大型油缸冲击试验台结构总体设计

大型油缸冲击试验台结构总体设计
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中南大学
本科毕业论文（设计）
题目大型油缸冲击试验台结构总体设计
学生姓名
指导教师
专业班级机电工程试验班
完成时间
摘要
根据企业的需要，本课题通过比较已有的中小型油缸试验台，对油缸冲击试验台进行设计，使其可用来测试大型油缸的性能、寿命等各项参数指标。

此实验台要求可实现最大缸径280mm、试验长度～8m及试验压力3～70MPa的工况，可承受最大推力4300kN，最大拉力2500kN，其主要包括主机、液压系统和电控系统三大部分，而课题侧重的是主机的结构设计，其用于安装被测油缸并承受试验所产生的推力和拉力。

本文对主机的方案进行分析和比较，并确定选用中间受力的设计方案。

主要对主机的主机构、运动机构、主机架、试验工装进行了详细设计。

出于安全方面考虑，本文还对试验台主要部件进行了强度校核，这为试验台的设计和优化提供了一个参考。

关键词：油缸冲击试验台结构设计
Abstract
Comparing the existing small and medium-sized cylinder test-beds, a long and larger-sized cylinder test platform, which is used to test the various parameter index of long and big-sized cylinder, such as the performance and life, is designed to satisfy the requirements of enterprise in this paper. The working conditions that the platform is required to achieve include the maximum cylinder diameter (250mm), the test pressure (from to 8m), and the test pressure (from 3MPa to 70MPa).In addition, the platform should withstand the maximum thrust (4300kN) and tension (2500kN). The test platform mainly consists of main body, hydraulic pressure system, and electric-controlling system, and the main focus of this subject here is the structural design of the main body, which is used to install the cylinder tested and withstand thrust and tension generated during the test. Firstly, the paper analyses and compares the implementation alternatives of the main body, and determine to choose the design scheme of receiving stress in their middle parts. And then, a detailed design about the main body would begin, such as the main mechanism, the movement mechanism, the main frame, and the test equipment. Finally, for safety reasons, the intensity checking of the critical pieces is carried out in this paper.
Keywords: cylinder impulse test platform structural design
目录
摘要.................................................................................................................错误!未定义书签。

Abstract............................................................................................................错误!未定义书签。

第1章绪论......................................................................................................错误!未定义书签。

液压及油缸试验台的发展.......................................................................错误!未定义书签。

液压油缸实验台国内外现状...................................................................错误!未定义书签。

国内现状 .........................................................................................错误!未定义书签。

国外现状 .........................................................................................错误!未定义书签。

液压油缸平台的发展趋势.......................................................................错误!未定义书签。

课题来源、要求及意义.........................................................................错误!未定义书签。

课题来源 .......................................................................................错误!未定义书签。

课题要求 .......................................................................................错误!未定义书签。

课题意义 .......................................................................................错误!未定义书签。

本课题的主要内容.................................................................................错误!未定义书签。

第2章大型油缸试验台方案选择及结构设计..............................................错误!未定义书签。

油缸试验方法 ........................................................................................错误!未定义书签。

试验装置 .......................................................................................错误!未定义书签。

测量准确度 ...................................................................................错误!未定义书签。

试验用油液 ...................................................................................错误!未定义书签。

试验项目和试验方法 ...................................................................错误!未定义书签。

大型油缸试验台方案选择.....................................................................错误!未定义书签。

仿韩国福临型试验台 .....................................................................错误!未定义书签。

中间受力型试验台 .........................................................................错误!未定义书签。

结构设计 ................................................................................................错误!未定义书签。

大梁的设计 ...................................................................................错误!未定义书签。

圆锥销及锥套的设计 ...................................................................错误!未定义书签。

活动轴的设计 ...............................................................................错误!未定义书签。

主机构拉紧螺栓及铰接螺母设计................................................错误!未定义书签。

焊接件的设计 ...............................................................................错误!未定义书签。

试验台的装配及功能介绍.....................................................................错误!未定义书签。

试验台的装配 ...............................................................................错误!未定义书签。

试验台试验工装 ...........................................................................错误!未定义书签。

第3章结论......................................................................................................错误!未定义书签。

致谢 ...................................................................................................................错误!未定义书签。

参考文献............................................................................................................错误!未定义书签。

第1章绪论
液压及油缸试验台的发展
液压传动作为不同于机械传动的一门新技术，从1650年静压传递原理被帕斯卡提出、1850年英国人在液压起重机和压力机中运用帕斯卡原理开始，液压传动已经有了两三百年的历史。

早期的液压传动大多用水作为介质，因此油缸也叫做液压缸。

最早在舰艇上的炮塔转位器用水代替油取得成功，其后才有了液压转塔车床和磨床。

在第二次世界大战期间，将功率大、反应快、动作准的液压传动和控制运用在兵器后，使其性能大大的提高。

这一举动不但带给人们新的认识，而且对液压传动的发展有了很大的提升，战争其实有时候在科技发展上会带来意想不到的结果。

在工业上的大力运用是在20世纪中后期才开始的。

20世纪60年代后，随着计算机、微电子及科学技术的大力发展，使液压传动包括传动、控制、检测成为一门完整的技术，使他在国防建设、国民经济发展等各方面都得已应用。

液压传动在其自己的领域内已占有绝对优势，例如，国内外大多数工程机械、90%的机床、95的自动化生产线采用了新技术液压传动。

因此，使用液压传动现在已成为一个国家工业、军事的重要衡量指标之一【1～4】。

作为液压系统主要执行元件之一的油缸，它的性能将会直接影响到液压系统的可靠性，更进一步将会影响液压设备的正常运行和维护，因此需要通过测试台检测其性能是否达到技术要求[5]。

随着科学技术的迅猛发展,液压行业对油缸综合性能的要求也随着提高,对油缸性能的检测与试验成为保证液压系统正常运转的可靠保障。

最近十几年高端油缸市场几乎被德美日所垄断,导致这种结果的一个主要原因就是我国的油缸试验台比较落后，在油缸检测方面落后,让我国液压缸产品质量降低，发展较慢。

近几年随着我国经济的快速发展，对科学技术的重视，在油缸检测及实验方面有了很大的提高，在这里让大家见证一个实例：地处长沙的三一重工收购了曾近在重型机械遥遥领先于世界的德国普茨迈斯特（大象公司）。

随着工程机械技术的不断发展，油缸作为工程机械中一个非常重要的部件，对使用时的密封性、安全可靠性和使用寿命也有了更高要
求。

一些存在质量问题油缸的出厂，不仅为客户造成了很大损失，而且也为日后种下了安全隐患。

油缸试验平台作为油缸唯一的试验平台，随着近几十年科技的发展，液压系统更加的趋向于完美，对他的要求也越来越严格，国家制定的《油缸试验方法》GB/T 15622-1995也更新为GB/T15622-2005。

油缸试验平台也随着油缸的发展步步高升。

液压油缸实验台国内外现状
国内现状
国内油缸试验台的发展可谓突飞猛进，在不到十年的时间内，专门做油缸试验台的厂家犹如雨后春笋，冒出了十多家，我认为徐州力成液压设备有限公司做的比较好、比较全。

徐州力成液压设备有限公司借助徐工集团工艺研究所和江苏省机电研究所改制机会，一些长期从事非标设备和专用工艺装备设计制造的主要工程技术人员从中脱离了出来，于2003年成立了专业从事各种专用液压设备研发、设计、制造的科技型股份制企业—徐州力成液压设备有限公司。

介绍几款他们的产品。

1）油缸装配试验一体机
油缸装配试验一体机(见图1-1）是在装缸机上先对油缸进行装配，装配完成后，接着就在装缸机上进行试验。

该机主要由液压试验单元和装缸机组成，装缸机不仅具有装缸的作用，还作为试验台架使用。

这种设备的配置最大的优点是占用场地面积小，购置上节省了试验台架的费用；最大的缺点是在装缸时不能试验，试验时不能装缸，工作效率低。

所以该种设备主要适用于油缸的维修、新品试制、非批量油缸的装配试验，批量油缸装配试验很少采用。

2）伸臂类油缸模拟工况动态加载试验台
伸臂缸模拟工况动态加载试验台（见图1-2）主要用于起重机伸臂油缸在最高工作压力下运行时的全行程加载试验，同时也可用于伸臂类油缸的模拟加载试验和常规出厂试验。

主要性能参数试验系统最大试验流量：200 L/min；试验系统最大试验压力：35MPa；加载系统最大流量：25 L/min；加载系统最大压力： 20MPa；试验油缸最大行程：9000mm.
图1-1 油缸装配试验一体机
图1-2 伸臂类油缸模拟工况动态加载试验台
3）油缸型式试验台
油缸型式试验台（见图1-3）主要用于油缸型式试验，依据GB/T 15622—2005《液压缸试验方法》中的相关要求，能满足液压油缸型式试验要求的有关项目。

如：1）试运转；2）起动压力特性试验；3）耐压试验；4）泄漏试验（内泄漏、外泄漏）；5）缓冲试验；6）负载效率试验；7）高温试验；8）耐久性试验；9）行程检查。

同时可满足主油缸的防尘、防水、支腿油缸的偏载试验等；试验台主要性能参数：系统试验压力：兆帕，最高试验压力：50兆帕；系统容积补偿流量: 65L/min，耐久性工作流量：1440 L/min，循环冷却系统工作流量：200L/min，高温试验最大流量：65L/min；耐久性试验时无杆腔运行速度最高可达到 M/S(缸径Φ160)；测试液压缸最大行程为3000mm（包括泵送、起重机、港机、路机、煤机、桩机、履带吊等系列油缸）；测试液压缸最大缸径为Φ320mm；最大输出力为3500kN；试验台电机总功率：；试验台设置单独的过滤系统，过滤系采用三级过滤，最精密级为5um；试验台可满足B级测试精度。

图1-3 油缸型式试验台
另外还有其他几家公司的产品及简介，如泰安永泰机械设备有限公司实验台（见图1-4）依据《GB/T15622-2005液压缸试验方法》的要求，可对液压缸型式试验和出厂试验的规定项目进行检测。

为了满足液压缸试验较宽的压力和流量范围的要求，根据试验实际工况最佳分配功率，降低能耗，系统选用高压小流量柱塞泵和低压大流量齿轮泵搭配；当液压缸启动运行时，低压大流量齿轮泵运行，满足运动速度的要求，当油缸到达行程终点时，低压齿轮泵卸荷, 高压柱塞泵运行，满足系统高压的要求。

试验台采用比例溢流阀控制，在操作台上可以远程调节液压系统的压力、流量等参数，调节的压力、流量通过操作台上的数显仪表显示，方便读取。

本试验台配备了加载装置，可对液压缸的负载性能进行全面检测，最大加载载荷500KN。

试验台主要技术参数：1、最高额定压力：32Mpa2、系统总的流量：55 L/min
图1-4 泰安永泰油缸试验台
国外现状
1994年成立的韩国富林机械有限公司在液压测试方面有很高的造诣，也是目前国外在这方面拥有比较领先的技术。

其产品有很多种类，设备很齐全。

现列出其中一二，因资源问题，对产品只有简单介绍。

1）、一般油缸试验机（见图1-5）：600 Bar 2 Line D50 - D250 * 5M；2）、标准油缸试验机（见图1-6）：600 Bar 2 Line D32-D150；3）、超大型特殊油缸试验机（见图1-
7）:450 LPM D10M；4）、挖掘机油缸试验机（见图1-8）：188 lpm * 210 bar 2 line；5）、超大型油缸试验机（见图1-9）：900 Lpm * 350 Bar-750 Bar Impulse Pre；6）、黑色化试验机（见图1-10）。

图1-5 一般油缸试验机图1-6 标准油缸试验机
图1-7 超大型特殊油缸试验机图1-8 挖掘机油缸试验机
图1-9 超大型油缸试验机图1-10 黑色化试验机
液压油缸平台的发展趋势
1）高压化是液压油缸发展的主要趋势之一。

由于重型机械的发展较快，如混凝土搅拌站、大型起重机械、地下工程机械等，他们都有压力要求高、实际安装空间小的特点，尽可能提高单位空间的油缸压力不但解决了这一难题，而且为油缸的发展带来了提升。

想要解决高压化这一难题，当然与材料技术的发展有很大的关系，只有解决了油缸材料问题才能根本上解决高压化问题。

随着油缸的高压化，对其测试及试验的提高随之而来。

因为高压就代表着危险，只有有了高质量高性能的试验台才能试验检测高压化油缸，油缸才敢在实际生活中运用
2）极端发展。

随着世界机械向两端发展即微小型和超大型，所需的配件也有向两极发展的趋势，而现代重型机械95%使用液压系统，作为液压系统的主要执行元件之一的液压缸也有向更大更长发展的趋势。

油缸试验台作为油缸各项指标的测试的一个平台，他的发展改进也势在必行。

3）智能化。

无论微小型的还是超大型的油缸试验要求安全准确智能，因此实验平台将可能会向智能型自动化方向发展。

通过和微电子、计算机、机器人等有机的结合，有一天将有可能实现无人自动化，智能分析数据，自动修复油缸所存在的问题。

课题来源、要求及意义
课题来源
对于工程实验班的毕业设计由学校、学院领导制定的方案：校企联合培养，让学生更早的了解企业项目。

三一重工及他的客户需要用更大更长的油缸，而油缸作为工程机械中一个非常重要的部件，对使用时的密封性、安全可靠性和使用寿命有很高要求。

对其的检测也显得更加重要。

由于引进的韩国富林油缸冲击试验台可试验油缸长度和缸径偏小、主要零部件使用寿命较低，现需求研制一台可试油缸更长更大的冲击试验台。

本课题要求设计的大型油缸冲击试验台，用于油缸生产企业对较长较大的油缸进行2倍额定压力的冲击试验，可实现在几秒钟的时间内，使缸内压力由3MPa升高至70MPa，并且两腔交替升压降压。

还具备每试验到一定次数后进行内泄漏测试等功能。

试验台分主机、液压系统和电控系统三大部分。

主机用于安装被试油缸，并承受试验所产生的推力和拉力。

液压系统提供高压油，交替输送到被试缸的活塞腔和活塞杆腔，并维持油液的温度和清洁度。

其工作原理是液压系统向某一腔供油，当压力达到压力传感器所设定的压力时，如
70MPa，工控机发出指令，控制电磁换向阀、增压缸等动力元件，是该腔泄压并转向另一腔供油，不断循环。

本设计要求对大型油缸冲击试验台主机进行总体方案设计，包括主机架、活动机架、试验工装等。

主要设计任务及参数：
1、查阅相关文献，翻译一篇相关的英文科技文献；
2、完成大型油缸冲击试验台主机总体方案设计，主要设计任务及参
数：
可试油缸直径：280mm；可试油缸长度：6m（耳环型安装距）；最大试
验长度：≥8m；试验压力：3-70MPa；
3、机架承受最大推力：4300kN；最大拉力2500kN；
4、最大试验容积：130L；最长升压时间：≤6s；
5、完成2-3种结构方案的机架方案设计，并比较其优劣，包括在相
同强度和刚度条件下的重量、制造难度、可靠性、试验长度调整和试验
工装装拆的方便性。

6、完成大型油缸冲击试验台主机总体装配图，以及主要零部件的工
程图；
7、图纸数量折合标准图纸不少于4张A1图纸。

油缸试验台是为了检测油缸是否有问题存在，能否达到要求。

如油缸活塞杆和缸筒的偏心就是油缸普遍存在的问题，此问题比较严重的油缸当重复使用后，部件之间的公差将变得更大，，，，J. Freire, ，等人专门针对这一问题发表了论文《位移对液压缸负载能力的影响》，他们通过大量实验已证明此问题会大大降低了动力缸的负载能力；油缸摩擦问题也是普遍存在的问题【5,6】。

只有有了高质量的试验台等设备，才能尽可能降低让此类问题。

液压系统中作为重要的执行元件之一油缸，他性能的好坏将直接影响液压系统的性能，更加会影响到设备的运行维护，用油缸试验平台测试并记录数据，通过现代技术分析数据而获得油缸的全部指标，这样就可以预防由于油缸而出现的问题，大型油缸实验平台可测试的油缸长度、缸径都变长变大，这样对于需要用大型油缸的机械，如大型起重机，煤矿液压支架等等。

而目前全国液压平台大多适用于中小型油缸，此设计对于大型油缸的测试有一定的作用。

本课题的主要内容
本论文的研究方案见图1-11.
图1-11 课题研究方案
全文共四章，各章的主要内容简述如下：
第一章绪论，对液压、油缸、油缸试验平台进行了简单的介绍，综述了国内外目前油缸实验平台的研究现状及发展，以及对课题的来源、任务、意义作简短的介绍。

第二章为主体，设计2-3种方案，选择呢最优的一种，通过课题给定的参数来计算设计结构，用pro e做三维图，cad做二维图。

第三章为结论，反映设计的特点、结果和理论见解。

第2章大型油缸试验台方案选择及结构设计油缸试验方法
根据国标【GB/T 15622-2005】，制定以下实验方法。

试验装置
液压缸试验装置如图2-1和2-2.
图2-1 加载缸水平加载试验装置
图2-2 重物模拟加载试验装置
测量准确度
测量准确度采用B、C两级。

测量系统的允许系统误差应符合表1-1的规定。

表2-1 测量系统允许系统误差
测量参数测量系统的允许系统误差B级C级
压力
在小于表压时/kPA
在等于或大于表压时/%
温度/
力/%
流量/%
试验用油液
1）粘度油液在400C时的运动粘度为29mm2/s～74mm2/s。

注：特殊要求除外。

2）温度除特殊规定外，型式试验应在500C20C下进行；出厂试验应在应在500C40C下进行。

出厂试验允许降低温度，在150C～450C范围内进行，但检测指标应根据温度变化进行调整，保证在500C40C时能达到产品标准规定的性能指标。

3）污染度等级试验系统油液的固体颗粒污染等级不得高于GB/T14039规定的19/15或-19/15【8】.
4）相容性
试验用油液应与被试液压缸的密封件材料相容。

试验项目和试验方法
1）试运行为了完全排除液压缸内的空气，需调整被测油缸试验系统压力，是被试液压缸在无负载工况下启动，并全行程往复运动数次【9】。

2）启动压力特性试验试运转后，在无负载工况下，调整溢流阀，使无杆腔（双活塞杆液压缸，两腔均可）压力逐渐升高，至液压缸启动时，记录下的启动压力即为最低启动压力。

3）耐压试验使被试液压缸活塞分别停在行程的两端（单作用液压缸处于行程极限位置），分别向工作腔施加倍的公称压力，型式试验保压2min；出厂试验保压10s【10】。

4）耐久性试验在额定压力下，使被试液压缸以设计要求的最高速度连续运行，速度误差为10%.一次连续运行8h以上。

在试验期间，被试液压缸的零件均不得进行调整。

记录累计行程【11,12】。

5）泄漏试验 a、内泄漏：使被试液压缸工作腔进油，加压至额定压力或用户指定压力，测定经活塞泄漏至未加压腔的泄漏量。

b、外泄漏：检查缸体各静密封处、结合面处和可调节机构处是否有渗漏现象。

在试验过程进行下列检测：
a）检查油缸在运动中是否振动或爬行；
b) 以活塞杆的密封处油液泄漏情况为依据。

在试验结束的时候，观看活塞杆上的油膜，应该不能够形成油环或油滴；
c）在全部静密封处，不应该有油液泄漏；
d）如果是焊接结构的液压缸，应该查看焊缝处有没有油液泄漏【13】。

6)缓冲试验将被试液压缸工作腔的缓冲阀全部松开，调节试验压力为公称
压力的5000，以设计的最高速度运行，检测当运行至缓冲阀全部关闭时的缓冲
效果。

7)负载效率试验将测力计安装在被试液压缸的活塞杆上，使被试液压缸保
持匀速运动，按下式计算出在不同压力下的负载效率，并绘制负载效率特性曲
线，如图2-3.
η=100%
图2-3 负载效率特性曲线
8）常温试验在额定压力下，向被试液压缸输人90℃的工作油液，全行程
往复运行1小时。

9）行程检验使被试液压缸的活塞或柱塞分别停在行程两端极限位置，测
量其行程长度【14】。

大型油缸试验台方案选择
设计一件产品时其方案选择虽然加重了设计者的负担，但通过方案选择会
让设计者知道只设计一种时所想不到的问题。

在每次设计机械时，方案选择是
一个必不缺少的环节，是保证产品可靠、安全的前提。

仿韩国福临型试验台
因三一重工已经引进韩国富临的油缸试验台，如图1-9，次试验台的可试长度5m，试验压力最高可达70m，最高受力2500kN。

但目前所需的试验平台可试油缸长度达到了6-8m，总推力更加达到了4300kN。

这种仿韩国福临的实验平台（如图2-4）机架总长14m，因制造问题只能分两段制造。

表面有槽型钢加螺栓联接，通过螺栓的强度承受推力和拉力。

图2-4 仿韩国福临型试验台
优点：1）台面键槽和孔位韩国福临的油缸试验台一致，可实现工装通用，节省资源；2）油缸支座的开档宽度可调节，以适应不同的油缸；3）结构简单容易操作；4）装配方便。

缺点：1）重量较大；2）两端受力，适用于中小型油缸试验，对于大型油缸产生的大力容易形成弓形，试验台寿命短，如图（2-5）；3）大型油缸的缸径变大时a变大力偶M=Fa变大导致试验台主机架表面弓形加剧。

图2-5 受力分析图
中间受力型试验台
中间受力型试验台（图2-6）用大梁式主机，此方案思路来源于徐州力成液压设备有限公司的油缸式试验台（图1-3），明显改善了机架受力状况，在提高强度和刚度的同时可减轻重量，尤其最大单件的起重量。

图2-6 中间受力型试验台
这种油缸试验台总长11米，比上面仿韩国的试验台短了3m，支撑有3个，通过计算就可以满足要求。

根据所测油缸的不同，其主机构固定不动，通过移动
活动机构的位置就可以满足最短300mm，最长8100mm的油缸，其油缸最大外径可以达到950mm。

此试验台的受力如图2-7.
图2-7 大梁式试验台受力分析
油缸支撑用一个活动机构和一个主机构，两个机构都是通过圆锥销固定在大横梁上，衡量为的型钢打孔而成。

通过两种方案的比较，认为第二种方案在相同刚度和强度下的重量、制造难度、可靠性、试验长度调整方面更加好一点。

其缺点就是试验工装装拆不是很方便，需借助车架行车等设备，但油缸的每次试验周期比较长，因此此缺点可以忍受。

结构设计
结构设计对于此论文是重中之重，也是关键所在，首先在设计大型油缸试验台时要考虑设计的经济型要求。

经济性体现在设计、制造和使用的全过程中。

设计制造表现为成本低；使用表现为高效率，较少地消耗能源，以及简单的管理和低的维护费用等【15】。

提高设计经济性和制造经济性的指标主要有：1）运用先进的设计方法，使设计最优化，尽可能使设计计算结果精确，保证产品的可靠性。

尽可能采用Pro/e，CAD，有限元等技术，提高设计进度，减小设计成本。

在较大公司如三一重工，他们都有自己的资料库，像pro/e这些软件除了本身带的功能外，为了更好的使用，有专门的队伍进行研究，这样就使设计的质量速度更好更快。

最近几年企业对有限元仿真的运用已普及，尤其是
重型工程产品的研发，用仿真软件不但提高了设计精度，设计速度，而且提高了产品的安全。

2）最大限度地使用标准化的和系列化的零、部件。

在条件允许的情况下，尽量采用标准化尺寸及结构设计零件。

使用标准化可以不但减少设计时间及成本，而且使产品大众化，能让客户有更好的使用体验。

3）尽量使用新的材料、新的技术、新的结构、新的工艺来设计产品。

最近几年各种新的技术突飞猛进，如计算机、生物学等，他们几乎带动了全部的科学技术，这也导致产品的更新换代速度增加，而且让产品更加完美。

由于材料技术的大力发展，设计的时候选材也成了门学问技术，恰当的选择材料不仅使设计最优化，而且可以让产品更轻更小或者更大更重。

4）为了是零件用料少、易加工、方便装配，尽可能改善零件的工艺性【16】。

试验台的可靠性需要依靠组成他的零、部件的可靠性及系统构成来保证。

试验台和零件的可靠度是指在规定的使用时间（寿命）内和预定的环境条件下，能够正常完成其功能的概率。

失效的发生都是随机性的，造成失效的原因也是随机的，在于那些衡量零件工作条件的数量指标的随机性。

例如零件所受的载荷、环境温度等不可能永远是恒定的，而是随机变化的；零件本身的物理及机械性能也是随机变化的。

5）材料经济性材料经济性其主要表现有以下几个点：
a．材料的本身相对价格。

b．材料加工方面的费用。

c．材料利用率。