WE-2000型液压万能试验机的研制.pdf

设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 g q 机械 研究 与应用 WE- 2 0 0 0型液压万能试验机 的研制 苏 明 天水红山试验机有限公司 ， 甘肃 天水7 4 1 0 0 1 摘要 双作用差动油缸 由于两腔面积不 同， 进 行拉压 试验 时工作压 力也不相 同。设 计基 于双作 用差动油缸 的液压 万能试验机动摆测力系统并分析试验存在的问题。系统设计采用特殊结构， 反向加一套平衡铊， 利用两套重 量不同的摆铊满足拉压试验时的测力要求， 结构简单， 运行可靠， 易于实现。 关键 词 差 动 油 缸 ； 动摆 测 力 ； 反 向 平衡 中图分类号 Y M 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 5 0 0 6 8 0 4 De s i g n f o r W E一2 0 0 O t y pe h yd r a ul i c pr e s s ur e un i v e r s a l t e s t i ng m a c h i n e S u Mi ng T i a n s h u i H o n g s h a n t e s t i n g r r u z c h i n e C o ． ， L t d ， T i a n s h t d G a n s u 7 4 1 0 0 0， C h i n a Abs t r a c tAs t h e a r e a o f t wo c a v i t i e s i n d o u bl e a c t i o n di f f e r e n t i a l a c t i o n h y d r o -c y l i n d e r i s d i f f e r e n t， t he n t he wo r ki n g p r e s s ur e i s a l s o d i f f e r e n t w h e n t h e p u l l p r e s s e x p e r i me n t i s ma k e n ． T h e j i g g i n g m o t i o n d y n a m o m e t r y s y s t e m f o r h y d r a u l i c p r e s s u r e u n i v e r s a l t e s t i n g ma c h i n e b a s e d o n d o u b l e a c t i o n d i f f e r e n t i a l a c t i o n h y d r o c y l i n d e r i s d e s i g n e d a n d t h e p r o b l e m i n t e s t i s a n a ． 1 y z e d ． T h e s t r u c t u r e i s s p e c i a l for t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e u n i v e r s a l t e s t i n g ma c h i n e a n d a d d a b ala n c e d t h a l l i u m i n i n v e r s e b a l a n c e ．I t c o ul d me e t t h e r e q ui r e me n t for p ul l p r e s s e x pe r i me n t by t h e di f f e r e n t we i g h t o f t wo s u i t s ．Th e s t r u c t u r e i s s i mp l e， t h e w o k i n g i s s t a b l e a n d r e a l i z e e a s i l y ． Ke y wo r d s d i f f e r e n t i a l a c t i o n h y d r o c y l i n d e r ； j i g g i n g mo t i o n；i n v e r s e b a l a n c e 1 引 言 为满足城市现代化高层建筑材料及构件的强度 、 刚度等各种性能试验 ， 我公司根据用户要求 ， 为深圳 市机电设备安装公 司开发研制 了 2 0 0 0 k N液压万 能 试验机 ， 主要对金属材料进行拉伸 、 压缩 、 弯曲及剪切 试验， 也可进行木材、 水泥及混凝土 、 金属材料构件等 进行压缩及 弯曲试 验。现就 2 0 0 0 k N液压万能试 验 机研制过程及对照样机的实际检测情 况进行论证 说 明。 2 主机简介及工作原理 2 ． 1 试验机基本参数 试验机基本参 数如下 最大载荷 2 0 0 0 k N； 测 量 范围 0～ 5 0 0 k N， 5 0 0～1 0 0 0 k N， 1 0 0 0 2 0 0 0 k N； 示值相 对误差 1 ％ ； 工作压力 拉伸试验为 2 2 MP a ， 压力试 验为 1 6 MP a ； 活塞行 程 3 5 0 m m； 缸 径／ 活塞 杆直径 4, 4 0 0 ／ 4, 2 0 0 m m； 供油孔 联接尺寸 M 2 7 x 2 ， 公称通径 为 4,1 4 m m； 活塞 面积 无杆腔为 1 2 5 6 0 0 m m ， 有杆腔 为 9 4 2 0 0 m m ； 测力活塞面积 1 1 3 m m ／ 61 2 ； 试台上升 速度 1 2 0 m m ／ m i n ； 试 台下 降速度 1 6 0 m m ／ m i n ； 横梁 升降速 度 3 5 0 m m／ mi n ； 试样 夹持 范 围 圆材 4 2 0～ 4 , 8 0； 板材 6 3 0～ 6 0 m m 。 2 ． 2主机结构及工作原理 本试验机主机采用单空间框架式结构 见图 1 ， 上部是可以上下移动的横梁 ， 做试验时拉压空间 町以 在 0～1 0 0 0 mm 范围内任意调整。上夹头用螺母 固 定在横梁上 。左右两根丝杠 与水平方 向呈 2 5 。 倾斜 布置 ， 试台从中间穿过 。 主机下部是底座 ， 油缸就固定在底座中间。根据 主机的工作要求选择双作用差动式液压缸 。油缸活 塞与缸筒采用油模密封 ， 两者之间的摩擦很小。 图 1 试验机工作原理图 1 ． 油箱2 ． 油泵3 ． 电动机4 ． 测力油缸5 ． 摆杆6 板 7 ． 推杆8 ． 度盘9 ． 回油阀l O ． 送油 阀l 1 ． 工作油缸 l 2 ． 压力继 电器l 3 ． 三位四通电磁换 向阀 1 4 一E夹头油缸 l 5 ． 下夹头油缸l 6 ． 平衡砣 由油泵输来的高压油经测力计上的送油 阀 9通 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 4 作者简介 苏明 1 9 6 1 一 ， 男 ， 甘肃 陇南人 ， 工程师 ， 主要从事技术研发及 管理方面的工作。 68 机械研究与应用 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 设计与制造 过三位四通换 向伐进入 油缸 1 1 ， 高压 油作用 于活塞 使之上升或下 降， 使载荷逐渐作用 于试样上进行 试 验 。另一部分高压油经两个三位 四通 阀 1 3分别进入 上、 下夹头 内的夹紧油缸 ， 夹 紧或松开试 样。试验机 工作原理如图 1 所示 。 3 试验机动摆测力原理 J 本试验机采用动摆测力机构 ， 由于该试验机主机 油缸采用双作用差动油缸 。因此试验机 的工作状况 及测力方式和其它种类的试验机又有很大不同， 其测 力原理图如图 2所示 。 r c 、 图 2 动摆测力 原理图 关于动摆测力计的基本原理 ， 这里不作细致的推 导 ， 只引证其理论表达式 n Pl P2 P 。 式中 P为工作活塞及测力活塞上的单位面积压力 ； P 为工作活塞上受到的力值 ， 即为度盘读数值 ； P 为 测力活塞上受到的力值 ； S 。 为工作活塞的截面积 ； S 为测力活塞的截面积。 D S1 GRc o s P t ； 2 式中 G为铊重量与摆杆的折合重量 的和； R为摆杆 长度 ； h为主轴 中心至丝杆 中心距离 ； r 为 回转臂长 度 ； 为丝杆位移。 由式 2 变换可得 G P1 r hS 2 3 式中 由于 S 、 S 、 h、 R、 r、 c o s fl均为设计参数已经 确定 令 y h S ， 又 P P1 ，故上式又可简化为 KP b 4 由上式可以看出 铊的重量与工作活塞上的单位 面积压力成正 比， 而单位面积压力又与活塞面积成反 比。双作用差动油缸 由于两腔面积不同 ， 所以进行拉 压试验时工作压力也不相 同， 因此铊的重量也就不能 相同 ， 因此 ， 该试验机采用两套重量不 同的铊供拉压 试验时区分使用。 3 ． 1 自重平衡 问题 由于该试验机结构较为特殊 ， 进行拉伸试验时工 作活塞作用力的方 向与活塞、 试 台的重力方 向相 同， 如 图 3所示 。 一 Ir 1 试台 l 厂 r I I 、、 、一 图 3 拉伸试验平衡 图 由图 3可以看出， 当试样夹 紧以后 ， 由于重力作 用 ， 工作活塞带看试台 自由下落 ， 直到试样被拉紧， 方 能停住 。因此 ， 在压力油 尚未进入油缸 ， 也就是油缸 上腔压力为零 的情况工作活塞 、 试台的重即载荷已经 加到了试样上， 这时 由于工作油缸压力为零 ， 所 以测 力活塞的压力也为零 ， 因此测力 活塞没有 向下移动， 度盘上 、 指针不会偏转 ， 这个实际存在 的载荷值即力 值未被反 映出来 ， 造成 示值误差。为 了解决这个 问 题 ， 在原测力计平衡铊的反方向增加 了一个 自重平衡 铊 ， 作用就是将这个 附加力平衡掉 ， 根据原理简图 2 ， 对回转中心取矩 ∑M 0 0 g ／ c o s 1一o r 一G Rs i n a0 5 g ／ c o s 1一 GRs i n a 式中 g为 自重平衡铊重量 ； R为摆杆长度 ； L为 自重 平衡铊中心距 ； G为摆铊质量 。 由图 1 可 以看 出， 当反向挂上 自重平衡铊 g时， 产生 的力矩使 回转臂与 回转臂刚性联接 的摆杆围绕 主轴发生偏转 。此时通过推 、 丝杆使度盘指针也发生 偏转 ， 这时指针所指的数值即为工作活塞试台等的重 力即附加在试样的载荷值。 由式 5 可 以看 出， 当 g 、 R一定 时， 指针的偏 转 量 由于矩 g l C O S 。一 决定 ， 因此 ， 精确测 出试 台， 工作活塞的重量后 ， 即指针的偏转量可通过改变 的 大小 ， 来保证与 G R s i n o t 平衡 。因为试 台工作 活塞 的 重量是一定 的， 根据度盘等分刻度的条件 ， 在进行 拉 伸试验时 ， 不管在哪个测量范 围进行检测 ， 也就是 说 当挂上 A铊 、 A B铊 ， A B C铊时， 指针 的偏转数值 都是活塞与工作试台的重量 。因此 ， 做拉伸试验时 ， ． 69 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械研究与应用 只要找好指针零位后 ， 挂上 自重平衡铊 ， 调整大小 ， 使 指针指向所测 自重位置就不进行试验 ， 非常方便 。 3 ． 2指针零点的调整问题 如前所述 ， 本试验机备有拉压两套铊 ， 因此 ， 在调 整拉压时的指针零点时， 也要分别使用各 自的铊 ， 调 整方法如下 3 ． 2 ． 1 拉向零点的调整 根据简图 2 ， 摆杆的平衡条件为 对回转中心取矩 ∑M o 0 gH c o s 卢GC O S 卢 R 6 g H G R 从式 中可 以看 出， 当 g x G x R G R一定时 ， 只须改 变 日的大小就可以使摆杆保持平衡。因此调整拉向 零点时 ， 将控制按钮换到拉向， 取掉 自重平衡铊， 挂上 A铊 ， 调整平衡铊 g ， 改变 日大小 ， 使 指针对零挂 上 B、 C铊调整丝杆 ， 使指针均能对零 ， 这时应在平衡铊 g的丝杆上定 出 H位置， 作好标记。每次做拉向试验 时， 只须将平衡铊 g拧到这个位置 ， 并挂上 自重平衡 铊 ， 就可进行试验。 3 ． 2 ． 2 压向零点的调整 按上面所述方法 ， 将控制按钮切换到压 向， 取掉 自重平衡铊 ， 挂上 A铊 ， 调整平衡铊 g ， 改变 H大小， 使指针对零 ， 然后再挂上 B、 C铊 ， 调整丝杆 ， 使指针 对零 ， 按上述方法反复调整几次指针均能对零。这时 应在平衡铊 g的丝杆上定 出压 向时 H的位置， 作好 标记。每次做压 向试验时 ， 只须将平衡铊 g 拧到这个 位置就可进行试验。 4 液压控制系统综述 该试验 机液 压控制 系 统 由测 力计 主 、 副油 箱 ， S C Y 一 1 B手动变量泵 、 送油阀、 液压分配器 、 回油阀、 测力油缸 、 工作油缸 、 液压夹头等组成液压原理图， 如 图 4所 示 。 7 0 图 4 液压原理 图 1 做拉伸试验时 ， 油泵开启 ， 控制按钮切换到 拉 向位置 ， 这时换向阀 3 4 B M H1 0 B T的电磁铁 2 D T 通 电， 使其右位进入系统工作 。油箱的油液经滤油网 进入油泵 ， 油泵输出的压力油， 一部分进入送油阀， 一 部分通过 L 一 1 0 B节流 阀和 2个 3 4 B O H 6 B T电磁 换 向阀进入上下液压夹头。当送油阀的手轮关闭时 ， 同于油压作用 ， 油阀内的活塞后移 ， 压 力油从溢 流管 回油箱。当送油阀的手轮逐渐打开时 ， 压力油经送油 阀后进人液压分配器 ， 通过三位 四通阀进入油缸 ， 在 压力油的作用下 ， 工作活塞向下移动 ， 带动试 台对试 样加荷 ， 同时油缸 内的压力油通过另一油路径二 t 位四 通阀 3 4 B O H1 0 B T右位进入测力油缸 ， 测力油缸 【人 J 的油测力活塞在压力 油的作用下下移 ， 通过拉板 、 摆 杆 、 推板 、 丝杆等使指针在度盘上偏转 ， 指示出试上负 荷数值。这时主油路 油泵一送 油阀一换向阀 3 4 B M H1 0 B ～ T右位一工作油缸有杆腔一换 向阀 3 4 B O H1 0 B T右位一 回油 阀一 测力 活塞 ； 回油路 上作油 缸无杆腔一换向阀3 4 B M H1 0 B T右位～ 油箱。 进入 L 一1 0 B节流 阀的压力油经 节流后 ， 两个 电磁 阀 3 4 B O H 6 B T控制 ， 使试 样夹紧或松开 夹 紧时 ， 按夹紧按钮 ， 使 电磁阀的电磁铁 4 D T和 6 1 T通 电， 使其右位进入系统工作 ， 压力油进入夹 紧油缸的 无杆腔 ， 活塞移动 ， 推动夹头块 ， 夹紧试样 。系统压力 量随着载荷增加而增加的， 夹紧试样时不需太高的 力 ， 因此 ， 设计用一个压力继 电器米控制夹 紧油缸的 压力 ， 其压力调整在 5 MP a ， 当夹紧油缸 的压力达到 5 MP a时， 压 力 继 电器 动 作 ， 发 出 电信 号使 电磁 铁 4 D T、 6 D T断电， 电磁阀进入 中位夹紧， 油缸被锁紧。 试样夹 紧 时 的油 路 油 泵 一 节 流 阀一 电磁 阀 3 4 B O H 6 B T右位一油缸无杆腔 ； 回油路 油缸仃杆 腔一电磁阀 3 4 B O H 6 B T右位一油箱 ； 试样完 松 开试样 ； 按松开按钮 ， 磁 阀 3 4 B O H 6 B T的电磁铁 5 D T、 7 D T通 电， 电磁 阀左位进入 系统 ， 夹紧油缸有杆 腔进油， 活塞移动 ， 松开试样。 试样松开 时 的油路 油 泵一 节 流 阀一 电磁 阀 3 4 B O H 6 B T左位一油缸有杆腔； 回油路 油缸无杆 腔一电磁阀 3 4 B O H 6 B T左位一油箱 。 2 做压力试验 时， 油泵开启 ， 控制按钮换 到压 向， 使电磁 。3 4 B M HI O B T的电磁铁 l D T电磁 3 4 B O H1 0 B T的电磁铁 7 D T同时通电 ， 使其左 进 入系统工作 ， 压力油进人工作 油缸 的无杆腔 ， 使 作 活塞托起 ， 带动试 台对试样加荷。这 时主油路为 油 泵一 电磁铁 3 4 B M H1 0 B T左位一工作油缸无杆腔 一电磁 阀； 3 4 1 3 0一 H1 0 B T左位 一 回油 阀一 测 力 活 塞。回油路 工作油缸无杆腔一 电磁 阀 3 4 B M H1 0 B T左位一油箱 ； 试验完毕后 ， 停车关闭总开天 ， 所有 杌械研究 与应用 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 设计与制造 电磁阀都 回到中位 。 5 试验机精 度 根据 G B ／ T 3 1 5 9 9 1 规定 ， 液压万能试验机 的主 要精度要求有 零点相对误差f o ； 示值相对误差 q ； 示 值进回程误差 M ； 示值重复性误差 仪。 影响试验机精度的因素有主轴轴承处的摩擦力 ， 工作活塞与工作油缸之间， 测力活塞与测力油缸之间 的摩擦力 ， 指针转套与其轴 间的摩擦力等。它们都以 不同程度和不同的方式对 以上各项精度产生影响。 本试验机出厂后 ， 经重新安装调试 ， 由深圳市技 术监督局计量测试研究所进行检定， 其精度符合国标 规定 ， 现将检定情况分析如下。 1 零点相对误差． 厂 n ， 根据 G B ／ T 3 1 5 9 - 9 I 规定 1 级精度 ， 应不超过每最大负荷的 0 ． 1 ％。根据对样 机 的检测情况分析 ， 主轴处的摩擦力对回零误差影响 最大 ， 其它几个 因素影响甚微 。例如 工作活塞和工 作油缸之间的摩擦力它们的方 向和力 的方 向是相反 的 ， 指针转套与轴间、 丝杆与齿轮间 ， 它们的摩擦力则 由测力计 中的小锤相对平衡 。 通过对主轴轴承的反复调整 ， 试验机在卸荷回零 后 ， 回零误差在满意刻度 的 0 ． 1 ％小范 围内处于随 遇平衡状态 ， 满足了 G B ／ T 3 1 5 9 9 1 1级精度 回零误差 的要求 。 2 示值相对精度 q ， 根据 G B ／ T 3 1 5 9 9 I 规定 ， 1 级精度不应超过示值的 0 ． 1 ％ 。 G B ／ T 3 1 5 9 9 I 规 定示值 精 度从 每 档满 负荷 的 2 0 ％起测 。因此 ， 在 0～ 5 0 0 m m K N测力范 围 内的示 值精度从 1 0 0 k N起测 ， 各测力 范围的检定结果符合 标准要求 。 6结论 从以上对 WE一 2 0 0 0型液压万 能试验机测 力原 理的分析和设计理论计算可以看出， 根据本试验机的 特殊结构在动摆测力计算加反向平衡铊的技术方案 ， 理论上是可行 的， 通过实践检验证明是正确的。该试 验机的液压控制系统结构简单 ， 安装维修方便 ， 完全 满足了使用要求 。 该试验机除保持其它 品种 的万能试验 机的各项 精度指标处， 还有它自身的优点。 1 首次在液压万能试验机上采用双作用差动 油缸 ， 利用动摆式测力计反向增加平衡铊 的方法 ， 解 决了试样测力及测变形问题。结构简单 、 使用操作方 便 。 2 首次在万能试验机采用内式液压夹头 ， 结构 紧凑 ， 省力方便 ， 夹持可补。对各种规定的圆试样和 扁试样进行了拉断试验 ， 试样无相对滑移 ， 钳 口无损 伤 ， 照片是 6 0 m m厚 的扁试样被拉断后 的情形。 3 首次采用活动式横梁 ， 其拉压空间可在 0～ 1 0 0 0 ra m范围内任意调整 ， 使用方便。产品经用户一 年使用 ， 满足各项性能要求。 参考文献 [ 1 ] 冯师颜． 误差理论与实验数据处理[ M] ． 北京 高等教育 出版社 1 9 7 6． 。 。 l - “ | _ ‘ ‘ ’ l - ‘ ’ l l ⋯ 。 l l “ 。 ’ l 。 。 l l ’ ” | _ - ” ． ⋯ 。 ⋯⋯’ ’ l -。 ’ | _ ’ l l } ’” 一 ⋯ 。 l -一 ⋯ - ⋯ l 上接第 6 7页 C1 X一9． 9 48 Y一4． 3 7 Z1． 9 01 F1 5 0 0．M0 8 G O5 P1 0 0 0 0 G6． 2 P 0 4 K0． 0 X一9． 9 48 Y一 4． 3 7 Z1 ． 9 01 K0． 0 X一9． 9 3 Y一 4． 3 62 Z1 ． 79 8 KO． 0 X一9． 7 0 4 Y一 4． 2 63 Z1 ．1 0 8 K0． 0 X一 9． 8 9 4 Y- 4． 3 4 6 Z． 2 06 K． 1 2 5 X一1 0． 3 7 4 Y一4． 5 5 7 Z一． 3 0 6 K． 8 7 5 X一1 0． 4 31 Y一4． 58 2 Z一． 3 9 K1 ． K1 ． K1 ． 6结语 通过 比较 发 现 ， 在 U G软 件 中直 接 生 成 基 于 N U R B S样条的刀具轨迹数据 ， 使得生成 的轨迹拥有 更高的精度和光洁度 ， 而加工程序量比标准格式减少 3 0 ％ 一5 0 ％， 实际加工时间则因为避免 了机床控制器 的等待时间而大幅度缩短。N U R B S曲线插补技术是 一 种新 的插补方式 ， 在现代模具制造中将会得到广泛 应用 。 参考文献 【 1 ] 滕二 ， 桂贵生． N U R B S曲线 插补在高 速加工 中的应用 [ J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 9 8 2 7 2 8 ． [ 2 ] 黄翔． N UR B S曲线插补在高速加工 中的应用研究 [ J ] ． 南京航 空航天大学学报 ， 2 0 0 2 2 8 2 8 5 ． [ 3 ] 姜 厚文 ， 杨浩． U G N X 6固定轴与 多轴铣培训教程 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 简 启廉 ， 张 平 ， 黄堪 丰． 基 于 N UR B S插 补 方 法 的五 轴 数 控 C L S F文件生成[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 9 6 6 6 6 7 ． [ 5 ] 李丽 ， 孙军， 王军 ． 基 于 S T E P - N C的 N U R B S曲面插补 方 法研究 [ J ] ． 机械 ， 2 0 0 9 6 1 7 1 9 ． 71