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第一章 绪论随着工业生产和材料科学的迅速发展，液压元件、液压技术 在各行各业有着广泛的应用。特别是在近年来计算机的迅速发展 和应用，使液压技术更显示其非凡的魅力。液压传动和控制装置 的应用领域也不断扩大，对液压元件的品种及性能所提出的要求 也越来越高。因此开展液压领域的基础分析，以满足各种用途的 需要，已成为一项重要的任务。在上述这些工作中，一套综合性 的实验室是必不可少的。这无论对于科学研究还是对于生产厂家 始终占有重要的地位。而液压技术的发展，液压产品的不断出现， 专用试验台越来越不适应要求。走向智能化、综合化、以静压传 动代替液力传动是目前试验台的发展趋势，此次的试验台设计正 是朝着这个方向迈出了可喜的一步。全套图纸，加153893706液压元件在各行业中特别是危险行业中的应用，对其可靠性 要求和适应性要求越来越高。因此检测液压元件的个各种性能是 普遍关心的问题。实验台是其中的纽带。实验台的性能直接关系到产品的质量。1.1 液压技术简介一液压技术的优点1借助油管的连接可方便灵活的布置传动机构；2液压传动与电传动，机械传动相比具有重量轻、体积小的 特点；3能在较大范围内较方便地实现无级调速；4运动平稳，能在低速下稳定运转，由于以液体为介质，油 液本身具有吸振能力，而第 3 页 共 35 页不像机械装置那样因加工和装配误差引起震动的撞击；5液压系统借助安全阀可以自动的实现过载保护，同时，以 油为介质时，相对运动表面可以自行润滑，故使用寿命长；6操作简单，对于机电传动相配合以实现远距离操纵和自动 控制。二液压传动的缺点1由于液压系统的泄露，因此效率较低；2工作受温度变化影响大，温度变化引起液体的粘度变化， 随之泄露发生变化，往往不易保持运动速度的稳定；3液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵，使用和维 修需要较高的技术水平的专业知识；4由于油液的泄露，故而带来的问题是对环境具有污染，对 环境的要求和适应能力比不上纯机械式传动装置；三液压技术的发展趋势 提高液压元件的可靠性和效率，减小噪声和震动，提高液压系统中液压泵的压力和角速度，太高液压马达的低速稳定性和角 速度范围，提高液压控制阀的过流能力和静动态特性，增大元件 的容量，延长元件的使用寿命，降低制造成本，扩大使用范围， 发展小型化一级组成紧凑节能的液压集成系统等。 四问题的提出液压行业的发展到今天对其性能要求已越来越严格，性能的 好坏直接影响到产品的运用。而性能的优劣一般只有通过实验来 检测。实验的种类有研究性试验，鉴定性试验，抽样性试验，形 式试验，出厂试验等。对于实验所需的试验台类别按其试验范围分：通用试验台，专用试验台，模拟试验台。按试验的内容分： 性能试验台，特殊性能试验台，寿命试验台。现今，在液压行业中，液压产品种类繁多，通用性及标准程 度低，同时存在试验的要求不同。1.2 液压技术现状及发展趋势液压技术史实现现代化传动与控制的关键技术之一。它的水平 直接影响机电产品的质量和水平。因此世界各国对液压技术的发 展给予很大的重视，液压技术在国名经济中越来越重要。 一.国内液压现状我国液压技术从五十年代制造叶片泵及阀门已经过 40 余年的 发展，已形成了门类齐全，有一定生产能力和技术水平初具规模 的生产科研体系。通过科技攻关和技术引进，产品水平有一定的提高，生产出 一些具有世界先进水平的产品。如高压齿轮泵，中高压叶片泵， 高压斜轴柱塞泵。高压液压控制阀，精密滤油器，电液伺服阀及 比例阀等产品。另外在 CAD/CAT 技术污染控制故障诊断机电一体 化海水及高水基溶液的应用，现代控制技术应用等方面也取得了 不少可喜成就。国内液压工业重视同国外企业进行有效的经济和技术合作。 近年来，先后从国外引进斜轴柱塞泵。马达斜轴通式柱塞泵中速 马达叠加阀插装阀转向器液压缸液压系统等制造技术。为提高生 产水平和生产能力起了重要的作用。二.国外液压工业概况 在国外液压工 业发展 逐渐高于机械 工业发 展速度，日本从1963 年在液压增加为 16.9%，而同期的机械工业增长为 12.5%，美第 3 页 共 35 页国等国家增加速度也高于机械工业的发展速度。 据统计各国液压工业产值占机械工业产值的 23%，而我国只占 0.8%。充分说明我国的液压技术使用率低，需努力扩大其应用 领域。美德等主要国家人均产值中日本最高，其主要原因是日本工 厂自动化程度高，管理完善。此外，日本各企业外协力量大，它 的一些零件扩散给协力工厂，实现零件专业化。这些是销售额最 高的原因之一。三.主要发展动向及液压技术发展趋势 由于机械市场需求不断扩大，要求发展适用于大型工程项目城市建设及适应新的作用环境所需的产品，要求多样化和不断提 高其性能。液压技术主要发展方向： 大型化：针对大型工程，如水利工程，天海工程。 小型化：针对市政建设发展小型化的操作优良的产品。 高速化：改善速度和方向变换性能。 高效化：提高作业性能和减少能耗。 轻量化：安装简便，搬用性能好。 机电一体化：发动机的液压系统根据各种作业模式实现综合控制以达到作业自动化。 改善操作性能：提高舒适性，利用电子操作器，减少操作人员的劳动强度。提高耐久性和延长早起故障时间。 液压系统发展方向：高压化：开始系统为 34Mpa，闭式系统达到 47Mpa。 节约能耗：要求各元件的效率高，减少管路压力损失。减轻元第 18 页 共 35 页件重量，实现小型化，改善液压系统控制性能和防止液漏。 采用电子技术直接控制，实现智能化合自动化。 用静压传动装置 HST 代替传统夜里变矩齿轮箱的传动。 降低噪音和震动、减少外部泄露，发展无泄漏系统。 提高产品的清洁度，保证产品的可靠度，要求元件制造厂建立质保体系。 实现故障诊断便于维护。四21 世纪的液压技术 由于液压技术广泛应用了高科技成果，如自动控制，计算机技术，微电子技术，摩擦磨损技术，可靠性技术及新工艺技术， 是传统的及时有了新的发展，也是液压技术和元件质量有了新的 提高。尽管如此，走向 21 世纪的液压技术不可能有新的突破。只 能靠现有的技术现状改进和发展。1.减少能耗，充分利用能量 液压机械将机械能转化压力能及反转换向，已取得了很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失 上，如果全部压力都能得到充分利用，则将使效率显著提高。减少 损失应从以下几个方面入手：（1）减少元件及系统内部压力损失（2）减少或消除节流损失（3）改善系统性能2.泄露控制 泄露控制是提高液压传动和电气，机械传动竞争能力的一个重要的课题，它直接影响着液压技术领域的扩大。3.机电一体化 电子技术和液压技术相组合使传统的液压传动与控制技术增加了活力扩 4.计算机技术的应用液压 CAD 技术的发展，是人工设计变成自动化和半自动化的 方式，尤其是 CAD/CAM,CAPP 的推广和应用液压技术迅速发展。下一个目标是使用 CAD 技术全面开发液压产品，建立计算机 集成系统，使液压设计和制造技术有一个突破性的发展。第二章 方案及其论证2.1 设计要求及参数一 课题的名称 电控液压传动试验系统的设计二 主要技术参数1功率：N=90KW2压力：P=40MP 三 要求1主回路采用闭式系统2液压加载3微机控制、数据采集处理4试验台精度 C 级 四 试验台的功能主要为测试转载机静压驱动系统的性能及其参数匹配，既绘 出力-速度曲线，看是否能实现真正的恒功率输出。2.2 传动方案论证一 静压传动简介静压行走驱动与其它方案相比较，因具有独特的优点，近年 来在工程机械上获得了日益广泛的应用。在轮式装载机上采用静 压传动具有一系列的优点：无级、灵敏的行驶、直接换向、操作 简单；广泛的控制与调节方法；行驶自动化；液压泵和马达能灵 活的安装；可有效的利用所提供的功率；能利用静压系统帮助制 动；液压马达无超载等。二 方案的比较 实现此目的的功能可以采用大致以下三种方案来实现，一种是纯机械式的，第二种是流体-机械式的，第三种是流体-电子-机 械式；（1）对于机械式的系统，它具有可靠性高，稳定性好，环境 的适应性强，抗污染能力好，维修方便，造价低等优点。但是纯 机械式系统重量大，能耗大，噪音高，传动定位精度低，系统反 馈补偿差，随着科学技术的发展，纯机械式的驱动方式已不能适 应现代工程对高精度，低能耗，低成本，高效率，无级传动的要 求。故本实验台不采用机械式的设计方案。（2）对于流体-机械式，其又可分为气压-机械式，液压静压- 机械式，液动-机械式等集中。这几种传动方案，可以很方便的实 现无级传动，而且实现了动力源与执行机构远离，中间的传动部 件少，结构简单，传动精度高。能耗相对较低的特点，但是由于 流体传动有泄漏，以及流量的非线性等缺点，使得它一方面对环 境存在污染的问题，对于元件的密封以及加工精度都有很高的要 求，从而提高了成本；另一方面，由于流量的非线性，使得系统 对反馈信息的处理精确性相对不好，而且反馈比较部分的阀控装 置的精度等级要求尤为严格，从而导致了系统对油污敏感，抗污染能力相对较差，系统的清洁度要求高。（3）对于电子-流体-机械式，一方面由于它引入了微处理芯 片，能够敏捷且迅速精确的对各种数据进行分析处理，并且能够 做到通过软件来实现动力源极限负载控制，输出量的微量调解与 处理，对系统的工况实行监控与诊断调节等功能，而且在流体-机 械传动部分都可以采用液压静压传动方案与液力液动传动方案两 种，由于在流体传动中的传动元件的限制，使其变速变距范围比 较小，为了能更好的适应各种工况。路况环境的要求，一般都附 加一个换挡变速器。以扩大其传动范围，但是如此，便可能产生 一个问题，就是在换挡过程中产生牵引力中断，但是在静压传动 系统中这个问题得到了很好的解决。为了保持一定的技术领先，以及适应试验台对多种工况进行模 拟实验测试调节得到实验要求，方便的实现系统的各种运动，故 本实验台采用电子-机械-液压传动方式。三 展望未来 以上所诉的各种方案表明，液压静压行驶驱动以它相对于压力变矩器驱动的各种优点可以再直至 60 千瓦功率轮式装载机中成 功实施。借助于现代化的驱动方案，配合激动的可编程计算机控制，也 可以再营运费用降低的同时，提高机械的工作效率，将来还可以 提供，并且通过计算机进行控制，以至于可使驱动装置所需的功 率以最佳的耗油量进行。2.3 加载方案论证试验台的加载方案主要有：（1）机械方法加载，主要包括：摩擦测功器加载； 扭板弹簧产生铰链力矩加载； 惯性圆盘产生惯性力矩加载。以上方法的共同特点是：简单易行，但是能模拟变化规律简 单的负载，且不能连续可调。不适合较大的功率情况。（2）电的加载方法 主要是用电力测功机加载，其主要缺点是；工作时间不能过长。（3）液压加载方法 主要是通过溢流加载（也叫节流加载），其简单易行、连续加载、易于控制的优点使大多数的试验台都采用这种加载方案。故 本试验台也采用这种加载方案。第三章具体设计3.1 电机的选择根据泵的驱动规律，再考虑选择联轴器的效率损失，电机的 额定功率必须大于泵的驱动功率。转速匹配良好，调速性能好， 选择直流电机的型号为：ZL1-180-42,其额定转速为 2200r/min, 其额定功率为 90KW3.2 主回路液压泵和马达的选择一 主回路液压泵的选择 液压泵的额定压力：P=40Mpa 选液压泵的容积效率为： pv =0.93机械效率为： pm =0.93 电机额定转速 n=2200r/min额定功率：N=90KW 液压泵的输出功率：N出Npv pm90 0.950.9379.52KW液压泵的实际输出流量：QN出P79.524010310660 103119.28L / min液压泵的理论输出流量：QQ119.28pv0 0.95125.6L / min液压泵的排量：qQ0pn125.6200010362.78mL / r由以上的参数，查手册选择变量液压泵的型号为：A4V90HW1.0R0C102A 液压泵的最大排量：qmax90mL / r液压泵的变量范围：090mL/r最大输出流量：Qmaxnqmax10 32.090 10 3180L / min最大输出转矩：M p 0.159pq p pm0.15940 900.930.1532.2 Nm二 主回路液压马达的选择最大速度：v=35km/h输出部分的输出直径：D=1.675m选择变量液压马达的容积效率： mv0.95机械效率： mm0.93液压离合器最大传动比： i11.09差速器传动比： i25.14减速器传动比： i34.125忽略管路的一切能量损失液压马达的输出功率：N 入N 泵出79.52KW液压马达的输入流量：Q=119.28L/min液压马达的理论输出流量：Q0 Q mv119.280.95113.32L / min液压马达的输出功率：N N 泵出 mv mm79.520.950.9370.26KW输出部分的最大转速：n 3510335 103110.91m / minmax60 D60 3.141.675I总传动比：i1i2 i31.095.144.12525.53n马达nmax i110.9125.352129r / minq Q0113.3210353.23mL / rn马达2129根据以上参数，查手册选择液压马达的型号为：A6V107E12F820800M m 1.59pqm mm1.5940 1070.9310 1632.88Nm查得：p 35MP 时的最大扭矩 M max594NmM 594qmax max 100.43mL / r0.159p mm0.15940 0.93取 qmaxn100mL / rQ0 min1031133.2r / minqmax选取最高转速： nmax2500r / minqminTQ0 nmax103 1T 13.32250010345.33mL / r故变量马达的变量范围：45.33100Ml/r转速变化范围：11332500r/min马达及变速箱输出的最高转速、最大扭矩、最低转速、最低扭 矩为：N max (r / min)M max ( Nm)M min ( Nm)N min (r / min)马达输出2500632.88286.821133变速i11.092294306.41676.11103923箱输出i5.141202584.721290.2545i 4.1256541073.862369.49296三 液压泵和液压马达的校核本试验台的电动机转速为 2200r/min泵所需的最大扭矩为：NPQ60Mn9550M 9550PQ955040 119.3390.8Nmp对于电机； p60 nMn955060 0.930.952200M 9550P9550100434.1NmnQ MMp2200此泵的选择合适。故得出马达和泵的各项指数为：最 大 扭 矩Nm最 小 扭 矩Nm最 大 排 量cm 2 / r最 大 排 量cm 2 / r泵532.200900马达632.88286.8210745.333.3 加载回路的设计计算一 加载液压泵的选择选择液压泵的容积效率为： pv0.95机械效率为： pm0.93变速箱总的机械效率为：0.98液压泵的输入功率为：N 入N马达出70.260.9898.85KW液压泵的输入功率为：N出N 入 pv pm68.850.950.9360.83KW液压泵的最大输入转速：nmaxn马达 maximin25001.092294r / min液压泵的最小输入转速：nminn马达 minimax11333.82296r / min变速箱输出的最大转速： N 2 MnM maxN2 nmin60 2221.18Nm变速箱输出的最小转速：M minN 602 nmin68.85210360296286.60Nm根据以上参数，查手册，选择加载液压泵的型号为：A7V80EL2.0RZF00 液压泵的最大流量：Qmaxqnaxnmax10 3156.24L / min液压泵的实际流量：Q Q0 pv156.240.95148.43L / min在此选择加载泵的规格为：项目最 大 排 量qmax最 大 输 入 功率最 大 压 降p最 大 输 入 转速数据80 cm 268.85KW40Mpa2294r/min二 加载泵的校核泵的最大转速，最大扭矩必须大于或等于变速箱所输出的最 大转速与扭矩。当变速箱的转速为 n=191 时所输出的扭矩为最大：取此时的转速为：n=200r/minM max955068.85 / 2003288NmM max M此项合格又Q n变 max2137 / 1.091960r / min此项合格故 在 此 选 用 A7V 系 列 的 变 量 柱 塞 泵 ， 其 型 号 为 ： A7V80E12.0ZF00第四章 油箱及辅助元件的设计与选择4.1 油箱的设计计算一 油箱设计中应注意的几个问题1.油箱应具有足够的刚度和强度，油箱一般用 2.54mm 的钢 板焊接而成，尺寸高大的油箱需要加焊角板、液压泵和电动机直立安装时，震动比一般水平安装要好些，但山热条件差。2.油箱要是有足够的有效容积，邮箱的有效容积（油面高度 为邮箱高度 80%时的容积）应根据液压系统发热、散热平衡的原则 来计算，但这只是在系统负载较大、长期联系工作时才有必要进 行，一般只需要按液压泵的额定流量 Q 估算既一般低压系统邮箱 的有效容积为液压泵每分钟排量的 24 倍即可，中压系统为 57 倍，高压系统为 1012 倍。3.吸油管和回油管要尽量远些，吸油管和回油管之间要有隔 板，以增加油液循环的距离，使油液有足够的时间分离气泡，沉 淀杂质。4.宜于散热和维护保养，箱底离地应有一定的距离且适当倾 斜，以增大散热面积；在最低的部分设置放油阀或放油塞，以利 用排放污油；邮箱侧壁应设置由位计；滤油器的安装位置应便于 装拆；箱内各处应便于清洗。5.油箱要进行油温控制。邮箱正常工作的温度应在一定范围 内，在环境温度变化较大的场合要安装热交换器，但必须考虑它 的安装位置及测温、控制等措施。6.油箱内壁要加工。新的邮箱经喷丸、酸洗和表面清洁后， 内壁可涂一层与工件液相容的塑料或耐油清漆。二 邮箱尺寸的确定 根据经验公式：V=KQ K经验系数，对于高压，一般去 25，这里选取 K=4Q表示液压泵的实际输出流量 计算得：V=KQ=4133=532L/min 因为油液不需要在有箱内散热，所以无须对邮箱容积的计算。又考虑到 V4 泵邮箱是补油箱，且采用水冷散热，经计算选择：长宽高= 0.60.50.6m 3三 油箱的结构设计油箱体：油箱体有 A3 钢板焊接而成，取钢板厚度为 5mm。邮 箱为固定式，油箱侧板壁上开清洗孔，以便于清洗油箱。油箱底部：油箱底部有吸油口，安有吸油过滤器。油箱地面与 基础面的距离大约是 150mm；油箱底用 A3 钢板。油箱盖：油箱盖多用铸铁或钢板两种材料制成，为便于取材， 也选用 A3 钢板。在油箱侧壁有液位液温计。液位液温计：在油箱侧壁有液位液温计。 四 油箱的防噪音防锈设计箱体及箱盖的材质，在条件允许的情况下，用铸铁代替钢板， 以便于吸震。箱体与箱盖间增加防震橡皮垫。4.2 油箱附件的选取一 空气滤清器的选择 为了使油箱里的油液能够在大气压的作用下顺利被吸取及排放，不至于在泵和管路中产生气泡，必须使得油箱与外部的空气 相连通，这样就产生一个问题，就是容易使得空气中的污染物进 入到油箱里污染油液。于是，在此空气滤清器的作用就显得十分 的重要，一般的，在油箱盖上设置空气滤清器，它包括空气滤清 装置和注油过滤网。二 液位指示器的选择 油箱中的液位指示器：油箱的容量应该保证在工作时油面的波动的上升和下降之间，一旦油面低于下限位置，油的散热不那么充分，则造成泵的吸油不充分，严重时会引起油液因固定在一 个小范围内因油液热极化和污染。一般在油箱侧面 2/3 处设置液 位指示器。为了准确知道油箱里的油液的高度，以保证在供油期间管道 中的油液有充分供应。因此，游标一般放在邮箱侧壁的上侧，它 包括了油温的指示器和液位指示器，本油箱选择的液位指示器型号为：型号LEBYWZ-150T180150112三 冷却器的选用为了提高系统的工作稳定性，应使系统在允许的温度下工作 并保持在 3050范围内，最高不超过 60，最低不低于 15。 油液温度过高，将使油液变质，加速其污染。同时有的粘性和润 滑能力降低，增加油液的泄露，缩短液压元件的寿命。因此，冷 却器是保证液压系统正常工作的一种很重要的附件。液压系统在工作时，油液因与管道产生摩擦以及各种的阀口时 有液阻的产生，故在工作时油也会产生大量的热量，特别是在高 压高速闭式回路中，油液的温升情况显得尤为突出。因为油液的 粘温定性，在温度过高时，油液的粘度会大大下降，由此产生的 问题是泄露量的增加，系统压力降低，能量损耗增大等一系列不 利于液压系统的因素出现。为了保证系统的正常工作，在邮箱散 热条件不利的情况下，一般采用增加冷却器的措施来对油温进行 控制，特别是高压高速的液压系统中，因此冷却器在液压回路中 就成了一种必不可少的辅件。冷却器按照其冷却方式分，一般可 以分为水冷式和风冷式两种，在通风条件不好的情况下，一般采 用水冷式。就本系统来说，选用的是水冷式的冷却器，冷却器的主要参数是散热面积。 四 滤油器的选择1.滤油器的功用及基本要求液压系统的 75%以上的故障是和液压油的污染有关。油液的污 染能加速液压元件的磨损，卡死阀芯，堵塞工作间隙和小孔，使 元件失效。导致液压系统不能正常工作，因而，必须对油液进行 过滤，滤油器的作用就在于过滤混在液压油中的杂质，使进入到 液压系统中去的油液的污染度降低，保证系统的正常的工作。一 般对滤油器的要求是：有足够的过滤精度，过滤精度是指滤油器芯滤去杂质的粒度 大小，以其直径 D 的公称尺寸表示。粒度越小，精度越高。精度 分粗，精，和特精四个等级。有足够的过滤能力，过滤能力即一定压力降下允许通过滤油器 的最大流量，一般用滤油器的有效过滤面积来表示。对滤油器过 滤能力的要求，应结合滤油器在液压系统中的安装位置来考虑， 如结合滤油器安装在吸油管路上时，其过滤能量应在泵能量的两 倍以上。滤油器应有一点的机械强度，不因液压力的作用而破坏。 滤芯抗腐蚀性能好，并能在规定的液压力的作用下持久的工作。滤芯要利于清洗和更换，便于拆卸和维护。2.滤油器的型式 滤油器按过滤精度来分为粗滤油器和精滤油器两大类；按滤油器的结构形式可分为网式、线隙式、磁式、烧结式和纸质式等； 按过滤的方式可分为表面型、深度型和中间型过滤器。第 19 页 共 35 页3.滤油器的选用和安装 根据设计的液压系统的技术要求，按过滤精度、流通能力、工作压力、油液的粘度和工作温度来选用不同的滤油器及其型号。 滤油器在液压系统中的安装位置，通常有以下几种：（1）安装在泵的吸油口（2）安装在泵的出油路口（3）安装在系统的回油路上（4）安装在系统的分支油路上 本泵的滤油器采用线式滤油器，安装在液压泵的吸油路上，以 保护液压泵。它具有结构简单、流通能力大、过滤效果好、阻 力小、易清洗等特点。由于滤油器的通油能力一般应大于实际通流能力的 2 倍以上,第 35 页 共 35 页故： KA P10 6Qm3 / s油液的动力粘度A有效油面积 P 压力差 K滤油通油能力系数因为该滤油器安装在泵的吸油口处，故采用线式滤油器， 所以 K=0.17 因为一般来说对于一般的液压回路系统，大多采用 N46 号油液就能满足要求， 又因为油液的流速油液的流速由表可查得： =30，0.9103所以300.910 227000Q 取 2.5 Q0所以 Q=2.5125=312.5L/min所以 AQK P 1061.49m 2由以上的几项数据可以选定滤油器的型号为：XU-A40030F型号过滤精度流量通径XU-A40030F80m100L/min32mm5.加热器的选择利用冷却器和加热器的综合使用来控制油液的温度，冷却器 和电加热器控制温度总称为热交换器。冷却器和电加热器的联合 使用，是为了控制油温的突然升高和突然下降，以及启动时油温 过低的情况。他们之间要配合使用。本系统选用电加热器型号为： SRY2-220/3。加热器的发热能力：H c r vTt (kcai / h)其中 c油的比热，取 c=0.5kcai/kqr油的比重，取 r=900kq/ m 3v邮箱容积，v=0.4 m 3t 邮箱加热后的温升， t =30第4章 机架的设计4.1对机架结构的基本要求机架是整个机床的基础支持件，一般用来放置重要部件。为了满足机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。 一、对机床的机架主要在以下3 个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在机架上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到机架上，所以，机架受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：机架的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性 对机床来说，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹热变形。因此，机架结构设计时应使热变形尽量小。 二、机架机架设计的一般要求 ： 1） 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低； 2） 抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内； 3） 躁声小； 4） 温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5） 结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； 6） 结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件； 7） 有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既适用经济，有美观大方。4.2 机架的结构1机架结构 根据机床的类型不同，机架的结构形式有各种各样的形式。例如车床机架的结构形式有平机架、斜机架、平机架斜导轨和直立机架等四种类型。 另外，斜机架结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了机架的刚度。钻高精度立式万能磨床、加工中心等这一类机床的机架结构与车床有所不同。例如加工中心的机架有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般使用于中小型立式和卧式加工中心，而后者又分为整体T形机架和前后机架分开组装的T形机架。所谓T形机架是指机架是由横置的前机架和与它垂直的后机架组成。整体式机架，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体机架，制造时需要大型设备。而分离式T形机架，铸造工艺性和加工工艺性都大大改善。前后机架联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固紧。这样联接成的机架，再刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式T形机架适用于大中型卧式加工中心。 由于机架导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，将会影响加工精度，为了避免工作台翘曲，有的立式加工中心增设了辅助导轨。 2机架的截面形状 机床的机架通常为箱体结构，合理设计机架的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。机架肋板一般根据机架结构和载荷分布情况，惊醒设计，满足机架刚度和抗振性要求，V形肋板有利于加强导轨支承部分的刚度；斜方肋和对角肋结构可明显增强机架的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。 此外，还有纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板更高。 3机架的结构设计 机架结构设计时，应尽量避免薄壁结构并简化表面形状。根据本设计的具体情况及要求，机架的结构设如下：4.机架的设计步骤 根据机架上的零件、部件情况和设计要求初步确定机架及机架的结构形状和尺寸，以保证机架内外的零件能正常运动 根据产品批量和结构形式初步确定制造方法，合理选择材料，单件小批量的非标准设备机架可以采用焊接和锻喊结合的机架 分析承载情况，根据承载情况合理的选择截面形式，确定主要设计参数 画出结构草图，进行必要的强度和刚度计算和尺寸修改 对重要设备的机架，还应该进行模拟实验设计和模拟实验，并根据实验结果对设计进行修改。4.2横梁设计 梁设计的要求与轴心受压相仿，钢梁设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定各个方面满足要求。(1)梁的强度计算主要包括抗弯、抗剪和折算应力等强度应足够。(2)刚度主要是控制最大挠度不超过按受力和使用要求规定的容许值。(3)整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳，主要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承，或适当加大梁截面以降低弯曲压应力至临界应力以下。(4)局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失稳，在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规定，对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。梁的截面选择一、型钢梁截面的选择型钢梁截面应满足梁的强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个要求，其中强度包括抗弯、抗剪、局部压应力和折算应力。由于型钢截面的翼缘和腹板等板件常有足够的厚度，一般不必验算局部稳定，无很大孔洞削弱时一般也不必验算剪应力。局部压应力和折算应力只在有较大集中荷载或支座反力时计算。型钢梁设计通常是先按抗弯强度(当梁的整体稳定有保证或Mmax处截面有较多孔洞削弱时)或整体稳定(当需计算整体稳定时)选择型钢截面，然后验算其它项目是否足够，不够时再作调整。为了节省钢材，应尽量采用牢固连接于受压翼缘的密铺面板或足够的侧向支承以达到不需计算整体稳定的要求。按抗弯强度或整体稳定(b值可先估计假定)选择单向(强轴)弯曲梁的型钢截面时，所需要的截面抵抗矩为：2、腹板尺寸梁高确定后腹板高也就确定了，腹板高为梁高减两个翼缘的厚度，在取腹板高时要考虑钢板的规格尺寸，一般使腹板高度为50mm的模数。从经济角度出发，腹板薄一些比较省钢，但腹板厚度的确定要考虑腹板的抗剪强度，腹板的局部稳定和构造要求。从抗剪强度角度来看，应满足下式：3、翼缘尺寸由式5.2.1求得需要的净截面模量，则整个截面需要的惯性矩为：4.3 机架的基本尺寸的确定机架是支撑及其自动变速器所有附件的可移动机构。要保证拆装自动变速器方便、安全；重量要轻，便于移动；架子要有足够的空间安装。而且自动变速器每个总成之间要考虑它们之间的协调关系。考虑到这些方面的因素后要确定的一些自动变速器尺寸根据这些数据，大概确定架子的长高。这样架子的地面的结构就确定了。支撑自动变速器的部件是支撑板，支撑板固定在支承轴上，支承轴安装在机架上。为了使机架能够方便移动，须在架子上装轮子，因此在架子的4个侧面通过螺栓各连接两个轮子，使得架子和轮子连接牢固。靠近转盘这端安装有锁止装置，使得架子在任何位置都能停止固定。4.4 架子材料的选择确定架子的结构确定后，就需要准备材料，买材料时要考虑钢材的性能，同时也要考虑成本，再者还要考虑到其美观，通过到市场调查分析后，台架选用6060的方钢和5050的角钢组合制作。其规格如表一所示。受力比较小的底架就用50的角钢制作，其他的受力大的转架就用60的方钢制作。在转架与支撑板的固定处需要用轴连接。表一 钢材的尺寸规格60605050横截面图长度500567材料Q235Q2354.3 主要梁的强度校核考虑到一些外在压力，按照重量为600N进行校核。支承轴160，查机械工程材料 P105页表5-2得，Q235钢材的屈服强度 b =375460MPa，取 b=375 MP a解：和轴一样建立如图所示的坐标系。以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图6.1所示的平面直角坐标系。因为：FRD =600N ，把RDE从D点移到E后的受力情况如图6.1所示。图6.1得到一个F和一个力矩M=FabLbe=6000.300NM=180 Nm计算轴的集惯性矩Ip和抗弯截面系数Wz，因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.26MP a=1.5 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。所以可以进行制作。解：以轴心为x轴，垂直上平面的直线为y轴，一端点为圆点建立如图2.2.1所示的平面直角坐标系。轴的受力分析。轴的轴心受力简图如图2.2.1-b所示。通过受力图可以明显看出轴的最大弯矩是在BE点之间。把F从C点移到B 后的受力情况如图2.2.1- b 所示。得到一个F和一个力矩M=FLbe=6000.3NM=180 Nm因为：Fba+Fde=2F=1200N由于轴的受力完全对称，故Fba=Fde=F=600NB点和F点的弯矩为：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 受力情况如图2.2.1所示. 计算轴的极惯性矩Ip 和抗弯截面系数Wz因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.45 MP a=2.25 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为5的情况下也是安全的。所以可以进行制作。T加热时间，取 T=0.15h选电加热器的功率由式 N加热器的安装要求：H KW860.7加热器部分应全部侵入油中，严防因油的蒸发或油面下降而使其露出油面，为保证上述要求，加热器应横向安装。 加热器与冷却器的联合使用，可以准确的控制温度，以便使液压油温度在最合适的位置。4.3 系统发热功率的确定在忽略系统泄露以及其他能量损耗的情况下，可以近似的认 为系统的所有能量损失全部的转化为了能量，由此可得到：PhrPr PcPhr 系统的发热功率Pr 系统的输入功率Pc 系统的输出功率因为总体估计的系统的总效率为 0.82 所以上式也可以写成：Phr Pr (10.82)所以 Phr 18KW因为按照正常的工作温度，一般选择室温为 20，系统正常工作允许的油温为 45。 因为本系统采用的是闭式回路，而且运转使得油速较高，系统的工作压力较高，所以对于管路的散热量可以忽略不计。4.4 阀的选择在主油路上有两个安全阀，一组起缓冲制动的阀组。 安全阀的选择 ： 因为此两阀作 安全作 用，故其调定 压力为40Mpa，为防止各种突发事件的发生。故在此选用较大的流量。取 L=60L/min 缓冲制动阀组中的安全阀：为了稳定系统压力与保持一定的压力，故取调定压力位 45Mpa,最大流量取 L=10L/ming。通径取=6mm缓冲制动阀组中的单向阀：选择 P0.3Mpa ，L=10L/min。通径取=6mm。型号为：S6A34.5 仪器仪表及传感器的选择本试验台系统所用到的仪表主要是检测 A4V 泵的输出压力的压力表。 本系统所用到许多传感器，用来检测系统压力、流量、转速、扭矩、液压油温度。根据这些检测值对系统进行调节控制。 压力传感器：需要测量 A4V、A7V 泵的输出压力，选用霍尔式压力传感器，型号为：AK-4流量传感器：需要测量的流量有 A6V 马达的输出流量，A7V 泵 的输出流量。流量的测量的方法有：容积法计量邮箱、椭圆齿轮 流量计、电远传浮子流量、计量油马达。本实验采用涡轮式流量 计，这种流量计既能测量积累流量瞬时流量，遥控测量方便，其 测量精度较高。测 A6V 马达输出流量型号为：LW25 1.212 m 3 / h测 A7V 泵输出流量型号为：LW40 2.520 m 3 / h转速传感器：需要测量的转速有 A4V 泵的输入转速，A6V 泵的输出转速，变速箱的输出转速。 本实验台对泵和马达检测时，不但要进行压力、流量检测，也要进行转矩和转速的测量。均选用磁电感应式转速传感器。 扭矩传感器：需要测量 A4V 泵的输入扭矩，变速箱的输出扭矩。选用应变片式扭矩传感器。A4V 泵的输入扭矩：AKC-205-1000Nm 变速箱的输出扭矩：AKC-205-1500Nm 油温油位的测量：可选用型号为 YWZ-150T 的液位计，而且带有温度计，即可显示液位也可知道温度。 温度数字显示调节仪：A4V 泵用邮箱选用型号：XMT-122 Cu50.0150 A4V 泵用邮箱选用型号：XMT-122 Cu50.01504.6 液压油的选择正确而合适的选择液压油，对液压系统适应各种环境的能力、 延长系统和元件的寿命、提高系统工作的可靠性等都有重要意义。在选择液压油考虑得众多因素中，最重要的是液压油的粘 度。液压介质应具有适宜的粘度和良好的粘温特性，高强度的油 膜，具有较好的润滑特性，能抗氧化，稳定性好，腐蚀作用小。本试验台考虑到具体实际情况，选用矿物质油较易维护系 统，相对价格不高，泵的寿命长，换油周期长，滤油器洗入阻力 较低润滑油，防腐性、防锈性、稳定性适中，蒸发性小，无毒， 使用范围广，粘温曲线较好。第五章 试验台的工作原理5.1 本试验台的主要目 本试验台的主要目的是测试系统在恒功率输入的情况下能否实现 恒功率输出，通过预编好的程序来调节泵、马达的排量，变速箱 的档位，溢流阀的调节压力。5.2 调速过程变速箱的输出速度和扭矩的变化分两个阶段：第一阶段液压 马达的排量 qm 最大，利用改变 A4V 泵的排量调节液压马达的速度nm 。在此过程中，A4V 液压泵的排量由零变到最大，液压马达的转速逐渐升高，压力保持最大值，液压马达的输出扭矩最大。当 继续增加泵的排量至最大值，液压马达的转速继续升高，此过程 由于液压泵的输出压力逐渐降低，使得液压马达的输出扭矩逐渐 降低，所以牵引力逐渐减小。第二阶段 A4V 液压泵的排量保持最 大，利用减小液压马达的排量调速。在此过程中，液压马达的排 量由最大值逐渐减小到最小值，其转速增加到最大，所以输出扭 矩下降。5.3 泵和马达的控制原理1.A4V 泵的 EL 控制原理通过控制装置 EL 上的两个比例电磁铁，泵中的变量缸由一个 与预选电流有关的调节压力来加压，因此使斜盘使排量得以无级 调节。一个比例电磁铁对应一个流动方向。EL 控制功能符号图：2.A6V 泵的 EL 控制原理通过控制装置 EL 上的两个比例电磁铁，泵中的变量缸由一个 与预选电流有关的调节压力来加压，因此使斜盘使排量得以无级 调节。一个比例电磁铁对应一个流动方向。 EL 控制功能符号图：3.A7V 泵的控制原理 泵上装有电磁控制阀。控制阀上的控制压力由电磁铁产生，电流强度的大小，可以控制阀芯位移的大小，也就是说，泵的排量与电磁铁的电流强度成正比。 EL 控制功能符号图：第六章 电控系统设计6.1 硬件的总体设计由于数字信息处理技术和计算机技术的迅速发展，使得计算 机，尤其是微型计算机在控制领域中越来越广泛，传统的模拟使 信息处理和控制装置正在逐步被数字计算机所代替。目前在机电 一体化产品中，多数是以微型机来构成控制装置。微型机控制系 统可以看成是有硬件和软件两大部分组成的。硬件一般包括微机、 外围设备、输入输出通道和操作台等，微型机和被控对象之间的 输入输出通道，包括数字通道和模拟通道两部分，是微型机控制 系统与其他微型机系统的主要区别之处。一下主要为硬件方面。数控系统基本由硬件组成：任何一个数控系统由硬件及软件 两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件和软件才能有效 的运行。硬件的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。第 36 页 共 35 页
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