磨擦磨損試驗臺的設計說明書（論文）

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CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 磨擦磨損試驗臺的設計 摘 要 長期以來，試驗臺的性能檢測方法是采用簡易的人工檢測，其缺點是檢測效率低、人為因素影響大、自動化水平低。隨著科學技術的發(fā)展，自動化技術越來越多地應用到工業(yè)中，用人工進行試驗臺性能檢測的方法已經(jīng)跟不上時代的步伐，試驗臺性能的自動化檢測必將成為該行業(yè)的主流。本論文研究的試驗臺試驗系統(tǒng)正是為某試驗臺公司研制的自動化檢測系統(tǒng)，它將改變該公司目前人工檢測的狀況，實現(xiàn)檢測過程的自動化，提高檢測效率，減少人為因素的影響。 能夠實現(xiàn)自動化檢測的前提和基礎就是擁有一套準確可靠的自動化夾具。本文的研究內(nèi)容就是設計一套能夠夾緊各種閥體的夾具系統(tǒng)。它的基本要求是在測試之前，完成對被測閥體的夾緊工作，并且保證在測試過程中無泄漏。同時，夾具必須操作簡單，維護方便。 本課題是在認真分析各種被測閥體的測試需求，外形尺寸，工作參數(shù)的基礎上完成機械設計的過程。為了保證密封良好，不僅多處應用了機械密封理論知識，而且結構上力求優(yōu)化合理。在設計完成之后。應用Solidworks三維軟件進行建模和運動仿真，直觀的檢驗設計的效果。為了從理論上保證系統(tǒng)的可靠性，在本文的第四章，對機械密封圈的相關理論作了一定的研究，其中包括工作原理，設計方法及主要失效形式。 作為測試系統(tǒng)的重要組成部分，夾具的好壞直接關系到整個測試系統(tǒng)的成敗。所以說本文有較高的理論價值和實用價值。在設計上，本文突破傳統(tǒng)夾具的設計方法，引入多處創(chuàng)新設計思想設計出一套更為實用合理的夾具系統(tǒng)。所以說，本系統(tǒng)將和整個測試系統(tǒng)一起，在試驗臺的測試領域里發(fā)揮重要的作用。 關鍵詞：試驗臺試驗，夾具，密封理論，建模與仿真 65 CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 Research and Development of Fixture for Solenoid Valves Test System Abstract Solenoid valve needs to be tested by hand for a long time. So the testing efficiency is low and it is prone to be affected by artificialness. Now, automation technology has been applied to more and more factories. The Solenoid Valve test system will also realize auto-test by computer in the future. The Solenoid Valve test system researched in this paper is developed for a company. It will realize auto-test, improve the efficiency in testing solenoid valve performance and make the testing data more precise than before. In order to realize auto-test in the system, it needs a fixture system which is exact and credible. This paper discusses a kind of fixture which can clamp all kinds of solenoid valves. The basic request is to finish clamping the tested valves before the test, and to assure that there’s no leakage during the test. At the same time, the fixture must be easy to manipulate and convenient to maintenance. The fixture designing is finished after researching the requirement of the valves’ test figure size and work parameter. In order to keep good airproof, the fixture not only used mechanism airproof theory, but did some optimizing design on structure. After the design, SolidWorks is used to model and do some kinematics analysis. It can check up the effect of the design more intuitively. In order to keep the system more reliably, in chapter 4, mechanism airproof theory is researched. It contains work principle, design method and main invalidation form. As an important part of valves’ test system, whether the fixture is good or not is correlate to the whole test system’s capability. So the paper is valuable on theory and practicality. This paper breaks through traditional design method, and designs a more practical fixture system by introducing innovation design method. So this fixture system and valves test system will both exert important action in valves test field. Key words: test of solenoid valve, fixture, airproof theory, modeling and simulation 　 目錄 　　　 目 錄 獨創(chuàng)性聲明 ……………………………………………………………………i 摘 要…………………………………………………………………….……ii Abstract ……………………………………………………………………..…iii 第一章 緒 論 …………………………………………………………………1 1.1 課題研究的背景與意義…………………………………………………………...1 1.2 課題相關技術發(fā)展概況…………………………………………………………...2 1.2.1 如今試驗臺測試技術的發(fā)展概況…………………………………………2 1.2.2 機械密封理論的發(fā)展概況………………………..………………………..2 1.2.3 創(chuàng)新設計理論概述…………………………………………………………2 1.2.4 現(xiàn)代機械功能優(yōu)化設計理論概述…………………………………………4 1.2.5 三維建模及運動仿真技術…………………………………………………5 1.3 本文研究的主要內(nèi)容……………………………………………………………...6 第二章 試驗臺夾具系統(tǒng)總體規(guī)劃和目標要求………………………………7 2.1 試驗臺夾具系統(tǒng)分類……………………………………………………………...7 2.1.1 被測閥體的測試要求………………………………………………………7 2.1.2 夾具系統(tǒng)的分類……………………………………………………………7 2.2 試驗臺夾具系統(tǒng)總體規(guī)劃………………………………………………………...8 2.2.1 試驗臺夾具系統(tǒng)總體布置…………………………………………………8 2.2.2 試驗臺夾具系統(tǒng)重要參數(shù)的計算………………………………………..10 第三章 試驗臺夾具結構……..………………………………………………13 3.1 兩位兩通試驗臺典型支路夾具結構…………………………………………….13 3.1.1 夾具工作行程的確定……………………………………………………..13 3.1.2 夾具工作原理……………………………………………………………..13 3.1.3 夾具結構…………………………………………………………………..14 3.1.4夾具相關計算及強度校核………………………………………………...16 3.1.5夾具研發(fā)中關鍵技術的分析……………………………………………...18 3.2 兩位兩通試驗臺水壓強度試驗夾具結構……………………………………….22 3.2.1 水壓強度試驗夾具的特點……………..…………………………………22 3.2.2 水壓強度試驗夾具工作原理……………………………………………23 3.2.3 水壓強度試驗夾具結構…………………………………………………24 3.2.4 水壓強度試驗夾具研發(fā)中關鍵技術的分析……………………………26 3.2.5 創(chuàng)新設計在水壓強度試驗夾具結構研發(fā)中的運用……………………28 3.3 兩位多通試驗臺夾具結構……………………………………………………...30 3.3.1兩位多通試驗臺夾具結構特點………………………………………….30 3.3.2 兩位多通試驗臺夾具結構………………………………………………30 3.4 試驗臺夾具附件——電動升降臺結構………………………………………...33 3.4.1 升降臺行程確定…………………………………………………………33 3.4.2 升降臺工作原理…………………………………………………………34 3.4.3 升降臺結構………………………………………………………………35 3.4.4升降臺相關計算………………………………………………………….36 3.4.5 創(chuàng)新原理在升降臺結構研發(fā)中的應用…………………………………38 第四章 密封圈密封理論的研究……………………………………………39 4.1 O形密封圈的密封原理…………………………………………………………39 4.2 O形密封圈設計及相關計算……………………………………………………39 4.2.2 O形密封圈產(chǎn)生摩擦力的計算………………………………………….40 4.3 Y形密封圈設計使用中若干問題的研究……………….………………………42 4.3.1 Y形密封圈的工作原理…………………………….…………………….42 4.3.2 Y形密封圈的失效原因及解決措施……………….…………………….43 4.4 影響密封圈密封的因素………………………………….….…………………..44 4.4.1 溫度對密封圈密封的影響………………………….……………………44 4.4.2 硬度對密封圈密封的影響……………………….………………………45 4.4.3 應力松弛對密封圈密封的影響………………….………………………45 4.4.4 摩擦對密封圈的影響………………………….…………………………45 第五章 試驗臺夾具三維建模和運動仿真…………………………………47 5.1 試驗臺夾具的三維建?！?7 5.1.1 兩位兩通試驗臺夾具的三維建?！?47 5.1.2兩位兩通試驗臺水壓強度試驗夾具的三維建?！?.49 5.1.3 兩位多通試驗臺夾具三維建?！?…………………………52 5.1.4電動升降臺三維建?！?………………………………….53 5.2 試驗臺夾具的運動仿真………………………….……………………………...53 5.2.1 兩位兩通試驗臺夾具運動仿真過程……….……………………………53 5.2.1 兩位多通試驗臺夾具運動仿真過程……….……………………………54 5.2.2 兩位兩通試驗臺水壓強度試驗夾具運動仿真過程….…………………56 第六章 結 論…………………………………………………………………60 參考文獻………………………………………………………………………61 第一章 緒論 第一章 緒 論 1.1 課題研究的背景與意義 本課題來自鞍山試驗臺股份有限責任公司和東北大學機械電子工程研究所合作對廠方原有的試驗臺測試系統(tǒng)改造。其總體目標是根據(jù)“鞍山試驗臺有限責任公司試驗臺架改造技術要求”，提出一套性能高、實用性強、節(jié)能環(huán)保、擴展性好的試驗臺測試系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)可以在水、油、氣介質和真空條件下對試驗臺進行測試試驗，可以測試試驗臺的空載動作、最小壓差動作、密封性試驗、水壓強度試驗、響應時間試驗、泄漏量測試、Kv值和流阻系數(shù)測定及壽命實驗。本文作者所承擔的是試驗臺測試系統(tǒng)中自動化夾具的設計任務。 本課題是整個試驗臺測試系統(tǒng)的重要組成部分，是準確地進行試驗臺的空載動作、最小壓差動作、密封性試驗、水壓強度試驗、響應時間試驗、泄漏量測試、Kv值和流阻系數(shù)測定及壽命實驗的基礎和前提。 通過對廠方現(xiàn)有夾具系統(tǒng)的調(diào)查可以看出，廠方現(xiàn)有的夾具系統(tǒng)存在諸多問題。首先，夾具的密封性不好。在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)漏水漏油的現(xiàn)象。這些不僅給操作者帶來不便，更為重要的是，使測試結果不準確。第二，夾具損壞現(xiàn)象嚴重。第三，夾具的自動化程度很低，使用極不方便。如今廠方使用的夾具，大都是七十年代設計制造的手動夾具。這不僅加大了工人的勞動強度，還限制了閥的測試的速度。顯然和現(xiàn)代科學技術特別是自動控制技術的迅猛發(fā)展是不相適應的。 本課題是一個機電液結合的產(chǎn)品，包含許多學科的交叉，因此有較強的理論研究意義。另外，設計中包含多處創(chuàng)新原理的應用，無論是作為結構創(chuàng)新，還是產(chǎn)品創(chuàng)新，都有進行理論研究的價值。作為實際項目的一部分，設計制造完成之后，要應用于實際的生產(chǎn)過程中，其應用價值是顯而易見的。試驗臺是液壓系統(tǒng)中的重要零部件，它的優(yōu)劣直接影響到整個液壓系統(tǒng)的質量。而試驗臺的出廠測試，是其生產(chǎn)過程中最后也是最重要的環(huán)節(jié)。自動化夾具是一切測試能否進行的前提和基礎，如果被測閥夾不緊，放不穩(wěn)，一切測試都無從談起。夾具的好壞，直接影響到測試系統(tǒng)的好壞，以致影響到試驗臺的質量。所以說，設計一套方便可靠的自動控制夾具有很高的理論價值和實用價值。 1.2 課題相關技術發(fā)展概況 1.2.1 如今試驗臺測試技術的發(fā)展概況 本系統(tǒng)在設計之前，認真調(diào)查了國內(nèi)很多試驗臺廠家現(xiàn)有的測試技術。如今國內(nèi)試驗臺廠家應用的試驗臺測試系統(tǒng)[1]存在以下幾個問題：第一，現(xiàn)有測試系統(tǒng)只能測試小口徑的閥體，對于大口徑的閥體很難測試。第二，現(xiàn)有測試系統(tǒng)很難同時進行空載動作、最小壓差動作、密封性試驗、水壓強度試驗、響應時間試驗、泄漏量測試、Kv值和流阻系數(shù)測定及壽命試驗等多項試驗。第三，現(xiàn)有測試系統(tǒng)只能測試液壓閥體，對于其它介質的閥體很難測試。 根據(jù)上面的分析可以看出，本系統(tǒng)將為國內(nèi)最先進，測試閥體范圍最大，測試項目最全的試驗臺測試系統(tǒng)。相應的測試需要的夾具系統(tǒng)適應范圍大，操作方便，可靠性強，也為較先進的一套夾具系統(tǒng)。 1.2.2 機械密封理論的發(fā)展概況 機械密封[2]是常用的旋轉軸密封，在流體機械中應用非常廣泛。與其他密封相比，它具有泄漏少，摩擦磨損少，使用壽命長，可靠性好，無需日常維護的特點。此外，許多高壓，高溫，易燃，易爆介質等工況下取得了較好的使用效果。 機械密封技術正向更深層次方向發(fā)展——高參數(shù)，高性能和高水平。非接觸式密封發(fā)展方向是減少泄漏，提高穩(wěn)定性和可靠性，延長壽命和擴大使用范圍。 密封圈密封是機械密封的一種形式。廣泛應用于流體機械的密封。比如在液壓缸體的密封中可以分為靜密封和動密封兩種密封形式，靜密封中常使用O型密封圈，動密封常使用Y型密封圈。在本課題的設計中，存在多處密封圈的使用，因此有必要對密封圈的相關理論作深入地研究。在論文的第四章專門作理論分析，這里就不詳細介紹了。 1.2.3 創(chuàng)新設計理論概述 創(chuàng)新設計[3]是一種現(xiàn)代設計方法，它是研究設計程序，設計規(guī)律和設計中思維與方法的一門新型綜合性科學。在工程設計過程中，只有充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維，采用創(chuàng)新設計方法，才能設計出富有新穎性和先進性的產(chǎn)品，最大限度的適應和滿足人們在生產(chǎn)和生活中的需要，促進經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步。 創(chuàng)新設計通?？梢苑譃橐韵聨追N類型。首先為原理拓展類。這類創(chuàng)新設計的特點在于應用新技術原理解決老問題以及對舊技術原理進行更新。由于新技術原理源于科學研究和技術發(fā)明，因此應用新技術原理進行新產(chǎn)品開發(fā)，可以獲得突破性的創(chuàng)新成果。第二為組合創(chuàng)新類。如果將已有的零部件，通過合理組合形成一種新產(chǎn)品，這種產(chǎn)品便能實現(xiàn)一種新的整體功能，故這種組合也是一種創(chuàng)新設計。因此，組合創(chuàng)新要求組合后的產(chǎn)品在性能上具有1+1>2的效果。第三，轉用創(chuàng)新類。如果將某一技術領域的成熟技術和結構轉用在其他技術領域，產(chǎn)生出一種新的產(chǎn)品，也是一種創(chuàng)新設計。第四，克服偏見類。所謂偏見，是指某一技術領域中長期以來存在著的一種固有認識，而這種認識一致阻礙著人們對該技術領域深入地探討和研發(fā)。如果克服了這種偏見，就可以構思出非常規(guī)的設計，則這種設計屬于創(chuàng)新設計范疇。 創(chuàng)新設計的基本方法有： (1) 綜合法。組合相同性質的物體，將相近性質的作業(yè)在同一時間內(nèi)組合；使物體具有復合功能。如電子計算機是大規(guī)模集成電路技術，計算科學，精密儀器的綜合；激光技術是光學，機械，電學的綜合等。 (2) 還原法。圍繞產(chǎn)品功能進行創(chuàng)新。如在應用系統(tǒng)化設計法進行原理方案設計，先從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構思等多種方法求解多種方案，然后進行技術經(jīng)濟評價，通過選擇和優(yōu)化，求得最佳方案。 (3) 類比法。借鑒成熟的原理與技術加以比較，找到相似點。 (4) 移植法。多種技術的移植嫁接，形成新技術，新材料，新產(chǎn)品，新工藝。如系統(tǒng)間的相互交換(機械系統(tǒng)，光學系統(tǒng)，聽覺系統(tǒng)，嗅覺系統(tǒng)，場強等)，機構間的相互利用(氣壓機構，水壓機構，油壓機構，機械機構等)。 (5) 離散法。將原有產(chǎn)品技術進行分離，形成新構思。如隱形眼鏡是鏡片與鏡架分離的結果；音箱是揚聲器與收錄機分離的結果。 (6) 強化法。如采用金屬粉末熱噴涂強化工藝，提高機械零件表面強度硬度和耐磨性；采用復合材料增加結構剛度，穩(wěn)定性和減震性。 (7) 換元法。如采用材料替代，零件替代，方法替代，包裝替代，品牌替代等。 (8) 迂回法。面臨困難時擴大搜索范圍，從其他領域尋找啟發(fā)，激發(fā)創(chuàng)意，解決問題。 (9) 逆反法。突破傳統(tǒng)的思維定勢，進行逆向思維，引出新的創(chuàng)意。 (10) 仿形法。從產(chǎn)品造型上模仿。如鳥的翅膀與飛機的機翼，海洋生物的流線型軀體與潛艇造型等。 (11) 群體法。依靠群體智慧，相互啟發(fā)，集思廣益。 1.2.4 現(xiàn)代機械功能優(yōu)化設計理論概述 產(chǎn)品的方案和結構形式是由設計者根據(jù)產(chǎn)品的功能來確定的，也就是通過產(chǎn)品的功能分析或功能優(yōu)化設計[4]來完成的，所以功能分析和功能優(yōu)化設計是產(chǎn)品設計工作的最重要環(huán)節(jié)之一。 用戶對產(chǎn)品功能的需求是多種多樣的，對所需產(chǎn)品的要求也是千變?nèi)f化的，因此，對用戶功能信息要采用先進的聚類與合成技術，進行收集和整理、篩選和歸納。對某種產(chǎn)品功能的要求必須根據(jù)實際情況來確定，不能有過高的不切實際的要求，但也不能過分降低要求，必須恰如其分。對功能要求過高，就會使產(chǎn)品構造復雜化，增加設備加工工時和提高產(chǎn)品制造成本等；過分降低要求，產(chǎn)品工作時會達不到工作技術指標和性能的要求，進而會影響物質處理和加工的質量。 有了合理的功能，工程師們可以根據(jù)總的功能要求，把它分解為各個子功能，對于含有多個子功能的機械系統(tǒng)，要對執(zhí)行各個子功能的方案加以搜索和研究、分析與綜合，形成產(chǎn)品的總的初步設計方案。 下面簡要介紹一下產(chǎn)品功能分析： 機械設備的功能可分為以下幾類： ⑴基本功能和輔助功能 ⑵目的功能和手段功能 目的功能：任何一種功能，不管是基本功能還是輔助功能，都具有一定的目的，所以都可視為目的功能。 手段功能：某些功能常常是實現(xiàn)另一目的的手段，相對而言，它又是一種手段功能。 ⑶使用功能和表現(xiàn)功能 使用功能是指產(chǎn)品所要實現(xiàn)的使用價值。 表現(xiàn)功能是在使用功能的基礎上，對產(chǎn)品工藝造型方面進行更合理和有效的設計，使其外形更加美觀，富有表現(xiàn)能力和具有形象力，更能吸引用戶和觀眾。 ⑷必要功能和不必要功能 必要功能是指用戶所需要的功能，包括基本功能和輔助功能。 不必要功能是指那些不必要的和多余的功能。例如，過大的安全系數(shù)、超過實際要求的精度和光潔度、超出實際功能需要的材質、過長的和不合理要求的壽命、過分裝飾的外觀等，因為這會增加制造的復雜性，延長制造周期等，進而會提高制造成本等。 無論對于基本功能，還是輔助功能，對它們都有一些基本要求，即在完成功能時，對它們的工作性能都有基本要求。具體包括：功效實用性，工作耐久性，操作宜人性，設備維修性，人機安全性，系統(tǒng)可靠性，結構緊湊性，運行穩(wěn)定性，指標優(yōu)越性，狀態(tài)測控性，結構工藝性等。 實際上，任何產(chǎn)品的設計過程都應在實現(xiàn)基本功能和輔助功能的同時，考慮到對于工作性能的基本要求，這樣才能使設計更加合理和完善。 1.2.5 三維建模及運動仿真技術 目前用于三維建模及運動仿真[5]的技術有很多。在機械設計過程中，運用三維軟件進行建?？梢愿又庇^地看到設計實體，并進行干涉檢查和運動仿真。提高設計的準確性。 Solidworks 是目前應用非常廣泛的三維設計軟件。美國Solidworks公司是一家從事三維機械設計軟件的高科技公司，公司的宗旨是使每一位設計工程師都能在自己的微機上使用功能強大的世界最新CAD/CAM/CAE/PDM系統(tǒng)，公司的主導產(chǎn)品是世界先進水平的Solidworks軟件。 Solidworks軟件本身非常強大，再加上有很多公司開發(fā)的插件對他的支持，使其功能在很多方面得到了擴展。這里介紹幾個本課題涉及的幾種功能。 (1) Top Down(自頂向下)的設計 自頂向下的設計是指在裝配環(huán)境下進行相關設計子部件的能力，不僅做到尺寸參數(shù)全相關，而且實現(xiàn)幾何形狀零部件之間全自動完全相關，并且為設計者提供完全一致的界面和命令進行全相關設計環(huán)境。 (2) Down Top(自下而上)的設計 自下而上的設計是指用戶先設計好各個零部件后，運用裝配關系把各個零部件組合成產(chǎn)品的設計能力，在裝配關系制定好后，不僅做到尺寸參數(shù)全相關，而且實現(xiàn)幾何形狀，零部件之間完全自動相關，并且為設計者提供完全一致的界面和命令進行全自動的相關設計環(huán)境。 (3) 零部件鏡像 Solidworks提供了零部件鏡像的功能，不僅鏡像零部件的外形，而且包括產(chǎn)品結構和配合條件，還可以根據(jù)實際的需要區(qū)分是簡單的拷貝還是自動生成零部件的對稱件。這一功能將大大節(jié)約設計時間，提高設計效率。而其他的設計軟件是不具有這種功能的。 (4) 裝配特征 Solidworks提供完善的產(chǎn)品級的裝配特征功能，以便創(chuàng)建和記錄特定的裝配體設計過程。實際設計中，根據(jù)設計意圖有許多特征是在裝配環(huán)境下在裝配操作發(fā)生后才能生成的，設計零件時無需考慮。Solidworks支持大裝配的裝配模式，擁有干涉檢查，產(chǎn)品的簡單運動仿真，編輯裝配體透明的功能。 (5) 工程圖 Solidworks提供全相關的產(chǎn)品級二維工程圖，現(xiàn)實世界中的產(chǎn)品可能有成千上萬個零件組成，其生成圖的生成至關重要，其速度和效率是各3D軟件均要面臨的問題。Solidworks采用了生成快速工程圖的手段，使得超大型裝配體的工程圖的生成和標注變得十分快捷。 Solidworks可以允許二維工程圖暫時與三維工程圖脫離關系，所有標注可以在沒有三維模型的狀態(tài)下添加，同時用戶又可隨時將二維工程圖和三維模型同步。從而大大加速工程圖生成過程。 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 根據(jù)廠方提出的測試要求，試驗臺測試夾具系統(tǒng)主要包括以下四個方面的內(nèi)容。第一，水，氣，油介質測試試驗臺夾具設計。根據(jù)不同閥體的外形尺寸和壓力要求，水介質試驗臺分為六條支路（φ300，φ150，φ100，φ50，φ25，φ10），油介質試驗臺分為兩條支路(φ100，φ50)，氣介質試驗臺分為兩條支路(φ100，φ50)。每條支路中涵蓋一些型號的閥體。第二，水介質水壓強度試驗臺夾具設計。由于水介質的水壓強度試驗需要拆下被測閥體的一部分進行測試，同時需要對被測閥體上下，左右四個方向夾緊，所以需要單獨設計試驗夾具。第三，電動升降臺的設計。由于各種被測閥體的尺寸差異，需要將被測閥體抬高到一個確定的高度。第四，兩位多通閥體試驗臺夾具的設計。兩位多通閥體由于外形結構和兩位兩通閥體差異很大，所以需要單獨設計夾具系統(tǒng)。此外，為了使夾具系統(tǒng)真正實現(xiàn)零泄漏，需要對液壓密封理論作一些研究，其中主要包括O型密封圈和Y型密封圈相關理論的研究。 　 第二章 電磁閥夾具系統(tǒng)總體設計和目標要求　 　　　　　　 第二章 試驗臺夾具系統(tǒng)總體規(guī)劃和目標要求 2.1 試驗臺夾具系統(tǒng)分類 2.1.1 被測閥體的測試要求 根據(jù)我們與廠方的技術協(xié)議規(guī)定，我們需要設計出能夠完成以水、氣、油和真空為介質的工業(yè)過程控制用試驗臺性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將完成通徑為5mm-300mm被檢測試驗臺（以下簡稱為“被測閥”）的動作試驗、耐壓試驗、密封試驗、泄漏量試驗、Kv值測定試驗和壽命試驗。同時還要求能夠實現(xiàn)夾具的自動化夾持，數(shù)據(jù)的自動采集與處理和工藝流程的自動化控制[6]。 2.1.2 夾具系統(tǒng)的分類 根據(jù)被測閥體的測試需求，原則上可以將夾具系統(tǒng)作如下的分類： 按介質分：水介質，油介質，氣介質，真空介質。 按閥體口徑大小分：，，，，，，，，，，，，，，。 按閥體的功能分：兩位兩通閥，兩位三通閥，兩位四通閥，兩位五通閥。 按測試項目分：動作試驗、耐壓試驗、密封試驗、泄漏量試驗、Kv值測定試驗和壽命試驗。 按被測閥體的外形分(考慮到夾具設計)：法蘭式，對夾式，管道式。 按介質溫度分：常溫，低溫，中溫。 按工作壓力劃分：2Mpa以下，2—4Mpa，4—6Mpa。 從上面的分類可以看出，整個夾具系統(tǒng)要綜合考慮上述的各種因素的影響，設計出一套適用，方便，維護性好的系統(tǒng)。本套測試系統(tǒng)的分類首先考慮到完成各種測試需要的測試方法，在各種測試方法確定之后，作者認為，夾具系統(tǒng)的最初分類應該按照閥體通過介質進行分類，這樣能夠保證測試的完整性。其次，考慮到閥體尺寸差異很大，將每種介質的閥體按閥口尺寸大小分成若干支路。第三，考慮到水壓強度試驗的特殊性，將水壓強度試驗單獨設計一條支路。 最終確定的夾具系統(tǒng)采用如下的分類方式： 兩位兩通閥體：水介質：，，，，，。 氣介質：，。 油介質：，。 真空介質：。 兩位兩通閥體水壓強度試驗：一條支路測試至所有閥體。 兩位多通閥體：一條支路測試所有尺寸閥體。 2.2 試驗臺夾具系統(tǒng)總體規(guī)劃 自動化夾緊裝置（又簡稱為“夾具”）是本系統(tǒng)中最重要的機械本體，它是系統(tǒng)實現(xiàn)自動化夾緊的基礎，是完成試驗臺試驗項目的保障。由于夾緊被測閥是做試驗臺性能檢測試驗的第一步，如果夾緊裝置夾不緊或是本身就存在泄漏，那么用該裝置夾持被測閥做泄漏量檢測試驗必然是失敗的。 所以夾具的設計目標是：①能夠實現(xiàn)自動化夾緊；②保證自身無泄漏。第②點可以在具體設計與制造加工中實現(xiàn)，而第①點則應該在設計自動化夾緊裝置的方案時應該確定下來的，同時它的好壞直接影響第②設計目標的實現(xiàn)。 2.2.1 試驗臺夾具系統(tǒng)總體布置 根據(jù)上一節(jié)的夾具系統(tǒng)設計方案，設計夾具系統(tǒng)的總體布置圖。該圖可以完整地反應出整套夾具系統(tǒng)的各個夾具的位置。 夾具系統(tǒng) 油介質試驗臺100支路 油介質試驗臺100支路 水介質試驗臺水壓強度試驗 水介質試驗臺300支路 水介質試驗臺150支路 水介質試驗臺100支路 水介質試驗臺50支路 水介質試驗臺25支路 水介質試驗臺10支路 真空介質試驗臺 氣介質試驗臺100支路 氣介質試驗臺50支路 兩位多通試驗臺 泵站一 泵站二 泵站三 圖2.1 夾具系統(tǒng)分類圖 Fig.2.1 the disposal fig of the fixture system 2.2.2 試驗臺夾具系統(tǒng)重要參數(shù)的計算 根據(jù)夾具系統(tǒng)的總體要求，需要確定夾具系統(tǒng)使用的三套液壓泵站的參數(shù)，分別為水，油，氣介質夾具系統(tǒng)(φ10—φ300支路)，兩位多通閥體夾具系統(tǒng)，水壓強度試驗的夾具系統(tǒng)。特別說明的是，夾具系統(tǒng)泵站壓力和流量的計算需要夾具本體的結構尺寸，是在夾具設計之后才計算完成的。但是考慮到論文結構的完整，將其提前到系統(tǒng)整體設計中給出。 2.2.2.1 泵站系統(tǒng)參數(shù)的設計計算 水介質實驗臺共有6條支路分別為300支路，150支路，100支路，50支路，25支路，10支路。計算水介質泵站系統(tǒng)參數(shù)的計算[7]-[9]。 下面以100支路為例，計算缸所需流量。 由于缸的行程為80mm(根據(jù)被測閥體的外形尺寸計算)，設經(jīng)過5s鐘到達。 則，m/s (2-1) 由于活塞密封 L/min 其它支路的流量計算如下表： 表2.1 夾具流量計算表 Table 2.1 table of fixture flux calculation 支路 行程 速度 時間 所需泵的流量 50支路 80 0.016m/s 5s 6.12L/min 25支路 120 0.024m/s 5s 5.76L/min 10支路 40 0.01m/s 4s 1.68L/min 150支路 40 0.016m/s 5s 20L/min 300支路 280 0.014m/s 20s 44.4L/min 所以，選擇液壓泵的流量為50L/min。 下面以100支路為例，計算系統(tǒng)所需的壓力。 由產(chǎn)品樣本可知該支路所控制的閥體的最大工作壓力為1.6Mpa。設計時按照最大工作壓力的1.5倍計算。 100支路夾具使用的O型密封圈的尺寸為d1=115,d2=5.3 矩形槽尺寸 b1=7.1。 o型密封圈的密封原理如圖2-5，圖2-6所示：流體給被測閥的壓力由兩部分構成。一部分為流體直接給被測閥的壓力。另一部分為流體給密封圈的壓力，該力經(jīng)密封圈轉化為密封圈給被測閥的壓力。（這里存在一個壓力傳遞系數(shù)為1.5）。因此，主要是計算兩個力的受力面積。 圖2.2 O型密封圈工作原理圖 Fig.2.2 work principle fig of sealing O-ring 2 1 圖2.3 O型密封圈工作力分析圖 Fig.2.3 power analysis fig of sealing O-ring 流體最大壓力 1.51.6=2.4Mpa 兩處作用面積為 m2 對被測閥體的壓力為 N 設夾具液壓缸的有效作用面積為 設夾具液壓站提供的壓力為2Mpa N (2-2) 從上面可以看出： 所以可以得出結論：夾具能夠完成對被測閥體的夾緊。 對于其它支路可以作如下的計算：具體數(shù)據(jù)見下表2.2： 對于油，氣以及真空介質的閥體，雖然通過的介質不同，但是閥體的工作壓力和水介質是一樣的。所以說，這幾種介質夾具支路各自壓力和流量的計算，參照水介質的計算結果。 表2.2 各支路夾緊力計算表 Table2.2 table of calculation of every clamp power 支路 50 25 300 150 最大工作壓力 1.6Mpa 4Mpa 0.8Mpa 0.8Mpa 對夾具作用力 N N N N 泵站提供壓力 3.4Mpa 2.3Mpa 3.6Mpa 3.2Mpa 夾具夾緊力 N N N N 2.2.2.2 兩位多通試驗臺泵站系統(tǒng)參數(shù)的設計計算 兩位多通夾具只有一套夾具系統(tǒng)，其中涵蓋兩位三通，兩位四通，兩位五通三種閥體。對于它們在外形上的差異，通過更換夾具頭的方法來解決。其泵站所需的壓力和流量的計算方法和上述的方法一致。在這里，只給出最后的計算結果。兩位多通試驗臺泵站所需壓力為2-5Mpa，流量為20L/min。 2.2.2.3 兩位兩通水壓強度試驗臺泵站系統(tǒng)參數(shù)的設計與計算 水壓強度試驗只有一套夾具系統(tǒng)，要測試從φ25—φ300支路的所有閥體。夾具的工作行程為450mm。其液壓夾具本體結構參照水介質100支路結構設計。其泵站所需的壓力和流量的計算方法和上述的方法一致。在這里，只給出最后的計算結果。兩位兩通閥體水壓強度試驗夾具泵站所需流量為40L/min。系統(tǒng)壓力為2-5Mpa。 第三章 電磁閥夾具結構設計 第三章 試驗臺夾具結構 3.1 兩位兩通試驗臺典型支路夾具結構 兩位兩通試驗臺是被測閥中數(shù)量最多，通徑范圍最大的一類閥體。從夾具系統(tǒng)的分類可以知道，該類閥體共有11條支路，受到篇幅所限不可能把所有支路的設計過程完全寫出來，現(xiàn)僅以水介質100支路為例，介紹兩位兩通試驗臺夾具的設計過程。 3.1.1 夾具工作行程的確定 對于水介質100支路的夾具來說，其工作行程是由該支路涵蓋的閥體的外形尺寸差異來決定的。該支路被測閥體外形尺寸見表3.1所示。 表3.1 試驗臺外形尺寸表 Table 3.1 table of valves figure size 兩位兩通閥體 閥體長度 閥體法蘭外徑 連接凸出部分直徑 φ100 350 φ220 φ158 φ80 310 φ200 φ133 φ65 290 φ185 φ122 由表3.1可知，夾具理論的工作行程為60mm?？紤]到被測閥搬運方便，設計夾具的工作行程為80mm。 3.1.2 夾具工作原理 由測試要求可知，夾具需要將被測閥體左右兩側夾緊。為了使得夾具結構相對簡單，將夾具一側作為固定結構，另一側為可移動結構。設計夾具采用液壓夾緊結構，但是其有區(qū)別于普通液壓缸體，主要是由于夾具液壓桿中心要通過介質，需要做成空心結構。其結構原理[10]-[12]圖如下圖所示。 圖3.1試驗臺夾具原理圖 Fig.3.1The principle of solenoid valve fixture 3.1.3 夾具結構 下面應用機械功能優(yōu)化設計方法，來設計兩位兩通試驗臺100支路夾具[13]-[17]結構。 在了解了夾具的工作任務和原理之后，將夾具的功能進行分解。 夾具 主功能 夾緊被測閥 動力功能 液壓驅動 密封系統(tǒng) 密封形式 密封結構 其他功能 運動形式 系統(tǒng)結構 夾具本體 底架 固定夾具頭 圖3.2 兩位兩通試驗臺功能分析圖 Fig.3.2 The function analysis of solenoid valve fixture 根據(jù)功能樹中提出的各種功能，制定功能實現(xiàn)的策略，并構建功能實現(xiàn)策略表。 表3.2 功能實現(xiàn)策略表 Table 3.2 table of function realize strategy 序號 分功能與系統(tǒng)結構 功能實現(xiàn)策略 A B C 1 夾具頭連接形式 螺旋 法藍 2 夾具頭密封圈尺寸d 115 80 65 3 導向形式 整體式導向環(huán) 拆分式導向環(huán) 導向帶 4 動密封密封形式 O形密封圈 Y形密封圈 5 活塞形式 整體式 拆分式 6 缸筒端蓋聯(lián)接形式 法蘭式 螺紋式 7 活塞活塞桿聯(lián)接 焊接 螺紋 8 升降臺驅動形式 電動 液壓 手動 綜合考慮各種因素，從上述表中選擇兩套方案，并通過對指標的綜合評價得到最優(yōu)功能優(yōu)化方案。 方案1：1A-2A-3B-4B-5B-6A-7A-8A 方案2：1B-2A-3C-4B-5A-6B-7B-8B 方案的綜合評價評價指標和加權系數(shù)的確定.從技術性能，經(jīng)濟性能和社會性能3個方面對產(chǎn)品的設計方案進行評價，其中技術性能又由結構性能，工作性能和工藝性能3方面來評價。綜合考慮各個性能指標的重要程度，確定其權系數(shù)。 兩位兩通電磁閥夾具 技術性能0.72 經(jīng)濟性能0.16 社會性能0.12 結構性能0.26 工作性能0.30 工藝性能0.16 造型藝術性0.08 系統(tǒng)可靠性0.18 工效實用性0.18 系統(tǒng)可控性0.12 結構工藝性0.09 機器規(guī)范性0.07 制造經(jīng)濟性0.10 使用經(jīng)濟性0.06 人機安全性0.08 環(huán)境無害性0.04 圖3.3 試驗臺評價目標樹 Fig.3.3 The evaluation object tree of solenoid valve fixture 專家組綜合各個方面的因素，對上述方案各項評價目標進行評分，采用10分制。其對應規(guī)則為：非常好，9-10分；很好，8分；好，7分；較好，6分；一般，5分；尚可，4分；較差，3分；差，1-2分。 表3.3 方案綜合評價表 Table 3.3 table of precept integration evaluation 序號 評價指標 加權系數(shù) 方案1 方案2 1 造型藝術性 0.08 8 0.64 7 0.56 2 系統(tǒng)可靠性 0.18 9 1.62 8 1.44 3 工效實用性 0.18 7 1.26 7 1.26 4 系統(tǒng)可控性 0.12 9 1.08 8 0.96 5 結構工藝性 0.09 6 0.54 5 0.45 6 機器規(guī)范性 0.07 7 0.49 7 0.49 7 制造經(jīng)濟性 0.10 7 0.7 5 0.5 8 使用經(jīng)濟性 0.06 5 0.3 7 0.42 9 人機安全性 0.08 8 0.64 5 0.4 10 環(huán)境無害性 0.04 8 0.32 8 0.32 總評價值（） 7.59 6.80 由于方案1的評價值高于方案2，所以取方案1為產(chǎn)品設計方案。根據(jù)上述的設計方案設計工程圖[29][30][31]如圖3.4所示。 3.1.4夾具相關計算及強度校核 在設計完夾具的結構之后，需要做下述一系列的相關計算和強度校核[18]。其中包括夾具提供夾緊力的計算，液壓夾具行進速度計算，以及各處螺栓強度校核。夾具夾緊力和夾具行進速度已經(jīng)在第二章中給出，現(xiàn)計算校核各處螺栓強度。 首先計算左側端蓋的流體作用力： N 每個螺栓承受的力為： 圖3.4 100支路夾具結構圖 Fig.3.4The structure of 100 spur track solenoid salve fixture 由公式： (3-1) 其中： (3-2) =1.8F N (3-3) 選螺栓等級為4.6級 選M20螺栓。 疲勞強度校核 (3-4) 經(jīng)計算 由于右側端蓋的受力面積小于左側，所以螺栓滿足要求。 3.1.5夾具研發(fā)中關鍵技術的分析 從本章開頭的分析可以看出，夾具設計的主要功用是準確可靠的加緊被測閥體，為系統(tǒng)進行各種測試做必要的準備?？梢哉f，夾具設計的好壞，直接影響到試驗臺測試系統(tǒng)的成敗。密封夾具設計中需要重點考慮的問題，其中包括對被測閥體的密封和夾具本身的密封。在夾具的設計過程中，應用了多處密封圈密封形式，關于密封圈相關理論的研究，將在第四章中闡述。另外，除了使用密封圈之外，結構上采用了多種方法來保證系統(tǒng)的密封。下面重點對機械結構上采用的設計方法進行簡略的分析。 3.1.5.1 夾具和被測閥體同軸度的保證方法 由機械設計相關理論可以看出，保證系統(tǒng)同軸度[19]主要是通過控制機械加工形位公差的方法來實現(xiàn)。在本設計中，認真控制了各個零件的同軸度，垂直度，表面粗糙度等形位公差的大小，從而保證設計精度，受文章篇幅的限制，在這里就不再詳細論述了。另外，機械結構的合理性，也是保證其同軸度的重要因素。下圖為初始設計的夾具本體結構。 圖3.5初始設計夾具結構圖 Fig.3.5 The structure of first designed solenoid salve fixture 從上圖可以看出夾具右端蓋(圖中畫圈的部分)實際上只有密封圈和活塞桿接觸，而右端蓋與活塞桿形成一定間隙。仔細分析結構可以看出，活塞與液壓缸內(nèi)壁的支撐只有活塞導向環(huán)部分，在活塞桿伸出后，形成懸臂結構。由于夾具頭和活塞桿伸出部分自身的重力，必然導致夾具頭有一定程度的下沉。這顯然對密封不利。下圖為改進后的結構。 從圖3.6的結構可以看出，在右端蓋上加支撐環(huán)結構，這樣就能夠解決懸臂的問題。支撐環(huán)可以做成可拆卸的結構，另外在材料上，選青銅可以減小摩擦。這樣做可以解決上述的問題。 支撐環(huán) 圖3.6改進后試驗臺夾具結構圖 Fig.3.6 The structure of ameliorated solenoid salve clamp 從圖3.6的結構可以看出，在右端蓋上加支撐環(huán)結構，這樣就能夠解決懸臂的問題。支撐環(huán)可以做成可拆卸的結構，另外在材料上，選青銅可以減小摩擦。這樣做可以解決上述的問題。 3.1.5.2 液壓缸活塞與內(nèi)筒配合的確定 在液壓缸本體結構的設計中，合理的選取液壓活塞與內(nèi)筒配合[20][21]可以降低系統(tǒng)的內(nèi)泄漏，提高系統(tǒng)的效率。下面分析如何選擇間隙的大小，才能使得平均泄漏量最小。 首先從定性的角度來分析公差等級高低和間隙大小對密封的影響[22][23]。公差等級過低，顯然活塞和缸筒內(nèi)壁較為粗糙會減少接觸面積造成泄漏。但是如果公差等級過高，會使得內(nèi)外表面很難吸附一定的油液，使得液壓缸的磨損加劇，同時加大系統(tǒng)的摩擦力。從間隙大小的角度來說，間隙過大會降低液壓缸的容積效率，但是減小間隙會使系統(tǒng)的摩擦力增加，降低機械效率，從而使得總效率降低。 下面通過理論計算定量的求出最佳間隙的大小。 圖3.7配合間隙分析圖 Fig.3.7 The analysis of assort clearance fixture 設液壓缸內(nèi)筒與活塞的間隙為h，活塞兩端的壓力分別為。假設活塞以速度從左向右運動，根據(jù)牛頓液體內(nèi)摩擦定律[24]： (3-5) 其中：為粘性系數(shù)； du/dy速度梯度，即油層相對速度對油層厚度的變化率 由縫隙在壓差和剪切作用下的速度公式[25]： (3-6) 其中存在兩個邊界條件： 對(3-6)式求導可得 (3-7) 當y=0時，式(3-7)變?yōu)椋? (3-8) 將(3-8)代入(3-6)可得活塞表面上總摩擦力為： (3-9) 由摩擦力引起的功率損失為： (3-10) 由縫隙泄漏造成的功率損失為： (3-11) 總的功率損失為： (3-12) 對(3-12)式求導可得： (3-13) 令可得使總功率損失P最小的值。 (3-14) 這就是理論上推出的最佳間隙值，也就是說在此種狀態(tài)下，液壓缸的平均泄漏量最小。 3.2 兩位兩通試驗臺水壓強度試驗夾具結構 3.2.1 水壓強度試驗夾具的特點 兩位兩通試驗臺的水壓強度試驗由于要求對被測閥體上下左右同時夾緊，并且在一條支路上涵蓋從25—300通徑的所有閥體，所以在結構上區(qū)別于普通的兩位兩通試驗臺夾具。 從四個方向上夾緊被測閥體要求夾具要保持良好的對中性，同時又要防止被測閥體發(fā)生扭轉。另外由于被測閥體外形尺寸差異很大，需要合理的設計夾具的行程和夾具頭的形狀?？梢哉f，它是一套更為復雜的夾具系統(tǒng)。 3.2.2 水壓強度試驗夾具工作原理 固定夾具頭 上部夾緊 夾具 根據(jù)水壓強度試驗的要求和被測閥體的特點，準備采用液壓夾緊和手動夾緊相結合的方式，設計夾具的結構。下圖為水壓強度試驗夾具原理簡圖。 直線導軌 升降臺 底架 圖3.8 水壓強度夾具原理圖 Fig.