試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的研制【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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I ........................................................................................................................................ 緒論 ............................................................................................................................................. 1 言 ...................................................................................................................................... 1 工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)的分析與研究 .............................................................................. 1 工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求 ....................................................................................... 1 課題研究?jī)?nèi)容擬解決的主要問題 .................................................................................. 2 2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 ............................................................................................................. 3 體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) ................................................................................................................... 3 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析 .................................................................................................................. 3 工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 6 驗(yàn)機(jī)的工作原理 .............................................................................................................. 6 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程 .................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的工作原理 .................................................................................................. 8 壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì) .................................................................................................. 8 壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算 .......................................................................................................... 9 壓缸主要參數(shù)的確定 ................................................................................................ 9 壓泵的性能參數(shù)計(jì)算 ............................................................................................. 11 壓元件的選擇 ................................................................................................................ 12 制閥的選擇 ............................................................................................................. 12 助元件的選擇 ......................................................................................................... 14 4 液壓缸主要零部件設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 15 筒 ..................................................................................................................................... 15 筒結(jié)構(gòu) ..................................................................................................................... 15 筒材料 ..................................................................................................................... 15 筒計(jì)算 ..................................................................................................................... 16 塞 .................................................................................................................................... 18 塞結(jié)構(gòu) ..................................................................................................................... 18 塞與活塞桿 的連接形式 ......................................................................................... 18 塞的密封 ................................................................................................................. 18 塞材料 ..................................................................................................................... 20 塞尺寸及加工公差 ................................................................................................. 20 塞桿 ................................................................................................................................. 20 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 活塞桿結(jié)構(gòu) ................................................................................................................. 20 塞桿的材料和技術(shù)要求 ......................................................................................... 21 塞桿的計(jì)算 ............................................................................................................. 21 5 液壓站的設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 23 壓泵站 ............................................................................................................................ 23 壓 泵站的類型選擇 ......................................................................................................... 23 壓油箱及其附件 ............................................................................................................. 23 箱的用途與分類 ..................................................................................................... 23 箱的構(gòu)造與設(shè)計(jì)要點(diǎn) ............................................................................................. 23 箱的容量及計(jì)算 ..................................................................................................... 24 準(zhǔn)油箱的規(guī)格及外形尺寸 ..................................................................................... 25 路板的設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 26 式集成的結(jié)構(gòu)特征 ................................................................................................. 26 路板的設(shè)計(jì)要點(diǎn) ..................................................................................................... 26 路板設(shè)計(jì)說明 ......................................................................................................... 26 結(jié)論 ............................................................................................................................................... 30 致謝 ............................................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 32 充值后就可以下載此設(shè)計(jì)說明書。全套資料包含有相應(yīng)的 明書（附帶：外文翻譯）和 紙（共計(jì) 9 張圖 紙）。 需要全套資料的朋友請(qǐng) 加 1： 1459919609 或 2： 1969043202， 需要其他設(shè)計(jì)題目直接聯(lián)系！??！ 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 1 緒論 言 人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功能。人工關(guān)節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、成型技術(shù)和醫(yī)療等多門學(xué)科的知識(shí)，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對(duì)人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性的研究由于直接關(guān)系到置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床壽命而備受人矚目。人體關(guān)節(jié)屬于身體活動(dòng)的連接機(jī)構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此會(huì) 產(chǎn)生摩擦、磨損和潤(rùn)滑等摩擦學(xué)問題。摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、摩擦磨損特性評(píng)價(jià)以及摩擦過程、磨損機(jī)理的研究都需要進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)。由于摩擦磨損測(cè)試涉及整個(gè)摩擦學(xué)系統(tǒng)，試驗(yàn)時(shí)外部因素（接觸方式、運(yùn)動(dòng)類型、載荷、速度、溫度、時(shí)間、介質(zhì)及環(huán)境氣氛等）和內(nèi)部因素（材料性質(zhì)、表面狀態(tài)、潤(rùn)滑劑性能等）改變時(shí)都會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果發(fā)生變化。近期的研究工作已證明人工關(guān)節(jié)磨損時(shí)產(chǎn)生的磨損顆粒與置換關(guān)節(jié)的無(wú)菌性松動(dòng)有直接關(guān)系。因此，積極開展人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性方面的研究，掌握置換關(guān)節(jié)材料在生物機(jī)體環(huán)境內(nèi)的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關(guān)節(jié)的 開發(fā)中引入摩擦學(xué)設(shè)計(jì)（包括基于生物力學(xué)的關(guān)節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動(dòng)摩擦學(xué)行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機(jī)理及有效識(shí)別等），對(duì)于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長(zhǎng)其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)的分析與研究 人工關(guān)節(jié)的磨損，尤其是人工髖關(guān)節(jié)的磨損，是一個(gè)重要的臨床問題。人工關(guān)節(jié)的磨損不僅能造成關(guān)節(jié)假體本身的破壞而引起機(jī)械性失效，還會(huì)產(chǎn)生大量磨損顆粒引導(dǎo)假體周圍骨溶解。 1965年以來，研究者相繼開發(fā)關(guān)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，曾采用銷盤磨損實(shí)驗(yàn)、環(huán)盤磨損實(shí)驗(yàn)、四球磨損實(shí)驗(yàn) 及塊環(huán)磨損實(shí)驗(yàn)等，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于結(jié)構(gòu)限制無(wú)法進(jìn)行全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦實(shí)驗(yàn)，而且在試件偶副接觸方式提供的運(yùn)動(dòng)形式以及載荷性質(zhì)上，都與關(guān)節(jié)的實(shí)際工況相距甚遠(yuǎn)。因此，要求新的模擬試驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能夠更真實(shí)地模擬人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況及運(yùn)動(dòng)環(huán)境，為不同髖關(guān)節(jié)材料的臨床應(yīng)用提供較為準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 困擾關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要因素是試驗(yàn)機(jī)工位太少。大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)在一次試驗(yàn)過程中只能容納一個(gè)關(guān)節(jié)摩擦副，在這種試驗(yàn)設(shè)備上完成 2× 106～ 3× 106轉(zhuǎn)（相當(dāng)于關(guān)節(jié)假體在病人體內(nèi) 2～ 3年的運(yùn)動(dòng)量）的試驗(yàn)工作需要 2～ 3個(gè)月的 時(shí)間。針對(duì)這一問題，研究者提出了多工位試驗(yàn)機(jī)的概念。到目前為止，有各種多工位試驗(yàn)機(jī)乃至 100工位的試驗(yàn)機(jī)在研究中使用。多工位試驗(yàn)機(jī)可同時(shí)進(jìn)行多副人工關(guān)節(jié)偶件對(duì)比試驗(yàn)，因此試驗(yàn)周期短，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可靠度高。 工髖關(guān)節(jié)假體材料的性能要求 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 人體髖關(guān)節(jié)是受力復(fù)雜的負(fù)重關(guān)節(jié) , 同時(shí)承受拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力以及反復(fù)疲勞、磨損的綜合作用 , 每年要承受 100～ 300萬(wàn)次循環(huán)的體重負(fù)荷 , 并且由于其長(zhǎng)期植入體內(nèi) , 要經(jīng)受體液的腐蝕作用。鑒于特殊的使用環(huán)境 , 對(duì)髖關(guān)節(jié)假體材料的性能提出了很高的要求。臨床 醫(yī)學(xué)認(rèn)為 , 人工髖關(guān)節(jié)作為植入器官應(yīng)具備以下幾項(xiàng)性能 : (1)生物相容性。生物組織相容性要求髖關(guān)節(jié)假體材料不能對(duì)周圍組織產(chǎn)生毒副作用 , 組織對(duì)植入材料無(wú)排斥反應(yīng) ; 生物力學(xué)相容性要求髖關(guān)節(jié)假體材料的彈性模量、強(qiáng)度和韌性與人的皮質(zhì)骨相匹配 , 在負(fù)載情況下 , 髖關(guān)節(jié)假體與所接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào) , 并且植入期間假體材料與周圍的骨組織結(jié)合良好 , 不發(fā)生松動(dòng)和下沉 ; (2)生物摩擦學(xué)性能。要求髖關(guān)節(jié)假體材料的摩損率低 ,磨損顆粒數(shù)量少且對(duì)人體組織無(wú)不良影響 ; (3)抗腐蝕、耐疲勞性能。要求髖關(guān)節(jié)假體材料在人 體環(huán)境中經(jīng)受化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕而不失效 , 在人體循環(huán)疲勞作用下不損傷 ; (4)制備工藝和服役壽命。要求髖關(guān)節(jié)假體材料易于合成和制造 , 便于批量生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè) , 設(shè)計(jì)服役壽命應(yīng)達(dá)到 10～ 20年。 各種人工髖關(guān)節(jié)材料都在不斷的發(fā)展和完善之中 , 但都存在各自的不足之處。要進(jìn)一步改善材料的功能適應(yīng)性 , 延長(zhǎng)其服役壽命 , 提高我國(guó)人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的水平 , 還有諸多研究工作需要完成。 (1)髖關(guān)節(jié)假體材料的表面改性是未來研究的熱點(diǎn) , 需要不斷探索新的表面改性方法 ,在材料表面合理設(shè)計(jì)梯度功能涂層以及智能化涂層是極具潛力的 發(fā)展方向 ; (2) 對(duì)人體髖關(guān)節(jié)生物摩擦行為和潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行研究 , 正確掌握髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式和磨損規(guī)律 , 并有針對(duì)性的開展仿生設(shè)計(jì) ; (3) 完善髖關(guān)節(jié)假體材料性能評(píng)價(jià) 體系。 課題研究?jī)?nèi)容擬解決的主要問題 本設(shè)計(jì)是 根據(jù)人類行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合醫(yī)學(xué)中對(duì)人體關(guān)節(jié)、骨骼力學(xué)性能試驗(yàn)的要求，研制一套 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)及力學(xué)試驗(yàn)臺(tái) 。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素是如何實(shí)現(xiàn)交流加載特征（交流液壓站），使其提供的載荷能在試驗(yàn)室環(huán)境中正確模擬人體下肢關(guān)節(jié)的實(shí)際受力工況，以使試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的加載形式與人 體關(guān)節(jié)實(shí)際使用條件相一致。力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)可以在試驗(yàn)室環(huán)境中準(zhǔn)確、可靠地測(cè)試生物材料的各項(xiàng)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析 體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一，圖 2 圖 2體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 髖關(guān)節(jié)由股骨頭與髖臼相對(duì)構(gòu)成，屬于杵臼關(guān)節(jié)。髖臼內(nèi)僅月狀面被覆關(guān)節(jié)軟骨，髖臼窩內(nèi)充滿脂肪，可隨關(guān)節(jié)內(nèi)壓的增減而被擠出或吸入，以維持關(guān)節(jié)內(nèi)壓的平衡。在髖臼的邊緣有關(guān)節(jié)盂緣附著。加深了關(guān)節(jié)窩的深度。在髖臼 切跡上橫架有髖臼橫韌帶，并與切跡圍成一孔，有神經(jīng)、血管等通過。關(guān)節(jié)囊厚而堅(jiān)韌，上端附于髖臼的周緣和髖臼橫韌帶，下端前面附于轉(zhuǎn)子間線，后面附于轉(zhuǎn)子間嵴的內(nèi)側(cè)（距轉(zhuǎn)子間嵴約 1 厘米處），因此，股骨頸的后面有一部分處于關(guān)節(jié)囊外，而頸的前面則完全包在囊內(nèi)。所以股骨頸骨折時(shí)，根據(jù)其骨折部位而有囊內(nèi)、囊外或混合性骨折之分。髖關(guān)節(jié)周圍有韌帶加強(qiáng)，主要是前面的髂股韌帶，長(zhǎng)而堅(jiān)韌，上方附于髂前下棘的下方，呈人字形，向下附于股骨的轉(zhuǎn)子間線。髂股韌帶可限制大腿過度后伸，對(duì)維持直立姿勢(shì)具有重要意義。此外，關(guān)節(jié)囊下部有恥骨囊韌帶增強(qiáng)， 可限制大腿過度外展及旋外。關(guān)節(jié)囊后部有坐骨囊韌帶增強(qiáng)，有限制大腿旋內(nèi)的作用。關(guān)節(jié)囊的纖維層呈環(huán)形增厚，環(huán)繞股骨頸的中部，稱為輪匝帶，能約束股骨頭向外脫出，此韌帶的纖維多與恥骨囊韌帶及坐骨囊韌帶相編織，而不直接附在骨面上。股骨頭韌帶為關(guān)節(jié)腔內(nèi)的扁纖維束，主要起于髖臼橫韌帶，止于股骨頭凹。韌帶有滑膜被覆， 內(nèi)有血管通過。一般認(rèn)為，此韌帶對(duì)髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)并無(wú)限制作用。 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析 髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但由于股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關(guān)節(jié)盂緣加深，包繞股骨頭近 2/3，所以 關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩二者的面積差甚小，徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 故運(yùn)動(dòng)范圍較小。加之關(guān)節(jié)囊厚，限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度的韌帶堅(jiān)韌有力，因此，該關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性大 ， 而靈活性則甚差。這種結(jié)構(gòu)特征是人類直立步行，重力通過髖關(guān)節(jié)傳遞等機(jī)能的反映。當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲、內(nèi)收、內(nèi)旋時(shí)，股骨頭大部分脫離髖臼抵向關(guān)節(jié)囊的后下部，此時(shí)若外力從前方作用于膝關(guān)節(jié)，再沿股骨傳到股骨頭，易于發(fā)生髖關(guān)節(jié)后脫位。 考慮到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時(shí)股骨頭在髖臼中的運(yùn)動(dòng)軌跡。據(jù)此，首先分析得出人體行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)所做的幾種運(yùn)動(dòng)： 圖 2收 /外展、內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng) 圖 2伸展運(yùn)動(dòng) 說明： 1—— 負(fù)載軸； 2—— 屈曲 /伸展運(yùn)動(dòng)角度； 3—— 內(nèi)收 /外展運(yùn)動(dòng)角度； 4—— 內(nèi) /外旋運(yùn)動(dòng)角度； 5—— 髖臼部分的極軸； L—— 髖臼部分極軸與負(fù)載力線的夾角； N—— 髖臼基底平面與負(fù)載力線的夾角，一 般為 57o～ 63o； ； P—— 當(dāng)內(nèi)收 /外展運(yùn)動(dòng)處于中間位置時(shí)，股骨柄與負(fù)載力線間的夾角； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 1) 內(nèi)收 /外展運(yùn)動(dòng) (: 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。 2) 屈曲 /伸展運(yùn)動(dòng)（ : 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。 3） 內(nèi) /外旋運(yùn)動(dòng)（ : 如圖 2示的髖臼部分與股骨部件間的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。 4) 極軸（ : 指通過髖臼部分內(nèi)球面中心并垂直于髖臼凸緣平面的軸；如果髖臼沒有凸緣，則是指通過款就部件內(nèi)球面中心并垂直于髖臼基；底平面的軸。 結(jié)合實(shí)際參照資料，根據(jù) 體正常行走時(shí)，髖關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)中的主要運(yùn)動(dòng)角度變化如圖 2 變化幅度為 0～ 46o； 變化幅度同為0～ 12o； 位相差π /2； 在足跟離地前 節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 節(jié)拉伸度達(dá)到最大（ 位：秒）。一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)股骨部件各角運(yùn)動(dòng)變化角度如下表 2 表 2個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)股骨部件各角運(yùn)動(dòng)變化 一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)股骨部件各角運(yùn)動(dòng)變化 所占一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí)間的比例（ %）± 1% 0 21 50 62 100 屈曲角（ +）或伸展角（ -）（ o）± 3o 25 25 內(nèi)收角（ +）或外展角（ -）（ o）± 3o 3 7 內(nèi)旋角（ +）或外展角（ -）（ o）± 3o 2 據(jù)圖 2用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機(jī)選取點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算，其結(jié)果如圖 2以看出，這些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點(diǎn)在球體上位置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為交叉狀、多方向性復(fù)合滑動(dòng)摩擦。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 圖 2體步態(tài)運(yùn)動(dòng)步行圖 圖 2取點(diǎn)的滑動(dòng)軌跡 圖 工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 人工髖關(guān)節(jié)假體仿照人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，將假體柄部插入股骨髓腔內(nèi)，利用頭部與關(guān)節(jié)臼或假體金屬杯形成旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)股骨的曲伸和運(yùn)動(dòng)。 圖 2天然髖關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運(yùn)動(dòng)及加工工藝的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。 產(chǎn)品根據(jù)臨床需要，頭部直徑分為 3852隔 2 圖 2工髖關(guān)節(jié) 實(shí)物照片 驗(yàn)機(jī)的工作原理 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)的工作原理是將股骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，通過試驗(yàn)裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī)定的隨時(shí)間變化的負(fù)載及相對(duì)角運(yùn)動(dòng)，股骨頭試件由夾具夾持固定于試驗(yàn)機(jī)主軸上，試驗(yàn)時(shí)載荷的施加由加載油缸完成。向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動(dòng)，并通過花鍵軸帶動(dòng)關(guān)節(jié)頭試件壓向臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強(qiáng)，可滿足試驗(yàn)時(shí)不同載荷要求。圖 2 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 圖 2工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)實(shí)物照片 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程 分析人體髖關(guān)節(jié)受力狀況，模擬關(guān)節(jié)頭試件的前進(jìn)、后退及載荷的施加，通過對(duì)一系列參數(shù)和指標(biāo)的分析，提出運(yùn)用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)頭的前進(jìn)、后退的思想，其設(shè)計(jì)流 程圖如圖 3 圖 3壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 壓加載系統(tǒng)的工作原理 試驗(yàn)機(jī)的液壓加載系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)頭試件的前進(jìn)、后退及載荷的施加，其工作原理圖如圖 3壓系統(tǒng)工作時(shí)，活塞桿的前進(jìn)、后退主要由三位四通電磁換向閥控制。 活塞桿前進(jìn)時(shí) ,三位四通電磁換向閥處于左位，此時(shí)進(jìn)油路線為：油泵→三位四通電磁換向閥→油缸上腔；回油路線為：油缸下腔→三位四通電磁換向閥→油箱； 活塞桿后退時(shí)，三位四通電磁換向閥處于右位，此時(shí)進(jìn)油路線為：油泵→三位四通 電磁換向閥→油缸下腔；回油路線為：油缸上腔→三位四通電磁換向閥→油箱； 三位四通電磁換向閥處于中位時(shí)，油泵卸載，油缸不動(dòng)。 壓加載系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì) 試驗(yàn)時(shí)，開啟電機(jī)并將三位四通電磁換向閥置于左位，活塞桿向下移動(dòng)并帶動(dòng)上試件（關(guān)節(jié)頭）壓向下試件（關(guān)節(jié)窩）。當(dāng)兩試樣接觸時(shí)，調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥并觀察壓力表使油壓滿足試驗(yàn)條件要求。試驗(yàn)結(jié)束后，首先將三位四通電磁換向閥置于中位。由于該閥中位機(jī)能為 時(shí)液壓泵出油口油液直接回油箱卸載。蓄能器為了保持壓力穩(wěn)定，會(huì)向保壓系統(tǒng)供油、補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏。然后將三位四通電磁 換向閥置于右位，開啟電機(jī)，油泵輸出壓力油推動(dòng)活塞上移并帶動(dòng)上試件后退。 分析人體髖關(guān)節(jié)受力、運(yùn)動(dòng)狀況 模擬關(guān)節(jié)頭的前進(jìn)、后退時(shí)載荷的施加 確定關(guān)節(jié)頭步進(jìn)順序，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖 根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，合理選擇液壓元件 復(fù)檢并改善此液壓系統(tǒng) 提出用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制 檢查 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 1 - 油 箱 2 - 過 濾 器 3 - 單 作 用 葉 片 泵 4 - 電 動(dòng) 機(jī)5 - 單 向 閥 6 - 溢 流 閥 7 - 三 位 四 通 電 磁 換 向 閥 8 - 壓 力 表 開 關(guān)9 壓 力 表 1 0 - 加 載 油 缸 1 1 - 電 磁 比 例 溢 流 閥 1 2 - 蓄 能 器圖 3壓系統(tǒng)原理圖 壓系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算 壓缸主要參數(shù)的確定 (1) 液壓缸工作壓力的確定 已知最大實(shí)驗(yàn)載荷 P=1t， 最大壓強(qiáng) 按照初定值取缸的工作壓力為 6 (2) 液壓缸內(nèi)徑尺寸的確定 以無(wú)活塞桿側(cè)作為液壓缸的進(jìn)油腔，則 14×6 100 00×410×π31 ??? 式 （ 式中： D —— 缸筒 內(nèi)徑 ， p —— 液壓缸工作壓力， 1F —— 實(shí)驗(yàn)載荷， N； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 按 2348― 1993將所計(jì)算的 0? 。 (3) 活塞桿直徑的確定 由上知 D = 50 ?? 1 式 （ 式中： d —— 活塞桿直 徑 ， ? —— 速比，根據(jù)壓力， 按 表 3 表 3壓缸安全系數(shù) 公稱壓力 ≤10 >20 ? 2 22 由所定工作壓力 ? 取 0 ??? 按 2348― 1993將所計(jì)算的 d 圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，得 5? 。 (4) 活塞的理論推力和拉力 0 00 04π 21 ?? 式（ 5 00)－d(4π 222 ??式（ (5) 活塞的最大允許行程 活塞行程 S，在初步確定時(shí)，主要是按實(shí)際工作需要的長(zhǎng)度來考慮，但這一工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程。為了計(jì)算行程，應(yīng)首先計(jì)算出活塞桿的最大允許計(jì)算長(zhǎng)度為活塞桿一般為細(xì)長(zhǎng)桿。 當(dāng) 10～ 15） d 時(shí)，由歐拉公式推導(dǎo)出 ： 式（ 式中： I —— 活塞桿橫截面慣性距， 圓截面 4 40 . 0 4 964?d —— 活塞桿直徑， n —— 液壓缸末端條 件 系數(shù) ； 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力， N； F —— 活塞桿的縱向壓縮力， N； 安全系數(shù)，通常6； 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 E —— 材料的彈性摸數(shù)，鋼材的 25 /101.2 ? ； 將數(shù)據(jù)代入并簡(jiǎn)化后 1 0 6 9 m =125不會(huì)出現(xiàn)確定的行程與設(shè)計(jì)的活塞桿直徑相矛盾，達(dá)不到穩(wěn)定的要求 ，因此 無(wú)須對(duì)活塞桿進(jìn)行修正。 (6) 缸筒 長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 20～ 30倍。 即： ?L （ 20～ 30） D 式（ ＝ 1000～ 1500 式中： L—— 液壓缸缸體長(zhǎng)度 ， 實(shí)際液壓缸的長(zhǎng)度為 225滿足要求。 由此確定： 液壓缸的公稱壓力 P= 液壓缸的內(nèi)徑 D=50 活塞桿直徑 d=25 活塞桿行程 S=125 壓泵的性能參數(shù)計(jì) 算 （ 1）確定液壓泵的最大工作壓力??1p 式中 1p —— 執(zhí)行元件的最高工作壓力； p?? —— 執(zhí)行元件進(jìn)油路上的壓力損失，初定 p?? = 執(zhí)行元件的工作情況可知 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， ??? 假使液壓泵的最高工作壓力為額定壓力，則 p ??? 2）確定液壓泵的最大流量qK≥q ?式（ 式中— 同時(shí)動(dòng)作的個(gè)執(zhí)行元件所需流量之和的最大值； K —— 泄露系數(shù)，一般取 K =這里取 K =定系統(tǒng)最大流量為理論流量 qm a x L??，則 L /m .1≥。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 （ 3）選擇液壓泵的規(guī)格型號(hào) 由于 葉片泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，排量范 圍大，壓力流量脈動(dòng)小，噪聲低，壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于機(jī)床設(shè)備和其他中低壓液壓系統(tǒng)中。因此本液壓系統(tǒng)中選擇 單級(jí)葉片泵 。 其葉片泵的型號(hào)和參數(shù)指標(biāo)如表 3 表 3片泵的型號(hào) 型號(hào) 流量 額定壓力 轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)功率 重量 0L/450r /（ 4）選擇電動(dòng)機(jī)的規(guī)格型號(hào) 液壓泵的電動(dòng)機(jī)功率 P ?? 式（ 式中： P —— 電動(dòng)機(jī)功率， p—— 液壓泵最大工作壓力， 液壓泵的輸出流量， ； p?—— 液壓泵總效率，估取 電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和參數(shù)指標(biāo)如表 3 表 3動(dòng)機(jī)的型號(hào) 型號(hào) 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 同步轉(zhuǎn)速 極數(shù) .2 420r /500r / 壓元件的選擇 制閥的選擇 1、 三位四通電磁換向閥 型號(hào)： 34徑： 6定流量： 25 L / 力： 接方式：板式連接 重量： 4、溢流閥 型號(hào)： 徑： 10定流量： 63 L / 州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 調(diào)壓范圍： 接方式：板式連接 重量： 、電磁比例溢流閥 型號(hào)： 徑： 10定流量： 63 L / 壓范圍： 接方式：板式連接 重量： 3.2 、壓力表開關(guān) 型號(hào)： 2E 通徑： 8定流量： 10 L / 力： 350接方式：板式連接 5、截止閥 型號(hào)： 徑： 10 力： 20 接方式： 螺紋 連接 6、單向閥 型號(hào)： 徑： 3力： 25 定流量： 30 L / 接方式： 管式聯(lián)接 各液壓元件規(guī)格參數(shù)如表 3 表 3選液壓元件規(guī)格參數(shù) 元件名稱 型號(hào) 通徑 壓力 額定流量 連接方式 重量 三位四通換向閥 345L/式連接 4流閥 03L/式連接 磁比例溢流閥 03L/式連接 力表開關(guān) 2E 8500L/式連接 截止閥 00螺紋連接 單向閥 50L/式聯(lián)接 州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 助元件的選擇 1、 吸油 過濾器 型號(hào)： 5× 180L 通徑： 15定流量： 25 L / 濾精度： 180 力損失：〈 、蓄能器 型號(hào)： 徑： 40力： 10接方式： 螺紋聯(lián)接 3、空氣過濾器 型號(hào)： 氣過濾口徑 ： 25油流量 ： 9L/氣流量 ： 65L/氣過濾精度： 過濾精度： 125μm 4、管接頭 型號(hào)： 966徑： 15接方式： 螺紋聯(lián)接 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 4 液壓缸主要零部件設(shè)計(jì) 筒 筒結(jié)構(gòu) 缸筒結(jié)構(gòu)通常根據(jù)缸筒與端蓋的連接型式選用，而連接型式又取決于額定工作壓力、用途和使用環(huán)境等因素。 常見的缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)如圖 4 圖 4體與缸蓋的連接結(jié) 構(gòu) a) 法蘭式連接，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易加工，易裝卸，但是要求缸筒端部有足夠的壁厚，用以按裝螺栓或旋入螺釘。缸筒端部一般用鑄造、鐓粗或焊接方式制成粗大的外徑，它是常用的一種連接形式。 b) 半環(huán)式連接，分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式，半環(huán)連接工藝性好，連接可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，但削弱了缸筒強(qiáng)度。半環(huán)連接應(yīng)用十分普遍， 常用于無(wú)縫鋼管缸筒與端蓋的連接中。 c) 螺紋式連接，有外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩種，其特點(diǎn)是外徑小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，但缸筒端部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝卸時(shí)要用專門的工具，這種連接形式一般用于要求外形尺寸小，重量輕的場(chǎng)合。 d) 拉桿式連接，缸體最易加工，最易裝卸，結(jié)構(gòu)通用型大，但端蓋的體積和重量較大，拉桿受力后會(huì)拉伸變長(zhǎng)，影響密封效果。 e)焊接式連接，強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但焊接時(shí)易引起缸筒變形。 本設(shè)計(jì)中缸體、前缸蓋采用焊接式連接；缸體、后缸蓋采用法蘭式連接。 筒 材料 缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和 沖擊韌性，能承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 壓力而不產(chǎn)生永久變形；有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不產(chǎn)生彎曲。 需要焊接的缸筒還要求有良好的可焊性，以便在焊上法蘭或管接頭后不至于產(chǎn)生裂紋或過大的變形。 本設(shè)計(jì)中，缸筒采用 35號(hào) 鋼，機(jī)械預(yù)加工后再 調(diào)質(zhì) 到 241～ 285前端蓋采用 底采用 筒計(jì)算 (1) 缸筒內(nèi)徑 的確定 由前面計(jì)算得到：缸筒內(nèi)徑 0? 。 (2) 缸筒壁厚計(jì)算 缸筒壁厚 δ為： 210 ?? ??關(guān)于0?的值，可按下列情況分別進(jìn)行計(jì)算： 當(dāng) ?D? 時(shí)，可用薄壁缸筒的實(shí)用計(jì)算式： δ m 式 （ 顯然過小 ； 當(dāng) D/? = 用實(shí)用公式： a xm a ??? ???? ??考慮到 1c 和 2c ， 取壁厚為 5此時(shí) ?D? 式中： 0?—— 為缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值， m； 1c —— 為缸筒外徑公差余量， m； 2c —— 腐蝕余量， m； D —— 缸筒內(nèi)徑 ， m； 缸 筒內(nèi)最高工作壓力， p?—— 缸筒材料的許用應(yīng)力 ， ?? ?； b?—— 缸筒材料的抗拉 強(qiáng)度， (3) 缸筒壁厚驗(yàn)算 額定工作壓力 以保證工作安全： 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 ? ?M P 0 . 0 6×320×