1、濟南大學泉城學院畢 業 設 計題 目 WE-1000液壓萬能試驗機主機設計 專 業 機械設計制造及其自動化 班 級 機設07Q1 學 生 衡培銀 學 號 指導教師 遲清 二一一 年 五 月 十一 日1 前言1.1 試驗機的發展現狀液壓萬能材料試驗機是根據靜力單軸拉伸試驗原理而制造的一種測量工具。50、60年代，液壓靜力單軸拉壓系統的測量與顯示系統是純機械式的擺錘測力、度盤指針顯示系統。試驗數據處理由試驗操作人員手工完成1。70年代，以美國的MTS公司、ISTRON公司、SHIMADZU公司為代表的試驗機制造商在試驗機上廣泛應用了傳感器測量、數字顯示技術代替傳統的機械式擺錘測力、度盤顯示系統，習

2、慣上稱為數字顯示試驗機時代。從50到70年代末，液壓試驗機大部分采用了手動液壓閥控制實驗過程，只有極少數的試驗機采用了模擬式電液伺服閉環控制系統，可靠性差。80年代，上述幾家公司率先將先進的Z80等微處理機用于試驗機的控制和數據采集以及數字顯示單元，生產了第一代實用微型機控制電液伺服試驗機，用微機數字式控制器取代了原先的模擬式控制器，提高了控制系統的可靠性，方便了試驗機控制性能超群的調試，同時，實現了數據自動處理和打印記錄。90年代末，液壓試驗機的技術進步主要體現在PC機控制系統的廣泛應用和實驗數據的后處理技術上。全數字式PC機控制器面向不同試驗對象的數據處理軟件系統和計算機虛擬儀器技術的應用

3、，實驗數據的磁盤存儲與再分析擴大了試驗機的應用范圍。進入21世紀，最前沿的技術是試驗機網絡技術和虛擬試驗，實用化的遠程試驗，讓用戶可以在網絡上操作試驗機并做到實驗數據的網絡用戶共享。隨著調速電機、計算機技術，數據采集技術和處理技術、傳感放大技術、國外液壓閥（MOOG）技術在工業產品的應用，工業產品人性化設計的發展趨勢如下：1油缸下置式的主機結構將代替油缸上置式主機結構。2采用電機代替液壓馬達來驅動下夾頭的升降，既方便加工，又方便鉗口的裝夾，從而降低機器的制造成本。3 電液伺服控制系統自動控制試驗過程代替目前手動閥控制模式。液壓系統采用德國博世公司生產的伺服比例閥和日本NAC HI公司生產的油泵

4、電機組1。4 系統將增加獨立液壓夾緊系統，以消除鉗口的滑移現象。5 開發全中文控制軟件包，采用計算機虛擬技術，實現試驗力、試驗力峰值、橫梁位移、試樣變形及試驗曲線的屏幕顯示。實現符合國際標準要求的數據處理功能并具有良好的擴展性，可以根據特殊使用要求處理實驗數據，處理結果以ASC碼的形式進行磁盤存儲，為實驗數據的再分析、數據庫管理，網絡傳輸等后處理都提供方便。綜上所述，液壓萬能材料試驗機的主機框架部分（包括試樣夾持部分）各單元技術都趨于完備，具有加載穩定、使用范圍廣泛、性能可靠的優點，只是為適用不同時代的審美要求而略有變化，技術的進步主要體現在試驗系統的控制的數據采集與處理系統上。1.2 試驗機

5、的主要功能用途本試驗機利用液壓加荷，操作方便，試驗讀數準確可靠，能做一般鋼材等金屬材料之拉伸，壓縮，彎曲及剪切試驗，亦可對塑料、水泥及混凝土等非金屬材料進行壓縮及彎曲斷裂試驗。本試驗機主要適用于建材、冶金、科研單位、大專院校、質量檢測中心和商品檢測等部門，做金屬和非金屬的拉伸、壓縮、彎曲、及剪切等試驗2。為了保證試驗機指示負荷讀數有較高的準確性，采用動擺測力計指示試驗負荷，為使試樣斷裂時所產生的強烈振動不致影響測力計指針所指示的負荷讀數，試驗機分為主體與測力計兩個獨立組成部分。1.3 設計參數要求1試驗力最大負荷1000千牛頓；2拉伸鉗口間最大距離800毫米；3壓縮面間距離0300毫米；4油泵

6、電動機功率1.5千瓦。2 WE-1000液壓萬能試驗機機械部分綜述本試驗機采用液壓加荷，試樣夾持采取液壓系統中的回油路完成。操作方便，試樣讀數準確可靠，能做一般鋼鐵等金屬材料之拉伸、壓縮、彎曲試驗也可做一段材料，如塑料、水泥及水泥制品的壓縮及彎曲試驗3。為了保證試驗機指示負荷讀數有較高的準確性，系統用正切擺錘測力機構，指示負荷，為使試驗機在試樣斷裂所產生的強烈振動不致影響測力系統指示負荷的準確性，固將試驗機的主體和測力計兩個部分獨立分開。試驗機采用的液壓夾持裝置，只要是按照順序按動使用按鈕就能完成動作。在測力計內裝置著活塞式軸向柱塞泵，由電機徑皮帶傳動減少振動，運轉平穩，音響正常4 。負荷指示

7、度盤采用封閉式結構，刻度清洗，使實驗者讀數時減少誤差。自動描繪器，裝于測力計外殼的右上方，并備兩套方式可測得試樣變形和受力曲線。放大倍數可實現2、4、10、20、50倍。本機的液壓系統控制是由兩個測力計外殼，送回油手柄和幾個明顯按鈕實現負荷增減穩定和試樣夾緊松開，操作方便，保證安全。試驗機的示值相對誤差在1%(從每級度盤最大負荷20%而又不小于試驗機最大負荷的4% 。 2.1 試驗機的總體結構說明液壓式萬能試驗機是由主體、測力計兩部分組成的。主體是試驗的執行部分，主要由油缸、工作活塞、電機、試臺、機座等部分組成。油缸及工作活塞用于試驗時液壓加荷，電機用于試驗前試臺的快速升降，以節省工作時間，試

8、臺用于夾持被測試樣。測力計是用于測量試驗機工作時油缸內的壓力，也就是試樣的各種性能參數，同時與其它裝置配合將讀數顯示在度盤上，以方便試驗人員讀數。為了保證在使用試驗機時安全問題，本試驗機配備了安全裝置。試驗機下鉗口座的升降設有限位開關，保證下鉗口升降安全。測力計連桿上裝有小型彎板，當擺桿楊到最大規定限度(即指針旋轉一周后超過每級量程3%5%時)。此小彎板即接觸了限位開關而使油泵停止工作。試驗機超過最大試驗力易發生故障。操作時必須注意：測力計擺桿揚程不準超出最大限度，指針旋轉也不能超過一周。如果正在試驗過程中，油泵突然停止工作，此時應將所加試驗力卸掉，檢查后重新開動油泵，不應在高壓下啟動油泵火檢

9、查事故原因。如果在試驗機工作時，電器發生失靈，啟動或停止按鈕不起作用時，應立即切斷電源，使試驗機停止運轉。試驗機各部應經常擦拭干凈，對沒有噴漆的表面擦拭干凈后應用棉紗沾少量的機油再擦一遍，以防止生銹。每次試驗后試臺下降，活塞不宜落到油缸底，稍留一點距離以利下次使用。測力計上所以活門不應打開放置，以免塵土進入內部，影響測量機構的靈敏性能。試驗機暫停使用時應將油泵電動機關閉5。2.2 試驗機的機械組成試驗機的機械部分主要由主機、負載指示機構、測力計和操作部分組成。2.2.1 主機試驗機主機上部結構見圖2.1，四根支柱用螺母固定在機座上，其上端裝有油缸座，工作油缸固定在油缸座中央，工作油缸內的工作或

10、是用調心球面支桿支持著小橫梁。拉桿(絲杠)的上端裝入螺母內，絲母是在小橫梁兩端只能轉動不能竄動6。其拉桿下端固定在試臺上。當油泵輸來油液進入油缸時工作活塞上升，隨即試臺上升，試臺上裝有指示標記可以讀出上升的距離，試臺前后兩側面裝有刻度尺，用以指示出彎曲支座間的距離，試臺下部是拉伸所用的上鉗口座。下鉗口直接固定在機座上。中間有一個過渡板7。圖2.1 試驗機主機結構圖兩個鉗口之間空間距離的調正是借小橫梁的升降電機正反向轉動來實現，不可用活塞上升方法調正空間大小，在不超出活塞行程的前提下可以小距離的調正。電機操作按鈕裝在立柱上電鈕上標有試臺上升、下降字樣。在試機前必須將電機轉向接對8。油缸及活塞是主

11、體的主要部分，它們的接觸表面經過精密加工并保證一定配合間隙和適當油點。使活塞能自由移動而將摩擦減小到最適當數值。當油泵來油進入油缸后，活塞上升帶動試臺，在使試樣強行變形的前提下施加負荷。因此在使用時，將油液過濾干凈不得含有雜質或鐵屑，保證油液的清潔是使試驗機正常工作的一個必備條件8。安裝時應注意：雜質污物、砂土等不得落在試驗機的上頂處以免油缸受損9。2.2.2 負載指示機構負荷指示機構封閉在玻璃罩內。三種測量范圍刻制在一個度盤上，從外面觀察刻度清楚準確，每條刻度之間有足夠的間隔距離，可以估計每小格的五分之一10。指示度盤上指示負荷數值的指針有兩根。其中一根為主動針，另一根為被動針，其尖端部分涂

12、以紅色標記。當試驗終止時，卸掉負荷后，主動針自然回零位，而從動針仍由在試驗負荷數值的原處以便試驗人員有足夠的時間讀出準確負荷數值，從動針的調正可用玻璃外面的手把按下后撥動。2.2.3 測力計本試驗機采用正切擺錘測力原理，測力系統由負荷指示，自動描繪。高壓柱塞泵及操作手柄等部分組成，所以說它是一個綜合機構，這些部分完全被封閉在簡單平滑美觀鋼板外殼內，外殼各面必要處設有活門，打開時能清楚的看到內部機構，以便進行個別部分的調整修理，并可使各機構處在清潔良好的條件下工作11。測力活塞受力與主體上工作活塞的受力與面積成正比，當油壓作用在測力活塞上時，測力活塞必向下移動并通過聯板及上部方鐵上的刀刃使主軸帶

13、動擺桿及砣產生一個角位移，這個角位移借助推板的位置改變推動齒桿，齒桿的位移大小與負荷大小成正比例關系。2.2.4 操作部分高壓油泵的電動機開關按鈕裝在測力計臺面上，電源按鈕及指示燈與按鈕一體，給夾持電磁閥送電或斷電的按鈕也在面板上，操作電磁閥換向的按鈕在主體的立柱上。送油閥處在右邊，該閥是壓力閥和流量閥的合成，利用此閥可使油泵輸出的油產生高壓送入工作油缸，同時可控制負荷增減的速度。回油閥可看做是一個開關，壓力的形成必須是關閉回油閥，回油時才能打開回油閥。3 WE-1000液壓萬能試驗機液壓部分綜述3.1 高壓油泵及電機高壓油泵與它所用的驅動電機由三角皮帶相連接，裝在測力計底座上。油箱設置在測力

14、計側面油面有油窗觀察，高壓柱塞泵是由七個活塞副組成的軸向柱塞泵，泵的結構合理，制造精密，壽命長，剛性好。3.2 液壓夾持控制板在測力計的下方靠右的地方，按入一個控制油路，將送油閥的回油口分成兩個支路，一路接上鉗口，一路接下鉗口，原理相同。在夾持試樣完畢后，從送油閥回油口的油是通過電磁換向閥內流出兩路匯合流回油箱，在裝夾試樣前送電，裝夾完畢，斷電有專用按鈕來操作。3.3 緩沖閥準確調試和操作試驗機，使其達到良好工作狀態是每次對材料測試前必須要做的一項重要工作，其中對緩沖閥的調試往往被部分測試人員特別是初學者忽視，由此造成試驗機的精度降低，甚至損壞。緩沖閥是安裝在試驗機回油閥體上的，其作用是當受壓

15、試樣加荷達到極限荷載值（或受拉試樣斷裂后），工作油缸及高壓油路系統和測力油缸內的油液壓強驟然下降，因而擺桿及鉈就以很大的速度回落，為了防止這種快速的回落而采用了緩沖閥。如無阻止措施，它會按自由落體下落，為使下落的速度是符合要求，而采取的一種緩沖裝置12。3.4 送油閥和回油閥送油閥在升起試臺時可以開的大些，使試臺以最快的速度上升，減少試驗的輔助時間(手輪約轉動四周)。當試件加荷時應注意操縱，必須根據試料規定的加荷速度進行調節，不應升的過快，使試料受到沖擊，也不應無故關閉，使試料所受負荷突然下降，因而影響試驗數據的準確性。如果是做測定規定的屈服點或其他特殊試驗的情況下，負荷需要反復增減時，也需平

16、穩的操作。回油閥在試件加荷時，必須將其關緊，不許有油漏回。在試件斷裂后，慢慢打開回油閥，卸除負荷并使試驗機活塞回落到原來位置，使油回到油箱，應注意，送油閥手輪不用擰的過緊，以免損傷油針的尖端，回油閥手輪必須擰緊，因有較大的鈍角，所以不易損傷。3.5 液壓傳動系統一部機器要實現對動力傳遞和控制的目的，是借助于傳動機構來完成的。傳動形式可分為：機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動、液壓傳動。液壓傳動是以液體為工作介質進行能量傳遞和控制的方式。液壓傳動主要是利用液體靜壓能傳遞功能的一種傳遞方式，絕大多數采用礦物油作為傳動介質，所以也稱為油壓傳動。液壓傳動。液壓傳動由以下特點：以液壓為傳動介質：由于油液沒有固

17、定的形狀，但由一定的體積，所以這種傳動必須在密閉的容器內(油缸、油管)進行；液體只能受壓力，所以液體傳動是靠靜壓力來實現的。WE型萬能材料試驗機是常見的一種試驗機，在試驗機中液壓傳動被國內外廣泛應用著，如動靜萬能試驗機、測力機、諧振與非諧振試驗機，振動臺等，它們的工作部分基本上都是直線往復運動，也由作擺動運動的。這些液壓傳動比較復雜，本著由淺入深的原則，這里首先要分析一下WE型萬能試驗機的液壓系統及它的工作原理13。它有兩條主油路，一條是進油路，一條是回油路。在兩條油路上，分別各由一個閥來控制整個液壓系統的各種狀態。當系統開始工作時，首先把回油路上的回油閥（節流閥）關緊，按下起動按鈕，電動機帶

18、動油泵轉動，油箱中的油液經過濾油網吸入油泵，再經油泵的出油管送到送油閥內。當送油手輪打開時，高壓油經油管經過油管進入工作油缸，使工作活塞上升進行工作，改變送油閥的節流口大小，就能調節經過節流口的油液流量，使多余的油經過溢流管流回油箱。因而控制了工作活塞的上升速度，同時高壓油通過油管經回油閥中的單向閥的孔路進入測力油缸，使測力油缸內的測力活塞被壓向下移，并通過拉桿、擺桿、推板、推桿等的作用使指針沿度盤轉動，指示出試驗載荷的數值。在試驗過程中，由于試件突然斷裂，工作油缸中的油壓由高壓就會急劇降到低壓，為防止工作油缸油壓突然下降，單向閥中的鋼球堵住油管的進油口，這時測力油缸中的高壓油由節流口流回油箱

19、，使擺桿緩慢下落。工作活塞向下運動時，需將回油路上的回油閥（節流閥）打開，工作油缸中的壓力油經油管與回油針的節流口，從回油管流回油箱。改變回油路上回油閥的節流口大小，就能調節通過節流口的油液流量，因而控制了工作活塞的下降速度。根據工作情況不同，油泵打出的油液流量應當能夠調整，這個功能是由溢流閥來完成的。從油泵打出的定量油進入工作油缸，而進入工作油缸的流量要經過節流閥來調節。當油泵供油量大于工作油缸所需油量時，油壓升高，把溢流閥的閥芯推開，使多余的油經溢流閥流回油箱。4 WE-1000液壓萬能試驗機主要零件的選擇與校核4.1 試驗機底座強度校核機座可以簡化為簡支梁，受力及彎矩圖如圖4-1、圖4-

20、2所示已知：=N =0.76m，從彎矩圖可以得出最大彎矩在處，且最大彎矩處截面形狀簡化為如圖4-3所示圖4.1 簡支梁圖4.2 受力彎矩圖圖4.3 機座截面根據圖4.3，查機械設計手冊得：抗彎截面模量： （4.1） （4.2）其中： 比較公式（4.1）（4.2），因為所以，面為危險截面，解（4.1）式得彎曲應力 （4.3）機座材料為HT2040，強度極限，查手冊得=取安全系數，許用應力 （4.4） 所以有滿足強度條件。4.2 試驗機絲杠強度校核絲杠在該試驗機中又稱為拉桿，主要進行拉伸作用，所以對其要進行拉伸強度校核拉應力 （4.5） 所以 絲杠材料為，查手冊 取安全系數 =1.5 則許用應力

21、，滿足強度條件4.3 電機功率校核已知：電機功率 ， 轉速 帶輪直徑=，= 蝸桿頭數 ，蝸輪 絲杠螺距 1. 求絲杠轉速 （4.6）絲杠速度 （4.7）2. 求電機傳給絲杠的輸出功率已知： 皮帶輪效率=0.95 軸承效率=0.99 蝸輪效率=0.8 絲杠功率=0.5 總效率 （4.8） 絲杠輸出功率 （4.9）絲杠提升的總重量： 由功率 （4.10） 得 絲杠實際需帶以下重物：試臺，橫梁，絲杠，油缸、活塞、球面支桿，其他所以絲杠上升共需帶重物的總重量： 所以絲杠能提升的最大重量大于實際提升重量，可見電機功率足夠。4.4渦輪蝸桿的選取1選擇蝸桿傳動類型根據GB100851988的推薦，采用阿基米

22、德蝸桿（ZA）。2選擇材料根據庫存材料的情況，并考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。為了節約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。3按齒面接觸疲勞強度進行設計根據閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。由機械設計課本可知傳動中心距如下式所示： （4.11）（1）確定作用在蝸輪上的轉矩按=1，估取效率，則 （4.12）（2）確定載荷系數因工作載荷較穩定，故取載荷分布不均系數=1；工作載荷

23、小，視為無沖擊，取使用系數=1.0；取動載荷系數=1.1；則載荷系數： （4.13） =1.1（3）確定彈性影響系數因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=160（MPa）。（4）確定接觸系數先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值/=0.3，則得=3.1。（5）確定許用接觸應力根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，可知蝸輪的基本許用應力=268MPa。應力循環次數： =60 （4.14） =0.675壽命系數： =1.05 （4.15）則： =281.496（MPa） （4.16）（6）計算中心距 （4.17）（mm）取中心距=160mm，再根據=53查機械設計手

24、冊模數=5mm，蝸桿分度圓直徑=50mm，蝸桿頭數=1，蝸輪齒數=53，變位系數=0.5，分度圓導程角9。這時， 由機械設計手冊查得，因此以上結果可用。4.5 油缸座的強度校核油缸座的強度計算可簡化為簡支梁計算，支點距離為立柱中心距離。在加壓時，力是通過油缸臺肩傳遞給油缸座的，如圖 4.4所示，圖4.4 油缸座受力簡圖為支承臺肩半圓環的垂心到油缸中心距離，一般可簡化為油缸臺肩外徑，且=0.3m ，油缸座的受力分布及彎矩圖如圖4.5，圖4.6圖4.5 剪力圖 圖4.6 彎矩圖最大彎矩為A、B之間， （4.18） 油缸座的強度條件： （4.19）截面形心至最外點距離截面慣性矩以下求，先求出截面尺寸

25、如圖4-7所示：圖4.7 油缸座截面圖已知：=0.28m ,=0.42m ,=0.64m, =0.06m , =0.15m , =0.05m, m 形心 （4.20） 求截面慣性矩： （4.21） 其中 （4.22）油缸座的材料為QT500-7 。取安全系數則許用應力滿足強度條件4.6 連接螺栓的強度校核連接螺栓可按拉伸校核強度：拉伸強度應力 （4.23）且 工作負荷，取= 一般為（0.2-0.6），取=（為剩余預緊力）所以=為螺栓直徑：單個螺栓所受到的力（共6個螺栓）螺栓的材料為40Cr，查表得需用應力為取安全系數許用應力 （4.24）滿足強度條件。4.7 鉗口的強度剛度計算最大負荷1000

26、KN，材料為ZG310-570，其=310MPa，安全系數=2，結構如圖4.8所示，其中=20。 圖 4.8 下鉗口座的受力分析 155（MPa） （4.25）不計摩擦力，鉗口卡板受力如圖4.9所示，顯然，（KN） （4.26）（KN），圖 4.9 鉗口卡板受力圖圖 4.10 A-A截面視圖在A-A截面上： 97.5（MPa） （4.27）在B-B截面上， =70（MPa） （4.28）圖4.11 B-B截面視圖將移至C-C截面，則在C-C截面除有拉力外，還有一附加彎矩，在C-C截面上， （4.29）=80+20=100（MPa）圖4.12 C-C截面視圖故強度足夠。剛度計算 （4.30）=0

27、.（rad）=0.028鉗口座最上端張口（單邊）有：=8.15m=81.5（）4.8 螺母的強度校核4.8.1 螺紋副耐磨性計算根據公式： （4.31）已知：，則：查得許用壓強，因此滿足耐磨條件。4.8.2 螺牙的強度計算螺牙的強度條件分為剪切和彎曲兩個條件，由公式 （4.32） （4.33）已知：，螺母外徑，螺母圈數，螺紋牙底寬度所以由公式(4.32)得查表得許用剪切應力，所以，滿足剪切強度條件。由公式(4.33)得查表得許用彎曲應力，所以，滿足彎曲強度條件4.9 支柱的強度及穩定性校核4.9.1 支柱的強度校核支柱可只考慮受壓力，壓應力， （4.34）已知：支柱材料為 ，查手冊，取安全系數

28、=1.5 ，則許用應力所以， ，滿足強度條件。4.9.2 支柱的穩定性校核已知，彈性模量，支柱長度，支柱直徑則極限柔度 （4.35） 四支柱可以簡化為一端固定，一端鉸支，取壓桿長度系數，則壓桿柔度，其中，為截面積。所以 ：，適用于歐拉公式。根據歐拉公式：臨界壓力為： （4.36） 工作安全系數 （4.37）穩定安全系數 ，所以有 ，滿足穩定性要求。5 結 論本次畢業設計所設計的液壓萬能試驗機從液壓部分和機械部分充實了我的理論文化知識和設計能力。首先看到老師給出的設計題目，在網上查閱了相關的文獻資料，了解到它的發展現狀以及發展前景，從而開始著手設計。從方案論證開始，對試驗機的設計進行了大體的闡述

29、，有了一個總的方案，然后開始一步一步的進行設計計算，校核計算以及繪圖工作。通過此次畢業設計，讓我把大學里的專業知識做了一個全面的總結應用，對產品設計過程有了一個全面的了解，通過查閱資料，自己獲取想要設計的產品的信息，很好的鍛煉了自己的設計能力，學到了在課堂上學習不到的東西。當然，在設計過程中也了解到了自己的不足，一個完整的畢業設計是要有扎實的理論知識才可以完成的，這是我深深沒有達到的，所以，這次畢業設計使我感觸很大，深切的感到專業基礎知識的重要性。我會在以后的工作學習中，彌補自己的不足，提高自己的理論知識以及設計能力，做一名出色的機械設計人員，不辜負老師們的培養和期望。參 考 文 獻1 齊向陽,張輝,閆洪峰,汪瑞軍,李樹君,高艷雯,方濤,劉清林. 電子式萬能試驗機的