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本课题为建筑砌块试验机电液传动系统设计。

该试验机是专用设备，用于测量建筑砌块抗压和抗折强度。

包括主机总体结构设计，选择二柱式主机结构作为主机框架；

加载方案选择，为了满足对加载速率的要求，选用先进的电液比例加载系统，实现精确、稳定加载；

测控系统，以单片机连接数模转换装置，实现半自动化控制，自动显示。

对液压系统功能原理进行设计，其中包括液压系统原理图设计；

元件选型设计。

最后对液压站结构设计，包括液压阀站设计；

液压泵组设计。

关键词建筑砌块试验机液压站电液传动

毕业设计外文摘要

TitleDesignoftheElectro-HydraulicTransmissoinSystem

ontheBuildingBlocksTestingMachine

Abstract

Thisdesignisabouttheelectro-hydraulicdrivingsystemofthebuildingblockstestingmachine.BasedThetestingmachineisadedicatedequipment,usedinmeasuringbuildingblocksofastrongcompressiveandbending.includingdesignofthemainstructureandselectingdouble-columnstructureasthemainframe,schemeselectionoftheloadingsystemwhichadoptadvancedelectro-hydraulicproportionalloadingsysteminordertorealizeaccurateandstableloading,descriptionofobserveandcontrolsystemwhichusedigital-to-analogdeviceconnectedbyMCUinordertorealizesemi-automaticcontrolandautomaticdisplay.Secondlydesignofthehydraulicsystemfunctionisdescribed.IncludingthedesignofthehydraulicsystemdiagramandcomponentselectionanddesignFinally,designofhydraulicstationstructureisdescribed.Including,designofthehydraulicvalve;

anddesignofthehydraulicpumps.

KeyWordsBuildingblockTestingmachineHydraulicstationElectro-hydraulictransmission

1引言

1.1国内外相关产品的技术发展状况及达到的技术水平

我国材料试验机的制造，从无到有、从小到大，从单参数到多参数，从静态到动态，逐步发展成初具规模，具有能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设的发展。

二十世纪九十年代初，我国实行了市场经济，众多民营企业应运而生。

试验机制造行业也和其它行业一样，民营企业登上了试验机行业的舞台。

近几年，随着国内试验机民营企业的不断做强做大，国有企业的改制，中国的试验机行业由原来以国有企业为主逐步演变为以民营企业唱主角的时代。

长期以来，试验机也一直是欧美对我国尖端科研课题限制出口的产品。

随着科技技术的发展液压式试验机得到快速的发展，目前我国对砌块的检测主要使用万能液压式试验机，这样有大材小用之感，现在国内外迫切需求专一对砌块检测的机械设备。

我国自主研制的新型、综合式的砌块试验机在国内外于先进水平。

比如：

由济南新东岳实验仪器有限公司生产的M9抗折试验机，其特点是调速系统采用伺服电机和减速机，性能稳定可靠，具有过流、过压、过载等保护装置。

如图1

图1-1M9式抗折试验机

经调研知道，已有个别科研单位在此方面做过有益的尝试，并取得一定的成果，但由于采用技术不完全合理或技术上考虑不全面等种种原因，使得其项目的实用性和易推广性有很大的局限性。

但研究试验机方向的专家也都有共识，我国的建筑工业和其它部门的科研院所不能直接进口某些关键材料试验的仪器设备。

所以，要发展中国的试验机产业，就必须走自主创新的道路。

1.2本课题研究的目的和意义

建筑砌块试验机是对试件抗压强度和抗折强度进行测量的专用机械设备，能够快速、准确的测量砌块的抗压和抗折强度。

随着经济的快速发展，砌块在建筑行业得到大量的应用，从建筑行业的质量安全考虑，对砌块的质量的检测就更为重要。

这样对建筑砌块试验机的设计成了人们所关注的问题。

由于没有专门的砌块抗折和抗压试验机，所以大部分的砌块试验都是在万能液压式试验机上进行的,这样它的功能大大受到了限制。

并且进行抗折、抗压试验，导致它的效率底下。

而大部分抗压试验机采用电动比例阀进行加荷速度的控制，其控制特性对油质的污染相当敏感。

笔者通过研究目前国内外砌块试验机的现状和发展,分析各种试验机的优势和缺陷,在现有科学技术的基础上,设计新的专用试验机。

从砌块试验机的工作原理来说，砌块被放入夹具上并由液压系统驱动开始运动，一直到砌块被压碎或断裂获得抗压强度、抗折强度和速度，整个过程全部由液压系统控制。

可见，液压系统担负着测量砌块的重任，是实现测量砌块抗压和抗折强度的重要部件。

一部机器的使用寿命，通常取决于主要部件或构件的寿命。

因此砌块试验机在保管使用过程中，液压传动系统检查成为一项重要内容，是设计试验机和制造人员经常要做的极其重要而必要的工作。

2总体方案的设计

2.1本课题的设计要求

1）功能：

通过滑块及压头给试件连续加载，检测并读取其抗压和抗折强度数值。

2）自动化程度：

半自动。

3）试件主要规格：

390mm×

190mm×

190mm（GB8239-1997）。

4）试验方法及精度要求：

按GB/T4111-1997。

5）机器结构：

二柱、四柱或其它。

6）加载测控方式：

电液比例加载，数字显示。

7）载荷范围及加载速率：

按GB/T4111-1997计算并确定

2.2砌块试验机总体方案的分析

本试验机为小型砌块等墙体材料的抗压强度和抗折强度检验设备，主要用于建材、建筑企业及相关质检部门，以解决在万能材料试验机上进行检验的大材小用问题。

设计目的是在保证测量精度的前提下,依据试验机内部的特殊构造,采用先进的电液比例控制技术快速测量方法,尽量减小测量过程中使用的时间长，同时注意保证测量效率和操作方便。

2.2.1二柱砌块试验机抗折、抗压功能实现

设计方案Ⅰ

一般试验机有双柱和四柱式，其简单结构见图2.1、图2.2、。

双柱式压机本体重心低，几乎与地面水平接近，因此稳定性好；

工作缸在地面以下，地面以上几乎没有什么管道，用油为工作介质不易着火，比较安全；

但运动部分质量较大，惯性大。

四柱式为传统型机架，广泛应用于各种用途的液压机中，但液压机本体的重心高出地面很多，稳定性较差。

液压机本体结构设计应考虑的三项基本原则有：

1）尽可能好的满足工艺要求、便于操作；

2）具有合理的强度与刚度，使用可靠，不易损坏；

3）具有很好的经济性，重量轻，制造维修方便。

砌块试验机主机结构如图2.1。

所示,机械结构为二柱，该机有主机、电液比例加载系统和微机测控系统三部分组成。

主机采用单空间布局，其框架由底座、立柱（2根）和横梁构成。

加载液压缸设置在工作台底部并穿过工作台梁，其活塞杆头部连接燕尾槽的压头体，抗压试验压头和抗折试验压头可从外燕尾槽上安装或更换。

2.2.2四柱砌块试验机功能原理实现

设计方案Ⅱ

砌块试验机主机结构如图2.2。

所示,机械结构为四柱，该机有主机、电液比例加载系统和微机测控系统三部分组成。

主机采用单空间布局，其框架由底座、立柱（4根）和横梁构成。

加载液压缸设置在工作台顶部并穿过工作台，其活塞杆头部连接燕尾槽的压头体，抗压试验压头和抗折试验压头可从外燕尾槽上安装或更换。

可拆式工作台便于进行周期计量检定并减小加载缸的空载行程。

图2.2试验机主机示意图

1—工作台；

2—加载液压缸；

3—压头体；

4—立柱；

5—上压板；

6—上横梁

考虑二种机架的特性及液压机本体结构设计原则，又下传动对立柱刚度要求相对较小，决定采用方案1进行本次砌块试验机的设计。

2.3加载方式及测控方案设计

本试压机采用的是电液比例加载系统，电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的基本技术构成之一,它与传统的电液伺服技术相比,具有可靠、节能和廉价等明显特点,电液比例控制系统,尽管其结构各异,功能也不尽相同,但都可归纳为由功能相同的基本单元组成的系统。

如图2.3，图中的虚线为可能实现的检测与反馈。

包含外反馈回路的控制系统才称为闭环控制系统,不包含外反馈的称为开环系统,如果存在比例阀本身的内反馈,也可以构成实际的局部小闭环控制。

电液比例控制系统具有可靠、易控、节能、廉价、精度高、工作平稳等明显而独特的优点，在本次设计中，抗折原理和抗压原理相同。

试验过程中要求匀速稳定加压，加载压力与控制电流成正比，即p=ik。

根据GB/T4111-1997《混凝土小型空心砌块试验方法》规定，试件抗压强度R=

。

故试件承受压力

R1=

=

pk1=ik2·

k1

式中R1—试件承载压力；

F—外载荷；

p—试验加载压力；

k1—面积系数，k2—电液比例系数；

i—控制电流。

由上述关系式可以看出，在试验加载过程中对于加载载荷的大小最终体现在电液比例系统中电流数值的大小。

因此在实现不同流量、压力的控制时可以通过改变电流来实现对阀芯开合大小的控制进而改变工作液的压力、流量等。

通过对电液比例阀的电流大小的检测，通过测控显示系统等即可得到试件的抗压、抗折等数据。

根据以上信息，绘制测控原理方框图如图2.4。

图2.4测控原理方框图

2.4总体布局方案的确定

本次课题设计试验机的试验对象为建筑砌块，首先应确认建筑砌块的制造标准及试验检验的条件与要求。

依据GB8239-1997《普通混凝土砌块标准》可查得普通建筑砌块的抗压强度分为五个等级，具体数据如表2-1。

依据GB/T4111-1997《混凝土小型空心砌块试验方法》可查得：

材料试验机示值误差应不大于2%，其量程选择应能使试件的预期破坏载荷（即为最大抗压强度）落在满量程的20%～80%；

依据我国液压标准（GB/T7938—1987及GB/T2346—2003）规定，液压系统常用工作压力为20MPa、25MPa及31.5MPa。

要满足建筑砌块的试验要求，依MU20.0强度等级初步选定试验机液压系统工作压力为25Mpa。

进行抗压强度试验，GB/T4111-1997要求试验机应以10kN/s～30kN/s的速度加荷，直至试件破坏。

在进行抗折强度试验，要求试验机应以250N/s的速度加荷至试件破坏。

由于抗折强度比较小，所以计算最大载荷时按照抗压强度选择。

表2-1强度等级MPa

强度等级

砌块抗压强度

平均值不小于

单块最小值不小于

MU3.5

3.5

2.8

MU5.0

5.0

4.0

MU7.5

7.5

6.0

MU10.0

10.0

8.0

MU15.0

15.0

12.0

MU20.0

20.0

16.0

依据GB/T4111-1997中计算抗压强度的公式

（1）

式中P—破坏载荷，N；

L、B—受压面的长度和宽度，

mm；

R—试件的抗压强度，MPa。

根据GB8239-1997，建筑砌块规格为390mm×

190mm，其受压面积为390mm×

190mm。

计算其破坏载荷即试验机最大载荷为

P=RBL=25×

390×

190N=1852.5KN≈200t

由公式F=pA

（2）

式中F—液压缸作用力N；

P—液压油工作压力MPa；

A—液压缸柱塞面积（

）mm,D为柱塞直径mm。

导出柱塞直径：

故活塞杆直径d=

D=225.71mm

根据GB/T2348-1993《液压缸内径与活塞杆直径系列》，初步选定液压缸内径为320mm。

由于做抗折强度试验需要在试件上下加钢棒，其直径是35mm～40mm,而试件高190mm，以不妨碍装卸试件为原则，初步选定工作台上下空间为500mm。

根据初步选择试验机结构方案及计算的基本参数，画试验机总体结构尺寸联系图，如图2.5所示。

拟定试验机总体尺寸大小为1800mm×

1000mm×

1600mm。

图2.5试验机结构及尺寸

1—底座；

2—液压缸；

3—底板；

4—立柱；

5—压板；

6—横梁；

7—电气柜

3液压系统功能原理设计

3.1执行元件设计压力的选取

液压执行元件设计压力的选取，主要应考虑如下因素；

执行元件及其它液压元件、辅助的尺寸、重量、加工工艺性、成本、货源及系统的可靠性和效率等。

根据主机的类型来选取执行器的设计压力,该机的主机类型属于液压机范畴，故设计压力在（20～32）MPa之间选取。

如表3.1。

表3.1各类主机液压执行器常用的设计压力

主机类型

设计压力/MPa

机床

精加工机床

0.8～2

半精加工机床

3～5

龙门刨床

2～8

拉床

8～10

农业机械、小型工程机械，工程机械辅助机构

10～16

液压机、大中型挖掘机、中型机械、起重运输机械

20～32

地质机械、冶金机械、铁道车辆维护机械、各类液压机具等

25～100

3.2系统基本参数的确定

根据上一部分初步计算，初选液压缸设计压力p=25MPa，液压缸内径D=320mm，外加负载FH=200t。

进一步反算系统压力

p=

=27.6MPa

取快进时速度v=0.04m/s,则液压系统流量

q=

=0.04×

×

π/4=0.032

=193L/min

系统流量太大，为减小系统流量，选用复合液压缸作为工作缸。

根据GB/T2348-1993《液压缸内径与活塞杆直径系列》，选取小腔直径D1=120mm，复算系统流量

=0.05×

π/4=0.00045

=27L/min

3.3复合液压缸设计

复合缸的承载能力是2000KN,根据设计要求及上述设计计算为了减少流量，选取液压缸内径为320mm，活塞杆的外径为90mm，小腔尺寸为120mm。

由于该主机的空行程是310，所以活塞杆长度要大于310。

此复合缸采用法兰支撑且法兰处固定，即通过缸的台肩处均匀分布着的8个螺栓将液压缸固定在试验机的下台面上。

这个活塞缸有3个油口，各处使用O形圈密封，缸的内部采用组合式活塞，即将活塞头与活塞杆分为两件制造，活塞头由导套、Yx形橡胶密封圈和固定挡圈组成。

其中导套与挡圈材料均选用45号碳钢。

导套与缸底通孔轴采用H7/h6的间隙配合要求。

活塞杆为实心，材料选用45号碳素钢，热处理为调质加高频淬火，淬火后硬度要求为50～60HRC。

复合缸结构如下图3.1。

图3.1复合液压缸尺寸结构图

3.3.1实际工作压力

快进时压力：

F1=0.785D2p

慢进加压时压力：

F2=0.785D12

快退时压力：

F3=0.785（D2-d2）Δp

式中：

p—液体工作压力，本试验机选用p=25MPa

Δp—背压，Δp=1MPa

根据结构尺寸，得：

由于存在延程压力损失和摩擦阻力等，所以这里计算时取

F1=280KN

F2=2000KN

回程时压力：

F3=5KN

3.3.2复合缸缸体计算

（1）缸筒壁厚的计算

缸体材料选用35锻钢，

—许用应力，

，

为材料抗拉强度，n为安全系数，n取3.5。

查得35锻钢的抗拉强度

Mpa

则

由公式：

式中

—缸筒外径公差余量

—腐蚀余量

取缸筒壁厚为30mm

图3.1中：

D1—油缸内径（mm）D1=320mm；

D2—油缸外径（mm）D2=380mm；

D—小腔内径（mm）D=120mm；

d—活塞杆直径（mm）d=90mm。

（2）缸体强度计算

①缸筒壁厚验算

缸体材料选用35锻钢，额定工作压力

应低于极限值，保证工作安全

所以中段强度满足要求。

②缸底部厚度计算

缸底材料选用ZG270-500，根据手册查得其屈服强度

σs=270MPa。

缸底部为平面，其厚度

可以按四周嵌住的圆盘强度公式进行近似计算：

式中p—筒内最大压力，MPa；

p=25MPa

σp—筒底材料许用应力，MPa；

σ=135MPa

—计算厚度外直径，ｍ；

=320mm=0.32m

mm，本设计取δ1=60mm。

③缸筒头部法兰厚度计算。

不考虑螺孔，则：

式中F—法兰在缸筒最大压力下所承受的轴向压力，N；

即F=p2=2000000N。

ra—法兰外圈半径，m；

ra=225mm=0.225m。

b——台肩半长；

b=17.5mm=0.0175m。

材料选用35锻钢，其许用应力σp=108MPa。

因为存在沉孔及螺纹孔，因此本设计中去缸筒头部台肩厚度h=30mm。

④缸筒法兰处螺纹连接强度计算。

缸筒端盖处采用8个M12的内六角螺钉将其固定于下台面上。

螺纹处的拉应力：

MPa

螺纹处的剪切应力：

合成应力：

式中F—缸筒端部承受的最大推力，N；

F=P3=5000N。

d0—螺纹外径，m；

d0=12.16mm=0.01216m。

d1—螺纹底径，m；

d1=10.05mm=0.01005m。

K—拧紧螺纹系数，不变载荷取K=1.25～2.5，变载荷取Ｋ＝2.5～4；

在此核算螺纹连接强度时，不变载荷时均取K=1.5，变载荷取K=2.5。

K1—螺纹连接摩擦系数，K1=0.07～0.2，平均取K1=0.12。

Z—螺栓数量；

Z

MPa。

计算得：

所以其螺纹强度满足要求。

⑤缸筒卡环处强度计算。

此液压缸在缸的底部采用了卡环连接，卡环材料为45号钢，

MPa，其强度计算如下：

卡环的剪应力：

卡环侧面挤压应力：

卡环尺寸：

h—卡环截面长度h，h=30mm=0.03m；

l—卡环截面宽度l，l=15mm=0.015m；

h1=h2=0.5h=0.015m

p=25MPa；

=320mm。

所以计算得：

=42.7MPa<

174MPa

=136.5

其应力值均小于

，所以强度满足要求。

3.4液压系统原理图的拟定

在拟定液压系统功能原理图的过程中，首先通过分析对比选择出各种合适的液压回路，然后将这些回路组成完整的液压系统。

构成液压系统的回路有主回路和辅助回路两大类，每一类中按照具体功能还可进一步详细分类，，通常根据系统的技术要求及工况图，参考现有成熟的各种回路及同类主机的先进回路进行选择。

选择工作从液压源回路和对主机性能起决定影响的回路开始。

在选定了满足系统主要要求的主液压回路之后，再配上过滤、测压之类的辅助回路，即可将它们组合成一个完整的液压系统。

此时，应注意下列事项：

力求系统简单可靠，除非系统有可靠性要求有冗余元件和回路，应避免和消除多余液压元件和回路；

从实际出发，尽量采用具有互换性的标准液压元件；

管路尽量要短，使系统发热少、效率高；

保证工作循环中的每一动作均安全可靠，且相互间无干扰；

防止液压冲击、振动及噪声；

组合而成的液压系统应经济合理，避免盲目追求先进，脱离实际；

液压系统原理图应使用标准图形符号绘制。

综合以上各方面，绘制了砌块试验机的液压系统的功能原理图，如图3.2所示，电磁铁动作顺序表如表3.2所示。

图3.2液压系统原理图

1-油箱；

2-高压纸质过滤器；

3-液压泵；

4-电动机；

5-压力表开关；

6-压力表；

7-单向阀；

8-三位四通电磁换向阀；

9-二位三通电磁换向阀；

10-复合液压缸；

11-二位四通电磁换向阀；

12、13-传感器；

14-先导式溢流阀；

15-电液比例溢流阀；

16-过滤器

（1）抗压试验过程

按下抗压试验按钮，电磁铁1YA通电，三位四通电磁换向阀8置左位，二位四通电磁换向阀11置左位，二位三通电磁换向阀置9左位，电动机启动，油箱中的液压油经过滤器吸入液压泵，液压泵开始供油，压力油经左位进入复合缸小腔a，活塞杆顶出，缸快速进给；

液压缸大腔中液压油，一部分经9左位补充到中腔c中，避免形成真空，另一部分经8和单向阀7回油箱。

活塞杆上升到一定程度，碰触行程开关1SQ，信号反馈给计算机，电磁铁3YA通电，阀9切换至右位，泵供给的压力油通过阀8后，同时进入a腔、c腔，液压缸进入加压工段，此时电液比例溢流阀15远程调节，信号发给先导溢流阀14的控制口，从而控制系统加载压力；

b腔中液压油经阀8、阀7回油箱1。

系统匀速加压，直至试件破坏，压力传感器信号发生突变，电磁铁1YA、3YA断电，2YA通电，阀8切换至右位，阀9切换至左位，压力油经阀8进入b腔，c腔中油液经阀9回到b腔，形成差动连接，系统进入快退阶段，a腔中油液经阀8、阀7排回油箱。

液压缸活塞杆接近底部时，行程开关2SQ脱离接触，向计算机发信号，所有电磁铁断电，阀8切换至中位，系统卸荷。

至此，一个工作循环结束，等待更换试件，重复下一次试验。

（2）抗折试验过程

试验开始时，按下抗折试验按钮，电磁铁1YA、4YA通电，抗折用压力传感器接通开始工作，其余过程参见抗压试验过程

表3.2电磁铁动作顺序表

3.5液压元、辅件的选择

3.5.