液壓沖擊試驗臺設(shè)計

液壓沖擊試驗臺設(shè)計,液壓,沖擊,試驗臺,設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計開題報告題 目 液壓沖擊試驗臺設(shè)計 一、 選題的目的、意義和研究現(xiàn)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(lián)工生產(chǎn)沖擊試驗機分為手動擺錘式?jīng)_擊試驗機、半自動沖擊試驗機、數(shù)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(xiàn)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(chǎn)品的生產(chǎn)、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(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要方面,同時也是產(chǎn)品可靠性的重要部分。隨著人們對產(chǎn)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(yīng)的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。2.研究現(xiàn)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(jīng)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?jīng)_擊機。這類沖擊試驗機的自動化程度往往較低,只能產(chǎn)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(shè)備的興起,新材料的發(fā)展為基礎(chǔ),以使用特制材料與液壓或氣動控制結(jié)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(yīng)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(yīng)用與集成電子技術(shù)的快速發(fā)展,以能在一臺緩沖器上產(chǎn)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(shù)據(jù)分析設(shè)備的新型沖擊試驗機。這種沖擊試驗機現(xiàn)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(nèi)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(yīng)用現(xiàn)狀,并介紹了沖擊試驗與沖擊波形的運用狀況。我國國內(nèi)也有不少企業(yè)和研究機構(gòu)在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式、局部裝備方面不盡相同,但多數(shù)廠家和研究機構(gòu)的產(chǎn)品和成果是第二代的沖擊臺,能產(chǎn)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(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、磨擦磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)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(shù)在將機械能轉(zhuǎn)換成壓力能及反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)測，即發(fā)現(xiàn)故障苗頭時，預(yù)先進行維修，清除故障隱患，避免設(shè)備惡性事故的發(fā)展。 另外，還應(yīng)開發(fā)液壓系統(tǒng)自補償系統(tǒng)，包括自調(diào)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(shù)和液壓傳動技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的液壓傳動與控制技術(shù)增加了活力，擴大了應(yīng)用領(lǐng)域。實現(xiàn)機電一體化可以提高工作可靠性，實現(xiàn)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(yīng)快等優(yōu)點。 二、研究方案及預(yù)期結(jié)果1.研究內(nèi)容本設(shè)計首先根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)及液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計出合理的沖擊試驗臺的液壓系統(tǒng)，針對所設(shè)計的液壓系統(tǒng)進行元件選型。然后根據(jù)主要元件參數(shù)進行試驗臺機械系統(tǒng)設(shè)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(shè)計參數(shù)的研究計算設(shè)計合適的液壓系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計滿足要求的沖擊試驗臺3.技術(shù)路線通過查找機械設(shè)計手冊，公司產(chǎn)品樣本來確定對應(yīng)液壓元件的型號。根據(jù)相應(yīng)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(shè)計第三章：沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計第四章：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究第五章:數(shù)據(jù)處理及分析第六章：結(jié)論三、研究進度第1周:收集資料、撰寫任務(wù)書及開題報告。第2-3周:完成總體方案設(shè)計；第4-5周:完成試驗臺液壓系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計；第9-11周: 完成試驗臺結(jié)構(gòu)尺寸計算；第12-14周:利用caxa繪圖；第15周:完成畢業(yè)設(shè)計說明書第16周：整理文檔、圖紙，校對設(shè)計內(nèi)容，準備參加畢業(yè)設(shè)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，20082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.20113孫志禮.機械設(shè)計M.沈陽:東北大學(xué)出版社，20004王慧.液壓與氣壓傳動.沈陽：東北大學(xué)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(xué)出版社.19986毛君，謝苗.工況裝備液壓系統(tǒng).北京:煤炭工業(yè)出版社，20147王益群.液壓工程師技術(shù)手冊M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.20098聞邦椿.機械設(shè)計手冊.第四卷.第五版.北京：機械工業(yè)出版社，20109李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.199110徐灝.機械設(shè)計手冊M.機械工業(yè)出版社.200411周士昌.液壓系統(tǒng)設(shè)計圖集.北京：機械工業(yè)出版社，2003 五、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字：5 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中文題目：液壓沖擊試驗臺設(shè)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(jīng)濟也處于不斷上升的過程中,工業(yè)的發(fā)展成為帶動經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。在這過程中,液壓技術(shù)也得到了較大的發(fā)展空間,液壓技術(shù)滲透在我國工業(yè)的各項領(lǐng)域中,其中,液壓傳動是一門較新的技術(shù),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(yīng)用在礦山、冶金機械、工程機械、機床等多種機械以及相關(guān)的武器裝備里?？箾_擊性能作為產(chǎn)品可靠性的重要組成部分,現(xiàn)在已備受產(chǎn)品生產(chǎn)者和使用者的關(guān)注。沖擊試驗則是測試產(chǎn)品抗沖擊性能約一個重要手段。為了提高檢測產(chǎn)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(shè)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(shè)計及工作原理，確定了元件的主要參數(shù)。驗算液壓系統(tǒng)的性能，以及液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟，以及設(shè)計液壓系統(tǒng)時應(yīng)注意的問題。在綜合國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上介紹了液壓沖擊試驗機的發(fā)展歷史,研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,并介紹了液壓沖擊試驗與沖擊波形的運用狀況。關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；測試；性能 AbstractIn 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11緒論21.1課題研究的社會背景、目的和意義21.1.1課題研究的社會背景21.1.2課題研究的目的和意義31.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀31.2.1液壓沖擊試驗臺的發(fā)展現(xiàn)狀32 沖擊試驗臺整體方案設(shè)計82.1液壓沖擊試驗臺的工作原理82.1.1沖擊動力學(xué)基本概念82.1.2液壓沖擊試驗臺的數(shù)學(xué)模型82.2 液壓沖擊試驗臺設(shè)計預(yù)期成果102.3液壓沖擊試驗臺主體設(shè)計與實現(xiàn)102.3.1系統(tǒng)要求102.3.2沖擊頭與立柱的導(dǎo)向設(shè)計112.3.3導(dǎo)向立柱的設(shè)計122.3.4試驗臺整體模型的建立與實現(xiàn)133沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計153.1沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求153.1.1沖擊試驗臺的組成153.1.2本設(shè)計實例的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求153.2工況分析153.3液壓缸的典型結(jié)構(gòu)183.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)193.4.1初選工作壓力193.4.2確定液壓缸的主要尺寸設(shè)計及校核193.4.3計算最大流量223.5導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計計算233.5.1導(dǎo)向環(huán)的主要優(yōu)點233.5.2導(dǎo)向環(huán)的型式233.5.3導(dǎo)向環(huán)的尺寸不同243.6 活塞桿導(dǎo)向套253.6.1結(jié)構(gòu)式253.6.2材料253.6.3尺寸配置253.6.4加工要求263.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖263.7.1設(shè)計思想263.7.2試驗臺工作原理273.8 液壓元件的選擇273.8.1液壓執(zhí)行元件的選擇283.8.2液壓泵的選擇283.8.3原動機的選型293.8.4液壓控制閥的選擇293.8.5管路的選擇303.8.6確定油箱容積313.8.7蓄能器的選擇313.8.8過濾器的選擇313.8.9液壓油的選擇313.9 液壓系統(tǒng)性能驗算323.9.1系統(tǒng)壓力損失計算323.9.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算334 測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究364.1數(shù)據(jù)采集方案原理設(shè)計364.1.1信號及數(shù)據(jù)采集364.1.2 A/D基本概念374.1.3瞬態(tài)沖擊力測量系統(tǒng)384.1.4測試系統(tǒng)方案384.2信號采集硬件394.2.1加速度傳感器的選擇394.2.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇404.2.3信號調(diào)理及采集觸發(fā)電路415數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)的實現(xiàn)425.1信號預(yù)處理425.1.1信號直流分量的消除425.1.2信號的平滑425.2 濾波器436產(chǎn)品經(jīng)濟分析467總結(jié)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(shè)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(lián)工生產(chǎn)沖擊試驗機分為手動擺錘式?jīng)_擊試驗機、半自動沖擊試驗機、數(shù)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^替換擺錘體和試件基座，來實現(xiàn)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(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要因素,同時也是產(chǎn)品可靠性的重要組成部分。隨著人們對產(chǎn)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(yīng)的沖擊試驗機也在不斷發(fā)展。本章首先在綜合國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上詳細說明了沖擊試驗臺的歷史發(fā)展、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,并介紹了沖擊試驗的運用情況,然后根據(jù)參數(shù)進行液壓系統(tǒng)設(shè)計，機械方面設(shè)計，并且對其進行驗算。本次液壓沖擊試驗臺的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)雜沖擊,其沖擊幅值隨時間變化的曲線呈復(fù)雜的衰減振蕩形狀。沖擊往往會使設(shè)備激起強迫振動和固有頻率響應(yīng),使產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)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(jīng)常受到?jīng)_擊的作用,對各自的結(jié)構(gòu)性能以及安裝設(shè)備都將產(chǎn)生有害影響。 液壓沖擊試驗臺用于實驗室模擬產(chǎn)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，并通過試驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度。根據(jù)正確評定產(chǎn)品的抗沖擊能力，可有效地提高產(chǎn)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?jīng)_擊時，包裝的緩沖、減振能否達到對產(chǎn)品的保護能力沖擊試驗臺 ?，F(xiàn)有國內(nèi)沖擊試驗機主要有擺錘式?jīng)_擊試驗機、落錘式?jīng)_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(xué)工程結(jié)構(gòu)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(dāng)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(nèi)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(jié)構(gòu)上就高達幾百萬焦耳，現(xiàn)有的沖擊試驗機均無法滿足煤礦支護重型設(shè)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(jié)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(chǎn)品的生產(chǎn)、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(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要方面,同時也是產(chǎn)品可靠性的重要部分。隨著人們對產(chǎn)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(yīng)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(nèi)的變形量、沖擊能量、沖擊速度之間的關(guān)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(jīng)濟成本的基礎(chǔ)上，搭建了具有大沖擊能量范圍、高測試精度、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處于保密狀態(tài)，因而本試驗臺具有很高的實用價值及現(xiàn)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(xué)方面的試驗。因此，從現(xiàn)實需求與經(jīng)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(jīng)濟效益。 1.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀1.2.1液壓沖擊試驗臺的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著國外計算機技術(shù)、信息技術(shù)和測試技術(shù)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(shù),其中,液壓泵試驗臺測試技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進,計算機輔助測試技術(shù)在液壓領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛,并且有更大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。以機電液技術(shù)為基礎(chǔ)的液壓泵試驗臺是綜合運用計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù)、集成插裝技術(shù)等高新技術(shù)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(guān)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(shù)據(jù),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(jù)有關(guān)國家標準進行設(shè)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(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前主要靠現(xiàn)有的技術(shù)來改進和不斷擴大其應(yīng)用領(lǐng)域,為了滿足今后對液壓技術(shù)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(shù)相結(jié)合的相關(guān)技術(shù),因此在未來的一段時間內(nèi),試驗臺的研究主要的集中在運用各種技術(shù)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(yīng)用研究等方面。在機械、電子等制造行業(yè),產(chǎn)品的生產(chǎn)、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(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要方面,同時也是產(chǎn)品可靠性的重要部分。隨著人們對產(chǎn)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(yīng)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(jīng)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?jīng)_擊機。這類沖擊試驗機的自動化程度往往較低,只能產(chǎn)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(shè)備的興起,新材料的發(fā)展為基礎(chǔ),以使用特制材料與液壓或氣動控制結(jié)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(yīng)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(yīng)用與集成電子技術(shù)的快速發(fā)展,以能在一臺緩沖器上產(chǎn)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(shù)據(jù)分析設(shè)備的新型沖擊試驗機。這種沖擊試驗機現(xiàn)在正逐步替代第二代沖擊臺,并廣泛流行。這些產(chǎn)品主要有:美國MTS公司生產(chǎn)的886系列沖擊試驗機、美國AVCO公司生產(chǎn)的SM系列沖擊試驗機、日本吉田精機株式會社生產(chǎn)的ASQ系列沖擊試驗機Lansmont公司機械式,跌落式?jīng)_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(xiàn)有水平。如圖1.1(a)美國Lansmont公司的機械式?jīng)_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(dǎo)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(shè)計的。它精密的沖擊波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)能保證準確的沖擊波形.,光學(xué)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(dǎo)致沖擊脈沖響應(yīng)譜低頻區(qū)域歪曲的脈沖毛刺,由這些脈沖變形導(dǎo)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(shù)不多的試驗機專業(yè)生產(chǎn)廠家之一,（a） (b)圖1-1沖擊試驗臺（a）機械式?jīng)_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(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)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?jīng)_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(nèi)也有不少企業(yè)和研究機構(gòu)在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式、局部裝備方面不盡相同,但多數(shù)廠家和研究機構(gòu)的產(chǎn)品和成果是第二代的沖擊臺,能產(chǎn)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(gòu)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(shè)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(zhì)量大小的產(chǎn)品進行試驗,而其緩沖器只能產(chǎn)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(chǎn)的SH一200型沖擊臺可產(chǎn)生半正弦波和梯形波。但目前我國也有少數(shù)廠家仿造研制了能產(chǎn)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(chǎn)生滿足國標、國軍標、以及美軍標的電工電子產(chǎn)品沖擊標準的波形,如圖1.2,是目前我國國產(chǎn)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(shè)定跌落高度。導(dǎo)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(nèi)。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(chǎn)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(guān)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(shù),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(shù)據(jù)及參量。該產(chǎn)品由于在關(guān)鍵部件沖擊脈沖觸發(fā)器方面實現(xiàn)了在一臺機器上試驗多種波形,設(shè)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(chǎn)生,鋸齒波是用的鉛塊作沖擊墊來產(chǎn)生,梯形波的產(chǎn)生也是用橡膠墊結(jié)合高壓氣缸來觸發(fā)和控制。從現(xiàn)有的國內(nèi)文獻來看,國內(nèi)許多研究機構(gòu)都在沖擊機的基本原理、力學(xué)模型、設(shè)計方法等方面作了探索與實踐,所設(shè)計的沖擊機在正弦波形上能產(chǎn)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(jié)合的控制方式,但是現(xiàn)有的研究成果顯示其還存在以下不足:一、波形超差嚴重、調(diào)節(jié)不便;二、只能產(chǎn)生一種峰值、脈寬的波形,不能按照需求任意選擇;三、調(diào)節(jié)不便。因此要解決現(xiàn)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?zāi)軌驕y出的沖擊功，在材料生產(chǎn)和加工工藝過程及機器零部件的檢驗上總結(jié)了許多經(jīng)驗，它成功地被應(yīng)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(zhì)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(chǎn)品的質(zhì)量；(2)因為沖擊功對隨溫度變化的鋼材產(chǎn)生的韌脆轉(zhuǎn)變相對敏感，所以被用來測定鋼材韌脆轉(zhuǎn)變的趨勢和轉(zhuǎn)變溫度。(3)沖擊試驗對被試件的缺口異常的敏感，所以經(jīng)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(shè)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(guān)系上，建立了許多經(jīng)驗公式。隨著科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，特別是自動化、計算機和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進了(數(shù)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(shù)從落后狀態(tài)迅速進入了先進技術(shù)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(shù)。這些反映材質(zhì)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(xué)領(lǐng)域內(nèi)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(shè)備主要是服務(wù)于包裝產(chǎn)品的測試，鋼鐵產(chǎn)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?jīng)_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(xiàn)有產(chǎn)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(shè)備也是需要定制的。在本課題研究的過程中，曾對國內(nèi)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(chǎn)能量在 30000J左右的沖擊試驗機。市場上的試驗臺架多數(shù)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(dǎo)套精度高，剛度大，但質(zhì)量太大，結(jié)構(gòu)笨重。 2 沖擊試驗臺整體方案設(shè)計2.1液壓沖擊試驗臺的工作原理2.1.1沖擊動力學(xué)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(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)周期性； (4)系統(tǒng)在沖擊作用下所產(chǎn)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(guān)。 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(yīng)。沖擊響應(yīng)引起的系統(tǒng)振動能夠很快消失，但它引起的最大應(yīng)力(或位移)卻可能使系統(tǒng)損壞。沖擊動力學(xué)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(yīng)也不同，系統(tǒng)的響應(yīng)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(shù)學(xué)模型根據(jù)方案的功能要求，最終對試驗結(jié)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(zhì)量(kg)； 測得的瞬態(tài)加速度()； g 重力加速度（)。 當(dāng)不考慮重物與導(dǎo)軌之間的摩擦?xí)r，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(shè)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(xiàn)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(dǎo)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)的薄壁梁，能量吸收能力可以由破壞單位質(zhì)量材料或結(jié)構(gòu)(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(shè)計預(yù)期成果（1）理論沖擊力輸出值：35200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(xiàn)靜態(tài)加載、動態(tài)加載及靜動結(jié)合加載。（2）沖擊速度：最大沖擊速度1020m/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(jié)構(gòu)件最大變形量小于0.15mm，最大應(yīng)力小于100MPa。（5）控制方式：采用計算機、PLC聯(lián)合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在計算機和控制臺兩種控制方式。采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集與數(shù)據(jù)處理。得到所要求的數(shù)據(jù)記錄和圖像繪制。（6）安全性能：實驗系統(tǒng)設(shè)計要充分考慮沖擊實驗過程的安全性，要求足夠的安全設(shè)計與防護措施。2.3液壓沖擊試驗臺主體設(shè)計與實現(xiàn)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(shù)規(guī)定，結(jié)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(jié)構(gòu)有足夠的強度與剛度； (2)沖擊缸應(yīng)與底座垂直，兩導(dǎo)軌應(yīng)平行，以保證沖擊頭沖擊試件的瞬時速度的方向應(yīng)盡可能垂直向下； (3)地基剛性和慣性。理論上的地基應(yīng)為無限大的剛性平板，因此地基的設(shè)計必須是高剛性高強度的。試驗過程應(yīng)保證不對臺架周圍的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)生干擾，且在數(shù)次試驗之后，地基不產(chǎn)生整體下沉，不產(chǎn)生表面裂紋。與此同時，地基與試驗室周圍地面之間應(yīng)當(dāng)以吸震緩沖結(jié)構(gòu)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(yīng)有足夠大的硬度，硬度值應(yīng)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(shè)有防護圍欄； (6)數(shù)據(jù)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(dǎo)向設(shè)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(shè)計沖擊能量在一定范圍內(nèi)是具有可調(diào)節(jié)性的。這一能量范圍的確定不僅要依靠臺架設(shè)計高度來保證，同時也要依靠錘體自身質(zhì)量的變化范圍。從現(xiàn)實意義來講，臺架的設(shè)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 M104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(shè)計的沖擊頭結(jié)構(gòu)。圖2-1 沖擊頭結(jié)構(gòu)平面設(shè)計圖Fig.2-1 Structural design of the impact head在沖擊頭材料的選擇上，考慮到?jīng)_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(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù) 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(dǎo)向立柱的設(shè)計導(dǎo)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(jié)束后沖擊頭發(fā)生偏離預(yù)定方向的運動。為了增加抗震性，導(dǎo)向套通過潤滑良好的軸承固定在基座之上，基座與導(dǎo)向柱兩側(cè)表面用螺栓連接。設(shè)計中考慮到可能產(chǎn)生的橫向沖擊，所以導(dǎo)向柱的軸心與錘體兩側(cè)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(dǎo)向模型。導(dǎo)向柱的設(shè)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(dǎo)向套的配合方式。在技術(shù)要求方面，導(dǎo)軌決定了整個臺架的有效高度，因此根據(jù)設(shè)計范圍的沖擊能量和沖擊速度，確定導(dǎo)軌的高度為1.8m。導(dǎo)軌底座鋼板采用焊接的固定方式，導(dǎo)軌兩側(cè)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(dǎo)軌間可以平順的下落，又為了防止由于焊接造成的不可調(diào)節(jié)性，在兩導(dǎo)軌間設(shè)計有絲杠-螺母結(jié)構(gòu)，這樣一來，可以通過兩個部位的微調(diào)來改變導(dǎo)軌之間的距離，進而可以根據(jù)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(dǎo)套。它們由兩瓣組成，兩端裝有防塵用的氈圈。這種導(dǎo)套結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。圖 2-2 所示為 CAXA 中的導(dǎo)向模型。 圖 2-2 圓柱面立柱導(dǎo)套Fig.2-2 A cylinder pillar guide bush2.3.4試驗臺整體模型的建立與實現(xiàn)根據(jù)以上臺架各個部分的設(shè)計，試驗機主體部分主要包括剛性框架、沖擊裝置、基礎(chǔ)支座、導(dǎo)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(shè)計，得到整個試驗臺架的裝配模型圖2-3 沖擊試驗臺結(jié)構(gòu)平面設(shè)計圖Fig.2-2 Structural design of the Shock Testing Machine3沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1沖擊試驗臺液壓系統(tǒng)的設(shè)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(shù)據(jù)采集處理和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測等工作。3.1.2本設(shè)計實例的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求理論沖擊力輸出值(t)：35200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）: 1020試驗臺剛度及強度校核：在200噸沖擊壓力下，結(jié)構(gòu)件最大變形量小于0.15mm，最大應(yīng)力小于100MPa。3.2工況分析設(shè)計液壓沖擊頭的一般步驟,大體可以分為三步,第一步是設(shè)計方案的確定,根據(jù)加工工藝要求、加工制造能力等實際情況,參考國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料,確定沖擊頭的工作原理、本體結(jié)構(gòu)、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(shù)的設(shè)計計算,按照選定的方案、給定的參數(shù)或一些參數(shù)選擇范圍,去計算其它一些主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)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(shè)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(jù)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(zhì)量（kg）； -支座的質(zhì)量（kg）； K -恢復(fù)系數(shù)（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(shù)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?fàn)顟B(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(dǎo)軌、活塞與液壓缸、活塞桿與密封套、聯(lián)動桿與密封圈等處的摩擦力,沖擊頭與活塞桿、聯(lián)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(shù)0.1） 3-5沖擊頭的自重為： 3-63.3液壓缸的典型結(jié)構(gòu)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 cylinder2 螺紋蓋型液壓缸活塞桿側(cè)的前端蓋制有螺紋以旋入相應(yīng)的缸筒螺紋內(nèi)，后端蓋則多數(shù)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(yù)緊端蓋的操作的 限制，因此不能用與過大的缸內(nèi)直徑和太高的額定工作壓力，通常用與內(nèi)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(yīng)的法蘭連接。3.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)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/KN50工作壓力/MPa0.8-11.5-22.5-3 3-4 4-53.4.2確定液壓缸的主要尺寸設(shè)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(jù)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/DTab.3-2 According to the working pressure choose d/d工作壓力/MPa5.0-7.0d/D0.5-0.550.62-0.700.7 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(diào)速系統(tǒng)0.20.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)0.40.6回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)0.51.5用補油泵的閉式回路0.81.5回油路較復(fù)雜的工程機械1.23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(nèi)徑D=80mm,活塞桿內(nèi)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(nèi)徑的20倍。另外，液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸還有最小導(dǎo)向長度H。圖3-2油缸的導(dǎo)向長度Fig.3-2 The length of the cylinder guide當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導(dǎo)向套滑動面中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度H(如圖2-1所示)。如果導(dǎo)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(shè)計時必須保證有一最小導(dǎo)向長度。最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足下式：HL/20+D/2 3-9式中：L為液壓缸最大工作行程(mm);D為缸筒內(nèi)徑(mm)。 H500/20+80/2=65mm一般導(dǎo)向套滑動面的長度A，在D80mm時取A=(0.6-1.0)D,在D80mm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(dǎo)向長度，過分增大A和B都是不適宜的，最好在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套K，隔套寬度C由所需的最小導(dǎo)向長度決定，即： 3-10 mm采用隔套不僅能保證最小導(dǎo)向長度，還可以改善導(dǎo)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=10mm。對液壓缸的缸筒壁厚、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(dāng)D/10時為薄壁，壁厚按下式進行校核：=ptD/2 3-11式中：D為缸筒內(nèi)徑；pt為缸筒試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力pn16MPa時，取pt=1.5pn，pn為缸生產(chǎn)時的試驗壓力;當(dāng)pn16MPa時，取pv=1.25 pn;為缸筒材料的許用應(yīng)力，=b/n,b為材料的抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般取n=5。當(dāng)D/10時為厚壁，壁厚按下式進行校核： 3-12Pn=10MPa，Pt=1.5Pn=15MPa=1.05所以缸筒壁厚=10mm滿足條件。 b) 活塞桿直徑校核?；钊麠U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；為活塞桿材料的許用應(yīng)力?；钊麠U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/min3.5導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計計算 導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圓的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi)圓懂得溝槽內(nèi)，以保持活塞與缸筒或活塞桿與其導(dǎo)向套同軸度，并用以承受活塞或活塞桿的側(cè)向力。3.5.1導(dǎo)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(dǎo)向環(huán)可用耐磨損材料，磨損后更換方便；c. 低摩擦系數(shù)；d. 能刮掉雜質(zhì)，防止雜質(zhì)嵌入密封圈；e. 有良好承載能力 目前使用較多足浮動型導(dǎo)向環(huán)，因其加工較方便，采用不同材料。3.5.2導(dǎo)向環(huán)的型式 有嵌入型和浮動型嵌入型導(dǎo)向環(huán)：在活塞外圓加工出燕尾型截而溝槽，用青銅QAL94或紫銅的銅帶，表面加工成略帶拱形，用木槌柳入溝槽內(nèi)，最后加工導(dǎo)向環(huán)外圓。導(dǎo)向環(huán)園周切出一個45斜開口。圖3-3 嵌入型導(dǎo)向環(huán)Fig.3-3 Embedded type guide ring浮動型導(dǎo)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(nèi)，側(cè)向保持有間隙，導(dǎo)向環(huán)可在溝槽內(nèi)移動，并有一個45斜開口 。也可在溝槽底用粘合劑固定導(dǎo)向環(huán)。圖3-4 浮動型導(dǎo)向環(huán)Fig.3-4 Floating type guide ring3.5.3導(dǎo)向環(huán)的尺寸不同浮動型導(dǎo)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(dǎo)向套活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對活塞桿進行導(dǎo)向的，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿側(cè)腔的密封性，外側(cè)裝有防塵圈以防止活塞桿在內(nèi)縮時把雜質(zhì)，灰塵及水份帶到密封裝置區(qū)，以致?lián)p壞密封裝置。當(dāng)導(dǎo)向套不是用耐磨材料制成時，其內(nèi)圓還可裝導(dǎo)向環(huán)，用以對活塞桿導(dǎo)向。圖3-5 活塞桿導(dǎo)向，密封和防塵Fig.3-5 The piston rod guide, sealing and dustproof3.6.1結(jié)構(gòu)式 端蓋式和插件式兩類。目前采用較多的插件式導(dǎo)向套足用耐磨材料制成的，也有用鋼制并內(nèi)裝耐磨套或?qū)颦h(huán)。其優(yōu)點是裝拆方便，拆卸時不用拆端蓋。 端蓋式導(dǎo)句套是用端蓋直接導(dǎo)向的。3.6.2材料 直接導(dǎo)向型的導(dǎo)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(dǎo)向套的主要尺寸是支承長度，通常按活塞桿直徑，導(dǎo)向套的型式，導(dǎo)向套材料的承壓能力，可能遇到的最大側(cè)向負載等因素考慮。通?？刹捎脙啥螌?dǎo)向段, 每段寬度一般約為d/3, 2段中線間距離取2d/3。導(dǎo)向套的受力情況，應(yīng)根據(jù)液壓缸的安裝方式，結(jié)構(gòu)，有無負載導(dǎo)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(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸，公差，粗糙度按導(dǎo)向環(huán)帶材供應(yīng)廠要求。3.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖3.7.1設(shè)計思想確定設(shè)計任務(wù)液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計計算生成液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)初步施工設(shè)計建立動態(tài)的數(shù)學(xué)模型液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性分析進行最終設(shè)計圖3-6 液壓系統(tǒng)設(shè)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 diagram1. 驅(qū)動電機 2.電磁先導(dǎo)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(cè)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(cè)通電，沖擊頭換向，慢速返回；當(dāng)沖擊頭碰到下止點行程開關(guān)時，控制閥7斷電，沖擊頭回到初始位置，數(shù)據(jù)采集程序中的計數(shù)器加1；當(dāng)計數(shù)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(jié)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(shè)備的運動功能、性能的要求及結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)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(jù)液壓執(zhí)行元件的種類和負載質(zhì)量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，經(jīng)過基本計算，確定所需的壓力、流量。壓力可根據(jù)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(shù)，一般取K=1.1-1.