液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),液壓,沖擊,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
中文題目：液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
外文題目：Hydraulic impact test rig design
摘要
在我國大發(fā)展、快發(fā)展的大背景下,我們的國民經(jīng)濟(jì)也處于不斷上升的過程中,工業(yè)的發(fā)展成為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。在這過程中,液壓技術(shù)也得到了較大的發(fā)展空間,液壓技術(shù)滲透在我國工業(yè)的各項(xiàng)領(lǐng)域中,其中,液壓傳動(dòng)是一門較新的技術(shù),雖然僅短短幾十年的發(fā)展歷程,可是如今卻被大規(guī)模地應(yīng)用在礦山、冶金機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)床等多種機(jī)械以及相關(guān)的武器裝備里。
抗沖擊性能作為產(chǎn)品可靠性的重要組成部分,現(xiàn)在已備受產(chǎn)品生產(chǎn)者和使用者的關(guān)注。沖擊試驗(yàn)則是測試產(chǎn)品抗沖擊性能約一個(gè)重要手段。為了提高檢測產(chǎn)品的抗沖擊性能的試驗(yàn)水平,改進(jìn)和完善沖擊試驗(yàn)機(jī)性能則是一個(gè)重要的研究方向。本論文主要設(shè)計(jì)了一種對(duì)被試件進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)。介紹了該試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理，確定了元件的主要參數(shù)。驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的性能，以及液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，以及設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意的問題。在綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上介紹了液壓沖擊試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展歷史,研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,并介紹了液壓沖擊試驗(yàn)與沖擊波形的運(yùn)用狀況。
關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)；測試；性能
Abstract
In our country under the background of great development, fast development, our national economy is rising in the process, the development of industry become the important force in driving the development of economy. Hydraulic technology in the process, also get the larger development space, hydraulic technology in the domain of industry in China, among them, the hydraulic transmission is a relatively new technology, although only a short span of decades of development, but now has been largely used in mining, metallurgical machinery, engineering machinery, machine tools and various machinery and related equipment.
Shock resistance as an important part of product reliability, product producers and users of the watches now. Impact test is a test product shock resistance about an important means. In order to improve the level of detection products shock resistance of the test, to improve and perfect the impact testing machine performance is an important research direction. This paper mainly designs a shock performance testing of the specimens test rig. The test rig of hydraulic system are introduced and the design and working principle of measurement and control system, determine the main parameters of the element. Checking the performance of hydraulic system and hydraulic control system design steps, and the problems should be paid attention to when design the hydraulic system. On the basis of comprehensive literature at home and abroad to introduce the development history of hydraulic impact testing machine, research and application status quo, and introduces the hydraulic impact test and the application of shock wave.
Key words: hydraulic system; test ;performance
I
目錄
前言 1
1緒論 2
1.1課題研究的社會(huì)背景、目的和意義 2
1.1.1課題研究的社會(huì)背景 2
1.1.2課題研究的目的和意義 3
1.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 3
1.2.1液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
2 沖擊試驗(yàn)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì) 8
2.1液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的工作原理 8
2.1.1沖擊動(dòng)力學(xué)基本概念 8
2.1.2液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型 8
2.2 液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)期成果 10
2.3液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)主體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10
2.3.1系統(tǒng)要求 10
2.3.2沖擊頭與立柱的導(dǎo)向設(shè)計(jì) 11
2.3.3導(dǎo)向立柱的設(shè)計(jì) 12
2.3.4試驗(yàn)臺(tái)整體模型的建立與實(shí)現(xiàn) 13
3沖擊試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
3.1沖擊試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 15
3.1.1沖擊試驗(yàn)臺(tái)的組成 15
3.1.2本設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求 15
3.2工況分析 15
3.3液壓缸的典型結(jié)構(gòu) 18
3.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 19
3.4.1初選工作壓力 19
3.4.2確定液壓缸的主要尺寸設(shè)計(jì)及校核 19
3.4.3計(jì)算最大流量 22
3.5導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.5.1導(dǎo)向環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn) 23
3.5.2導(dǎo)向環(huán)的型式 23
3.5.3導(dǎo)向環(huán)的尺寸不同 24
3.6 活塞桿導(dǎo)向套 25
3.6.1結(jié)構(gòu)式 25
3.6.2材料 25
3.6.3尺寸配置 25
3.6.4加工要求 26
3.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 26
3.7.1設(shè)計(jì)思想 26
3.7.2試驗(yàn)臺(tái)工作原理 27
3.8 液壓元件的選擇 27
3.8.1液壓執(zhí)行元件的選擇 28
3.8.2液壓泵的選擇 28
3.8.3原動(dòng)機(jī)的選型 29
3.8.4液壓控制閥的選擇 29
3.8.5管路的選擇 30
3.8.6確定油箱容積 31
3.8.7蓄能器的選擇 31
3.8.8過濾器的選擇 31
3.8.9液壓油的選擇 31
3.9 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 32
3.9.1系統(tǒng)壓力損失計(jì)算 32
3.9.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算 33
4 測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 36
4.1數(shù)據(jù)采集方案原理設(shè)計(jì) 36
4.1.1信號(hào)及數(shù)據(jù)采集 36
4.1.2 A/D基本概念 37
4.1.3瞬態(tài)沖擊力測量系統(tǒng) 38
4.1.4測試系統(tǒng)方案 38
4.2信號(hào)采集硬件 39
4.2.1加速度傳感器的選擇 39
4.2.2數(shù)據(jù)采集卡的選擇 40
4.2.3信號(hào)調(diào)理及采集觸發(fā)電路 41
5數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 42
5.1信號(hào)預(yù)處理 42
5.1.1信號(hào)直流分量的消除 42
5.1.2信號(hào)的平滑 42
5.2 濾波器 43
6產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)分析 46
7總結(jié) 47
致謝 48
參考文獻(xiàn) 49
附錄A：譯文 50
附錄B：外文文獻(xiàn) 54
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
前言
沖擊試驗(yàn)臺(tái)是指對(duì)試樣施加沖擊試驗(yàn)力，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的材料試驗(yàn)機(jī)。聯(lián)工生產(chǎn)沖擊試驗(yàn)機(jī)分為手動(dòng)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)、數(shù)顯沖擊試驗(yàn)機(jī)、微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)、非金屬?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)等。可以通過替換擺錘體和試件基座，來實(shí)現(xiàn)簡支梁和懸臂梁兩種不同形式的試驗(yàn)。在電子、機(jī)械等制造行業(yè),樣品的制造、運(yùn)輸、搬運(yùn)及其運(yùn)行過程中無到處存在著各種各樣類型、不同程度的碰撞沖擊,因此檢測產(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要因素,同時(shí)也是產(chǎn)品可靠性的重要組成部分。隨著人們對(duì)產(chǎn)品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)機(jī)也在不斷發(fā)展。本章首先在綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了沖擊試驗(yàn)臺(tái)的歷史發(fā)展、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,并介紹了沖擊試驗(yàn)的運(yùn)用情況,然后根據(jù)參數(shù)進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械方面設(shè)計(jì)，并且對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。本次液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)完成，有利于沖擊試驗(yàn)的進(jìn)行。
1緒論
1.1課題研究的社會(huì)背景、目的和意義
1.1.1課題研究的社會(huì)背景
沖擊是一種非周期性的瞬態(tài)振動(dòng),可以看作是一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到瞬態(tài)載荷的作用,也可以看成能量從外界傳遞到一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的短暫過程沖擊可以看作是振動(dòng)環(huán)境的一種特例沖擊一般分為簡單沖擊和復(fù)雜沖擊,簡單沖擊,其沖擊幅值隨時(shí)間變化的曲線按國際標(biāo)準(zhǔn)可以近似為簡單的幾何圖形,如半正弦矩形波和鋸齒波等;復(fù)雜沖擊,其沖擊幅值隨時(shí)間變化的曲線呈復(fù)雜的衰減振蕩形狀。
沖擊往往會(huì)使設(shè)備激起強(qiáng)迫振動(dòng)和固有頻率響應(yīng),使產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到不同程度的損害甚至失效飛機(jī)船舶車輛及各種工程機(jī)械,在其運(yùn)行時(shí)經(jīng)常受到?jīng)_擊的作用,對(duì)各自的結(jié)構(gòu)性能以及安裝設(shè)備都將產(chǎn)生有害影響。 液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)室模擬產(chǎn)品在實(shí)際使用中，需要承受的沖擊破壞的能力，以此來評(píng)定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)正確評(píng)定產(chǎn)品的抗沖擊能力，可有效地提高產(chǎn)品使用的可靠性。用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方式來模擬包裝運(yùn)輸件在運(yùn)輸、裝卸過程中可能受到的沖擊破壞，由此來評(píng)定包裝件在運(yùn)輸過程中受到?jīng)_擊時(shí)，包裝的緩沖、減振能否達(dá)到對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)能力沖擊試驗(yàn)臺(tái) 。
現(xiàn)有國內(nèi)沖擊試驗(yàn)機(jī)主要有擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)和霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)機(jī)。其中，擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)主要是進(jìn)行材料的沖擊性能檢測，能級(jí)較小，一般只有幾百焦耳；金屬落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測試范圍比較廣，最大的湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)研究所的重型超高落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，能級(jí)可達(dá)到十萬焦耳，速度可達(dá)17m/s；霍普金森壓桿沖擊試驗(yàn)機(jī)主要進(jìn)行小試件的高速?zèng)_擊測試，子彈沖擊速度較大，但能級(jí)較小。國外比較先進(jìn)的沖擊試驗(yàn)機(jī)當(dāng)屬英國的Instron高速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)以及日本島津Shimadzu沖擊試驗(yàn)機(jī)，兩者都是采用高速電液伺服控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是利用儲(chǔ)能器積蓄高壓液體，然后通過作動(dòng)器快速釋放來使沖頭短程內(nèi)達(dá)到極高沖擊速度，能夠保持持續(xù)較高的沖擊力和作用速率，但目前兩種沖擊試驗(yàn)機(jī)能級(jí)都比較小，最大的Instron VHS 160/100-20型高速?zèng)_擊試驗(yàn)機(jī)只有160kN的動(dòng)態(tài)沖擊力，能量只有48KJ，并且價(jià)格昂貴。而沖擊地壓發(fā)生所釋放的能量作用于單個(gè)支護(hù)體結(jié)構(gòu)上就高達(dá)幾百萬焦耳，現(xiàn)有的沖擊試驗(yàn)機(jī)均無法滿足煤礦支護(hù)重型設(shè)備和材料的沖擊實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)還存在一個(gè)問題是這些沖擊試驗(yàn)機(jī)都不能對(duì)試件施加靜動(dòng)結(jié)合加載，與煤礦支護(hù)體所受沖擊地壓的破壞情況有所不同。
1.1.2課題研究的目的和意義
液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)是指對(duì)試樣施加沖擊試驗(yàn)力，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的材料試驗(yàn)機(jī)。在機(jī)械、電子等制造行業(yè),產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、搬運(yùn)及其運(yùn)行過程中無處不存在各種不同類型、不同程度的沖擊,因而檢測產(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要方面,同時(shí)也是產(chǎn)品可靠性的重要部分。隨著人們對(duì)產(chǎn)品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應(yīng)的液壓沖擊試驗(yàn)機(jī)也在不斷發(fā)展。
本課題旨在通過搭建一種液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)被沖擊件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，最終得出這些被沖擊件在時(shí)間范圍內(nèi)的變形量、沖擊能量、沖擊速度之間的關(guān)系，另外，本課題的研究還有如下幾方面的意義：
首先，本課題在充分考慮功能要求和經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，搭建了具有大沖擊能量范圍、高測試精度、數(shù)據(jù)采集分析一體化等諸多優(yōu)點(diǎn)的液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)。雖然這種變形的試驗(yàn)臺(tái)還有一定的局限性，但是由于液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)在我國甚至是國際上也屬于剛剛起步，試驗(yàn)成本極高，且數(shù)據(jù)處于保密狀態(tài)，因而本試驗(yàn)臺(tái)具有很高的實(shí)用價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。本試驗(yàn)臺(tái)在測試功能上也具有較大的優(yōu)勢，價(jià)格方面更是如此。本課題搭建的液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)在做一定的擴(kuò)展之后，完全可以進(jìn)行材料學(xué)方面的試驗(yàn)。因此，從現(xiàn)實(shí)需求與經(jīng)濟(jì)角度考慮，本課題的研究都具有重要的意義。同時(shí)本試驗(yàn)臺(tái)的研究，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1.2國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
1.2.1液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著國外計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和測試技術(shù)的迅猛發(fā)展,許多外國液壓件研發(fā)單位都在積極研發(fā)和檢驗(yàn)。液壓泵試驗(yàn)臺(tái)開展工作較早的國家有德國、美國、英國、日本等,如SUNDSTRON公司、力士樂公司和日本制鋼所的柱塞泵效率試驗(yàn)臺(tái)等都有用于液壓泵等測試的試驗(yàn)平臺(tái)。近幾年,新型液壓測試平臺(tái)的發(fā)展特點(diǎn)為高速化、高效率、多樣化、自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù),其中,液壓泵試驗(yàn)臺(tái)測試技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn),計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)在液壓領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛,并且有更大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。以機(jī)電液技術(shù)為基礎(chǔ)的液壓泵試驗(yàn)臺(tái)是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、比例控制技術(shù)、集成插裝技術(shù)等高新技術(shù)研制開發(fā)而成的一種綜合試驗(yàn)檢測裝置。測試平臺(tái)按照中華人民共和國機(jī)械工業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各種型號(hào)和排量的液壓泵進(jìn)行模擬工況條件下的各種測試,計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集各種工況條件下的測試數(shù)據(jù),并且打印報(bào)表和特性曲線。液壓泵試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)主要組成部分有液壓系統(tǒng)油路、傳感器、采集卡、計(jì)算機(jī)等。其中,液壓系統(tǒng)部分根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),由于該部分基本已成型,最近幾年,主要在系統(tǒng)的自動(dòng)化和比例控制方面進(jìn)行研究。液壓技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,目前主要靠現(xiàn)有的技術(shù)來改進(jìn)和不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,為了滿足今后對(duì)液壓技術(shù)的要求,主要的研究方向集中在,高效節(jié)能、減少污染和機(jī)電一體化與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)技術(shù),因此在未來的一段時(shí)間內(nèi),試驗(yàn)臺(tái)的研究主要的集中在運(yùn)用各種技術(shù)不斷提高試驗(yàn)臺(tái)的測試系統(tǒng)的性能,節(jié)約能源,減少污染,展開綜合應(yīng)用研究等方面。
在機(jī)械、電子等制造行業(yè),產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、搬運(yùn)及其運(yùn)行過程中無處不存在各種不同類型、不同程度的沖擊,因而檢測產(chǎn)品的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量的重要方面,同時(shí)也是產(chǎn)品可靠性的重要部分。隨著人們對(duì)產(chǎn)品的高精度,高可靠性的要求,以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要,越來越受到人們的重視。與之相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)機(jī)也在不斷發(fā)展。以試驗(yàn)機(jī)力脈沖發(fā)生器的發(fā)展為標(biāo)志,沖擊試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是早期以橡膠、氈墊、彈簧等作為力脈沖成形器的機(jī)械式?jīng)_擊機(jī)。這類沖擊試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)化程度往往較低,只能產(chǎn)生單一波形類型。第二階段則是以自動(dòng)控制理論的發(fā)展,自動(dòng)化設(shè)備的興起,新材料的發(fā)展為基礎(chǔ),以使用特制材料與液壓或氣動(dòng)控制結(jié)合為特征的力脈沖發(fā)生器作為緩沖器,不同的脈沖發(fā)生器對(duì)應(yīng)不同波形,這種力脈沖發(fā)生器精確度比較高,性能也比較穩(wěn)定。第三階段是上個(gè)世紀(jì)八十年代末以來,隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用與集成電子技術(shù)的快速發(fā)展,以能在一臺(tái)緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形的智能化力脈沖發(fā)生器為特征,并輔以高度自動(dòng)化的控制以及數(shù)據(jù)分析設(shè)備的新型沖擊試驗(yàn)機(jī)。這種沖擊試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)在正逐步替代第二代沖擊臺(tái),并廣泛流行。這些產(chǎn)品主要有:美國MTS公司生產(chǎn)的886系列沖擊試驗(yàn)機(jī)、美國AVCO公司生產(chǎn)的SM系列沖擊試驗(yàn)機(jī)、日本吉田精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的ASQ系列沖擊試驗(yàn)機(jī)Lansmont公司機(jī)械式,跌落式?jīng)_擊臺(tái)、美國TEAM公司的振動(dòng)沖擊臺(tái)等。
總的來看,由于美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)在沖擊試驗(yàn)方面的研究以及在沖擊試驗(yàn)臺(tái)的研制上都比我國開展的早,所以他們的研發(fā)水平都高于我國的現(xiàn)有水平。如圖1.1(a)美國Lansmont公司的機(jī)械式?jīng)_擊臺(tái)系列因其工作臺(tái)面有較高的共振頻率而確保了沖擊脈沖的清晰度,而且它的較大的導(dǎo)柱、端面軸承,、剛性工作臺(tái)面、整塊式的鋼制臺(tái)基都是以滿足最大的硬度要求和使用壽命來設(shè)計(jì)的。它精密的沖擊波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)能保證準(zhǔn)確的沖擊波形.,光學(xué)位移傳感器使試驗(yàn)的跌落高度和沖擊觸發(fā)的位置得到保證.該系列的沖擊機(jī)不是按通常的方式用毛氈作緩沖墊,而是使用了特別的緩沖墊材料,這大大減少了導(dǎo)致沖擊脈沖響應(yīng)譜低頻區(qū)域歪曲的脈沖毛刺,由這些脈沖變形導(dǎo)致的高頻噪聲也被減少了二到五成,然而這些緩沖墊材料需要選擇和配置一致,并定期更換。
日本吉田精機(jī)株式會(huì)社是典型的日本為數(shù)不多的試驗(yàn)機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家之一,
（a） (b)
圖1-1沖擊試驗(yàn)臺(tái)（a）機(jī)械式?jīng)_擊臺(tái)；（b）沖擊試驗(yàn)機(jī)
Fig.1-1Impact testing rig (a) mechanical impact test rig; (b) impact testing machine
它的沖擊試驗(yàn)機(jī)在日本是最具代表性的,如圖1.1(b)為其中MDST系列能產(chǎn)生兩種波形:梯形波與半正弦波脈沖?？勺靼b貨物的等效跌落實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)條件的設(shè)定與自動(dòng)控制都是利用計(jì)算機(jī)與控制裝置自動(dòng)化操作?？勺鞫囝l的加速度測量與各種分析(合成,SRS,SR,損傷邊界線圖等)。采取控制策略來防止再次沖擊,它具有高剛性的試品安裝臺(tái)。該系列是其公司產(chǎn)品中較先進(jìn)的一款沖擊機(jī).而它的鋸齒形發(fā)生器則是由傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生,用帶有錐形頂端的圓柱形錯(cuò)墊來作力脈沖發(fā)生器,半正弦波和梯形波則是采用特制專利材料作為力脈沖成形器,并用高壓氣缸控制波形的變化,使之達(dá)到?jīng)_擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖1-2西北機(jī)器廠的Y52系列沖擊臺(tái)
Fig.1-2 Y52 impact testing rig from Northwest Manufacturing Company
我國國內(nèi)也有不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)和研制各種類型的沖擊試驗(yàn)機(jī)。雖然這些沖擊試驗(yàn)機(jī)在某些結(jié)構(gòu)形式、局部裝備方面不盡相同,但多數(shù)廠家和研究機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品和成果是第二代的沖擊臺(tái),能產(chǎn)生的波形比較單一,即以橡膠、液壓氣動(dòng)來提供緩沖波形。這些廠家和研究機(jī)構(gòu)如:蘇州試驗(yàn)儀器廠,蘇州新區(qū)東菱振動(dòng)試驗(yàn)儀器有限公司,無錫市蘇威試驗(yàn)設(shè)備有限公司,沈陽水利工程研究所等。蘇州試驗(yàn)儀器總廠的CP系列沖擊臺(tái)雖然能對(duì)不同質(zhì)量大小的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),而其緩沖器只能產(chǎn)生半正弦波形。蘇州新區(qū)東菱振動(dòng)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的SH一200型沖擊臺(tái)可產(chǎn)生半正弦波和梯形波。但目前我國也有少數(shù)廠家仿造研制了能產(chǎn)生多種波形的力脈沖發(fā)生器以及用它裝備的沖擊試驗(yàn)機(jī)。
西北機(jī)器廠的Y52系列沖擊臺(tái)能產(chǎn)生滿足國標(biāo)、國軍標(biāo)、以及美軍標(biāo)的電工電子產(chǎn)品沖擊標(biāo)準(zhǔn)的波形,如圖1.2,是目前我國國產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)中較先進(jìn)的一個(gè)系列。其提升系統(tǒng)在液壓缸的作用下使工作臺(tái)提升到設(shè)定跌落高度。導(dǎo)向系統(tǒng)能保證沖擊系統(tǒng)有足夠的橫向自由度,限制橫向加速度在規(guī)定的范田內(nèi)。支承系統(tǒng)主要起緩沖作用,以取代需要用戶建造的專用地基。多種脈沖波形發(fā)生器:能夠產(chǎn)生用戶需要的半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波三種沖擊波形,是沖擊試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件。增壓制動(dòng)系統(tǒng):控制工作臺(tái)的提升和回跳。電氣測量控制系統(tǒng):采用微電子技術(shù),控制沖擊臺(tái)的動(dòng)作順序,并測量分析沖擊臺(tái)的沖擊信號(hào),可打印沖擊臺(tái)面的加速度波形等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參量。該產(chǎn)品由于在關(guān)鍵部件沖擊脈沖觸發(fā)器方面實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)機(jī)器上試驗(yàn)多種波形,設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到國際上第三代沖擊試驗(yàn)機(jī)的水平。正弦波力脈沖是靠閉式橡膠作為成形器來產(chǎn)生,鋸齒波是用的鉛塊作沖擊墊來產(chǎn)生,梯形波的產(chǎn)生也是用橡膠墊結(jié)合高壓氣缸來觸發(fā)和控制。
從現(xiàn)有的國內(nèi)文獻(xiàn)來看,國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都在沖擊機(jī)的基本原理、力學(xué)模型、設(shè)計(jì)方法等方面作了探索與實(shí)踐,所設(shè)計(jì)的沖擊機(jī)在正弦波形上能產(chǎn)生滿足國標(biāo)、IEC、國軍標(biāo)或美軍標(biāo)的沖擊試驗(yàn)機(jī),但是在沖擊機(jī)的核心部件力脈沖發(fā)生器梯形波、后峰鋸齒波方面的解決方法雖然也曾探索過采用液壓小孔節(jié)流,并采取氣液結(jié)合的控制方式,但是現(xiàn)有的研究成果顯示其還存在以下不足:一、波形超差嚴(yán)重、調(diào)節(jié)不便;二、只能產(chǎn)生一種峰值、脈寬的波形,不能按照需求任意選擇;三、調(diào)節(jié)不便。因此要解決現(xiàn)有沖擊波形成形器存在的問題,并降低沖擊試驗(yàn)機(jī)的成本,需要研制性能更好、價(jià)格較低的新型沖擊脈沖成形器。
1.2.2沖擊試驗(yàn)的研究
普通沖擊試驗(yàn)?zāi)軌驕y出的沖擊功，在材料生產(chǎn)和加工工藝過程及機(jī)器零部件的檢驗(yàn)上總結(jié)了許多經(jīng)驗(yàn)，它成功地被應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：(1)沖擊功對(duì)被試材料的宏觀缺陷、顯微組織上的差別等異常敏感，一直以來有效的利用在檢定鋼材的質(zhì)量和鑒定冶金、加工和熱處理步驟的正確性，由此來控制和穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量；(2)因?yàn)闆_擊功對(duì)隨溫度變化的鋼材產(chǎn)生的韌脆轉(zhuǎn)變相對(duì)敏感，所以被用來測定鋼材韌脆轉(zhuǎn)變的趨勢和轉(zhuǎn)變溫度。(3)沖擊試驗(yàn)對(duì)被試件的缺口異常的敏感，所以經(jīng)常用來評(píng)定金屬受到大能量沖擊的缺口敏感性；(4)近些年常用沖擊試驗(yàn)來評(píng)測鋼材的沖擊功，確定鋼材的時(shí)效敏感性；(5)由于沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備較簡易，試樣加工容易，試驗(yàn)時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn)，所以在配合其它試驗(yàn)方法使用也引起了人們的注重。例如，斷裂韌性與沖擊功的關(guān)系上，建立了許多經(jīng)驗(yàn)公式。
隨著科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，特別是自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了(數(shù)字化)沖擊試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展。不僅提高了力和位移測量的精確度，使沖擊試驗(yàn)技術(shù)從落后狀態(tài)迅速進(jìn)入了先進(jìn)技術(shù)行列。從只能定性測定物理意義不是太明確的沖擊功，走向了定量測量而且具有使用價(jià)值的裂紋形成功和裂紋擴(kuò)展在沖擊過程中各項(xiàng)指標(biāo)變化的許多參數(shù)。這些反映材質(zhì)抗沖擊性能的指標(biāo)將成為以后的沖擊性能指標(biāo)，為沖擊試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展開創(chuàng)美好的發(fā)展前景。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和深刻理解，必然會(huì)在許多方面取得更大的研究成果。
沖擊試驗(yàn)是材料學(xué)領(lǐng)域內(nèi)比較廣泛使用的一種分析手段。在航天、航空、兵器、電子、動(dòng)力、車輛、包裝等行業(yè)都具有重要的地位。市場上目前所存在的沖擊試驗(yàn)設(shè)備主要是服務(wù)于包裝產(chǎn)品的測試，鋼鐵產(chǎn)品的測試。就類型上來講，其主要又分為兩大類：一類是擺錘型沖擊試驗(yàn)機(jī)，利用擺錘在一定高度下落過程中所具有的能量去沖擊目標(biāo)試件；另一類是落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，利用錘體自由落體的能量去沖擊目標(biāo)試件。在沖擊能量方面，市場現(xiàn)有產(chǎn)品都主要集中于幾百焦耳至幾千焦耳的小能量范圍，個(gè)別達(dá)到萬焦以上能量的設(shè)備也是需要定制的。在本課題研究的過程中，曾對(duì)國內(nèi)材料試驗(yàn)機(jī)做過市場考察，目前威海試驗(yàn)機(jī)廠以及深圳新三思集團(tuán)可以生產(chǎn)能量在 30000J左右的沖擊試驗(yàn)機(jī)。市場上的試驗(yàn)臺(tái)架多數(shù)采用氣動(dòng)式，加載精確平穩(wěn)，缺點(diǎn)是占地大，成本較高，且由于有龐大的動(dòng)力裝置與氣體管道，造成日常維護(hù)不便。其一般的落錘下落都有立柱定位，圓形立柱導(dǎo)套精度高，剛度大，但質(zhì)量太大，結(jié)構(gòu)笨重。
2 沖擊試驗(yàn)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)
2.1液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的工作原理
2.1.1沖擊動(dòng)力學(xué)基本概念
沖擊是系統(tǒng)受到了瞬時(shí)沖擊時(shí)，它的力、位移、速度或加速度會(huì)發(fā)生突然變化的現(xiàn)象。沖擊是振動(dòng)的一種特殊狀態(tài)，它與一般狀態(tài)的振動(dòng)不同，具有自己獨(dú)特的特點(diǎn):
(1)沖擊過程是瞬態(tài)的，持續(xù)時(shí)間較短暫；
(2)沖擊是驟然的、劇烈的能量釋放、能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程；
(3)沖擊激勵(lì)往往是非周期的，其頻譜是連續(xù)的，沖擊過程一次性完成，
不呈現(xiàn)周期性；
(4)系統(tǒng)在沖擊作用下所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)為瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沖擊持續(xù)時(shí)
間及系統(tǒng)的固有周期有關(guān)。
從理論分析角度看，沖擊運(yùn)動(dòng)就是系統(tǒng)受到一種短暫的脈沖、階躍或其它瞬態(tài)的非周期激勵(lì)下的響應(yīng)。沖擊響應(yīng)引起的系統(tǒng)振動(dòng)能夠很快消失，但它引起的最大應(yīng)力(或位移)卻可能使系統(tǒng)損壞。沖擊動(dòng)力學(xué)過程是一系列隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程。理想的規(guī)則沖擊載荷波形主要有矩形、半正弦、梯形、三角形、鋸齒波等。但在工程實(shí)踐中，沖擊激勵(lì)的時(shí)域波形可能是非規(guī)則的，但是可以用理想的規(guī)則形狀來表示某些特定的沖擊。針對(duì)不同的沖擊載荷波形(沖擊形式)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也不同，系統(tǒng)的響應(yīng)主要取決于沖擊載荷脈沖的峰值、持續(xù)時(shí)間及波形形狀。
2.1.2液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)方案的功能要求，最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析涉及到的物理量有瞬態(tài)沖擊力、瞬態(tài)速度、瞬態(tài)位移以及沖擊能。由于沖擊試驗(yàn)屬于破壞性較強(qiáng)的試驗(yàn)過程，所以測量方式必須為非接觸式。綜合考慮各個(gè)方面的因素，選定以加速度量為基本測量目標(biāo)。由加速度信號(hào)，可以得到瞬態(tài)沖擊載荷：
（2-1）
式中——瞬態(tài)壓縮載荷(N)；
——重錘質(zhì)量(kg)；
——測得的瞬態(tài)加速度()；
g ——重力加速度（)。
當(dāng)不考慮重物與導(dǎo)軌之間的摩擦?xí)r，落錘沖擊試件的瞬間接觸速度可按自由落體來計(jì)算。例如國外有人設(shè)計(jì)的落錘動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)采用了每秒2000-2500 幀的高速攝像機(jī)，發(fā)現(xiàn)測得的落錘與試件接觸速度同自由落體計(jì)算得到的速度非常的相近，誤差小于 5%，這說明在下落過程中落錘與導(dǎo)軌之間的摩擦和小的撞擊的能量損失可以忽略不計(jì)。因此在以上瞬態(tài)力的計(jì)算過程中將這一部分忽略。對(duì)加速度進(jìn)行一次和二次積分，可獲得相應(yīng)的瞬態(tài)速度和瞬態(tài)位移：
（2-2）
（2-3）
式中 ——初始沖擊速度(m/s)；
——初始?jí)嚎s位移(m)；
——瞬態(tài)速度(m/s)；；
——瞬態(tài)位移(m)。
結(jié)合式(3-2)和式(3-3)，可得到載荷-位移歷程 。對(duì)載荷-位移曲線進(jìn)行積分可得試件吸收的沖擊能：
（2-4）
對(duì)于不同材料、不同結(jié)構(gòu)的薄壁梁，能量吸收能力可以由破壞單位質(zhì)量材料或結(jié)構(gòu)(壓碎破壞部分)所吸收的能量來度量，稱為“比吸能”：
（2-5）
式中， A為薄壁梁的橫截面積， 為材料的平均密度。
2.2 液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)期成果
（1）理論沖擊力輸出值：35~200噸，沖擊行程500mm，滿行程沖擊力衰減<25%，最大沖擊能量不小于800KJ。能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)加載、動(dòng)態(tài)加載及靜動(dòng)結(jié)合加載。
（2）沖擊速度：最大沖擊速度10~20m/s。
（3）沖擊試驗(yàn)臺(tái)功能：對(duì)試樣施加沖擊試驗(yàn)力，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的材料試驗(yàn)機(jī)
（4）試驗(yàn)臺(tái)剛度及強(qiáng)度校核：在200噸沖擊壓力下，結(jié)構(gòu)件最大變形量小于<0.15mm，最大應(yīng)力小于100MPa。
（5）控制方式：采用計(jì)算機(jī)、PLC聯(lián)合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在計(jì)算機(jī)和控制臺(tái)兩種控制方式。采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與數(shù)據(jù)處理。得到所要求的數(shù)據(jù)記錄和圖像繪制。
（6）安全性能：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮沖擊實(shí)驗(yàn)過程的安全性，要求足夠的安全設(shè)計(jì)與防護(hù)措施。
2.3液壓沖擊試驗(yàn)臺(tái)主體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.3.1系統(tǒng)要求
參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T6803 對(duì)普通沖擊試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)規(guī)定，結(jié)合本課題實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)提出以下要求：
(1)強(qiáng)度與剛度。由于系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，沖擊試驗(yàn)臺(tái)沖擊能量大，故要求系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度與剛度；
(2)沖擊缸應(yīng)與底座垂直，兩導(dǎo)軌應(yīng)平行，以保證沖擊頭沖擊試件的瞬時(shí)速度的方向應(yīng)盡可能垂直向下；
(3)地基剛性和慣性。理論上的地基應(yīng)為無限大的剛性平板，因此地基的設(shè)計(jì)必須是高剛性高強(qiáng)度的。試驗(yàn)過程應(yīng)保證不對(duì)臺(tái)架周圍的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)生干擾，且在數(shù)次試驗(yàn)之后，地基不產(chǎn)生整體下沉，不產(chǎn)生表面裂紋。與此同時(shí)，地基與試驗(yàn)室周圍地面之間應(yīng)當(dāng)以吸震緩沖結(jié)構(gòu)隔離，防止震動(dòng)對(duì)地面整體的損傷；
(4)為了防止在沖擊過程中，沖擊頭表面自身變形造成的誤差，沖擊頭表面應(yīng)有足夠大的硬度，硬度值應(yīng)達(dá)到 50HRC 以上；
(5)試驗(yàn)人員的安全性。為了防止沖擊過程中試件突然崩出，必須在臺(tái)架周圍設(shè)有防護(hù)圍欄；
(6)數(shù)據(jù)采集的高速性。由于落錘的運(yùn)動(dòng)速度很快，且撞擊的過程瞬間完成，因而對(duì)采樣率和采樣精度有一定的要求。
2.3.2沖擊頭與立柱的導(dǎo)向設(shè)計(jì)
沖擊試驗(yàn)的能量全部來源于從一定高度下落的沖擊頭所具有的動(dòng)能。為了便于試驗(yàn)臺(tái)功能的拓展性以及確保本階段試驗(yàn)的順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)沖擊能量在一定范圍內(nèi)是具有可調(diào)節(jié)性的。這一能量范圍的確定不僅要依靠臺(tái)架設(shè)計(jì)高度來保證，同時(shí)也要依靠錘體自身質(zhì)量的變化范圍。從現(xiàn)實(shí)意義來講，臺(tái)架的設(shè)計(jì)高度主要依賴于沖擊初速度的確定，并且由于受場地、成本以及一定高度之后的自身撓度等因素所限，臺(tái)架不可能無限價(jià)高，所以沖擊頭的速度可變性顯得尤為重要。
本系統(tǒng)采用一塊合金工具鋼作為沖擊頭的主體部分，考慮到尺寸以及未來安裝傳感器的要求。沖擊頭上表面中心開有 M10×4的螺紋孔，便于傳感器的加裝。以彈簧墊片以及雙螺母緊固，防止沖擊過程中沖擊頭自身的震動(dòng)。圖 2-1 所示為三維建模軟件CAXA 中設(shè)
計(jì)的沖擊頭結(jié)構(gòu)。
圖2-1 沖擊頭結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)圖
Fig.2-1 Structural design of the impact head
在沖擊頭材料的選擇上，考慮到?jīng)_擊本身對(duì)沖擊頭的破壞性，要求沖擊頭的材料必須具有沖擊韌性及表面強(qiáng)度。沖擊韌性保證錘體在沖擊之后不會(huì)發(fā)生裂紋，表面強(qiáng)度保證錘體與試件接觸面不發(fā)生明顯的變形，從而影響試驗(yàn)精度。鑄鐵以及鋼是最常用的材料，但是鑄鐵雖有好的表面硬度但是同時(shí)也是屬于脆性材料，而普通的鋼雖有韌性但表面強(qiáng)度不夠。熱處理之后的鋼可以提高表面強(qiáng)度但同時(shí)也失去了本身的韌性。因此普通的鑄鐵及鋼均不滿足條件。在廣泛使用的材料中，合金工具鋼是較好的選擇。合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼 3 類。其中碳含量高的鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 0.80%)多用于制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火后的硬度在 HRC60 以上，且具有足夠的耐磨性；碳含量中等的鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.35%-0.70%)多用于制造熱作模具，這類鋼淬火后的硬度稍低，為 HRC50-55,但韌性良好。最終，本錘體主體部分采用了中等碳含量的合金工具鋼。
2.3.3導(dǎo)向立柱的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向柱的作用主要是為了保證沖擊頭下落的穩(wěn)定性，同時(shí)防止沖擊過程結(jié)束后沖擊頭發(fā)生偏離預(yù)定方向的運(yùn)動(dòng)。為了增加抗震性，導(dǎo)向套通過潤滑良好的軸承固定在基座之上，基座與導(dǎo)向柱兩側(cè)表面用螺栓連接。設(shè)計(jì)中考慮到可能產(chǎn)生的橫向沖擊，所以導(dǎo)向柱的軸心與錘體兩側(cè)表面的距離盡可能的小，以增加穩(wěn)定性。圖 3-2 所示為 CAXA 中的導(dǎo)向模型。
導(dǎo)向柱的設(shè)計(jì)考慮了系統(tǒng)要求中的強(qiáng)度和剛度，并且要求良好的垂直度，同時(shí)還要考慮與導(dǎo)向套的配合方式。在技術(shù)要求方面，導(dǎo)軌決定了整個(gè)臺(tái)架的有效高度，因此根據(jù)設(shè)計(jì)范圍的沖擊能量和沖擊速度，確定導(dǎo)軌的高度為1.8m。
導(dǎo)軌底座鋼板采用焊接的固定方式，導(dǎo)軌兩側(cè)焊接有圓鋼，作為支架，保證其垂直度。支架支撐點(diǎn)為槽鋼米高處。另外為了保證錘體在兩導(dǎo)軌間可以平順的下落，又為了防止由于焊接造成的不可調(diào)節(jié)性，在兩導(dǎo)軌間設(shè)計(jì)有絲杠-螺母結(jié)構(gòu)，這樣一來，可以通過兩個(gè)部位的微調(diào)來改變導(dǎo)軌之間的距離，進(jìn)而可以根據(jù)錘體下落的情況來保證下落的平順。在活動(dòng)橫梁與立柱的接觸處，裝有上、下兩個(gè)導(dǎo)套。它們由兩瓣組成，兩端裝有防塵用的氈圈。這種導(dǎo)套結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。圖 2-2 所示為 CAXA 中的導(dǎo)向模型。
圖 2-2 圓柱面立柱導(dǎo)套
Fig.2-2 A cylinder pillar guide bush
2.3.4試驗(yàn)臺(tái)整體模型的建立與實(shí)現(xiàn)
根據(jù)以上臺(tái)架各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)機(jī)主體部分主要包括剛性框架、沖擊裝置、基礎(chǔ)支座、導(dǎo)向裝置，軌道，以及剛性卡環(huán)和小油缸等，利用 CAXA 將其進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，得到整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的裝配模型
圖2-3 沖擊試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)圖
Fig.2-2 Structural design of the Shock Testing Machine
3沖擊試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1沖擊試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
3.1.1沖擊試驗(yàn)臺(tái)的組成
該試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)機(jī)架、液壓缸、油源系統(tǒng)(油箱、泵組件及恒溫系統(tǒng))、測系統(tǒng)(檢測元件及控制裝置)及輔助系統(tǒng)組成。其中試驗(yàn)機(jī)架用于安裝被試件和液壓缸等元件，液壓缸用于完成對(duì)被試件的沖擊(以下稱液壓缸活塞桿端為沖擊頭)，油源系統(tǒng)給液壓缸供油并保持油溫恒定，測控系統(tǒng)完成對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制、數(shù)據(jù)采集處理和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測等工作。
3.1.2本設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求
理論沖擊力輸出值(t)：35~200
沖擊行程(mm): 500
滿行程沖擊力衰減：<25%
最大沖擊能量(kJ): 不小于800
最大沖擊速度（m/s）: 10~20
試驗(yàn)臺(tái)剛度及強(qiáng)度校核：在200噸沖擊壓力下，結(jié)構(gòu)件最大變形量小于<0.15mm，最大應(yīng)力小于100MPa。
3.2工況分析
設(shè)計(jì)液壓沖擊頭的一般步驟,大體可以分為三步,第一步是設(shè)計(jì)方案的確定,根據(jù)加工工藝要求、加工制造能力等實(shí)際情況,參考國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料,確定沖擊頭的工作原理、本體結(jié)構(gòu)、液壓傳動(dòng)方式及液壓控制系統(tǒng)的工作原理;第二步是參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算,按照選定的方案、給定的參數(shù)或一些參數(shù)選擇范圍,去計(jì)算其它一些主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)選定的液壓液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行液壓系統(tǒng)的計(jì)算,選擇液壓元件;第三步是機(jī)器總體和零部件設(shè)計(jì),并對(duì)主要的零部件進(jìn)行必要的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的校核計(jì)算。
對(duì)沖擊頭的工作原理分析可知,沖擊頭在向下打擊鍛件的過程中,可以分為加載階段和卸載階段,在沖擊頭沖擊的過程中,它的打擊力很大,這樣就可以忽略其它力的作用,根據(jù)沖擊頭和被試件碰撞前后的總動(dòng)量守恒,把被試件塑性變形所需的能量在沖擊打擊能量中所占的比例,稱為打擊效率,其打擊效率為:
3-1
式中 --沖擊頭的質(zhì)量（kg）；
--支座的質(zhì)量（kg）；
K --恢復(fù)系數(shù)（表示沖擊系統(tǒng)在打擊后的相對(duì)速度和沖擊前的相對(duì)速度的比值）。
在打擊過程中,打擊能量公式:
3-2
打擊次數(shù)是沖擊頭的一個(gè)重要指標(biāo),如果不考慮打擊時(shí)的上下停頓時(shí)間,則一個(gè)工作周期包括打擊時(shí)間和回程時(shí)間,完成一次打擊過程,理論上所需時(shí)間:
液壓沖擊頭在打擊的過程中,沖擊頭的速度由初始時(shí)的靜止?fàn)顟B(tài)到打擊的最終速度10m/s ,我們近似的將沖擊頭打擊的速度看成是勻速運(yùn)動(dòng),在沖擊頭打擊的過程中,沖擊頭的受力分析如圖 3-1,沖擊頭主要受活塞桿對(duì)它的向下作用力,沖擊頭與導(dǎo)軌、活塞與液壓缸、活塞桿與密封套、聯(lián)動(dòng)桿與密封圈等處的摩擦力,沖擊頭與活塞桿、聯(lián)動(dòng)桿的重力,另外還有沖擊頭的慣性力。
圖3-1 沖擊頭的受力分析
Fig.2-2 Impact force analysis of the head
對(duì)沖擊頭進(jìn)行受力分析,得出它的受力平衡方程:
3-3
式中 F--液壓缸對(duì)沖擊頭的推力（N）；
-沖擊頭的慣性力（N）；
-沖擊頭系統(tǒng) 所受的摩擦阻力（N）；
-沖擊頭系統(tǒng)自重；
沖擊頭的慣性力為：
3-4
沖擊頭系統(tǒng)所受的摩擦阻力為:
（取摩擦系數(shù)0.1） 3-5
沖擊頭的自重為：
3-6
3.3液壓缸的典型結(jié)構(gòu)
1 拉桿型液壓缸
兩端蓋和缸筒用多根長拉桿來連接，通常兩端蓋均為正方形或長方形用四根拉桿拉緊
圖3-1 拉桿式液壓缸
Fig.3-1 Tie rod hydraulic cylinder
2 螺紋蓋型液壓缸
活塞桿側(cè)的前端蓋制有螺紋以旋入相應(yīng)的缸筒螺紋內(nèi)，后端蓋則多數(shù)是焊接 在缸筒后端這類液壓缸暴露在外面的零件較少，外表光潔，外形尺寸較小，能承受一定的沖擊負(fù)載和嚴(yán)酷的外界環(huán)境條件。但由于前端蓋螺紋強(qiáng)度和預(yù)緊端蓋的操作的 限制，因此不能用與過大的缸內(nèi)直徑和太高的額定工作壓力，通常用與內(nèi)徑d這類液壓缸多用與車輛，船舶，礦業(yè)等室外作業(yè)機(jī)械上。
3 法蘭型液壓缸
兩端蓋均有法蘭用多個(gè)螺釘分別與缸筒相應(yīng)的法蘭連接。
3.4確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
3.4.1初選工作壓力
表3-1 按載荷選擇工作壓力
Tab.3-1 According to the work load selection pressure
載荷/KN
<5
5-10
10-20
20-30
30-40
>50
工作壓力
/MPa
<0.8-1
1.5-2
2.5-3
3-4
4--5
3.4.2確定液壓缸的主要尺寸設(shè)計(jì)及校核
活塞桿受壓時(shí)
（ 3-6）
活塞桿受拉時(shí)
（3-7）
式中——無桿腔活塞有效作用面積（）
——有桿腔活塞作用面積（）
——液壓缸工作腔壓力（Pa）
——液壓缸回油腔壓力，即背壓（Pa），其值根據(jù)回路的具體情況而定，初值時(shí)可參照表2.3取值，
D——活塞直徑(m)
d——活塞桿直徑（m）
液壓缸主要在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為
（3-8）
表3-2 按工作壓力選取d/D
Tab.3-2 According to the working pressure choose d/d
工作壓力/MPa
5.0--7.0
d/D
0.5--0.55
0.62--0.70
0.7
表3.3 執(zhí)行元件背壓
Tab.3-3 Components of back pressure
系統(tǒng)類型
背壓/MPa
簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2——0.5
回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)
0.4——0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5——1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8——1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2——3
回油路較短，且直接回油箱
可忽略不計(jì)
查表的;=d/D=0.5,=0.5MPa.帶入公式（3）得
==65.4mm
查表得液壓缸內(nèi)徑D=80mm,活塞桿內(nèi)徑d=56mm。
（3） 缸筒長度L
缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即：
L=l+B+A+M+C。
式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導(dǎo)向長度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長度，由密封方式定；C為其他長度。
一般缸筒的長度最好不超過內(nèi)徑的20倍。另外，液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸還有最小導(dǎo)向長度H。
圖3-2油缸的導(dǎo)向長度
Fig.3-2 The length of the cylinder guide
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長度H(如圖2-1所示)。如果導(dǎo)向長度過小，將使液壓缸的初始撓度(間隙引起的撓度)增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一最小導(dǎo)向長度。
最小導(dǎo)向長度應(yīng)滿足下式：
H≥L/20+D/2 3-9
式中：L為液壓缸最大工作行程(mm);D為缸筒內(nèi)徑(mm)。
H≥500/20+80/2=65mm
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長度A，在D＜80mm時(shí)取A=(0.6-1.0)D,在D＞80mm時(shí)取A=(0.6-1.0)d；活塞的寬度B則取B=(0.6-1.0)D。為保證最小導(dǎo)向長度，過分增大A和B都是不適宜的，最好在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套K，隔套寬度C
由所需的最小導(dǎo)向長度決定，即： 3-10
mm
采用隔套不僅能保證最小導(dǎo)向長度，還可以改善導(dǎo)向套及活塞的通用性。
(4)強(qiáng)度校核
a) 缸筒壁厚校核缸筒壁厚δ=10mm。對(duì)液壓缸的缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
缸筒壁厚校核。缸筒壁厚校核時(shí)分薄壁和厚壁兩種情況，當(dāng)D/δ≥10時(shí)為薄壁，壁厚按下式進(jìn)行校核：
δ＞=ptD/2［σ］ 3-11
式中：D為缸筒內(nèi)徑；pt為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力pn≤16MPa時(shí)，取pt=1.5pn，
pn為缸生產(chǎn)時(shí)的試驗(yàn)壓力;當(dāng)pn＞16MPa時(shí)，取pv=1.25 pn;［σ］為缸筒材料的許用應(yīng)力，［σ］=σb/n,σb為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n=5。
當(dāng)D/σ＜10時(shí)為厚壁，壁厚按下式進(jìn)行校核：
3-12
Pn=10MPa，Pt=1.5Pn=15MPa
==1.05
所以缸筒壁厚δ=10mm滿足條件。
b) 活塞桿直徑校核。活塞桿的直徑d按下式進(jìn)行校核：
3-13
式中：F為活塞桿上的作用力；［σ］為活塞桿材料的許用應(yīng)力。
活塞桿的直徑d=60mm滿足條件。
3.4.3計(jì)算最大流量
=12m/s=,=2m/s
=
=
沖擊試驗(yàn)臺(tái)沖擊頭在慢速接近被試件過程中所需要的流量為
=50247200L/min=361.7L/min
沖擊試驗(yàn)臺(tái)沖擊頭在快速接近被試件過程中所需要的流量為
=50241200L/min=602.9L/min
沖擊試驗(yàn)臺(tái)沖擊頭在慢速退離被試件過程中所需要的流量為
=2562.27200L/min=184.5L/min
3.5導(dǎo)向環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算
導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞外圓的溝槽內(nèi)或活塞桿導(dǎo)向套內(nèi)圓懂得溝槽內(nèi)，以保持活塞與缸筒或活塞桿與其導(dǎo)向套同軸度，并用以承受活塞或活塞桿的側(cè)向力。
3.5.1導(dǎo)向環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn)
a. 低泄露。由于摩擦副同軸度好，圓周間隙均勻，故泄露少；
b. 導(dǎo)向環(huán)可用耐磨損材料，磨損后更換方便；
c. 低摩擦系數(shù)；
d. 能刮掉雜質(zhì)，防止雜質(zhì)嵌入密封圈；
e. 有良好承載能力
目前使用較多足浮動(dòng)型導(dǎo)向環(huán)，因其加工較方便，采用不同材料。
3.5.2導(dǎo)向環(huán)的型式
有嵌入型和浮動(dòng)型
嵌入型導(dǎo)向環(huán)：在活塞外圓加工出燕尾型截而溝槽，用青銅QAL9—4或紫銅的銅帶，表面加工成略帶拱形，用木槌柳入溝槽內(nèi)，最后加工導(dǎo)向環(huán)外圓。導(dǎo)向環(huán)園周切出一個(gè)45°斜開口。
圖3-3 嵌入型導(dǎo)向環(huán)
Fig.3-3 Embedded type guide ring
浮動(dòng)型導(dǎo)向環(huán)：用高強(qiáng)度塑料制的帶，裝在活塞外圓的矩形截面溝槽內(nèi)，側(cè)向保持有間隙，導(dǎo)向環(huán)可在溝槽內(nèi)移動(dòng)，并有一個(gè)45°斜開口 。也可在溝槽底用粘合劑固定導(dǎo)向環(huán)。
圖3-4 浮動(dòng)型導(dǎo)向環(huán)
Fig.3-4 Floating type guide ring
3.5.3導(dǎo)向環(huán)的尺寸不同
浮動(dòng)型導(dǎo)向環(huán)是用制造廠提供的帶狀半成品截制的。各廠均有為不同活塞或 活塞桿直徑匹配的厚度和寬度不同的帶坯。
3.6 活塞桿導(dǎo)向套
活塞桿導(dǎo)向套裝在液壓缸有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向的，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒有桿側(cè)腔的密封性，外側(cè)裝有防塵圈以防止活塞桿在內(nèi)縮時(shí)把雜質(zhì)，灰塵及水份帶到密封裝置區(qū)，以致?lián)p壞密封裝置。當(dāng)導(dǎo)向套不是用耐磨材料制成時(shí)，其內(nèi)圓還可裝導(dǎo)向環(huán)，用以對(duì)活塞桿導(dǎo)向。
圖3-5 活塞桿導(dǎo)向，密封和防塵
Fig.3-5 The piston rod guide, sealing and dustproof
3.6.1結(jié)構(gòu)式
端蓋式和插件式兩類。目前采用較多的插件式導(dǎo)向套足用耐磨材料制成的，也有用鋼制并內(nèi)裝耐磨套或?qū)颦h(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是裝拆方便，拆卸時(shí)不用拆端蓋。 端蓋式導(dǎo)句套是用端蓋直接導(dǎo)向的。
3.6.2材料
直接導(dǎo)向型的導(dǎo)向套用：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，氧化鑄鐵，二乙醇樹酯，聚四氟乙烯，夾布酚醛樹酯等。
3.6.3尺寸配置
導(dǎo)向套的主要尺寸是支承長度，通常按活塞桿直徑，導(dǎo)向套的型式，導(dǎo)向套材料的承壓能力，可能遇到的最大側(cè)向負(fù)載等因素考慮。通?？刹捎脙啥螌?dǎo)向段, 每段寬度一般約為d/3, 2段中線間距離取2d/3。
導(dǎo)向套的受力情況，應(yīng)根據(jù)液壓缸的安裝方式，結(jié)構(gòu)，有無負(fù)載導(dǎo)向裝置，以及負(fù)載的作用情況等的不同而作具體分析。
3.6.4加工要求
導(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸，公差，粗糙度按導(dǎo)向環(huán)帶材供應(yīng)廠要求。
3.7 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
3.7.1設(shè)計(jì)思想
確定設(shè)計(jì)任務(wù)
液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算
生成液壓系統(tǒng)原理圖
液壓系統(tǒng)初步施工設(shè)計(jì)
建立動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型
液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析
進(jìn)行最終設(shè)計(jì)
圖3-6 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線
Fig.3-5 the design of Hydraulic system
圖3.7沖擊試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖
Fig.3-7 Impact test rig hydraulic system schematic diagram
1. 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.電磁先導(dǎo)卸荷閥 3.冷卻系統(tǒng) 4.蓄能器
5.液壓缸 6.沖擊頭7.三位四通閥 8.溢流閥
9.節(jié)流閥 10.兩位三通閥。
3.7.2試驗(yàn)臺(tái)工作原理
工控機(jī)控制電磁閥7左側(cè)通電，沖擊頭開始以慢速接近被試件；上升到一定程度，控制電磁閥10通電，沖擊頭以高速?zèng)_擊被試件，工控機(jī)通過安裝在活塞桿端的力傳感器實(shí)時(shí)采集沖擊力信號(hào)，通過液壓缸中的位移傳感器實(shí)時(shí)采集位移信號(hào)并計(jì)算出沖擊速度；沖擊頭繼續(xù)上升到一定位置時(shí)，工控機(jī)控制閥7斷電卸載，同時(shí)控制閥10斷電；接著控制閥7右側(cè)通電，沖擊頭換向，慢速返回；當(dāng)沖擊頭碰到下止點(diǎn)行程開關(guān)時(shí)，控制閥7斷電，沖擊頭回到初始位置，數(shù)據(jù)采集程序中的計(jì)數(shù)器加1；當(dāng)計(jì)數(shù)器為20時(shí)，工控機(jī)控制閥7斷電，然后停止電機(jī)，自動(dòng)打印試驗(yàn)結(jié)果。
3.8 液壓元件的選擇
3.8.1液壓執(zhí)行元件的選擇
液壓執(zhí)行元件是液壓系統(tǒng)的輸出部分，必須滿足機(jī)器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)功能、性能的要求及結(jié)構(gòu)、安裝上的限制。根據(jù)所要求的負(fù)載運(yùn)動(dòng)形態(tài)，選用不同的液壓執(zhí)行元件配置。根據(jù)液壓執(zhí)行元件的種類和負(fù)載質(zhì)量、位移量、速度、加速度、摩擦力等，經(jīng)過基本計(jì)算，確定所需的壓力、流量。壓力可根據(jù)受壓面積與負(fù)載力求出。
3.8.2液壓泵的選擇
1)確定液壓泵的最大工作壓力
（3-14）
式中 ——液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力（MPa）。
——從液壓泵出口到液壓缸入口之間總的管路損失。
為從液壓泵出口到液壓缸入口之間總的管路損失，取MPa。
所以
(10+0.5)MPa=10.5MPa
確定液壓泵的流量
（3-15）
K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1--1.
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