液壓沖擊試驗臺設計
液壓沖擊試驗臺設計,液壓,沖擊,試驗臺,設計
本科畢業(yè)設計開題報告
題 目 液壓沖擊試驗臺設計
一、 選題的目的、意義和研究現狀
1. 研究目的及意義
液壓沖擊試驗臺是指對試樣施加沖擊試驗力，進行沖擊試驗的材料試驗機。聯工生產沖擊試驗機分為手動擺錘式沖擊試驗機、半自動沖擊試驗機、數顯沖擊試驗機、微機控制沖擊試驗機、非金屬沖擊試驗機等?？梢酝ㄟ^更換擺錘和試樣底座，可實現簡支梁和懸臂梁兩種形式的試驗。在機械、電子等制造行業(yè),產品的生產、運輸、搬運及其運行過程中無處不存在各種不同類型、不同程度的沖擊,因而檢測產品的抗沖擊性能成為反映其質量的重要方面,同時也是產品可靠性的重要部分。隨著人們對產品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。
2.研究現狀
以試驗機力脈沖發(fā)生器的發(fā)展為標志，沖擊試驗機的發(fā)展大致經歷了三個階段。第一階段是早期以橡膠、氈墊、彈簧等作為力脈沖成形器的機械式沖擊機。這類沖擊試驗機的自動化程度往往較低,只能產生單一波形類型。第二階段則是以自動控制理論的發(fā)展,自動化設備的興起,新材料的發(fā)展為基礎,以使用特制材料與液壓或氣動控制結合為特征的力脈沖發(fā)生器作為緩沖器,不同的脈沖發(fā)生器對應不同波形,這種力脈沖發(fā)生器精確度比較高,性能也比較穩(wěn)定。第三階段是上個世紀八十年代末以來,隨著計算機應用與集成電子技術的快速發(fā)展,以能在一臺緩沖器上產生多種力脈沖波形的智能化力脈沖發(fā)生器為特征,并輔以高度自動化的控制以及數據分析設備的新型沖擊試驗機。這種沖擊試驗機現在正逐步替代第二代沖擊臺,并廣泛流行。本章首先在綜合國內外文獻的基拙上介紹了沖擊試驗機的發(fā)展歷史、研究與應用現狀,并介紹了沖擊試驗與沖擊波形的運用狀況。
我國國內也有不少企業(yè)和研究機構在生產和研制各種類型的沖擊試驗機。雖然這些沖擊試驗機在某些結構形式、局部裝備方面不盡相同,但多數廠家和研究機構的產品和成果是第二代的沖擊臺,能產生的波形比較單一,即以橡膠、液壓氣動來提供緩沖波形。
由于液壓技術廣泛應用了高技術成果，如自動控制技術、計算機技術、微電子技術、磨擦磨損技術、可靠性技術及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術有了新的發(fā)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質量、水平有一定的提高。綜合可見，其主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面： 1．減少能耗,充分利用能量
液壓技術在將機械能轉換成壓力能及反轉換方面，已取得很大進展，但一直存在能量損耗，主要反映在系統(tǒng)的容積損失和機械損失上。如果全部壓力能都能得到充分利用，則將使能量轉換過程的效率得到顯著提高。
2．主動維護
液壓系統(tǒng)維護已從過去簡單的故障拆修，發(fā)展到故障預測，即發(fā)現故障苗頭時，預先進行維修，清除故障隱患，避免設備惡性事故的發(fā)展。 另外，還應開發(fā)液壓系統(tǒng)自補償系統(tǒng)，包括自調整、自潤滑、自校正，在故障發(fā)生之前，進行補償，這是液壓行業(yè)努力的方向。
3．機電一體化
電子技術和液壓傳動技術相結合，使傳統(tǒng)的液壓傳動與控制技術增加了活力，擴大了應用領域。實現機電一體化可以提高工作可靠性，實現液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，改變液壓系統(tǒng)效率低，漏油、維修性差等缺點，充分發(fā)揮液壓傳動出力大、貫性小、響應快等優(yōu)點。
二、研究方案及預期結果
1.研究內容
本設計首先根據給定的設計參數及液壓系統(tǒng)原理圖設計出合理的沖擊試驗臺的液壓系統(tǒng)，針對所設計的液壓系統(tǒng)進行元件選型。然后根據主要元件參數進行試驗臺機械系統(tǒng)設計并進行三維建模，最后對試驗臺進行AMEsim仿真研究。
2.主要解決的問題：
通過對主要設計參數的研究計算設計合適的液壓系統(tǒng)與機械結構，設計滿足要求的沖擊試驗臺
3.技術路線
通過查找機械設計手冊，公司產品樣本來確定對應液壓元件的型號。根據相應公式進行液壓系統(tǒng)性能驗算，采用caxa畫圖軟件進行零件圖、裝配圖以及三維立體圖的繪制。
4.論文框架
第一章：緒論
第二章：沖擊試驗臺整體方案設計
第三章：沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設計
第四章：數據采集系統(tǒng)的研究
第五章:數據處理及分析
第六章：結論
三、研究進度
第1周:收集資料、撰寫任務書及開題報告。
第2-3周:完成總體方案設計；
第4-5周:完成試驗臺液壓系統(tǒng)的設計；
第6周:完成試驗臺液壓系統(tǒng)各元件的選??；
第7-8周:完成試驗臺的結構設計；
第9-11周: 完成試驗臺結構尺寸計算；
第12-14周:利用caxa繪圖；
第15周:完成畢業(yè)設計說明書
第16周：整理文檔、圖紙，校對設計內容，準備參加畢業(yè)設計答辯
四、主要參考文獻
[1]李壯云.液壓氣動與液力工程手冊（上冊）.北京：電子工業(yè)出版社，2008
[2]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].第三版.北京:機械工業(yè)出版社.2011
[3]孫志禮.機械設計[M].沈陽:東北大學出版社，2000
[4]王慧.液壓與氣壓傳動.沈陽：東北大學出版社，2011
[5]雷天覺.新編液壓工程手冊上下[M].北京:北京理工大學出版社.1998
[6]毛君，謝苗.工況裝備液壓系統(tǒng).北京:煤炭工業(yè)出版社，2014
[7]王益群.液壓工程師技術手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社.2009
[8]聞邦椿.機械設計手冊.第四卷.第五版.北京：機械工業(yè)出版社，2010
[9]李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)設計[M].北京:北京航空航天大學出版社.1991
[10]徐灝.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社.2004
[11]周士昌.液壓系統(tǒng)設計圖集.北京：機械工業(yè)出版社，2003
五、指導教師意見
指導教師簽字：
5
本科畢業(yè)設計（論文）
中文題目：液壓沖擊試驗臺設計
外文題目：Hydraulic impact test rig design
摘要
在我國大發(fā)展、快發(fā)展的大背景下,我們的國民經濟也處于不斷上升的過程中,工業(yè)的發(fā)展成為帶動經濟發(fā)展的重要力量。在這過程中,液壓技術也得到了較大的發(fā)展空間,液壓技術滲透在我國工業(yè)的各項領域中,其中,液壓傳動是一門較新的技術,雖然僅短短幾十年的發(fā)展歷程,可是如今卻被大規(guī)模地應用在礦山、冶金機械、工程機械、機床等多種機械以及相關的武器裝備里。
抗沖擊性能作為產品可靠性的重要組成部分,現在已備受產品生產者和使用者的關注。沖擊試驗則是測試產品抗沖擊性能約一個重要手段。為了提高檢測產品的抗沖擊性能的試驗水平,改進和完善沖擊試驗機性能則是一個重要的研究方向。本論文主要設計了一種對被試件進行沖擊性能試驗的試驗臺。介紹了該試驗臺液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)的設計及工作原理，確定了元件的主要參數。驗算液壓系統(tǒng)的性能，以及液壓控制系統(tǒng)的設計步驟，以及設計液壓系統(tǒng)時應注意的問題。在綜合國內外文獻的基礎上介紹了液壓沖擊試驗機的發(fā)展歷史,研究與應用現狀,并介紹了液壓沖擊試驗與沖擊波形的運用狀況。
關鍵詞：液壓系統(tǒng)；測試；性能
Abstract
In our country under the background of great development, fast development, our national economy is rising in the process, the development of industry become the important force in driving the development of economy. Hydraulic technology in the process, also get the larger development space, hydraulic technology in the domain of industry in China, among them, the hydraulic transmission is a relatively new technology, although only a short span of decades of development, but now has been largely used in mining, metallurgical machinery, engineering machinery, machine tools and various machinery and related equipment.
Shock resistance as an important part of product reliability, product producers and users of the watches now. Impact test is a test product shock resistance about an important means. In order to improve the level of detection products shock resistance of the test, to improve and perfect the impact testing machine performance is an important research direction. This paper mainly designs a shock performance testing of the specimens test rig. The test rig of hydraulic system are introduced and the design and working principle of measurement and control system, determine the main parameters of the element. Checking the performance of hydraulic system and hydraulic control system design steps, and the problems should be paid attention to when design the hydraulic system. On the basis of comprehensive literature at home and abroad to introduce the development history of hydraulic impact testing machine, research and application status quo, and introduces the hydraulic impact test and the application of shock wave.
Key words: hydraulic system; test ;performance
I
目錄
前言 1
1緒論 2
1.1課題研究的社會背景、目的和意義 2
1.1.1課題研究的社會背景 2
1.1.2課題研究的目的和意義 3
1.2國內外相關領域的研究現狀 3
1.2.1液壓沖擊試驗臺的發(fā)展現狀 3
2 沖擊試驗臺整體方案設計 8
2.1液壓沖擊試驗臺的工作原理 8
2.1.1沖擊動力學基本概念 8
2.1.2液壓沖擊試驗臺的數學模型 8
2.2 液壓沖擊試驗臺設計預期成果 10
2.3液壓沖擊試驗臺主體設計與實現 10
2.3.1系統(tǒng)要求 10
2.3.2沖擊頭與立柱的導向設計 11
2.3.3導向立柱的設計 12
2.3.4試驗臺整體模型的建立與實現 13
3沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設計 15
3.1沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)的設計要求 15
3.1.1沖擊試驗臺的組成 15
3.1.2本設計實例的設計參數和技術要求 15
3.2工況分析 15
3.3液壓缸的典型結構 18
3.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數 19
3.4.1初選工作壓力 19
3.4.2確定液壓缸的主要尺寸設計及校核 19
3.4.3計算最大流量 22
3.5導向環(huán)的設計計算 23
3.5.1導向環(huán)的主要優(yōu)點 23
3.5.2導向環(huán)的型式 23
3.5.3導向環(huán)的尺寸不同 24
3.6 活塞桿導向套 25
3.6.1結構式 25
3.6.2材料 25
3.6.3尺寸配置 25
3.6.4加工要求 26
3.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 26
3.7.1設計思想 26
3.7.2試驗臺工作原理 27
3.8 液壓元件的選擇 27
3.8.1液壓執(zhí)行元件的選擇 28
3.8.2液壓泵的選擇 28
3.8.3原動機的選型 29
3.8.4液壓控制閥的選擇 29
3.8.5管路的選擇 30
3.8.6確定油箱容積 31
3.8.7蓄能器的選擇 31
3.8.8過濾器的選擇 31
3.8.9液壓油的選擇 31
3.9 液壓系統(tǒng)性能驗算 32
3.9.1系統(tǒng)壓力損失計算 32
3.9.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 33
4 測試數據采集系統(tǒng)的研究 36
4.1數據采集方案原理設計 36
4.1.1信號及數據采集 36
4.1.2 A/D基本概念 37
4.1.3瞬態(tài)沖擊力測量系統(tǒng) 38
4.1.4測試系統(tǒng)方案 38
4.2信號采集硬件 39
4.2.1加速度傳感器的選擇 39
4.2.2數據采集卡的選擇 40
4.2.3信號調理及采集觸發(fā)電路 41
5數據處理及分析系統(tǒng)的實現 42
5.1信號預處理 42
5.1.1信號直流分量的消除 42
5.1.2信號的平滑 42
5.2 濾波器 43
6產品經濟分析 46
7總結 47
致謝 48
參考文獻 49
附錄A：譯文 50
附錄B：外文文獻 54
畢業(yè)設計（論文）
前言
沖擊試驗臺是指對試樣施加沖擊試驗力，進行沖擊試驗的材料試驗機。聯工生產沖擊試驗機分為手動擺錘式沖擊試驗機、半自動沖擊試驗機、數顯沖擊試驗機、微機控制沖擊試驗機、非金屬沖擊試驗機等。可以通過替換擺錘體和試件基座，來實現簡支梁和懸臂梁兩種不同形式的試驗。在電子、機械等制造行業(yè),樣品的制造、運輸、搬運及其運行過程中無到處存在著各種各樣類型、不同程度的碰撞沖擊,因此檢測產品的抗沖擊性能成為反映其質量的重要因素,同時也是產品可靠性的重要組成部分。隨著人們對產品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。本章首先在綜合國內外文獻的基礎上詳細說明了沖擊試驗臺的歷史發(fā)展、研究和應用現狀,并介紹了沖擊試驗的運用情況,然后根據參數進行液壓系統(tǒng)設計，機械方面設計，并且對其進行驗算。本次液壓沖擊試驗臺的設計完成，有利于沖擊試驗的進行。
1緒論
1.1課題研究的社會背景、目的和意義
1.1.1課題研究的社會背景
沖擊是一種非周期性的瞬態(tài)振動,可以看作是一個結構系統(tǒng)受到瞬態(tài)載荷的作用,也可以看成能量從外界傳遞到一個結構系統(tǒng)的短暫過程沖擊可以看作是振動環(huán)境的一種特例沖擊一般分為簡單沖擊和復雜沖擊,簡單沖擊,其沖擊幅值隨時間變化的曲線按國際標準可以近似為簡單的幾何圖形,如半正弦矩形波和鋸齒波等;復雜沖擊,其沖擊幅值隨時間變化的曲線呈復雜的衰減振蕩形狀。
沖擊往往會使設備激起強迫振動和固有頻率響應,使產品性能和結構強度受到不同程度的損害甚至失效飛機船舶車輛及各種工程機械,在其運行時經常受到沖擊的作用,對各自的結構性能以及安裝設備都將產生有害影響。 液壓沖擊試驗臺用于實驗室模擬產品在實際使用中，需要承受的沖擊破壞的能力，以此來評定產品結構的抗沖擊能力，并通過試驗數據，優(yōu)化產品結構強度。根據正確評定產品的抗沖擊能力，可有效地提高產品使用的可靠性。用實驗室試驗的方式來模擬包裝運輸件在運輸、裝卸過程中可能受到的沖擊破壞，由此來評定包裝件在運輸過程中受到沖擊時，包裝的緩沖、減振能否達到對產品的保護能力沖擊試驗臺 。
現有國內沖擊試驗機主要有擺錘式沖擊試驗機、落錘式沖擊試驗機和霍普金森壓桿沖擊試驗機。其中，擺錘沖擊試驗機主要是進行材料的沖擊性能檢測，能級較小，一般只有幾百焦耳；金屬落錘沖擊試驗機測試范圍比較廣，最大的湖南大學工程結構綜合防護研究所的重型超高落錘沖擊試驗機，能級可達到十萬焦耳，速度可達17m/s；霍普金森壓桿沖擊試驗機主要進行小試件的高速沖擊測試，子彈沖擊速度較大，但能級較小。國外比較先進的沖擊試驗機當屬英國的Instron高速沖擊試驗機以及日本島津Shimadzu沖擊試驗機，兩者都是采用高速電液伺服控制系統(tǒng)，其特點是利用儲能器積蓄高壓液體，然后通過作動器快速釋放來使沖頭短程內達到極高沖擊速度，能夠保持持續(xù)較高的沖擊力和作用速率，但目前兩種沖擊試驗機能級都比較小，最大的Instron VHS 160/100-20型高速沖擊試驗機只有160kN的動態(tài)沖擊力，能量只有48KJ，并且價格昂貴。而沖擊地壓發(fā)生所釋放的能量作用于單個支護體結構上就高達幾百萬焦耳，現有的沖擊試驗機均無法滿足煤礦支護重型設備和材料的沖擊實驗需求，同時還存在一個問題是這些沖擊試驗機都不能對試件施加靜動結合加載，與煤礦支護體所受沖擊地壓的破壞情況有所不同。
1.1.2課題研究的目的和意義
液壓沖擊試驗臺是指對試樣施加沖擊試驗力，進行沖擊試驗的材料試驗機。在機械、電子等制造行業(yè),產品的生產、運輸、搬運及其運行過程中無處不存在各種不同類型、不同程度的沖擊,因而檢測產品的抗沖擊性能成為反映其質量的重要方面,同時也是產品可靠性的重要部分。隨著人們對產品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應的液壓沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。
本課題旨在通過搭建一種液壓沖擊試驗臺，對被沖擊件進行沖擊試驗，最終得出這些被沖擊件在時間范圍內的變形量、沖擊能量、沖擊速度之間的關系，另外，本課題的研究還有如下幾方面的意義：
首先，本課題在充分考慮功能要求和經濟成本的基礎上，搭建了具有大沖擊能量范圍、高測試精度、數據采集分析一體化等諸多優(yōu)點的液壓沖擊試驗臺。雖然這種變形的試驗臺還有一定的局限性，但是由于液壓沖擊試驗臺在我國甚至是國際上也屬于剛剛起步，試驗成本極高，且數據處于保密狀態(tài)，因而本試驗臺具有很高的實用價值及現實意義。本試驗臺在測試功能上也具有較大的優(yōu)勢，價格方面更是如此。本課題搭建的液壓沖擊試驗臺在做一定的擴展之后，完全可以進行材料學方面的試驗。因此，從現實需求與經濟角度考慮，本課題的研究都具有重要的意義。同時本試驗臺的研究，具有一定的社會效益和經濟效益。
1.2國內外相關領域的研究現狀
1.2.1液壓沖擊試驗臺的發(fā)展現狀
隨著國外計算機技術、信息技術和測試技術的迅猛發(fā)展,許多外國液壓件研發(fā)單位都在積極研發(fā)和檢驗。液壓泵試驗臺開展工作較早的國家有德國、美國、英國、日本等,如SUNDSTRON公司、力士樂公司和日本制鋼所的柱塞泵效率試驗臺等都有用于液壓泵等測試的試驗平臺。近幾年,新型液壓測試平臺的發(fā)展特點為高速化、高效率、多樣化、自動化的計算機輔助測試技術,其中,液壓泵試驗臺測試技術的發(fā)展更是突飛猛進,計算機輔助測試技術在液壓領域中應用越來越廣泛,并且有更大的發(fā)展?jié)撡|。以機電液技術為基礎的液壓泵試驗臺是綜合運用計算機技術、傳感器技術、比例控制技術、集成插裝技術等高新技術研制開發(fā)而成的一種綜合試驗檢測裝置。測試平臺按照中華人民共和國機械工業(yè)相關標準,對各種型號和排量的液壓泵進行模擬工況條件下的各種測試,計算機自動采集各種工況條件下的測試數據,并且打印報表和特性曲線。液壓泵試驗臺液壓系統(tǒng)主要組成部分有液壓系統(tǒng)油路、傳感器、采集卡、計算機等。其中,液壓系統(tǒng)部分根據有關國家標準進行設計,由于該部分基本已成型,最近幾年,主要在系統(tǒng)的自動化和比例控制方面進行研究。液壓技術經過幾十年的發(fā)展,目前主要靠現有的技術來改進和不斷擴大其應用領域,為了滿足今后對液壓技術的要求,主要的研究方向集中在,高效節(jié)能、減少污染和機電一體化與計算機技術相結合的相關技術,因此在未來的一段時間內,試驗臺的研究主要的集中在運用各種技術不斷提高試驗臺的測試系統(tǒng)的性能,節(jié)約能源,減少污染,展開綜合應用研究等方面。
在機械、電子等制造行業(yè),產品的生產、運輸、搬運及其運行過程中無處不存在各種不同類型、不同程度的沖擊,因而檢測產品的抗沖擊性能成為反映其質量的重要方面,同時也是產品可靠性的重要部分。隨著人們對產品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。以試驗機力脈沖發(fā)生器的發(fā)展為標志,沖擊試驗機的發(fā)展大致經歷了三個階段。第一階段是早期以橡膠、氈墊、彈簧等作為力脈沖成形器的機械式沖擊機。這類沖擊試驗機的自動化程度往往較低,只能產生單一波形類型。第二階段則是以自動控制理論的發(fā)展,自動化設備的興起,新材料的發(fā)展為基礎,以使用特制材料與液壓或氣動控制結合為特征的力脈沖發(fā)生器作為緩沖器,不同的脈沖發(fā)生器對應不同波形,這種力脈沖發(fā)生器精確度比較高,性能也比較穩(wěn)定。第三階段是上個世紀八十年代末以來,隨著計算機應用與集成電子技術的快速發(fā)展,以能在一臺緩沖器上產生多種力脈沖波形的智能化力脈沖發(fā)生器為特征,并輔以高度自動化的控制以及數據分析設備的新型沖擊試驗機。這種沖擊試驗機現在正逐步替代第二代沖擊臺,并廣泛流行。這些產品主要有:美國MTS公司生產的886系列沖擊試驗機、美國AVCO公司生產的SM系列沖擊試驗機、日本吉田精機株式會社生產的ASQ系列沖擊試驗機Lansmont公司機械式,跌落式沖擊臺、美國TEAM公司的振動沖擊臺等。
總的來看,由于美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)在沖擊試驗方面的研究以及在沖擊試驗臺的研制上都比我國開展的早,所以他們的研發(fā)水平都高于我國的現有水平。如圖1.1(a)美國Lansmont公司的機械式沖擊臺系列因其工作臺面有較高的共振頻率而確保了沖擊脈沖的清晰度,而且它的較大的導柱、端面軸承,、剛性工作臺面、整塊式的鋼制臺基都是以滿足最大的硬度要求和使用壽命來設計的。它精密的沖擊波形發(fā)生器結構能保證準確的沖擊波形.,光學位移傳感器使試驗的跌落高度和沖擊觸發(fā)的位置得到保證.該系列的沖擊機不是按通常的方式用毛氈作緩沖墊,而是使用了特別的緩沖墊材料,這大大減少了導致沖擊脈沖響應譜低頻區(qū)域歪曲的脈沖毛刺,由這些脈沖變形導致的高頻噪聲也被減少了二到五成,然而這些緩沖墊材料需要選擇和配置一致,并定期更換。
日本吉田精機株式會社是典型的日本為數不多的試驗機專業(yè)生產廠家之一,
（a） (b)
圖1-1沖擊試驗臺（a）機械式沖擊臺；（b）沖擊試驗機
Fig.1-1Impact testing rig (a) mechanical impact test rig; (b) impact testing machine
它的沖擊試驗機在日本是最具代表性的,如圖1.1(b)為其中MDST系列能產生兩種波形:梯形波與半正弦波脈沖?？勺靼b貨物的等效跌落實驗。試驗條件的設定與自動控制都是利用計算機與控制裝置自動化操作?？勺鞫囝l的加速度測量與各種分析(合成,SRS,SR,損傷邊界線圖等)。采取控制策略來防止再次沖擊,它具有高剛性的試品安裝臺。該系列是其公司產品中較先進的一款沖擊機.而它的鋸齒形發(fā)生器則是由傳統(tǒng)的方法產生,用帶有錐形頂端的圓柱形錯墊來作力脈沖發(fā)生器,半正弦波和梯形波則是采用特制專利材料作為力脈沖成形器,并用高壓氣缸控制波形的變化,使之達到沖擊試驗標準的要求。
圖1-2西北機器廠的Y52系列沖擊臺
Fig.1-2 Y52 impact testing rig from Northwest Manufacturing Company
我國國內也有不少企業(yè)和研究機構在生產和研制各種類型的沖擊試驗機。雖然這些沖擊試驗機在某些結構形式、局部裝備方面不盡相同,但多數廠家和研究機構的產品和成果是第二代的沖擊臺,能產生的波形比較單一,即以橡膠、液壓氣動來提供緩沖波形。這些廠家和研究機構如:蘇州試驗儀器廠,蘇州新區(qū)東菱振動試驗儀器有限公司,無錫市蘇威試驗設備有限公司,沈陽水利工程研究所等。蘇州試驗儀器總廠的CP系列沖擊臺雖然能對不同質量大小的產品進行試驗,而其緩沖器只能產生半正弦波形。蘇州新區(qū)東菱振動試驗儀器有限公司生產的SH一200型沖擊臺可產生半正弦波和梯形波。但目前我國也有少數廠家仿造研制了能產生多種波形的力脈沖發(fā)生器以及用它裝備的沖擊試驗機。
西北機器廠的Y52系列沖擊臺能產生滿足國標、國軍標、以及美軍標的電工電子產品沖擊標準的波形,如圖1.2,是目前我國國產試驗機中較先進的一個系列。其提升系統(tǒng)在液壓缸的作用下使工作臺提升到設定跌落高度。導向系統(tǒng)能保證沖擊系統(tǒng)有足夠的橫向自由度,限制橫向加速度在規(guī)定的范田內。支承系統(tǒng)主要起緩沖作用,以取代需要用戶建造的專用地基。多種脈沖波形發(fā)生器:能夠產生用戶需要的半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波三種沖擊波形,是沖擊試驗機的關鍵部件。增壓制動系統(tǒng):控制工作臺的提升和回跳。電氣測量控制系統(tǒng):采用微電子技術,控制沖擊臺的動作順序,并測量分析沖擊臺的沖擊信號,可打印沖擊臺面的加速度波形等實驗數據及參量。該產品由于在關鍵部件沖擊脈沖觸發(fā)器方面實現了在一臺機器上試驗多種波形,設計目標是達到國際上第三代沖擊試驗機的水平。正弦波力脈沖是靠閉式橡膠作為成形器來產生,鋸齒波是用的鉛塊作沖擊墊來產生,梯形波的產生也是用橡膠墊結合高壓氣缸來觸發(fā)和控制。
從現有的國內文獻來看,國內許多研究機構都在沖擊機的基本原理、力學模型、設計方法等方面作了探索與實踐,所設計的沖擊機在正弦波形上能產生滿足國標、IEC、國軍標或美軍標的沖擊試驗機,但是在沖擊機的核心部件力脈沖發(fā)生器梯形波、后峰鋸齒波方面的解決方法雖然也曾探索過采用液壓小孔節(jié)流,并采取氣液結合的控制方式,但是現有的研究成果顯示其還存在以下不足:一、波形超差嚴重、調節(jié)不便;二、只能產生一種峰值、脈寬的波形,不能按照需求任意選擇;三、調節(jié)不便。因此要解決現有沖擊波形成形器存在的問題,并降低沖擊試驗機的成本,需要研制性能更好、價格較低的新型沖擊脈沖成形器。
1.2.2沖擊試驗的研究
普通沖擊試驗能夠測出的沖擊功，在材料生產和加工工藝過程及機器零部件的檢驗上總結了許多經驗，它成功地被應用在以下幾個方面：(1)沖擊功對被試材料的宏觀缺陷、顯微組織上的差別等異常敏感，一直以來有效的利用在檢定鋼材的質量和鑒定冶金、加工和熱處理步驟的正確性，由此來控制和穩(wěn)定產品的質量；(2)因為沖擊功對隨溫度變化的鋼材產生的韌脆轉變相對敏感，所以被用來測定鋼材韌脆轉變的趨勢和轉變溫度。(3)沖擊試驗對被試件的缺口異常的敏感，所以經常用來評定金屬受到大能量沖擊的缺口敏感性；(4)近些年常用沖擊試驗來評測鋼材的沖擊功，確定鋼材的時效敏感性；(5)由于沖擊試驗臺設備較簡易，試樣加工容易，試驗時間較短等優(yōu)點，所以在配合其它試驗方法使用也引起了人們的注重。例如，斷裂韌性與沖擊功的關系上，建立了許多經驗公式。
隨著科學和技術的快速發(fā)展，特別是自動化、計算機和光電技術的迅猛發(fā)展，促進了(數字化)沖擊試驗臺的發(fā)展。不僅提高了力和位移測量的精確度，使沖擊試驗技術從落后狀態(tài)迅速進入了先進技術行列。從只能定性測定物理意義不是太明確的沖擊功，走向了定量測量而且具有使用價值的裂紋形成功和裂紋擴展在沖擊過程中各項指標變化的許多參數。這些反映材質抗沖擊性能的指標將成為以后的沖擊性能指標，為沖擊試驗臺的發(fā)展開創(chuàng)美好的發(fā)展前景。新標準的實施和深刻理解，必然會在許多方面取得更大的研究成果。
沖擊試驗是材料學領域內比較廣泛使用的一種分析手段。在航天、航空、兵器、電子、動力、車輛、包裝等行業(yè)都具有重要的地位。市場上目前所存在的沖擊試驗設備主要是服務于包裝產品的測試，鋼鐵產品的測試。就類型上來講，其主要又分為兩大類：一類是擺錘型沖擊試驗機，利用擺錘在一定高度下落過程中所具有的能量去沖擊目標試件；另一類是落錘式沖擊試驗機，利用錘體自由落體的能量去沖擊目標試件。在沖擊能量方面，市場現有產品都主要集中于幾百焦耳至幾千焦耳的小能量范圍，個別達到萬焦以上能量的設備也是需要定制的。在本課題研究的過程中，曾對國內材料試驗機做過市場考察，目前威海試驗機廠以及深圳新三思集團可以生產能量在 30000J左右的沖擊試驗機。市場上的試驗臺架多數采用氣動式，加載精確平穩(wěn)，缺點是占地大，成本較高，且由于有龐大的動力裝置與氣體管道，造成日常維護不便。其一般的落錘下落都有立柱定位，圓形立柱導套精度高，剛度大，但質量太大，結構笨重。
2 沖擊試驗臺整體方案設計
2.1液壓沖擊試驗臺的工作原理
2.1.1沖擊動力學基本概念
沖擊是系統(tǒng)受到了瞬時沖擊時，它的力、位移、速度或加速度會發(fā)生突然變化的現象。沖擊是振動的一種特殊狀態(tài)，它與一般狀態(tài)的振動不同，具有自己獨特的特點:
(1)沖擊過程是瞬態(tài)的，持續(xù)時間較短暫；
(2)沖擊是驟然的、劇烈的能量釋放、能量傳遞和轉換過程；
(3)沖擊激勵往往是非周期的，其頻譜是連續(xù)的，沖擊過程一次性完成，
不呈現周期性；
(4)系統(tǒng)在沖擊作用下所產生的運動為瞬態(tài)運動，運動狀態(tài)與沖擊持續(xù)時
間及系統(tǒng)的固有周期有關。
從理論分析角度看，沖擊運動就是系統(tǒng)受到一種短暫的脈沖、階躍或其它瞬態(tài)的非周期激勵下的響應。沖擊響應引起的系統(tǒng)振動能夠很快消失，但它引起的最大應力(或位移)卻可能使系統(tǒng)損壞。沖擊動力學過程是一系列隨時間變化的動態(tài)過程。理想的規(guī)則沖擊載荷波形主要有矩形、半正弦、梯形、三角形、鋸齒波等。但在工程實踐中，沖擊激勵的時域波形可能是非規(guī)則的，但是可以用理想的規(guī)則形狀來表示某些特定的沖擊。針對不同的沖擊載荷波形(沖擊形式)，系統(tǒng)的動態(tài)響應也不同，系統(tǒng)的響應主要取決于沖擊載荷脈沖的峰值、持續(xù)時間及波形形狀。
2.1.2液壓沖擊試驗臺的數學模型
根據方案的功能要求，最終對試驗結果的分析涉及到的物理量有瞬態(tài)沖擊力、瞬態(tài)速度、瞬態(tài)位移以及沖擊能。由于沖擊試驗屬于破壞性較強的試驗過程，所以測量方式必須為非接觸式。綜合考慮各個方面的因素，選定以加速度量為基本測量目標。由加速度信號，可以得到瞬態(tài)沖擊載荷：
（2-1）
式中——瞬態(tài)壓縮載荷(N)；
——重錘質量(kg)；
——測得的瞬態(tài)加速度()；
g ——重力加速度（)。
當不考慮重物與導軌之間的摩擦時，落錘沖擊試件的瞬間接觸速度可按自由落體來計算。例如國外有人設計的落錘動態(tài)試驗系統(tǒng)采用了每秒2000-2500 幀的高速攝像機，發(fā)現測得的落錘與試件接觸速度同自由落體計算得到的速度非常的相近，誤差小于 5%，這說明在下落過程中落錘與導軌之間的摩擦和小的撞擊的能量損失可以忽略不計。因此在以上瞬態(tài)力的計算過程中將這一部分忽略。對加速度進行一次和二次積分，可獲得相應的瞬態(tài)速度和瞬態(tài)位移：
（2-2）
（2-3）
式中 ——初始沖擊速度(m/s)；
——初始壓縮位移(m)；
——瞬態(tài)速度(m/s)；；
——瞬態(tài)位移(m)。
結合式(3-2)和式(3-3)，可得到載荷-位移歷程 。對載荷-位移曲線進行積分可得試件吸收的沖擊能：
（2-4）
對于不同材料、不同結構的薄壁梁，能量吸收能力可以由破壞單位質量材料或結構(壓碎破壞部分)所吸收的能量來度量，稱為“比吸能”：
（2-5）
式中， A為薄壁梁的橫截面積， 為材料的平均密度。
2.2 液壓沖擊試驗臺設計預期成果
（1）理論沖擊力輸出值：35~200噸，沖擊行程500mm，滿行程沖擊力衰減<25%，最大沖擊能量不小于800KJ。能實現靜態(tài)加載、動態(tài)加載及靜動結合加載。
（2）沖擊速度：最大沖擊速度10~20m/s。
（3）沖擊試驗臺功能：對試樣施加沖擊試驗力，進行沖擊試驗的材料試驗機
（4）試驗臺剛度及強度校核：在200噸沖擊壓力下，結構件最大變形量小于<0.15mm，最大應力小于100MPa。
（5）控制方式：采用計算機、PLC聯合控制，能夠實現在計算機和控制臺兩種控制方式。采用高速數據采集系統(tǒng)對數據進行采集與數據處理。得到所要求的數據記錄和圖像繪制。
（6）安全性能：實驗系統(tǒng)設計要充分考慮沖擊實驗過程的安全性，要求足夠的安全設計與防護措施。
2.3液壓沖擊試驗臺主體設計與實現
2.3.1系統(tǒng)要求
參照國家標準 GB/T6803 對普通沖擊試驗臺的技術規(guī)定，結合本課題實際情況，對系統(tǒng)提出以下要求：
(1)強度與剛度。由于系統(tǒng)在運行時，沖擊試驗臺沖擊能量大，故要求系統(tǒng)機械結構有足夠的強度與剛度；
(2)沖擊缸應與底座垂直，兩導軌應平行，以保證沖擊頭沖擊試件的瞬時速度的方向應盡可能垂直向下；
(3)地基剛性和慣性。理論上的地基應為無限大的剛性平板，因此地基的設計必須是高剛性高強度的。試驗過程應保證不對臺架周圍的數據采集設備產生干擾，且在數次試驗之后，地基不產生整體下沉，不產生表面裂紋。與此同時，地基與試驗室周圍地面之間應當以吸震緩沖結構隔離，防止震動對地面整體的損傷；
(4)為了防止在沖擊過程中，沖擊頭表面自身變形造成的誤差，沖擊頭表面應有足夠大的硬度，硬度值應達到 50HRC 以上；
(5)試驗人員的安全性。為了防止沖擊過程中試件突然崩出，必須在臺架周圍設有防護圍欄；
(6)數據采集的高速性。由于落錘的運動速度很快，且撞擊的過程瞬間完成，因而對采樣率和采樣精度有一定的要求。
2.3.2沖擊頭與立柱的導向設計
沖擊試驗的能量全部來源于從一定高度下落的沖擊頭所具有的動能。為了便于試驗臺功能的拓展性以及確保本階段試驗的順利進行，設計沖擊能量在一定范圍內是具有可調節(jié)性的。這一能量范圍的確定不僅要依靠臺架設計高度來保證，同時也要依靠錘體自身質量的變化范圍。從現實意義來講，臺架的設計高度主要依賴于沖擊初速度的確定，并且由于受場地、成本以及一定高度之后的自身撓度等因素所限，臺架不可能無限價高，所以沖擊頭的速度可變性顯得尤為重要。
本系統(tǒng)采用一塊合金工具鋼作為沖擊頭的主體部分，考慮到尺寸以及未來安裝傳感器的要求。沖擊頭上表面中心開有 M10×4的螺紋孔，便于傳感器的加裝。以彈簧墊片以及雙螺母緊固，防止沖擊過程中沖擊頭自身的震動。圖 2-1 所示為三維建模軟件CAXA 中設
計的沖擊頭結構。
圖2-1 沖擊頭結構平面設計圖
Fig.2-1 Structural design of the impact head
在沖擊頭材料的選擇上，考慮到沖擊本身對沖擊頭的破壞性，要求沖擊頭的材料必須具有沖擊韌性及表面強度。沖擊韌性保證錘體在沖擊之后不會發(fā)生裂紋，表面強度保證錘體與試件接觸面不發(fā)生明顯的變形，從而影響試驗精度。鑄鐵以及鋼是最常用的材料，但是鑄鐵雖有好的表面硬度但是同時也是屬于脆性材料，而普通的鋼雖有韌性但表面強度不夠。熱處理之后的鋼可以提高表面強度但同時也失去了本身的韌性。因此普通的鑄鐵及鋼均不滿足條件。在廣泛使用的材料中，合金工具鋼是較好的選擇。合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼 3 類。其中碳含量高的鋼(碳質量分數大于 0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火后的硬度在 HRC60 以上，且具有足夠的耐磨性；碳含量中等的鋼(碳質量分數 0.35%-0.70%)多用于制造熱作模具，這類鋼淬火后的硬度稍低，為 HRC50-55,但韌性良好。最終，本錘體主體部分采用了中等碳含量的合金工具鋼。
2.3.3導向立柱的設計
導向柱的作用主要是為了保證沖擊頭下落的穩(wěn)定性，同時防止沖擊過程結束后沖擊頭發(fā)生偏離預定方向的運動。為了增加抗震性，導向套通過潤滑良好的軸承固定在基座之上，基座與導向柱兩側表面用螺栓連接。設計中考慮到可能產生的橫向沖擊，所以導向柱的軸心與錘體兩側表面的距離盡可能的小，以增加穩(wěn)定性。圖 3-2 所示為 CAXA 中的導向模型。
導向柱的設計考慮了系統(tǒng)要求中的強度和剛度，并且要求良好的垂直度，同時還要考慮與導向套的配合方式。在技術要求方面，導軌決定了整個臺架的有效高度，因此根據設計范圍的沖擊能量和沖擊速度，確定導軌的高度為1.8m。
導軌底座鋼板采用焊接的固定方式，導軌兩側焊接有圓鋼，作為支架，保證其垂直度。支架支撐點為槽鋼米高處。另外為了保證錘體在兩導軌間可以平順的下落，又為了防止由于焊接造成的不可調節(jié)性，在兩導軌間設計有絲杠-螺母結構，這樣一來，可以通過兩個部位的微調來改變導軌之間的距離，進而可以根據錘體下落的情況來保證下落的平順。在活動橫梁與立柱的接觸處，裝有上、下兩個導套。它們由兩瓣組成，兩端裝有防塵用的氈圈。這種導套結構簡單，加工方便。圖 2-2 所示為 CAXA 中的導向模型。
圖 2-2 圓柱面立柱導套
Fig.2-2 A cylinder pillar guide bush
2.3.4試驗臺整體模型的建立與實現
根據以上臺架各個部分的設計，試驗機主體部分主要包括剛性框架、沖擊裝置、基礎支座、導向裝置，軌道，以及剛性卡環(huán)和小油缸等，利用 CAXA 將其進行裝配設計，得到整個試驗臺架的裝配模型
圖2-3 沖擊試驗臺結構平面設計圖
Fig.2-2 Structural design of the Shock Testing Machine
3沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設計
3.1沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)的設計要求
3.1.1沖擊試驗臺的組成
該試驗臺主要由試驗機架、液壓缸、油源系統(tǒng)(油箱、泵組件及恒溫系統(tǒng))、測系統(tǒng)(檢測元件及控制裝置)及輔助系統(tǒng)組成。其中試驗機架用于安裝被試件和液壓缸等元件，液壓缸用于完成對被試件的沖擊(以下稱液壓缸活塞桿端為沖擊頭)，油源系統(tǒng)給液壓缸供油并保持油溫恒定，測控系統(tǒng)完成對試驗臺的控制、數據采集處理和環(huán)境參數的監(jiān)測等工作。
3.1.2本設計實例的設計參數和技術要求
理論沖擊力輸出值(t)：35~200
沖擊行程(mm): 500
滿行程沖擊力衰減：<25%
最大沖擊能量(kJ): 不小于800
最大沖擊速度（m/s）: 10~20
試驗臺剛度及強度校核：在200噸沖擊壓力下，結構件最大變形量小于<0.15mm，最大應力小于100MPa。
3.2工況分析
設計液壓沖擊頭的一般步驟,大體可以分為三步,第一步是設計方案的確定,根據加工工藝要求、加工制造能力等實際情況,參考國內外有關技術資料,確定沖擊頭的工作原理、本體結構、液壓傳動方式及液壓控制系統(tǒng)的工作原理;第二步是參數的設計計算,按照選定的方案、給定的參數或一些參數選擇范圍,去計算其它一些主要性能和結構參數,根據選定的液壓液壓系統(tǒng)原理進行液壓系統(tǒng)的計算,選擇液壓元件;第三步是機器總體和零部件設計,并對主要的零部件進行必要的剛度、強度和穩(wěn)定性的校核計算。
對沖擊頭的工作原理分析可知,沖擊頭在向下打擊鍛件的過程中,可以分為加載階段和卸載階段,在沖擊頭沖擊的過程中,它的打擊力很大,這樣就可以忽略其它力的作用,根據沖擊頭和被試件碰撞前后的總動量守恒,把被試件塑性變形所需的能量在沖擊打擊能量中所占的比例,稱為打擊效率,其打擊效率為:
3-1
式中 --沖擊頭的質量（kg）；
--支座的質量（kg）；
K --恢復系數（表示沖擊系統(tǒng)在打擊后的相對速度和沖擊前的相對速度的比值）。
在打擊過程中,打擊能量公式:
3-2
打擊次數是沖擊頭的一個重要指標,如果不考慮打擊時的上下停頓時間,則一個工作周期包括打擊時間和回程時間,完成一次打擊過程,理論上所需時間:
液壓沖擊頭在打擊的過程中,沖擊頭的速度由初始時的靜止狀態(tài)到打擊的最終速度10m/s ,我們近似的將沖擊頭打擊的速度看成是勻速運動,在沖擊頭打擊的過程中,沖擊頭的受力分析如圖 3-1,沖擊頭主要受活塞桿對它的向下作用力,沖擊頭與導軌、活塞與液壓缸、活塞桿與密封套、聯動桿與密封圈等處的摩擦力,沖擊頭與活塞桿、聯動桿的重力,另外還有沖擊頭的慣性力。
圖3-1 沖擊頭的受力分析
Fig.2-2 Impact force analysis of the head
對沖擊頭進行受力分析,得出它的受力平衡方程:
3-3
式中 F--液壓缸對沖擊頭的推力（N）；
-沖擊頭的慣性力（N）；
-沖擊頭系統(tǒng) 所受的摩擦阻力（N）；
-沖擊頭系統(tǒng)自重；
沖擊頭的慣性力為：
3-4
沖擊頭系統(tǒng)所受的摩擦阻力為:
（取摩擦系數0.1） 3-5
沖擊頭的自重為：
3-6
3.3液壓缸的典型結構
1 拉桿型液壓缸
兩端蓋和缸筒用多根長拉桿來連接，通常兩端蓋均為正方形或長方形用四根拉桿拉緊
圖3-1 拉桿式液壓缸
Fig.3-1 Tie rod hydraulic cylinder
2 螺紋蓋型液壓缸
活塞桿側的前端蓋制有螺紋以旋入相應的缸筒螺紋內，后端蓋則多數是焊接 在缸筒后端這類液壓缸暴露在外面的零件較少，外表光潔，外形尺寸較小，能承受一定的沖擊負載和嚴酷的外界環(huán)境條件。但由于前端蓋螺紋強度和預緊端蓋的操作的 限制，因此不能用與過大的缸內直徑和太高的額定工作壓力，通常用與內徑d這類液壓缸多用與車輛，船舶，礦業(yè)等室外作業(yè)機械上。
3 法蘭型液壓缸
兩端蓋均有法蘭用多個螺釘分別與缸筒相應的法蘭連接。
3.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數
3.4.1初選工作壓力
表3-1 按載荷選擇工作壓力
Tab.3-1 According to the work load selection pressure
載荷/KN
<5
5-10
10-20
20-30
30-40
>50
工作壓力
/MPa
<0.8-1
1.5-2
2.5-3
3-4
4--5
3.4.2確定液壓缸的主要尺寸設計及校核
活塞桿受壓時
（ 3-6）
活塞桿受拉時
（3-7）
式中——無桿腔活塞有效作用面積（）
——有桿腔活塞作用面積（）
——液壓缸工作腔壓力（Pa）
——液壓缸回油腔壓力，即背壓（Pa），其值根據回路的具體情況而定，初值時可參照表2.3取值，
D——活塞直徑(m)
d——活塞桿直徑（m）
液壓缸主要在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為
（3-8）
表3-2 按工作壓力選取d/D
Tab.3-2 According to the working pressure choose d/d
工作壓力/MPa
5.0--7.0
d/D
0.5--0.55
0.62--0.70
0.7
表3.3 執(zhí)行元件背壓
Tab.3-3 Components of back pressure
系統(tǒng)類型
背壓/MPa
簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調速系統(tǒng)
0.2——0.5
回油路帶調速閥的系統(tǒng)
0.4——0.6
回油路設置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5——1.5
用補油泵的閉式回路
0.8——1.5
回油路較復雜的工程機械
1.2——3
回油路較短，且直接回油箱
可忽略不計
查表的;=d/D=0.5,=0.5MPa.帶入公式（3）得
==65.4mm
查表得液壓缸內徑D=80mm,活塞桿內徑d=56mm。
（3） 缸筒長度L
缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定，即：
L=l+B+A+M+C。
式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導向長度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長度，由密封方式定；C為其他長度。
一般缸筒的長度最好不超過內徑的20倍。另外，液壓缸的結構尺寸還有最小導向長度H。
圖3-2油缸的導向長度
Fig.3-2 The length of the cylinder guide
當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度H(如圖2-1所示)。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度(間隙引起的撓度)增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一最小導向長度。
最小導向長度應滿足下式：
H≥L/20+D/2 3-9
式中：L為液壓缸最大工作行程(mm);D為缸筒內徑(mm)。
H≥500/20+80/2=65mm
一般導向套滑動面的長度A，在D＜80mm時取A=(0.6-1.0)D,在D＞80mm時取A=(0.6-1.0)d；活塞的寬度B則取B=(0.6-1.0)D。為保證最小導向長度，過分增大A和B都是不適宜的，最好在導向套與活塞之間裝一隔套K，隔套寬度C
由所需的最小導向長度決定，即： 3-10
mm
采用隔套不僅能保證最小導向長度，還可以改善導向套及活塞的通用性。
(4)強度校核
a) 缸筒壁厚校核缸筒壁厚δ=10mm。對液壓缸的缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑，在高壓系統(tǒng)中必須進行強度校核。
缸筒壁厚校核。缸筒壁厚校核時分薄壁和厚壁兩種情況，當D/δ≥10時為薄壁，壁厚按下式進行校核：
δ＞=ptD/2［σ］ 3-11
式中：D為缸筒內徑；pt為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力pn≤16MPa時，取pt=1.5pn，
pn為缸生產時的試驗壓力;當pn＞16MPa時，取pv=1.25 pn;［σ］為缸筒材料的許用應力，［σ］=σb/n,σb為材料的抗拉強度，n為安全系數，一般取n=5。
當D/σ＜10時為厚壁，壁厚按下式進行校核：
3-12
Pn=10MPa，Pt=1.5Pn=15MPa
==1.05
所以缸筒壁厚δ=10mm滿足條件。
b) 活塞桿直徑校核。活塞桿的直徑d按下式進行校核：
3-13
式中：F為活塞桿上的作用力；［σ］為活塞桿材料的許用應力。
活塞桿的直徑d=60mm滿足條件。
3.4.3計算最大流量
=12m/s=,=2m/s
=
=
沖擊試驗臺沖擊頭在慢速接近被試件過程中所需要的流量為
=50247200L/min=361.7L/min
沖擊試驗臺沖擊頭在快速接近被試件過程中所需要的流量為
=50241200L/min=602.9L/min
沖擊試驗臺沖擊頭在慢速退離被試件過程中所需要的流量為
=2562.27200L/min=184.5L/min
3.5導向環(huán)的設計計算
導向環(huán)安裝在活塞外圓的溝槽內或活塞桿導向套內圓懂得溝槽內，以保持活塞與缸筒或活塞桿與其導向套同軸度，并用以承受活塞或活塞桿的側向力。
3.5.1導向環(huán)的主要優(yōu)點
a. 低泄露。由于摩擦副同軸度好，圓周間隙均勻，故泄露少；
b. 導向環(huán)可用耐磨損材料，磨損后更換方便；
c. 低摩擦系數；
d. 能刮掉雜質，防止雜質嵌入密封圈；
e. 有良好承載能力
目前使用較多足浮動型導向環(huán)，因其加工較方便，采用不同材料。
3.5.2導向環(huán)的型式
有嵌入型和浮動型
嵌入型導向環(huán)：在活塞外圓加工出燕尾型截而溝槽，用青銅QAL9—4或紫銅的銅帶，表面加工成略帶拱形，用木槌柳入溝槽內，最后加工導向環(huán)外圓。導向環(huán)園周切出一個45°斜開口。
圖3-3 嵌入型導向環(huán)
Fig.3-3 Embedded type guide ring
浮動型導向環(huán)：用高強度塑料制的帶，裝在活塞外圓的矩形截面溝槽內，側向保持有間隙，導向環(huán)可在溝槽內移動，并有一個45°斜開口 。也可在溝槽底用粘合劑固定導向環(huán)。
圖3-4 浮動型導向環(huán)
Fig.3-4 Floating type guide ring
3.5.3導向環(huán)的尺寸不同
浮動型導向環(huán)是用制造廠提供的帶狀半成品截制的。各廠均有為不同活塞或 活塞桿直徑匹配的厚度和寬度不同的帶坯。
3.6 活塞桿導向套
活塞桿導向套裝在液壓缸有桿側端蓋內，用以對活塞桿進行導向的，內裝有密封裝置以保證缸筒有桿側腔的密封性，外側裝有防塵圈以防止活塞桿在內縮時把雜質，灰塵及水份帶到密封裝置區(qū)，以致損壞密封裝置。當導向套不是用耐磨材料制成時，其內圓還可裝導向環(huán)，用以對活塞桿導向。
圖3-5 活塞桿導向，密封和防塵
Fig.3-5 The piston rod guide, sealing and dustproof
3.6.1結構式
端蓋式和插件式兩類。目前采用較多的插件式導向套足用耐磨材料制成的，也有用鋼制并內裝耐磨套或導向環(huán)。其優(yōu)點是裝拆方便，拆卸時不用拆端蓋。 端蓋式導句套是用端蓋直接導向的。
3.6.2材料
直接導向型的導向套用：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，氧化鑄鐵，二乙醇樹酯，聚四氟乙烯，夾布酚醛樹酯等。
3.6.3尺寸配置
導向套的主要尺寸是支承長度，通常按活塞桿直徑，導向套的型式，導向套材料的承壓能力，可能遇到的最大側向負載等因素考慮。通?？刹捎脙啥螌蚨? 每段寬度一般約為d/3, 2段中線間距離取2d/3。
導向套的受力情況，應根據液壓缸的安裝方式，結構，有無負載導向裝置，以及負載的作用情況等的不同而作具體分析。
3.6.4加工要求
導向環(huán)的溝槽尺寸，公差，粗糙度按導向環(huán)帶材供應廠要求。
3.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
3.7.1設計思想
確定設計任務
液壓系統(tǒng)的參數設計計算
生成液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)初步施工設計
建立動態(tài)的數學模型
液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性分析
進行最終設計
圖3-6 液壓系統(tǒng)設計路線
Fig.3-5 the design of Hydraulic system
圖3.7沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖
Fig.3-7 Impact test rig hydraulic system schematic diagram
1. 驅動電機 2.電磁先導卸荷閥 3.冷卻系統(tǒng) 4.蓄能器
5.液壓缸 6.沖擊頭7.三位四通閥 8.溢流閥
9.節(jié)流閥 10.兩位三通閥。
3.7.2試驗臺工作原理
工控機控制電磁閥7左側通電，沖擊頭開始以慢速接近被試件；上升到一定程度，控制電磁閥10通電，沖擊頭以高速沖擊被試件，工控機通過安裝在活塞桿端的力傳感器實時采集沖擊力信號，通過液壓缸中的位移傳感器實時采集位移信號并計算出沖擊速度；沖擊頭繼續(xù)上升到一定位置時，工控機控制閥7斷電卸載，同時控制閥10斷電；接著控制閥7右側通電，沖擊頭換向，慢速返回；當沖擊頭碰到下止點行程開關時，控制閥7斷電，沖擊頭回到初始位置，數據采集程序中的計數器加1；當計數器為20時，工控機控制閥7斷電，然后停止電機，自動打印試驗結果。
3.8 液壓元件的選擇
3.8.1液壓執(zhí)行元件的選擇
液壓執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機器設備的運動功能、性能的要求及結構、安裝上的限制。根據所要求的負載運動形態(tài)，選用不同的液壓執(zhí)行元件配置。根據液壓執(zhí)行元件的種類和負載質量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，經過基本計算，確定所需的壓力、流量。壓力可根據受壓面積與負載力求出。
3.8.2液壓泵的選擇
1)確定液壓泵的最大工作壓力
（3-14）
式中 ——液壓缸或液壓馬達最大工作壓力（MPa）。
——從液壓泵出口到液壓缸入口之間總的管路損失。
為從液壓泵出口到液壓缸入口之間總的管路損失，取MPa。
所以
(10+0.5)MPa=10.5MPa
確定液壓泵的流量
（3-15）
K—系統(tǒng)泄漏系數，一般取K=1.1--1.
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