工学谐振式电液疲劳试验机的设计毕业设计论文.docx

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工学谐振式电液疲劳试验机的设计毕业设计论文

[工学]谐振式电液疲劳试验机的设计毕业设计论文

[工学]谐振式电液疲劳试验机的设计毕业设计论文本科毕业设计（论文）题目：

谐振式电液疲劳试验机的设计学院：

机械学院专业：

机械工程及自动化班级：

2008级7班学号：

200810310115学生姓名：

刘申指导老师：

阮键提交日期：

2012年5月1日浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。

除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人承担本声明的法律责任。

作者签名：

日期：

年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：

日期：

年月日导师签名：

日期：

年月日浙江工业大学毕业设计（论文）谐振式电液疲劳试验机的设计学生姓名：

刘申指导教师：

阮健教授浙江工业大学机电学院摘要在工业生产中，人们发现在交变应力的作用下，机械零件往往会在远低于材料强度极限的情况下发生破坏，这就是疲劳失效。

疲劳失效已经成为正常工作状况下零件、材料的主要失效形式。

零件材料的使用性能与材料的疲劳特性密切相关。

用于研究材料疲劳特性的试验成为疲劳试验。

疲劳试验已经成为为工程技术领域的基本试验，而疲劳试验机是研究材料疲劳特性的基本设备。

疲劳试验机有很多种类，其中电液疲劳试验机是其中很重要的一类。

电液疲劳试验机具有响应速度快、输出功率大、测量和控制精度高等特点，已经在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛应用。

当策动力的频率和系统的固有频率相等时，系统受迫振动的振幅最大的现象成为谐振。

谐振式电液疲劳试验机是采用谐振原理设计的电液疲劳试验机。

这种疲劳试验机的固有频率与系统中执行元件液压缸的容积有关，因此可以通过改变液压缸活塞的位置调节系统的固有频率，使系统能够产生共振，从而在较低作用力下是试件产生较大的变形。

因此它不仅具有传统电液疲劳试验机精度高、功能全、可靠性好等特点，而且效率高，节约能源。

可以在很低的工作频率下获得高的试验负荷。

本文对谐振式电液疲劳试验机的相关概念，研究现状，发展趋势进行介绍，建立阀控液压缸系统的数学模型，并且进行试验机执行机构液压缸和试验机机体机架的设计，并进行必要的校核。

关键字：

谐振，疲劳试验，试验机，液压缸，机架DesignofResonantElectro-hydraulicFatigueTestingMachineStudent:

LiuShenAdvisor:

Dr.RuanJianTzouCollegeofEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyAbstractIntheprocessofindustrialproduction,ithasbeenfoundedthatwiththeeffectofanalternatingstress,mechanicalpartsareoftendestructedwellbelowitsmaterialstrengthfailurelimit.Thisistheconceptoffatiguedestruction.Fatiguedistructionhasbecomethemainfailureformofpartsandmaterialsinnormaloperatingconditions.Theusagepropertiesofmachinesmaterialiscloslyrelatedtoitsfatigueproperty.Fatiguetestisthetestistostudythecharacteristicsofmaterial,whichhasbecomethebasictestinengineeringandtechnology.Fatiguetestmachineisthebasicequipmenttostudythecharacteristicsofmaterials.Therearevariouskindsoffatiguetestmachine,amongwhichelectro-hydraulicfatiguetestingmachineisaveryimportantone.Ithasadvantageoffastresponse,largeoutputpower,highaccuracyofmeasurementandcontrol,andhavebeenappliedinaviation,aerospace,military,metallurgy,transportation,engineeringmachineryandmanyotherfields.Whenthedrivingfrequencyareequaltothenaturalfrequencyofthesystem,thephenomenonthatamplitudeofforcedvibrationamplitudearriveitsmaximumiscalledresonant.Resonanttypeelectro-hydraulicfatiguetestingmachineisdevelopedaccordingtotheprincipleofresonant.Theinherentfrequencyoffatiguetestingmachineisdeterminedbythevolumeofhydrauliccylinder,thereforewecanadjustthenaturalfrequencyofthesystemthroughcontrolingthepistonofthehydrauliccylinder.Andmakethesystemresonantsothatthespecimentgenerateabigdeformatingwitharelativesmallforce.Therefore,thiskindoftestmachinenotonlyhastheadvantageoftraditionalelectro-hydraulicfatiguetestingmachine,suchascompletefunction,goodreliability,highefficiency,butalsoenergy-saving.Itcangeneratehugetestloadinarelativelowworkingfrequency.Thispapermakesadescriptionofrelatedconcepts,researchstatus,developmenttrendofresonantelectro-hydraulicfatiguetestingmachineandbuildmathematicalmodelofalvecontrollingcylinder.Intheend,itwillmakethedesignandnecessarycheckworkofactuatorhydrauliccylinderanditsbodyframe.KeyWords:

resonance,fatiguetest,testmachine,hydrauliccylinder,framei目录摘要iAbstractii第1章绪论11.2.谐振11.3疲劳试验的目的及意义21.4疲劳试验机21.5电液疲劳试验机的研究现状及发展趋势31.6论文选题的意义及研究内容5第2章阀控液压缸疲劳试验系统62.1引言62.2电液疲劳试验系统的工作原理62.3.1基本方程82.3.2方块图和传递函数102.3.4传递函数的简化11第3章液压缸和试验机机架的设计计算173.1设计的具体技术要求：

173.2液压缸的设计173.2.2设计依据183.2.2缸筒设计193.2.3法兰设计243.2.4活塞结构的设计273.2.5活塞杆的设计283.2.6液压缸其它各个零件的设计形状图313.3机架部分的设计323.3.1机架各部分零件的设计33总结37参考文献38致谢39浙江工业大学毕业设计（论文）第1章绪论1.1前言研究简史有记载的最早进行疲劳试验是德国的W.A.艾伯特。

法国的J.-V.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。

但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒，他在19世纪50～60年代最早得到表征疲劳性能的S-N曲线[1]并提出疲劳极限的概念。

20世纪50年代P.J.E.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。

随后N.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。

后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。

1924年德国的J.V.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。

1945年美国M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦-迈因纳定律，简称迈因纳定律。

此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。

从此，人们愈来愈重视金属材料和零部件疲劳性能的研究，以便充分了解材料性能，提高材料利用率，尽可能减少材料损耗。

1.2.谐振在物理学里，有一个概念叫共振：

当策动力的频率和系统的固有频率相等时，系统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振[2]。

电路里的谐振其实也是这个意思：

当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。

实际上，共振和谐振表达的是同样一种现象。

这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

随着当今振动学理论的不断发展，谐振技术在各行各业中的应用也日益突出。

谐振技术广泛应用于电子，通讯，制造，检测等很多领域，如收音机，手机，谐振器等。

谐振式电液疲劳试验机就是其中的一种应用。

机械零部件的疲劳破坏一般是在使用过程中由振动引起的，特别是当外部的周期作用力的频率与质量系统的固有频率接近时，由于质量系统固有的欠阻尼特性便诱发强烈振动，即发生所谓的共振或谐振现象。

共振的发生将严重影响系统结构性能和寿命，最终还可能导致零部件或结构的破坏而发生可怕的后果。

因而对机械系统的动力学特性进行研究成为许多产品，尤其是航空航天、武器系统及工程材料等高科技产品研发的重要环节，而振动疲劳试验是获取机械系统的动态特性指标、评价其抗振性能和寿命的最直接和最客观的手段。

按照航空部门对产品工作故障的统计，振动疲劳因素引起的设备故障在整个故障原因中占有很大比例，如航空涡轮发动机使用中的故障40%以上与振动疲劳有关，而导弹飞行中的故障和破坏有一半以上是由振动疲劳原因造成的。

为此，许多国家都投入了大量的人力和物力研究模拟各种产品在使用过程中的振动疲劳问题。

振动疲劳环境的研究己经日益引起人们的重视，成为对产品进行动态设计必不可少的重要环节。

振动除上述有害的一面外，还有其可资利用的一面。

如利用超声波发生器产生的超声被广泛应用于医疗、探伤及清洗；利用振动（颤振）消摩减阻；利用车床刀架的高频往复振动实现非圆零件的高效切削加工；以及利用振动摩擦发热实现两种金属表面的焊接等。

机械振动就其起因而言主要分为强迫振动和诱发振动，前者是指物体在周期力的强迫作用下作往复运动，当周期作用力的频率与质量系统的固有频率接近时，由于质量系统的欠阻尼特性便产生诱发共振，此时在很小的周期力的作用下却会产生很强烈的振动，从而引起零部件的疲劳破坏。

在强迫振动的电液伺服疲劳试验机中，由于伺服阀交替着使高压油进出于作动器两腔产生循环。

对弹性试件而言，在回程中试件所吸收的弹性能无法回收。

再者，就是工作频率不可能很高，一般在50Hz以内。

而采用谐振原理设计的电液伺服试验机，是在谐振曲线的波峰上工作。

这样，只需很低的功率便可以在高频率下获得高的试验负荷。

根据试件的刚性、试件阻尼和所用祛码的不同，工作频率范围可在10250Hz之间。

在节能效果方面，我们以电液伺服扭转疲劳试验机为例，在扭矩为的条件下，最大振幅为，强迫振动式试验机所需的功率为150kW,最高试验频率为5Hz，而采用电液谐振的扭转疲劳试验机所需的功率仅为1.5KW,最高试验频率可达25Hz。

可见谐振现象可以在降低疲劳试验机的能耗上发挥重大作用。

1.3疲劳试验的目的及意义疲劳破坏现象是指材料、零件、构件在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展突然完全断裂的过程[3]。

材料或构件疲劳具有以下特点[4]：

（1）只有在承受交变载荷作用的前提下，疲劳才会发生。

所谓交变载荷，是指随时间变化的力、应力、应变、位移等，载荷随时间变化可以是规则的，也可以是随机的。

（2）疲劳裂纹起源于高应力或高应变的局部。

疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。

零件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。

（3）疲劳破坏是在足够多次的交交载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。

（4）疲劳是一个发展过程。

疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3个阶段：

（1）微观裂纹阶段。

在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。

此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。

（2）宏观裂纹扩展阶段。

裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。

（3）瞬时断裂阶段。

当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。

对应于疲劳破坏的3个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。

疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。

扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。

疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。

据统计，机械零件整体断裂失效中约有80％属于疲劳断裂[5]。

随着现代机械向高速和大型化方向发展，许多零部件在高温、高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，疲劳破坏事故更是层出不穷。

因此，研究机械零部件的疲劳强度和推广疲劳设计，对提高机械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。

疲劳破坏时工业生产中引起零件破坏的重要原因，因此疲劳机理的研究对于减少生产中的设备损耗，提高生产效率和经济效益有重要作用[6]。

由于材料的疲劳性能对工件和机器的疲劳寿命，安全性能，经济效益密切相关。

通过试验研究疲劳特性的影响因素，可以帮助我们找到途径改善零件疲劳特性。

因此，疲劳试验机的研究和发展对生产和研究具有重要意义。

1.4疲劳试验机疲劳试验机是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。

疲劳试验机特点是可以实现高负荷、高频率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试验费用。

疲劳试验机用于进行测定金属、合金材料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

高频疲劳试验机在配备相应试验夹具后，可进行正弦载荷下的三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、CT试验、CCT试验、齿轮疲劳试验等[7]。

疲劳试验机有许多分类方式，按照激振器的载荷产生方式不同[8]，主要分为机械式、电动式、电液式等三种。

机械式试验机主要形式有离心式、直接作用式和共振式三种[9]。

离心式试验机一般是通过偏心质量块的旋转产生的离心力作为激振力来对试验对象施加载荷。

其频率范围一般为5200Hz，推力达数万牛顿，可调频调幅，波形失真大。

直接作用式试验机则是利用凸轮或曲柄连杆等机构直接对试验对象施加周期性载荷，其频率为180Hz，可得到较大的振幅。

共振式试验机是利用共振原理，通过弹簧改变系统的的固有频率，使试验对象在各种频率下都能共振获得较大的振动幅值，其频率为20300Hz，功率较小，结构复杂但尺寸小，波形失真较严重。

机械式试验机特点是：

载荷推力大、结构简单、振幅不随频率变化、成本低；但由于机械结构所限，存在上限频率较低、调频装置复杂、波形失真严重、加速度波形失真大及有机械杂波等缺点。

一般来说，机械式试验机主要适用于低频和大位移振幅的情况下，激振波形为等振幅正弦波或正弦扫频波，改变激励振幅只能在停机的状态下才可进行。

电动式试验机是目前应用较为普遍的试验机。

电动式试验机是将交流电输入磁场中的线圈（动圈），利用通电线圈在磁场中产生的洛仑兹激振力驱动工作台面产生周期性正弦运动或随机振动。

电动式试验机具有波形失真度较小、工作频率范围大、系统线性好、容易控制等优点。

一般小型电动式试验机的频率范围为010kHz；大型电动式试验机频率范围为02kHz。

但是，电动式试验台由于受到固有磁饱和的限制，不易获得大激振力，低频性能较差，只能单向激振，振动波形主要是正弦类波形，此外，设备结构复杂、振动位移有限和需要辅助冷却装置。

电液式试验机主要由液压油源、电液伺服阀、液压执行元件、机架和计算机控制系统等组成[10]，电液式试验机由高频伺服阀控制液压动力源进出液压缸或液压马达的两腔，驱动活塞输出液压力对试验对象施加交变载荷，进行疲劳试验。

交变载荷的频率范围取决于伺服阀的频宽，频率范围一般为2Hz100Hz，最大可达1000Hz。

交变载荷的大小取决于伺服阀阀口大小和液压缸活塞直径的大小；电液试验机的主要优点是：

激振力大、输出位移大、振幅大，容易通过计算机控制实现三角波、正弦波和随机波形的输出；在某个频率范围内，为了保证电液试验机的试验得到所需要的交变载荷，可以采用反馈闭环控制，也可以实现随机振动及几个电液试验台进行同步运行；但电液试验机的缺点是：

受电液伺服阀频宽的限制，难以在高频的区域工作；仅适用于在低频区及中频区进行疲劳试验；对油液要求高、造价贵、维修复杂。

电液式疲劳试验机主要用于对载荷要求比较高的大结构试件的试验[11]。

随着现代科学技术特别是材料科学的发展，人们对动态试验的重视程度也越来越高，疲劳试验机的整体水平在不断提高，它己成为飞机、汽车等机械制造行业中零件的疲劳强度和寿命试验不可缺少的设备。

电液伺服技术是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以及静态的恒变形速率、恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。

电液伺服系统有许多优点，其中最突出的就是响应速度快、输出功率大、控制精确性高，因而在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。

人类使用水利机械及液压传动虽然已有很长的历史，但液压控制技术的快速发展却还是近几十年的事，随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。

1.5电液疲劳试验机的研究现状及发展趋势原瑞士Amsler公司是世界上生产高频疲劳试验机历史最为悠久的国家,最早期生产的型号是2HFP421和10HFP422,分别是20KN和100KN的高频疲劳试验机,它采用光学测力系统,电子管电路的幅度控制型控制系统。

七十年代相继推出10HFP1478机型和20HFP1430于机型,将光学测力系统改为电测力系统,电子管电路大部分被晶体管电路所取代,但仍为幅度控制型系统,即20HFP1430型主机结构比以前有较大变化,电磁铁采用气隙不调的方式,激振器、砖码、弓形环和升降机构均置于试样下方,负荷传感器置于试样上方。

由于试样与传感器之间的动态力差异较大,所以必须采用补偿修正措施才能保证精度。

控制系统无变化,仍沿用幅度控制系统,繁琐的移相、调谐操作。

到八十年代后期,推出了HFP-5000系列,九十年代初,并入德国的R+KAmsler公司。

近来年,RoellAmster公司对推出HFP-5100系列,主机又作了较大的改变,激振器、砖码、弓形环等都置于主机的上方,试样在负荷传感器的下方,将不调气隙的又改为用直流伺服电机来自动调整气隙,它们都配置了计算机系统,尤其是HFP-5100系列的高频试验机,它还可以做非等幅正弦波等波形的疲劳试验,其仍然处于国际领先水平据了解,HFP-5100的100KN高频试验机的价格在20万美元以上,所以国内用户很难接受。

Instron是国际上生产高频疲劳试验机的另一主要厂家[12],七十年代末推出1603型高频试验机,其主机结构和电控系统在当时均独树一帜。

‘色将传感器、珐码、主振弹簧、激振器、升降加荷机构均置于试样下方,试样上端通过机架及四片饭簧与机座相连,试样下端联接传感器,主振动质量通过另外四片板簧连于机座。

气隙用一套伺服系统自动调节,1603型的控制系统采用了新型的脉冲调宽型控制系统,消除了繁琐的操作,使起振变得十分容易,且不致在试样刚度发生变化时造成停振。

但由于试样与传感器间的连接件质量较大,造成试样与传感器之间动态力误差高达10°以上。

为克服这个缺点,到了八十年代,在测量系统中附加了一套补偿装置。

另外一个缺点是其功率管经常被烧坏,给用户的使用带来了一定的困难。

八十年代后期,为扩大功能,在该机增配了HP95B通用微型计算机,除了可以进行常规疲劳