50噸液壓千斤頂測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)

管建峰高 遠(yuǎn)胡生雯王培林

（1．常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2．閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 龍巖 364021）

50噸液壓千斤頂測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)

管建峰1高 遠(yuǎn)1胡生雯1王培林2

（1．常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2．閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 龍巖 364021）

從立式油壓千斤頂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求入手，本文主要根據(jù)要求進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的液壓系統(tǒng)方案的確認(rèn)。同時(shí)設(shè)計(jì)了配套的PLC電氣控制系統(tǒng)，分析優(yōu)化了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)試機(jī)構(gòu)的送進(jìn)輔助系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了開(kāi)發(fā)非標(biāo)產(chǎn)品的使用要求。

結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化；PLC控制；測(cè)試臺(tái)

引言

此測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)受常熟某公司委托，設(shè)計(jì)50噸液壓千斤頂非標(biāo)測(cè)試臺(tái)，其主要要求為：

（1）在定底下油缸施加50噸壓力，保持不變，加壓千斤頂，接觸后，壓力保持10min，測(cè)試加壓過(guò)程中位移與壓力的曲線(xiàn)參數(shù)，10min內(nèi)活塞桿下降量均不得超過(guò)0.5mm，否則所測(cè)千斤頂為不合格產(chǎn)品。

（2）保持千斤頂壓力不變，加壓底下油缸，測(cè)試千斤頂?shù)某休d能力，檢測(cè)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）實(shí)驗(yàn)完畢后，要求快速退回，接觸時(shí)，速度可以調(diào)節(jié)。

設(shè)計(jì)小組進(jìn)過(guò)研究：由液壓系統(tǒng)提供整個(gè)測(cè)試臺(tái)的測(cè)試動(dòng)力，PLC控制液壓系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件用ANSYS軟件進(jìn)行分析和優(yōu)化。

一、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定50噸液壓千斤頂部分測(cè)試要求

1 千斤頂在1.25Gn（Gn為額定起重重量）的試驗(yàn)載荷作用下，第1min內(nèi)活塞桿的垂直下降量不應(yīng)大于0.7mm，

10min內(nèi)活塞桿的垂直下降量不應(yīng)大于1mm。

圖1 千斤頂測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 支撐板外形初步選擇圖

2 千斤頂應(yīng)能承受3次1Gn的額定載荷試驗(yàn)，活塞桿和泵芯的可見(jiàn)密封配合表面不應(yīng)有影響性能的明顯擦傷，固定密封處不應(yīng)漏油，運(yùn)動(dòng)密封處只允許有油膜存在，調(diào)整螺桿應(yīng)保持旋動(dòng)靈活，限位可靠，整機(jī)性能不應(yīng)失效。

3 千斤頂應(yīng)能承受1次1.15Gn的動(dòng)載荷試驗(yàn)，活塞桿和泵芯的可見(jiàn)密封配合表面不應(yīng)有影響性能的明顯擦傷，固定密封處不應(yīng)漏油，運(yùn)動(dòng)密封處只允許有油膜存在，調(diào)整螺桿應(yīng)保持旋動(dòng)靈活，限位可靠，整機(jī)性能不應(yīng)失效。

4 千斤頂在1Gn的試驗(yàn)載荷作用下，全行程連續(xù)工作次數(shù)不應(yīng)少于30次。試驗(yàn)后整機(jī)性能不應(yīng)失效，仍能正常工作。

二、測(cè)試臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

測(cè)試臺(tái)主結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)外形尺寸為1463mm×600mm×1114mm，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上看，測(cè)試臺(tái)主要為支撐板、支撐桿和加載液壓缸等。而支撐桿和支撐板承受加載液壓缸的加載力，其為最薄弱的環(huán)節(jié)。

三、主體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析優(yōu)化

根據(jù)公司提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：加載液壓缸的公稱(chēng)壓力為25MPa；活塞桿的工作行程為125mm；液壓缸額度工作壓力為50t。

1 支撐桿最小直徑計(jì)算

參考成大先主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）》第三篇常用工程材料中的表3-1-37和表3-1-50，支撐桿材料選用45鋼，且知45鋼的屈服極限σs=360MPa。液壓缸與支撐板之間采用四根支撐桿，其下端與底座固定，上端用螺母聯(lián)接，則每根支撐桿最大所受的力為：

查成大先主編的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）》第五篇軸及其聯(lián)接，表5-1-1選用45鋼，則其屈服極限σs=360MPa，則其許用應(yīng)力為：

（其中安全系數(shù)取S=1.5）則支撐桿的最小截面積Amin為：

則支撐桿最小直徑dmin為：

根據(jù)國(guó)家尺寸標(biāo)準(zhǔn)GB2822—81，選擇優(yōu)先數(shù)系為R20下的尺寸，則各段軸直徑為：

d1=φ36mm，d2=φ40mm，d3= φ36mm。

根據(jù)支撐桿d1=φ36mm與底座相連接確定的長(zhǎng)度為：l1=74mm；根據(jù)50噸千斤頂外形尺寸確定支撐桿d2=φ40mm的長(zhǎng)度為：l2=510mm；根據(jù)支撐板的厚度和支撐桿被固定在支撐板上確定

d3=φ36mm的長(zhǎng)度為： l3=60mm。

圖3 支撐桿及支撐板位移變形量分析結(jié)果

圖4 支撐板及M42×60螺栓Stress云圖分析結(jié)果

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖

圖6 PLC控制流程圖

2 支撐板厚度及外形初步選擇

根據(jù)拉伸試驗(yàn)機(jī)作為參考模型，初步確定支撐板板厚為35mm，形狀如圖2所示。

圖7 PLC控制梯形圖

表1 部分輔助元器件

3 工況及分析優(yōu)化

所設(shè)計(jì)的液壓缸加載最大的加載力為7.5×105N，支撐板和支撐桿的約束條件均為固定約束，支撐板的四個(gè)孔和四個(gè)支撐桿各承受的理論加載力為1.875×105N，使用ANSYS分析時(shí)，確定彈性模量為2.1×108Pa，泊松比為0.25，網(wǎng)格劃分使用智能劃分。經(jīng)過(guò)不斷的分析優(yōu)化，其最終支撐板厚度確定為25mm，支撐板形狀為圖2初步選擇的形狀，支撐桿、支撐板及M42螺栓分析結(jié)果，如圖3、圖4所示。

由圖3可知，支撐桿和支撐板的位移量分別為0.4081E-5m、0.201E-4m，其和遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及公司要求的最小位移量。由圖4可知，支撐板、螺栓的強(qiáng)度、剛度符合設(shè)計(jì)要求。

四、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，通過(guò)參考液壓缸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，采用單向閥、溢流閥等對(duì)整個(gè)油路進(jìn)行壓力和速度的調(diào)節(jié)，同時(shí)也運(yùn)用到位移傳感器、壓力傳感器等計(jì)算機(jī)控制設(shè)備測(cè)試其位移和壓力數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中模擬出位移—壓力曲線(xiàn)圖，其液壓系統(tǒng)原理圖，如圖5所示。

圖5中電動(dòng)機(jī)、液壓泵運(yùn)行時(shí)，比例溢流閥Y1控制著液壓泵的壓力，比例溢流閥Y4為加載缸提供壓力，被試缸的無(wú)桿腔由截止閥鎖緊，三位四通電磁換向閥D2左位YA3得電時(shí)，比例溢流閥接收到遠(yuǎn)程信號(hào)，向加載缸控制壓力，加載缸左移，由光柵位置傳感器測(cè)到被測(cè)缸活塞桿向無(wú)桿腔運(yùn)動(dòng)的位移量，再由Y4調(diào)節(jié)壓力循環(huán)，測(cè)試多次以后，三位四通電磁換向閥D2右位YA4得電，停止試驗(yàn)，然后經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行得到的位移和壓力數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，最后與國(guó)標(biāo)規(guī)定的曲線(xiàn)相比較。

根據(jù)企業(yè)給出的數(shù)據(jù)，進(jìn)過(guò)小組計(jì)算后，根據(jù)《液壓氣動(dòng)與液力工程手冊(cè)》表1.3-36，選用63YCY14-1B型斜盤(pán)式軸向柱塞泵，依表得液壓泵的公稱(chēng)流量為63ml/r、公稱(chēng)壓力為32MPa、額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。

五、電氣控制

根據(jù)要求，設(shè)計(jì)PLC控制流程圖，如圖6所示。

PLC控制梯形圖，如圖7所示。

六、輔助元器件

測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用到的部分輔助元器件見(jiàn)表1。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次的非標(biāo)測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)，確定了對(duì)非標(biāo)設(shè)備從機(jī)械結(jié)構(gòu)的初步確定設(shè)計(jì)到優(yōu)化分析設(shè)計(jì)的常用手段，結(jié)合液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制技術(shù)plc的應(yīng)用，是常見(jiàn)機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的方法。

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TH-39；TH122

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