液压式测力装置设计毕业设计论文.docx

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液压式测力装置设计毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目：

液压式测力装置的设计

院（系）：

机电工程系

专业：

姓名：

学号：

58010220100124

指导教师：

二〇一二年二月二十三日

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

学号

58010220100124

专业

院（系）

机电工程系

毕业设计（论文）题目

液压式测力装置的设计

任务

与要求

一、设计的任务：

1、综合运用平时所学理论基础，基本知识和基本技能，提高和分析解决实际问题的能力。

2、查阅相关文献和资料，制定设计或实验方案。

3、参考文献不得少于6篇。

4、设计、计算、绘图。

5、总结和撰写论文。

6、在规定时间内完成老师布置的论文内容。

二、设计的要求：

1、内容丰富，立意新颖。

2、资料详实，运用得当。

3、语体正确，合符规范。

4、层次清晰，中心突出。

5、论证充分，结论合理。

6、正文不少于4000字。

完成时间段

2012年11月26日至2013年3月23日共17周

指导教师单位

重庆科创职业学院

职称

高级工程师

院（系）审核意见

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

2012.11.26-12.10

论文选题

2012.12.11-12.21

搜集资料

2012.12.22-12.31

拟定初稿

2013.01.01-01.31

修改中稿

2013.02.01-03.08

确定终稿

2012.03.09-03.15

交电子档、

打印稿2份

2013.03.16-03.23

答辩准备

教师对进度计划

实施情况总评

　　　　　签名：

年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一

毕业设计（论文）中期检查记录表

学生

填写

毕业设计（论文）题目：

液压式测力装置的设计

学生姓名：

学号：

专业：

机械制造与自动化

指导教师姓名：

张下炼

职称：

高级工程师

检查

教师

填写

毕业设计（论文）题目工作量

饱满

一般

不够

毕业设计（论文）题目难度

大

适中

不够

毕业设计（论文）题目

涉及知识点

丰富

比较

丰富

较少

毕业设计（论文）题目价值

很有

价值

一般

价值

不大

学生是否按计划进度独立完成工作任务

学生毕业设计（论文）工作进度填写情况

指导次数

学生工作态度

认真

一般

较差

其他检查内容：

存在问题及采取措施：

检查教师签字：

年月日

院（系）意见

（加盖公章）：

　年月日

摘要

本论文介绍了有液压测力装置有关背景知识和发展现状，以及设计一个简便的液压测力装置。

其中讨论了液压测力的基本原理和其适用范围，研究它的对于其他测力装置的优劣。

重点阐述了设计的总体思路和该液压测力装置各个部件的选用及压力用油做了最优选择，并对该装置重要部件缸体做了详细的校核，且对该测力装置的测量范围和测量精度也做了客观的讨论。

最后，就活塞与缸筒间的内泄问题，缸桶系统的“有效面积”和压力表对液压测力装置测定值的影响做了细致论述，做出了前瞻性研究。

关键词：

液压测力缸体压力油

Abstrac

Thisthesisintroducedtohavehydraulicpressuretomeasuretheforceapparatusrelevantbackgroundknowledgeanddevetlppresentconditionfirst,andtheauthordesignofasimplehydraulicpressuremeasureforceapparatus

Discussedamongthemthehydraulicpressuremeasuresthebasicprinipliofforcetoapplyscopewithitandstudyitofforothermeasurethegoodandbadofforceapparatus.Thepointelaboratedthetotalwayofthinkingofdesigntomeasureforcetoequipchooseofeachassemblyunit,subassemblytousewiththathydraulicpressureandthepressuremadethesuperiorchoicewiththeoil,andtoshouldequipimportantassemblyunit,subassemblyurnbodytomakeadetailedschoolapit,andtoshouldmeasuredmeasurescopeandmeasureaccuracyofforceapparatustoalsomakeanobjectivediscussion

End,authorpistonandurntubeofinsideleakquestion,urn"activearea"andpressuregaugeofthebarrelsystemmeasuredtheinfluenceoftheforceapparatusmeasuringvaluetomakemeticuloustreatisetothehydraulicpressureandmadeprospectaresearch

KEYWORD:

HydraulicpressureMeasureforceUmbodyPressureoil

第一章绪言

第一节计量的意义和作用

计量是关于测量的科学，是实现单位统一、量值准确可靠和与国际一致的科学和管理活动。

实际上，人类在科学研究、经济活动和社会活动中，时时刻刻都离不开计量。

众所周知，尺子、秤、电表、秒表、煤气表都是用于计量的，计量已经渗透到了人类工作、学习、生活的各方面，人们在不知不觉当中，应用和享用了计量知识和技术。

计量与国民经济建设和科学技术的各个领域息息相关，不管是人类的衣食住行、工农业生产、国防建设、科学研究，还是国内外贸易，处处都离不开计量。

现代计量已经成为国民经济的重要技术基础。

此外，大量的事实证明，物理学上的许多重要发展，都是在精密计量测试的基础上取得的。

而许多国防尖端技术的突破，也和计量测试分不开。

因此，从这个意义上说，可以将科学技术和计量的关系概括为一句话：

“科技要发展，计量须先行”。

第二节计量的对象及发展

量在相当长的时间里，计量的对象主要是物理量，随着科技进步和社会发展，逐渐扩展到工程量、化学量、生理量，甚至心理量。

目前的计量，已不再停留在以往度量衡的基础上，而是形成了一门独立的学科—计量学，涉及长度、温度、力学、电磁学、无线电、时间频率、光学、电离辐射、声学和化学等各种专业。

第三节《计量法》的实施

为了在全国范围内统一计量制度，1959年6月国务院发布“关于统一计量制度的命令”，确定以当时的公制即后来的国际单位制，为国家基本计量制度。

1985年9月全国人大常委会通过“中华人民共和国计量法”，与此同时，在1985年我国还加入了国际法制计量组织，这标志着中国的计量工作纳入了法制管理的轨道，计量法律、法规体系已基本完备，且已经与国际法制计量接轨。

第四节法制的计量

计量的内容和含义十分广泛，而法制计量是计量中一个重要的概念，对于工农业生产、国防科技和人民生活是必不可少且最重要的。

计量院作为国家法定计量技术机构，在《计量法》实施20年的时间里，建立并不断改进计量基标准；加强国际合作与交流，增强国际地位，开展强制检定，保障人民生命安全；受国家质检总局委托，承担计量标准考核和计量器具型式批准试验任务。

第五节国内外现状

力学处测力室是计量院建立最早的实验室之一，该实验室研制保存的20MN基准测力机是目前国内最大的超重型精密力值计量装置。

它首次把静压润滑技术应用于单缸结构的工作缸塞系统中，制造技术难度大。

1990年通过原国家技术监督局鉴定，达到国际先进水平。

1992年被批准为大力值国家基准，1996年获得国家科技进步一等奖。

它的应用为大型工程项目科研与技术开发提供了精密的测试手段，提高了对工程结构和高层建筑安全受力状态的检测水平，为航空航天技术总体精度的提高创造了必要条件。

20MN基准测力机的力值准确度优于1×10-4，力值变动度优于1×10-4，灵敏限优于2×10-5。

1990年10月，计量院与日本NRLM进行大力值比对。

中日两台20MN基准机力值比对的结果一致性约在1×1010-4，我国的20MN基准机力值波动度处于10-5量级，优于日本20MN机一个数量级，充分显示了静压润滑工作缸塞系统的优良性能和先进水平。

德国物理技术研究院（PTB）的16.5MN液压式测力机采用了十分复杂的四缸并联动压润滑方案，对制造水平，加工工艺要求较高，而且成本也十分昂贵，日本国家计量研究所（NRLM）的20MN液压式测力机采用传统的单缸动压润滑结构，投资是我国20MN测力机的八倍。

第二章液压测力装置提出和意义

在工业生产中，测量两个物体之间夹紧力的大小是实际生产中经常要遇到的问题。

一般常规的测量方法比较多，如利用弹簧，应变片的方法等，但在某些场合下使用常规的测量方法往往有很多不便，如要测量制动器抱闸的夹紧力，要测量圆柱形电极接电连接头之间夹紧力等。

而液压式测量装置可以很好的解决上述问题。

总体上，测力计量在工业生产、建筑、国防等领域中具有非常重要的作用。

各种类型的测力装置可以产生准确的力值,作为一个国家力值的基准,在国家整个力值传递系统中占有十分重要的地位。

与其他类型测力装置相比，液压式测力装置可以测量很大的力，适用于大力值计量领域。

液压装置设计时液压系统功能原理设计的延续和结构实现，可以说也是整个液压系统设计过程的归宿。

事实上，一个液压系统能否可靠有效的运行，在很大程度上取决于液压装置设计的质量的优劣，从而使液压装置结构设计在整个液压系统设计过程中成为一个相当重要的环节。

第一节液压式测力装置的设计制造

一、液压式测力装置设计制造原理

液压式测力装置是以帕斯卡原理为基础设计制造。

帕斯卡定律指出，密封容器内的液体向各个方向施加相等的压力，根据这一原理，作用于封闭液体的外力，以相等的压力向限制液体的容器或者管道的表面传递。

在液压式测力机的液压，系统中，作用于小面积的测力活塞上的标准砝码的重力W，会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值F，作用到待检的测力计或测力传感器上。

如图2.1所示，油液在油缸、活塞间隙中的泄漏由泵站提供的压力为P的高压油补给，从而使系统接近于液压平衡。

设计、制造液压式测力机的技术关键在于油缸和活塞之间不能存在任何的机械摩擦，而只能有液体摩擦。

同时，为了减小缸塞间的漏油量，以保证全机处于液压平衡状态，要求缸塞间的配合间隙极小（单边间隙一般情况不得超过几十微米）。

无论采用何种方案解决这一关键问题，不仅要以严谨、可靠的理论为基础，还要考虑加工工艺、制造成本等诸多实际因素。

传统的解决方法是采用“动压润滑”的方法，即油缸围绕活塞旋转，从而在缸塞间建立液体摩擦。

这一方法对有效面积较小的测力缸塞系统而言，不难实现，但对于有效面积较大的工作缸塞系统来说,却存在以下两点问题。

二、测力机的波动度较大

由于油缸旋转,使缸塞相对位置不断变化，因而漏油量也不断变化，整个液压系统内部的压力很难保持稳定，结果造成测力机的波动度较大。

第二节制造工艺复杂成本较高

本文介绍一种液压式测力装置，它既可以测量圆形二物体之间的夹紧力，通过改变前后顶头的形状，可用来测量非圆柱形物体之间的夹紧力，而且通过装置上的压力表可直接读出被测量物体之间夹紧力的大小。

装置结构简单，制造容易，使用方便。

图2.1液压式测力机原理图

第三章总体设计

第一节油缸的选用与校核

内径大小和内桶的长度的确定是液压式测力装置测量范围的重要参数，壁厚的确定是液压测力装置稳定性和安全性的重要参数之一。

在静止液体中，任意一点所受到各方向的压力都相等。

静止液体中某一微小面积-A么上受法向作用力-F队其压力可用下式表示：

-F

P=lim—（3.1）

-A∞-A

静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在一方向上所受静压作用力的总和。

便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。

固体壁面为一平面时，如不计重力作用，平面上各点处的静压力大小相等，作用在壁面上的力等于静压力与承压面积的乘积，即F＝pA，其作用方向垂直于壁面。

当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：

曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。

图3.1作用在曲面上的力

当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：

曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。

图3.2缸体

第二节活塞的选用与校核

活塞外表面的粗糙度和精度是决定改液压测力装置精度和灵敏度的重要条件，它的密封首先用活塞圈，再用两个O型密封圈，经检验，密封合格。

图3.3活塞

用45钢成型后，先淬火，然后渗碳，注意须放置时，要垂直放置，或悬挂。

第三节压力表的选用

一般选择压力表的常用工作点在其全量程的2/3左右时最为理想。

因此：

P=Ps/（2/3）=16/（2/3）=24MPa

式中：

Ps——油缸的常用工作压力20MPa

Pp——所选压力表的量程根据工厂的实际情况

所以决定选用30MPa的压力表。

第四节密封圈的选用

由于该液压测力装置是测量比较大的里，要求密封圈既能承受足够大的压强，又要尽量减少泄漏。

一、液压缸的密封

液压缸是依靠密封的工作容积变化来传递动力和运动的。

因此要求两个有相对运动的零件之间形成的空间应是密封的。

不使油液从进油腔泄漏至回油腔，更不允许泄漏到缸体外面，若密封不良不仅使液压缸的性能和效率降低，甚致失去工作能力，因此，对液压缸的密封提出以下要求：

1、在额定工作压力下，保证良好的密封，使其减少泄漏。

2、相对运动的零部件间，密封装置引起的摩擦力要小，不允许有卡死或爬行现象。

3、密封元件的加工工艺和装配简单。

即制造容易，成本低，适于组织集中生产和标准化生产。

4、耐磨性好，工作寿命长，磨损后在一定程度上能自动补偿。

本装置选用的是O型密封圈，通常安装在矩形的沟槽中，用于固定件或往复运动件间的密封。

具有以下一些特点：

（1）密封性较好，寿命较长；

（2）用一个密封圈可起到双向密封的作用；

（3）懂摩擦阻力小；

（4）对油液的种类，温度和压力适应性较强；

（5）体积小，重量轻，成本小；

（6）结构简单，拆卸简单；

（7）既可做动密封，又可做静密封；

（8）可在较大温度范围内工作。

第五节排气阀的选用

如果没有排气阀的设置，压力油进入缸腔后，缸内仍会有客气，由于空气具有压缩性和滞后性，影响测力装置的准确性。

为了避免这种现象的发生，出来阻止空气进入外，必须在缸体上安设排气阀。

排气阀排的位置要合理，一遍安装后调试前排除缸体内部的空气。

由于空气比油轻，总是向上浮动，不会让空气有积存的残留死角。

第六节顶头的设计

由于该液压测力装置在各种不同的环境条件下使用，有着不同的测量条件需要满足，所以塞给出两个成套的顶头，以便在不同的环境中，可以很好的和被测量物体贴合紧切，可以是测量更加准确。

如下图：

图3.4a顶头1

图3.4b顶头2

第七节液压油的选用

液压油的性能直接关系到改液压测力机的准确性和精度，本文对此做了较为细致的讨论分析。

密度：

定义为单位体积的质量。

一、液压油的主要物理性质

1、密度：

ρ＞=m/v﹙kg/m3﹚（3.2）

式中：

m——液体的质量

v——液体的体积

2、压缩性和膨胀性

油液的密度是随着温度、压力的变化而变化的，即密度是温度和压力的函数其

数学表达式为：

〉=〉pt

液体的密度随压力和温度的变化量很小，纯液压油的体积弹性模量K值1.4×109~2×109N/m2，当液体中混入有不溶解的气体时，液体的体积弹性模量k会大大降低。

考虑到一般液压系统中很难避免混入气体，所以计算时常取f＝7XlcpN/m2，其计算结果与实际比较接近。

由于液压油的可压缩性很小，所以一般可以忽略。

但在高压以及研究系统动态性能时，则不能忽略。

二、粘度

1、粘性

当油液在外力作用下流动时，由于油液分子之间的内聚力和油液分子与固体壁面的附着力，会导致油液分子之间产生相对运动从而在油液中产生内摩擦力。

油在流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。

只有在流动时，油液的粘性才显示出来，静止液体则不显示粘性。

2、粘度的单位

粘性的大小可用粘度来衡量。

粘度是液体最重要的特性之一，对液压系统中所用的液压油的粘度常有较严格的要求。

粘度一般可用下面几种不同的单位来表示。

动力粘度

（1）如图所示，两块平行平板间充满着油液，上平板以速度v向右运动，下平板固定不动。

紧贴在上平板的油液粘附在上平板上与上平板一起以速度v运动。

紧贴在下平板的油液则粘在于下平板而保持静止。

当两平板之间距离h较小时，油液速度呈线性规律分布。

因而这时的流动可看作为许多薄体层的运动由于各层的流动速度不同，流速高的流层会带动流速低的流层，而流速低的沉层又会阻滞流速高的流层。

这样在流层之间就产生了内摩擦力。

根据试验研究，其液层间的内摩擦力F与接触面积Ａ和两液层的相对速度du正比，与两液层间的距离dz成反比。

dudu

即F=∝A—或=∝—（3.3）

dzdz

图3.5液体粘性示意图

上式称为牛顿内摩擦定律。

式中∝为动力粘度或内摩擦系数，/为单位面积的摩擦力（剪切应力），du/dz为油液相对滑动的速度梯度。

动力粘度∝的物理意义是：

当速度梯度为1时单位面积上的内摩擦力。

如果动力粘度只与液体的种类有关而与速度梯度无关，则这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。

液压油一般为牛顿液体。

（2）v的物的法定计量单位为mm2∕s

运动粘度v没有明确理意义，但在计算中常用到。

由于v的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。

（3）相对粘度由于动力粘度较难直接测量，因此工业上还常采用相对粘度来度量液体的粘性。

液体的相劝拈度又称条件粒度，是以被测液体的粘度相对于水的粘度的大小程度来表示的。

我国用恩氏粘度°E

三、粘度与压力的关系

当压力增加时，液体分子之间距离缩小，内聚力增大，粘度也增大。

在一般情况下，压力对粘度的影响较小，可不加考虑。

只有在压力较高或压力变化较时才需考虑压力对粘度的影响，它们之间的关系为：

｛p=｛oebq（3.4）

｛p——压力为ｐ时液体的运动粘度；

｛o——大气压力下液体的运动粘度；

e——自然对数的底；

b——系数。

四、粘度与温度的关系

温度对油液粘度的影响较大。

当温度增加时。

液体分子活动能力增强，内聚力减小，粘度降低。

油液粘度与温度的关系称为粘温特性。

不同的油浓有不同的粘温特性。

在30～150℃范围内，运动粘度v﹤76mm2/s的矿物的矿物油的粘度与温度的关系见下表：

表3.1温度指数n

v（mm2∕s）

2.5

6.5

9.5

12

21

30

38

45

n

1.39

1.59

1.72

1.79

1.99

2.10

2.24

3.32

液压系统是依靠液压油来传递能量的，它的性能会直接影响到液压系统的工作。

对液压传动系统治压油的使用要求可概括如下：

1、粘度合适，随温度的变化小

工作介质粘度是根据液压系统中重要液压元件的油膜承载能力确定的，故应在保证承

载能力的条件下，选择合适的介质粘度。

工作介质的粘度太大，系统的压力损失大，效率降低，而且泵的吸油状况恶化，容易产生空穴和气蚀作用，使泵运转困难。

粘度太小，则系统泄漏太多，容积损失增加，系统效率亦低，并使系统的刚性变差。

此外，季节改变，以及机器在启动前后和正常运转的过程中，工作介质的温度会发生变化，因此，为了使液压系统能够正常和稳定地工作，要求工作介质的粘度随温度的变化要小。

2、润滑性良好

工作介质对液压系统中的各运动部件起润滑作用，以降低摩擦和减少磨损，保证系统能够长时间正常工作。

近来，液压系统和元件正朝高性能化方向发展，许多摩擦部件处于边界润滑状态，所以，要求液压工作介质具有良好的润滑性。

3、抗氧化

工作介质与空气接触会产生氧化变质，高温、高压和某些物质（如铜、锌、铝等）会加速氧化过程。

氧化后介质的酸值增加，腐蚀性增强，而且氧化生成的粘稠物会堵塞元件的孔、隙，影响系统的正常工作，因此，要求工作介质具有良好的抗氧化性。

4、剪切安定性好

工作介质在经过泵、阀和微孔元、器件时，要经受剧烈的剪切。

这种机械作用会使介质产生两种形式的粘度变化：

即在高剪切速度下的暂时性粘度损失和聚合型增粘剂分子破坏后造成的永久性粘度下降。

在高速、高压时这种情况尤为严重。

粘度降低到一定程度后就不能够继续使用，因此，要求工作介质的剪切安定性好。

5、防锈和不腐蚀金属

液压系统中许多金属零件长期与工作介质接触，其表面在溶解于介质中的水分和空气的作用下会发生锈蚀，使精度和表面质量受到破坏。

锈蚀颗粒在系统中循环，还会引起元件加速磨损和系统故障。

同时，也不允许介质自身对金属零件有腐蚀作用，或会缓慢分解产生酸等腐蚀性物质。

所以，要求液压工作介质具有良好的保护金属、防止生锈和不腐蚀金属的性能。

6、同密封材料相容

工作介质必须同元件上的密封材料相容，不引起溶胀、软化或硬化，否则，密封会失效，产生泄漏，使系统压力下降，工作不正常。

7、消泡和抗泡沫性

混入和溶于工作介质的空气，常以气泡（直径大于1.0mm）和雾沫空气（直径小于0.5mm）两种形式析出，即起泡。

起泡的介质使系统的压力降低，润滑条件恶化，动作刚性下降，并引起系统产生异常噪声、振动和气蚀。

此外，空气泡和雾沫空气的表面积大，同介质接触使氧化加速，所以，要求工作介质具有良好的消泡和抗泡沫性。

8、抗乳化性

水可能从不同途径混入工作介质。

含水的液压油工作时受剧烈搅动极易乳化，乳化使油液劣化变质和生成沉淀物，妨碍冷却器的导热，阻滞管道和阀门，降低润滑性及腐蚀金属，所以，要求工作介质具有良好的抗乳化性。

9、清净度

工作介质中的机械杂质会堵塞液压元件通路，引起系统故障。

机械杂质又会使液压元件加速磨损，影响设备正常工作，加大生产成本。

各种液压系统工作介质都应符合相应清净度的要求。

10、其他

良好的化学稳定性、低温流动性、抗燃性，以及无毒、无臭，在工作压力下，具有充分的不可压缩性。

五、液压工作介质品种的选择

1、液压系统所处的工作环境

即液压设备是在室内或户外作业，还是在寒区或