裝配圖鋼管水壓試驗機預密封系統(tǒng)設(shè)計,裝配,鋼管,水壓試驗,密封,系統(tǒng),設(shè)計 成都理工大學2015屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 鋼管水壓試驗機預密封系統(tǒng)設(shè)計 作者姓名：張文博 專業(yè)班級：機械工程及自動化三班 指導教師：郝興安 摘 要 鋼管水壓試驗機是通過壓力試驗產(chǎn)品的特性指標的機器，主要通過壓力的測定和耐壓時間的測定對各種管件的耐壓性能進行測試。在我國的鋼管企業(yè)中被廣泛用于測試產(chǎn)品的質(zhì)量。 水壓試驗機試產(chǎn)品的流程如下: 通過送料裝置將鋼管送至水壓試驗機的預定密封處→向沖水頭和排氣頭兩側(cè)進行徑向加壓預密封→向鋼管充水排氣→開始增壓→保壓一段時間后卸壓→兩側(cè)進行徑向預密封卸壓→充水頭和排氣頭退回→鋼管退出。其中預密封加壓過程的完成的及時程度決定了試驗能否成功。 傳統(tǒng)的水壓實驗設(shè)備在工作初始階段由于泄漏會引起水壓不穩(wěn)定的問題，并且由于使用了傳統(tǒng)的油液壓裝置，會對環(huán)境造成污染。本文通過對預密封系統(tǒng)進行了重新設(shè)計，采用新技術(shù)改進原有的試驗機密封原理，并使用水液壓代替油液壓，使鋼管水壓試驗機在對鋼管進行水壓試驗時更加安全、高效從而提高該設(shè)備的可靠性。 關(guān)鍵詞：水壓試驗機 預密封 水液壓 30 The System Design for ?Are-sealing of Steel pipe?Hydro-static Testing Machine Abstract:Steel pipe hydro-static testing machine is a machine by the characteristic parameters of pressure testing products. The compression properties of various kinds of pipe fittings performance test through the test of pressure and pressure time. It is widely used to test the quality of the products in our country. The testing process of the hydro-static testing machine is as follows:Sending steel pipe to reserve seal of hydraulic press→Radial sealing pressure→ Water filling exhaust → Booster →Holding the pressure → Pressure relief → Radial sealing pressure relief → Exit the water headers and exhaust headers → Exit the tube.The seal compression process is the key part witch determines the test success. Traditional hydraulic equipment reliability test equipment have some flaws.In the initial stage of?the work?of water?leakage will cause?the instability problem, and the use of a conventional hydraulic system, causing pollution on the environment.This paper redesign the sealing system by using high-technology to improve the original principle, and use water?instead of oil in?hydraulic system. The new system makes steel pipe hydro-static testing machine for steel pipe during hydro-static test is more secure and efficient and the reliability of the device can be improved . Keywords：hydro-static testing machine Preliminary seal Water?hydraulic 目 錄 摘 要 1 第1章 前 言 4 1.1 水壓試驗機的簡介 4 1.2 鋼管水壓試驗機預密封的加壓原理 4 1.3 現(xiàn)有水壓試驗機工作原理的缺陷 4 1.4 設(shè)計要求及目的 5 第2章 設(shè)計方案的確定 7 2.1 預密封系統(tǒng)的設(shè)計方案的選擇 7 2.1.1 設(shè)計方案一 7 2.1.2 設(shè)計方案二 7 2.2方案的選擇 8 2.3 設(shè)計方案應注意的問題 9 第3章 預密封裝置的設(shè)計和計算 10 3.1 進行工況分析 10 3.2 進行方案設(shè)計 10 3.2.1 初擬液壓系統(tǒng)原理及原理圖 10 3.3 計算和選擇液壓元件 11 3.3.1柱塞缸的設(shè)計 11 3.3.2活塞缸的設(shè)計 11 3.4.3 其它元件的設(shè)計 17 第4章 元件的選用和校核 19 4.1水液壓泵的選型 19 4.2電機的選擇 20 4.3 其它元件的選用 20 4.4系統(tǒng)性能的驗算 22 4.2.1液壓缸前進 23 4.2.2液壓缸后退 23 4.3 油液溫升驗算 23 4.4液壓介質(zhì)的處理 25 4.4.1水的理化性質(zhì)對設(shè)備的影響以及解決方案 25 4.4.2結(jié)論 26 結(jié)論 27 致　謝 28 參考文獻 29 第1章 前 言 1.1 水壓試驗機的簡介 水壓試驗機就是一種通過壓力測定和耐壓時間的測定對各種管件的耐壓性能進行測試的機器。在我國水壓試驗機被廣泛用于鋼管企業(yè)測試其企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。[1] 鋼管水壓試驗機的組成部分如下： 1.鋼管的傳送系統(tǒng)； 2.鋼管的水路系統(tǒng)； 3.鋼管的油路系統(tǒng)； 4.試驗機的控制系統(tǒng)。 鋼管水壓試驗機的傳送裝置可以在測試前后輸送鋼管，水路系統(tǒng)可以在進行試驗時對鋼管進行充水，在被測鋼管進行試驗時，油路系統(tǒng)控制鋼管兩側(cè)密封以平衡水油壓力，控制系統(tǒng)則負責對整個設(shè)備的自動運行進行控制，與此同時還可以自動保存實驗數(shù)據(jù)和管理歷史數(shù)據(jù)。 1.2 鋼管水壓試驗機預密封的加壓原理 其加壓原理如圖1-1所示。首先在鋼管被試驗機的送料裝置送至預定密封處后，預密封裝置先對試壓機上的密封裝置施加壓力，使密封圈發(fā)生變形后緊貼鋼管外壁（起到密封作用），然后充水罐向鋼管內(nèi)注水；注水的同時，排氣頭排出水中的空氣；注水完畢，主增壓缸（器）的活塞桿伸出，對鋼管內(nèi)的水進行壓縮（增壓）；水壓達到試驗壓力后，進行保壓；在保壓時間內(nèi)，鋼管管壁完好，水壓波動在允許范圍內(nèi)，判定鋼管合格；然后，卸壓裝置開啟，對鋼管內(nèi)的高壓水預卸壓；然后進行試壓的移動裝置帶動排氣頭與鋼管分離。鋼管的升降裝置把鋼管放到輸送輥道上運走。 在整個密封過程中高壓蓄能器和封端蓄能器可以補充泄漏量直到測試鋼管內(nèi)的水壓可以達到所需壓力要求,鋼管水壓機的檢測完成。[2] 1.3 現(xiàn)有水壓試驗機工作原理的缺陷 鋼管水壓試驗機通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動實現(xiàn)增壓工作,如液壓系統(tǒng)存在缺陷,必然會對增壓效果產(chǎn)生影響。現(xiàn)有水壓試驗機主要存在以下缺陷： 現(xiàn)有水壓機預密封液壓增壓器為單作用的液壓增壓器，由于單作用的液壓增壓器工作方式存在間歇，流量脈動量大；在換向時，會停止壓水，從而不能持續(xù)對密封的各處保持壓力的輸出，從而降低設(shè)備的可靠性。 1~7. 換向閥 圖1-1鋼管水壓機的工作原理圖 眾所周知，液壓利用的工作介質(zhì)是液體。而水是最常見的液體，因此早期的液壓裝置所使用的介質(zhì)一直是水。而隨著20世紀人們對密封技術(shù)的進一步研究以及石油工業(yè)開始興起，主要的液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)由原來的水變?yōu)榱艘簤河秃透咚榛?，對于液壓技術(shù)的發(fā)展而言是一次飛躍。礦物型的液壓油理化性能也要優(yōu)于原來的介質(zhì)水。 液壓系統(tǒng)和元件是一個工業(yè)過程中的重要組成部分。然而，由于在密封的過程中存在持續(xù)緩慢的泄漏，因此會對環(huán)境造成一定程度上的污染。在內(nèi)泄漏發(fā)生的時候，過程中的損失一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使系統(tǒng)液壓油的油溫上升，油溫上升使液壓元件工作的性能下降，嚴重的時候甚至會引發(fā)工作事故。這會對系統(tǒng)安全性產(chǎn)生影響，同時油液的浪費會對周圍的生態(tài)環(huán)境造成污染。[3] 1.4 設(shè)計要求及目的 針對Φ140mm-Φ426mm鋼管水壓試驗機，設(shè)計以水為介質(zhì)的高壓水動力預密封增壓裝置，要求： 1.預密封裝置的增壓比1: 3，高壓水輸出流量為200L/MIN，預密封裝置的輸出壓力為40MPa； 2.保障水壓試驗機在試壓時的壓力穩(wěn)定性； 3.以水替代液壓油作為工作介質(zhì)，達到環(huán)保和節(jié)約成本的目的。 需要解決的問題： 1.預密封裝置工作初始階段由于泄漏引起的水壓不穩(wěn)定問題； 2.如何應用水液壓技術(shù)替代目前不環(huán)保、高成本的油液壓系統(tǒng)。  第2章 設(shè)計方案的確定 2.1 預密封系統(tǒng)的設(shè)計方案的選擇 2.1.1 設(shè)計方案一 1. 鋼管 2.梭閥 3.主增壓器 4.單向閥 5.溢流閥 6.蓄能器 7.預密封驅(qū)動缸 8.預密封增壓缸 圖2-1水壓試管機預密封的加壓原理圖 方案一的工作原理如圖2-1所示。首先當鋼管被水壓試驗機的送料裝置送至試驗機的預定密封位后，預密封裝置先對試壓機上的密封裝置施加壓力，使密封圈發(fā)生變形后緊貼鋼管外壁（起到密封作用），鋼管內(nèi)開始注水；當鋼管中注滿低壓水時，壓力油進入主增壓缸3的無桿腔，缸3的活塞桿開始伸出對鋼管中注入高壓水，其中梭閥2起壓力選擇作用，確保在整個密封過程中密封處始終充滿高壓水，密封裝置可以持續(xù)保持密封狀態(tài)直到試壓結(jié)束，蓄能器6可以補充密封過程中的泄漏量。 2.1.2 設(shè)計方案二 第二種方案的原理如圖2-2所示。鋼管水壓機預密封的增壓裝置由柱塞缸和活塞缸兩部分組成。 增壓裝置是水壓機的核心部分。為了高效快捷的得到符合壓力的水壓，一般采用液壓增壓的方式提高水壓。把活塞缸和柱塞缸組成增壓缸，并利用兩者的有效面積不同，通過活塞缸的運動使增壓缸中獲得高壓水，并將高壓水注入鋼管兩端的預密封裝置。鋼管水壓試驗機在低壓水充滿被試鋼管后，DT1通電，此時預增壓裝置開始向右側(cè)運動，向預密封裝置中注入高壓水。在增壓器的活塞桿即將運動到極限工作位置的時候，限位開關(guān)2會被撞塊開啟，DT2處于通電狀態(tài)，此時預增壓裝置開始反向工作。當撞塊碰到限位開關(guān)3的時候，預增壓裝置會再次換向。以此形成循環(huán)。這樣就可以補充增壓器在換向的時候由于水壓的改變而產(chǎn)生壓力的瞬間下降，從而使整個試驗過程變得穩(wěn)定。電接點壓力表10可以測量預密封裝置中的壓力，當預密封裝置的泄漏引起壓力表指針低于最低點時，DT3通電，電液換向閥9開啟，水液壓泵1、2來補充泄漏量，當電接點壓力表10的指針高于最高點時，DT3失電，電液換向閥9復位，從而確保預密封裝置工作可靠性。 1、2、3、4.限位開關(guān)　5.預增壓裝置　6、7.水液壓泵 8.溢流閥 9.二位四通型電液換向閥 10.電接點壓力表 圖2-2　鋼管水壓試驗機的預密封原理圖 本方案選擇使用純水壓泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓泵。 2.2方案的選擇 方案一使用油液壓工作，會對環(huán)境造成污染。在實際使用過程中,預密封時經(jīng)常由于鋼管兩端面外形不規(guī)則無法完全密閉，有水外泄漏，導致預密封水壓下降，預密封作用失效；此外，在試壓過程中，若鋼管兩端有少量外泄漏，會導致試壓的高壓水壓力下降和波動，影響試壓的效果。當?shù)蛪核錆M試驗機的鋼管內(nèi)的時候，開啟增壓裝置向鋼管內(nèi)注入高壓水。這個過程當中，由于在預密封作用下，密封圈同鋼管內(nèi)壁會在預密封壓力作用下緊密的接觸，但是當密封裝置突然前后微動時候，由于摩擦力作用，可能會導致密封圈側(cè)面同密封槽不再接觸，嚴重時甚至可能從密封槽翻出造成預密封泄漏，從而導致加壓失敗。第一種方案增壓的方式為間歇增壓, 此種方式僅適用于泄漏量比較小的液壓系統(tǒng)。 方案二使用了雙向的液壓缸進行水的輸出，由于可以連續(xù)輸出高壓水，工作過程不存在波動性，保證高壓水的持續(xù)穩(wěn)定輸出，同時出于環(huán)保的角度使用水液壓泵進行工作。而且相對傳統(tǒng)的液壓裝置，水液壓裝置有很多優(yōu)點： (1) 使用水不消耗稀缺資源，在液壓油的更新方面成本會更低，同時在進行設(shè)備的維護和清潔上也比傳統(tǒng)的液壓油要方便。 (2) 它還能降低采購、儲存和處理廢液的成本。由于水的自身成本比較低，并且儲存和運輸?shù)某杀疽膊桓撸虼讼鄬τ谄渌囊簤航橘|(zhì)而言，使用水的經(jīng)濟性更高。 (3) 水的阻燃性能好，安全性高，特別是在存在明火的隱患時更顯示出其優(yōu)越性。因為水的壓縮系數(shù)比傳統(tǒng)液壓油小，壓縮的損失大約是傳統(tǒng)液壓介質(zhì)的75%，因此也可對由于泄漏引起容積損失有一定的補償作用，故純水介質(zhì)可使控制系統(tǒng)的執(zhí)行器實現(xiàn)更準確的定位，對于增加鋼管水壓機工作的穩(wěn)定性也有一定的幫助。 (4) 由于水的環(huán)保性好，因此純水即使在工作時的真的發(fā)生泄漏也不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。用水液壓的元件和系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓元件和系統(tǒng)，不僅節(jié)約了傳統(tǒng)液壓油，同時還可以避免污染，節(jié)約治污費，為人類創(chuàng)造一個美好的環(huán)境，并且在經(jīng)濟和社會兩方面同時創(chuàng)造巨大的效益。 綜合上面討論應采取方案二。 2.3 設(shè)計方案應注意的問題 水液壓也有自己的缺點。當水的溫度達到50℃時其粘度為0.55～1mm2/s，而傳統(tǒng)液壓介質(zhì)的粘度為15～70mm2/s，故水液壓的液壓泵的泄漏比傳統(tǒng)液壓泵大，這個問題一方面造成其容積效率降低，而另一方面也加大了裝置密封間隙的流速，這會腐蝕硬度較低的金屬從而讓泄漏更加嚴重。 同時相對傳統(tǒng)液壓油水的潤滑性較差，水自身所能夠產(chǎn)生的潤滑膜厚度僅僅有傳統(tǒng)液壓油的1/3～1/20，因此摩擦副沒有辦法達到液體潤滑的要求，在高壓的時候容易造成兩個運動的表面進行直接的接觸，加劇磨損，導致縮短泵的壽命。與此同時水的氣蝕性較強，水的飽和氣化壓力數(shù)值比傳統(tǒng)液壓油要高出千倍，隨著溫度升高，水的氣化壓力上升迅速，因此純水氣化沸騰都比較容易。同時隨著壓力的進一步上升，水中如氯化物的雜質(zhì)將會在材料的表面進行復雜的理化反應，也就導致了泵和閥等液壓元件很容易發(fā)生水的氣蝕現(xiàn)象。水的強腐蝕性會使材料表面發(fā)生變化，而磨損會變得加速。另外由于水的硬度和pH 值以及水中存在大量微生物，元件和系統(tǒng)也會產(chǎn)生一些影響。同時，純水的工作溫度為 3～50℃之間，比傳統(tǒng)的液壓油要小一些。 鋼管水壓試驗機一般會用較高含水量的乳化液作為介質(zhì), 所以要保證試驗機中直接與介質(zhì)接觸的裝置表面具有防水功能, 最好是采用不銹鋼材料。同時由于水壓試管機使用的介質(zhì)為水，要注意將水排出空氣后使用，從而使增壓過程穩(wěn)定。[4] 第3章 預密封裝置的設(shè)計和計算 3.1 進行工況分析 根據(jù)設(shè)計任務書的輸出水量和輸出壓力數(shù)據(jù)進行設(shè)計計算，已知高壓水輸出流量200L/min，額定壓力40MPa。 3.2 進行方案設(shè)計 3.2.1 初擬液壓系統(tǒng)原理及原理圖 設(shè)計方案的原理如圖3-1所示。 1、2、3、4.限位開關(guān)　5.雙出桿缸　6、7.水泵 8.溢流閥 9.鋼管 10.主增壓器 圖3-1　水壓試管機的預密封裝置原理圖 水液壓線路p可以補充預密封裝置的泄漏量，同時滿足正常的液壓工作。 3.3 計算和選擇液壓元件 3.3.1柱塞缸的設(shè)計 1. 柱塞桿直徑d的確定 現(xiàn)已知額定壓力為40Mpa，輸出流量為200L/min。 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]的液壓缸國家標準，預選定柱塞缸的柱塞桿直徑d取200mm。速度v由式3-1可知： (3-1) 其中q為輸出流量，由于雙出桿缸做法往復運動時都有輸出，因此q取100L/min。F為系統(tǒng)所受壓力。 （m/s） (3-2) （N） 由公式3-1得出：柱塞桿移動速度v=3.2mm/s。 由公式3-2 得出：所受壓力F=12560N。 2. 柱塞缸厚度確定 活塞缸缸壁厚度，必須滿足： (3-3) 其中為選用材料的許用應力為228.6Mpa，為1.5P 。 通過公式3-3計算柱塞缸缸壁厚為30mm，材料選用35號無縫鋼管。 3. 柱塞缸的確定 由前面計算確定出柱塞缸壁厚取30mm，內(nèi)徑取200mm，前后端蓋厚取30mm，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]的液壓缸國家標準缸體長度取800mm。由與柱塞桿與活塞桿需連接工作，因此柱塞桿也一定有部分在外工作。則其長度取1000mm。缸徑為210mm，行程按標準取750mm。根據(jù)JB/T 5122-1991標準，可選擇CC1-F200800柱塞缸。 3.3.2活塞缸的設(shè)計 活塞缸為雙出桿缸，已知增壓比為1：3，輸出高壓水額定壓力為40Mpa，則活塞缸內(nèi)工作壓力約為13.34Mpa，由于柱塞缸和活塞缸通過柱塞桿與活塞桿直接相連接，可以得出，活塞桿受力為F等于柱塞桿受力F，兩桿運動速度V相等。 (3-4) =345（mm） 由公式3-4可得活塞缸內(nèi)徑D取為345mm。 雙作用活塞缸進行往復運動的速比為： (3-5) d為活塞桿直徑。速比的取值過小或者過大，可能會造成背壓的值過大或活塞桿的直徑太細，從而影響工作的穩(wěn)定性。按照JB2183-77標準，一般情況下。用于本次設(shè)計的活塞缸工作壓力較大，因此值取為1.6。 (3-6) (mm) 公式3-6可知d=211mm，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]取標準值210mm。 （m/s） (3-7) 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]液壓缸的取0.9。 由公式3-7可得出活塞缸輸入流量Q約為160L/min。 　1. 對活塞桿強度及穩(wěn)定性的校核　　　 本次設(shè)計選用35號鋼作為活塞桿材料。 （1）活塞桿強度必須滿足： (3-8) 其中為材料許用應力為228.6Mpa。 通過對公式3-8的計算符合《機械設(shè)計手冊》[5]的要求。 （2）活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿必須滿足： (3-9) 當時： (3-10) 當時， (3-11) 式中： —臨界載荷； —活塞桿的最小回轉(zhuǎn)半徑； —柔性指數(shù)； —活塞缸支撐方式覺得的末端系數(shù)； —活塞材料的彈性模量。 取2～4，l為安裝長度，為活塞桿橫截面的慣性矩，的取值由材料本身決定，公式3-11中取=4.9 N/，為系數(shù)，取3，為2，為85，E為2.06N/，Ea為1/5000。 因此。 因此活塞桿滿足要求。 3. 活塞缸厚度確定 活塞缸缸壁厚度，必須滿足公式3-3，其中為選用材料的許用應力，為1.5P 。同理通過公式3-3計算活塞缸缸壁厚30mm，材料選用35號無縫鋼管。 4. 活塞缸外徑確定 活塞缸外徑由活塞缸的內(nèi)徑加上下壁厚之和得到，由壁厚為30mm，可得出此次設(shè)計活塞缸的外徑等于405mm。 5. 油缸端蓋的密封和防塵圈 活塞與活塞桿選用O形密封圈，該密封圈利用材料本身的彈性使橡膠環(huán)形圈能在靜配合面和動配合面上緊密貼合，從而起到防止泄漏的作用。其結(jié)構(gòu)簡單制造方便，磨損后有自動補償能力，性能可靠，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]可知活塞缸內(nèi)徑為210mm時O形圈截面直徑為1.8mm,材料NBR+夾纖維。 防塵圈選用橡膠圈FA形，內(nèi)徑為210mm時,其防塵圈厚度為6.5mm。 6. 活塞缸缸蓋厚度確定 活塞缸，缸蓋的厚度t的確定，可用以下公式進行計算： 有孔時： (3-13) 無孔時： (3-14) 其中為缸蓋止口直徑，為缸蓋孔的直徑26mm。 活塞缸的缸蓋厚度取30mm，材料選取35號鋼。 7. 活塞缸行程確定 活塞缸要長于柱塞桿，因此行程取1200mm。 8. 確定活塞缸的最小導向長度 最小導向長度H就是在活塞桿全部伸出的時候，活塞所在的支撐面和缸蓋滑動所在的支撐面的中點距離。如果H過小，活塞缸的初始撓度會受到影響，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 一般情況下，H應滿足： (3-15) 其中L為液壓缸工作的最大行程，本次設(shè)計取1200mm。 D為液壓缸內(nèi)徑，取210mm。 本次設(shè)計中H取 170mm。 活塞的寬度B，一般取B=（0.6～1.0）D；根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]B可取200mm。 9. 活塞缸長度確定 一般情況下，活塞缸的行程同活塞的寬度的和為缸體的內(nèi)部長度：L+H。內(nèi)部長度與兩端蓋的厚度之和為缸體的外形長度。此設(shè)計活塞缸長度取1067mm。 10．活塞桿長度確定 活塞缸體長度為1067mm，活塞寬度為207mm，活塞行程為1200mm，導向長度為230mm。因活塞到達缸底時，活塞桿還有部分仍在缸體外，則活塞桿長度取2600mm。 11.缸體結(jié)構(gòu)連接方式的選擇及缸體材料的確定 由于雙出出桿缸的極限工作壓力,因此使用35號鋼作為缸體的材料，經(jīng)過調(diào)質(zhì)后符合241-285HB標準，本次設(shè)計中缸體采用法蘭式連接。 技術(shù)要求： （1）缸體內(nèi)徑采用H8、H9配合，表面粗糙度Ra的值為0.3μm，需經(jīng)過珩磨處理，密封方式為O型橡膠密封。 （2）缸體圓柱度的公差值取8級精度，其內(nèi)徑d圓度的公差值選取10級精度。 （3）為提高使用壽命，在缸體表面應鍍鉻層，其厚度為30-40，缸體表面需要拋光處理。 （4）與的同軸度公差值為。 （5）缸體端面的垂直公差值及A、B兩端面與軸心線的公差值選取7級精度。 （6）導向孔的表面粗糙度為Ra0.4μm。 12.活塞 活塞與或是桿的連接形式：螺紋連接 活塞與缸體的密封：O型密封圈密封，圓形截面，材料為耐油橡膠，本次設(shè)計使用防水腐蝕性的橡膠密封活塞與缸體，如圖3-4所示。 圖3-4　O型密封圈示意圖 活塞的材料：選用45號鋼。 活塞的技術(shù)要求： （1）活塞的外徑對內(nèi)徑的徑向跳動公差值的精度等級為7。 （2）端面對內(nèi)孔尺寸在軸線垂直度公差值的精度等級為7。 （3）外徑的圓柱度公差值的精度等級為10。 活塞材料為QA19-4，外徑公差為f8，內(nèi)徑公差為H9，采用基孔制，其加工精度h9，密封面粗糙度取值為，內(nèi)孔與端面A、B的垂直度為，外徑內(nèi)徑間同軸度為。 13.活塞桿的端部結(jié)構(gòu)：外螺紋連接 端部結(jié)構(gòu)尺寸 端部連接方式為螺紋連接，尺寸如下： 直徑與螺紋M30，螺紋長為40。 活塞桿結(jié)構(gòu)：活塞桿選用實心桿?；钊麠U的材料：35號鋼。 技術(shù)要求： （1）桿部圓柱度以及端面T垂直度的公差值精度等級為7。 （2）和圓度公差的精度等級為10。 （3）對的徑向跳動值為0.01mm。 （4）螺紋的加工精度等級為7。 （5）桿件的表面粗糙度為μm。 （6）活塞桿的表面使用乳白鉻和硬鉻的雙層鍍鉻工藝，桿頭位置開有夾頭和導向角，其表面硬度大于HRC60標準。 3.4.3 其它元件的設(shè)計 1. 缸筒和缸蓋的連接 本設(shè)計缸筒和缸蓋都選用35號鋼，選用法蘭式連接，結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，拆裝也容易，其結(jié)構(gòu)形式如圖3-6。 1 缸蓋，2缸體 圖3-6 法蘭式連接 3. 缸頭與法蘭的聯(lián)結(jié)計算 聯(lián)結(jié)方式：螺栓聯(lián)結(jié) 螺栓的設(shè)計 (1)計算每個螺栓的總拉力F 6個螺栓在缸頭上均勻布置，由公式3-16 （3-16） 得F=1444（N）。其中為螺栓所受總拉力8664N。 (2)計算直徑 缸頭和法蘭通過螺栓連接，由于會受到變載荷作用，零件的疲勞強度會受到應力幅的影響，因此需要符合疲勞強度的應力條件。 缸頭法蘭連接，連接螺栓的拉應力為： δ= （3-17） 其中為螺栓受到軸向變載荷最大值，切應力 = （3-18） 則，合成應力 ==1.3δ （3-19） 螺栓直徑可按下式進行計算，即： >= （3-20） 螺紋預緊系數(shù) k=1.3，螺栓的個數(shù) Z=6，材料的須用應力 []= 296MP， 材料為45號鋼，由公式3-20得取7.1mm。 查《機械設(shè)計手冊》[5]，選M8。 4. 缸頭厚度的計算 本次設(shè)計選用鏈接法蘭的方式為螺釘聯(lián)結(jié)，因此可按下式計算，即： （3-21） 式中槽寬0.4mm，槽深0.8mm，W為O型密封圈的壓縮率，取W=20%，即：=0.2 （3-22） 得，為密封圈直徑。 由公式3-21， h可取32mm。 5. 法蘭直徑和厚度的確定 法蘭直徑和缸頭直徑取同一值，為413mm。法蘭厚度取。 6. 缸體的固定 此增壓裝置在高壓強度下工作，選用固定式連接，缸體利用法蘭用螺釘固定于基架上。 基架與基座選用鋼材焊接即可。 7.活塞桿與柱塞桿的連接 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[5]可選用選用扁頭與插頭連接。 根據(jù)之前計算，查找《液壓設(shè)計手冊》[6]選取符合要求的雙出桿缸。其型號為CG350CD/200-1200A1002CGUVA。 第4章 元件的選用和校核 4.1 詳細設(shè)計原理以及原理圖 詳細設(shè)計方案的原理如圖4-7所示。 1. 梭閥 2.單向閥 3.二位四通電液換向閥 4.插裝閥 5.單向閥 6.溢流閥 7.過濾器 8.截止閥 9.三位四通電磁換向閥 圖4-7 詳細設(shè)計方案原理圖 其中插裝閥4可以代替初擬原理圖中的三位四通電液換向閥控制增壓裝置的正常工作。 4.2水液壓泵的選型 ①確定水液壓泵工作壓力的大小 （4-1） 式中： —水液壓執(zhí)行元件的最高工作壓力； —水液壓泵與液壓缸之間管路的總損失。 在本系統(tǒng)中，最高壓力是雙出桿缸前進時的壓力，。 根據(jù)經(jīng)驗，管路簡單而且工作時流速較小的取；取=（0.5～1.5）MPa。 在水壓機系統(tǒng)中選取 所以可得出： 水液壓泵工作時的輸出流量由式4-2可知。 （4-2） 式中： K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3； —液壓缸同時工作的最大總流量。 系統(tǒng)中存在溢流閥時，要同時加入溢流閥最小溢流量的值，取。 所以可得出： ②選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上求得的和值，按照系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，為了使液壓泵有一定的壓力儲備，對系統(tǒng)可靠性和使用壽命進行優(yōu)化，一般選取液壓泵額定壓力的80%作為系統(tǒng)的正常工作時的工作壓力，可得出泵的額定壓力： 由于液壓泵的流量受工況影響，因此在選擇液壓泵流量時須要比系統(tǒng)工作時的最大流量還要大。與此同時，為了延長液壓泵的使用壽命，要注意最高壓力與最高轉(zhuǎn)速盡量選擇其一使用。根據(jù)以上所述，可選擇由Danfoss公司生產(chǎn)的Goldcup系列的P14，最大流量229.5L/min，額定壓力18.5MPa，最高壓力42MPa，其控制功能集成化，此泵為水液壓泵。液壓泵的外形圖如圖4-8和圖4-9所示。 圖4-8 液壓泵站外形圖 圖4-9 液壓泵站外形圖 4.3電機的選擇 在水壓機整個動作循環(huán)中，所需功率較大而且持續(xù)時間較長，為滿足整個工作循環(huán)的需要，按較大功率段來確定電動機功率。 由前面的計算已知，液壓泵的壓力為，由流量為排量轉(zhuǎn)速的乘積，最大流量，由公式： （4-3） 式中： —水液壓泵工作時所受最大壓力； —水液壓泵的流量（）； —水液壓泵的總效率，可以參考表4-5選擇總效率為0.8。 表4-5 液壓泵的總效率 液壓泵種類 螺桿泵 齒輪泵 柱塞泵 葉片泵 總效率 0.65～0.80 0.6～0.7 0.80～0.85 0.60～0.75 所以水液壓泵的總驅(qū)動功率為： 根據(jù)此計算數(shù)據(jù)，查閱《機械設(shè)計手冊》[5]選取Y280M-4電機，其額定功率為90KW，額定轉(zhuǎn)速1490rpm。 4.4 其它元件的選用 應根據(jù)計算的系統(tǒng)工作壓力與實際通過的最大流量選擇閥件，所選擇的閥件應有相應的定型產(chǎn)品。應按照已選水液壓泵工作的最大流量選取溢流閥；同時節(jié)流閥的最小穩(wěn)定流量要滿足該節(jié)流閥經(jīng)過液壓缸的最低穩(wěn)定速度。在控制閥流量的選擇上要稍大于實際通過流量。 根據(jù)之前計算，插裝閥需要滿足流量192L/min，同時需要滿足額定壓力為40Mpa。因此查Danfoss公司相關(guān)元件手冊，選擇型號為C1D08的插裝閥，可滿足工作要求。 4.4.1水液壓閥的選用 由于本次設(shè)計使用水作為液壓介質(zhì)，因此元件選用Danfoss公司產(chǎn)品。 查Danfoss公司相關(guān)元件手冊，可選用元件如表4-6。 表4-6 元件表 序號 名稱 通過流量/ 額定流量/ 額定壓力/ 型號規(guī)格 1 梭閥 160 193 13.3 KSF-50-L1X 2 單向閥 160 193 35 C4V03 3 電磁換向閥 80 — 35 4D01-3246 4 插裝閥 192 — 35 C1D08 5 單向閥 192 — 35 C5V06 6 溢流閥 192 — 35 R4V06 4.4.2. 連接管道以及油箱的選用 本設(shè)計為增壓缸，工作壓力為40MPa，工作壓力大，工作介質(zhì)為水，應選用能承受高壓，價格低廉，耐氧化，抗腐蝕，剛性好的無縫不銹鋼作為連接管道和油箱的材料。 4.4.3. 過濾器的選用 根據(jù)之前計算，過濾器需要滿足流量192L/min，目標清潔度為NAS 9，因此查《液壓設(shè)計手冊》[6]，選擇型號為YPH240-005W，可滿足工作要求。 4.5系統(tǒng)性能的驗算 沿程壓力損失可由公式4-6，4-7算出： （4-6） 其中，為阻力系數(shù)由經(jīng)驗公式可得，v為平均流速，為液體密度，水的密度為1g/cm3。 液體在直管中作層流流動時，由公式4-7及可得： （4-7） 其中阻力系數(shù)理論值是 局部壓力損失可由公式4-8算出： （4-8） 其中為局部阻力系數(shù)，v為平均流速。由于阻力系數(shù)由管道的具體布局圖確定，因此此處根據(jù)經(jīng)驗選取估算值，由前式計算速度確定。 發(fā)熱升溫驗算，可根據(jù)公式 （4-9） 算出，為油液升高溫度40°C，其中為單位時間輸入的熱量，V油箱有效容積。 整個系統(tǒng)的壓力損失無法全面估算，故只能先估算閥類元件的壓力損失，待設(shè)計好管路布局圖后，加上管路的沿程損失和局部損失即可。 4.5.1雙出桿缸前進 雙出桿缸前進過程中，油路總壓降為： 此值不大，不會使壓力閥開啟，故能保證泵的流量全部進入雙出桿缸。 回油路上，液壓缸兩側(cè)有桿腔中的油液的流量都是193.02L/min。由此可算出雙出桿缸前進時兩側(cè)有桿腔的壓力之差。 此值小于原估計值，所以是安全的。 4.6 油液溫升驗算 ①計算發(fā)熱功率 在系統(tǒng)的工作過程當中，功率損失會轉(zhuǎn)化為熱量。由于液壓缸在前進和后退過程中，95%以上為勻速過程，因此在驗算過程中可以忽略。 液壓缸前進時的有效功率： （4-13） 液壓缸在前進時液壓油經(jīng)過閥類元件的總損失壓力為： 因此液壓泵輸出的壓力為： （4-14） 液壓缸前進時泵的總輸出功率為： （4-15） 液壓缸前進時的總發(fā)熱功率為： （4-16） 由于液壓缸為雙出桿缸，因此后退時的發(fā)熱功率與前進時相同。 液壓缸整個工作循環(huán)的總發(fā)熱功率為： ②計算散熱功率 前面初步求得油箱的有效容積為，按求得油箱各邊之積： 取為1.25m，、分別為2m。 由油箱散熱面積公式： （4-17） 可求得散熱面積為： 油箱的散熱功率為 （4-18） 式中 —油箱散熱系數(shù)，此處?。? —油溫與環(huán)境溫度之差。 由于油箱本身散熱不能滿足系統(tǒng)對于散熱的要求，需要額外使用冷卻器進行冷卻。因此查《液壓設(shè)計手冊》[6]，選擇型號為FL-10，可滿足工作要求。 4.7液壓介質(zhì)的處理 水液壓系統(tǒng)使用的水所指的不不是純凈水，而是經(jīng)過加工過后的生活用水。因此液壓介質(zhì)必須要滿足GB5750。通常來說未經(jīng)加工的生活用水也可以看做純水，但是經(jīng)過水液壓系統(tǒng)中一段時間的使用過后，生活用水的理化性質(zhì)可能發(fā)生變化，從而影響到水液壓系統(tǒng)的正常工作。 4.7.1水的理化性質(zhì)對設(shè)備的影響以及解決方案 （1） 理化性質(zhì)的改善 由于水本身的粘度只有傳統(tǒng)化石液壓油的1/30，潤滑性能沒有傳統(tǒng)化石液壓油的潤滑性能好，因此為了避免由于水本身潤滑性能的問題引起的泄漏量過大而對水壓試驗機的工作產(chǎn)生影響，因此要提高水的潤滑性能。傳統(tǒng)的乳化劑雖然可以提高水的潤滑性能，但是由于乳化劑本身也會對環(huán)境造成一定的污染，因此出于環(huán)保的目的選擇向水內(nèi)添加對環(huán)境沒有影響而且無色無味的水溶性和硅樹脂以提高水的潤滑性能。同時要減少水壓系統(tǒng)中的間隙和公差，對液壓介質(zhì)中顆粒的大小進行控制，在現(xiàn)有工藝的水平上盡量將間隙減小到318-8μm范圍內(nèi)，這樣可以防止液壓介質(zhì)中的顆粒對水液壓設(shè)備造成磨損?，F(xiàn)有的解決方案是在泵的出口使用過濾精度能夠達到要求的過濾器。 （2） 排氣 由于水中本身存在空氣，因此隨著壓力的升高可能導致一定的空氣排出，由于液壓介質(zhì)的不穩(wěn)定而影響水壓試驗機本身的穩(wěn)定性，因此可以通過降低氣體在水中的溶解度來優(yōu)化液壓介質(zhì)。常溫水在50℃-60℃時會產(chǎn)生氣泡，這是因為高溫使得氣體在水中的溶解度減小，溢出的氧氣和二氧化碳氣體形成氣泡。因此可以在液壓介質(zhì)使用前增加溫度使水中的氣體含量減少，從而提高水壓試驗機的工作穩(wěn)定性。 （3） 微生物 關(guān)于水中微生物和雜質(zhì)的處理，由于未經(jīng)過處理的水中含有微生物和雜質(zhì)，如果不進行處理，長時間使用未經(jīng)處理的水作為液壓介質(zhì)可能會對液壓元件造成損害，形成生物膜，對過濾器造成阻塞。液壓介質(zhì)本身也可能存在變質(zhì)的現(xiàn)象。因此在使用前需要對液壓介質(zhì)使用活性炭過濾器進行預處理，由于活性炭有很強的吸附性，可以除去液壓介質(zhì)中的異味和有機物，同時也可以起到過濾雜質(zhì)的作用，從而延長液壓介質(zhì)的使用時間，降低產(chǎn)品的維護成本。同時可以增加系統(tǒng)的液壓介質(zhì)的流速，同時利用化學方法調(diào)整水的PH值，使環(huán)境不適合微生物的生長。 （4） 腐蝕性 水的腐蝕性可能對設(shè)備造成損害，從而影響水壓試驗機的使用壽命，可以通過加入緩蝕劑來抑制水對產(chǎn)品的腐蝕。同時由于水液壓系統(tǒng)采用了不銹鋼作為材料，而縫隙腐蝕和點腐蝕可能對不銹鋼造成損壞，因此可以選擇奧氏體作為零件材料。 （5） 系統(tǒng)的清潔度 由于水液壓元件在制造運輸過程中可能在元件上涂抹有機物，因此在水液壓元件開始使用前要用清洗劑清洗來保證元件的清潔。 同時水質(zhì)參數(shù)應滿足表4-7條件。 表4-7 水質(zhì)參數(shù)表 參數(shù) 取值 pH值 6.5-8.5 Cl- 濃度(鹽類) ＜250mg/L 硬度 50≤總硬度≤250mg/L (以CaCO3 計) 微生物有機體 22℃: < 100個/ml 固體顆粒直徑 < 10μm 結(jié)論 本次設(shè)計成功的解決了由單作用增壓缸輸出高壓水壓力波動引起的鋼管水壓試驗機預密封失效問題，并以水代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓油作為液壓介質(zhì)，不僅降低了設(shè)備的維護成本，更重要的是水作為介質(zhì)比傳統(tǒng)液壓油對環(huán)境更加友好。既符合了可持續(xù)發(fā)展的原則，又能降低設(shè)備工作時的風險。 本次設(shè)計在設(shè)計使用元件時使用DENISON丹尼遜公司的產(chǎn)品，該公司的元件針對水作為液壓介質(zhì)從材料和結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化，可以滿足鋼管水壓試驗機使用水作為介質(zhì)穩(wěn)定工作所需要求。 同時由于增壓缸由標準件構(gòu)成，因此節(jié)省了額外制作研發(fā)的成本，同時方便維護、修理和設(shè)備的替換。 鋼管水壓機的預密封設(shè)計的設(shè)計是整個水壓試驗機設(shè)計的一部分，它的任務是根據(jù)水壓機的用途以及自身的特點和要求，在液壓傳動的基本原理的基礎(chǔ)上，確定改進的預密封方案，同時經(jīng)過對數(shù)據(jù)的計算來確定該系統(tǒng)的各項參數(shù)，最后通過這些參數(shù)選用合適的液壓元件完成系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 本設(shè)計根據(jù)鋼管水壓試驗機中預密封裝置設(shè)計的實際工作條件和工作環(huán)境，從已知條件出發(fā)，通過查閱大量的書籍、手冊、圖表以及從相關(guān)網(wǎng)站上的了解，對水壓機的預密封裝置有了一個較為全面的認識，在對工作條件確定之后，著重分析并重點對鋼管水壓機的預密封原理進行了解，在分析了原有原理的不足后對其進行了改進。最后設(shè)計出了符合設(shè)計要求的預密封裝置。 致　謝 在指導老師郝興安老師的耐心輔導和大力支持下，我得以完成本次畢業(yè)設(shè)計。十分感謝郝興安老師能夠給我這樣一次機會增強自己的專業(yè)能力，在此我對學習過程當中所有輔導我的老師們表示由衷的感謝，是在你們的悉心教育下我才得以在大學四年里打下良好的知識基礎(chǔ)，并能將學習的理論知識應用到實踐中去。 在設(shè)計過程當中，通過對文獻資料的整合以及思考，我充分的認識到設(shè)計者應該具有一定的基礎(chǔ)知識，同時在設(shè)計過程當中明確自己的任務，不斷地尋找更優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計過程中還應該注重細節(jié)，同時兼顧全局。設(shè)計中難免遇到各種各樣的難題，當自己無法解決這些問題的的時候就應該多和指導老師、同學溝通的交流，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)和改正自己的缺點和不足之處，同時同學也會從自己的角度提出一些自己沒有想到的觀點。在今后的學習和工作當中應該注意多積累經(jīng)驗，多思考，多提問，多交流，多實踐，才能使自己成為一名合格的設(shè)計者。 我也切實認識到無論做什么樣的設(shè)計都應該有恒心去完成，遇到難題不可心煩氣燥，做設(shè)計需要的是創(chuàng)新能力，但這并不意味著閉門造車，我們應帶著一顆孜孜不倦的求學心和上進心，這樣才能使我們的設(shè)計更加完善。 最后，再次對認真指導我本次設(shè)計的郝興安老師以及對本次課題給予幫助的人們應予衷心的感謝。 參考文獻 [1] 史亞臣、張晶晶、韓飛躍、周立兵.鋼管水壓試驗機系統(tǒng)的研究與分析[J];機械,2011:S1 [2] 姚彩虹、蔣興加、劉經(jīng)華.油管試壓機增壓慢的原因與故障處理[J];　石油礦場機械,2008:S2 [3] Mike Higgins.Water hydraulics – the real world. [J] Industrial Robot.,1996, 23(4):13–18. [4] 楊華勇，周華，路甬祥.水液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];中國機械工程,2000:12 :1430–04. [5] 成大先主編.機械設(shè)計手冊[M].化學工業(yè)出版社, 2008.4. [6] 張利平主編. 液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社, 1997.9. [7] 郝興安，陳凱.水壓試管機預密封加壓原理的改進[J];液壓與氣動,2009:03 [8] 姜繼海、宋錦春、高常識主編.液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社,2002.5. [9] 劉國華,花蓉; 現(xiàn)代液壓控制技術(shù)應用及發(fā)展[J]; 淮南職業(yè)技術(shù)學院學報; 2006:01. [10] 王廣懷主編.液壓技術(shù)應用[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2001.5. [11] 薛祖德主編. 液壓傳動[M].中央廣播電視大學出版社, 1999.2. [12] Dauphin-Tan guy G, Brahman A, Sure C; Bond graph aided design of controlled systems [M];Simulation Practice and Theory; 1999. [13] 章宏甲、黃誼、王積偉主編.液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社, 2002.6. [14] 太鋼不銹冷軋廠 劉建忠; 液壓系統(tǒng)的泄漏與密封件的選擇[N];山西科技報; 2004. [15] 徐繩武; 淺談中國液壓傳動的發(fā)展和出路[J]; 液壓氣動與密封; 2002,06. [16] Elvish Science.Two-valve control of a large steam turbine.Control Engineering Practice,2002-04.