5157铜及其合金72.6128铝 合 金70支柱为实心杆 （64）式中 支柱的直径（m）。实心支柱 （65）式中 支柱截面的惯性半径（m）；支柱的直径（m）。 故：支柱完全符合要求，安全。7.单片机应用系统设计7.1 单片机选型应用系统选用Motorola公司08系列M68HC908SR12单片机作为控制核心, 机内自带10位A/D转换器、12K的Flash ROM、512字节RAM、总线及串行通讯接口,具有片内集成化高、外围扩展电路少、抗干扰性强、执行速度快等诸多优点，能够满足系统的检测精度和功能需求。7.2 控制系统结构拉压材料实验机通过M68HC908SR12单片机控制系统完成实验测试过程中数据的采集、分析、处理及其他附加功能，系统主要结构如图71所示。图71 单片机应用系统结构实验测试过程中，材料试样或构件因承受载荷而产生变形，由安装在拉压材料实验机机械加载机构内部的载荷、 变形传感器产生相应的模拟信号，经系统前向数据采集通道做相应的调理后，在M68HC908SR12单片机中完成转换、分析和处理，通过图形点阵式液晶显示器显示相关的检测数据，并实时绘制载荷变形特性曲线。四线电阻式触摸屏作为人机对话的输入外设，用于在实验测试前对相关的检测参数进行设置，并完成其他分析功能选项的操作控制。7.3 双单片机系统设计拉压材料实验机在测试过程中，要完成载荷、变形信号的采集、分析、处理、显示及存储等一系列的工作内容，管理任务多，而液晶显示器作为系统输出外设，属于慢速器件，若采用单片M68HC908SR12单片机完成上述任务，必然会对整个应用系统的实时检测特性造成较大的影响，故在本应用系统中将工作任务分解，通过两片相互独立的M68HC908SR12单片机分别进行管理、控制，其中采样单片机完成载荷、变形信号的采集、分析、处理和存储，另一片单片机用于液晶显示器和触摸屏的应用控制。 两片M68HC908SR12单片机间通过总线进行数据传输。7.4触摸屏控制原理及软件流程触摸屏由玻璃基层、上下导电层及中间透明隔离层组成，可直接贴附在液晶显示器的表面使用，具有灵敏度高、应用灵活、占用系统资源少的特点。本应用系统中M68HC908SR12单片机通过两路A/D转换通道、四个双向I/O控制端口及一个外部中断端口实现对四线电阻式触摸屏的控制，基本硬件电路如图71所示。图71 触摸屏控制原理图在初始状态下将、设置成截止状态,将设置为导通状态,此时由于无触摸动作,上下两导电层间处于隔离状态,在X轴与Y轴回路上形成断路,使单片机外部中断引脚IRQ保持高电平。产生触摸动作后，上下两导电层出现接触点，单片机外部中断引脚IRQ变为低电平,产生中断信号,单片机通过软件控制导通,从而在X轴方向上形成电流回路,启动单片机模数转换的ADCHO通道可获取X轴的坐标值,转换完成后关闭、,再将、设置为导通状态,经模数转换的ADCH1通道可获取Y轴的坐标值,通过上述过程完成触摸点的位置定位。四线电阻式触摸屏的控制软件主流程如图72所示。在应用过程中应预先测定当前活动按键区域的坐标范围，通过与触摸点的位置坐标进行比较，来确定随后的响应操作。图72 触摸屏控制软件主流程该软件控制模式下，不同的触摸操作，在液晶显示器上的按键有不同的响应状态。触摸点不在按键区域内，不做响应；触摸点处于按键区域内，且保持触摸动作，则按键以反色显示，并保持该状态；在保持触摸动作下，触摸点由按键区域内转移到按键区域之外时，按键恢复到初始无响应状态；仅有当触摸点处于按键区域内时松开，此时为有效选择操作，使控制程序调用相应的子流程。7.5 液晶显示器控制接口及软件流程使用液晶显示器作为输出外设，丰富了人机对话的形式及内容，是当前测控系统的发展趋势。在该拉压材料实验机系统中，通过液晶显示器实现了载荷变形实时曲线绘制的功能，较传统类型实验机中普遍使用的机械式绘图装置而言，优势明显。应用系统中选用SHARP公司的LM32019T单色图形点阵式液晶显示器,分辨率为320240,使用SEIKOEPSON公司出品的液晶显示控制器SED1335芯片进行驱动, 硬件接口模块如图73所示。M68HC908SR12单片机通过三根控制线与8根数据线对SED1335芯片进行驱动控制。图73 液晶显示器接口SED1335液晶显示控制芯片具有较强功能的I/O缓冲器,内置13条操作指令,通过图形和文本两种方式混合进行显示驱动。在文本显示模式下，显示RAM区域中每个字节的数据是字符库中的相关字符代码,执行数据写入操作后,在液晶显示模块上以88点阵的形式显示字符代码关联的显示内容。SED1335通过内藏的字符发生器，预先固化了160
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