二次增力可调立式液压缸试验台架的设计.pdf

2 0 1 3 年 1 0月 第4 1 卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T O0L ＆ HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 0 ． 0 3 0 二次增力可调立式液压缸试验台架的设计 吕庆洲 淮南联合大学，安徽 淮南 2 3 2 0 3 8 摘要 液压缸试验台普遍不能满足高压缸的试验要求、不能满足液压缸工作状态模拟的试验要求。在不改变液压缸试 验台液压系统压力的条件下，通过设计二次增力可调立式试验台架的方法，大幅度提高了液压缸试验台的试验压力，满足 了立式液压缸静态或动态地模拟偏载和稳定性试验要求 ，同时也提高了液压缸试验台的使用寿命。 关键词液压缸试验台架； 二次增力结构 ；增力倍数可调 中图分类号T H I 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 0 9 3 3 De s i g n s o f T wo - s t e p F o r c e Amp l i fi e r a n d A a j u s t a b l e Ve r t i c a l Te s t Be n c h f o r Hy d r a ul i c Cy l i n de r L V Qi n g z h o u H u a i n a n U n i o n U n i v e r s i t y ， H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 3 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t - b e d c a n n o t me e t t h e t e s t r e q u i r e me n t s o f h i ．g h p r e s s u r e c y l i n d e r ，c a n n o t me e t t h e s i mu l a - t i o n t e s t r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r wo r k i n g s t a t e ．N o t c h a n g i n g p r e s s u r e c o n d i t i o n s o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t p l a tf o r m h y d r a u l i c s y s t e m， t h e t w o - s t e p a m p l i fi e r a n d a d j u s t a b l e v e r t i c a l t e s t b e n c h w a s d e s i g n e d a n d t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t p r e s s u r e w a s i m- p r o v e d g r e a t l y ．Th e v e rt i c a l h y d r a u l i c c y l i n d e r s t a t i c o r d y n a mi c p a r t i a l l o a d s i mu l a t i o n a n d s t a b i l i t y t e s t r e q u i r e me n t s c a n b e s a t i s fi e d ， a n d t h e s e r v i c e l i f e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t s t a t i o n s i s i mp r o v e d ． ， Ke y wo r d s H y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t b e n c h ；T w o s t e p f o r c e a mp l i fi e r d e v i c e ； A d j u s t a b l e r e i n f o r c e m e n t r a t i o 1 液压缸实验台普遍存在的问题 1 ． 1 试 验 台的试验 压 力不能 满足 日益 增加 的 高压 缸 的压 力要 求 随着 高压缸 的普遍 使用 ，液压缸 的承压 能力也在 逐步提高。当液压缸的承压能力提高后，势必要求液 压缸试验 台的试验压力也要提高 ，否则满足不 了试验 要求 。提高试验压力 的方法有两种 一种是通过提高 整个试验 台液压 系统压 力增加 实验缸的压力 ，称为内 增 压方法 ；另一种方法是通过增设增压缸 ，增加实验 缸的压力 ，而液压试验 台的系统压力无需增加 ，称为 外增压方法 。通过 内增压方法来增加压力 ，整个试验 台的液压元 器件需 全部更 换 ；通 过外增 压方法 ，增压 缸增 压的倍 数是 固定的 ，当试验压力要求进一步增加 时 ，又需要更换增压缸 。这样 ，液压缸实验 台的适应 能力 比较差 ，使用范 围和 寿命 比较短 ，不能满足 日益 增加 的高压 缸的压 力要求 。 1 ． 2 液压缸的实际工作状 态在试验 台上难以复制 液压缸 的实 际工作状态是 动态 的 ，同时存在一定 的偏 载。大多数 液压缸 是立式 工作 的 ，但试 验台上 的 液压缸常常是卧式进行试验的；液压缸工作时，随着 工作状态的变化 ，受力和偏载也是变化的，但在试验 台上试验时，基本上是静态的，即使是动态的，其受 力或偏载都是不变的；因此，无论是静态 ，还是动 态，液压缸在试验台上，其运动或承载情况与实际工 作状态相差甚远，即液压缸的实际工作状态难以在试 验 台上复制 。故 目前液压缸试验 台的试验效果与液压 缸的实际工 作情况 不太吻合。 2二级增力立式可调液压缸试验台架的设计 在不改变试验 台液压系统压力 的前提下 ，通过设 置试验 台架 的增力机构 ，来满足不断增加 的液压缸试 验压力的要求；在不改变试验台液压系统的条件下， 通过设置可移动的试验台架 ，来模 拟液压缸 实际动态 和偏载情况 ，使液压缸 的试验状 态 吻合其工 作状态 ， 这是二级增力立式可调液压缸试验 台架设计的基本思 路 。 2 ． 1 试验 台架的基本 结 构和组 成 如图 1 所示 ，二级增力立式可调液压缸试验台架 的基本组成为 3个部分第一部分是第一级增力机 构 ，主要 由一次增力臂 B D、固定支座 C和试验缸 组 成 ，B铰具有可调性 ，c铰左 右的臂长不等 ，臂长 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 0 基 金项 目安徽省教育厅教科研资金资助项 目 2 0 1 0 1 1 7 3 作 者简 介 吕庆洲 1 9 6 2 一 ，男 ，硕士 ，副教授 ，主要研究领域为机 械工程设 计 、液压 系统设计 。Em a i l h n l v q i n g z h 1 63 ．c o n。 9 4 机床 与液压 第 4 1 卷 大于 L ；第二部分是二次增力铰杆机构 ，主要由等 长铰杆 D E 、G E、加载缸 、固定支座 G和 K组成 ；第 三部分是可移动滑座 ，该滑座可 以沿上下 、左右 、前 后移动 具体结构图中未表示 ，主要 目的是模拟液 压缸工作时 的动态和偏 载情况 。 图 1 二次增 力可调立式试验 台架示意 图 2 ． 2试验 台架的增力倍数计算 I 3 2 ． 2 ． 1 一次增力倍数 确定 如图 2所示为一次增力机构的受力 图，试验缸 的 作用力为 F ，与垂直方 向夹角为 y ；二次增力杆作用 在点 D的力 为 F ，与垂直 方 向夹 角 为 ；一 次增 力 臂 B C和 C D的长度 为 L 、 ，L L ，增力 臂 与水 平方向形 成的倾 角为 。 图 2 一次增力机构受力示意 通过力 的平衡计算可得 F z ’ F F 式 1 中 L ＼ 为 一 次 放 大 系 数 ， 詈 为 倾 角 影2 ] 响 系 数 ， jc一 ‘ 为 一 次 增 力 倍 数 。 由式 1 可知 由 于设 置 臂 长 L ，所 以 F F ，F 2 被放大 ，达到将试验缸受 力增加 的效 果。 具体一次增力倍数 的大小，主要取决 于一次增力系 数，当然倾角影响系数影响也较大。这里一次增力系 数 的大小 ，取决 于增力臂 的结构设计和试验时铰接点 和 D的位置 。其 中铰 B是 可 调 的，按 照一 次增 力 系数的要求，可以将铰 沿一次增力臂移动，进而 改变 和 的 比值 。 2 ． 2 ． 2 二次增力倍数确定 如图 3所示 ，二级增力铰杆机构 由两根等长的铰 杆 D E和 G E组成 ，加载缸 水平施力 加在 E铰处 。设 水平施力为 ，一次增力臂 的反作用力为 F ，与 F 为作用与反作用力的关系。由图3可得 ， 与 的关 系 1 F 1 2 s i 。 na F 2 F o 2 式 2 中 k ， 称为二次增力系数。 Z sl no ／ 图 3 二次增力机构受力简图 二次增力倍数也就是二次增力系数 ，它的大小取 决 于铰杆 D E与垂直方向夹角 O l 的大小。O ／ 越小 k 就 越大 ，但考虑 到实 际结构 磨损 和变 形 ，一般 O ／ 可 以 取在 3 0 。 ～ 5 。 之 间 ，当 O ／ 3 0 。 就没有增力的效果 了。 2 ． 2 ． 3 试验 台架的增力效果讨论 液压缸进行 压力 试验 时，可 先将 试验 缸 充满 油 液 ，达到试验 要求 位置 ，然 后将 试验 缸 的油 路锁 止 采用液压锁或设置 限压阀 ，再启动加载液压缸， 通过二次 、一次增力机构 ，向试验缸加力 ，加在试验 缸上 的力 与施力缸施加的力 的关系为 。 詈 ‘ k l 后 3 由式 3 可知，整个试验台架的增力倍数 后 k k ，即增力倍数取决 于一次和二次增 力机构 的增 力 倍数的乘积。 进一步，设施力缸的工作压力为P ，活塞面积 为 A 。 ，试验缸 的试 验压力 为 P ，活塞 面积 为 A ，则 有 4 A P 2 k l k 0k Z ”- P 0 4 若设 L 1 2 L 2 ， 1 0 。 ，y 2 0 。 ，A 0 A 2 ，则 一 次放大倍数 L 1 2 c o s l O 2 ． 1 5 第 2 0期 吕庆洲二次增力可调立式液压缸试验台架的设计 9 5 二次放大倍数 k 1 2 8 8 6 Z S l n Sl n lU 。 试验 台架放大倍数 2 ． 1 2 ． 8 8 6 ． 0 5 7 由式 3 可得试验缸受力 F 与加载缸的作用 力 之间有 F 6 ． 0 5 F 0 8 进一 步 ，根 据 式 4 可得 ，两 缸 的压 力 关 系 为 P 2 6 ． 0 5 p 0 9 式 9 说 明，试验缸获 得的压力 为加 载缸压力 的 6倍有 余 。即对 6 0 M P a以上 的压 力 缸进 行试 验 ， 加 载缸 也只 需 1 0 MP a以上 压力 就可 以进 行试 验 了。 这样可以大大降低试验台液压系统的压力，同时可以 通过改变一次增力系数 、二次增力系数 ，来满足不同 压力缸 的试验要求 。通过式 4 还可 以看 出影 响 增力效果的 因素除 了一次 、二次增力系数 以外 ，还有 试验缸与加载缸 的倾角和活塞面积 因素 ，这些也都可 以帮助放大加载缸 的作用力 ，这里不做讨论 。 3二级增力立式可调液压缸试验台架的特点 1 试验台液压系统压力不需要太高 ，可扩大 实验范 围和能力 ，延长实验 台寿命 从以上的二次增力倍数的讨论中可以看出液压 缸试 验台配 备增力试 验台架以后 ，试验 台本 身压力不 需要 太高 ，就可以对高压缸进行试验。当然 ，在实际 试验工作时，可以调整一次增力臂的臂长比和二次增 力铰杆机构 的夹 角 来实 现增 力倍 数 的变 化 ，以满 足不 同试验 压力 的要求 。设置试 验台的增力机 构 ，不 仅 扩大了液压缸的压力试 验范围 ，提高 了液压缸试验 台的试验能力，同时也延长了试验台的使用寿命。 2 可模 拟液 压缸 工作 状态 进行 试 验 ，可满 足 静态试验要 求 ，也 可满足 动态试 验要求 试 验台架设计 为立式 ，符合 大多数 液压缸 立式工 作的状态 ；试验缸 的下部支撑设计为可移动支座 ，可 以改变液压缸的立式状态或偏载状态。试验缸下部支 撑设计为可做三维移动的机械滑动机构 类似于普 通机 床 工作 台的 移动 结 构 ，该移 动 支 座 可 以做 上 下 、左右 、前后移 动。可 以先通过移动支座 ，确定试 验缸的工作位置状态 ，然后将试验缸充满油液，再通 过施力缸施压 ，进行压力 、偏载和稳定性试验 ；也可 以在实验过程 中，通过移动可移动支座 ，进行动态 的 偏载和稳定性试验。因此可移动支座的设计可以模拟 液压缸工作状态进行接近 真实 的试验 。 3 试验台架结构简单 ，容易操作 试验台架的可移动支座可以设计 为液动 或电动形 式，这样操作更为简单；实验数据可以是人为采集、 记录 ，也可 以通过计算机 自动采集 、处理 、保存或 打 印。 4结束语 通过设计液压缸试验 台架的增力机构 ，在不增加 液压缸试验台液压系统压力的前提下，能够大幅度提 高试验台的压力试验范围，提高试验能力 ，延长试验 台的使用寿命，为解决液压缸的高压试验和模拟试验 开辟 了新 的思路 。该设计第二个 突出的特点是 改变 了原来 向试验缸直接输入高压进行试验 的方式 ，而是 先将试验液压缸充满油液 ，然后通过加载液压缸和增 力机构实现对试 验缸的增 压。第三个突 出特点是 提 供了模拟立式液压缸工作状态的模拟移动机构设计思 路 ，即可移动支座设计思路 。 参考文献 【 1 】 席川， 钟康民． 对称式二次正交铰杆增力机构与双活塞 无杆液压缸的组合系统 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 1 2 9 91 0 0． 【 2 】潘忠秀， 何锁山． 一种新型立式液压缸试验 台[ J ] ． 建筑 机械 ， 2 0 0 8 1 8 0 8 5 ． 【 3 】吕庆洲． 低速惯性摩擦离合器增力机构设置研究[ J ] ． 机械设 计与制造 ， 2 0 0 5 8 1 1 1 1 1 3 ． 【 4 】吕庆洲． 低速惯性摩擦离合器二级铰杆增力机构设计 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 9 1 1 4 01 4 2 ． 【 5 】雷杰． 5 0 MP a 液压综合试验台的设计与研究[ J ] ． 西安 科技大学学报 ， 2 0 0 7 4 1 0 31 0 5 ． 【 6 】张立军， 刘克铭． 液压缸试验 台液压系统的初步设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 1 1 01 1 2 ． 【 7 】史俊青， 孙政 ， 王连洪， 等． 液压缸性能测试试验台的研 究[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 6 2 4 1 4 4 ． ， T T’ r ’ r 丫TTT 丫 1rTT 丫丫丫TT 丫TTr TTT 丫TT 丫丫丫T丫 } 美 建 成 世 界 第 一 台 碳 纳 米 管 计 算 机 } I ． 美国斯坦福大学研究人员已 建成全球第一台完全使用碳纳米管的计算机。专家认为， 这一成果或将开启电子设备新时代。 ．