人工關(guān)節(jié)仿生試驗機液壓加載系統(tǒng)的設計

人工關(guān)節(jié)仿生試驗機液壓加載系統(tǒng)的設計,人工關(guān)節(jié)仿生試驗機液壓加載系統(tǒng)的設計,人工關(guān)節(jié),仿生,試驗,實驗,液壓,加載,系統(tǒng),設計 摘要 當今世界，由于各類的交通肇事，病理原因引起的骨骼的壞死或者病變，使得很多人都有骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)炎、風濕、骨質(zhì)增生等問題，困擾著很多的家庭。為了幫助這一類人，使其的生活更加便捷，很多的科學家在研究人體關(guān)節(jié)的更換實驗。對關(guān)節(jié)的研究使得對人體摩擦方面也取得了不小的成果，以至于對人體關(guān)節(jié)的置換方面也取得的很大的成績，患者的痛苦得到變小。 其中最為重要的是液壓以及試驗臺這兩個部分。首先通過查閱資料了解了大概的設計范圍，大致有傳動部分和動力部分以及最后的輸出部分組合而成。通過對髖關(guān)節(jié)的運動特性，明白了大概的運動規(guī)律，然后通過液壓缸的運動來實現(xiàn)來模擬髖關(guān)節(jié)的受力情況。大致了解之后確定液壓系統(tǒng)工作原理，并且設計出液壓缸及液壓泵，并進行計算、校核以及最終確認。設計液壓回路以確保能模擬髖關(guān)節(jié)受力，來計算出準確、可靠的數(shù)據(jù)，從而測出有關(guān)的摩擦學特性參數(shù)，為試驗機提供可靠的數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞 人工仿生髖關(guān)節(jié); 試驗機； 液壓回路； 摩擦學 Abstract In today's world, due to all kinds of traffic accident, the pathological causes of bone necrosis or lesions, makes a lot of people have osteoporosis, arthritis, rheumatism, bone hyperplasia, concern for many families. To help these people make their lives easier, many scientists are studying the replacement of human joints. The research on joints has resulted in great achievements in human friction, so that the replacement of human joints has achieved great results, and the patient's pain has been alleviated. The most important of these are the hydraulic and the test bed. First, through the data access to understand the general design scope, roughly the transmission part and the power part and the final output part of the combination. Through the motion characteristics of the hip joint, the general motion rules were understood, and then the force of the hip joint was simulated by the motion of the hydraulic cylinder. The working principle of hydraulic system is determined, and the hydraulic cylinder and hydraulic pump are designed and calculated, checked and finally confirmed. The hydraulic circuit is designed to simulate the force of the hip joint, to calculate the accurate and reliable data, so as to detect the relevant tribological parameters and provide reliable data for the testing machine. Keywords Manipulator; Testing machine; Hydraulic circuit; tribology 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 概要 1 1.2 發(fā)展情況 1 1.3 材料各項指標 2 1.4 系統(tǒng)的意義 3 2 髖關(guān)節(jié)工作原理 5 2.1 髖關(guān)節(jié)構(gòu)成 5 2.2 運動形式 5 2.3 試驗機的工作原理 7 3 液壓部分主要元件元件的選用原理 9 3.1 液壓部分的設計過程 9 3.2 液壓系統(tǒng)的工作原理 10 3.3 液壓系統(tǒng)設計 12 3.4 液壓系統(tǒng)參數(shù)的計算 15 3.4.1 液壓缸主要參數(shù)的計算： 15 3.4.2 液壓泵的選取原理的計算： 16 3.5元器件的選用原理： 16 3.5.1液壓閥的分類： 16 3.5.2各類閥的選用： 16 3.5.3輔助元件的選用原理： 16 4 液壓缸主要部件的計算 20 4.1 缸筒 20 4.1.1 外部結(jié)構(gòu) 20 4.1.2 缸筒參數(shù)的選用原理 21 4.1.3 缸筒參數(shù)的計算 21 4.2 活塞的選擇及校核 23 4.2.1 活塞的選擇原理 23 4.2.2 連接方式選用原理 23 4.2.3 活塞的密封 23 4.2.4 活塞材料的選擇 25 4.2.5 活塞的選用原理 25 4.3 活塞桿的選取原理 26 4.3.1 活塞桿外形 26 4.3.2 材料的選擇原理 26 4.3.3 桿的參數(shù)選擇原理 27 5 液壓站的選擇原理 29 5.1液壓站的構(gòu)成 29 5.2站的選擇 29 5.3 其他的選擇原理 29 5.3.1 油箱的選用原理 29 5.3.2 油箱的主要要點 29 5.3.3 參數(shù)的選用原理 30 5.4系統(tǒng)組成的原理 30 5.4.1 組成使用原則 30 5.4.2 各個閥的布置原理 30 5.4.3 放置位置的說明 30 5.5 試驗臺的設計 30 總結(jié) 32 致謝 33 參考文獻 34 1緒論 1.1概要 當今世界，由于各類的交通肇事，病理原因引起的骨骼的壞死或者病變，使得很多人都有骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)炎、風濕、骨質(zhì)增生等問題，困擾著很多的家庭。為了幫助這一類人，使其的生活更加便捷，很多的科學家在研究人體關(guān)節(jié)的更換實驗。對關(guān)節(jié)的研究使得對人體摩擦方面也取得了不小的成果，以至于對人體關(guān)節(jié)的置換方面也取得的很大的成績，患者的疼痛得到變少。 我們所研究的這個其實還涉及了很多學科，不僅僅是醫(yī)學，還有摩擦學，生物學等等各式各樣的領(lǐng)域知識。通過我們所設計的裝置來一步步提高用來置換的髖關(guān)節(jié)材料，讓更多的人能夠得到更好的使用，從而使得患者的疼痛變少，來回饋社會。 我們的任務就是測試替代的材料是否符合要求，是否能夠找到更好的材料，能夠扔患者用的時間變得更加長，從而幫助到患者。 意義： 1、 測試材料的各項性能指標 2、 尋找高強度材料 3、 對整個系統(tǒng)進行評估，從而改善所以的系統(tǒng)。 目的： 1、 鍛煉自己單獨思考、設計、查閱資料。 2、 嚴格的進行各個部分的零件圖、裝配圖的繪畫，加深對畫圖軟件的運用。 3、 加深了平時液壓這門學科的理解。 4、 學會了如何高效的完成工作。 1.2發(fā)展情況 眾所周知，人體骨骼在運動時，骨頭之間會出現(xiàn)摩擦損耗，但是人體會分泌一種類似潤滑劑的東西來保護骨頭，從而減少摩擦產(chǎn)生的損耗。目前我們所研制的試驗機并不能達到人體一樣的工作環(huán)境，所以在使用的時候，這些摩擦的損耗都會和周圍骨頭融合在一起。至今為止，我們都沒有更好的方式來解決上述的問題，所以這就是我們以后一直還要繼續(xù)的問題：如何完全的如同人體一樣的去工作并且不會出現(xiàn)損耗的現(xiàn)象。只有這樣才能更好的幫助那些需要這項技術(shù)的人。 其次在實驗中，單個關(guān)節(jié)摩擦出來的數(shù)據(jù)具有單一性，為了讓數(shù)據(jù)具有普遍性那么就需要多次長時間的進行實驗，這樣就很麻煩。所以我么這次試用了十臺同時工作。如果有必要可以更多臺一起工作。 1.3材料的各項指標 人體是一很神奇的“東西”，可以近似的看成一個機械系統(tǒng)，而其中的關(guān)節(jié)這部分更是神奇。人的一生之中，關(guān)節(jié)要承受各式各樣的力。對于人體或許這不算什么，但是對于能夠替換的材料卻是很難的。所以對它的要求很高。若下面幾點： 1、 生物相容性 就如我們上面所說的，摩擦產(chǎn)生的損耗的小顆粒，所以就需要材料的性能很強，大致都要和人的一樣，例如承載，受力，變形等等。還有就是這些東西和人體混在一起的時候不會對產(chǎn)生危害，并且配合要完美。 2、 生物摩擦學性能 盡可能的減小摩擦的消耗，消耗對于人不會產(chǎn)生危害，不容易出現(xiàn)變形。 3、 抗腐蝕、耐疲勞性能 材料由于要承受很多的力，所以要有較好的抗疲勞能力。其次因為需要在人體內(nèi)使用的，所以抗腐蝕形也是很重要的。 4、 使用壽命的要求 在使用時間上，我們需要它能夠使用很長的時間，一般都在十年到二十年左右。 上述所說的各項指標在目前都不能盡如人意，所以在之后的發(fā)展之后還需要研究這個的性能如何提高。所以這一切還任重道遠。 之后改進的方向： （1） 之后的改進方向是表面涂層的改良。 （2） 如何能夠完成自主潤滑，并且明白摩擦和運動的規(guī)律。 （3） 尋找更好的材料 1.4系統(tǒng)的意義 所以的系統(tǒng)可以分為四個部分，分別是，產(chǎn)生動力的動力部分，輸出能量的執(zhí)行部分，傳導壓力的控制部分，以及保護系統(tǒng)的輔助部分以及工作介質(zhì)油。 （1） 主要是為了所以的系統(tǒng)提供行動的能量，一般指的是泵，它有好幾種不同的形式。 （2） 通過能量的轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)系統(tǒng)的運動。 （3） 可以讓油液按照規(guī)定的方式運動，它也有好幾個分類。 （4） 輔助部分有很多種，比如蓄能器，壓力表開關(guān)等。 油液對于所以的系統(tǒng)都是很重要的，所以對于有也選用的要求很嚴格。要求如下： （1） 由于油液對于溫度要求很高，所以要有很好的粘溫特性。 （2） 要能夠起到較好的潤滑。 （3） 不能夠有雜質(zhì) （4） 要有較好的穩(wěn)定性 選用原則： （1） 工作壓力 （2） 環(huán)境溫度 （3） 運動速度 （4） 泵的類型 除去其他部分，輔助部分也是很重要的。不但保證了運動的穩(wěn)定性，為保證能夠順利的進行試驗，對于輔助部分的選用要求也是很高的。 輔助部分的主要要求： （1） 蓄能器 蓄能器的主要功能就是收集油液，并在有需要的時候放出來保證系統(tǒng)的正常運行。按照收集方式的不同可以分成重力式、彈簧式、活塞式等跟多種。 蓄能器的作用：1、就如上面所訴的最簡單的就是提供動能，必要時能夠獨自作為泵來使用。 2、 液壓系統(tǒng)處處都存在在泄露，而蓄能器就能夠彌補這種泄露的損失。其次蓄能器能夠一直的供給彌補動能 ，所以能夠保持輸出的能量是不變的。來保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。 3、 一旦系統(tǒng)同出現(xiàn)故障，蓄能器能夠當做危機是的泵。同理如果溢流閥出現(xiàn)故障，蓄能器能夠收集油液保護液壓缸。 4、 液壓系統(tǒng)都有吸收沖擊，減少噪聲的能力。 蓄能器的選用：1、必須要有很高的質(zhì)量要求，來保證其使用的壽命。 2、 特殊的介質(zhì)要用特殊的蓄能器，必要時要定做。 3、 安裝時要合理按照要求安裝。 4、 安裝時一定要有支架或是支撐板。 5、 蓄能器與油路之間必須要有截止閥。首先能夠更好的檢查和維修，其次可以避免油液倒流現(xiàn)象的出現(xiàn)。 （2） 過濾器 過濾器的功能以及分類： 過濾器主要就是保證油液中沒有其他東西，如果混入了就會迫壞系統(tǒng)。按過濾不同分可以分為：浮層，深如底部的以及磁力去除的。 過濾器的選用原理 （1） 過濾精度要高，只有這樣才能確保過濾之后沒有雜質(zhì)。 （2） 有很好的流通性， （3） 有較高的強度 2髖關(guān)節(jié)的工作原理 2.1髖關(guān)節(jié)的構(gòu)成 在人體內(nèi)髖關(guān)節(jié)是必不可少的一部分，如圖所示。就是股骨頭與髖臼兩個東西，也叫做杵臼關(guān)節(jié)。髖臼的周圍都是月狀面的關(guān)節(jié)軟骨，髖臼窩之中就是脂肪，由于關(guān)節(jié)的受力或者放松，脂肪就會出來起到潤滑的作用，以此來保護關(guān)節(jié)。在其中的各個小洞之中都有神經(jīng)和血管可經(jīng)過。關(guān)節(jié)囊很厚也很硬，在上面依靠韌帶來連接，其形狀大概如同人的形狀，下面則主要依靠轉(zhuǎn)子間線來支撐（一般都是在大概一厘米處），所以股骨頸有一部分在關(guān)節(jié)囊外面，但是其頸還是都在囊里面的。因此如果出現(xiàn)股骨頸折斷的情況，有不同的折斷的性質(zhì)之分。韌帶對于人關(guān)節(jié)的連接也起到很重要的作用，其可以防止人體腿部一直的玩后面拉伸，防止關(guān)節(jié)的破壞，一直有這樣我們才能夠一直長時間的一直站著。恥骨囊韌帶不但能防止一直完后伸出，還具有防止轉(zhuǎn)動過多的好處。坐骨囊可以防止向內(nèi)的轉(zhuǎn)動。纖維層可以一圈一圈的變厚，而其可以叫做輪匝帶，它主要是不能讓骨頭的分離，這個韌帶的纖維可以和其他幾個的混合在一起，并不是直接的依靠在骨頭上的。股骨頭里面的是不寬的纖維束，全都開始在髖臼的直的韌帶，止于股骨頭凹，韌帶有滑膜被覆，在這個里面還會有血管流過。對我們來說，這個東西對于上述的動作不會產(chǎn)生束縛。 其具體的樣子如上圖。 2.2運動形式 髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，它能夠做很多的動作，比如屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)運動。又因為髖臼又有關(guān)節(jié)盂緣加深，大概能夠圍繞股骨頭一半以上，所以兩者之間的面積都很小，差距不大，所以只能在一小段的地方進行移動。但是關(guān)節(jié)囊厚，不讓關(guān)節(jié)能夠隨意的運動的韌帶具有很好的韌性，所以它能夠保證運動能夠很穩(wěn)，但是不能夠隨意的運動。這個樣子主要是為了讓人正常的站著走路，所有的力都是由髖關(guān)節(jié)來傳遞并且顯示出來的。當其實現(xiàn)上述好幾個動作的時候，股骨頭大多數(shù)是離開髖臼而靠著關(guān)節(jié)囊下側(cè)面，如果在當前時刻在正面來給與它一個外力，之后通過股骨然后在到達股骨頭，這一個動作會導致髖關(guān)節(jié)之間分離。因為人體在走路的時候髖關(guān)節(jié)的運動特性很不一樣，以當前的科學技術(shù)水平還到達不了，所以我們只能簡單的分析其運動規(guī)律。 其主要運動樣子如下： 其中： 1、 是圖示中的承受重量的軸 2、 是圖示中的變彎和伸直之間的角度 3、 是圖示中的收回和釋放之間的角度 4、 是圖示中的內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)角度 5、 是圖示中的髖臼部分的極軸：L、其與受力部分的夾角；N、其底部和受力部分的夾角，一般為57°~63°；P、在內(nèi)收或者外展在中間地方，股骨柄和受力部分的夾角； 1、 內(nèi)收、外展運動 上面的那個髖臼那個部位以及股骨部分所夾角的運動 2、屈曲、伸展運動 上面的那個髖臼那個部位以及股骨部分所夾角的運動 3、 旋轉(zhuǎn)運動 上面的那個髖臼那個部位以及股骨部分所夾角的運動 4、 極軸 由髖臼那個部位的里面圓形的中心并且和髖臼凸緣平面的軸相垂直，如果沒有凸緣，就是對于其中間還是垂直的下底面的軸。 在參照了很多的書本，報紙，期刊我們得到了上圖的人體運動時髖關(guān)節(jié)的運動角度，其中：FE角左右擺動的幅度在零度到四十六度之間 AA和IER兩個角之間的擺動幅度為零度到十二度之間 EF與AA兩個角之間的擺動幅度為九十度。 腿后部遠離地表零點一秒的時候，關(guān)節(jié)此時的變化是很大的；當腿前面遠離地表零點一秒時，關(guān)節(jié)此時變化也是很大的。 一次動作所有關(guān)節(jié)變化情況如下表： 通過分析人體運動的曲線（如下圖所示），在進行電腦的擬態(tài)實驗，來計算髖關(guān)節(jié)摩擦面上的點的運動規(guī)律（如下圖所示）。由此可知，在整個運動過程中，那個點的運動時無序的，有一點像橢圓。有次可知運動時關(guān)節(jié)是很復雜的。暫時我們的實驗機還不能完全的模擬這個規(guī)律 2.3試驗機的工作原理 是通過模擬人體的運動規(guī)律，將類似于髖關(guān)節(jié)的凹凸球狀物體放置在試驗臺上，在利用兩根軸模擬人體的骨頭進行運動，這其中需要模擬材料與人體的部位一一對應。但是類似于人體潤滑劑的脂肪還無法找到相應的替代物。在一把設計在三十八毫米到五十二毫米之間，準許誤差兩毫米。 在進行試驗的時候，把模擬的部分安裝在試驗臺上，通過電機的帶動使其完成類似于人孩子能正常走路的樣子，對比不同的規(guī)律曲線變化，在使用液壓系統(tǒng)給與所需要的載荷，這樣就是真?zhèn)€試驗的原理。 3液壓部分主要元件的選用原理 3.1液壓部分的設計過程 通過了解髖關(guān)節(jié)受力圖可知，模擬關(guān)節(jié)的前進、后退和受力，通過記錄數(shù)據(jù)進行分析。其設計圖如下： 模擬關(guān)節(jié)頭的前進、后退時載荷的施加 確定關(guān)節(jié)頭步進順序，設計液壓系統(tǒng)原理圖 根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，合理選擇液壓元件 復檢并改善此液壓系統(tǒng) 提出用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)控制 檢查 分析人體髖關(guān)節(jié)受力、運動狀況 仿生人體髖關(guān)節(jié)設計過程圖 3.2液壓系統(tǒng)的工作原理 液壓系統(tǒng)實現(xiàn)了伸出、收回以及施加力的動作，系統(tǒng)通過三位四通電磁換向閥來活塞桿伸出時三位四通電磁換向閥處于左位基能，油液路線如下：油箱 →過濾器 → 單作用式葉片泵 → 單向閥 → 三位四通電磁換向閥左位 → 液壓缸左腔； 回油路;右腔 → 左邊 → 油箱 活塞桿收回時三位四通電磁換向閥處于右位基能，油液路線如下：油箱 → 過濾器 → 單作用式葉片泵 → 單向閥 → 三位四通電磁換向閥 → 液壓缸右腔 →； 回油路：左腔 → 右邊→ 油箱 處在中間的時厚，油液直接連通油箱，桿不做動作。 3.3液壓系統(tǒng)設計 該系統(tǒng)的核心是電液比例溢流閥及截止閥，當要實現(xiàn)一定的運動規(guī)律時主要依靠電液比例閥并打開截止閥才可以實現(xiàn)。當所以的系統(tǒng)處于伸出動作的時候，截止閥進油口都是不允許油液進入打得，這時僅僅是溢流閥在工作。只有在加載時，才會使用到蓄能器以及電液比例閥。電液比例閥控制油液流量，蓄能器起到穩(wěn)壓作用，確保能實現(xiàn)最大壓力，同理溢流閥也起到和蓄能器差不多的作用。以上確保了實驗的有效進行。換向閥為了保護系統(tǒng)，所以在不得到電壓的時候都是直接接到油箱的，所以就只能選擇M樣子的中間部分。 3.4液壓系統(tǒng)參數(shù)的計算 3.4.1液壓缸主要參數(shù)的計算 1. 液壓缸的最大工作壓力選擇 由人體受力曲線可以得到以下信息：系統(tǒng)能夠承受的重力的最大值為P=1t，并且承受的壓強不能夠超過6.3MPa，所以選取系統(tǒng)的液壓缸的初始壓力為6MPa。 2. 液壓缸內(nèi)部的直徑的設計計算原理 由于伸出杠提供系統(tǒng)所需的壓力，所以無杠腔為進油腔，則可知： 其中：是本次設計液壓系統(tǒng)中液壓缸里面的直徑，mm； 是本次設計液壓系統(tǒng)中桿伸出時候的壓力，MPa： 是本次設計液壓系統(tǒng)桿伸出的時候的最大載荷，N： 按照國家標準計算出的D需要圓整，所以D取整得到：。 3. 液壓缸中伸出桿的設計計算原理 有上其中我們可以知道，所以我們可以得到以下公式： 其中：d是本次設計中液壓系統(tǒng)中伸出桿的直徑，mm； 是本次設計中液壓系統(tǒng)同樣流量，伸出桿伸出速度與收回速度的比值，可以按照表選取如下： 液壓缸安全系數(shù) 通過上表可以得到選得：=1.33，由此可知為： 按照國家標準d需要圓整，所以d圓整得到 。 4. 伸出桿的設計所需的伸出壓力及拉回壓力計算 5. 活塞可以實現(xiàn)的極限伸出長度計算 活塞準許的伸出長度不僅要滿足工作需求，而且還要在其穩(wěn)定性要求范圍之內(nèi)。所以要計算出能夠準許的最大極限伸出長度，一般液壓系統(tǒng)中都選用細長杠。當≥（10-15）d時，可以通過公式計算出： 其中：是伸出桿的橫截面的慣性矩，mm4 圓截面 d是這次設計的伸出桿的外徑,mm; n是這次設計的液壓缸末端條件系數(shù) 是這次設計的伸出桿變彎極限壓縮力 ，N; F是這次設計的伸出桿縱向壓縮力，N： 是這次設計的液壓系統(tǒng)安全系數(shù)，一般=3.5~6 是這次設計的液壓缸的材料彈性模數(shù)， 化簡得到了 有上所有公式可以得到伸出桿的最大行程為S=125mm，因為伸出長度與收回長度不會互相沖突，所以不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，所以不需要校核。 6. 確定液壓缸缸筒長度 一般來說缸筒長度在1000到1500之間，也就是（20~30）D 其中：L式液壓缸的長度，mm; 由于L=225mm，可以帶到要求所以： P=6.3Mpa P是這次設計的液壓系統(tǒng)的最大壓力 D=50mm D是這次設計的液壓缸的內(nèi)部的直徑 d=25mm d是這次設計的伸出桿的直徑 S=125mm S是這次設計的伸出最大長度 3.4.2液壓泵的選取原理的計算 （1） 液壓泵最大輸出壓力的選用 其中是運動元件的極限工作壓力 是進油路上的壓力損失，在這里=0.5Mpa，由于設計的液壓系統(tǒng)為多缸同時進行所以，泵的極限工作壓力為Mpa，那么我們可以得到：Mpa （2） 泵的最大流量 其中 是所有運動元件所選的流量總和 K是泄漏系數(shù) ，大多數(shù)情況下取K=1.1~1.3，我們這里選K=1.1 由于我們是多缸同時工作的，故我們這里選 , 所以我們可以計算出式（3.8）得到了 對于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，如果最大流量點處于溢流閥的工作狀態(tài)，則泵的供油量須增加溢流閥的最小溢流量，一般為溢流閥的額定流量的15%。 （3） 液壓泵的型號選擇原理 液壓泵是一個液壓系統(tǒng)之中尤為重要的部分，其主要的職責就是進行能量的供應，并且為執(zhí)行部分提供油液。液壓泵選擇尤其重要，直接影響所有的元器件的工作狀態(tài)和是否會遭受到破壞，一直都是液壓中的重要組成部分。 ①液壓泵的選擇原理 1） 系統(tǒng)的壓力P小于二十一Mpa，選用齒輪組成的泵或葉片組成的泵；P大于二十一Mpa，選用柱塞泵 2） 若系統(tǒng)有節(jié)流閥等元器件 ，選用定量泵;若系統(tǒng)無節(jié)流閥等原件，應選用變量泵 3） 若整個系統(tǒng)很復雜，應選用多臺泵供油實現(xiàn)堆積調(diào)速。 4） 是否要求變量：變量的場合用變量的泵，定量的場合要用定量的泵。不同的場合要選用合適的泵。 5） 工作壓力：面對不同壓力的場合要選用不同的泵，其中柱塞泵的額定壓力最高，多用于高壓場合。如果還不能滿足要求的話，就可以采用對個并聯(lián)的泵或加裝蓄能器來實現(xiàn)更高的壓力。 6） 工作環(huán)境：液壓的工作環(huán)境都不是很好，所以齒輪泵是很適合的。不過如有需求也能使用別的泵，并不是環(huán)境差就用齒輪泵。 7） 噪音指標：內(nèi)嚙合齒輪泵、雙作用式泵和螺桿泵等的噪聲污染不嚴重，所以較為常見。 8） 效率：軸向柱塞泵的總效率最高; 由上面的選用原則可以知道，首先P小于二十一Mpa 所以可以選擇齒輪泵或是單作用式葉片泵。并且工作環(huán)境及噪聲指標都較好，所以選取單作用式葉片泵。 泵選用的型號 4. 電機的選擇原理 電機的額定功率計算 其中P是這次設計的電機的額定功率，KW； 是這次設計的泵的極限輸出壓力，Pa； 是這次設計的泵最大供給流量， 是這次設計的泵的所有效率之和，近似于0.8 電動機選取的型號如表 3.5元器件的選用原理 3.5.1液壓閥的分類 （1） 依靠用途分類 （1） 壓力閥 根據(jù)不同的壓力，來控制閥口的打開或者閉合來實現(xiàn)，如：溢流閥、減壓閥等。在這里我們主要使用的到的是溢流閥。 （2） 流量閥 用于控制液體流量來調(diào)節(jié)的閥，如：節(jié)流閥、調(diào)速閥等。由于我們設計的系統(tǒng)沒有使用到，所以在后面不做多介紹。 （3） 方向閥 根據(jù)液體需要流動的方向，控制器閥口打開或者閉合來實現(xiàn)，如：單向閥、換向閥等。之后我們要利用到單向閥以及三位四通電磁換向閥。 （2） 根據(jù)控制方式不同分類 按照控制方式不同也有很多不同的閥，但是由于我們的系統(tǒng)中只是運用到了電液比例溢流閥，那么其他的閥我們就不子這里多做介紹了，如果想要了解的話可以去看液壓的書學習。 在本系統(tǒng)中我們要利用到電液比例換向閥，而其他的各類閥就不在下面進行過多的介紹了。 電液比例閥是一種新閥，它可以通過計算來實現(xiàn)遠程調(diào)控壓強，使用方便所以被廣泛的使用。 電液比例壓力閥主要有好幾個不同的閥的主閥結(jié)合在一起變成的，但是和一般的先導式的閥相比還是有很大的差異的，主要的差異是，一般的先導閥都是通過彈簧來控制的，在這里我們是利用磁力來控制器開關(guān)的。這也是這次實驗的核心所在，電液比例閥控制著系統(tǒng)流量的變化，有因為受力面的面積是不變的，所以流量輸出多少那么伸出桿給予試驗臺的額壓力就有多大，而電液比例溢流閥主要的功能就是調(diào)節(jié)流量的大小，從而改變伸出桿所釋放的壓力，從而實現(xiàn)模仿人體關(guān)節(jié)受力時的樣子，來達到實驗的目的。 其工作原理是通過通過控制、進油口的電磁吸力，來改變流量。所以這種閥的的穩(wěn)定性好，并且能夠很好的進行壓力的調(diào)控。 （3） 根據(jù)安裝連接方式分類 常用的連接方式有管式連接和板式連接， 在所以的系統(tǒng)中這兩個連接方式都有使用，其次還有螺紋連接。 1、 管式連接的優(yōu)點是安裝方式簡單，可以分散布置，但是裝卸維修不方便 2、 板式連接元器件集中布置，操縱、調(diào)整、維修都比較方便 兩種連接方式都很常用，在這次設計中我們都運用到了。但是對于主要的元器件我們還是大多采用板式連接，而其他輔助部分則可以是使用管式連接或是螺紋連接來實現(xiàn)。 （四）對液壓閥的基本要求 1、使用可靠、工作穩(wěn)定性好，噪聲很小。 2、閥口打開，主要功能是變換流向，那么壓力損失要?。蛔鳛閴毫﹂y時，穩(wěn)定性要好。 3、控制的壓力和流量要變化的小，那么就能基本不受到干擾。 4、結(jié)構(gòu)簡單、安裝、調(diào)試、維修方便。 3.5.2各類閥的選用 1、 三位四通電磁換向閥 型號：34D-6B 通徑：6mm 額定流量：25L/min 壓力：6.3MPa 連接方式：板式連接 重量：4kg 2、 溢流閥 型號：YF3-10B 通徑：10mm 額定流量：63L/min 調(diào)壓范圍：0.5~6.3MPa 連接方式：板式連接 重量：1.6kg 3、電液比例溢流閥 型號：YE3-10B 通徑：10mm 額定流量：63L/min 調(diào)壓范圍：0.5~6.3MPa 連接方式：板式連接 重量：3.2kg 4、 壓力表開關(guān) 型號：KF-L8/12E 通徑：8mm 額定流量：10 L / min 壓力：350MPa 連接方式：板式連接 5、 截止閥 型號：YJZQ-H10N 通徑：10 mm 壓力：20 MPa 連接方式：螺紋連接 6、單向閥 型號：CIT-03-35-50 通徑：3mm 壓力：25 MPa 額定流量：30 L / min 元件名稱 型號 通徑 壓力 額定流量 連接方式 重量 三位四通換向閥 34D-6B 6mm 6.3MPa 25L/min 板式連接 4Kg 溢流閥 YF3-10B 10mm 0.5-6.3MPa 63L/min 板式連接 1.6Kg 電磁比例溢流閥 YF3-10B 10mm 0.5-6.3MPa 63L/min 板式連接 3.2Kg 壓力表開關(guān) KF-L8/12E 8mm 350MPa 10L/min 板式連接 截止閥 YJZQ-H10N 10mm 20MPa 螺紋連接 單向閥 CIT-03-35-50 3mm 25MPa 30L/min 管式聯(lián)接 0.3Kg 連接方式：管式聯(lián)接 所有元器件參數(shù)如表 3.5.3輔助元件的選用原理 1、 吸油過濾器 型號：YCX 25×180L 通徑：15mm 額定流量：25 L / min 過濾精度：180 mm 壓力損失：〈0.01MPa 2、 蓄能器 型號：NXQ1/2 L10-10 通徑：40mm 壓力：10MPa 連接方式：螺紋聯(lián)接 3、 空氣過濾器 型號：EF1-25 空氣過濾口徑：25mm 加油流量：9L/min 空氣流量：65L/min 空氣過濾精度：0.279 油過濾精度：125μm 4、 管接頭 型號：JB/T 966-1997 通徑：15mm 連接方式：螺紋聯(lián)接 4液壓缸主要部件的計算 4.1缸筒 4.1.1外部構(gòu)造 缸筒與前蓋及后蓋有很多不同的連接方式，各種不同的連接方式的選用也和很多不同的因素有關(guān)。 在這次設計中前蓋與后蓋都采用45號鋼 下面就是一些經(jīng)常能夠看到的缸筒與前后蓋連接的方式： 缸筒與端蓋的連接方式 1、 法蘭式連接 法蘭式是最簡單的連接方式，不過它需要缸筒一端壁厚有一個較大的外徑，這樣才能夠方便打孔，以便于安裝螺栓或是螺釘緊固，所以它是最容易裝上以及拆卸下來了，便于加工。 2、 半環(huán)式連接 可以分為內(nèi)外兩種連接方式，使用這種方式的工藝性式是十分好的，可靠性也是十分好的，但是也有不足的地方，和別的連接方式，對缸筒強度有較高的要求。它的使用在很多地方，所以也是很常見的。 3、 螺紋式連接 可以分成內(nèi)外兩種連接方式，但是螺紋連接安裝和拆卸都是需要專業(yè)的工具才可以，一般用于整體都很小并且很輕的場合。 4、 拉桿式連接 拉桿式是所有中最容易的，也是通用性能較好的，但是整體形狀都很大的，拉力收到拉力之后會變長，密封性能就會下降。 5、 焊接式連接 強度是很大的，工藝很容易，但是焊接連接會出現(xiàn)形變。 在本實驗里，前蓋與缸筒采用螺紋式連接，后蓋與缸筒采用法蘭式連接， 4.1.2缸筒材料 缸筒材料的各項指標要求都是較高的，由于采用了法蘭式連接方式，使得缸筒材料的各項指標要求變得更加的高，以便于缸蓋與缸筒之間的連接。缸筒的各項指標有：強度、沖擊韌性、工作的壓力，如果強度、剛度不夠的話首先對于活塞的安裝就是不利的，其次就容易出現(xiàn)變彎變形等不利因素。 在這次實驗中，缸筒采用35號鋼并且還要進行最合理的熱處理工藝來，采用調(diào)質(zhì)到241~285HBS，前后蓋都采用HT200材料。 4.1.3缸筒參數(shù)的選用原理 1、缸筒內(nèi)部的直徑的選用原理 在上面我們已經(jīng)計算了其內(nèi)部的直徑 2、 缸筒壁厚的計算 對于壁厚有下列公式計算 而在不同的時候有不同的計算方式 當時，可以使用公式 計算可知數(shù)值很小，不符合。 當=0.08~0.3時，通過下面這個公式計算得到： 因為和的原因，在這里我們選取5mm，此時 其中：是強度所能夠得到的最小值，mm； 是這次設計缸筒外部直徑的余量，m； 是這次設計的腐蝕余量 是這次設計的缸筒的外部直徑，mm； 是這次設計的極限工作的壓力，MPa； 是這次設計的材料的準許應力，MPa； 是這次設計的材料的抗拉強度，MPa； 3、 壁厚的校核 為使所以的系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的進行，所以要多極限壓力進行校核，以保證系統(tǒng)不會出現(xiàn)問題； 在極限壓力滿足要求的同時，我們還要保證極限壓力和極限形變壓力在一定比例。 其中：是本次設計中塑性變形時所造成的壓力，MPa； 是本次設計中壁厚的外部直徑，mm； 那么 除此以外，對于缸筒能夠承受的極限壓力也是需要校核的： 其中：極限承壓壓力，MPa; 4、 底部的設計計算校核 由于底部是圓形，所以我們可以通過下列公式計算出 其中：是本次設計中的底厚，mm； 是本次設計中的極限壓力，MPa； 是本次設計中的外部直徑，mm； 由于采用的法蘭式連接和螺紋連接，所以在缸筒的材料方面都有很高的要求。不但要有較高的強度、剛度，否則缸筒容易發(fā)生變形。所以我們用35號高精度無縫鋼管，調(diào)質(zhì)到241~285HBS。 4.2活塞的選擇及校核 4.2.1活塞的選擇原理 活塞的分類有很多種分類的方式，在這里我們按照其不同的密封的元器件來分可以分成整體和組合兩種。 兩種活塞都油各自的優(yōu)缺點，整體的構(gòu)造很簡明，但是要加裝密封圈，加裝密封圈的時候容易造成損傷，加工難度也加大。組合式可以好幾次的裝卸，并且使用的年數(shù)更多。 4.2.2活塞與活塞桿的連接方式選用原理 兩者之間的連接方式下面幾個： 1、 卡環(huán)型適合用于低速時使用，但是安裝時不方便，所以就需要用上卡環(huán)帽，不然就會脫落。 2、 軸套型必須要有螺釘，但是會造成一定的損壞 。 3、 螺母型就如同名稱一樣，必須要螺母，所以它是最容易裝卸的，構(gòu)成也不難，容易裝卸。 4、 焊接型一旦被破壞句就需要所以的換掉，構(gòu)成也不難。 4.2.3活塞的密封 液壓傳動是用液體為傳播介質(zhì)，依靠密閉容積的變換來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。在液體傳遞過程中各個元器件之間有間隙，所以防止泄露，防止灰塵的進入這一切都要依靠密封裝置來完成， 一、對密封裝置的要求 1） 在一定的要求下具有較好的密封性能。 2） 耐磨性能較好，使用壽命較長，不容易老化，抗腐蝕能力很強，不會破壞密封件的外表面，磨損后在一定程度上能自動補償。 3） 制造容易，維修和使用都很容易，價格也很適合。 2、 密封裝置的分類及特點 液壓系統(tǒng)中密封裝置種類較多，常用的有以下幾種。 1、 間隙密封 間隙密封是最簡單的一種密封形式。但是會有泄露并且不能自動補償?shù)娜秉c。 2、 O形密封圈 O型其切面是圓的，由耐油橡膠壓制而成，一般在靜密封的地方使用。其次能夠很輕易的裝上去，并且經(jīng)濟實惠，不同壓強時都可以使用。但是對于工作要求很高，一般都在-40~120℃之間。由于這種方式經(jīng)常出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，所以大多數(shù)時候都是配合其他方式使用的。 如上圖所示就是其工作時的樣子，受到壓力時外形就會變化。當外開始工作時，因為自身的彈性，會與筒壁生出一個接觸壓力，從而達到剛密封好的效果。當有油液進入的時候，由上圖可以看到因為油液的原因密封圈就會被壓力擠到一邊，從而使得密封性能大大的增強。對于所有的密封圈都要有一個適宜的初始壓力，如果很大的話就會破壞筒壁，但是如果很小的話密封性能就會降低。因此，密封圈的溝槽就很重要，所以的選取數(shù)值都要嚴格按照手冊上的來執(zhí)行。在動密封中，壓力過多就會迫壞密封圈，那么就需要一個擋圈。如上圖所示的擋圈，其厚度一般取1.25~2.5mm，受到左右方向上的壓力時就要使用兩個。 3、 唇形密封圈 主要是憑借油液壓力產(chǎn)生形變，導致唇邊與密封件的表面緊緊的貼合在一起。所以油液壓力越大密封性能越好，并且好具有自動補償。這種密封凡是一般用于運動的地方。常見的有Y形，V形等。 （1） Y形密封圈 Y形的切面為Y形，這種密封圈的個項性能都很好，所以可以在很多場合上使用。由于寬窄的不同可以分成兩類，下圖就是寬式的： 寬式的大多在20MPa以下的地方運用。窄式大多在32MPa以下的地方工作。 （2） V形密封圈 V形的切面是V形的，主要有壓環(huán)，V形圈以及支承環(huán)。當油液壓力超過10MPa的時候，要使用多個V形圈來保證密封性能。V形口必須在高壓處。 V形密封圈不僅可以密封，還可以起到導向作用。它多在-40℃~-80℃的情況下并且壓力不能超過50MPa。 由于Y形的優(yōu)點較多，并且加工裝卸都很容易，所以我們這里就選用Y形。為了便于密封，所以在桿上要開槽。 4.2.4活塞材料的選擇 整體使用45鋼，支承環(huán)使用聚四氟乙烯。 4.2.5活塞的選用原理 活塞寬度計算 結(jié)構(gòu)如下圖： 4.3活塞桿的選取原理 4.3.1活塞桿外形 采用了帶有螺紋的實心桿，如圖所示： 4.3.2材料的選擇原理 采用45號鋼，并且不得出現(xiàn)彎曲的樣子。進行恰當?shù)臒崽幚?，來提高整體的性能。 4.3.3桿的參數(shù)選擇原理 1、活塞桿直徑計算如下： 在這取桿長不大于10倍D，那么計算如下： 其中：是本次設計中的能夠使用的壓力，MPa； 是本次設計中伸出力，N； 由于沒有超過25mm，所以可以使用。 2、活塞桿的校核 首先我們校核能夠使用的應力： 其中：是本次設計中的能夠使用的壓力，MPa； 其中 3、所有應力的校核 其中：是本次設計中的收回力，N； 是本次設計中的直徑，mm； 其中：是本次設計中的外圓直徑，mm； 是本次設計中的內(nèi)圓直徑，mm； 是本次設計中的道角，mm； 是本次設計中的能夠使用的擠壓壓力，MPa； 有上面的校核可知強度能夠符合要求。 5液壓站的選擇原理 5.1液壓站的構(gòu)成 所以的液壓站有很多元器件組成，由油箱，各類閥以及各種輔助元件。主要給所以的裝置提供動力， 5.2站的選擇 我們選用的豎直的泵站，所有的元器件基本都是安排在上面的，首先這樣放省地方，泵放在油箱里可以防止泄露的問題。所以的系統(tǒng)所需的油量為1000L，因為流量的控制都是通過電液比例閥，所以選用的是定量的泵。 5.3其他的選擇原理 5.3.1油箱的選用原理 它的主要用途就是提供油液，釋放熱能，過濾雜質(zhì)。大致可以分為兩類：全開放的和密封的。 1、 全開放的 由于是全開放的就會與空氣有所接觸，所以要加裝空氣過濾器。 2、 密封的 大多數(shù)都是正方形的，如果要求不高的小油液場合也可以設為圓形。 在這里我們選用的是全開放的，所以我們還需要加裝空氣過濾器并且還要使用到一定量的干燥劑。 5.3.2油箱的主要要點 （1） 首先它要滿足所以的系統(tǒng)都能夠正常使用，并且能夠達到實驗要求。又因為是全開放的所有釋放熱量的能力較好，不過為了能夠保證能夠正常的運行，所以我們還要加上冷卻的東西。 （2） 由于是全開放的，與空氣有直接的接觸，所以過濾器和干燥劑是必不可少的，為了保證系統(tǒng)能沒有雜質(zhì)，目數(shù)要選用較少的，必要時還可以在泵出口在多裝一個過濾器。 （3） 在所以的設計中對油口的要求也很高，進出口要保證較遠的距離。并且伸出管都在最底下，以防止出現(xiàn)意外情況。 （4） 要有一個擋板將進、出口之間分開，防止雜質(zhì)的進入。如有需要可以使用過濾網(wǎng)。 （5） 在所以的裝置上開孔加上過濾裝置，如有需要可以當做加油處，這樣可以減少雜質(zhì)，穩(wěn)定系統(tǒng)。 （6） 換油處一般都是在底部，這樣我們能夠更好的額清理油箱，如有必要還可以加工清理用的小洞。 （7） 由于動力部分都在上面，所以就要有板隔開，并由緊固件固定好。 （8） 為了保證油液高度，還要加上液流高度計。 系統(tǒng)內(nèi)部都要有特殊的加工，以便于清理。外部都要刷上相同的東西，防止污染油液。 5.3.3參數(shù)的選用原理 在這我們的主要計算的就是油箱的容積大概在3倍以上，在這里我們選3倍。 有系統(tǒng)可知，一般都是3倍的容積所以可以用公式得到： 其中：是這次設計中的容積，L； 是這次設計中的泵流量，L/min； 是這從設計中的經(jīng)驗系數(shù)， 選取原理瑞下表： 由上面計算可以得到我們選用的容積為一百升。 油箱設計圖如下： 其外形如下表： 5.4系統(tǒng)組成的原理 5.4.1組成使用原則 其使用一個塊及各個孔來代替油路，從而形成回路。各個空洞代替了不同的油液路線，在根據(jù)原理圖連接各個閥及各個不同輔助元件。若所以的系統(tǒng)過于復雜則分為多個回路，在本次設計中可以看做多個并聯(lián)的回路。為了達到能夠在一起安裝的目的，有具體下面幾種方式： 1、 油路板 主要是把所有的元器件都集中在一塊板上，并且在板上加工代替通路的小洞，使用管連接裝在板上。 2、 集成塊 就是把有油路都安排在一個塊上，這樣的連接都可以在塊上除了一個面之外，其他任何面上裝元器件。如有必要可以用對個塊。 3、 疊加式 可以使用各個疊加閥累加在一起，因為疊加閥既可以做閥也可以做管道來使用，只要用螺釘固定在板上。有優(yōu)點是：占地面積小，可以減少管路。 5.4.2各個閥的布置原理 1、 分開系統(tǒng) 由于要把各個元件都一塊板上，若元器件過多時就要進行拆分，有必要的話可以使用2個集成塊相結(jié)合。 2、 各個閥的放置位置 詳盡要求若下：1、各個閥的位置都要不同的符號表示來區(qū)分 2、 各個閥都要按照要求安裝 3、 各個孔都要盡量的合理 4、 利用較少的孔來完成系統(tǒng)的連接 5、 孔的深度及厚度要合理 5.4.3放置位置的說明 由于所以的系統(tǒng)元器件并不多，大概分為：1、溢流閥部分其孔的基本位置如下 2、電液比例閥 3、 換向閥 4、 其他的輔助元件如圖 5.5試驗臺的設計 為了配合摩擦實驗機，所以還需要設計一個實驗臺來進行使用。實驗臺的布置可以分為臥式和立式兩種。在這里我選擇臥式試驗臺，這樣布置可以更加清楚的看到大多的元件，并且更加貼近實際。 對于實驗臺按照國家標準高度在850~1050cm是人體最為舒適的高度，所以這里我們選擇中間值900cm。 因為設計的是10缸同時進行運動，所以我們所以的實驗臺的長度以及寬度要求很高，不但要承載所有的的元器件，還要加裝上10個液壓缸所以大概計算長度1600cm，寬度1200cm。 1、 試驗臺的功能和特點 （1） 工作環(huán)境：5℃~40℃且適度小于80% 電壓380V （2） 油液類型：HM-N46抗磨液壓油 （3） 液壓站具有：各項數(shù)據(jù)的顯示的顯示器、各種需要的傳感器感器、各類的閥以及系統(tǒng)所需的液壓缸和蓄能器。 （4） 數(shù)字式測量儀可以顯示壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、流量等參數(shù)。 其示意圖如下： 、 上圖是改造之前實驗臺的樣子，由于我們要用到10缸，所以我們還要對上圖的試驗臺進行一點的改良。 由于我們需要使用的元器件較少，所以沒有上圖那么多，所以我們能在試驗臺上加裝實驗裝置。將電機等元器件都放在左側(cè)，而實驗裝置統(tǒng)一放在右側(cè)。來保證啟動操作時不會干擾到實驗。同時由儀表盤來顯示實驗數(shù)據(jù)。該套試驗臺儀表盤可以顯示壓力、轉(zhuǎn)速、功率、扭矩等數(shù)值。 為了保證實驗臺能夠正常的運作，所以對于一般的實驗臺要有很對的不同的布置方式。其具體的布置方式如下： （1） 油箱 在上面我們已經(jīng)選用了開放式的油箱，并且我們選用的是內(nèi)部式的液壓泵，所以在試驗臺內(nèi)部布置一個大型的油箱，在泵入口裝上油液過濾器。并且還要有空氣過濾器以及進、回油路之間加上隔板。 （2） 電動機 由于泵要和電機有連接，所以在泵的上方布置電動機，并且使用螺母固定。 （3） 蓄能器 蓄能器可以單獨布置在一角，不過蓄能器需要有支撐板支撐。 （4） 兩個溢流閥 由于是并聯(lián)連接的所以連個溢流閥可以布置在較近的地方，在使用四個螺母固定。由于電液比例溢流閥好要與蓄能器及壓力表開關(guān)并聯(lián)，所以其要靠近蓄能器，相對溢流閥可以稍遠。 總結(jié) 通過這次設計了這個系統(tǒng)讓我學到了很多東西，讓我更加了解液壓這門學科，并且還學習到了以前不曾學到過的知識。在這次設計中還讓我了解了什么是髖關(guān)節(jié)，以及髖關(guān)節(jié)的相關(guān)知識。 首先通過查閱資料了解了什么是髖關(guān)節(jié)及其試驗機的主要作用。然后通過了解到的資料，進行分析這個試驗機是如何工作的，得到了設計的大體的方案：通過泵提供的壓力及蓄能器的補足來實現(xiàn)人體前行時的受力情況，在后退的時候則通過電液比例溢流閥來實現(xiàn)流量的變化。所