毕业设计机械性能拉伸试验机的设计.docx

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毕业设计机械性能拉伸试验机的设计

毕业设计

题目机械性能拉伸试验机的设计

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自0703班

学生许丛斌

学号20070403307

指导教师张冰

二〇一一年五月三十日

摘要

疲劳试验机是研究材料在动态力作用下的疲劳性能常用的试验机，而电液伺服疲劳试验机是集机、电、液于一体的试验设备，具有精度高、负荷大、频响宽、控制灵活等特点，成为精确研究材料、零部件甚至整机在实际使用状态下的力学性能的有力试验手段。

然而，材料或者零部件往往在多种应力的共同作用下疲劳失效的，因此，设计一种能够集拉、压、弯、扭，以及多种应力复合作用下的电液疲劳试验机是多个领域的迫切要求。

本文综述了国内外试验机的研究现状和未来的发展趋势，对试验机根据不同的方式进行了分类。

在分析试验机工作原理基础上，确定了2.5吨疲劳试验机的主要结构。

对试验机的主要零部件作动器、横梁、夹头等进行了计算校核，同时对液压系统进行了详细设计。

所设计的电液伺服疲劳试验机可以完成试样在复合应力作用下的高周疲劳性能，通用性好，精确可靠。

关键词：

试验机；疲劳；复合应力；电液伺服

ABSTRACT

Electro-hydraulicservofatiguetestingmachineiswidelyusedinmodernmaterialmechanicstest,whichintegratehydraulic,electronic,computerwithmechanics.Ithastheadvantagesofhighprecision,largeload,widefrequencyresponse,flexiblecontrol,andsoon.However,thefailureofmaterialsorcomponentpartsisduetotheaffectionofseveralkindsofstressessuchastension,compression,torsionandbending.Therefore,amulti-stressintegratedfatiguetestingmachineisrequired.

Basedonthereviewofthedevelopmentandtrendtendencyindomesticandoverseas,testingmachinesaredividedintoseveraltypes.Inthispaper,themainstructureofanelectro-hydraulicservofatiguetestingmachineisdesignedandtheprimarycomponentsarecheckedbycalculationsuchasactuators,beam,andchucksandsoon.Furthermore,thehydraulicsystemisdesignedindetail.

Thedesignedtestingmachinehastheadvantagesofhighfrequency,highaccuracyandadaptingtoseveraltestingconditions.

Keywords：

testingmachine;fatigue;compositestress;electro-hydraulicservo

摘要………………………………………………………………..…….….……………...

ABSTRACT…………….…………………………………..………………..…………….

1前言……….…………………………………………………………….….……………..1

1.1试验机的研究背景............................………………………….………….………..1

1.2试验机的发展历程...........................……….......…………….………….………..1

1.3国内外发展现状......................…………………………….…....……..………2

1.4试验机的发展趋势......................…………………………….…....……..………2

1.5本章小结…………......................…………………………….…....……..………2

2试验机的研究…….....................……..….………………………….…..….………….3

2.1试验机的原理……………………………………………………………………..3

2.2试验机的分类……..………………………….………………...………………..4

2.2.1按试样性质分类……………………………….…………………………...4

2.2.2按试验功能分类……………………………….…………………………...5

2.2.3按控制方式分类……………………………….…………………………...5

2.3试验机的主要结构..………………………….………………...………………..4

2.3.1主机部分……………………………………….…………………………...5

2.3.2测量放大部分………………………………….…………………………...5

2.3.3液压部分……………………………………….…………………………...5

2.3.4控制和数据处理部分………………………….…………………………...5

2.3.5附件…………………………………………….…………………………...5

2.4本章小结……..………………………..……….………………...………………..6

3试验机的结构方案确定................……..….………………………….…..….………….7

3.1作动器的选择……………………………………………………………………..7

3.2横梁升降装置……………………………………………………………………..7

3.3横梁夹紧装置……………………………………………………………………..7

3.4试样夹持装置……………………………………………………….…………….8

3.5控制系统选定……………………………………………………………………..8

3.6本章小结…………………………………………………………………………..9

4试验机的结构方案确定................……..….……………………..…….…..….……….10

4.1拉压作动器的选择与计算校核………………………………………………....10

4.2扭转作动器的选择与计算校核………………………………………………....12

4.3横梁立柱选择…………………………………………………………………....15

4.4横梁升降的液压传动计算……………………………………………………....18

4.5本章小结…………………….……………………………………,,,…………....19

5液压系统设计……….................……..….……………………..…….….,,,.….……….20

5.1泵站与电机的选择………….……………………………………,,,…………....20

5.2液压油的选择………….……………………………………………,,,………....20

5.3油源的设计………………….………………………………………,,,………....20

5.4本章小结………….…………………………..………………………...………....21

6传感器的选择与安装.................……..….……………………..…….…..…...……….20

6.1传感器的选用原则………………………….……………………………...…....20

6.2传感器的选择与安装………….…………………………………………...…….23

6.3本章小结………….……………………………………………………...……….23

7结论.................……..….………………………………………..…….…..….…...…….24

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….25

致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….26

1前言

1.1试验机的研究背景

电液伺服试验机集机、电、液等多项技术于一体，应用广泛。

它既利用了液压系统功率的重量比高、负载刚度大及作用力大的特点，又充分发挥电气系统灵活、精度高的优势；既能进行动态的高周疲劳程序控制和低周疲劳试验，也能进行静态的恒变形速率、恒负载速率和各种常规的力学性能试验；还可以进行断裂力学试验。

根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验。

这是其它形式的试验机所不能比拟的[1]。

所以，电液伺服试验机历来为国内外众多试验机厂家所重视，并在航天、航空、汽车交通、机械制造、船舶、电子等行业广泛应用。

但是现在市场上的电液伺服试验机只能进行独立的拉压、弯曲或扭转试验。

但是现实使用中，材料部件要同时承担拉压、弯曲、扭转的复合应力，或者承担疲劳载荷，所以如果要检测一种材料的机械性能，需要几种不同的试验机进行测试，其过程复杂，测试结果具有很大的局限性，而且也不够精确。

这就迫切要求设计一种新型的集拉压、弯曲、扭转于一体的试验机，可以测试试样在弯曲和扭转载荷作用下的疲劳寿命，可以做单弯曲试验，拉压试验，拉压疲劳试验，并且也可以做弯扭复合试验（弯曲、扭转同时进行），符合材料式部件在实际使用中所受的多种载荷作用[2]。

1.2试验机的发展历程

最早的疲劳试验机出现在1850年，德国人沃勒设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，但是这种疲劳试验机作用力小，改变幅值和频率都比较困难，给疲劳试验的研究带来很大的难度，同时阻碍了材料疲劳性能的研究。

在这种情形下，电液伺服疲劳试验机随着电液伺服技术的发展而发展起来。

由于其既能进行静态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种常规的力学性能试验，也能进行动态的高低周疲劳试验、程序控制疲劳试验，还可以进行断裂力学试验，根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验，也可以对广义范围上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩展、断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况模拟等，有着其他种类的试验机不能比拟的优势，被国际疲劳研究者最推崇得材料疲劳试验设备[3]。

随着生产力水平的提高和科学技术的飞速发展，各种用于加载试验的设备和系统不断产生，其性能不断完善，试验手段也不断拓展。

目前，人类文明已经进入计算机时代，计算机的应用己走入科研和生产的各个领域，并在这些领域为我们开辟了许多新的发展空间。

和其它许多科研领域一样，材料的强度实验也进入了计算机时代。

计算机参与控制的疲劳强度试验系统是一种软硬件结合的控制系统，相对于传统的控制系统而言，其优势是不言而喻的。

1.3国内外的发展现状

目前，国外生产电液伺服疲劳试验机的厂家很多，技术处于领先的知名厂家有：

日本岛津公司、美国MTS公司、德国中克公司及英国英斯特朗等。

我国的各类机械式试验机是20世纪50年代发展起来的，如机械式拉力试验机、机械万能试验机、机械振动台等。

这类机械一般具有足够的精度和稳定性，可实现无级调速。

但负荷能不大，难于控制，且不够灵活。

20世纪60年代开始，制出了液压试验机，如液压式拉力试验机、液压万能试验机。

采用液压系统加荷，加荷能力较高，加荷平稳，加荷速度可自由调节，负荷测量范围宽.可从几吨到几千吨。

这类试验机一直被广泛采用，有的还增加了一些新装置，如定速加荷装置、应力应变自动记录装置、差动变压器应变测量装置等。

1980年，济南试验机厂生产的WE-60型液压万能试验机获得国家经委颁发的银质奖，并在1983年定为国家优质产品。

1982年长春试验机厂研制成功50t电液伺服程序疲劳试验机，还研制成功疲劳试验机的关键部件一无齿夹头，为试验机提供了可靠的夹具。

1985年长春试验机研究所试制成功200t电液伺服试验机，是中国第一台机电一体化的低应变率、大吨位电液伺服试验机。

采用电子计算机控制电液伺服系统，可实现负荷、变形、位移控制，可进行数据采集、处理、绘图、打印和显示。

在20世纪90年代，长春试验机研究所和长春试验机集团公司共同研制的“电子万能试验机”，在测量精度、拉压负荷传感器、弹性体处理技术等方面有了突破，特别是在微机控制方面，采用GPIB国际标准接口总线，使产品技术指标达到国际20世纪90年代先进水平。

1.4试验机的发展趋势

经过150年的发展，材料试验机已经越来越成熟，从以前的简单试验机发展到现在的电液伺服试验机。

现如今，越来越多的高精度，高性能的设备的出现，也迫切需要高精度的试验机。

此时，电液伺服疲劳试验机以其精度高、负荷大、频率响应宽，正日渐成为精确研究材料的力学性能，模拟零件、部件甚至整机在使用状态下的力学特性的有力试验手段。

另一方面，材料试验机也正在向计算机化，自动化，系统化，微型化，合成化发展。

1.5本章小结

本章主要介绍了试验机的研究背景、发展历程以及国内外试验机的发展现状和试验机的发展趋势，对试验机的总体概况有了一定程度的理解和认识，提出了设计一种新型的试验机的要求。

2试验机的研究

2.1试验机的原理

电液伺服试验机是由机械、液压、电气、计算机四大部分组成。

由工作台、立柱、横梁试件、上下夹头、负荷传感器以及活塞杆组成的机械部分承受试验载荷；液压部分是试验机的能源；电气部分主要完成力学量（负荷、变形、位移）的检及安全保护等功能；控制信号的产生（试验波形）、PID控制参量的调节、试验结果的数据处理等工作由计算机完成。

由PC机发出的控制信号与反馈信号相比较，所得的偏差信号经伺服放大器处理后产生控制电流，送到电液伺服阀的控制线圈。

在输入电流的作用下阀芯移动，控制进入作动器内油液流量，使活塞运动，并经负荷传感器、上夹头将力传递给试件，再经下夹头传给机架。

负荷传感器检测试件所受的力并转化成电量，经放大器处理后，作为反馈信号与输入信号相比较，这就构成负荷反馈控制回路。

反馈信号还可以从夹持在试件上的引伸计或装在作动器上的位移传感器引出，从而构成变形（应变）反馈回路或位移反馈回路[4]。

试验机的工作原理图见下图

图2-1试验机的工作原理

2.2试验机的分类

试验机根据不同的分类方式可以进行不同的分类

2.2.1按试样性质分类

试验机按试样的性质可分为金属试验机和非金属试验机。

目前伴随着新材料的发展，也出现了新材料试验机。

2.2.2按试验功能分类

试验机按试验功能可分为拉压试验机和扭转试验机。

（1）拉压试验机

拉压试验机是驱动拉压作动器对试样进行拉压试验以获得试样的拉压特性的设备。

对试样进行试验时，把试样放在底座和作动器（即液压缸）之间，通过夹头夹持，然后控制作动器加载拉力、压力或疲劳载荷，并在相应位置安装传感器，检测并显示试验结果，工作图如下

图2-2拉压试验机结构图

（2）扭转试验机

拉压试验机是驱动扭转作动器对试样进行扭转试验以获得试样的扭矩特性的设备。

试验机工作时将试样放在扭转作动器和尾座之间，通过方形夹头夹持，然后利用液压伺服系统控制扭转作动器施加扭矩或疲劳载荷，以达到检测试样扭矩特性的目的，也是通过传感器显示试验结果。

机构如下图

图2-3扭转试验机结构图

2.2.3按控制方式分类

试验机按控制方式可分为开环试验机和闭环试验机[5]。

2.3试验机的主要结构

2.3.1主机部分

主机主要有基座、作动器、工作台、横梁、试样夹持机构和横梁升降机构等组成。

主机通常分为油缸上置和油缸下置两种主要形式。

在本次设计中采用的是油缸上置的形式。

主要功能：

根据试样的形状通过液压控制横梁的升降来调整试样的夹持空间，由试样夹持机构夹紧和固定试样，通过作动器完成对试样的加载。

2.3.2测量放大部分

基本组成：

力传感器、位移传感器、角位移传感器、扭矩传感器、放大器等。

主要功能：

检测试样在加载过程中所受到的拉压力、扭矩、变形以及转动的角度，并通过放大器显示出来。

2.3.3液压部分

液压部分也就是试验机的动力部分，主要是提供动力源。

基本组成：

电机、油泵、油箱、各类控制阀、液压油及辅助装置。

主要功能：

控制试样夹持机构，对试样的加载和横梁的升降。

2.3.4控制和数据处理部分

基本组成：

计算机、输出设备和专用控制器等

主要功能：

完成整个系统的控制，各类参数的设置、显示，试验机工作过程及试验结果的记录，试验数据的处理、存储，试验结果的输出等功能。

2.3.5附件

基本组成：

拉压试验夹头、扭转实验夹头、弯曲试验顶杆及其它特殊试验附件。

主要功能：

通过更换夹头，完成各种特定试验如拉压试验、扭转试验、弯扭复合试验等[6]。

2.4本章小结

本章主要介绍了试验机的工作原理、试验机的分类以及试验机的主要功能结构，这使我们对试验机有了初步的认识。

3试验机的结构方案确定

本设计采用双立柱框架形式，液压缸上置式结构，通过液压系统控制横梁的升降来调整试验空间，试样夹紧采用液压自动夹紧装置，横梁采用机械式夹紧，试台下面安装有高精度的力传感器和位移传感器。

试验机主机的上横梁、立柱、试台、传感器与调心装置形成另一个刚性体。

在试验时，上、下钳口夹持住试样，上横梁通过活塞向上运动，完成对试样的加载。

3.1作动器的选择

在此设计中，作动器主要包括拉压作动器和扭转作动器，此处均采用液压缸，之所以采用液压缸，是因为液压传动与机械传动，电气传动相比较，有以下特点：

优点：

液压传动元件使用方便，可根据需要，灵活运用；体积小，重量轻，运动惯性小，反应速度快；操作控制方便，可实现大范围的无级调速；可自动实现过载保护；一般使用矿物油为工作介质，相对运动面可自动润滑，使用寿命长；更易实现直线运动；容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现远程遥控控制。

缺点：

由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低；工作性能容易受温度的影响，不宜在温度过高和过低的环境下；液压元件的制造精度要求高，造价贵；由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动；维修困难。

3.2横梁升降装置

横梁升降装置也采用液压控制系统。

这是由于液压传动与机械传动，电气传动相比较，有以下特点：

优点：

液压传动元件使用方便，可根据需要，灵活运用；体积小，重量轻，运动惯性小，反应速度快；操作控制方便，可实现大范围的无级调速；可自动实现过载保护；一般使用矿物油为工作介质，相对运动面可自动润滑，使用寿命长；更易实现直线运动；容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现远程遥控控制。

缺点：

由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低；工作性能容易受温度的影响，不宜在温度过高和过低的环境下；液压元件的制造精度要求高，造价贵；由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动；维修困难。

3.3横梁夹紧装置

横梁夹紧通常采用两种方式，一是液压夹紧，二是机械夹紧。

在此设计中，采用的是机械式夹紧，与液压夹紧相比较，机械式的夹紧更容易控制，而且更精确，所以采用机械式夹紧。

3.4试样夹持装置

本文介绍了一种以液压油为动力源、液压强迫夹持的闭式夹头，它具有夹紧力宽范围可调、变形小、工作可靠等优点，在实际使用中取得了满意的夹持效果。

原因：

在材料的动态试验中，首先，液压夹头所承受的是过零点的拉压双向载荷。

这就首先要求夹头必须采用液压强迫夹持方式，即夹头的钳口在承受试件的反推力作用时，不产生滑移。

其次，由于液压夹头所夹持的试件硬度覆盖面宽，不仅有硬度很高的金属材料，还有呈塑性的非金属材料和易碎而坚硬的陶瓷材料，这就要求夹紧力有较宽的可调范围，对不同材料具有较强的适应性。

再次，液压夹头输出的夹紧力必须稳定、波动度小，这就一方面要求液压夹头的供油压力脉动要小，同时还要求钳口座刚性好、变形小[7]。

基于以上理由，所以选择这种夹头。

3.5控制系统选定

本次设计的试验机控制系统选用MTS电液伺服控制系统。

电液伺服控制的特点：

响应速度快、控制精度高、频带宽、稳定性好、控制波形种类多、操作简单、定位方便、调正校核快捷有效

总体结构见下图

图3-1试验机的结构图

3.6本章小结：

本章详细介绍了作动器以及横梁升降装置选择液压系统的主要原因，介绍了横梁夹紧装置、试样夹持装置和控制系统的选定原则，最后又介绍了试验机的主体结构布局，使我们对于试验机的整体方案进行了确定，为以后的试验机的结构选择奠定了基础。

4试验机主要结构的选择和计算校核

本设计的基本参数

最大试验力：

25kN

最大扭矩：

800Nm

测量范围：

0～100kN，0～1000

试验力示值的相对误差：

±1%

横梁最大行程：

300mm

拉压作动器最大行程：

50mm

外形尺寸（长宽高）：

约800*600*1800

框架形式：

双立柱

拉压作动器位置：

上置

试样夹持直径：

Ф12～Ф20mm

疲劳试验基本参数见下表

表4-1疲劳试验基本参数

频率

拉压疲劳试验幅值

扭转疲劳试验幅值

10Hz

±1mm

±1°

20Hz

±0.5mm

±0.6°

30Hz

±0.33mm

±0.1°

40Hz

±0.25mm

±0.07°

50Hz

±0.2mm

±0.05°

4.1拉压作动器的选择与计算校核

4.1.1作动器

作动器实际工作的是一液压缸，此处采用的是双活塞杆双作用缸。

4.1.1.1作动器采用通用型液压缸。

通用型液压缸结构比较简单，零部件标准化，通用化程度高，制造安装都很方便，用途广泛，适用于各种液压系统。

此处，取额定压力Pn≤25MPa，缸筒内径D≤250mm，允许最大行程S≤2m

4.1.1.2液压缸主要部件材料和技术要求

（1）缸筒和端盖

材料：

热轧或冷拔无缝钢管（目前普遍采用）

技术要求：

1.缸筒内径采用H8配合

2.采用活塞环密封，表面粗糙度Ra为0.4－0.2um，需要研磨

3.缸筒内径的圆度和圆柱度采用8级精度

4.缸筒端盖的垂直度公差采用7级精度

5.为防止腐蚀缸筒内表面镀铬，镀层厚度30-40um，镀后抛光

（2）活塞：

采用整体活塞，密封环，导向环同槽安装

材料：

碳素钢45号

技术要求：

1.活塞外径D对内径D1的径向跳动公差为7级精度

2.端面T对内径D1的轴线的垂直度公差为7级精度

3.活塞外径D圆柱度公差按9级精度

（3）活塞杆：

采用空心活塞杆

材料：

高精度冷拔活塞杆，材质：

35号碳