20070403130_马福存_电液比例控制弹簧性能试验机的设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 电液比例控制电液比例控制 弹簧性能试验机的设计弹簧性能试验机的设计 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化机械工程及自动化 班班 级级 机自机自 07040704 学学 生生 马福存马福存 学学 号号 20070403130 指导教师指导教师 杨可森杨可森 二一一 年 五 月 三十 日 济南大学毕业设计 - i - 摘 要 弹簧性能试验机主要用于螺旋压簧的性能试验检测。本课题设计的弹簧试验机 采用液压传动加载方案，包括主机部分、油源部分以及测控系统的主要软硬件部分， 试验力的控制由电液比例阀完成实现。主机为立式框架结构，由两根立柱、横梁和 工作台组成。液压缸安装在横梁上，位移传感器内置，力传感器与活塞杆连接。油 源采用大小双泵供油， 一个是高压小排量油泵，另一个是低压大排量油泵，满足不 同的工作速度要求。负荷传感器和位移传感器将所检测到的信号经过放大器放大、 由数据采集卡送入计算机通过虚拟仪器进行处理，自动绘制出负荷位移特性曲线。 本选题的创新之处：第一、使用电液比例控制阀，使结构大大简化。第二、油 源采用大小双泵供油，一个是高压小排量油泵，另一个是低压大排量油泵，满足不 同的工作速度要求。第三、应用 labview 虚拟仪器进行设计，大大节约了成本。 通过功能分析方法及方案评价决策措施的实施，确定了电液比例控制弹簧性能 试验机的设计方案。随着我国工业规模的不断扩大，具有广阔的应用前景。采用电 液比例控制技术实现的闭环压力控制，完成了手动控制无法胜任的功能，其可靠性 比电液伺服控制高，维护比较容易。 关键词：电液比例；传感器；labview；双泵供油 济南大学毕业设计 - ii - abstract spring capability testing machines are mostly used to detect helix spring capability. spring capability testing machine of my task adopts hydraulic pressure,including mainframe portion and oil portion and headwaters and software portion. electro-hydraulic proportional valve controls testing force. mainframe portion is standing frame configuration, including columniation and beam and workbench. hydraulic pressure crock is fixed in displacement sensor.force sensor is linked piston pole .oil resource adopts high pressure pump and low pressure pump,it can satisfy different velocity.the signal of force sensor and displacement sensor is amplified by amplifier .and transited into computer by daq.it can despict the curse of force-displacement. the creation of my task:firstly,electro-hydraulic proportional valve can simplify the configuration.secondly,oil resource adopts high pressure pump and low pressure pump,it can satisfy different velocity.thirdly,labview is used and simplify the configuration.the method of spring capability testing machine is affirmed by the methed of founction analysis and method affirm.with the quanty of our countrys industry,it can be used in defferent aspect.electro-hydraulic proportional technolegy control pressure,finish the founction that hand control can not finish.the responsibility is higher serve control and maintain is easy. key words：electro-hydraulic proportional；sensor；labview；two pump 济南大学毕业设计 - iii - 目 录 摘要. .i abstract.ii 1 前言 .1 2 设计内容和方法.3 2.1 结构特点3 2.2 技术参数.3 2.3 试验方法.3 3 液压系统原理图.4 4 机架的设计.6 4.1 结构特点6 4.2 技术参数.7 4.3 试验方法.7 5 液压缸的设计.9 5.1 液压缸主要尺寸的确定9 5.2 液压缸的结构设计.12 5.3 试验方法.13 6 液压油路板的设计.14 6.1 液压油路板的结构14 6.2 液压油路板的设计.14 7 液压站的设计.16 7.1 油泵的选择16 7.2 电机的选择.17 7.3 油箱体积的确定.18 8 传感器的选择.19 8.1 压力传感器的选择19 8.2 位移传感器.19 9 传感器电路的设计.20 9.1 传感器电路的作用点20 9.2 对传感器电路的要求.20 9.3 传感器电路设计应考虑的问题.20 济南大学毕业设计 - iv - 10 数据采集卡的选用.21 10.1 确认 i/o 信号类型21 10.2 选择数据采集 i/o 设备.21 11 基于 labview 的虚拟测试系统设计.22 11.1 ni labview 界面22 11.2 g 语言编程.25 11.3 小结.30 12 结论.31 参考文献.32 致谢.33 济南大学毕业设计 - 1 - 1 1 前言 试验机是在不同条件下，对新材料、新技术、新工艺等新型产品进行测试的测 量仪器。它广泛应用于机械、建筑、冶金、化工、船舶、交通运输等工业部门，对 有效使用材料、提高产品质量、降低成本、改进工艺、保证产品安全可靠等方面都 有重要作用。 试验机从应用性质上来分，主要分为 “性能试验机 ”和“环境试验机 ”两 大类。性能试验机 主要有功能试验机 和结构力学试验机 两类。功能试验机 主要 是通过试验机模拟产品的实际使用功能，并获得试验数据，如汽车的制动力、最 大牵引力和最大速度，门窗的开关力、开关疲劳寿命， 以及电器开关的最大可 承受压力。主要有弹簧拉压试验机、力学性能试验机、耐压爆破试验机、阀门试 验机、家具试验机、开关插座试验机等 。结构力学试验机 主要用于承受动静载 荷的产品进行机械力学性能试验。试验时模拟外界受力的状态，比如拉力、压力、 振动、冲击、颠簸、扭力、跌落等，进行静力和动力等试验。主要有电子万能 试验机、全自动落锤冲击试验机等 。环境试验机最 理想的试验环境肯定是自然 暴露试验和现场试验，但试验费用较高、耗时较长，试验的可重复性和规律性较 差，因此广泛采用人工模拟环境试验 ，即采用环境试验机 。 早在 1880 年英国已批量生产杠杆重锤式材料试验机。在 1908 年又生产螺母、 螺杆加载的万能试验机。但它们的结构复杂、体积庞大、操作繁琐，目前已被淘汰。 1910 年，瑞士公司开发了液压万能试验机，它利用液压力对试件进行加载。这种试 验机操作方便、结构简单、体积紧凑、作用力大，至今仍在生产和使用。它能进行 各种静态试验，但在加载过程中不能进行控制。在液压万能试验机出现的同时，在 原有双螺母、螺杆试验机的基础上还发展了电子万能试验机，由伺服电机控制，经 减速器减速后驱动两根螺杆转动，相应的螺母使横梁移动，进而对装在横梁及底座 的试件施加作用力。这种试验机调速范围广、精度高，缺点是只能在小负载条件下 工作。 在十九世纪六十年代，wahler 就提出力学性能的试验。除进行静态性能试验外， 还应进行动态的疲劳性能试验。最初的疲劳试验机是将试件作回转运动，用偏心轮 及砝码加载进行疲劳试验。由于作用力小，频率、幅值改变困难，故目前很少使用。 目前大多采用电磁谐振式疲劳试验机和电液伺服控制的动静万能试验机进行疲劳试 验。既能进行动静态的高周疲劳、程序控制疲劳、低周疲劳试验，又可进行静态的 恒变形速率、恒负载速率和各种常规的力学性能试验。随着科技进步，试验机出现 了更多的新功能。例如自动清零、自动换档、自动标定、自动存盘 、曲线遍历、 曲线选择、自动打印、实时显示、限位保护、过载保护、和数据处理等功能。 工业生产中，各种零件、零部件、构件以至整机都需要经过试验才能确定它们 济南大学毕业设计 - 2 - 的力学性能。在了解这些性能后才能使设计合理、使用可靠。因此，试验机在国民 经济中占有相当重要的地位，它的发展水平在某些程度上反映了一个国家的工业发 展水平。 本课题所设计的是电液比例控制弹簧性能试验机。它是液压静态试验机，利用 液压系统实现液压缸活塞杆的上下运动，从而完成试验机的承载试验。包括主机部 分、油源部分以及测控系统的主要软硬件部分，试验力的控制由电液比例阀完成实 现。主机为立式框架结构，由两根立柱、横梁和工作台组成。液压缸安装在横梁上， 位移传感器内置，力传感器与活塞杆连接。油源采用大小双泵供油， 一个是高压小 排量油泵，另一个是低压大排量油泵，满足不同的工作速度要求。为防止试件损坏 后伤到操作人员，所以必须具有试件损坏紧急手动卸载功能，并采用封闭式工作台。 对于测控系统的设计，采用美国 ni 公司的虚拟仪器进行数据采集并处理。虚拟 仪器将计算机软件和传统仪器硬件相互补充，实现各种测试仪器的功能，数据分析 和结果显示通过计算机软件完成。用户通过软件方便的与各种硬件（如 gpib、）相连，通过编写 labview 程序实现定制的 虚拟仪器系统。当测试要求变化时，用户可方便的更改 labview 程序，或重新配置 测试硬件设备。负荷传感器和位移传感器将所检测到的信号经过放大器放大、由数 据采集卡送入计算机通过虚拟仪器进行处理，自动绘制出负荷位移特性曲线。可 实时对试验过程进行监控。 济南大学毕业设计 - 3 - 2 2 设计内容和方法 2.1 结构特点 本课题设计的弹簧试验机采用液压传动加载方案，包括主机部分、油源部分以 及测控系统的主要软硬件部分，试验力的控制由电液比例阀完成实现。主机为立式 框架结构，由两根立柱、横梁和工作台组成。液压缸安装在横梁上，位移传感器内 置，力传感器与活塞杆连接。油源采用大小双泵供油， 一个是高压小排量油泵，另 一个是低压大排量油泵，满足不同的工作速度要求负荷传感器和位移传感器将所检 测到的信号经过放大器放大、由数据采集卡送入计算机通过虚拟仪器进行处理，自 动绘制出负荷位移特性曲线。 2.2 技术参数 （1）试验机由一套油源、一套加载油缸组合而成，主机为立式框架结构。 （2） 最大试验力 200kn，最小试验力为 10kn，精度1%，行程 600mm。 （3） 承载时间范围可调。 （4） 具有试件损坏紧急手动卸荷功能。 （5） 机器应造型美观，操作方便、安全可靠。 （6） 用 labview 实现对测量数据的处理, 输出负荷和位移特性曲线。 2.3 试验方法 承载试验是螺旋弹簧升降到规定的行程上某位置后不动，对其施加一定的试验 力并保持一定的时间，对螺旋弹簧的承载性能进行检测。 试验机需要测量的参数包括试验力、试验位移、试验时间等，本试验机的试验 力由力传感器直接检测，试验位移通过测量活塞位移来获得。 济南大学毕业设计 - 4 - 3 3 液压系统原理图 液压系统设计的关键是试验力控制方案的选择，应对成本、精度和功能等因素 综合考虑。然后选择最优的方案。如下图所示，有三种方案可供选择。 1 弹簧 2 溢流阀 3 力传感器 4 电流饲服阀 5 溢流节流阀 6 节流阀 图 3.1 阀控加工方案的比较 图 1（a）为采用电液伺服阀的加载方案，它具有控制精度高、控制灵活方便的 特点，但这种方案的设计、使用和维护成本都较昂贵。另外，用市售通用的对称伺 服阀控制不对称油缸，需要进行参数补偿和校正，控制系统比对称阀控制对称缸复 杂。 图 1（b）为试验机的传统加载方法，溢流节流阀起稳定流量的作用，通过调节 节流阀的开口面积大小，便可控制油缸无杆腔的压力。这种加载方式可以从零加荷， 但长时间保压不能保证压力控制精度。更为重要的一点是在动载试验时，活塞被千 斤顶往上顶，被动上升，产生一个不稳定的负方向的负载流量，这就使得在动载试 验时无法用节流方式对油缸稳定加荷。 图 1（c）为采用大小两种额定压力的手动溢流阀的加载方案，分别用于动载试 验和承载试验。但溢流阀存在压力振摆，稳压精度在额定压力时可低至5%以下， 满足不了1%的要求精度。 将以上方案综合后，取长补短，便形成图 2 所示的最终方案，即将图 1（c）中 的手动溢流阀换成比例溢流阀，并进行闭环控制，从而满足了技术参数的要求。油 缸内径按工作压力为 28 mpa 时，能满足 200 kn 最大试验力的要求来设计，10 kn 济南大学毕业设计 - 5 - 最小试验力时，工作压力为 0.28 mpa。低压比例溢流阀的额定压力为 5 mpa，最低 开启压力为 0.15 mpa； 高压比例溢流阀的额定压力为 31.5 mpa，最低开启压力为 0.85 mpa，两阀的额定电流均为 800 ma 。 图 2 中的节流阀 9 用于调节油缸的空行程速度，换向阀 11 的 p 型中位机能用于动载 试验，其回油口上设置单向阀 10 是为了防止在承载试验时油缸的有杆腔泄空。 1 空气冷却器 2 过滤器 3 卸荷阀 4、5 液压泵 6 安全阀 7 压力表 8、11、13 换向阀 9 调速阀 10 单向阀 11 油箱 12 液压缸 14、15 比例溢流阀 图 3.2 液压系统原理图 采用电液比例控制技术实现的闭环压力控制，完成了手动控制无法胜任的功能， 其可靠性比电液伺服控制高，维护比较容易，在长时间保压时能够满足1%的试验 精度要求，而现有的用手动阀控制的试验机的精度仅为3% 。 济南大学毕业设计 - 6 - 4 4 机架的设计 电液比例控制弹簧性能试验机的主机为立式框架结构，选用二立柱结构，立柱 支撑上下两个台架。液压缸放在上台架上，下台架下面放有整个油源。 4.1 机架弯矩分析 （1）机架受力如图（a）所示 （2）由静平衡方程，得 0 b m02/ 1 lplf yc （4.1） 0 c m02/ 2 lflp by （4.2） 0 y f0pff bc （4.3） xpm y11 （4.4） )( 22 xlpm y （4.5） 见图（b） （3）竖直方向上的弯矩图 以 b 点为原点，得 0 max s n （4.14） 故满足强度要求。 4.4 工作台的设计 （1）工作台和横梁都是中心部位弯矩最大。 （2）工作台尺寸确定 长暂取 1600mm,宽暂取 1000 mm，高暂取 100 mm =2，材料为 q235a，=170mpa s n =1000.8（1/61.0）=48mpa 2 maxmax max 6/1 2/1 bh f w m 3 10 2 0.1 （4.15） n=/=170/48=3.54 max s n （4.16） 故满足强度要求。 济南大学毕业设计 - 9 - 5 液压缸的设计 液压缸是液压系统的执行元件，具有压力的液压油推动活塞进行运动，将 液压能转化为机械能。 5.1 液压缸主要尺寸的确定 5.1.1 工作压力的确定 主要根据液压设备的类型来确定液压缸工作压力，由于工作条件、液压设备的 不同，通常采用的压力范围也不同。 表 5.1 p（mpa） 02.5 2.588161632 32 类型低压中压中高压高压超高压 该电液比例控制弹簧性能试验机系统压力 ps=28 mpa. 济南大学毕业设计 - 10 - 采用 ps=28 mpa，原因（1）压力高，油缸体积小，结构紧凑，液压泵的额定压 力一般为 31.5mpa. （2）提高压力可以减少泵的排量和体积。 （3）经济的压力范围 为 2131.5mpa 范围。 5.1.2 液压缸内径和活塞杆直径的确定 200 （28）=71.4c ps f max ad 3 10 6 10 2 m （5.1） 由因为 d a 4 )( 22 dd （5.2） 令 dd=0.7,得 d=112.8mm d=78.96mm 圆整为 d=125mm d=90mm 活塞杆材料为 45 钢，=，取=5， =353mpa，=3535=70.6 s s n s n s mpa =200/(70.6)=2.83 d a 4 2 d n 4/ 2 dps 3 10 6 10 3 10 2 m （5.3） d=59.97mm )/1083 . 2 4( 3 （5.4） 圆整至 60mm,故取 d=90mm 满足强度要求。 5.1.3 液压缸壁厚的确定 液压缸选择用 45 钢，采用厚壁圆筒结构 py=1.25pn， =/n,n=5 b （-1） 2 d py3 . 1 0.4py 济南大学毕业设计 - 11 - （5.5） =（-1） 2 125 2825 . 1 3 . 1 6 . 70 281.250.470.6 =27.33mm 取=30mm 液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径=d+2=125+230=185mm. 1 d 5.1.4 液压缸工作行程的确定 可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照标准系列尺寸来选取标准 值 l=630 mm 。 5.1.5 活塞宽度的确定 活塞的宽度 b 一般取（0.61.0）d，故选择 b=100mm。 5.1.6 最小导向长度的确定 hl/20+d/2=630/20+125/2=94mm （5.6） 故 h=100mm 缸盖滑动支承面的长度=(0.61.0)d,故选为 70mm 1 l 为保证最小导向长度 h，若过分增大和 b 都是不适宜的，必要时可在缸盖与活 1 l 塞之间加一隔套 k 来增加 h 的值。 c=h-0.5（+b）=100-0.5（70+100）=15mm 1 l （5.7） 5.1.7 上下端盖厚度的确定 有孔时 济南大学毕业设计 - 12 - t0.433=0.433125=72mm z d )( oz y dd p )90125( 6 . 70 25 . 1 2825 . 1 （5.8） 选为 80mm 5.1.8 缸体长度的确定 长度=活塞行程+活塞宽度+两端盖厚度 = 630 + 80 + 80 =870mm 5.1.9 稳定性校核 活塞杆的细长比=l/(d/2)=630/(90/2)=14 活塞杆材料 ：45 钢。 属于硬钢，故=85，f=4.9,=1/5000 1 8 10 支承方式：一端自由，一端固定。=0.25 2 由于 =42.5 l/(d/2) 1 2 1 2 所以 =2.694n k f 2 2 ) 2/ (1 d l fa 2 28 )14( 5000 4 1 09 . 0 4/109 . 4 6 10 （5.9） 取=2， k n f/=2.694/2=1.347n k f k n 6 10 6 10 （5.10） 故满足稳定性条件。 5.1.10 上下端盖螺钉连接的校核 单个螺钉所受的轴向工作载荷为 济南大学毕业设计 - 13 - f=（28/4（） ）/6=27.58kn z f 6 10 22 90125 （5.11） 螺钉材料 q235a 性能等级为 8.8 的螺钉 屈服极限=640mpa s 安全系数 s=1.5 许用压力= =640/1.5=426.7 mpa s s 由 d=10.34mm f3 . 14 7 . 426 1058.273 . 14 3 （5.12） 选用标准值 d=12mm 5.2 液压缸的结构设计 确定液压缸主要尺寸后，就要进行各部分的结构设计。主要包括：缸体和缸盖 的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装 置、排气装置以及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件的不同，结构形式也各 不相同。应根据具体情况进行选择。 5.2.1 缸体和缸盖的连接结构 本电液比例控制弹簧性能试验机采用法兰连接。 特点：（1）容易加工、便于拆装（2）结构简单、成本低（3）强度大、能承受 高 压（4）用钢管焊接法兰，工艺过程复杂（5）径向尺寸较大（6）重量大 5.2.2 活塞杆与活塞的连接结构 本电液比例控制弹簧性能试验机采用螺纹连接。 特点：（1）结构简单，应用较广（2）在振动条件下容易松动，必须用锁紧装 置。 5.2.3 活塞杆导向部分结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构以及密封锁紧和防 尘装置等。本电液比例控制弹簧性能试验机采用端盖直接导向。 特点：（1）直接接触导向，结构简单（2）防尘圈常用无骨架的防尘圈（3）磨 损后只能更换整个端盖。 济南大学毕业设计 - 14 - 5.2.4 活塞杆与活塞处密封圈的选用 活塞与活塞杆处密封圈的选用，应该根据密封部位、使用温度、压力、运动速 度的具体情况选用。本电液比例控制弹簧性能试验机采用： 活塞和液压缸内壁处的密封圈选用的是孔用格来圈：gs55042-1000-n-797； 活塞和液压缸内壁处的耐磨环选用的是孔用耐磨环：bs50703-085010-47； 上端盖和液压缸内壁处的耐磨环选用的是孔用耐磨环：bs50703-085010-47； 活塞杆和下端盖内壁处的密封圈选用的是轴用斯特封：gs5501b-0607-46-300； 活塞杆和下端盖内壁处的耐磨环选用的是轴用耐磨环：bs50703-05507-47。 5.2.5 液压缸的缓冲装置 液压缸工作过程中，由于运动件的质量较大，运动速度较高，在到达行程终点 时，会产生液压冲击，甚至在活塞和缸筒端盖之间产生机械撞击。为防止这种现象 的发生，在行程末端设置缓冲装置。 本电液比例控制弹簧性能试验机采用环状间隙式节流缓冲装置。活塞端部的缓 冲柱塞向端盖方向运动过程中，进入圆柱形油腔时，将密封在柱塞与端盖间的油液 从环状间隙中挤出去。由于间隙很小，因而起节流缓冲作用。 5.2.6 液压缸的排气装置 对于运动速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸，则需要设置排气装 置。本电液比例控制弹簧性能试验机采用排气阀。安装在液压缸两端的最高处。 5.2.7 液压缸的安装连接结构 （1）液压缸的安装形式 根据安装位置和工作要求的不同可有长螺栓安装、法兰安装、脚架安装、耳环 安装等。本电液比例控制弹簧性能试验机采用法兰安装。 （2）液压缸进、出油口形式及大小的确定 液压缸的进、出油口，布置在端盖上。进、出油口的形式选用法兰连接。由于 缸体内径 d=125，查液压杆油口安装尺寸（iso8138）可知，进、出油口尺寸为 m272。 5.2.8 活塞杆端部螺纹的确定 根据经验数据，螺纹尺寸为 m362。 济南大学毕业设计 - 15 - 6 液压油路板的设计 通常使用的液压元件有管式和板式两种结构。管式元件通过油管连接在一起， 液压元件数量越多，连接的管件就越多，结构就越复杂，系统压力损失较大。板式 元件固定在板件上，有三种连接方式：液压油路板连接、集成块连接、叠加法连接。 将所有液压元件合理的布置在一块油路板上，元件之间通过油路板上的孔道相连接。 板式元件的液压系统安装、调试以及维修方便，外观紧凑，压力损失小。本电液比 例控制弹簧性能试验机采用液压油路板连接。 6.1 液压油路板的结构 液压油路板由灰铸铁制造，要求材料致密、无疏松缩孔等缺陷。液压油路板正 面用螺钉固定液压元件，表面粗糙度值为 0.8，背面连接压力油管（p） 、回油管 （t） 、工作油管（a、b）等。液压油路板和油管之间由管接头连接。液压元器件之 间通过液压油路板内部的孔道进行勾通。液压油路板采用框架固定，安装、调试以 及维修方便。一般安装在液压站上。 6.2 液压油路板的设计 6.2.1 分析液压系统，确定液压油路板数目 本电液比例控制弹簧性能试验机液压元器件共 20 个，连接方便、结构紧凑，故 选用一块液压油路板。 6.2.2 制作液压元件样本 根据产品样本，对照实物绘制液压元件俯视图轮廓尺寸，用虚线绘出液压元件 底面各油口位置的尺寸，依照轮廓线剪下来。 6.2.3 液压元件的布局 绘出液压油路板平面尺寸，将制作好的液压元件样板放在液压油路板上进行布 局。注意事项：（1）液压阀芯应处于水平方向，换向阀一定要水平放置；（2）压 力表开关放置在最上方；（3）液压元器件之间的距离应大于 5mm；（4）与主油路 相通的液压元件的油口应尽量沿同一坐标轴线布置。 （5）压力阀上的先导阀、换向 阀上的电磁铁可适当伸到油路板轮廓线外。 6.2.4 确定油孔的位置与尺寸 济南大学毕业设计 - 16 - 液压元件安装在油路板的正面，上面布置有液压元件固定螺孔、油路板固定孔、 液压元件油孔。液压元件布局完成后，孔道位置尺寸就基本上确定了。本电液比例 控制弹簧性能试验机的油路板分四层布置。第一层为进油孔的孔道，第二层为工作 油孔 a 的孔道，第三层为工作油孔 b 的孔道，第四层为回油孔和泄露油孔的孔道。 6.2.5 绘制液压油路板零件图 液压油路板结构复杂，应该用多个试图表达，主视图表达液压元件固定的位置、 液压元件进出油口位置和大小，以油路板两条棱为坐标轴绘出。剖视图一般为 4 个， 即每层孔道一个剖面。为了避免加工制造误差的发生，油路板零件图尽量少用虚线。 济南大学毕业设计 - 17 - 7 液压站的设计 7.1 油泵的选择 小泵选择 2.5mcy14-1b 的柱塞泵 ，额定压力=32mpa，排量=2.5ml/r,转速 n p 1 q n=3000r/min. 大泵依空行程（或返程）速度的选取 =80mm/s max q=28.4l/min 4 )( max 22 dd 4 80)90125( 22 （7.1） 故大泵选择 cb-b32 的外啮合齿轮泵，额定压力=2.5mpa，排量=32ml/r,转 n p 2 q 速 n=1450r/min，0.9 v q=(+) n=(2.5+32) 14500.9=45.02l/min （7 1 q 2 q v 3 10 .2） 故可满足工作要求。 7.2 电机的选择 7.2.1 小泵电机的选择 n=3.89kw m sq p 9 . 060 3000105 . 21028 66 （7.3） 济南大学毕业设计 - 18 - 选择 y112m-4，n=1440r/mm, =2.2，=2.3，m=43kg. n p max p 2.2.2 大泵电机的选择 大泵的供油压力依克服活塞自重为准 活塞质量=0.63/47.8=29.77kg 1 m 4 2 ld 2 0.09 3 10 （7.4） 传感器和压盘质量为=20kg 2 m 总质量 m=+=29.77+20=49.77kg 1 m 2 m 供油压力=0.083mpa s p )(4/ 22 dd mg )09 . 0 125 . 0 (4/ 8 . 977.49 22 （7.5） 取 0.1 mpa 计算 n=0.086kw m snq p 9 . 060 10321450101 . 0 36 （7.6） 选择 y801-4，n=1390r/mm, =2.4，=2.3，m=17kg. n p max p 7.3 联轴器的选择 根据轴孔直径的配合，本电液比例控制弹簧性能试验机采用 yl14 凸缘式联轴器 （gb5843-86） ，该联轴器刚性好，结构简单，传递扭矩大，工作可靠，维护方便， 适用于两轴对中角度良好的一般轴系传动。 7.4 油箱体积的确定 液压油箱的作用是储存液压油、分离油中的空气和杂质，并且起到散热的作用。 济南大学毕业设计 - 19 - 在中高压或高压功率系统中（p6.3mpa） 可取 v=（612） p q （7.7） v=645.02=270.12l 油箱长暂取 800mm,宽暂取 750 mm，高暂取 500 mm 实际体积=87.55=300l 满足液压系统所需油量。 7.5 液压油温升校核 大小泵同时工作时的总功率为 p= + =3.89+0.086=3.976kw 1 p 2 p 温升=88.72 3333 300 3970 v p t （7.8） 若环境温度为 20，可达 108.72，这种情况决不允许出现。最理想的工作温 度为 3045，应考虑用冷却器降温。 7.6 冷却器的选择 传热方程=ka t （7.9） =1000w =78.72 k=350580t 2 /mw 所以 a=/(k)=1000/(40078.72)=0.03 t 2 m （7.10） 故采用上海润滑设备厂生产的空气冷却器 glc2。 济南大学毕业设计 - 20 - 8 传感器的选择 8.1 压力传感器的选择 试验机试验过程中常常需要控制压力，这就需要压力传感器进行检测。本电液 比例控制弹簧性能试验机采用压电式压力传感器 bk-4，量程是 400kn。 压电式压力传感器是利用压电材料（石英、碳酸钡、电气石）的压电效应进行 压力测量。是一种可逆型换能器，其可以将电能转化为机械能，又能将机械能转化 为电能。这种传感器具有质量小、体积小、精确度高的优点，灵敏度可达n。现 3 10 在与其配套的后续仪器（如电荷放大器）技术性能日益提高，使这种传感器的应用 越来越广泛。 8.2 位移传感器 位移传感器是将测量出的直线、角度的位移大小和方向转化为电量的检测元件。 本电液比例控制弹簧性能试验机采用差动变压器式电感传感器 temp-114，量程是 1000mm。 差动变压器式电感传感器利用了电磁感应中的互感现象，将被测位移量转 换成线圈互感的变化。差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比， 其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动 的方向性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。差动变压器式电感传感 济南大学毕业设计 - 21 - 器具有精确度高（最高分辨率可达 0.1） 、线性范围大、稳定性好和使用方便的m 特点。 9 传感器电路的设计 9.1 传感器电路的作用 在工业生产过程中，产品的生产效率和质量是衡量生产活动优劣的两项主要指 标。为保证产品质量，必须对生产过程进行检测和控制。为实现现代化和提高生产 率，必须对生产设备的运行状况进行检测。现代化的尖端技术、高新技术、航空航 天也离不开精密测量。人们的现代生活、办公器械也越来越多的依赖于测量。 测控系统一般由传感器、信号调理电路和执行机械组成，监测和信息采集系统 一般由传感器、信号调理电路和输出部分组成。不管是何种功能，传感器所获取的 信号均需要经过信号调理电路进行处理。信号调理电路将信号进行变换放大处理后， 变成易于后续处理的较强信号的电路。 9.2 对传感器电路的要求 传感器的不同、使用环境的不同、使用条件目的的不同，对传感器电路的要求 也不同。在实际应用中，对传感器电路的要求，主要是准确度高、反应速度快、可 调性高等。 （1）准确度 传感器电路具有高精度，是实现准确测量被测对象状态或参数 的重要基础。因此电路应具备以下性能：低漂移、高稳定性，线性度好，合适的输 入与输出阻抗，低噪声与高抗干扰能力，有合适的通频带，良好的频率特性。 （2）响应速度 实时动态检测已成为测量技术发展的重要分支。响应速度是对 济南大学毕业设计 - 22 - 传感器电路性能的一项重要指标。这就要求传感器电路具有较高的响应速度、频率 特性。 （3）可调整性 对于传感器电路，同一电路不仅能适应不同的同类传感器，量 程或增益可调，而且要求调整的范围大，操作方便，同时具有简单的数据处理功能。 9.3 传感器电路设计应考虑的问题 （1）信号的变换； （2）信号的放大； （3）可实现性； （4）阻抗的匹配； （5）线性与准确度； （6）稳定性与一致性； （7）抗电磁干扰能力； （8）信号的传送方式； 10 数据采集卡的选用 10.1 确认 i/o 信号类型 10.1.1 位移信号的来源 位移传感器是采用差动变压器式电感传感器 bk-4，所选择的传感器输出端信号 为电压信号（范围 010v） 。 10.1.2 压力信号的来源 位移传感器是采用压电式压力传感器 temp-114，所选择的传感器输出端信号经 负荷放大器电路转换后为 010v 的电压信号。 10.2 选择数据采集 i/o 设备 根据 io 信号的类型及传感器灵敏度的要求，选用 national instrments(ni) 公司 e 系列 6110edaq 卡。该数据采集卡的特点：多达 4 路 di，12 位精度，同步采 集、模拟输入，0.2 到42v 输入范围，每一通道 5mss 的采样率，两路 16 位模 拟输出，两路 24 位计时器定时器，最高 5mss 的磁盘写入速度，8 条数字 io 线，可选购 pci 总线。 national instrments(ni)daq（数据采集）产品性能优势： 济南大学毕业设计 - 23 - （1）ni-daq 驱动软件 专与 ni 数据采集及信号调节硬件配用，可快速完成 设备安装并获取测量数据。ni-daq 里有几百个测量范例，可以在此基础上二次开发。 （2）measurement & automation explorer 利用 measurement & automation explorer（测量及自动化浏览器）进行配置，可快速检测及配置所有 硬件，实施简便、交互式的测量。 （3）强大的编程功能 提供一个简单但强大的应用编程界面，将全套的硬件 功能与多种不同的开发环境语言相连接。 （4）高性能的测量 完善的缓冲区和 dma 管理，可以多台设备同步运行，测 量附件可以无缝整合。 11 基于 labview 的虚拟测试系统设计 11.1 ni labview 界面 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一种图形化的编 程语言，现在广泛地被学术界、工业界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数 据采集和仪器控制软件。labview 集成了与满足 vxi、gpib、rs-485 和 rs-232 协议 的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。而且内置了便于应用 tcp/ip、activex 等软 件标准的库函数。是一个功能强大灵活的软件。使用者可以方便地建立自己的虚拟 仪器，而且其图形化的界面使得编程及使用过程非常方便。 图形化的程序语言，又称为“g”语言。使用这种语言编程时，不用像其他编程 语言一样写程序代码，取而代之的是流程图。尽可能利用了科学家、技术人员、工 程师所熟悉的图标、术语和概念，所以，labview 是一个面向用户的使用工具，可 以大大提高工作效率。 （1）前面板 前面板是图形用户界面，也就是 vi 的虚拟仪器面板，这一界面上有输入和输出 两类对象，具体表现有旋钮、开关、图形以及其他对象。图 1 所示是一个简单 vi 的 前面板。并非简单地画以上几个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的 济南大学毕业设计 - 24 - 程序框图。 图 11.1 （2）程序框图 程序框图提供 vi 的图形化源程序。在程序框图中对 vi 编程，用来控制和操纵 定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图中包括前面板上的连线端子，还有一 些前面板上没有的，但程序必须使用的对象。例如：函数、连线和结构。图 是与图对应的程序框图。 济南大学毕业设计 - 25 - 图 11.2 如果将 vi 与现实中的标准仪器相比较，那么前面板上的对象就是仪器面板上的 对象，而流程图上的对象相当于仪器箱内的对象。在大部分情况下，使用 vi 可以模 拟标准仪器，不仅可以在屏幕上出现一个相似的标准仪器面板，而且在功能上与标 准仪器也相差无几。 （3）工具模板 该模板提供了各种用于创建、调试和修改 vi 程序的工具。当 从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形 状。当从 windows 菜单下选择了 show help window 功能后，把工具 模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（sub vi） 或图标上，就会显示相应的帮助信 图 11.3 （4）控制模板 该模板用来给前面板设置各种所需的输入控制对象和 输出显示对象。只有打开前面板时才能调用该模板。每个 图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，也可以在前 面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 济南大学毕业设计 - 26 - 图 11.4 （5）功能模板 该模板是创建流程图程序的工具。只有打开了程序框图窗口，才能出现功能模 板。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，可以在流 程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 图 11.5 11.2 g 语言编程 11.2.1 位移信号的产生 （1）位移信号产生的前面板 济南大学毕业设计 - 27 - 图 11.6 （2）位移信号产生的程序框图 图 11.7 11.2.2 压力信号的产生 （1）压力信号产生的前面板 济南大学毕业设计 - 28 - 图 11.8 （2）压力信号产生的程序框图 图 11.9 11.2.3 定位移测量压力 （1）定位移测量压力程序的前面板 济南大学毕业设计 - 29 - 图 11.10 （2）定位移测量压力程序的程序框图 图 11.11 11.2.4 定压力测量位移 （1）定压力测量位移程序的前面板 济南大学毕业设计 - 30 - 图 11.12 （2）定压力测量位移程序程序框图 图 11.13 11.2.5 压力和位移信号的产生 （1）压力和位移信号产生的前面板 济南大学毕业设计 - 31 - 图 11.14 （2）压力和位移信号产生的程序框图 图 11.15 11.3 小结 济南大学毕业设计 - 32 - 从上述试验编程可知，整个系统的运行主要靠 labview 程序进行控制。首先确 定好试验方法，编好所需要的程序，点击运行程序后，系统会自动将所得到的数据 传到前面板上来。并进一步传送给频谱分析程序，对波形进行分析处理。可以对信 号进行实时采集并处理，由于内部具有各种函数运算结构，使得编程工作量大大缩 小，运算速度大大提高，数据显示界面比较人性化，用