1、精選優質文檔傾情為你奉上精選優質文檔傾情為你奉上專心專注專業專心專注專業精選優質文檔傾情為你奉上專心專注專業中南大學本科畢業論文（設計） 題 目 大型油缸沖擊試驗臺結構總體設計 學生姓名 指導教師 專業班級 機電工程試驗班 完成時間 2013.5.28 摘 要根據企業的需要，本課題通過比較已有的中小型油缸試驗臺，對油缸沖擊試驗臺進行設計，使其可用來測試大型油缸的性能、壽命等各項參數指標。此實驗臺要求可實現最大缸徑280mm、試驗長度0.38m及試驗壓力370MPa的工況，可承受最大推力4300kN，最大拉力2500kN，其主要包括主機、液壓系統和電控系統三大部分，而課題側重的是主機的結構設計，

2、其用于安裝被測油缸并承受試驗所產生的推力和拉力。本文對主機的方案進行分析和比較，并確定選用中間受力的設計方案。主要對主機的主機構、運動機構、主機架、試驗工裝進行了詳細設計。出于安全方面考慮，本文還對試驗臺主要部件進行了強度校核，這為試驗臺的設計和優化提供了一個參考。 關鍵詞：油缸 沖擊試驗臺 結構設計AbstractComparing the existing small and medium-sized cylinder test-beds, a long and larger-sized cylinder test platform, which is used to test the v

3、arious parameter index of long and big-sized cylinder, such as the performance and life, is designed to satisfy the requirements of enterprise in this paper. The working conditions that the platform is required to achieve include the maximum cylinder diameter (250mm), the test pressure (from 0.3m to

4、 8m), and the test pressure (from 3MPa to 70MPa).In addition, the platform should withstand the maximum thrust (4300kN) and tension (2500kN). The test platform mainly consists of main body, hydraulic pressure system, and electric-controlling system, and themainfocusofthissubject here is the structur

5、al design of the main body, which is used to install the cylinder tested and withstand thrust and tension generated during the test. Firstly, the paper analysesandcomparesthe implementationalternatives of the main body, and determine to choose the design scheme of receiving stress in their middle pa

6、rts. And then, a detailed designabout the main bodywouldbegin, such as the main mechanism, the movement mechanism, the main frame, and the testequipment. Finally, for safety reasons, theintensitychecking of the critical pieces is carried out in this paper.Keywords: cylinder platform structural desig

7、n目 錄 TOC o 1-3 h z u 第1章 緒論1.1液壓及油缸試驗臺的發展液壓傳動作為不同于機械傳動的一門新技術，從1650年靜壓傳遞原理被帕斯卡提出、1850年英國人在液壓起重機和壓力機中運用帕斯卡原理開始，液壓傳動已經有了兩三百年的歷史。早期的液壓傳動大多用水作為介質，因此油缸也叫做液壓缸。最早在艦艇上的炮塔轉位器用水代替油取得成功，其后才有了液壓轉塔車床和磨床。在第二次世界大戰期間，將功率大、反應快、動作準的液壓傳動和控制運用在兵器后，使其性能大大的提高。這一舉動不但帶給人們新的認識，而且對液壓傳動的發展有了很大的提升，戰爭其實有時候在科技發展上會帶來意想不到的結果。在工業上的大

8、力運用是在20世紀中后期才開始的。20世紀60年代后，隨著計算機、微電子及科學技術的大力發展，使液壓傳動包括傳動、控制、檢測成為一門完整的技術，使他在國防建設、國民經濟發展等各方面都得已應用。液壓傳動在其自己的領域內已占有絕對優勢，例如，國內外大多數工程機械、90%的機床、95的自動化生產線采用了新技術液壓傳動。因此，使用液壓傳動現在已成為一個國家工業、軍事的重要衡量指標之一【14】。作為液壓系統主要執行元件之一的油缸，它的性能將會直接影響到液壓系統的可靠性，更進一步將會影響液壓設備的正常運行和維護，因此需要通過測試臺檢測其性能是否達到技術要求5。隨著科學技術的迅猛發展,液壓行業對油缸綜合性能

9、的要求也隨著提高,對油缸性能的檢測與試驗成為保證液壓系統正常運轉的可靠保障。最近十幾年高端油缸市場幾乎被德美日所壟斷,導致這種結果的一個主要原因就是我國的油缸試驗臺比較落后，在油缸檢測方面落后,讓我國液壓缸產品質量降低，發展較慢。近幾年隨著我國經濟的快速發展，對科學技術的重視，在油缸檢測及實驗方面有了很大的提高，在這里讓大家見證一個實例：地處長沙的三一重工收購了曾近在重型機械遙遙領先于世界的德國普茨邁斯特（大象公司）。隨著工程機械技術的不斷發展， 油缸作為工程機械中一個非常重要的部件，對使用時的密封性、安全可靠性和使用壽命也有了更高要求。一些存在質量問題油缸的出廠，不僅為客戶造成了很大損失，而

10、且也為日后種下了安全隱患。油缸試驗平臺作為油缸唯一的試驗平臺，隨著近幾十年科技的發展，液壓系統更加的趨向于完美，對他的要求也越來越嚴格，國家制定的油缸試驗方法GB/T 15622-1995也更新為GB/T15622-2005。油缸試驗平臺也隨著油缸的發展步步高升。1.2液壓油缸實驗臺國內外現狀1.2.1國內現狀 國內油缸試驗臺的發展可謂突飛猛進，在不到十年的時間內，專門做油缸試驗臺的廠家猶如雨后春筍，冒出了十多家，我認為徐州力成液壓設備有限公司做的比較好、比較全。徐州力成液壓設備有限公司借助徐工集團工藝研究所和江蘇省機電研究所改制機會，一些長期從事非標設備和專用工藝裝備設計制造的主要工程技術人

11、員從中脫離了出來，于2003年成立了專業從事各種專用液壓設備研發、設計、制造的科技型股份制企業徐州力成液壓設備有限公司。介紹幾款他們的產品。油缸裝配試驗一體機油缸裝配試驗一體機(見圖1-1）是在裝缸機上先對油缸進行裝配，裝配完成后，接著就在裝缸機上進行試驗。該機主要由液壓試驗單元和裝缸機組成，裝缸機不僅具有裝缸的作用，還作為試驗臺架使用。這種設備的配置最大的優點是占用場地面積小，購置上節省了試驗臺架的費用；最大的缺點是在裝缸時不能試驗，試驗時不能裝缸，工作效率低。所以該種設備主要適用于油缸的維修、新品試制、非批量油缸的裝配試驗，批量油缸裝配試驗很少采用。伸臂類油缸模擬工況動態加載試驗臺伸臂缸模

12、擬工況動態加載試驗臺（見圖1-2）主要用于起重機伸臂油缸在最高工作壓力下運行時的全行程加載試驗，同時也可用于伸臂類油缸的模擬加載試驗和常規出廠試驗。主要性能參數試驗系統最大試驗流量：200 L/min；試驗系統最大試驗壓力：35MPa；加載系統最大流量：25 L/min；加載系統最大壓力： 20MPa；試驗油缸最大行程：9000mm.圖1-1 油缸裝配試驗一體機圖1-2 伸臂類油缸模擬工況動態加載試驗臺油缸型式試驗臺 油缸型式試驗臺（見圖1-3）主要用于油缸型式試驗，依據GB/T 156222005液壓缸試驗方法中的相關要求，能滿足液壓油缸型式試驗要求的有關項目。如：1）試運轉；2）起動壓力特

13、性試驗；3）耐壓試驗；4）泄漏試驗（內泄漏、外泄漏）；5）緩沖試驗；6）負載效率試驗；7）高溫試驗；8）耐久性試驗；9）行程檢查。同時可滿足主油缸的防塵、防水、支腿油缸的偏載試驗等；試驗臺主要性能參數：系統試驗壓力：31.5兆帕，最高試驗壓力：50兆帕；系統容積補償流量: 65L/min，耐久性工作流量：1440 L/min，循環冷卻系統工作流量：200L/min，高溫試驗最大流量：65L/min；耐久性試驗時無桿腔運行速度最高可達到1.0 M/S(缸徑160)；測試液壓缸最大行程為3000mm（包括泵送、起重機、港機、路機、煤機、樁機、履帶吊等系列油缸）；測試液壓缸最大缸徑為320mm；最大

14、輸出力為3500kN；試驗臺電機總功率：531.2kW；試驗臺設置單獨的過濾系統，過濾系采用三級過濾，最精密級為5um；試驗臺可滿足B級測試精度。圖1-3 油缸型式試驗臺另外還有其他幾家公司的產品及簡介，如實驗臺（見圖1-4）依據GB/T15622-2005液壓缸試驗方法的要求，可對液壓缸型式試驗和出廠試驗的規定項目進行檢測。為了滿足液壓缸試驗較寬的壓力和流量范圍的要求，根據試驗實際工況最佳分配功率，降低能耗，系統選用高壓小流量柱塞泵和低壓大流量齒輪泵搭配；當液壓缸啟動運行時，低壓大流量齒輪泵運行，滿足運動速度的要求，當油缸到達行程終點時，低壓齒輪泵卸荷, 高壓柱塞泵運行，滿足系統高壓的要求。

15、試驗臺采用比例溢流閥控制，在操作臺上可以遠程調節液壓系統的壓力、流量等參數，調節的壓力、流量通過操作臺上的數顯儀表顯示，方便讀取。本試驗臺配備了加載裝置，可對液壓缸的負載性能進行全面檢測，最大加載載荷500KN。試驗臺主要技術參數：1、最高額定壓力：32Mpa2、系統總的流量：55 L/min圖1-4 泰安永泰油缸試驗臺1.2.2國外現狀1994年成立的韓國富林機械有限公司在液壓測試方面有很高的造詣，也是目前國外在這方面擁有比較領先的技術。其產品有很多種類，設備很齊全。現列出其中一二，因資源問題，對產品只有簡單介紹。1）、一般油缸試驗機（見圖1-5）：600 Bar 2 Line D50 -

16、D250 * 5M；2）、標準油缸試驗機（見圖1-6）：600 Bar 2 Line D32-D150；3）、超大型特殊油缸試驗機（見圖1-7）:450 LPM D10M；4）、挖掘機油缸試驗機（見圖1-8）：188 lpm * 210 bar 2 line；5）、超大型油缸試驗機（見圖1-9）：900 Lpm * 350 Bar-750 Bar Impulse Pre；6）、黑色化試驗機（見圖1-10）。 圖1-5 一般油缸試驗機 圖1-6 標準油缸試驗機 圖1-7 超大型特殊油缸試驗機 圖1-8 挖掘機油缸試驗機 圖1-9 超大型油缸試驗機 圖1-10 黑色化試驗機1.3液壓油缸平臺的發展

17、趨勢1）高壓化是液壓油缸發展的主要趨勢之一。由于重型機械的發展較快，如混凝土攪拌站、大型起重機械、地下工程機械等，他們都有壓力要求高、實際安裝空間小的特點，盡可能提高單位空間的油缸壓力不但解決了這一難題，而且為油缸的發展帶來了提升。想要解決高壓化這一難題，當然與材料技術的發展有很大的關系，只有解決了油缸材料問題才能根本上解決高壓化問題。隨著油缸的高壓化，對其測試及試驗的提高隨之而來。因為高壓就代表著危險，只有有了高質量高性能的試驗臺才能試驗檢測高壓化油缸，油缸才敢在實際生活中運用2）極端發展。隨著世界機械向兩端發展即微小型和超大型，所需的配件也有向兩極發展的趨勢，而現代重型機械95%使用液壓系

18、統，作為液壓系統的主要執行元件之一的液壓缸也有向更大更長發展的趨勢。油缸試驗臺作為油缸各項指標的測試的一個平臺，他的發展改進也勢在必行。3）智能化。無論微小型的還是超大型的油缸試驗要求安全準確智能，因此實驗平臺將可能會向智能型自動化方向發展。通過和微電子、計算機、機器人等有機的結合，有一天將有可能實現無人自動化，智能分析數據，自動修復油缸所存在的問題。 1.4 課題來源、要求及意義1.4.1 課題來源對于工程實驗班的畢業設計由學校、學院領導制定的方案：校企聯合培養，讓學生更早的了解企業項目。三一重工及他的客戶需要用更大更長的油缸，而油缸作為工程機械中一個非常重要的部件，對使用時的密封性、安全可

19、靠性和使用壽命有很高要求。對其的檢測也顯得更加重要。由于引進的韓國富林油缸沖擊試驗臺可試驗油缸長度和缸徑偏小、主要零部件使用壽命較低，現需求研制一臺可試油缸更長更大的沖擊試驗臺。1.4.2 課題要求本課題要求設計的大型油缸沖擊試驗臺，用于油缸生產企業對較長較大的油缸進行2倍額定壓力的沖擊試驗，可實現在幾秒鐘的時間內，使缸內壓力由3MPa升高至70MPa，并且兩腔交替升壓降壓。還具備每試驗到一定次數后進行內泄漏測試等功能。試驗臺分主機、液壓系統和電控系統三大部分。主機用于安裝被試油缸，并承受試驗所產生的推力和拉力。液壓系統提供高壓油，交替輸送到被試缸的活塞腔和活塞桿腔，并維持油液的溫度和清潔度。

20、其工作原理是液壓系統向某一腔供油，當壓力達到壓力傳感器所設定的壓力時，如70MPa，工控機發出指令，控制電磁換向閥、增壓缸等動力元件，是該腔泄壓并轉向另一腔供油，不斷循環。本設計要求對大型油缸沖擊試驗臺主機進行總體方案設計，包括主機架、活動機架、試驗工裝等。主要設計任務及參數：查閱相關文獻，翻譯一篇相關的英文科技文獻；完成大型油缸沖擊試驗臺主機總體方案設計，主要設計任務及參數：可試油缸直徑：280mm；可試油缸長度：6m（耳環型安裝距）；最大試驗長度：8m；試驗壓力：3-70MPa；機架承受最大推力：4300kN；最大拉力2500kN；最大試驗容積：130L；最長升壓時間：6s；完成2-3種結

21、構方案的機架方案設計，并比較其優劣，包括在相同強度和剛度條件下的重量、制造難度、可靠性、試驗長度調整和試驗工裝裝拆的方便性。完成大型油缸沖擊試驗臺主機總體裝配圖，以及主要零部件的工程圖；圖紙數量折合標準圖紙不少于4張A1圖紙。1.4.3 課題意義油缸試驗臺是為了檢測油缸是否有問題存在，能否達到要求。如油缸活塞桿和缸筒的偏心就是油缸普遍存在的問題，此問題比較嚴重的油缸當重復使用后，部件之間的公差將變得更大，P.J.Gamez-Montero，E.Salazar，R.Castilla，J. Freire, M.Khamashta，E.Codina等人專門針對這一問題發表了論文位移對液壓缸負載能力的

22、影響，他們通過大量實驗已證明此問題會大大降低了動力缸的負載能力；油缸摩擦問題也是普遍存在的問題【5,6】。只有有了高質量的試驗臺等設備，才能盡可能降低讓此類問題。液壓系統中作為重要的執行元件之一油缸，他性能的好壞將直接影響液壓系統的性能，更加會影響到設備的運行維護，用油缸試驗平臺測試并記錄數據，通過現代技術分析數據而獲得油缸的全部指標，這樣就可以預防由于油缸而出現的問題，大型油缸實驗平臺可測試的油缸長度、缸徑都變長變大，這樣對于需要用大型油缸的機械，如大型起重機，煤礦液壓支架等等。而目前全國液壓平臺大多適用于中小型油缸，此設計對于大型油缸的測試有一定的作用。1.5 本課題的主要內容本論文的研究

23、方案見圖1-11.圖1-11 課題研究方案全文共四章，各章的主要內容簡述如下：第一章緒論，對液壓、油缸、油缸試驗平臺進行了簡單的介紹，綜述了國內外目前油缸實驗平臺的研究現狀及發展，以及對課題的來源、任務、意義作簡短的介紹。第二章為主體，設計2-3種方案，選擇呢最優的一種，通過課題給定的參數來計算設計結構，用pro e做三維圖，cad做二維圖。第三章為結論，反映設計的特點、結果和理論見解。第2章 大型油缸試驗臺方案選擇及結構設計2.1 油缸試驗方法根據國標【GB/T 15622-2005】，制定以下實驗方法。2.1.1 試驗裝置液壓缸試驗裝置如圖2-1和2-2.圖2-1 加載缸水平加載試驗裝置圖

24、2-2 重物模擬加載試驗裝置2.1.2 測量準確度測量準確度采用B、C兩級。測量系統的允許系統誤差應符合表1-1的規定。表2-1 測量系統允許系統誤差測量參數測量系統的允許系統誤差B級C級壓力在小于0.2MPa表壓時/kPA 3.0 5.0在等于或大于0.2MPa表壓時/% 1.5 2.5溫度/ 1.0 2.0力/% 1.0 1.5流量/% 1.5 2.52.1.3 試驗用油液1）粘度 油液在400C時的運動粘度為29mm2/s74mm2/s。注：特殊要求除外。2）溫度 除特殊規定外，型式試驗應在500C20C下進行；出廠試驗應在應在500C40C下進行。出廠試驗允許降低溫度，在150C450

25、C范圍內進行，但檢測指標應根據溫度變化進行調整，保證在500C40C時能達到產品標準規定的性能指標。3）污染度等級 試驗系統油液的固體顆粒污染等級不得高于GB/T14039規定的19/15或-19/15【8】.4）相容性試驗用油液應與被試液壓缸的密封件材料相容。2.1.4 試驗項目和試驗方法1）試運行為了完全排除液壓缸內的空氣，需調整被測油缸試驗系統壓力，是被試液壓缸在無負載工況下啟動，并全行程往復運動數次【9】。2）啟動壓力特性試驗 試運轉后，在無負載工況下，調整溢流閥，使無桿腔（雙活塞桿液壓缸，兩腔均可）壓力逐漸升高，至液壓缸啟動時，記錄下的啟動壓力即為最低啟動壓力。3）耐壓試驗 使被試液

26、壓缸活塞分別停在行程的兩端（單作用液壓缸處于行程極限位置），分別向工作腔施加1.5倍的公稱壓力，型式試驗保壓2min；出廠試驗保壓10s【10】。4）耐久性試驗 在額定壓力下，使被試液壓缸以設計要求的最高速度連續運行，速度誤差為10%.一次連續運行8h以上。在試驗期間，被試液壓缸的零件均不得進行調整。記錄累計行程【11,12】。5）泄漏試驗 a、內泄漏：使被試液壓缸工作腔進油，加壓至額定壓力或用戶指定壓力，測定經活塞泄漏至未加壓腔的泄漏量。b、外泄漏：檢查缸體各靜密封處、結合面處和可調節機構處是否有滲漏現象。在試驗過程進行下列檢測：a）檢查油缸在運動中是否振動或爬行；b) 以活塞桿的密封處油液

27、泄漏情況為依據。在試驗結束的時候，觀看活塞桿上的油膜，應該不能夠形成油環或油滴；c）在全部靜密封處，不應該有油液泄漏；d）如果是焊接結構的液壓缸，應該查看焊縫處有沒有油液泄漏【13】。6)緩沖試驗 將被試液壓缸工作腔的緩沖閥全部松開，調節試驗壓力為公稱壓力的5000，以設計的最高速度運行，檢測當運行至緩沖閥全部關閉時的緩沖效果。7)負載效率試驗 將測力計安裝在被試液壓缸的活塞桿上，使被試液壓缸保持勻速運動，按下式計算出在不同壓力下的負載效率，并繪制負載效率特性曲線，如圖2-3.=Wp.A100% (2.1)圖2-3 負載效率特性曲線8）常溫試驗 在額定壓力下，向被試液壓缸輸人90的工作油液，全

28、行程往復運行1小時。9）行程檢驗 使被試液壓缸的活塞或柱塞分別停在行程兩端極限位置，測量其行程長度【14】。2.2 大型油缸試驗臺方案選擇設計一件產品時其方案選擇雖然加重了設計者的負擔，但通過方案選擇會讓設計者知道只設計一種時所想不到的問題。在每次設計機械時，方案選擇是一個必不缺少的環節，是保證產品可靠、安全的前提。2.2.1仿韓國福臨型試驗臺因三一重工已經引進韓國富臨的油缸試驗臺，如圖1-9，次試驗臺的可試長度5m，試驗壓力最高可達70m，最高受力2500kN。但目前所需的試驗平臺可試油缸長度達到了6-8m，總推力更加達到了4300kN。這種仿韓國福臨的實驗平臺（如圖2-4）機架總長14m，

29、因制造問題只能分兩段制造。表面有槽型鋼加螺栓聯接，通過螺栓的強度承受推力和拉力。圖2-4 仿韓國福臨型試驗臺優點：1）臺面鍵槽和孔位韓國福臨的油缸試驗臺一致，可實現工裝通用，節省資源；2）油缸支座的開檔寬度可調節，以適應不同的油缸；3）結構簡單容易操作；4）裝配方便。缺點：1）重量較大；2）兩端受力，適用于中小型油缸試驗，對于大型油缸產生的大力容易形成弓形，試驗臺壽命短，如圖（2-5）；3）大型油缸的缸徑變大時a變大力偶M=Fa變大導致試驗臺主機架表面弓形加劇。圖2-5 受力分析圖2.2.2中間受力型試驗臺中間受力型試驗臺（圖2-6）用大梁式主機，此方案思路來源于徐州力成液壓設備有限公司的油缸

30、式試驗臺（圖1-3），明顯改善了機架受力狀況，在提高強度和剛度的同時可減輕重量，尤其最大單件的起重量。圖2-6 中間受力型試驗臺這種油缸試驗臺總長11米，比上面仿韓國的試驗臺短了3m，支撐有3個，通過計算就可以滿足要求。根據所測油缸的不同，其主機構固定不動，通過移動活動機構的位置就可以滿足最短300mm，最長8100mm的油缸，其油缸最大外徑可以達到950mm。此試驗臺的受力如圖2-7.圖2-7 大梁式試驗臺受力分析油缸支撐用一個活動機構和一個主機構，兩個機構都是通過圓錐銷固定在大橫梁上，衡量為11000660100的型鋼打孔而成。通過兩種方案的比較，認為第二種方案在相同剛度和強度下的重量、制

31、造難度、可靠性、試驗長度調整方面更加好一點。其缺點就是試驗工裝裝拆不是很方便，需借助車架行車等設備，但油缸的每次試驗周期比較長，因此此缺點可以忍受。2.3 結構設計結構設計對于此論文是重中之重，也是關鍵所在，首先在設計大型油缸試驗臺時要考慮設計的經濟型要求。經濟性體現在設計、制造和使用的全過程中。設計制造表現為成本低；使用表現為高效率，較少地消耗能源，以及簡單的管理和低的維護費用等【15】。提高設計經濟性和制造經濟性的指標主要有：1）運用先進的設計方法，使設計最優化，盡可能使設計計算結果精確，保證產品的可靠性。盡可能采用Pro/e，CAD，有限元等技術，提高設計進度，減小設計成本。在較大公司如

32、三一重工，他們都有自己的資料庫，像pro/e這些軟件除了本身帶的功能外，為了更好的使用，有專門的隊伍進行研究，這樣就使設計的質量速度更好更快。最近幾年企業對有限元仿真的運用已普及，尤其是重型工程產品的研發，用仿真軟件不但提高了設計精度，設計速度，而且提高了產品的安全。2）最大限度地使用標準化的和系列化的零、部件。在條件允許的情況下，盡量采用標準化尺寸及結構設計零件。使用標準化可以不但減少設計時間及成本，而且使產品大眾化，能讓客戶有更好的使用體驗。3）盡量使用新的材料、新的技術、新的結構、新的工藝來設計產品。最近幾年各種新的技術突飛猛進，如計算機、生物學等，他們幾乎帶動了全部的科學技術，這也導致

33、產品的更新換代速度增加，而且讓產品更加完美。由于材料技術的大力發展，設計的時候選材也成了門學問技術，恰當的選擇材料不僅使設計最優化，而且可以讓產品更輕更小或者更大更重。4）為了是零件用料少、易加工、方便裝配，盡可能改善零件的工藝性【16】。試驗臺的可靠性需要依靠組成他的零、部件的可靠性及系統構成來保證。試驗臺和零件的可靠度是指在規定的使用時間（壽命）內和預定的環境條件下，能夠正常完成其功能的概率。失效的發生都是隨機性的，造成失效的原因也是隨機的，在于那些衡量零件工作條件的數量指標的隨機性。例如零件所受的載荷、環境溫度等不可能永遠是恒定的，而是隨機變化的；零件本身的物理及機械性能也是隨機變化的。

34、材料經濟性 材料經濟性其主要表現有以下幾個點： a材料的本身相對價格。b材料加工方面的費用。c材料利用率。d采用組合結構。e節約稀有材料。6）材料的供應狀況 選材時還應考慮當時當地的材料的供應狀況。為了簡化供應和貯存的材料品種，對于小批制造的零件，應盡可能減少同一部機器上使用的材料品種和規格【17，18】。2.3.1 大梁的設計1）外形設計 大梁作為大型油缸試驗臺主要承受力的大件，考慮了大梁加工工藝性，選材的合理性，及大概的受力分析后，根據設計要精確、安全、可靠三原則進行設計。在實際生產中，應先估算，然后用經典力學計算全部尺寸，最后需要有限元軟件（如ansys、dynaform 和ABAQUS

35、），但因時間問題，此論文沒有進行最后一步的校核。梁的設計可以看做軸的軸心受力，主要考慮剛度、強度、穩定性等方面校核。大梁的強度校核主要計算抗拉、抗壓應力等應足夠滿足。剛度校核主要計算大梁的最大撓度，因此試驗臺的支撐比較多，在這方面可以保證符合規定，能保證安全。整體穩定與剛度存在線性關系，主要指由于剛度差導致側向發生失穩。根據方案的初步設計大梁長需要11m所承受的力為4300/2kN，大概形狀如圖2-8.圖2-8 大梁在大梁設計時，所受力通過圓錐銷傳遞給圓錐銷孔，因此有三種位置：中上、中間、中下。如果大梁主要受拉力，而且由于自重有向下的撓度，且中間無支撐的話就選擇中上位置；無論受拉力還是推力，大

36、梁如果有足夠支撐使其變形減小到最低的話就選擇中間位置；如果大梁所受力主要為推力，且支撐少，選擇中下比較適合。在本設計中，考慮到自重的影響，運用了兩種解決方法：1）提高大梁的安全系數，也就是讓大梁的垂直高度增加，可以減緩大量由于自身及其他部件引起的向下彎曲；2）中間位置加一輔助支撐，因大梁的垂直高度增加，支撐輔助可以減少，這樣的好處就是在安裝的時候方便調節試驗臺的水平度。2）尺寸計算依據三一重工給定的任務書油缸直徑280mm；試驗最高壓力70MPa。計算出大梁承受的最大推力為F = PS = 70MPa(140mm)2 (2.2) =4310.3kN圓整為4300KN.兩根大梁，其中每根受力為F

37、1F1 =F/4=2150kN其受力分析如圖2-9圖2-9 大梁的受力分析大梁材料為Q235，查機械設計手冊可知厚度大于100時其屈服強度為s=195MPa，因大梁為主要受力件，安全系數取2.5，考慮到大梁的自重即橫放在上面的主機構、活動機構和被測油缸的重量，安全系數升高取4.5，即許用屈服強度為s=43.3MPa，由受力圖可知大梁只受拉力F1，危險截面在大梁與圓錐銷的相交處，先取銷直徑d=160mm，則大梁的拉應力為 =s （2.3）其中A為危險截面面積，即A = B（D-d）取大梁的寬度B=100mm，代入可得計算得D 650.78mmD取651mm，圓整為660mm。大梁主要受F1=21

38、50kN的拉力，根據任務書上面的要求，其次還受F2=1250kN的推力，因此所受力可以歸結為變應力，故材料會有疲勞破壞，提高大梁材料的性能，降低疲勞破壞也是一重點，疲勞破壞最為嚴重的地方是與圓錐銷的相交處，因此，提高孔周圍的表面質量，使其表面加工的較為光潔，減小或消除孔周圍的表面可能發生的初始裂紋。2.3.2 圓錐銷及錐套的設計圖2-10 錐套 圖2-11 圓錐銷1）形狀及作用 圓錐銷（圖2-11）及錐套（圖2-10）用來連接活動機構的軸及主機構的主箱體，是一個主要的受力件，對其的設計計算是必須的。錐套是一個開口的圓錐套，外表面是圓柱，內表面為錐面，在圓錐銷用長螺栓拉緊的時候錐套就會緊貼在軸和

39、圓錐銷上面，防止圓錐銷松動。圓錐銷中間為M40的螺紋孔，m36螺栓的可穿過孔來拉緊兩圓錐銷如圖2-12。圖 2-12 活動機構的安裝圖因試驗臺軸的橫向受力很小，對螺栓的要求不高。2）尺寸計算因大梁的厚度為100mm，及圓錐銷與大梁的接觸長度為100mm；因為圓錐銷的里段與軸配合，尺寸應大于100mm，取接觸長度為210mm.圓錐銷用來傳遞被試油缸與大梁之間的相互作用力，其受力與大梁受力是一對作用力與反作用力，受力分析如圖2-13。用42CrMo合金鋼制造圓錐銷，查機械設計手冊其屈服點s為930MPa，因圓錐銷受擠壓力的同時還有剪切力，其安全系數取5.0，s=186MPa。由大梁的設計知F1 =

40、 2150kN剪切強度計算圖2-13由 （2.4）整理得D代入數據計算得D115mm取D=120mm擠壓強度計算由 （2.5）整理得D+d代入數據計算得D156mm取D=160mm2.3.3 活動軸的設計軸的設計包括合理的結構設計和尺寸計算。結構主要取決于這幾個方面：軸在試驗臺的安裝形式和位置；活動軸上需要安裝的零件類型、數量、尺寸、和與軸的聯接方法；載荷的大小性質及分布情況；活動軸的加工工藝性等。對于不同結構上的軸所受到的影響不同，另外軸的結構形式隨具體情況而不同，因此沒有標準結構形式的軸。但是設計時必須要注意軸的設計原則，軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調整；軸

41、應具有良好的制造工藝性等。此試驗臺活動軸上的零件只有兩個側板，軸線方向的旋轉用鍵來固定，軸向方向應沒有作用力，側板加緊的情況下通過摩擦完全能滿足周向的定位，不需要軸套等固定件，用摩擦不僅節約了材料，而且裝配方便，其結構如圖2-14.圖2-14 活動軸及零件1）鍵的選擇 鍵作為一種標準件，在試驗臺上是用來實現軸和側板之間的軸向固定以傳遞轉矩，鍵一般有：平鍵、半圓鍵、楔鍵和切向鍵聯接。平鍵的工作面為他的兩側，工作時，靠鍵同鍵槽側面的擠壓來傳遞轉矩，此鍵不能承受軸向力，所以不能用作有軸向力存在的部件中。為了適應輪轂中鍵槽的斜度，半圓鍵可以在鍵槽中能繞幾何中心擺動，他的工作面為側面，但他在軸上的鍵槽較

42、深，所以只能用在輕載荷、靜載荷的軸上面。楔鍵的工作面為上下表面，上表面與他配合的鍵槽底面均有1:100的斜度。切向鍵其實是由一對斜度1:100的楔鍵組成，一對楔鍵沿斜面拼合后相互平行的兩個窄面為工作面。本試驗臺的聯接要求不高、傳遞的轉矩不大，根據鍵的選擇原則，選用一般平鍵就符合要求。 2）軸的尺寸計算 選軸的材料為42CrMo，因為軸是受力的主要元件之一，其安全系數選擇應偏高，現取5.0為安全系數，查機械設計手冊可知屈服強度為s=930MPa，即許用屈服強度為s=186MPa。軸的受力分析如圖2-15圖2-15 軸的受力分析a、剪切剪切強度 （2.6）整理得代入數據計算得D181mmb、彎曲根

43、據受力可做出如圖2-16所示的剪力圖和彎矩圖a 剪力b 彎矩圖2-16 剪力與彎矩由圖3-12可知危險截面在固定橫梁兩側板最內側。最大彎曲正應力為 （2.7）其中 =338.6kN/m截面為圓形，則代入可得代入數據計算得D289.9mm綜上所述，D可取290mm。 2.3.4 主機構拉緊螺栓及鉸接螺母設計在設計主機構時設想了很多方案，如像活動軸那樣后面再加個上下固定的定位銷；還有些看起來比較好用，容易裝配，但被老師否定了，因為加工工藝性不好，不能加工。鉸接螺母聯接型（圖2-17），這種結構用一根螺栓通過鉸接螺母聯接，將主機構的受力箱子和主機架相連，鉸接螺母為直徑160mm的30CrNi3合金鋼

44、制作而成，且有四根而只受擠壓力，根據前面圓錐銷的強度校核，強度、剛度完全符合。螺桿用30CrNi3合金鋼制作而成，直徑為85，另一端帶有M40的螺紋沉孔h=100mm（后面有用哦），根據前面圓錐銷的計算，強度肯定符合。 圖2-17 鉸接螺母聯接型a、螺紋連接的選用 連接螺紋可以分為普通螺紋聯接、非螺紋密封的管螺紋連接、用螺紋密封的管螺紋連接、米制錐螺紋連接。普通螺紋連接的牙型是等邊三角形，旋合后內螺紋留有徑向空隙。為了減小應力集中，設計時可以將外螺紋的牙根圓角大一點。這種聯接方式升角、螺距小，自鎖性比較好，強度相對于其他幾種螺紋連接較高，但因螺紋牙細導致不耐磨，容易滑扣【20】。非螺紋密封的管

45、螺紋的牙型是等腰三角形，旋合后無空隙，通常適用于旋塞、管接頭、閥門以及其他附件。如果密封性較高的話可以在密封面加東西，如密封物。用螺紋密封的管螺紋的牙型是當藥三角形，螺紋全都在圓錐管的管壁上，其錐度為1:16.其保證緊密性是依靠本身的變形完全可以保證的。一般用于旋塞、管接頭、閥門以及其他附件。米制錐螺紋的牙型角=600，平頂螺紋牙，其分布同用螺紋密封的管螺紋，主要用于氣體或液體管路系統。根據上面的分析比較，選擇普通螺紋的連接最為適合此試驗臺的情況。b、螺紋聯接的預緊 絕大多數螺紋連接在裝配時必須擰緊，試驗臺的螺栓要承受很大額定力，因此一定要預緊，使大支架和箱體在測試油缸承受工作載荷之前，預先受

46、到力的作用。預緊的好處在于增強大支架和箱體連接的可靠性和緊密性，可以防止當大支架安裝油缸后開始試驗時，由于承受力過大使鉸接螺母、螺桿、大支架、箱體出現縫隙從而相對滑移，這樣不僅會導致試驗失敗，更重要的是安全問題，在21世紀發展過快的中國，安全是一個最不能忽視的問題。經驗證明：合適的預緊力對于螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強度都是很有幫助的，在這兒的預緊力F0（060.7）A1,在這里F0645kN，因為預緊力過大會導致整個聯接的結構尺寸增大，有可能直接拉斷螺柱。所以為了保證預緊力不會導致螺栓的拉斷，又不會讓螺紋在工作時連接件過載，對此螺紋預緊時應控制好預緊力的大小。預緊力的控制有好幾種方法，

47、通常是借助器械來預緊，如側力矩扳手，定力扳手。裝配預緊力的大小大多是通過擰緊力矩來控制的。此試驗臺的預緊力由于過大，設計過程中需要借助小型油缸（圖2-18）也是此試驗臺的試驗工裝，和側力感應器來完成。圖2-18 便攜式油缸大型油缸試驗臺的試驗工裝即圖2-18 便攜式油缸，主要作用為預緊螺紋連接，拔圓錐銷，此工裝有一個小型油缸在活塞桿的一段加一段套筒，套筒的作用為當小油缸工作時起支撐作用。活塞桿的頂頭固定一個帶T型槽的圓柱體，此T型槽另一邊用10mm鋼板堵死。專門設計一個M40的T型螺釘，其尺寸和圓柱體的T型槽大概一致。預緊螺紋連接時如圖2-19，現將T型螺釘擰到已經放置好的螺栓的一段螺紋孔中，

48、將螺釘放到圓柱體的T型槽中，啟動小油缸（注意活塞移動速度不能過快），當測力器的快達到預訂力時如圖2-20，用扳手擰緊圓螺母，擰的程度不要過大，也可以使用側力矩扳手擰緊，擰到顯示的力大約剛從零以后即可。 圖2-19 螺紋連接預緊工裝圖 圖2-20 螺紋預緊工作圖這樣預警的好處是操作方便，拉緊所需的力全部由油缸提供，減輕工人工作負擔。因每次試驗的試驗周期過長，油缸的使用次數相應過少，每次預緊的速度很慢，可看作為靜載荷，油缸的強度和疲勞強度甚至比試驗臺的都好，也就是說工裝的壽命超過產品的。2.3.5 焊接件的設計在本試驗臺的設計中，大量的使用了焊接件，如水平支架（如圖2-21）、主支架（2-22）和

49、主機構的箱體（2-23）都運用了焊接件，但都有一個特點就是受力小，理論上焊接件焊縫除了承受自己的重力引起的力之外不受力。圖2-21 主支撐結構圖主支撐由9塊鋼板組成，包括2塊側板、2塊端板、2塊底板、2塊筋板、1塊頂板，它是用來裝配大梁，整個試驗臺垂直方向主要的支撐件。水平支架的結構同主支架的結構構造一樣，只是所需板的尺寸不同，是用來防止大梁由于受 圖2-22 水平支架圖2-23 箱體力不均衡而引起的失穩。主要承受水平方向的力，垂直方向受力為零。而箱體（圖2-23）是用來安裝大支架的，他的受力比較復雜，在試驗臺運行時主要承受沿試驗臺的水平方向力，因此他的側板受力將會過大，設計時他的尺寸為120

50、mm。 焊接件的工藝及設計注意要點：為了保證焊接的質量，避免未焊透后缺焊的現象，焊縫應按被焊件的厚度制成相應的破口形式，或進行一般的倒棱角修邊工藝。在焊接前，應對坡口進行清洗整理。熔化的金屬冷卻時要收縮，因此使焊縫內部產生殘余應力，導致構建翹曲。這不僅使焊接件難以獲得精確的尺寸，且將影響到焊縫的強度。所以在滿足強度條件的情況下，焊縫的長度應按照實際結構的情況盡可能取得短一些或者分段進行焊接，并應滿足焊縫交叉；還應在焊接工藝上采取措施，使構件在冷卻時能有微小自由移動的可能；焊接后應經熱處理（如退火），以消除殘余應力。此外，在焊接厚度不同的對接板件時，應將較厚的板件沿對接部位平滑輾薄或削薄到較薄板

51、的厚度，以利于焊縫金屬勻稱熔化和承載時的力流得以平滑過渡。在設計焊接件時，應注意恰當選擇母體材料及焊條；根據被焊件厚度選擇接頭及坡口形式；合理布置焊縫及焊縫長度；正確安排焊件工藝，以避免施工不便及殘余應力源。對于那些有強度要求的重要焊縫，必須按照有關行業的強度規范進行焊縫尺寸的校核，同時還應規定有一定技術水平的焊工進行焊接，并在焊后仔細的進行質量檢驗。焊接坡口 坡口參數包括：坡口角，根部間隙、鈍邊和坡口面角度等。坡口角：坡口角為200600，坡口角小則需要的焊縫金屬量少，但它需要滿足焊條能接近接頭根部并保證多層焊道側壁很好熔化。根部間隙：間隙過小根部熔化困難，加上必須使用小直徑焊條，焊接過程減

52、慢。間隙過大需要更多的焊縫金屬量，增加成本和增大變形傾向。鈍邊：是指在預加工邊緣上保留最小限度熔透金屬的附加厚度，焊接時金屬量通過它導向間隙。當用墊板焊接時不需鈍邊。坡口面角度，或稱斜邊角：它影響根部間隙、接頭可接近性和整個焊縫橫截面的熔化質量。焊接件結構設計應注意的問題：1）節省原料：用鋼板焊制零件時，盡量使用所用板料形狀規范，以減少下料時產生的邊角廢料；設計時設法搭配各類零件的尺寸，使其有些板料可以采用套料剪裁的方法制造。2）減少焊接工作量：減少焊接的毛坯數，用一塊厚板代替幾塊薄板；用鋼板焊接的零件，如有彎曲焊接的話現將鋼板彎曲成一定形狀再焊接，這樣不但提高了零件的強度，而且減少了焊接工作

53、量。3）焊縫位置應便于操作，手工焊主要考慮焊條操作空間、自動焊應考慮接頭處便于存放焊劑、點焊應考慮電極伸入方便。4）焊縫位置應有利于減少焊接應力與變形，焊縫應避免過分密集或交叉、不要讓熱量影響區相距太近、焊接端部應去除銳角。5）注意焊縫受力，斷面轉折處不應布置焊縫、套管與板的聯接應將套管插入板孔、焊縫應避免受剪力、焊縫應避免集中載荷。6）焊縫應避開加工面，加工面應距焊縫遠些、焊縫不應在加工表面上。7）不同厚度的工件焊接時接頭應該平滑過渡。2.4 試驗臺的裝配及功能介紹2.4.1 試驗臺的裝配試驗臺的裝配也是產品的最后階段，其裝配過程先固定兩個主支架，固定主支架也是裝配試驗臺的重中之重，因為其他

54、裝配都是以兩個主支架為基準來裝配的。裝配主機架時，外表面距離為11000mm，誤差不能超過10mm，其次主支架中線的對齊，誤差不能超過5mm，最后就是上表面的要求，同平面度誤差不能超過5mm。然后裝配大梁，此裝配需借助車間行車或起重機等起重機械，裝配時大梁的一個面要緊貼凸臺的表面，大梁的左面的端面緊貼主支架的外表面，最后用固定板固定，但起重設備不能撤掉（如圖2-24），圖2-24 大梁及支撐裝配圖接下來就安裝水平支架，因水平支架受力較小，作用沒有主支架大，所以對其的要求較低，用螺釘固定在大橫梁上即可（如圖2-25），對于支架及大梁的安裝到此結束。圖2-25 水平支撐裝配圖接下來就是主機構的安裝

55、，由于主機構裝配一次后不需要拆卸，所以他的安裝要靠近試驗臺的一端，習慣上安裝在最右端。主機構的安裝要求較高，不但要固定它的水平方向運動，而且需要防止主機構的旋轉，所以需兩個固定裝置。先用2個圓錐銷固定，包括垂直和水平方向（如圖2-26）；然后用2個定位銷加斜鐵固定，它的只能固定垂直方向的移動（如圖2-27）。主機構的安裝由于部件的重量較重，所以需行車或起重設備。 圖2-26 圓柱銷固定 圖2-27 定位銷固定最后安裝活動機構，由于不同的油缸試驗長度不同，因此機構需按不同的被測油缸來安裝，他只需固定水平方向的，當被測油缸安裝到主機構后，隨著主機構的固定，其旋轉也被固定，因此不需固定他的旋轉，只需

56、用圓錐銷固定即可（如圖2-28）。圖2-28 活動機構的安裝 圖2-29 拔銷裝置圖2.4.2 試驗臺試驗工裝由于活動機構的經常拆卸，因此需要拔銷裝置（如圖2-18），其工作原理同螺紋連接預緊大同小異，活塞桿的頂頭固定一個帶T型槽的圓柱體，此T型槽另一邊用10mm鋼板堵死。專門設計一個M40的T型螺釘，其尺寸和圓柱體的T型槽大概一致。預緊螺紋連接時如圖2-19，現將T型螺釘擰到已經放置好的螺栓的一段螺紋孔中，將螺釘放到圓柱體的T型槽中，啟動小油缸（注意活塞移動速度不能過快），直到拔出圓錐銷即可。（如圖2-29） 第3章 結論最近幾十年，由于將微電子技術、計算機技術、信息化技術及空間技術同液壓技術相結合，使其發展成為同機械傳動并駕齊驅的一門新技術，尤其在重工業，軍事方面更加明顯。油缸作為液壓系統主要的執行元件之一，