畢業(yè)設(shè)計(jì)液壓式測(cè)力機(jī)的設(shè)計(jì)

1、1 引言1.1 計(jì)量的意義和作用 人類(lèi)為了生存和發(fā)展，必須認(rèn)識(shí)自然、利用自然和改造自然，而自然界的一切現(xiàn)象或物質(zhì)，是通過(guò)一定的“量”來(lái)描述和體現(xiàn)的。也就是說(shuō)：“量是現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。”因此，要認(rèn)識(shí)大千世界和造福人類(lèi)，就必須對(duì)各種“量”進(jìn)行分析確認(rèn)，既要區(qū)分量的性質(zhì)，又要確定其量值。計(jì)量正是達(dá)到這種目的的重要手段之一。 計(jì)量是關(guān)于測(cè)量的科學(xué)，是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠和與國(guó)際一致的科學(xué)和管理活動(dòng)。實(shí)際上，人類(lèi)在科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)中，每時(shí)每刻都離不開(kāi)計(jì)量。眾所周知，尺子、秤、電表、秒表、煤氣表都是用于計(jì)量的，計(jì)量已經(jīng)滲透到了人類(lèi)工作、學(xué)習(xí)、生活的各個(gè)方面，

2、人們?cè)诓恢挥X(jué)當(dāng)中，應(yīng)用和享用了計(jì)量知識(shí)和技術(shù)。計(jì)量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)，無(wú)論是人類(lèi)的衣食住行、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究，還是國(guó)內(nèi)外貿(mào)易，處處都離不開(kāi)計(jì)量。現(xiàn)代計(jì)量已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。此外，大量的事實(shí)證明，物理學(xué)上的許多重要發(fā)展，都是在精密計(jì)量測(cè)試的基礎(chǔ)上取得的。而許多國(guó)防尖端技術(shù)的突破，也和計(jì)量測(cè)試分不開(kāi)。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，可以將科學(xué)技術(shù)和計(jì)量的關(guān)系概括為一句話：“科技要發(fā)展，計(jì)量須先行”。1.2 計(jì)量的對(duì)象及發(fā)展 在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，計(jì)量的對(duì)象主要是物理量，隨著科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，逐漸擴(kuò)展到工程量、化學(xué)量、生理量，甚至心理量。目前的計(jì)量，早已不再停

3、留在以往度量衡的基礎(chǔ)上，而是形成了一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科計(jì)量學(xué)，涉及長(zhǎng)度、溫度、力學(xué)、電磁學(xué)、無(wú)線電、時(shí)間頻率、光學(xué)、電離輻射、聲學(xué)和化學(xué)等各種專(zhuān)業(yè)，即所謂的十大計(jì)量。 1.3 計(jì)量法的實(shí)施 為了在全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一計(jì)量制度，1959年6月25日國(guó)務(wù)院發(fā)布“關(guān)于統(tǒng)一計(jì)量制度的命令”，確定以當(dāng)時(shí)的公制即后來(lái)的國(guó)際單位制，為國(guó)家基本計(jì)量制度。1985年9月6日全國(guó)人大常委會(huì)通過(guò)“中華人民共和國(guó)計(jì)量法”，與此同時(shí)，在1985年我國(guó)還加入了國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML），這標(biāo)志著中國(guó)的計(jì)量工作納入了法制管理的軌道，計(jì)量法律、法規(guī)體系已基本完備，并已經(jīng)與國(guó)際法制計(jì)量接軌。 1.4 法制計(jì)量 計(jì)量的內(nèi)容和含義十分廣泛，

4、而法制計(jì)量是計(jì)量中一個(gè)重要的概念，對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防科技和人民生活都是必不可少且至關(guān)重要的。計(jì)量院作為國(guó)家法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，在計(jì)量法實(shí)施20年的時(shí)間里，建立并不斷改進(jìn)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，增強(qiáng)國(guó)際地位；開(kāi)展強(qiáng)制檢定，保障人民生命安全；受?chē)?guó)家質(zhì)檢總局委托，承擔(dān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核和計(jì)量器具型式批準(zhǔn)試驗(yàn)任務(wù)。1.5 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀力學(xué)處測(cè)力室是計(jì)量院建立最早的實(shí)驗(yàn)室之一。該實(shí)驗(yàn)室研制并保存的20MN基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大的超重型精密力值計(jì)量裝置。它首次把靜壓潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于單缸結(jié)構(gòu)的工作缸塞系統(tǒng)中,制造技術(shù)難度大,全部零件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。1990年通過(guò)原國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局鑒定,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1992年

5、被批準(zhǔn)為大力值國(guó)家基準(zhǔn),1996年獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。它的應(yīng)用為大型工程項(xiàng)目科研與技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了精密的測(cè)試手段，提高了對(duì)工程結(jié)構(gòu)和高層建筑安全受力狀態(tài)的檢測(cè)水平,也為航空航天技術(shù)總體精度的提高創(chuàng)造了必要條件。20MN基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)的力值準(zhǔn)確度優(yōu)于1×104 ,力值變動(dòng)度優(yōu)于1×104 ,靈敏限優(yōu)于2×105 。 1990年10月,計(jì)量院與日本NRLM進(jìn)行大力值比對(duì)。中日兩臺(tái)20MN基準(zhǔn)機(jī)力值比對(duì)的結(jié)果一致性約在1×104，我國(guó)的20MN基準(zhǔn)機(jī)力值波動(dòng)度處于105 量級(jí),優(yōu)于日本20MN機(jī)一個(gè)數(shù)量級(jí),充分顯示了靜壓潤(rùn)滑工作缸塞系統(tǒng)的優(yōu)良性能和先進(jìn)水平。 德

6、國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB) 的16.5MN 液壓式測(cè)力機(jī)采用了十分復(fù)雜的四缸并聯(lián)動(dòng)壓潤(rùn)滑方案, 對(duì)制造水平、加工工藝要求較高, 而且成本也十分昂貴, 日本國(guó)家計(jì)量研究所(NRLM )的20MN 液壓式測(cè)力機(jī)采用傳統(tǒng)的單缸動(dòng)壓潤(rùn)滑結(jié)構(gòu), 投資是我國(guó)20MN 測(cè)力機(jī)的八倍。2 液壓測(cè)力裝置提出和意義在工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間夾緊力的大小是實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常要遇到的問(wèn)題。一般常規(guī)的測(cè)量方法比較多，譬如利用彈簧、應(yīng)變片的方法等，但在某些場(chǎng)合下使用常規(guī)的測(cè)量方法往往有很多不便，如要測(cè)量制動(dòng)器抱閘的夾緊力，要測(cè)量圓柱形電極接電連接頭之間夾緊力等。而液壓式測(cè)量裝置可以很好的解決上述問(wèn)題?？傮w上，測(cè)力計(jì)量在工

7、業(yè)生產(chǎn)、建筑、國(guó)防等領(lǐng)域中具有非常重要的作用。各種類(lèi)型的測(cè)力裝置可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的力值, 作為一個(gè)國(guó)家力值的基(標(biāo)) 準(zhǔn), 在國(guó)家整個(gè)力值傳遞(溯源) 系統(tǒng)中占有十分重要的地位。與其他類(lèi)型測(cè)力裝置相比, 液壓式測(cè)力裝置可以測(cè)量很大的力, 適用于大力值計(jì)量領(lǐng)域。3 液壓測(cè)力裝置的原理液壓式測(cè)力裝置是以帕斯卡原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的。帕斯卡定律指出, 密閉容器內(nèi)的液體向各個(gè)方向施加相等的壓力, 根據(jù)這一原理, 作用于封閉液體的外力, 以相等的壓力向限制液體的容器或管道的表面?zhèn)鬟f。因而, 在液壓式測(cè)力機(jī)的液壓系統(tǒng)中, 作用于小面積的測(cè)力活塞上的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力W , 會(huì)在大面積的工作活塞上產(chǎn)生一個(gè)大的標(biāo)準(zhǔn)力值

8、F, 作用到待檢的測(cè)力計(jì)或測(cè)力傳感器上, 如圖1 所示。油液在油缸、活塞間隙中的泄漏由泵站提供的壓力為P 的高壓油補(bǔ)給, 從而使系統(tǒng)接近于液壓平衡。設(shè)計(jì)、制造液壓式測(cè)力機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵在于油缸和活塞之間不能存在任何的機(jī)械摩擦, 而只能有液體摩擦。同時(shí), 為了盡量減小缸塞間的漏油量, 以保證全機(jī)處于液壓平衡狀態(tài), 要求缸塞間的配合間隙極小(單邊間隙一般不得超過(guò)幾十微米)。無(wú)論采用何種方案解決這一關(guān)鍵問(wèn)題, 不僅要以嚴(yán)謹(jǐn)、可靠的理論為基礎(chǔ), 還要考慮加工工藝、制造成本等諸多實(shí)際因素。傳統(tǒng)的解決方法是采用“動(dòng)壓潤(rùn)滑”的方法, 即油缸圍繞活塞旋轉(zhuǎn), 從而在缸塞間建立液體摩擦。這一方法對(duì)有效面積較小的測(cè)力缸

9、塞系統(tǒng)而言, 不難實(shí)現(xiàn), 但對(duì)于有效面積較大的工作缸塞系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 卻存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題。一是由于油缸旋轉(zhuǎn), 使缸塞相對(duì)位置不斷變化, 因而漏油量也不斷變化, 整個(gè)液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力很難保持穩(wěn)定, 結(jié)果造成測(cè)力機(jī)的波動(dòng)度較大; 二是制造工藝復(fù)雜,成本較高。本文介紹一種液壓式測(cè)力裝置，用它既可以測(cè)量圓形二物體之間的夾緊力，通過(guò)改變前后頂頭的形狀，又可用來(lái)測(cè)量非圓柱形物體之間的夾緊力，而且通過(guò)裝置上的壓力表可直接讀出被測(cè)量物體之間夾緊力的大小。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便。4 總體設(shè)計(jì)4.1油缸的選用與校核內(nèi)徑大小和內(nèi)桶的長(zhǎng)度的確定是液壓式測(cè)力裝置測(cè)量范圍的重要參數(shù)，壁厚的確定是液壓測(cè)力裝置穩(wěn)定性

10、和安全性的重要參數(shù)之一。在靜止液體中，任意一點(diǎn)所受到各方向的壓力都相等。靜止液體中某一微小面積么上受法向作用力隊(duì)其壓力可用下式表示，靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上各點(diǎn)在萊一方向上所受靜壓作用力的總和。便是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。 固體壁面為一平面時(shí)，如不計(jì)重力作用(即忽略項(xiàng))，平面上各點(diǎn)處的靜壓力大小相等，作用在固體壁面上的力等于靜壓力與承壓面積的乘積，即FpA，其作用方向垂直于壁面。 當(dāng)固體壁面為一曲面時(shí)，情況就不同了：曲面上液壓作用力在某一方向上的分力等于壓力和曲面在該方向的垂直面內(nèi)投影面積的乘積。圖2 作用在曲面上的力缸筒壁厚的校核當(dāng)缸簡(jiǎn)壁厚時(shí)，可按薄壁圓筒的計(jì)算公式

11、校驗(yàn)其強(qiáng)度。即：式中 缸筒試驗(yàn)壓力，比最大工作壓力大20一30； D缸筒內(nèi)徑； 6缸筒材料許用應(yīng)力，；為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n35。圖3 缸體當(dāng)缸筒壁厚時(shí)，按厚壁圓筒公式校驗(yàn)，即：中低壓液壓缸的缸簡(jiǎn)壁厚常根據(jù)結(jié)構(gòu)和工藝的需要來(lái)確定，其強(qiáng)度一般不是主要問(wèn)題。本裝置缸體材料用45鋼，直徑D為205mm，壁厚為22.5mm，屬于厚壁圓筒，料抗拉強(qiáng)度為600MPa，帶入公式校核合格。4.2 活塞的選用與校核 活塞外表面的粗糙度和精度是決定改液壓測(cè)力裝置精度和靈敏度的重要條件，它的密封首先用活塞圈，再用兩個(gè)O型密封圈，經(jīng)檢驗(yàn)，密封合格。 圖3 活塞 用45鋼成型后，先淬火，然后滲碳，注意須

12、放置時(shí)，要垂直放置，或懸掛。4.3 壓力表的選用一般選擇壓力表的常用工作點(diǎn)在其全量程的23左右時(shí)最為理想。因此P =Ps(23)=16(23)=24MPa式中 Ps 油缸的常用工作壓力20MPaPp 所選壓力表的量程根據(jù)工廠的實(shí)際情況所以決定選用30MPa的壓力表。4.4密封圈的選用由于該液壓測(cè)力裝置是測(cè)量比較大的里，要求密封圈既能承受足夠大的壓強(qiáng)，又要盡量減少泄漏。4.4.1液壓缸的密封液壓缸是依靠密封的工作容積變化來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的。因此要求兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間形成的空間應(yīng)是密封的。不使油液從進(jìn)油腔泄漏至回油腔，更不允許泄漏到缸體外面，若密封不良不僅使液壓缸的性能和效率降低，甚致失去工

13、作能力，因此，對(duì)液壓缸的密封提出以下要求：（1）在額定工作壓力下，保證良好的密封，使其減少泄漏。（2）相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件間，密封裝置引起的摩擦力要小，不允許有卡死或爬行現(xiàn)象。（3）密封元件的加工工藝和裝配簡(jiǎn)單。即制造容易，成本低，適于組織集中生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。（4）耐磨性好，工作壽命長(zhǎng)，磨損后在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償。本裝置選用的是O型密封圈，通常安裝在矩形的溝槽中，用于固定件或往復(fù)運(yùn)動(dòng)件間的密封。具有以下一些特點(diǎn)：（1） 密封性較好，壽命較長(zhǎng)；（2） 用一個(gè)密封圈可起到雙向密封的作用；（3） 懂摩擦阻力??；（4） 對(duì)油液的種類(lèi)，溫度和壓力適應(yīng)性較強(qiáng)；（5） 體積小，重量輕，成本??；（6） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

14、單，拆卸簡(jiǎn)單；（7） 既可做動(dòng)密封，又可做靜密封；（8） 可在較大溫度范圍內(nèi)工作。4.5 排氣閥的選用如果沒(méi)有排氣閥的設(shè)置，壓力油進(jìn)入缸腔后，缸內(nèi)仍會(huì)有客氣，由于空氣具有壓縮性和滯后性，影響測(cè)力裝置的準(zhǔn)確性。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，出來(lái)阻止空氣進(jìn)入外，必須在缸體上安設(shè)排氣閥。排氣閥的位置要合理，一遍安裝后調(diào)試前排除缸體內(nèi)部的空氣。由于空氣比油輕，總是向上浮動(dòng)，不會(huì)讓空氣有積存的殘留死角。4.6 頂頭的設(shè)計(jì)由于該液壓測(cè)力裝置在各種不同的環(huán)境條件下使用，有著不同的測(cè)量條件需要滿足，所以塞給出兩個(gè)成套的頂頭，以便在不同的環(huán)境中，可以很好的和被測(cè)量物體貼合緊切，可以是測(cè)量更加準(zhǔn)確。如下圖。圖4 頂頭1

15、 頂頭24.7 液壓油的和選用液壓油的性能直接關(guān)系到改液壓測(cè)力機(jī)的準(zhǔn)確性和精度，本文對(duì)此做了較為細(xì)致的討論分析。4.7.1 液壓油的主要物理性質(zhì)4.7.1.1 密度密度定義為單位體積的質(zhì)量，即 式中 m液體的質(zhì)量， V液體的體積。4.7.1.2 壓縮性和膨脹性油液的密度是隨著溫度、壓力的變化而變化的，即密度是溫度和壓力的函數(shù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 液體的密度隨壓力和溫度的變化量很小，因此常取臺(tái)勞級(jí)數(shù)一階展開(kāi)式來(lái)近似表達(dá)，即式中，即是液體在壓力為，溫度為時(shí)的密度。是液體在壓力為p、溫度為t時(shí)的密度。 令 上式為線性化了的狀態(tài)方程。式中k為液體的壓縮率，為液體的熱膨服率。當(dāng)壓力增加時(shí)，密度增加；溫度增加

16、時(shí)密度減小。根據(jù)密度定義，將m對(duì)微分，因既 在時(shí)，的表達(dá)式可改寫(xiě)為V液體的體積液體的初始體積。壓縮率k的物理意義是：當(dāng)液體的壓力增加單位增量時(shí)，體積的相對(duì)變化率。壓縮率的倒數(shù)稱(chēng)為液體的體積彈性模量K，即純液壓油的體積彈性模量K值在，當(dāng)液體中混入有不溶解的氣體時(shí)，液體的體積彈性模量k會(huì)大大降低?？紤]到一般液壓系統(tǒng)中很難避免混入氣體，所以計(jì)算時(shí)常取f7XlcpNm2，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際比較接近。 由于液壓油的可壓縮性很小，所以一般可以忽略。但在高壓以及研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能時(shí)，則不能忽略。4.7.2 粘度當(dāng)油液在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于油液分子之間的內(nèi)聚力和油液分子與固體壁面的附著力，會(huì)導(dǎo)致油液分子之間產(chǎn)生

17、相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而在油液中產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。油液在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性稱(chēng)為粘性。只有在流動(dòng)時(shí)，油液的粘性才顯示出來(lái)，靜止液體則不顯示拈性。4.7.2.1 粘度的單位 粘性的大小可用粘度來(lái)衡量。粘度是液體最重要的特性之一，對(duì)液壓系統(tǒng)中所用的液壓油的粘度常有較嚴(yán)格的要求。粘度一般可用下面幾種不同的單位來(lái)表示。 （1）動(dòng)力粘度 如圖所示，兩塊平行平板間充滿著油液，上平板以速度v向右運(yùn)動(dòng)，下平板固定不動(dòng)。緊貼在上平板的油液粘附在上平板上與上平板一起以速度v運(yùn)動(dòng)。緊貼在下平板的油液則粘在于下平板而保持靜止。當(dāng)兩平板之間距離h較小時(shí)，油液速度呈線性規(guī)律分布。因而這時(shí)的流動(dòng)可看作為許多薄體層的運(yùn)動(dòng)。由于各層的流動(dòng)

18、速度不同，流速高的流層會(huì)帶動(dòng)流速低的流層，而流速低的沉層又會(huì)阻滯流速高的流層。這樣在流層之間就產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力。根據(jù)試驗(yàn)研究，其液層間的內(nèi)摩擦力F與接觸面積和兩液層的相對(duì)速度du正比，與兩液層間的距離d成反比。即或圖5 液體粘性示意圖上式稱(chēng)為牛頓內(nèi)摩擦定律。式中為動(dòng)力粘度或內(nèi)摩擦系數(shù)，為單位面積的摩擦力(剪切應(yīng)力)，為油液相對(duì)滑動(dòng)的速度梯度。 動(dòng)力粘度的物理意義是：當(dāng)速度梯度為時(shí)單位面積上的內(nèi)摩擦力。如果動(dòng)力粘度只與液體的種類(lèi)有關(guān)而與速度梯度無(wú)關(guān)，則這種液體稱(chēng)為牛頓液體，否則為非牛頓液體。液壓油一般為牛頓液體。 在我國(guó)法足計(jì)量單位中，動(dòng)力粘度的單位為帕*秒()。即。(2)運(yùn)動(dòng)粘度v 是動(dòng)力粘度與

19、密度之比，即v的法定計(jì)量單位為運(yùn)動(dòng)粘度v沒(méi)有明確的物理意義，但在計(jì)算中常用到。由于v的單位中只有運(yùn)動(dòng)學(xué)要素，故稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度。(3)相對(duì)粘度(思氏粘度) 由于動(dòng)力粘度較難直接測(cè)量，因此工業(yè)上還常采用相對(duì)粘度來(lái)度量液體的粘性。液體的相勸拈度又稱(chēng)條件粒度，是以被測(cè)液體的粘度相對(duì)于水的粘度的大小程度來(lái)表示的。我國(guó)用恩氏粘度4.7.3 粘度與壓力的關(guān)系當(dāng)壓力增加時(shí)，液體分子之間距離縮小，內(nèi)聚力增大，粘度也增大。在一般情況下，壓力對(duì)粘度的影響較小，可不加考慮。只有在壓力較高或壓力變化較大時(shí)才需考慮壓力對(duì)粘度的影響，它們之間的關(guān)系為：壓力為時(shí)液體的運(yùn)動(dòng)粘度；大氣壓力下液體的運(yùn)動(dòng)粘度；自然對(duì)數(shù)的底；系數(shù)。4.

20、7.4 粘度與溫度的關(guān)系溫度對(duì)油液粘度的影響較大。當(dāng)溫度增加時(shí)。液體分子活動(dòng)能力增強(qiáng)，內(nèi)聚力減小，粘度降低。油液粘度與溫度的關(guān)系稱(chēng)為粘溫特性。不同的油濃有不同的粘溫特性。在范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)粘度76的礦物油的粘度與溫度的關(guān)系可用以下近似公式計(jì)算。式中 時(shí)油液的運(yùn)動(dòng)粘度；50時(shí)油液的運(yùn)動(dòng)粘度：n指數(shù)，見(jiàn)表。表1 溫度指數(shù)n 液壓系統(tǒng)是依靠液壓油來(lái)傳遞能量的，它的性能會(huì)直接影響到液壓系統(tǒng)的工作。對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)治壓油的使用要求可概括如下：粘度合適，隨溫度的變化小工作介質(zhì)粘度是根據(jù)液壓系統(tǒng)中重要液壓元件的油膜承載能力確定的，故應(yīng)在保證承載能力的條件下，選擇合適的介質(zhì)粘度。工作介質(zhì)的粘度太大，系統(tǒng)的壓力損失大

21、，效率降低，而且泵的吸油狀況惡化，容易產(chǎn)生空穴和氣蝕作用，使泵運(yùn)轉(zhuǎn)困難。粘度太小，則系統(tǒng)泄漏太多，容積損失增加，系統(tǒng)效率亦低，并使系統(tǒng)的剛性變差。此外，季節(jié)改變，以及機(jī)器在啟動(dòng)前后和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，工作介質(zhì)的溫度會(huì)發(fā)生變化，因此，為了使液壓系統(tǒng)能夠正常和穩(wěn)定地工作，要求工作介質(zhì)的粘度隨溫度的變化要小。（1）潤(rùn)滑性良好 工作介質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)中的各運(yùn)動(dòng)部件起潤(rùn)滑作用，以降低摩擦和減少磨損，保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作。近來(lái)，液壓系統(tǒng)和元件正朝高性能化方向發(fā)展，許多摩擦部件處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，所以，要求液壓工作介質(zhì)具有良好的潤(rùn)滑性。（2）抗氧化 工作介質(zhì)與空氣接觸會(huì)產(chǎn)生氧化變質(zhì)，高溫、高壓和某些物質(zhì)(如

22、銅、鋅、鋁等)會(huì)加速氧化過(guò)程。氧化后介質(zhì)的酸值增加，腐蝕性增強(qiáng)，而且氧化生成的粘稠物會(huì)堵塞元件的孔、隙，影響系統(tǒng)的正常工作，因此，要求工作介質(zhì)具有良好的抗氧化性。（3）剪切安定性好 工作介質(zhì)在經(jīng)過(guò)泵、閥和微孔元、器件時(shí)，要經(jīng)受劇烈的剪切。這種機(jī)械作用會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生兩種形式的粘度變化：即在高剪切速度下的暫時(shí)性粘度損失和聚合型增粘劑分子破壞后造成的永久性粘度下降。在高速、高壓時(shí)這種情況尤為嚴(yán)重。粘度降低到一定程度后就不能夠繼續(xù)使用，因此，要求工作介質(zhì)的剪切安定性好。（4）防銹和不腐蝕金屬 液壓系統(tǒng)中許多金屬零件長(zhǎng)期與工作介質(zhì)接觸，其表面在溶解于介質(zhì)中的水分和空氣的作用下會(huì)發(fā)生銹蝕，使精度和表面質(zhì)量受

23、到破壞。銹蝕顆粒在系統(tǒng)中循環(huán)，還會(huì)引起元件加速磨損和系統(tǒng)故障。同時(shí)，也不允許介質(zhì)自身對(duì)金屬零件有腐蝕作用，或會(huì)緩慢分解產(chǎn)生酸等腐蝕性物質(zhì)。所以，要求液壓工作介質(zhì)具有良好的保護(hù)金屬、防止生銹和不腐蝕金屬的性能（5）同密封材料相容 工作介質(zhì)必須同元件上的密封材料相容，不引起溶脹、軟化或硬化，否則，密封會(huì)失效，產(chǎn)生泄漏，使系統(tǒng)壓力下降，工作不正常。（6）消泡和抗泡沫性 混入和溶于工作介質(zhì)的空氣，常以氣泡(直徑大于1.0mm)和霧沫空氣(直徑小于O.5mm)兩種形式析出，即起泡。起泡的介質(zhì)使系統(tǒng)的壓力降低，潤(rùn)滑條件惡化，動(dòng)作剛性下降，并引起系統(tǒng)產(chǎn)生異常噪聲、振動(dòng)和氣蝕。此外，空氣泡和霧沫空氣的表面積大

24、，同介質(zhì)接觸使氧化加速，所以，要求工作介質(zhì)具有良好的消泡和抗泡沫性。（7）抗乳化性 水可能從不同途徑混入工作介質(zhì)。含水的液壓油工作時(shí)受劇烈攪動(dòng)極易乳化，乳化使油液劣化變質(zhì)和生成沉淀物，妨礙冷卻器的導(dǎo)熱，阻滯管道和閥門(mén)，降低潤(rùn)滑性及腐蝕金屬，所以，要求工作介質(zhì)具有良好的抗乳化性。（8）清凈度 工作介質(zhì)中的機(jī)械雜質(zhì)會(huì)堵塞液壓元件通路，引起系統(tǒng)故障。機(jī)械雜質(zhì)又會(huì)使液壓元件加速磨損，影響設(shè)備正常工作，加大生產(chǎn)成本。各種液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)都應(yīng)符合相應(yīng)清凈度的要求。（9）其他 良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性、抗燃性，以及無(wú)毒、無(wú)臭，在工作壓力下，具有充分的不可壓縮性。4.7.5 液壓工作介質(zhì)品種的選擇（1）液

25、壓系統(tǒng)所處的工作環(huán)境 即液壓設(shè)備是在室內(nèi)或戶外作業(yè)，還是在寒區(qū)或溫暖的地帶工作,周?chē)袩o(wú)明火或高溫?zé)嵩?，?duì)防火安全、保持環(huán)境清潔、防止污染等有無(wú)特殊要求。（2）液壓系統(tǒng)的工況 如液壓泵的類(lèi)型，系統(tǒng)的工作溫度和工作壓力，設(shè)備結(jié)構(gòu)或動(dòng)作的精密程度，系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，工作特點(diǎn)，元件使用的金屬、密封件和涂料的性質(zhì)等。（3）液壓工作介質(zhì)方面的情況 如貨源、質(zhì)量、理化指標(biāo)、性能、使用特點(diǎn)、適用范圍，以及對(duì)系統(tǒng)和元件材料的相容性等。（4）經(jīng)濟(jì)性 即考慮液壓工作介質(zhì)的價(jià)格，更換周期、維護(hù)使用是否方便，對(duì)設(shè)備壽命的影響等。4.7.6 液壓工作介質(zhì)粘度的選擇（1）意義 對(duì)多數(shù)液壓工作介質(zhì)來(lái)說(shuō)，粘度選擇就是介質(zhì)牌號(hào)的

26、選擇。粘度選擇適當(dāng)，不僅可提高液壓系統(tǒng)的工作效率、靈敏度和可靠性，還可以減少溫升，降低磨損，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)元件的使用壽命。（2）選擇依據(jù) 液壓系統(tǒng)的元件中，液壓泵的載荷最重，所以，介質(zhì)粘度的選擇，通常是以滿足液壓泵的要求來(lái)確定。（3）修正 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較高的系統(tǒng)，工作介質(zhì)的粘度要適當(dāng)選小些。以提高動(dòng)作的靈敏度減少流動(dòng)阻力和系統(tǒng)發(fā)熱。4.7.7 使用要求 內(nèi)容或措施4.7.7.1 日常維護(hù)（1）保持環(huán)境整潔，正確操作，防止水分、雜物或空氣混入。（2）含水型液壓液的使用溫度不要超過(guò)規(guī)定值，以免水分過(guò)度蒸發(fā)。要定期檢查和補(bǔ)充水分，否則，其理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，影響使用，甚至失去難燃性，成為可燃液體

27、。（3）對(duì)磷酸酯要特別注意防止進(jìn)水，以免發(fā)生水解變質(zhì)。4.7.7.2 安全（1）使用液壓油要注意防火安全。（2）磷酸酯有極強(qiáng)的脫脂能力，會(huì)使觸及的皮膚干裂。誤觸后應(yīng)立即用流水、肥皂清洗。5 幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論研究5.1 活塞與缸筒間的內(nèi)泄分析活塞與缸筒間的密封，不像活塞桿密封圈破壞那樣油液流到外面，引起人們的注意。因而，微量的內(nèi)泄往往被忽視。但泄漏量多會(huì)引起測(cè)力裝置的測(cè)量不準(zhǔn)確。這種微量的內(nèi)泄漏也會(huì)使流體積存到兩個(gè)密封圈之間而產(chǎn)生壓力。這種壓力有時(shí)達(dá)到很高。甚至把密封件從密封安裝槽中擠出，使密封件破損，最終導(dǎo)致測(cè)力裝置失效，這種現(xiàn)象為背壓引起的損壞。在這種狀態(tài)時(shí)，活塞和缸體接合面不可能密封，這

28、就導(dǎo)致缸體內(nèi)泄，引起測(cè)量不準(zhǔn)確，或根本無(wú)法測(cè)量。產(chǎn)生背壓的原因分析有以下幾點(diǎn)：(1)活塞密封安裝槽前擋肩設(shè)計(jì)時(shí)與缸體間隙過(guò)大，有時(shí)達(dá)3 mm，加之密封件材料本身不符合要求，加劇了密封件由背壓造成的擠出，咬唇而損壞。(2)活塞密封件和滑動(dòng)面出現(xiàn)傷痕時(shí)引起的背壓。(3)活塞不良引起的背壓損傷，這主要指活塞密封安裝槽的表面粗糙度達(dá)不到要求，在反交力加壓、減壓以及密封圈與缸體間的磨擦引起密封件破損產(chǎn)生背壓的。解決這種背壓的措施，如在密封圈的擋板上開(kāi)孔，易于流體流出，或在“Yx”形密封圈槽中加入尼龍支承等，這樣都有效地防止背壓引起的破壞。工程機(jī)械液壓油缸的關(guān)鍵在于密封型式的選擇。如果我們不掌握密封型式的

29、選用原則和注意事項(xiàng)，是難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和使用效果的。5.2 壓力表對(duì)液壓測(cè)力裝置測(cè)定值的影響分析 壓力表測(cè)量范圍的影響液壓千斤頂額定上限壓力一般在(5060)MP之間，而生產(chǎn)廠家所選擇的配套壓力表測(cè)量范圍多為(O一6O)MPa，這意味著正常使用時(shí)，工作壓力會(huì)達(dá)到壓力表測(cè)量上限的(90100)，這就帶來(lái)很大的隱患，無(wú)法保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可靠性。按規(guī)定，使用壓力表測(cè)量壓力時(shí)，被測(cè)壓力不得超過(guò)壓力表測(cè)量上限的34，一只測(cè)量范圍為(O60)MPa壓力表，其正常線性工作區(qū)域在45MPa以下。如果液壓千斤頂需控制的壓力超過(guò)45MPa，壓力表彈性敏感元件就處于疲勞極限區(qū)，工作時(shí)極易損壞，無(wú)法保

30、證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可靠性。另外，根據(jù)JJG521999彈簧管式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程規(guī)定，一般壓力表的允許誤差在其測(cè)量上限的(90100)范圍內(nèi)，允許降低一級(jí)計(jì)算。這就意味著在檢定一塊1。6級(jí)、(O6o)MPa的一般壓力表時(shí)，雖然其允許誤差為±O。96MPa，但在(5460)MPa區(qū)間，其誤差即使達(dá)到±1。5MPa依然可以判定其為合格。一般壓力表檢定中的這一特殊規(guī)定，也是造成液壓千斤頂上限壓力示值失準(zhǔn)的重要原因之一。由此可見(jiàn)，選擇配套壓力表時(shí)，應(yīng)以測(cè)力裝置上限壓力的(140200)來(lái)確定壓力表的測(cè)量上限為宜。如考慮到壓力表的彈性后效影響，最好以測(cè)力裝置

31、額定上限壓力的200來(lái)確定壓力表測(cè)量上限。這就意味著，如果液壓千斤頂需控制的上限壓力在(5060)MPa之間，選擇測(cè)量上限為100MPa的壓力表比較合適。5.2.2 壓力表準(zhǔn)確度等級(jí)和分辨力的影響根據(jù)GB500102002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和GB502042002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，預(yù)應(yīng)力張拉錨固后實(shí)際建立的預(yù)應(yīng)力值與工程設(shè)計(jì)規(guī)定檢驗(yàn)值的相對(duì)允許偏差應(yīng)在±5內(nèi)。然而，由于在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中受設(shè)計(jì)規(guī)定、施工方法、檢測(cè)手段、配套儀表、環(huán)境等因素影響，檢測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性也將受到較大影響。特別是對(duì)小負(fù)荷點(diǎn),如在10MPa這一點(diǎn)時(shí)，壓力表的±1。6MPa誤差值，就意味

32、著測(cè)力裝置的相對(duì)誤差高達(dá)16。同時(shí)，不同等級(jí)的壓力表其最小分辨力也不同。以(O一100)MPa壓力表為例，O。4級(jí)的精密壓力表最小分度值為O。5MPa，由于指針刀鋒垂直于表盤(pán)，因而可估讀到最小分度值的110，故其最小分辨力為0。05MPa；而1。6級(jí)的一般壓力表最小分度值為2MPa，指針刀鋒平行于表盤(pán)，因而只能估讀到最小分度值的15，其最小分辨力為0。4MPa。由此可見(jiàn)，由分辨力帶來(lái)的估讀誤差影響也不容忽視。 壓力表配套檢定時(shí)的影響在檢定條件完全相同的情況下，僅僅由于壓力表的選擇不同，其對(duì)液壓式測(cè)力裝置測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響就不容忽視。 不確定度分析分析液壓測(cè)力裝置的過(guò)程，其測(cè)量結(jié)果不確定度來(lái)源

33、主要有以下幾方面：（1）應(yīng)變式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 。（2）被檢液壓千斤頂檢定重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 。（3）溫度變化引入的不確定度分量。（4）示值估讀不準(zhǔn)確引入的不確定度分量 。（5）數(shù)據(jù)修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 。5.3 缸桶系統(tǒng)的“有效面積”理想地說(shuō)，對(duì)產(chǎn)生力有決定意義的缸塞系統(tǒng)的有效面積，應(yīng)相當(dāng)于活塞與油缸基本面積的平均位。這一理想情況是以下述假設(shè)為先決條件的，即缸塞系統(tǒng)的制造、間隙中的壓力降或與壓力有關(guān)的變形均不會(huì)造成此系統(tǒng)直徑的變化；然而事實(shí)并非如此。盡管缸塞系統(tǒng)的直徑變化，已有可能減少到小于1微米的數(shù)值，但是要想消除缸塞系統(tǒng)在高壓下的變形，卻是完全不可能的。缸

34、塞系統(tǒng)的變形，是由油缸內(nèi)徑的增加和活塞直徑的減小構(gòu)成的，它會(huì)導(dǎo)致有效面積系統(tǒng)性的放大，這種放大與壓力數(shù)值有關(guān)。按減小摩擦力的影響的觀點(diǎn)，在液壓式標(biāo)推測(cè)力機(jī)小只使用無(wú)密封的缸塞系統(tǒng)，因而間隙中的壓力特降低到大氣壓。正如周密的研究所表明的那樣，這種壓力降在一次近似條件下可認(rèn)為是線性的。但是，作為直徑變化的結(jié)果，在間隙中的優(yōu)勢(shì)壓力還會(huì)產(chǎn)生附加力。因此，缸塞系統(tǒng)購(gòu)“合效面積”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的意義應(yīng)加以引申，以便于指定一種表現(xiàn)的有效面積，此表觀面積足由包括作為壓力(用于產(chǎn)生力)函數(shù)的所有面積組成的。5.3.1 缸由變形的數(shù)學(xué)表述為了推導(dǎo)出有效面積的表述方程，必不可少的是先要考慮一下缸塞系統(tǒng)的變形問(wèn)題。油缸的擴(kuò)

35、大： 活塞的縮?。簆作用于缸內(nèi)壁上的壓力油缸的內(nèi)半徑；油缸的外半徑；泊松常數(shù)；E彈性摸量；活塞的半徑；基壓。 雖然，在此無(wú)需推導(dǎo)這兩個(gè)方程，不過(guò)府當(dāng)指出，曾對(duì)油缸的擴(kuò)大方程做過(guò)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論演是非常符合的。替代量、及，對(duì)于以后的有效面積方程是十分重要的。而這些替代量又和許多問(wèn)題密切相關(guān)，例如，若活塞是小空的，或者油缸上裝有另一種材料制成的襯套，或者油缸的幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，則就很難確定這些替代量。在這些情況下，計(jì)算是非常不確定的。所以，想指出一種實(shí)驗(yàn)的方法，以便能借助于測(cè)量漏油量來(lái)計(jì)算這三個(gè)常量。流過(guò)缸塞系統(tǒng)間隙的漏油量Q，在液壓中通常用下式計(jì) 算：式中，缸塞半徑的平均值； 間隙的有效長(zhǎng)度；

36、 間隙的寬度；油液的粘度。 有效面積的確定 為了確定有效面積，在下面的推導(dǎo)過(guò)程中將要考慮諸如直徑變化、壓力降及變形這些實(shí)際上已獲知的所有參數(shù)。這樣，最終的計(jì)算方法和方程，就可用于所有的缸塞系統(tǒng)中去。 下圖所示為一缸塞系統(tǒng)的各段宜徑。實(shí)線代表變形前的系統(tǒng)，是通過(guò)對(duì)活塞與油缸進(jìn)行實(shí)閱而得到的，r表示變形前的半徑；虛線代表在壓力p下發(fā)生變形后的缸塞系統(tǒng)，R表示變形后酌半徑。由于制造公差，直徑變化不可能是一種數(shù)學(xué)上的連續(xù)因數(shù)，因而各段直徑部近似地面成宣線。這些直線用線性方程與表示：式中；：z缸塞的軸；作為z的函數(shù)的活塞半徑；作為2的函數(shù)的油缸半徑。圖6 油缸與活塞的直徑段6 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的一種液壓式測(cè)

37、力裝置，用它既可以測(cè)量圓形二物體之間的夾緊力，通過(guò)改變前后頂頭的形狀，又可用來(lái)測(cè)量非圓柱形物體之間的夾緊力，而且通過(guò)裝置上的壓力表可直接讀出被測(cè)量物體之間夾緊力的大小。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便。測(cè)力裝置的構(gòu)成及工作過(guò)程測(cè)力裝置結(jié)構(gòu)如圖所示。在使用前，針對(duì)被測(cè)量物體的形狀制作兩個(gè)頂頭，使兩個(gè)頂頭與被測(cè)物體之間能很好地貼合。同時(shí)頂頭18與活塞12用螺紋連接，頂頭13與底座1 用沉頭螺栓連接，這樣就使兩個(gè)頂頭與裝置構(gòu)成一體。欲測(cè)量某物體之間夾緊力的大小，先通過(guò)把手10 圖6 液壓測(cè)力裝置的成品將該裝置放置在被測(cè)量物體之間，然后通過(guò)單向閥9向缸體的左腔內(nèi)注入液體，直至兩個(gè)頂頭剛好與被測(cè)量物體貼

38、合良好并使該裝置處于被測(cè)量物體之間，此時(shí)停止對(duì)單向閥9注入液體。為了注入液體時(shí)利于空氣的排出，可在缸體17上部某處設(shè)置排氣螺塞，待排完氣后密封住。此時(shí)將壓力表回零，這樣就完成了測(cè)量前的準(zhǔn)備工作。開(kāi)始測(cè)量時(shí)，被測(cè)量物體通過(guò)兩個(gè)頂頭，將活塞12向內(nèi)擠壓，活塞12將先前的液體壓縮，通過(guò)壓力6上的讀數(shù)就可直接讀出被測(cè)量物體之間夾緊力值的大小。由于在該裝置中缸體的內(nèi)徑d 是一個(gè)定值，而夾緊力的大小等于液體的壓力乘以活塞的橫截面積，通過(guò)壓力表6中數(shù)值的設(shè)定，就可直接讀出被測(cè)量物體之間夾緊力值的大小。測(cè)量完后，將被測(cè)量物體外所施加的力去掉，然后調(diào)節(jié)頂頭 18與活塞 12的相對(duì)位置，移出測(cè)力裝置，從而完成對(duì)物

39、體夾緊力值的測(cè)量。在該測(cè)力裝置中，連接頭 14與底座 1之間用球鉸鏈連接的方式，可使該裝置與被測(cè)量物體之間有較好的自適應(yīng)性，以便與被測(cè)量物體有良好的接觸。另外連接頭14與缸體17之間采用螺紋連接，也使得長(zhǎng)度L有一定的調(diào)節(jié)余量，調(diào)節(jié)完后用鎖圈5將二者鎖緊。活塞 12與缸體 17采用2個(gè)O形密封圈密封，防止液體漏出。為防止活塞 12從缸體17和中脫出，在缸體上設(shè)置有阻擋螺釘11 ，并在活塞 12上開(kāi)與阻擋螺釘11相應(yīng)的長(zhǎng)槽，若不用時(shí)，可卸掉單向閥9將缸內(nèi)的液體倒出。該液壓測(cè)力式裝置如需要，可成為系列產(chǎn)品，本說(shuō)明屬附的圖紙行程為100mm，鋼桶內(nèi)徑為160mm，使用范圍為20100mm，根據(jù)F=PxS，可得出該液壓測(cè)力裝置的測(cè)力極限為3.2x10+4牛的力，但考慮到靈敏度的問(wèn)題，該磁力裝置的測(cè)力范圍1x10+43.2x10+4牛的力?？筛淖冧撏暗闹睆礁淖儨y(cè)力范圍與改變鋼桶的行程改變可生產(chǎn)各個(gè)型號(hào)的系列產(chǎn)品。6.1 優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新本裝置經(jīng)過(guò)筆者的研究，與理論上不斷驗(yàn)證，于以往的液壓測(cè)力機(jī)相比，還是有很大的優(yōu)點(diǎn)于創(chuàng)新。該液壓測(cè)力式裝置簡(jiǎn)單靈活，便于攜帶于維修。由于分為較多的系列產(chǎn)品，測(cè)量值較為準(zhǔn)確，制造簡(jiǎn)單，成本較低。6.2 不足與缺憾該液壓測(cè)力式裝置也具有不少性能設(shè)計(jì)上的不