WE-1000液压万能试验机主机设计

1、济南大学泉城学院毕 业 设 计题 目 WE-1000液压万能试验机主机设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设07Q1 学 生 衡培银 学 号 指导教师 迟清 二一一 年 五 月 十一 日1 前言1.1 试验机的发展现状液压万能材料试验机是根据静力单轴拉伸试验原理而制造的一种测量工具。50、60年代，液压静力单轴拉压系统的测量与显示系统是纯机械式的摆锤测力、度盘指针显示系统。试验数据处理由试验操作人员手工完成1。70年代，以美国的MTS公司、ISTRON公司、SHIMADZU公司为代表的试验机制造商在试验机上广泛应用了传感器测量、数字显示技术代替传统的机械式摆锤测力、度盘显示系统，习

2、惯上称为数字显示试验机时代。从50到70年代末，液压试验机大部分采用了手动液压阀控制实验过程，只有极少数的试验机采用了模拟式电液伺服闭环控制系统，可靠性差。80年代，上述几家公司率先将先进的Z80等微处理机用于试验机的控制和数据采集以及数字显示单元，生产了第一代实用微型机控制电液伺服试验机，用微机数字式控制器取代了原先的模拟式控制器，提高了控制系统的可靠性，方便了试验机控制性能超群的调试，同时，实现了数据自动处理和打印记录。90年代末，液压试验机的技术进步主要体现在PC机控制系统的广泛应用和实验数据的后处理技术上。全数字式PC机控制器面向不同试验对象的数据处理软件系统和计算机虚拟仪器技术的应用

3、，实验数据的磁盘存储与再分析扩大了试验机的应用范围。进入21世纪，最前沿的技术是试验机网络技术和虚拟试验，实用化的远程试验，让用户可以在网络上操作试验机并做到实验数据的网络用户共享。随着调速电机、计算机技术，数据采集技术和处理技术、传感放大技术、国外液压阀（MOOG）技术在工业产品的应用，工业产品人性化设计的发展趋势如下：1油缸下置式的主机结构将代替油缸上置式主机结构。2采用电机代替液压马达来驱动下夹头的升降，既方便加工，又方便钳口的装夹，从而降低机器的制造成本。3 电液伺服控制系统自动控制试验过程代替目前手动阀控制模式。液压系统采用德国博世公司生产的伺服比例阀和日本NAC HI公司生产的油泵

4、电机组1。4 系统将增加独立液压夹紧系统，以消除钳口的滑移现象。5 开发全中文控制软件包，采用计算机虚拟技术，实现试验力、试验力峰值、横梁位移、试样变形及试验曲线的屏幕显示。实现符合国际标准要求的数据处理功能并具有良好的扩展性，可以根据特殊使用要求处理实验数据，处理结果以ASC码的形式进行磁盘存储，为实验数据的再分析、数据库管理，网络传输等后处理都提供方便。综上所述，液压万能材料试验机的主机框架部分（包括试样夹持部分）各单元技术都趋于完备，具有加载稳定、使用范围广泛、性能可靠的优点，只是为适用不同时代的审美要求而略有变化，技术的进步主要体现在试验系统的控制的数据采集与处理系统上。1.2 试验机

5、的主要功能用途本试验机利用液压加荷，操作方便，试验读数准确可靠，能做一般钢材等金属材料之拉伸，压缩，弯曲及剪切试验，亦可对塑料、水泥及混凝土等非金属材料进行压缩及弯曲断裂试验。本试验机主要适用于建材、冶金、科研单位、大专院校、质量检测中心和商品检测等部门，做金属和非金属的拉伸、压缩、弯曲、及剪切等试验2。为了保证试验机指示负荷读数有较高的准确性，采用动摆测力计指示试验负荷，为使试样断裂时所产生的强烈振动不致影响测力计指针所指示的负荷读数，试验机分为主体与测力计两个独立组成部分。1.3 设计参数要求1试验力最大负荷1000千牛顿；2拉伸钳口间最大距离800毫米；3压缩面间距离0300毫米；4油泵

6、电动机功率1.5千瓦。2 WE-1000液压万能试验机机械部分综述本试验机采用液压加荷，试样夹持采取液压系统中的回油路完成。操作方便，试样读数准确可靠，能做一般钢铁等金属材料之拉伸、压缩、弯曲试验也可做一段材料，如塑料、水泥及水泥制品的压缩及弯曲试验3。为了保证试验机指示负荷读数有较高的准确性，系统用正切摆锤测力机构，指示负荷，为使试验机在试样断裂所产生的强烈振动不致影响测力系统指示负荷的准确性，固将试验机的主体和测力计两个部分独立分开。试验机采用的液压夹持装置，只要是按照顺序按动使用按钮就能完成动作。在测力计内装置着活塞式轴向柱塞泵，由电机径皮带传动减少振动，运转平稳，音响正常4 。负荷指示

7、度盘采用封闭式结构，刻度清洗，使实验者读数时减少误差。自动描绘器，装于测力计外壳的右上方，并备两套方式可测得试样变形和受力曲线。放大倍数可实现2、4、10、20、50倍。本机的液压系统控制是由两个测力计外壳，送回油手柄和几个明显按钮实现负荷增减稳定和试样夹紧松开，操作方便，保证安全。试验机的示值相对误差在1%(从每级度盘最大负荷20%而又不小于试验机最大负荷的4% 。 2.1 试验机的总体结构说明液压式万能试验机是由主体、测力计两部分组成的。主体是试验的执行部分，主要由油缸、工作活塞、电机、试台、机座等部分组成。油缸及工作活塞用于试验时液压加荷，电机用于试验前试台的快速升降，以节省工作时间，试

8、台用于夹持被测试样。测力计是用于测量试验机工作时油缸内的压力，也就是试样的各种性能参数，同时与其它装置配合将读数显示在度盘上，以方便试验人员读数。为了保证在使用试验机时安全问题，本试验机配备了安全装置。试验机下钳口座的升降设有限位开关，保证下钳口升降安全。测力计连杆上装有小型弯板，当摆杆杨到最大规定限度(即指针旋转一周后超过每级量程3%5%时)。此小弯板即接触了限位开关而使油泵停止工作。试验机超过最大试验力易发生故障。操作时必须注意：测力计摆杆扬程不准超出最大限度，指针旋转也不能超过一周。如果正在试验过程中，油泵突然停止工作，此时应将所加试验力卸掉，检查后重新开动油泵，不应在高压下启动油泵火检

9、查事故原因。如果在试验机工作时，电器发生失灵，启动或停止按钮不起作用时，应立即切断电源，使试验机停止运转。试验机各部应经常擦拭干净，对没有喷漆的表面擦拭干净后应用棉纱沾少量的机油再擦一遍，以防止生锈。每次试验后试台下降，活塞不宜落到油缸底，稍留一点距离以利下次使用。测力计上所以活门不应打开放置，以免尘土进入内部，影响测量机构的灵敏性能。试验机暂停使用时应将油泵电动机关闭5。2.2 试验机的机械组成试验机的机械部分主要由主机、负载指示机构、测力计和操作部分组成。2.2.1 主机试验机主机上部结构见图2.1，四根支柱用螺母固定在机座上，其上端装有油缸座，工作油缸固定在油缸座中央，工作油缸内的工作或

10、是用调心球面支杆支持着小横梁。拉杆(丝杠)的上端装入螺母内，丝母是在小横梁两端只能转动不能窜动6。其拉杆下端固定在试台上。当油泵输来油液进入油缸时工作活塞上升，随即试台上升，试台上装有指示标记可以读出上升的距离，试台前后两侧面装有刻度尺，用以指示出弯曲支座间的距离，试台下部是拉伸所用的上钳口座。下钳口直接固定在机座上。中间有一个过渡板7。图2.1 试验机主机结构图两个钳口之间空间距离的调正是借小横梁的升降电机正反向转动来实现，不可用活塞上升方法调正空间大小，在不超出活塞行程的前提下可以小距离的调正。电机操作按钮装在立柱上电钮上标有试台上升、下降字样。在试机前必须将电机转向接对8。油缸及活塞是主

11、体的主要部分，它们的接触表面经过精密加工并保证一定配合间隙和适当油点。使活塞能自由移动而将摩擦减小到最适当数值。当油泵来油进入油缸后，活塞上升带动试台，在使试样强行变形的前提下施加负荷。因此在使用时，将油液过滤干净不得含有杂质或铁屑，保证油液的清洁是使试验机正常工作的一个必备条件8。安装时应注意：杂质污物、砂土等不得落在试验机的上顶处以免油缸受损9。2.2.2 负载指示机构负荷指示机构封闭在玻璃罩内。三种测量范围刻制在一个度盘上，从外面观察刻度清楚准确，每条刻度之间有足够的间隔距离，可以估计每小格的五分之一10。指示度盘上指示负荷数值的指针有两根。其中一根为主动针，另一根为被动针，其尖端部分涂

12、以红色标记。当试验终止时，卸掉负荷后，主动针自然回零位，而从动针仍由在试验负荷数值的原处以便试验人员有足够的时间读出准确负荷数值，从动针的调正可用玻璃外面的手把按下后拨动。2.2.3 测力计本试验机采用正切摆锤测力原理，测力系统由负荷指示，自动描绘。高压柱塞泵及操作手柄等部分组成，所以说它是一个综合机构，这些部分完全被封闭在简单平滑美观钢板外壳内，外壳各面必要处设有活门，打开时能清楚的看到内部机构，以便进行个别部分的调整修理，并可使各机构处在清洁良好的条件下工作11。测力活塞受力与主体上工作活塞的受力与面积成正比，当油压作用在测力活塞上时，测力活塞必向下移动并通过联板及上部方铁上的刀刃使主轴带

13、动摆杆及砣产生一个角位移，这个角位移借助推板的位置改变推动齿杆，齿杆的位移大小与负荷大小成正比例关系。2.2.4 操作部分高压油泵的电动机开关按钮装在测力计台面上，电源按钮及指示灯与按钮一体，给夹持电磁阀送电或断电的按钮也在面板上，操作电磁阀换向的按钮在主体的立柱上。送油阀处在右边，该阀是压力阀和流量阀的合成，利用此阀可使油泵输出的油产生高压送入工作油缸，同时可控制负荷增减的速度。回油阀可看做是一个开关，压力的形成必须是关闭回油阀，回油时才能打开回油阀。3 WE-1000液压万能试验机液压部分综述3.1 高压油泵及电机高压油泵与它所用的驱动电机由三角皮带相连接，装在测力计底座上。油箱设置在测力

14、计侧面油面有油窗观察，高压柱塞泵是由七个活塞副组成的轴向柱塞泵，泵的结构合理，制造精密，寿命长，刚性好。3.2 液压夹持控制板在测力计的下方靠右的地方，按入一个控制油路，将送油阀的回油口分成两个支路，一路接上钳口，一路接下钳口，原理相同。在夹持试样完毕后，从送油阀回油口的油是通过电磁换向阀内流出两路汇合流回油箱，在装夹试样前送电，装夹完毕，断电有专用按钮来操作。3.3 缓冲阀准确调试和操作试验机，使其达到良好工作状态是每次对材料测试前必须要做的一项重要工作，其中对缓冲阀的调试往往被部分测试人员特别是初学者忽视，由此造成试验机的精度降低，甚至损坏。缓冲阀是安装在试验机回油阀体上的，其作用是当受压

15、试样加荷达到极限荷载值（或受拉试样断裂后），工作油缸及高压油路系统和测力油缸内的油液压强骤然下降，因而摆杆及铊就以很大的速度回落，为了防止这种快速的回落而采用了缓冲阀。如无阻止措施，它会按自由落体下落，为使下落的速度是符合要求，而采取的一种缓冲装置12。3.4 送油阀和回油阀送油阀在升起试台时可以开的大些，使试台以最快的速度上升，减少试验的辅助时间(手轮约转动四周)。当试件加荷时应注意操纵，必须根据试料规定的加荷速度进行调节，不应升的过快，使试料受到冲击，也不应无故关闭，使试料所受负荷突然下降，因而影响试验数据的准确性。如果是做测定规定的屈服点或其他特殊试验的情况下，负荷需要反复增减时，也需平

16、稳的操作。回油阀在试件加荷时，必须将其关紧，不许有油漏回。在试件断裂后，慢慢打开回油阀，卸除负荷并使试验机活塞回落到原来位置，使油回到油箱，应注意，送油阀手轮不用拧的过紧，以免损伤油针的尖端，回油阀手轮必须拧紧，因有较大的钝角，所以不易损伤。3.5 液压传动系统一部机器要实现对动力传递和控制的目的，是借助于传动机构来完成的。传动形式可分为：机械传动、电气传动、气压传动、液压传动。液压传动是以液体为工作介质进行能量传递和控制的方式。液压传动主要是利用液体静压能传递功能的一种传递方式，绝大多数采用矿物油作为传动介质，所以也称为油压传动。液压传动。液压传动由以下特点：以液压为传动介质：由于油液没有固

17、定的形状，但由一定的体积，所以这种传动必须在密闭的容器内(油缸、油管)进行；液体只能受压力，所以液体传动是靠静压力来实现的。WE型万能材料试验机是常见的一种试验机，在试验机中液压传动被国内外广泛应用着，如动静万能试验机、测力机、谐振与非谐振试验机，振动台等，它们的工作部分基本上都是直线往复运动，也由作摆动运动的。这些液压传动比较复杂，本着由浅入深的原则，这里首先要分析一下WE型万能试验机的液压系统及它的工作原理13。它有两条主油路，一条是进油路，一条是回油路。在两条油路上，分别各由一个阀来控制整个液压系统的各种状态。当系统开始工作时，首先把回油路上的回油阀（节流阀）关紧，按下起动按钮，电动机带

18、动油泵转动，油箱中的油液经过滤油网吸入油泵，再经油泵的出油管送到送油阀内。当送油手轮打开时，高压油经油管经过油管进入工作油缸，使工作活塞上升进行工作，改变送油阀的节流口大小，就能调节经过节流口的油液流量，使多余的油经过溢流管流回油箱。因而控制了工作活塞的上升速度，同时高压油通过油管经回油阀中的单向阀的孔路进入测力油缸，使测力油缸内的测力活塞被压向下移，并通过拉杆、摆杆、推板、推杆等的作用使指针沿度盘转动，指示出试验载荷的数值。在试验过程中，由于试件突然断裂，工作油缸中的油压由高压就会急剧降到低压，为防止工作油缸油压突然下降，单向阀中的钢球堵住油管的进油口，这时测力油缸中的高压油由节流口流回油箱

19、，使摆杆缓慢下落。工作活塞向下运动时，需将回油路上的回油阀（节流阀）打开，工作油缸中的压力油经油管与回油针的节流口，从回油管流回油箱。改变回油路上回油阀的节流口大小，就能调节通过节流口的油液流量，因而控制了工作活塞的下降速度。根据工作情况不同，油泵打出的油液流量应当能够调整，这个功能是由溢流阀来完成的。从油泵打出的定量油进入工作油缸，而进入工作油缸的流量要经过节流阀来调节。当油泵供油量大于工作油缸所需油量时，油压升高，把溢流阀的阀芯推开，使多余的油经溢流阀流回油箱。4 WE-1000液压万能试验机主要零件的选择与校核4.1 试验机底座强度校核机座可以简化为简支梁，受力及弯矩图如图4-1、图4-

20、2所示已知：=N =0.76m，从弯矩图可以得出最大弯矩在处，且最大弯矩处截面形状简化为如图4-3所示图4.1 简支梁图4.2 受力弯矩图图4.3 机座截面根据图4.3，查机械设计手册得：抗弯截面模量： （4.1） （4.2）其中： 比较公式（4.1）（4.2），因为所以，面为危险截面，解（4.1）式得弯曲应力 （4.3）机座材料为HT2040，强度极限，查手册得=取安全系数，许用应力 （4.4） 所以有满足强度条件。4.2 试验机丝杠强度校核丝杠在该试验机中又称为拉杆，主要进行拉伸作用，所以对其要进行拉伸强度校核拉应力 （4.5） 所以 丝杠材料为，查手册 取安全系数 =1.5 则许用应力

21、，满足强度条件4.3 电机功率校核已知：电机功率 ， 转速 带轮直径=，= 蜗杆头数 ，蜗轮 丝杠螺距 1. 求丝杠转速 （4.6）丝杠速度 （4.7）2. 求电机传给丝杠的输出功率已知： 皮带轮效率=0.95 轴承效率=0.99 蜗轮效率=0.8 丝杠功率=0.5 总效率 （4.8） 丝杠输出功率 （4.9）丝杠提升的总重量： 由功率 （4.10） 得 丝杠实际需带以下重物：试台，横梁，丝杠，油缸、活塞、球面支杆，其他所以丝杠上升共需带重物的总重量： 所以丝杠能提升的最大重量大于实际提升重量，可见电机功率足够。4.4涡轮蜗杆的选取1选择蜗杆传动类型根据GB100851988的推荐，采用阿基米

22、德蜗杆（ZA）。2选择材料根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由机械设计课本可知传动中心距如下式所示： （4.11）（1）确定作用在蜗轮上的转矩按=1，估取效率，则 （4.12）（2）确定载荷系数因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数=1；工作载荷

23、小，视为无冲击，取使用系数=1.0；取动载荷系数=1.1；则载荷系数： （4.13） =1.1（3）确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=160（MPa）。（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值/=0.3，则得=3.1。（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可知蜗轮的基本许用应力=268MPa。应力循环次数： =60 （4.14） =0.675寿命系数： =1.05 （4.15）则： =281.496（MPa） （4.16）（6）计算中心距 （4.17）（mm）取中心距=160mm，再根据=53查机械设计手

24、册模数=5mm，蜗杆分度圆直径=50mm，蜗杆头数=1，蜗轮齿数=53，变位系数=0.5，分度圆导程角9。这时， 由机械设计手册查得，因此以上结果可用。4.5 油缸座的强度校核油缸座的强度计算可简化为简支梁计算，支点距离为立柱中心距离。在加压时，力是通过油缸台肩传递给油缸座的，如图 4.4所示，图4.4 油缸座受力简图为支承台肩半圆环的垂心到油缸中心距离，一般可简化为油缸台肩外径，且=0.3m ，油缸座的受力分布及弯矩图如图4.5，图4.6图4.5 剪力图 图4.6 弯矩图最大弯矩为A、B之间， （4.18） 油缸座的强度条件： （4.19）截面形心至最外点距离截面惯性矩以下求，先求出截面尺寸

25、如图4-7所示：图4.7 油缸座截面图已知：=0.28m ,=0.42m ,=0.64m, =0.06m , =0.15m , =0.05m, m 形心 （4.20） 求截面惯性矩： （4.21） 其中 （4.22）油缸座的材料为QT500-7 。取安全系数则许用应力满足强度条件4.6 连接螺栓的强度校核连接螺栓可按拉伸校核强度：拉伸强度应力 （4.23）且 工作负荷，取= 一般为（0.2-0.6），取=（为剩余预紧力）所以=为螺栓直径：单个螺栓所受到的力（共6个螺栓）螺栓的材料为40Cr，查表得需用应力为取安全系数许用应力 （4.24）满足强度条件。4.7 钳口的强度刚度计算最大负荷1000

26、KN，材料为ZG310-570，其=310MPa，安全系数=2，结构如图4.8所示，其中=20。 图 4.8 下钳口座的受力分析 155（MPa） （4.25）不计摩擦力，钳口卡板受力如图4.9所示，显然，（KN） （4.26）（KN），图 4.9 钳口卡板受力图图 4.10 A-A截面视图在A-A截面上： 97.5（MPa） （4.27）在B-B截面上， =70（MPa） （4.28）图4.11 B-B截面视图将移至C-C截面，则在C-C截面除有拉力外，还有一附加弯矩，在C-C截面上， （4.29）=80+20=100（MPa）图4.12 C-C截面视图故强度足够。刚度计算 （4.30）=0

27、.（rad）=0.028钳口座最上端张口（单边）有：=8.15m=81.5（）4.8 螺母的强度校核4.8.1 螺纹副耐磨性计算根据公式： （4.31）已知：，则：查得许用压强，因此满足耐磨条件。4.8.2 螺牙的强度计算螺牙的强度条件分为剪切和弯曲两个条件，由公式 （4.32） （4.33）已知：，螺母外径，螺母圈数，螺纹牙底宽度所以由公式(4.32)得查表得许用剪切应力，所以，满足剪切强度条件。由公式(4.33)得查表得许用弯曲应力，所以，满足弯曲强度条件4.9 支柱的强度及稳定性校核4.9.1 支柱的强度校核支柱可只考虑受压力，压应力， （4.34）已知：支柱材料为 ，查手册，取安全系数

28、=1.5 ，则许用应力所以， ，满足强度条件。4.9.2 支柱的稳定性校核已知，弹性模量，支柱长度，支柱直径则极限柔度 （4.35） 四支柱可以简化为一端固定，一端铰支，取压杆长度系数，则压杆柔度，其中，为截面积。所以 ：，适用于欧拉公式。根据欧拉公式：临界压力为： （4.36） 工作安全系数 （4.37）稳定安全系数 ，所以有 ，满足稳定性要求。5 结 论本次毕业设计所设计的液压万能试验机从液压部分和机械部分充实了我的理论文化知识和设计能力。首先看到老师给出的设计题目，在网上查阅了相关的文献资料，了解到它的发展现状以及发展前景，从而开始着手设计。从方案论证开始，对试验机的设计进行了大体的阐述

29、，有了一个总的方案，然后开始一步一步的进行设计计算，校核计算以及绘图工作。通过此次毕业设计，让我把大学里的专业知识做了一个全面的总结应用，对产品设计过程有了一个全面的了解，通过查阅资料，自己获取想要设计的产品的信息，很好的锻炼了自己的设计能力，学到了在课堂上学习不到的东西。当然，在设计过程中也了解到了自己的不足，一个完整的毕业设计是要有扎实的理论知识才可以完成的，这是我深深没有达到的，所以，这次毕业设计使我感触很大，深切的感到专业基础知识的重要性。我会在以后的工作学习中，弥补自己的不足，提高自己的理论知识以及设计能力，做一名出色的机械设计人员，不辜负老师们的培养和期望。参 考 文 献1 齐向阳,张辉,闫洪峰,汪瑞军,李树君,高艳雯,方涛,刘清林. 电子式万能试验机的