机械毕业设计（论文）-螺栓试验台设计【全套图纸】 .doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 摘要本文阐述了在机械领域利用计算机技术，是螺栓组实验台由传统的机械化趋于虚拟化，并实现螺栓组实验台的多种种功能。螺栓组实验是针对原有“机械设计”实验中的“螺栓组联接中的受力”而提出的。对物理螺栓组进行计算机监测，不但方便教师授课和学生学习，而且容易接受。本设计介绍了试验台的系统设计，工作原理及主要技术指标，该实验台具有测试可靠、制造容易、维护方便的优点。在设计开始指出，我翻阅了大量相关的资料，在实验室进行了实际观察，对试验台的整体构造以及实验台的控制形势有了一个初步的轮廓。我在本设计的前几章中系统地介绍了实验台的工作原理；为了进一步设计液压系统，我在后面几章的元件选型中对液压系统所需的元件也进行了计算选择。此次设计的主要任务是完成原理图的设计，其次是完成系统中各个元件的选择，装配图、原理图、油箱等零件图的绘制。整个设计对实验台系统的设计进行了较全面的叙述。关键词： 螺组栓 螺栓组联接 实验台 液压系统 abstractthis text expounds the use of computer technology in the field of machinery turning an experiment of bolts to fictitious can carry out all kinds of function in the experiment of bolts groupexperiment of bolts group is put forward aiming to “stress of blots in bolt group coupling” in “machine design” experiment. the physics experiment platform ， which is detected by the computer ，not only is convenient to the teachers teaching and the students studies ，but also is able to acceptable easilyin the article ，the hydraulic general system of the experiment platform is introduced including the system mechanism and its characteristicthe experiment platform has many ， such as ，being made easily ，carrying out maintenance simple ，and so on at the beginning of the design ，i browned a flood of the related books ，with proceeding the visit in the testing room，and had a model of the whole structure of the experiment platform and the control form of the test bench，in the formal part of the article，the basic structure of the testing bench with work process is described in detail ； for the sake of the further design of the hydraulic systemin the latter of the article，the hydraulic element of the experiment platform，which is needed in the system，have been calculated and chosen ，for example，the pump , cylinder , and the valve the first mission of this design is to completing the design of the schematic diagram； secondly , every element in the system must be selected and all kinds of diagram， such as fuel tank，oil vat， need to be drawn the whole report introduces the design of experiment platformkey word： bolts group bolts group coupling experiment platform hydraulic system 66目录第一章 绪 论11.1 螺 栓 组 实 验 台 概 论11.2 国 内同类实 验台虚拟螺 栓 组 实 验 台简介11.2.1 实验内容和功能11.2.2计算机在实 验 台中的应用31.2.3虚拟实验台的设计简介4第二章 螺 栓组联 接 的 结构设计及受力分析52.1 螺栓组 联接的结 构 设计及受力分析52.1.1 螺栓组联接形式52.2. 单个螺栓连接的强度计算72.2.1. 松螺栓联接的强度计算72.2.2 仅承受预紧力的紧螺 栓 联 接72.2.3 受 预 紧力和工作 拉 力的紧螺 栓联接82.2.4 受 剪 的 铰 制 孔用螺栓联接102.3 螺 栓 组 受单一载荷 的受力分析112.3.1 受 轴向载 荷 的螺栓组 联接122.3.2 受 横向载 荷的螺栓 组联接122.3.3 受 转矩的螺 栓组联接132.3.4受 倾覆力 矩的螺栓组 联接14第三章 螺 栓组实验台的结构设计153.1 实验机 的型式153.2加 载方式的选择163.3 载 荷的施加173.4 联接形式183.4.1 框架部分183.4.2被联接件部分19第四章 设计方案的确定194.1总体方案的确定194.2液压 传 动系统 方案 的 确定20第五章 实 验 台系统 设 计 参数 分析235.1 明 确系统 的 设计要求235.2 确定螺栓的主要参数235.2.1 确定螺 栓的基本数据235.2.2 对螺栓受力分析245.3 液 压系 统设计参数的确定26第六章 螺 栓组中螺 栓的受力与应变 的计算286.1 工作载 荷变化时受力最大螺 栓的载荷应变变化计算286.1.1 计算螺 栓组所受的工作载荷296.1.2 计算单个螺 栓 所受 的 最大工作 拉力29 6.1.3 螺 栓 所 受 的总拉力及 应变296.1.4 工作载 荷变化 时螺栓 的力与 应变306.1.5 螺 栓个数变 化时受力最大螺 栓的力应变 计算31第七章 液 压系统 原 理 图的设计357.1 拟 定液压系统 原理图的相关注意事项357.2 本系统 液 压 原 理 图的拟定377.3 结论37第八章 液压元件 的选择、设计计算388.1液压 缸主要参数 的确定388.1.1 确定压力p388.1.2 缸筒参数及尺寸的确定398.1.3 缸 筒 壁 厚的计算398.1.4 缸 筒材 料的选择418.1.5 缸 筒技术加工要求418.2 活塞 的设计418.2.1 活塞的 结 构的确定428.2.2 材 料 的选定428.2.3 活塞 杆的设计428.2.4 活塞杆直径的确定428.2.5 活塞 杆 强 度的计算438.2.6 活塞杆弯曲稳定性 验算438.2.7 活塞 杆 的 材料 及技术要求438.2.8 活塞 杆的导向及密封448.3 液压 站组成及工 作原理458.3.1 液 压站组成458.3.2液 压站工作原理458.4 泵、电机的选择468.4.1液 压 泵 的分类468.4.2液 压 泵 的选 择468.4.3 选 择电动机478.5 液 压 元件的 选 择488.5.1 液 压 执行元件的选择488.5.2 选择 液压阀48第九章 管道尺寸和油箱 的 设 计计算499.1 油管 的选择499.1.1 油管直径的计算509.1.2 壁 厚 的计算509.2 油 箱 的 功用及选 择 标 准519.2.1 油 箱 的功用519.2.2 油 箱 的分类519.2.3 油箱 的形状及布置529.2.4油 箱 的设计要点529.3 油 箱 的 容量及型式尺寸的确定539.3.1油箱 容量的 确 定539.3.2 初 算散热面积a549.3.3 确定油箱 的结构尺寸549.3.4系统的平衡 温度 的计算559.4 过 滤 器的选择56第十章 验 算系统 的技术性 能5710.1系统 的压力损失计算5710.1.1 管路的沿程压力损失5710.1.2 局 部压力损失p25810.1.3 阀类元件的 压力损失p25910.2 系统 效 率的验算6010.3 系统 的发热温升计算6110.3.1 发 热功率计算6110.3.2 液压系统的 散热计算6210.3.3 液压系统的热平 衡计算62结 束语63参考 文献64第一章 绪论1.1 螺栓组实验台概论在国民生产中，为了便于机器的制造，安装，运输，维修，以及提高劳动率等，广泛使用各种联接，常见的有螺纹联接、键联接及销联接，其中尤以螺纹联接应用最为广泛。一则他可以大大增强连接强度，另外也是高校教育的要求。考虑到螺纹联接的两大作用：可作紧固件用；可做传动件用。因此在设计时就要根据不同目的而提出不同的要求。综合众多联接要求，设计出该“多功能螺栓组实验台”，实现了加载方式的多样性以及实验测试的多样性。同时，该实验台通过螺栓组个数和布置形式的变化，螺栓组直径的任意改变及螺栓材料的任意改变，载荷的加载方式，大小的可变性，输出结果的全面性等，才真正意义上突破了物理实验台的缺陷，才真正上实现“多功能”。1.2 国内同类实验台虚拟螺栓组实验台简介1.2.1 实验内容和功能虚拟螺栓组实验台是根据物理实验台的基本原理开发的，因此，必须满足实验内容一致性，即虚拟实验台与实际实验台的内容一致性。实际实验台的内容是当螺栓组布局和承受的载荷发生变化时，确定出最大螺栓的受力，并分析其受力，变形及被连接件的受力变形协调关系。绘制其受力变形线图。实验的内容和功能是相辅相成的，根据内容的要求，实验台应具有如下的功能单元：（1） 螺栓组布置单元：组成不同布置形式的螺栓组，并可方便地改变和更换螺栓组中螺栓的材料、直径、及尺寸等参数；图 1.1 虚拟螺栓组实验台螺栓的布置形式（2） 加载单元：对螺栓组施加轴向拉伸、横向剪切、扭转力矩、倾覆力矩等单一载荷形势，或以上各种载荷形式共同作用的联合载荷。具体加载实现的过程如下图1.2：手柄转动丝杠平行移动，从而改变加载为止，此时可以单独施加的载荷有：轴向拉伸（a）、横向剪切（b）、倾覆力矩（c）。左侧液压缸带动加载头左右移动，实现扭矩载荷的施加（d）。这样实现了四种基本载荷的施加。图1.2 载荷的施加加载实现的过程（3）实验结果处理单元：在以上两项单元内容确定的情况下，得出螺栓组中个螺栓的受力，进而确定受力最大的螺栓及其所受的力，并按螺栓和被连接件的受力、变形协调关系绘制其受力变形线图。1.2.2计算机在实验台中的应用随着计算机技术的发展，人类进入了信息时代。计算机辅助，它可代替了传统的教学模式。就拿传统的实验来说，是一个比较限制的事情，老师先给同学讲实验的内容、目的、原理、步骤等，与实验完全脱离。多功能螺栓组虚拟实验台可以说是在计算机上实现的装置。它以计算机为操作平台，各种参数的选择，受力计算，图形的绘制，动画演示等一系列试验中所涉及到的操作都通过计算机进行。学生只需对各种参数进行设置，并点击相应的按钮，就能完成该实验，并且借助于各种图形和动画演示能让学生对所学知识的理解和认识进一步加深。将计算机引入到实验课中，通过计算机将新的数据分析方法和图形与实际操作结合起来，更有利于学生的分析思维，同时学生也学到和掌握了计算机技术。1.2.3虚拟实验台的设计简介虚拟多功能螺栓组实验台是在实物实验台的基础上运用高级编程技术，它是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的高级程序设计语言，实现多功能螺栓组实验功能的计算机虚拟，且借助于3维获得动画效果，从而达到实用的目的。所以在完成实物实验台原有功能的基础上，利用计算机处理信息量大、运算速度快、参数可变等优点和的三维动画，实现虚拟逼真的多功能实验台。进入系统后首先选择螺栓组基本参数，如螺栓组个数的选择和个数所对应的分布形式等，实验者可通过下拉框随意选择所需的分布组合，由于采用了虚拟技术，可方便的实现若干个螺栓任意组合为各种布置形式。对于其他参数的选择和确定，实验者只需根据需要点击相应的按钮，如选择输入螺栓的材料、性能等级、螺栓直径和联接的防滑系数、摩擦系数等。这样在许多方面都增加了实验的灵活性。完成螺栓的参数配置后，确定螺栓组所受的载荷形式，按螺栓组可能的承受的各种载荷形式，排列出几种最为常见的承载形式，即由单一的载荷，也有复合载荷。实验者根据需要选择相应的载荷形式，并且输入对应载荷的大小，即完成载荷的施加过程，如需改变以上数据，只需重复以上工作即可。最后计算机自动生成螺栓组的变形受力图。第二章 螺栓组联接的结构设计及受力分析 设计螺栓组实验台，必须要了解掌握螺纹联接的物理性能，明确螺栓组实验台设计目的。只有这样，我们才能够做到在实验中处理好所面对的各种问题。该解决什么问题，并且根据生产生活中的一些特殊要求，作针对性地改进，争取做到螺栓组实验台的优化设计。 本部分详细介绍了实验台的结构，功能的具体实现等。具体内容如下：螺栓组联接的结构是结构设计及受力分析；螺栓组加载框的结构设计；螺栓组实验台的液压加载系统 。 其中尤以螺栓组联接的受力分析和螺栓组结构设计，以及其加载系统最为重要。2.1 螺栓组联接的结构设计及受力分析大多数机器的螺纹联接件都是成组使用的，其中以螺栓组联接最具有典型性，它们与被连接件构成螺栓组联接。下面介绍的是螺栓组联接的设计和计算。本次设计的螺栓组联接的设计过程主要包括两个部分： （1）结构设计选定螺栓组的数目和布置形式; （2）受力分析按连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其 所受的力，画出它的力-变形线图。2.1.1 螺栓组联接形式螺栓组联接结构设计的主要目的在于合理的确定连接几何面的几何形状和螺栓的布置形式，力求个螺栓和连接接合面的受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状。如圆形、环形、矩形、框形、三角形等，这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接接合面的心重合，从而保证连接接合受力比较均匀。螺栓的布置使各螺栓的受力合理 ，当然螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。螺栓的排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时。各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需要活动空间的大小来决定。（1）分布在同一圆周上的螺栓数目应取成4、6、8、10、12等易于分度的数目，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓材料、直径和长度均应相同。（2）螺栓与螺母的底面应该平整，并与螺栓的轴线相垂直，以免引起偏心载荷。为此，可将被联接件上的支撑面设计成凸台或沉头座。当支撑面为倾斜时，可采用斜面垫圈等。综合考虑以上几个方面，确定出本螺栓组实验台的布置形式主要做成以下形式，如图2.1所示：图2.1螺栓的连接形式2.2. 单个螺栓连接的强度计算2.2.1. 松螺栓联接的强度计算 对于松螺栓联接强度计算，在装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺栓不受力。也就是说这种联接只能承受静载荷。螺栓在工作时才受拉力f，例如图6所示的起升滑轮螺栓，其螺纹部分的强度条件为：式中： d 螺栓危险截面的直径，mm； d螺栓材料的需用拉应力。2.2.2 仅承受预紧力的紧螺栓联接 在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力f 的拉伸而产生拉应力外，还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生的扭转切应力。使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。因此，进行仅受预紧力的紧螺栓强度计算时，应综合考虑拉伸应力和扭转应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为： =螺栓危险截面的扭转应力为：由于螺栓材料是塑性的，故可根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算公式为： 螺栓危险截面的拉伸强度条件根据上式为： 式中： f 螺栓所受预紧力，n； 其余符号意义同前。下面图2.2就是一个仅受预紧力的紧螺栓联接示意图：图2.2 仅受预紧力的紧螺栓联接2.2.3 受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接这种受力形式的紧螺栓联接较为常见。安装时拧紧螺栓，使螺栓受预紧力 f。根据第四理论分析，螺栓的总拉力f0除与预紧 f、工作拉力f有关外，还受到螺栓刚度ca和被联接件刚度cm等因素的影响。连接受载后，由于预紧力的变化，螺栓的总拉力f0并不等于预紧力f与工作拉力f0之和，而等于残余预紧力f与工作拉力f之和，受力与变形关系如图2.3所示：由图中几何关系可推出：cb、cm分别表示螺栓和被联接件的刚度，且为定值。图2.3 螺栓的受力与变形下面是按静载荷和变载荷两种其情况讨论的强度计算：(1) 受轴向静载荷螺栓联接的强度计算： 设计时，先根据联接的受载情况，求出螺栓的工作拉力f，再根据工作要求选择剩余预紧力f的值，然后计算总拉力f0。求得f0后，即可进行单个螺栓的强度计算。考虑到连接在工作载荷f作用下可能要进行补充拧紧，故将总拉力增加30%, 以考虑拧紧时螺纹力矩产生的扭转应力的影响。可得出螺栓的危险截面的拉伸强度条件为： 或： 式中：各符号的意义同前。 （2） 受轴向变载荷螺栓联接的强度计算 对于受轴向变载荷的重要连接（如汽缸反复进气排气），其螺栓所受工作载荷如下图所示在之0f间变化，因而螺栓所受的总拉力在ff之间变化。设计时，一般按静载荷确定其直径，然后校核其强度。 影响疲劳强度的主要因素是应力幅。因此螺栓疲劳强度的校核公式为： 式中：a 螺栓的许用应力幅，mpa.2.2.4 受剪的铰制孔用螺栓联接这种联接是利用铰制孔用螺栓来承受工作载荷f。螺栓杆和孔壁之间无间隙，其接触表面受挤压；在连接接合面处，螺栓杆受剪切如图2.4。因此，应分别按挤压和剪切强度条件进行计算。计算时，架设螺栓孔与孔壁表面上的压力分布是均匀的。由于这种联接所受的预紧力很小，所以在计算时，可以不考虑预紧力和螺纹力的影响螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为： 图2.4受剪的铰制孔用螺栓联接螺栓杆的剪切强度条件为： 式中： f 螺栓所受的工作剪力, n； d 螺栓剪切面的直径, mm； h 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度, mm； p 螺栓杆与孔壁挤压面的许用挤压应力，mpa； 螺栓材料的许用切应力， mpa；2.3 螺栓组受单一载荷的受力分析进行螺栓组的受力分析的目的是：根据联接的结构和受载荷情况，求出受力最大的螺栓及其所受得力，以便进行螺栓联接的强度计算。分析时，通常作一下假设： 被联接件为刚体，受载后连接接合面仍保持平面； 螺栓组中各螺栓的拉伸强刚度或剪切刚度（即螺栓的各材料、直径、长度）和预紧力大小相同； 螺栓工作在弹性范围内； 而且，螺栓组的对成中心与连接接合面的形心重合；承载后结合面仍保持为平面。下面正对典型的受载荷情况分别加以讨论。2.3.1 受轴向载荷的螺栓组联接安装时，螺栓受到拧紧力f，工作时螺栓组成受轴向载荷。假设各螺栓受载均匀，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 每个螺栓所承受总拉力为： 式中： z 螺栓组的个数。 2.3.2 受横向载荷的螺栓组联接对于受拉的普通螺栓联接，设计时，通常以连接的结合面不滑移作为计算准则。在横向载荷f的作用下，各螺栓所承受的工作载荷是均等的，因此，对于普通螺栓联接应保证连接预紧后，结合面所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。假设各螺栓所需要的预紧力为f，螺栓数目为，则其平衡条件为： 或： 式中： f 结合面间摩擦系数； m 结合面面数； kf 防滑系数；这种靠摩擦传递横向载荷时的受拉螺栓连接的主要缺点是所需的预紧力很大。2.3.3 受转矩的螺栓组联接在转矩t的作用下，底板将绕过螺栓组对成中心并于结合面垂直的轴线转动，其传动方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。此载荷可通过受拉或受剪螺栓联接来传递。其简化图为下图2.5 ：图2.5受转矩的螺栓组联接采用受拉的普通螺栓联接时，靠连接预紧后的在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩t。由于各螺栓所受预紧力相同，则各螺栓连接处产生的摩擦力均相等。根据作用在底板上的力矩平衡条件，应有：由上式可得各螺栓所需要的预紧力为： 式中： f 结合面的摩擦系数； rz 各螺栓中心至底板旋转中心的距离； 2.3.4受倾覆力矩的螺栓组联接为更进一步的理解螺栓所受倾覆力矩，下图为受倾覆力矩的底板螺栓组联接，借此分析螺栓的受力。图2.6受倾覆力矩的螺栓组联接假设底板为刚体，在倾覆力矩m的作用下结合面保持平面，并且底板有绕对称轴线o-o翻转的趋势，对称轴线左侧的螺栓被拧紧，螺栓的轴向力增大；而对称轴线右侧的螺栓被放松，使螺栓的预紧力f减小。即在此翻转力矩m的作用下，引起左、右两侧各螺栓产生工作载荷fi，其对o-o轴线力矩之和必与此翻转力矩m相平衡，则： (a) 根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其轴线到螺栓组对称轴线o-o的距离成正比。因为各螺栓的拉伸刚度相同，所以左、右两侧螺栓的工作载荷fi与这个距离成正比。于是有： (b) 式中： fmax 受力最大螺栓的工作拉力； lmax 受力最大螺栓至轴线o-o的距离。由式（b）代如（a），并经整理，得受力最大螺栓所受的工作拉力为： 对于受倾覆力矩的螺栓组联接，应保证结合面不因挤压应力过大而压溃，并要使结合的最小挤压应力大于零。在实际使用中，螺栓组联接所受的工作载荷常常是以上四种简单受力状态的不同组合。在螺栓组联接中不论受力状态如何复杂都简化成上述四种简单得受力状态，再按力的叠加原理求出螺栓受力。求出受力最大螺栓及其受力值后，即可进行单个螺栓连接的强度计算。必须注意的是，对于松连接螺栓，只受拉伸外载荷f，则应以f为载荷进行强度计算；对于受横向载荷的普通螺栓组联接和受扭转力矩的受拉普通紧螺栓组，螺栓只受预紧力f，则应乘以系数1.3以考虑预紧时扭转力矩的影响，并以1.3f为载荷进行强度计算；对于受轴向载荷的普通紧螺栓联接和受倾覆力矩的普通紧螺栓组联接，螺栓受预紧力和工作载荷，则应以1.3 f0为载荷进行强度计算；对于受剪的铰制孔螺栓组联接和受扭转力矩的受剪铰制孔螺栓组联接，则应以螺栓所受的剪力（或挤压力）进行挤压和剪切强度计算。第三章 螺栓组实验台的结构设计3.1 实验机的型式一般情况下，多功能螺栓组实验台有台式和立式之分，本次设计参考的是台式。选择台式结构主要原因有：从对加载装置的分析，本实验台采用的是液压加载系统，如果实验台的底座设计的较低，在整台试验机在无别的支撑时，会造成操作面过低，带来操作上的不方便；若降低底座设计的高，则会造成材料的浪费，制造成本的增加，致使其经济性较差。比较这两点，本设计选择低底座，把支撑实验台的桌台作为实验室的辅助器材来提高可靠率，届时，在我们作实验时，可将该实验机置于实验台上，以此来增高其操作面，降低其制造成本。 从对空间里用来分析，不管是台式还是立式。在实验机下方都将有个空闲的空间。但相对而言，台式试验机的空间比立式占用的空间要小。本着充分利用空间的思想，可以考虑将液压系统在加载时将产生不小的冲击及振动，这对实验机造成一定的误差，故液压系统与实验机主体之间有一定的距离，并适当采取一些减震与隔离的措施。综合上述两点分析，本次设计的实验机型式选择台式的 3.2加载方式的选择载荷施加的常用方式有机械加载和液压加载。纵观两种加载方式的优缺点，本设计采用液压加载方式，机械加载的优点是加载装置的制造成本低；缺点是使结构复杂化，从而造成的误差也较大。而液压加载装置则相反，它结构简单紧凑，其主要优点有以下： 液压加载装置的体积较小，重量轻，结构紧凑； 液压加载装置的传动比较稳，主要表现在重量轻、惯小,反应快，易于实现快速启动、制动和频繁的换向液压系统操作方便简单，使用寿命长； （1） 液压系统传动简单，加载精确，试验误差小；（2） 多数液压系统元件已实现了标准化、系列化和通用化；（2） 液压系统的设计制造和维修也较为方便简单； 但液压系统也有其缺点：一般的液压元件的造价都比较贵。所以在制造成本上会有相对的提高，而且液压系统一旦出现故障，检测、排除故障都相对较困难。 纵观机械加载与液压加载方式的利与弊，结合本设计的现状与要求，本次设计采用液压加载方式。3.3 载荷的施加载荷的类型由单一载荷（基本载荷）和复合载荷(组合载荷）。具体形式由拉伸、剪切、扭转和倾覆力矩这四种，单一载荷与上述四种基本载荷的任意组合可组成复合载荷。本次设计的实验台中采用了如下图的方式：液压缸向下拉动与托架连接的螺纹连接块，从而使托架左端向下移动，由于托架为刚性几乎不产生变形，故而与刚性框架连接的螺栓产生拉伸变形，达到了加载的目的。 图3.1实验台加载方式3.4 联接形式在前面的章节中，已经对螺栓的形式作了介绍，下面就连接件与被联接件作详细的设计说明：对于联接件，螺栓强度极限为5.8级，与之相配的螺母强度等级为5级。对于被连接，主要有以下部分组成：框架部分，见图3.2；托架，见图3.3。以上部分均借鉴内蒙古科技大学机械实验室同类设计部件。下面分别介绍：3.4.1 框架部分 考虑到加载的稳定性，结构在整体上必须是一体，这样可以减小在加载时的变形，增加被联接件的结构刚度，减小试验误差。还要考虑到贴片的方便。所以在尽量保证结构刚度的条件下，设计成下图形状。图3.2 框架结构 3.4.2被联接件部分 其要保证连接面大小吻合和平整的要求，为了使活塞杆有足够的接触面和加载时保持载荷的稳定性，必须使被连接部位的刚度得以保证，同时在实现加载倾覆力矩时，各螺栓受力变形成对称布置，有利于错误分析，设计成如下图。图 3.3被联接件部分第四章 设计方案的确定4.1总体方案的确定一个优秀的设计是要技术上先进、经济上合理，操作和维修方便，运转安全可靠。还应指出，一个设计良好的液压系统，往往不是一步可达到的，需要多次的修改。由于具体条件的不同，系统的设计步骤也不是固定不变的。通常总要把前后步骤需统筹兼顾，不断的删改和审阅。但是一般来说，系统的设计过程大体上包括下述的几个基本步骤：拟定系统步骤方案；系统的设计计算；各种系统元件的选择或设计；对系统进行验算；绘制正确的装配图和液压系统图等。在拟定系统方案以前，必须明确哪些工作机构需要用液压系统来完成，哪些工作机构应用其他传动方式去完成更合理。切不可一味盲目的追求“全液压化”。因为尽管液压传动具有一系列的优点，他也是有优点的，也许运用其它方式更能很好的达到所要求的目的，还能节省不必要的开支。首先要调整和了解清楚所设计的系统，其液压系统眼完成的工作任务是传动还是控制。在本设计中液压系统的工作任务是传动， 根据工作机构的运动形式，以确定选用什么形式的执行机构油缸、油马达或是摆动油缸，本设计的工作机构均是直线运动，故而选用油缸； 明确系统所需执行机构的数量、动作顺序、相互之间的位置关系以及自动化程度要求、精度要求等，以及确定采用什么控制方式，本液压系统采用一个定量泵，系统中用一个油缸作为执行元件。 4.2液压传动系统方案的确定由于在第三章中比较了液压加载和机械加载的优缺点，从而确定选择了液压加载方式，在本设计的实验机中，对系统主要有以下几点要求：（1） 主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等;（2） 液压系统必须完成那些动作，其先后顺序以及彼此之间的连锁关系；（3） 液压驱动机构的运动形式及运动速度；（4） 对调速、调压范围，运动平稳性，转换精度等性能方面的要求；（5） 各种动作机构的载荷大小及其性质；（6） 实现自动化控制的程序，操作可靠的要求；（7） 对防尘、防冻、噪声、安全可靠的要求；（8） 对效率等方面的要求；综上所述，在设计液压系统时，主要针对以下几点基本要求：（1） 对于液压缸而言，其完成得使直线往复运动，所以选择普通的活塞液压缸进行加载。其动作主要是在液压缸动作的同时进行加载。（2） 由于活塞运动距离较短，所以多液压活塞的运动速度并没有较高的要求。虽然在理论上是动加载，但其速度小，行程小，故可以将其作静加载看待，运动也相对比较稳定。（3） 采用电磁控制，就能较简单地实现控制的自动化、简便性；（4） 工作环境是实验室内，能提供较好的工作环境，所以由于外界条件限制的因素，可以不予考虑。（5） 液压系统的元件由于结构较复杂，制造精度高，所以成本也相对高，但可以通过选用通用化、标准化、系列化的替代远见。这样可实现同样的功能而精低成本。如上节所述，液压传动系统有一个定量泵，一个油箱，一个油缸。在明确了液压系统要完成的任务和要求的基础上，粗略的计算一下系统的输出功率，便可以确定液压系统的基本形式，包括以下几个具体内容：1. 选用开式系统或是闭式系统通常对于固定是机械总是采用开式系统，及系统中包含一个主油箱，作为油液循环的开口环节，有利于油液的冷却和净化，但不够紧凑，考虑到实际情况，本设计系统采用开式系统。2. 选用油泵的类型目前，液压系统应用最普遍的油泵有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。一般情况下，中低压系统多使用齿轮泵和叶片泵，而高压系统则主要使用各种柱塞泵。当然，这种划分并非绝对。本系统是中低压系统，因此采用叶片泵。3. 选用油缸或油马达一般来说，工作机构作直线往复运动的，都选用各种油缸驱动；做回转运动的，大都选用各种油马达驱动；做摆动运动的，则选用各种摆动油缸驱动。同样，这也不是绝对的，例如，对于那些形成长的直线运动或要求唯一准确的直线运动机构，也可采用油马达径向丝杠传动。本设计中只有直线往复运动，故采用油缸。4. 确定控制方式控制方式从不同的角度来分，可有手动、机动、气动、电动、液动、电液动等；也可分为压力控制、形成控制；还可分为内控制和外控制等；选用那种方式，应视系统的具体结构、功率范围、精度要求、自动化程度、能源形势、使用的场合以及机器使用的频率程度和利用率等因素而定，本设计采用电液动结合的控制方式。5.工作液体常用的工作液体有矿物油、合成油和水乳油。液压传动系统几乎都采用前两种油液，特别是各种矿物油，它既可满足一般液压系统的要求，价格又便宜；合成油液具有优良的品质指标和特殊物质，但目前产量较少，成本高，不宜多用，常用于某些有专门技术要求的精密系统中。总之，在满足要求的前提下，尽量选择价格便宜的一半的工作液体，不可优才劣用，造成浪费。本设计系统中，选择一般的普通液压油。第五章 实验台系统设计参数分析5.1 明确系统的设计要求本系统时教学用的实验仪器，主要测试的是螺栓的拉伸变形试验，应用于学生实验。本系统中主体为螺栓组，由液压系统实现加载，液压系统地执行元件为单作用活塞缸，能源装置为液压泵站。液压缸采用竖直安装，活塞杆工作时承受拉应力，系统最大工作压力为6.3mpa。5.2 确定螺栓的主要参数5.2.1 确定螺栓的基本数据1.选择螺栓材料常用的螺栓材料有q215、2q35、35和45钢，本设计中螺栓无特殊用途，根据工作条件，选择常用材料45钢。查机械设计手册得其力学性能为： 2.确定螺栓的许用应力设计中取螺栓的直径为： d=10mm选取螺栓数目为： 14对钢质螺栓：式中： 螺栓联接的许用应力，mpa； s 螺栓材料的屈服极限，mpa； s 安全系数， s=1.2 1.7， 设计中取 s=1.5。 5.2.2 对螺栓受力分析本设计中，是受横向载荷和倾覆力矩的螺栓组联接，这样的连接一般采用受拉螺栓联接。连接中所受的横向载荷靠被联接件结合面的摩擦力来传递，其实小形势可能出现支架沿结合面滑移，以及在翻转力矩的作用下，结合面的上边可能离缝，下边可能被压溃。在本设计中，当底板上只装有4个螺栓时，系统受拉力的变形量最大，如图，螺栓受工作载荷fr。在工作载荷fr的作用下，螺栓组成受横向力和翻转力矩：横向力 ：fr 翻转力矩：m=fr185为防止被联接件之间发生相对滑移，有： 或 式中： z 螺栓数目； f 结合面间的摩擦系数， f=0.06 0.10， 取 f=0.1； m 结合面对数； kf 考虑由摩擦力传递横向载荷时的可靠性系数，通常 取 1.2； f 施加载荷后螺栓所受预紧力；1. 受横向载荷时螺栓预紧力的计算 紧螺栓联接拧紧螺母时，螺栓螺纹部分不仅受预紧力f所产生的拉应力作用，同时还受螺栓与螺母之间的螺纹摩擦力矩下所产生的扭矩应力的作用。根据第四强度理论及对大量螺栓拧紧的统计分析可证明，其复合应力ca的计算只需将拉伸应力加大30%，其强度条件为： 即： 则有： 2. 螺栓组工作载荷（横向力）fr的计算如上所述： 即 ： 则最大工作载荷： 3. 倾覆力矩的计算底板为刚体，绕对称轴线有翻转的趋势，则力矩：在此力矩的作用下，对称轴线上边的螺栓被拉紧，螺栓轴向力增大; 下边的螺栓被放松，使螺栓的预紧力减小。 4. 单个螺栓所受的工作拉力受力最大螺栓所受的由引起的工作拉力为：=36.7n 螺栓所受的总工作拉力为：5.3 液压系统设计参数的确定 初选 本系统的工作压力为p=6.3mpa，活塞的运动速度可以调节，系统工作时无杆腔回油，有杆腔进油，退回时无杆腔进油，其缸筒内径、无杆腔面积和有杆腔面积计算如下： 1. 有杆腔活塞有效面积a2 当受最大推力，f=4830.8n, 根据平衡条件有 即 ： 式中： 油缸的机械效率， =0.95 则： 2. 缸筒内径d 对有杆腔面积而言，有：查机械设计手册得，当工作压力p10mpa时，速比取 则有： 得： d=36.98mm根据液压缸内径系列（gb/t2348-80），取 d=40mm。3. 活塞杆直径d根据上述关系有： 得： d=20mm根据国家标准gb2348-80活塞杆直径系列，取 d=20mm.。 4. 无杆腔的实际有效面积a1 5. 有杆腔的实际有效面积a26. 流量计算q按机械设计手册计算液压缸工作时所需流量式中： 容积效率， 弹性密封时 取 =1； v1 活塞的速度， 根据工况 取v1 =0.12m/s。则：7. 实际工作压力p2的计算由最后确定的液压缸结构尺寸，计算出液压缸实际的工作压力为：第六章螺栓组中螺栓的受力与应变的计算6.1 工作载荷变化时受力最大螺栓的载荷应变变化计算对于如图的连接形式，图6.1 螺栓的连接形式（主视图）如图，当只有4个螺栓时（分别为螺栓1、7、8、14），在工作载荷的作用下，螺栓组承受如下各力和翻转力矩作用：横向力、翻转力矩， 图6.2螺栓的连接形式（左视图）本节中，将计算当工作载荷变化时，受力最大的螺栓7、8的总拉力和应变变化值。6.1.1 计算螺栓组所受的工作载荷 当工作载荷为500n时，即横向力fr =500n，预紧力f如前章所计算的 f=14492.3n力矩： 6.1.2计算单个螺栓所受的最大工作拉力由m引起的螺栓最大工作拉力为： 式中： fim 由m引起第i个螺栓受的拉力，n； li 对称轴线到第i个螺栓的距离，mm。6.1.3螺栓所受的总拉力及应变 式中： fi 第i个螺栓受的总拉力，n； 查表得：c1/c1+c2=0.2。 总拉力产生的应变为： 式中： i 第i个螺栓的应变； e 螺栓材料的弹性模量，e=200109； a 螺栓的横截面面积，mm2。 6.1.4 工作载荷变化时螺栓的力与应变当工作载荷在0 4830n之间变化时，螺栓7、8 所受的总拉力及应变计算步骤同上述，可计算的总拉力及应变如下表：表一 工作载荷变化时螺栓的力与应变外载荷力f(n)应变（）50010001500200