液压式测力计装置设计

液压式测力计装置设计摘要：本论文介绍了有液压测力装置有关背景知识和发展现状，以及设计一个简便的液压测力装置。其中讨论了液压测力的基本原理和其适用范围，研究它的对于其他测力装置的优劣。重点阐述了设计的总体思路和该液压测力装置各个部件的选用及压力用油做了最优选择，并对该装置重要部件缸体做了详细的校核，且对该测力装置的测量范围和测量精度也做了客观的讨论。最后，就活塞与缸筒间的内泄问题，缸桶系统的“有效面积”和压力表对液压测力装置测定值的影响做了细致论述，做出了前瞻性研究。关键词：液压测力缸体压力油PAGE18目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章引言 1第二章液压测力装置提出和意义 2第一节液压式测力装置的设计制造 2第二节制造工艺复杂成本较高 3第三章总体设计 4第一节油缸的选用与校核 4第二节活塞的选用与校核 5第三节压力表的选用 5第四节密封圈的选用 6第五节排气阀的选用 7第六节顶头的设计 7第七节液压油的选用 8第四章几个关键问题的研究 15第一节活塞与缸筒间的内泄分析 15第二节压力表对液压测力装置测影响分析 15第三节缸桶系统的有效面积 17结论 19致谢 20参考文献 21第一章引言计量是关于测量的科学，是实现单位统一、量值准确可靠和与国际一致的科学和管理活动。实际上，人类在科学研究、经济活动和社会活动中，时时刻刻都离不开计量。众所周知，尺子、秤、电表、秒表、煤气表都是用于计量的，计量已经渗透到了人类工作、学习、生活的各方面，人们在不知不觉当中，应用和享用了计量知识和技术。计量与国民经济建设和科学技术的各个领域息息相关，不管是人类的衣食住行、工农业生产、国防建设、科学研究，还是国内外贸易，处处都离不开计量。现代计量已经成为国民经济的重要技术基础。此外，大量的事实证明，物理学上的许多重要发展，都是在精密计量测试的基础上取得的。而许多国防尖端技术的突破，也和计量测试分不开。因此，从这个意义上说，可以将科学技术和计量的关系概括为一句话：“科技要发展，计量须先行”。第二章液压测力装置提出和意义在工业生产中，测量两个物体之间夹紧力的大小是实际生产中经常要遇到的问题。一般常规的测量方法比较多，如利用弹簧，应变片的方法等，但在某些场合下使用常规的测量方法往往有很多不便，如要测量制动器抱闸的夹紧力，要测量圆柱形电极接电连接头之间夹紧力等。而液压式测量装置可以很好的解决上述问题。总体上，测力计量在工业生产、建筑、国防等领域中具有非常重要的作用。各种类型的测力装置可以产生准确的力值,作为一个国家力值的基准,在国家整个力值传递系统中占有十分重要的地位。与其他类型测力装置相比，液压式测力装置可以测量很大的力，适用于大力值计量领域。液压装置设计时液压系统功能原理设计的延续和结构实现，可以说也是整个液压系统设计过程的归宿。事实上，一个液压系统能否可靠有效的运行，在很大程度上取决于液压装置设计的质量的优劣，从而使液压装置结构设计在整个液压系统设计过程中成为一个相当重要的环节。第一节液压式测力装置的设计制造一、液压式测力装置设计制造原理液压式测力装置是以帕斯卡原理为基础设计制造。帕斯卡定律指出，密封容器内的液体向各个方向施加相等的压力，根据这一原理，作用于封闭液体的外力，以相等的压力向限制液体的容器或者管道的表面传递。在液压式测力机的液压，系统中，作用于小面积的测力活塞上的标准砝码的重力W，会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值F，作用到待检的测力计或测力传感器上。如图2.1所示，油液在油缸、活塞间隙中的泄漏由泵站提供的压力为P的高压油补给，从而使系统接近于液压平衡。设计、制造液压式测力机的技术关键在于油缸和活塞之间不能存在任何的机械摩擦，而只能有液体摩擦。同时，为了减小缸塞间的漏油量，以保证全机处于液压平衡状态，要求缸塞间的配合间隙极小(单边间隙一般情况不得超过几十微米)。无论采用何种方案解决这一关键问题，不仅要以严谨、可靠的理论为基础，还要考虑加工工艺、制造成本等诸多实际因素。传统的解决方法是采用“动压润滑”的方法，即油缸围绕活塞旋转，从而在缸塞间建立液体摩擦。这一方法对有效面积较小的测力缸塞系统而言，不难实现，但对于有效面积较大的工作缸塞系统来说,却存在以下两点问题。二、测力机的波动度较大由于油缸旋转,使缸塞相对位置不断变化，因而漏油量也不断变化，整个液压系统内部的压力很难保持稳定，结果造成测力机的波动度较大。第二节制造工艺复杂成本较高本文介绍一种液压式测力装置，它既可以测量圆形二物体之间的夹紧力，通过改变前后顶头的形状，可用来测量非圆柱形物体之间的夹紧力，而且通过装置上的压力表可直接读出被测量物体之间夹紧力的大小。装置结构简单，制造容易，使用方便。图2.1液压式测力机原理图第三章总体设计第一节油缸的选用与校核内径大小和内桶的长度的确定是液压式测力装置测量范围的重要参数，壁厚的确定是液压测力装置稳定性和安全性的重要参数之一。在静止液体中，任意一点所受到各方向的压力都相等。静止液体中某一微小面积-A么上受法向作用力-F队其压力可用下式表示：-FP=lim—(3.1)-A∞-A静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在一方向上所受静压作用力的总和。便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。固体壁面为一平面时，如不计重力作用，平面上各点处的静压力大小相等，作用在壁面上的力等于静压力与承压面积的乘积，即F＝pA，其作用方向垂直于壁面。当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。图3.1作用在曲面上的力当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。图3.2缸体第二节活塞的选用与校核活塞外表面的粗糙度和精度是决定改液压测力装置精度和灵敏度的重要条件，它的密封首先用活塞圈，再用两个O型密封圈，经检验，密封合格。图3.3活塞用45钢成型后，先淬火，然后渗碳，注意须放置时，要垂直放置，或悬挂。第三节压力表的选用一般选择压力表的常用工作点在其全量程的2/3左右时最为理想。因此：P=Ps/(2/3)=16/(2/3)=24MPa式中：Ps——油缸的常用工作压力20MPaPp——所选压力表的量程根据工厂的实际情况所以决定选用30MPa的压力表。第四节密封圈的选用由于该液压测力装置是测量比较大的里，要求密封圈既能承受足够大的压强，又要尽量减少泄漏。液压缸的密封液压缸是依靠密封的工作容积变化来传递动力和运动的。因此要求两个有相对运动的零件之间形成的空间应是密封的。不使油液从进油腔泄漏至回油腔，更不允许泄漏到缸体外面，若密封不良不仅使液压缸的性能和效率降低，甚致失去工作能力，因此，对液压缸的密封提出以下要求：1、在额定工作压力下，保证良好的密封，使其减少泄漏。2、相对运动的零部件间，密封装置引起的摩擦力要小，不允许有卡死或爬行现象。3、密封元件的加工工艺和装配简单。即制造容易，成本低，适于组织集中生产和标准化生产。4、耐磨性好，工作寿命长，磨损后在一定程度上能自动补偿。本装置选用的是O型密封圈，通常安装在矩形的沟槽中，用于固定件或往复运动件间的密封。具有以下一些特点：（1）密封性较好，寿命较长；（2）用一个密封圈可起到双向密封的作用；（3）懂摩擦阻力小；（4）对油液的种类，温度和压力适应性较强；（5）体积小，重量轻，成本小；（6）结构简单，拆卸简单；（7）既可做动密封，又可做静密封；（8）可在较大温度范围内工作。第五节排气阀的选用如果没有排气阀的设置，压力油进入缸腔后，缸内仍会有客气，由于空气具有压缩性和滞后性，影响测力装置的准确性。为了避免这种现象的发生，出来阻止空气进入外，必须在缸体上安设排气阀。排气阀排的位置要合理，一遍安装后调试前排除缸体内部的空气。由于空气比油轻，总是向上浮动，不会让空气有积存的残留死角。第六节顶头的设计由于该液压测力装置在各种不同的环境条件下使用，有着不同的测量条件需要满足，所以塞给出两个成套的顶头，以便在不同的环境中，可以很好的和被测量物体贴合紧切，可以是测量更加准确。如下图：图3.4a图3.4b顶头2第七节液压油的选用液压油的性能直接关系到改液压测力机的准确性和精度，本文对此做了较为细致的讨论分析。密度：定义为单位体积的质量。一、液压油的主要物理性质1、密度：ρ＞=m/v﹙kg/m3﹚(3.2)式中：m——液体的质量v——液体的体积2、压缩性和膨胀性油液的密度是随着温度、压力的变化而变化的，即密度是温度和压力的函数其数学表达式为：〉=〉pt液体的密度随压力和温度的变化量很小，纯液压油的体积弹性模量K值1.4×109~2×109N/m2，当液体中混入有不溶解的气体时，液体的体积弹性模量k会大大降低。考虑到一般液压系统中很难避免混入气体，所以计算时常取f＝7XlcpN/m2，其计算结果与实际比较接近。由于液压油的可压缩性很小，所以一般可以忽略。但在高压以及研究系统动态性能时，则不能忽略。二、粘度1、粘性当油液在外力作用下流动时，由于油液分子之间的内聚力和油液分子与固体壁面的附着力，会导致油液分子之间产生相对运动从而在油液中产生内摩擦力。油在流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。只有在流动时，油液的粘性才显示出来，静止液体则不显示粘性。2、粘度的单位粘性的大小可用粘度来衡量。粘度是液体最重要的特性之一，对液压系统中所用的液压油的粘度常有较严格的要求。粘度一般可用下面几种不同的单位来表示。动力粘度（1）如图所示，两块平行平板间充满着油液，上平板以速度v向右运动，下平板固定不动。紧贴在上平板的油液粘附在上平板上与上平板一起以速度v运动。紧贴在下平板的油液则粘在于下平板而保持静止。当两平板之间距离h较小时，油液速度呈线性规律分布。因而这时的流动可看作为许多薄体层的运动由于各层的流动速度不同，流速高的流层会带动流速低的流层，而流速低的沉层又会阻滞流速高的流层。这样在流层之间就产生了内摩擦力。根据试验研究，其液层间的内摩擦力F与接触面积Ａ和两液层的相对速度du正比，与两液层间的距离dz成反比。dudu即F=∝A—或=∝—(3.3)dzdz图3.5液体粘性示意图上式称为牛顿内摩擦定律。式中∝为动力粘度或内摩擦系数，/为单位面积的摩擦力(剪切应力)，du/dz为油液相对滑动的速度梯度。动力粘度∝的物理意义是：当速度梯度为1时单位面积上的内摩擦力。如果动力粘度只与液体的种类有关而与速度梯度无关，则这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。液压油一般为牛顿液体。（2）v的物的法定计量单位为mm2∕s运动粘度v没有明确理意义，但在计算中常用到。由于v的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。（3）相对粘度由于动力粘度较难直接测量，因此工业上还常采用相对粘度来度量液体的粘性。液体的相劝拈度又称条件粒度，是以被测液体的粘度相对于水的粘度的大小程度来表示的。我国用恩氏粘度°E三、粘度与压力的关系当压力增加时，液体分子之间距离缩小，内聚力增大，粘度也增大。在一般情况下，压力对粘度的影响较小，可不加考虑。只有在压力较高或压力变化较时才需考虑压力对粘度的影响，它们之间的关系为：｛p=｛oebq(3.4)｛p——压力为ｐ时液体的运动粘度； ｛o——大气压力下液体的运动粘度；e——自然对数的底；b——系数。

四、粘度与温度的关系温度对油液粘度的影响较大。当温度增加时。液体分子活动能力增强，内聚力减小，粘度降低。油液粘度与温度的关系称为粘温特性。不同的油浓有不同的粘温特性。在30～150℃范围内，运动粘度v﹤76mm2/s的矿物的矿物油的粘度与温度的关系表3.1温度指数nv(mm2∕s)2.56.59.51221303845n1.391.591.721.791.992.102.243.32液压系统是依靠液压油来传递能量的，它的性能会直接影响到液压系统的工作。对液压传动系统治压油的使用要求可概括如下：1、粘度合适，随温度的变化小工作介质粘度是根据液压系统中重要液压元件的油膜承载能力确定的，故应在保证承载能力的条件下，选择合适的介质粘度。工作介质的粘度太大，系统的压力损失大，效率降低，而且泵的吸油状况恶化，容易产生空穴和气蚀作用，使泵运转困难。粘度太小，则系统泄漏太多，容积损失增加，系统效率亦低，并使系统的刚性变差。此外，季节改变，以及机器在启动前后和正常运转的过程中，工作介质的温度会发生变化，因此，为了使液压系统能够正常和稳定地工作，要求工作介质的粘度随温度的变化要小。2、润滑性良好工作介质对液压系统中的各运动部件起润滑作用，以降低摩擦和减少磨损，保证系统能够长时间正常工作。近来，液压系统和元件正朝高性能化方向发展，许多摩擦部件处于边界润滑状态，所以，要求液压工作介质具有良好的润滑性。3、抗氧化工作介质与空气接触会产生氧化变质，高温、高压和某些物质(如铜、锌、铝等)会加速氧化过程。氧化后介质的酸值增加，腐蚀性增强，而且氧化生成的粘稠物会堵塞元件的孔、隙，影响系统的正常工作，因此，要求工作介质具有良好的抗氧化性。4、剪切安定性好工作介质在经过泵、阀和微孔元、器件时，要经受剧烈的剪切。这种机械作用会使介质产生两种形式的粘度变化：即在高剪切速度下的暂时性粘度损失和聚合型增粘剂分子破坏后造成的永久性粘度下降。在高速、高压时这种情况尤为严重。粘度降低到一定程度后就不能够继续使用，因此，要求工作介质的剪切安定性好。5、防锈和不腐蚀金属液压系统中许多金属零件长期与工作介质接触，其表面在溶解于介质中的水分和空气的作用下会发生锈蚀，使精度和表面质量受到破坏。锈蚀颗粒在系统中循环，还会引起元件加速磨损和系统故障。同时，也不允许介质自身对金属零件有腐蚀作用，或会缓慢分解产生酸等腐蚀性物质。所以，要求液压工作介质具有良好的保护金属、防止生锈和不腐蚀金属的性能。6、同密封材料相容工作介质必须同元件上的密封材料相容，不引起溶胀、软化或硬化，否则，密封会失效，产生泄漏，使系统压力下降，工作不正常。7、消泡和抗泡沫性混入和溶于工作介质的空气，常以气泡(直径大于1.0mm)和雾沫空气(直径小于0.5mm)两种形式析出，即起泡。起泡的介质使系统的压力降低，润滑条件恶化，动作刚性下降，并引起系统产生异常噪声、振动和气蚀。此外，空气泡和雾沫空气的表面积大，同介质接触使氧化加速，所以，要求工作介质具有良好的消泡和抗泡沫性。8、抗乳化性水可能从不同途径混入工作介质。含水的液压油工作时受剧烈搅动极易乳化，乳化使油液劣化变质和生成沉淀物，妨碍冷却器的导热，阻滞管道和阀门，降低润滑性及腐蚀金属，所以，要求工作介质具有良好的抗乳化性。9、清净度工作介质中的机械杂质会堵塞液压元件通路，引起系统故障。机械杂质又会使液压元件加速磨损，影响设备正常工作，加大生产成本。各种液压系统工作介质都应符合相应清净度的要求。10、其他良好的化学稳定性、低温流动性、抗燃性，以及无毒、无臭，在工作压力下，具有充分的不可压缩性。五、液压工作介质品种的选择1、液压系统所处的工作环境即液压设备是在室内或户外作业，还是在寒区或温暖的地带工作,周围有无明火或高温热源，对防火安全、保持环境清洁、防止污染等有无特殊要求。2、液压系统的工况如液压泵的类型，系统的工作温度和工作压力，设备结构或动作的精密程度，系统的运转时间，工作特点，元件使用的金属、密封件和涂料的性质等。3、液压工作介质方面的情况如货源、质量、理化指标、性能、使用特点、适用范围，以及对系统和元件材料的相容性等。4、经济性即考虑液压工作介质的价格，更换周期、维护使用是否方便，对设备寿命的影响等。六、液压工作介质粘度的选择1、意义对多数液压工作介质来说，粘度选择就是介质牌号的选择。粘度选择适当，不仅可提高液压系统的工作效率、灵敏度和可靠性，还可以减少温升，降低磨损，从而延长系统元件的使用寿命。2、选择依据液压系统的元件中，液压泵的载荷最重，所以，介质粘度的选择，通常是以满足液压泵的要求来确定。3、修正对执行机构运动速度较高的系统，工作介质的粘度要适当选小些。以提高动作的灵敏度减少流动阻力和系统发热。七、使用要求内容或措施1、日常维护(1)保持环境整洁，正确操作，防止水分、杂物或空气混入。(2)含水型液压液的使用温度不要超过规定值，以免水分过度蒸发。要定期检查和补充水分，否则，其理化性质会发生变化，影响使用，甚至失去难燃性，成为可燃液体。(3)对磷酸酯要特别注意防止进水，以免发生水解变质。2、安全(1)使用液压油要注意防火安全。(2)磷酸酯有极强的脱脂能力，使触及的皮肤干裂。误触后应立即用流水、肥皂清洗。第四章几个关键问题的研究第一节活塞与缸筒间的内泄分析活塞与缸筒间的密封，不像活塞杆密封圈破坏那样油液流到外面，引起人们的注意。因而，微量的内泄往往被忽视。但泄漏量多会引起测力装置的测量不准确。这种微量的内泄漏也会使流体积存到两个密封圈之间而产生压力。这种压力有时达到很高。甚至把密封件从密封安装槽中挤出，使密封件破损，最终导致测力装置失效，这种现象为背压引起的损坏。在这种状态时，活塞和缸体接合面不可能密封，这就导致缸体内泄，引起测量不准确，或根本无法测量。产生背压的原因分析有以下几点：1、活塞密封安装槽前挡肩设计时与缸体间隙过大，有时达32、活塞密封件和滑动面出现伤痕时引起的背压；3、活塞不良引起的背压损伤，这主要指活塞密封安装槽的表面粗糙度达不到要求在反交力加压、减压以及密封圈与缸体间的磨擦引起密封件破损产生背压的。解决这种背压的措施，如在密封圈的挡板上开孔，易于流体流出，或在Yx形密封圈槽中加入尼龙支承等，这样都有效地防止背压引起的破坏。工程机械液压油缸的关键在于密封型式的选择。如果我们不掌握密封型式的选用原则和注意事项，是难以达到预期的设计要求和使用效果的。第二节压力表对液压测力装置测影响分析一、压力表测量范围的影响液压千斤顶额定上限压力一般在(50～60)MP之间，而生产厂家所选择的配套压力表测量范围多为(0～60)MPa，这意味着正常使用时，工作压力会达到压力表测量上限的(90～100)％，这就带来很大的隐患，无法保证测量结果的准确性和长期可靠性。按规定，使用压力表测量压力时，被测压力不得超过压力表测量上限3/4，一只测量范围为(0～60)MPa压力表，其正常线性工作区域在45MPa以下。如果液压千斤顶需控制的压力超过45MPa，压力表弹性敏感元件就处于疲劳极限区工作时极易损坏，无法保证测量结果的准确性和长期可靠性。另外，根据JJG52—1999《弹簧管式一般压力表、压力真空表和真空表》检定规程规定，一般压力表的允许误差在其测量上限的(90～100)％范围内，允许降低一级计算。这就意味着在检定一块1.6级、(0～60)MPa的一般压力表时，虽然其允许误差为±0.96MPa，但在(54～60)MPa区间，其误差即使达到±1.5MPa依然可以判定其为合格。一般压力表检定中的这一特殊规定，也是造成液压千斤顶上限压力示值失准的重要原因之一。由此可见，选择配套压力表时，应以测力装置上限压力的(140～200)％来确定压力表的测量上限为宜。考虑到压力表的弹性后效影响，最好以测力装置额定上限压力的200％来确定压力表测量上限。这就意味着，如果液压千斤顶需控制的上限压力在(50～60)MPa之间，选择测量上限为100MPa的压力表比较合适。二、压力表准确度等级和分辨力的影响根据GB50010—2002《混凝土结构设计规范》和GB50204—2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》，预应力张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差应在±5％内。然而，由于在实际测量过程中受设计规定、施工方法、检测手段、配套仪表、环境等因素影响，检测结果的可靠性和准确性也将受到较大影响。特别是对小负荷点,如在10MPa这一点时，压力表的±1.6MPa误差值，就意味着测力装置的相对误差高达16％。同时，不同等级的压力表其最小分辨力也不同。以(0～100)MPa压力表为例，0.4级的精密压力表最小分度值为0.5MPa，由于指针刀锋垂直于表盘，因而可估读到最小分度值的1/10，故其最小分辨力为0.05MPa；而1.6级的一般压力表最小分度值为2MPa，指针刀锋平行于表盘，因而只能估读到最小分度值的1/5，其最小分辨力为0.4MPa。由此可见，由分辨力带来的估读误差影响也不容忽视。三、压力表配套检定时的影响在检定条件完全相同的情况下，仅仅由于压力表的选择不同，其对液压式测力装置测量结果准确度的影响就不容忽视。四、不确定度分析分析液压测力装置的过程，其测量结果不确定度来源主要有以下几方面：1、应变式标准测力仪引入的标准不确定度分量；2、被检液压千斤顶检定重复性引入的标准不确定度分量；3、温度变化引入的不确定度分量；4、示值估读不准确引入的不确定度分量；5、数据修约引起的标准不确定度分量。第三节缸桶系统的有效面积理想地说，对产生力有决定意义的缸塞系统的有效面积，应相当于活塞与油缸基本面积的平均位。这一理想情况是以下述假设为先决条件的，即缸塞系统的制造，间隙中的压力降或与压力有关的变形均不会造成此系统直径的变化；然而事实并非如此。尽管缸塞系统的直径变化，已有可能减少到小于1微米的数值，但是要想消除缸塞系统在高压下的变形，却是完全不可能的。缸塞系统的变形，是由油缸内径的增加和活塞直径的减小构成的，它会导致有效面积系统性的放大，这种放大与压力数值有关。按减小摩擦力的影响的观点，在液压式标推测力机小只使用无密封的缸塞系统，因而间隙中的压力特降低到大气压。正如周密的研究所表明的那样，这种压力降在一次近似条件下可认为是线性的。但是，作为直径变化的结果，在间隙中的优势压力还会产生附加力。因此，缸塞系统购“合效面积”这个术语的意义应加以引申，以便于指定一种表现的有效面积，此表观面积足由包括作为压力函数的所有面积组成的。一、有效面积的确定为了确定有效面积，在下面的推导过程中将要考虑诸如直径变化、压力降及变形这些实际上已获知的所有参数。这样，最终的计算方法和方程，就可用于所有的缸塞系统中去。如图4.1所示为一缸塞系统的各段宜径。实线代表变形前的系统，是通过对活塞与油缸进行实阅而得到的，r表示变形前的半径；虚线代表在压力p下发生变形后的缸塞系统，R表示变形后酌半径。由于制造公差，直径变化不可能是一种数学上的连续因数，因而各段直径部近似地面成宣线。二、这些直线用线性方程rbt与rzj表示：rbt