万能液压试验机机械传动系统设计及三维建模.doc

济南大学泉城学院毕业设计

I
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1 前言
液压万能试验机是试验机的传统产品，老式的液压万能试验机在国际上已被淘汰，在国内也已不能满足新修订的试验方法标准GB228的要求，急需更新换代。目前限于国内厂家的技术成熟程度和生产能力，提供给用户的产品90%仍是老式产品，不能满足用户需求。
1.1 液压式万能试验机概述
液压式万能试验机主要用于金属材料的拉伸、压缩、剪切和弯曲试验，是科研单位、冶金和机械制造厂、质检站和大专院校的必备设备。万能液压试验机主要为油缸下置式主机结构，油缸采用间隙密封、静压油膜支撑、无摩擦技术，电机带动链轮、链条驱动丝杠转动，固定丝母带动横梁调整试验空间。是大专、院所、企业、科研机构等实验室理想的检测设备。屏显测控系统具有网络接口，可方便实验室联网操作及试验结果的网络传输。还有一部分为油缸上置式，采用了电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过涡轮蜗杆机构使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。
1.2 液压式万能试验机种类
（1）油缸下置式，油缸采用间隙密封、静压油膜支撑、无摩擦技术，电机带动链轮、链条驱动丝杠转动，固定丝母带动横梁调整试验空间。
（2）油缸上置式，电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过涡轮蜗杆机构使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。
1.3 研究内容
液压式万能试验机主要用于金属材料的拉伸、压缩、剪切和弯曲试验，是科研单位、冶金和机械制造厂、质检站和大专院校的必备设备：要求试验机能够实现的主要性能参数为：
（1） 最大载荷：600KN
（2） 拉伸夹头间最大距离（包括活塞行程）：500mm
（3） 上下压力板尺寸：Φ125mm
（4） 圆试样夹持范围：(Φ20～Φ50)mm
（5） 扁试样夹持范围：(0～40)mm，最大夹持宽度为70mm
（6） 活塞上升速度：(0-30)mm/min
（7） 外形尺寸：主机：(1000×650×2050)mm，测力机：(1200×750×1800)mm
（8） 油缸采用上置式。
确定能够实现以上功能的试验机传动方案，完成各个零部件的设计计算和校核，并绘制图纸，撰写详细设计说明书。

2 总体方案设计
2.1试验机总系统

图2.1 液压式万能试验机示意图
2.1.1 加载系统
在底座1上由两根固定立柱2和固定横梁3组成承载框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上，支承着由上横梁6、活动立柱7和活动平台8组成的活动框架。当油泵16开动时，油液通过送油阀门17，经送油管18进入工作油缸，把活塞5连同活动平台8一同顶起。这样，如把试样安装于上夹头9和下夹头12之间，由于下夹头固定，上夹头随活动平台上升，试样将受到拉伸。若把试样置放于两个承压垫板11之间，或将受弯试件置放于两个弯曲支座10上，则因固定横梁不动而活动平台上升，试样将分别受到压缩或弯曲。此外，试验开始前如欲调整上、下夹头之间的距离，则可开动电机14，驱动螺杆13，便可使下夹头12上升或下降。但电机14不能用来给试样施加压力。
2.1.2 测力系统
加载时，开动油泵电机，打开送油阀17，油泵把油液送入工作油缸4顶起工作活塞5给试样加载；同时，油液经回油管19及测力油管21（这时回油阀20是关闭的，油液不能流回油箱），进入测力油缸22，压迫测力活塞23，使它带动拉杆24向下移动，从而迫使摆杆26和摆锤25联同推杆27绕支点偏转。推杆偏转时，推动齿杆28作水平移动，于是驱动示力度盘的指针齿轮，使示力指针29绕示力度盘30的中心旋转。示力指针旋转的角度与测力油缸活塞上的总压力（即拉杆24所受拉力）成正比。因为测力油缸和工作油缸中油压压强相同，两个油缸活塞上的总压力成正比（活塞面积之比）。这样，示力指针的转角便与工作油缸活塞上的总压力，亦即试样所受载荷成正比。经过标定便可使指针在示力度盘上直接指示载荷的大小。
试验机一般配有重量不同的摆锤，可供选择。对重量不同的摆锤，使示力指针转同样的转角，所需油压并不相同，即载荷并不相同。所以，示力度盘上由刻度表示的测力范围应与摆锤的重量相匹配。开动油泵电机，送油阀开启的大小可以调节油液进入工作油缸的快慢，因而可用以控制增加载荷的速度。开启回油阀20，可使工作油缸中的油液经回油管19泻回油箱37，从而卸减试样所受载荷。
试验开始前，为消除活动框架等的自重影响，应开动油泵送油，将活动平台略微升高。然后调节测力部分的平衡铊31，使摆杆保持垂直位置，并使示力指针指在零点。
试验机上一般还有自动绘图装置。它的工作原理是，活动平台上升时，由绕过滑轮（1）和（2）的拉绳33带动滚筒32绕轴线转动，在滚筒圆柱面上构成沿周线表示载荷的坐标。这样，试验时绘图笔34在滚筒上就可自动绘出载荷－位移曲线。当然，这只是一条定性曲线，不是很准确的。如图1.1
2.2 方案确定
油缸上置式，电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，蜗轮转动使里面的螺杆上下移动，从而使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。
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3 主要传动构件设计
3.1 液压缸的设计
3.1.1 液压缸类型的选择
    液压缸可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类，其常见类型有：活塞式液压缸（双杆式、单杆式）、柱塞式液压缸、摆动式液压缸、伸缩式液压缸、齿条式液压缸。
一、活塞式液压缸
活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图3.1所示。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。

图3.1  双活塞杆液压缸安装方式简图
单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力。
二、柱塞式液压缸
    前面所讨论的活塞式液压缸的应用非常广泛,但这种液压缸由于缸孔加工精度要求很高，当行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。在生产实际中,某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。
如图3.2（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。柱塞式液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成，如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用[图3.2（b）]。柱塞缸的柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。

图3.2 柱塞式液压缸
柱塞缸结构简单，制造方便，常用于工作行程较长的场合，如大型拉床，矿用液压支架等。
三、摆动式液压缸
    摆动液压缸能实现小于360°角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。图3.3(a)所示为单叶片摆动液压缸，主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。

图3.3 摆动液压缸
单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过 ，双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过 。当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。
摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系统中往复摆动，转位或间歇运动的地方。
四、伸缩式液压缸
图3.4所示为伸缩式液压缸的结构图，它由两级（或多级）活塞缸套装而成，主要组成零件有缸体、活塞、套筒活塞等。
缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动，由于一级活塞的有效作用面积大，所以运动速度低而推力大。一级活塞右行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向右运动，因其有效作用面积小，所以运动速度快，但推力小。套筒活塞既是一级活塞，又是二级活塞的缸体，有双重作用（多级时，前一级缸的活塞就是后一级缸的缸套）。若B口进油，A口回油，则二级活塞先退回至终点，然后一级活塞才退回。

图3.4 伸缩式液压缸的结构图
伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。
五、齿条活塞缸

图3.5 齿条活塞液压缸的结构图
齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图3.5所示，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动，它多用于自动线，组合机床等转位或分度机构中。
在本设计中，我采用活塞式液压缸。
3.1.2缸筒结构
缸筒主要技术要求：
1）.有很高的强度，能承受最高工作压力及动态实验压力而不致产生永久性变形；
2）.有很高的刚度，能够承受活塞阀向力和安装的反作用力从而不致于产生弯曲；
3）.内表面与活塞密封件和导向环的摩擦力作用下，长期工作而磨损少，有较高的几何精度，足以来保证活塞密封件的密封性；
4）.有的钢筒还要求有较好的可焊性，以便于在焊上法兰或者管接头后从而不致于产生裂纹和过大的变形。
缸筒采用无缝钢管制成，用45号钢调质。液压缸内圆柱表面粗糙度为R 0.2~0.4um。为不损伤活塞和缸盖上的密封圈，此缸筒在入口处及有密封圈滑过的孔槽口。

图3.6 缸筒

常用的缸筒连接结构有8类，分别为拉杆连接，焊接，内螺纹连接，外螺纹连接，外卡环连接，半环连接，法兰连接和挡圈连接。通常根据缸筒与钢盖的连接形式选用其结构，而连接形式又取决于额定工作压力、用途、使用环境等因素。此处选用的连接结构为半环连接。
3.1.3缸头结构
缸底用45号钢锻件。采用半环连接，其特点是加工容易成本低，拆卸方便，但也有其缺点：外形尺寸较大，较笨重。装配时对拉杆要有足够的预拧紧，否则工作中拉杆伸长变形会产生不良影响。

图3.7 缸底
缸头与缸体的连接方式的选择：焊接：结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。
3.1.4 液压缸的设计计算
液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。
一、液压缸工作压力的确定
液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3.1、表3.2来确定。

表3.1  液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）

0.63
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10.0
16.0
25.0
31.5
40.0

表3.2  各类液压设备常用的工作压力(单位：MPa)

设备类型
一般机床
一般冶金单位
农业机械、小型工程机械
液压机、重型机械、轧机压下、起重运输机械
工作压力（Mpa）
1~6.3
6.3~16
10~16
20~32

二、液压缸主要尺寸的确定
设计压力>5Mpa 初选执行原件及设计压力。计算和确定液压缸主要机构尺寸，设计压力10~16，在这我取=15Mpa；无杆腔为工作腔F=600KN，=0.5~1.5Mpa，我取1.0Mpa，无杆腔活塞的有效面积为

（3.1）

有杆腔活塞的有效面积为

（3.2）

当压力油进入无杆腔的流量为，活塞右移速度为、输出力为

（3.3）

（3.4）

式中 ---进油压力；
---回油压力。
杆径d可根据工作压力选取，见表3.3；

表3.3 液压缸工作压力与活塞杆直径
液压缸工作压力P(Mpa)
≤5
5~7
>7
推荐活塞杆直径
（0.5~0.55）D
（0.6~0.7）D
0.7D

当液压缸的往复速度比有一定要求时，进退速度相同，A2=A1/2，杆径比
取，由公式3.4得
D=236mm
d=167mm

所以液压缸选择
液压缸的缸筒长度由活塞最大行程，活塞长度，活塞杆导向套长度，活塞杆密封长度和特殊要求的长度确定。其中活塞长度为（0.6~1.0）D；导向套长度为（0.6~1.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20~30倍。
3.2蜗轮蜗杆传动设计
3.2.1选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。
3.2.2选择材料
根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45号钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋面要求淬火，硬度为HRC45-55。蜗轮用锡青铜ZQSn10-1，金属模制造。为了节约贵重的有色金属，反齿圈用青铜制造，而轮芯用铸铁HT150制造。
3.2.3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。传动中心距

(3.5)

(1)确定作用在蜗轮上的转矩T2,
按Z1=2.估计效率：

(3.6)

(2) 确定载荷系数K
用涡轮蜗杆减速器随电机的频繁停动而时停时动，故载荷分布不均系数Kβ=1.4。由机械设计表11-6选取工作情况系数KA=1.2;由于转速不高，冲击不是很大，可取动载荷系数Kv=1.05；则

(3.7)

(3)确定弹性影响系数
因选用的是锡青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故：

（3.8）

(4)确定接触系数
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值为：

由机械设计图11-18中可查到:

(5)确定需用接触应力1
根据蜗杆材料为蜗轮用锡青铜ZQSn10-1，金属模制造。蜗杆的螺旋齿面硬度>45HRC，可从机械设计表11-7中查到蜗杆的基本许用应力：

应力循环系数：

（3.9）

寿命系数为：
（3.10）
则

（3.11）

(6)计算中心距

(3.12)

取中心距a=200，因为i=20。故从机械设计表11-2中取模数m=5，蜗杆的分度圆直径为d1=80mm.这时d1/a=0.4，从机械设计图11-18中可查出接触系数:

因为

故以上的计算结果可用。
3.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸
（1）蜗杆
轴向齿距Pa=25.133；直径系数q=10；
齿顶圆直径

齿根圆直径

分度圆导程角

蜗杆轴向齿厚

蜗轮
蜗轮齿数Z2=41;
变位系数

验算传动比

这时传动比误差为

故在误差上是允许的
蜗轮分度圆直径为

蜗轮喉圆直径为

蜗轮齿根圆直径

蜗轮咽喉母圆半径

3.2.5校核齿根弯曲疲劳强度

(3.13)

当量齿数

(3.14)

从机械设计图11-19中可查到齿形系数

螺旋角系数

许用弯曲应力

从机械设计表11-8中查到有锡青铜制造的蜗轮的基本许用应力为56MPa。
寿命系数

(3.15)

故弯曲强度满足
3.3.6精度选择和公差，表面粗糙度的确定
由于所设计的蜗杆传动是用于动力传动的，希望使用寿命长些，另外，它属于通用机械的减速器，所以选择8级精度和保证侧隙DC，即标准为“8-DC JB162-60”
4螺杆的设计
设定下夹头的上下移动速度为160mm/min，根据实际情况选择螺杆的螺距P=9，由《机械设计课程设计手册》表3-8和3-9知道它的公称直径为60。
蜗轮转速n

n=160/P=18（r/min）

外螺纹小径

d3=d-10=50（mm）

内外螺纹中径

D2=60-4.5=55.5（mm）

内螺纹大径

D4=d+1=61（mm）

内螺纹小径

D1=d-9=51（mm）

根据实际情况取螺杆长度为300mm

5链传动设计
由于蜗轮转速为18r/min
传动比
i=n1/n2 （5.1）

所以蜗杆转速为n1=36r/min
大链轮转速为36r/min
一、选择链轮齿数z1、z2和确定传动比
由《机械设计》链轮齿数z1取18，传动比i取2，大链轮齿数为36
二、计算当量的单排链的计算功率Pca

Pca=KaKzP/Kp （5.2）

Pca=3.3

式中Ka—工况系数；
Kz--主动链齿轮数系数；
P—传递功率。
三、确定链条型号和节距
由Pca可以确定链条节距p=15.875mm
四、计算链节数和中心距
初选中心距，按下式计算链节数Lp0

（5.3）

=107.2

为了避免使用过渡链节，应将计算出的链节数圆整为偶数。
=108

链传动最大中心距为：

（5.4）

式中，为中心距计算系数，查表为0.24937

（mm）

五、计算链速，确定润滑方式
平均链速计算

（5.5）

=3.38（r/min）

采用油池润滑或油盘飞溅润滑。
滚子直径

分度圆直径

（5.6）

d=92（mm）

齿顶圆直径

（mm）

齿根圆直径

（mm）

齿高

确定的最大轴凸缘直径

6电机选择
电机采用Y132S-8
额定功率2.2kw
转速710r/min
7 结 论
该毕业设计——液压是万能试验机机械传动系统设计实现了金属材料的拉伸、压缩、剪切和弯曲试验，是科研单位、冶金和机械制造厂、质检站和大专院校的必备设备。其主要由电动机、机械传动部分、夹紧装置以及底座等几部分组成。该机器结构比较简单，价格低廉，适合小型工厂使用。
在整个设计中，对机械传动传动部分采用了电机带动链轮，链轮带动蜗杆，通过涡轮蜗杆机构使下夹头上下移动，从而拉伸试件。压缩试件是通过油缸活塞运动带动下横梁上升，从而压缩试件。

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致 谢
在这将近一个学期的毕业设计中，通过老师的指导与同学们的帮助使我在设计过程中受益匪浅。在这里非常感谢王桂从老师和同组的同学们的帮助。是老师与同学们在我遇到困难的时候伸出手来帮助我才能使我能够顺利的完成毕业设计。
在设计过程中，我充分理解作为一名老师那甘于奉献的伟大、严谨的治学作风。感谢在我大学这四年时间里的每一位老师。使他们让我学有所成，掌握了许多的技能。能够独立解决专业中的问题。再次感谢帮助过我的老师和同学们。
由于自己能力有限，在设计过程中可能让然有不足之处，恳请各位老师予以批评指正。

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64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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