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1、液压式测力装置摘 要本论文首先介绍了有液压测力装置有关背景知识和发展现状，以及作者设计的一个简便的液压测力装置。其中讨论了液压测力的基本原理和其适用范围，研究它的对于其他测力装置的优劣。重点阐述了设计的总体思路和该液压测力装置各个部件的选用及压力用油做了最优选择，并对该装置重要部件缸体做了详细的校核，且对该测力装置的测量范围和测量精度也做了客观的讨论。最后，作者就活塞与缸筒间的内泄问题，缸桶系统的“有效面积”和压力表对液压测力装置测定值的影响做了细致论述，做出了前瞻性研究。关键词：液压，测力，缸体，压力油ABSTRACTThis thesis introduced to have hydrau
2、lic pressure to measure the force apparatus relevant background knowledge and deveolp present condition first, and the author design of a simple hydraulic pressure measure force apparatus.Discussed among them the hydraulic pressure measures the basic priniple of force to apply scope with it and stud
3、y it of for other measure the good and bad of force apparatus.The point elaborated the total way of thinking of design to measure force to equip choose of each assembly unit, subassembly to use with that hydraulic pressure and the pressure made the superior choice with the oil, and to should equip i
4、mportant assembly unit, subassembly urn body to make a detailed school a pit, and to should measured measure scope and measure accuracy of force apparatus to also make an objective discussion.End, author piston and urn tube of inside leak question, urnactive area and pressure gauge of the barrel sys
5、tem measured the influence of the force apparatus measuring value to make meticulous treatise to the hydraulic pressure and made prospect a research.1 引言1.1 计量的意义和作用 人类为了生存和发展，必须认识自然、利用自然和改造自然，而自然界的一切现象或物质，是通过一定的“量”来描述和体现的。也就是说：“量是现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。”因此，要认识大千世界和造福人类，就必须对各种“量”进行分析确认，既要区分量的性质，又要确
6、定其量值。计量正是达到这种目的的重要手段之一。 计量是关于测量的科学，是实现单位统一、量值准确可靠和与国际一致的科学和管理活动。实际上，人类在科学研究、经济活动和社会活动中，每时每刻都离不开计量。众所周知，尺子、秤、电表、秒表、煤气表都是用于计量的，计量已经渗透到了人类工作、学习、生活的各个方面，人们在不知不觉当中，应用和享用了计量知识和技术。计量与国民经济建设和科学技术的各个领域息息相关，无论是人类的衣食住行、工农业生产、国防建设、科学研究，还是国内外贸易，处处都离不开计量。现代计量已经成为国民经济的重要技术基础。此外，大量的事实证明，物理学上的许多重要发展，都是在精密计量测试的基础上取得的
7、。而许多国防尖端技术的突破，也和计量测试分不开。因此，从这个意义上说，可以将科学技术和计量的关系概括为一句话：“科技要发展，计量须先行”。 1.2 计量的对象及发展 在相当长的时间里，计量的对象主要是物理量，随着科技进步和社会发展，逐渐扩展到工程量、化学量、生理量，甚至心理量。目前的计量，早已不再停留在以往度量衡的基础上，而是形成了一门独立的学科计量学，涉及长度、温度、力学、电磁学、无线电、时间频率、光学、电离辐射、声学和化学等各种专业，即所谓的十大计量。 1.3 计量法的实施 为了在全国范围内统一计量制度，1959年6月25日国务院发布“关于统一计量制度的命令”，确定以当时的公制即后来的国际
8、单位制，为国家基本计量制度。1985年9月6日全国人大常委会通过“中华人民共和国计量法”，与此同时，在1985年我国还加入了国际法制计量组织（OIML），这标志着中国的计量工作纳入了法制管理的轨道，计量法律、法规体系已基本完备，并已经与国际法制计量接轨。 1.4 法制计量 计量的内容和含义十分广泛，而法制计量是计量中一个重要的概念，对于工农业生产、国防科技和人民生活都是必不可少且至关重要的。计量院作为国家法定计量技术机构，在计量法实施20年的时间里，建立并不断改进计量基标准；加强国际合作与交流，增强国际地位；开展强制检定，保障人民生命安全；受国家质检总局委托，承担计量标准考核和计量器具型式批准
9、试验任务。 1.5 国内外现状力学处测力室是计量院建立最早的实验室之一。该实验室研制并保存的20MN基准测力机是目前国内最大的超重型精密力值计量装置。它首次把静压润滑技术应用于单缸结构的工作缸塞系统中,制造技术难度大,全部零件实现国产化。1990年通过原国家技术监督局鉴定,达到国际先进水平。1992年被批准为大力值国家基准,1996年获得国家科技进步一等奖。它的应用为大型工程项目科研与技术开发提供了精密的测试手段，提高了对工程结构和高层建筑安全受力状态的检测水平,也为航空航天技术总体精度的提高创造了必要条件。20MN基准测力机的力值准确度优于1104 ,力值变动度优于1104 ,灵敏限优于21
10、05 。 1990年10月,计量院与日本NRLM进行大力值比对。中日两台20MN基准机力值比对的结果一致性约在1104，我国的20MN基准机力值波动度处于105 量级,优于日本20MN机一个数量级,充分显示了静压润滑工作缸塞系统的优良性能和先进水平。 德国物理技术研究院(PTB) 的16.5MN 液压式测力机采用了十分复杂的四缸并联动压润滑方案, 对制造水平、加工工艺要求较高, 而且成本也十分昂贵, 日本国家计量研究所(NRLM )的20MN 液压式测力机采用传统的单缸动压润滑结构, 投资是我国20MN 测力机的八倍。2 液压测力装置提出和意义在工业生产中，测量两个物体之间夹紧力的大小是实际生
11、产中经常要遇到的问题。一般常规的测量方法比较多，譬如利用弹簧、应变片的方法等，但在某些场合下使用常规的测量方法往往有很多不便，如要测量制动器抱闸的夹紧力，要测量圆柱形电极接电连接头之间夹紧力等。而液压式测量装置可以很好的解决上述问题。总体上，测力计量在工业生产、建筑、国防等领域中具有非常重要的作用。各种类型的测力装置可以产生准确的力值, 作为一个国家力值的基(标) 准, 在国家整个力值传递(溯源) 系统中占有十分重要的地位。与其他类型测力装置相比, 液压式测力装置可以测量很大的力, 适用于大力值计量领域。3 液压测力装置的原理液压式测力装置是以帕斯卡原理为基础设计制造的。帕斯卡定律指出, 密闭
12、容器内的液体向各个方向施加相等的压力, 根据这一原理, 作用于封闭液体的外力, 以相等的压力向限制液体的容器或管道的表面传递。因而, 在液压式测力机的液压系统中, 作用于小面积的测力活塞上的标准砝码的重力W , 会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值F, 作用到待检的测力计或测力传感器上, 如图1 所示。油液在油缸、活塞间隙中的泄漏由泵站提供的压力为P 的高压油补给, 从而使系统接近于液压平衡。设计、制造液压式测力机的技术关键在于油缸和活塞之间不能存在任何的机械摩擦, 而只能有液体摩擦。同时, 为了尽量减小缸塞间的漏油量, 以保证全机处于液压平衡状态, 要求缸塞间的配合间隙极小(单边间隙一
13、般不得超过几十微米)。无论采用何种方案解决这一关键问题, 不仅要以严谨、可靠的理论为基础, 还要考虑加工工艺、制造成本等诸多实际因素。传统的解决方法是采用“动压润滑”的方法, 即油缸围绕活塞旋转, 从而在缸塞间建立液体摩擦。这一方法对有效面积较小的测力缸塞系统而言, 不难实现, 但对于有效面积较大的工作缸塞系统来说, 却存在以下两点问题。一是由于油缸旋转, 使缸塞相对位置不断变化, 因而漏油量也不断变化, 整个液压系统内部的压力很难保持稳定, 结果造成测力机的波动度较大; 二是制造工艺复杂,成本较高。本文介绍一种液压式测力装置，用它既可以测量圆形二物体之间的夹紧力，通过改变前后顶头的形状，又可
14、用来测量非圆柱形物体之间的夹紧力，而且通过装置上的压力表可直接读出被测量物体之间夹紧力的大小。装置结构简单，制造容易，使用方便。4 总体设计4.1油缸的选用与校核内径大小和内桶的长度的确定是液压式测力装置测量范围的重要参数，壁厚的确定是液压测力装置稳定性和安全性的重要参数之一。在静止液体中，任意一点所受到各方向的压力都相等。静止液体中某一微小面积么上受法向作用力队其压力可用下式表示，静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在莱一方向上所受静压作用力的总和。便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。 固体壁面为一平面时，如不计重力作用(即忽略项)，平面上各点处的静压力大小相等，作用在固体壁面上的
15、力等于静压力与承压面积的乘积，即FpA，其作用方向垂直于壁面。 当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。图2 作用在曲面上的力缸筒壁厚的校核当缸简壁厚时，可按薄壁圆筒的计算公式校验其强度。即：式中 缸筒试验压力，比最大工作压力大20一30； D缸筒内径； 6缸筒材料许用应力，；为材料抗拉强度，n为安全系数，一般取n35。图3 缸体当缸筒壁厚时，按厚壁圆筒公式校验，即：中低压液压缸的缸简壁厚常根据结构和工艺的需要来确定，其强度一般不是主要问题。本装置缸体材料用45钢，直径D为205mm，壁厚为22.5mm，属于厚壁圆筒
16、，料抗拉强度为600MPa，带入公式校核合格。4.2 活塞的选用与校核 活塞外表面的粗糙度和精度是决定改液压测力装置精度和灵敏度的重要条件，它的密封首先用活塞圈，再用两个O型密封圈，经检验，密封合格。 图3 活塞 用45钢成型后，先淬火，然后渗碳，注意须放置时，要垂直放置，或悬挂。4.3 压力表的选用一般选择压力表的常用工作点在其全量程的23左右时最为理想。因此P =Ps(23)=16(23)=24MPa式中 Ps 油缸的常用工作压力20MPaPp 所选压力表的量程根据工厂的实际情况所以决定选用30MPa的压力表。4.4密封圈的选用由于该液压测力装置是测量比较大的里，要求密封圈既能承受足够大的
17、压强，又要尽量减少泄漏。4.4.1液压缸的密封液压缸是依靠密封的工作容积变化来传递动力和运动的。因此要求两个有相对运动的零件之间形成的空间应是密封的。不使油液从进油腔泄漏至回油腔，更不允许泄漏到缸体外面，若密封不良不仅使液压缸的性能和效率降低，甚致失去工作能力，因此，对液压缸的密封提出以下要求：（1）在额定工作压力下，保证良好的密封，使其减少泄漏。（2）相对运动的零部件间，密封装置引起的摩擦力要小，不允许有卡死或爬行现象。（3）密封元件的加工工艺和装配简单。即制造容易，成本低，适于组织集中生产和标准化生产。（4）耐磨性好，工作寿命长，磨损后在一定程度上能自动补偿。本装置选用的是O型密封圈，通常
18、安装在矩形的沟槽中，用于固定件或往复运动件间的密封。具有以下一些特点：（1） 密封性较好，寿命较长；（2） 用一个密封圈可起到双向密封的作用；（3） 懂摩擦阻力小；（4） 对油液的种类，温度和压力适应性较强；（5） 体积小，重量轻，成本小；（6） 结构简单，拆卸简单；（7） 既可做动密封，又可做静密封；（8） 可在较大温度范围内工作。4.5 排气阀的选用如果没有排气阀的设置，压力油进入缸腔后，缸内仍会有客气，由于空气具有压缩性和滞后性，影响测力装置的准确性。为了避免这种现象的发生，出来阻止空气进入外，必须在缸体上安设排气阀。排气阀的位置要合理，一遍安装后调试前排除缸体内部的空气。由于空气比油轻
19、，总是向上浮动，不会让空气有积存的残留死角。4.6 顶头的设计由于该液压测力装置在各种不同的环境条件下使用，有着不同的测量条件需要满足，所以塞给出两个成套的顶头，以便在不同的环境中，可以很好的和被测量物体贴合紧切，可以是测量更加准确。如下图。图4 顶头1 顶头24.7 液压油的和选用液压油的性能直接关系到改液压测力机的准确性和精度，本文对此做了较为细致的讨论分析。4.7.1 液压油的主要物理性质4.7.1.1 密度密度定义为单位体积的质量，即 式中 m液体的质量， V液体的体积。4.7.1.2 压缩性和膨胀性 油液的密度是随着温度、压力的变化而变化的，即密度是温度和压力的函数其数学表达式为：
20、液体的密度随压力和温度的变化量很小，因此常取台劳级数一阶展开式来近似表达，即 式中，即是液体在压力为，温度为时的密度。是液体在压力为p、温度为t时的密度。 令 上式为线性化了的状态方程。式中k为液体的压缩率，为液体的热膨服率。当压力增加时，密度增加；温度增加时密度减小。根据密度定义，将m对微分，因既 在时，的表达式可改写为V液体的体积液体的初始体积。压缩率k的物理意义是：当液体的压力增加单位增量时，体积的相对变化率。压缩率的倒数称为液体的体积弹性模量K，即纯液压油的体积弹性模量K值在，当液体中混入有不溶解的气体时，液体的体积弹性模量k会大大降低。考虑到一般液压系统中很难避免混入气体，所以计算时
21、常取f7XlcpNm2，其计算结果与实际比较接近。 由于液压油的可压缩性很小，所以一般可以忽略。但在高压以及研究系统动态性能时，则不能忽略。4.7.2 粘度 当油液在外力作用下流动时，由于油液分子之间的内聚力和油液分子与固体壁面的附着力，会导致油液分子之间产生相对运动从而在油液中产生内摩擦力。油液在流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。只有在流动时，油液的粘性才显示出来，静止液体则不显示拈性。4.7.2.1 粘度的单位 粘性的大小可用粘度来衡量。粘度是液体最重要的特性之一，对液压系统中所用的液压油的粘度常有较严格的要求。粘度一般可用下面几种不同的单位来表示。 （1）动力粘度 如图所示，两块平行平板
22、间充满着油液，上平板以速度v向右运动，下平板固定不动。紧贴在上平板的油液粘附在上平板上与上平板一起以速度v运动。紧贴在下平板的油液则粘在于下平板而保持静止。当两平板之间距离h较小时，油液速度呈线性规律分布。因而这时的流动可看作为许多薄体层的运动。由于各层的流动速度不同，流速高的流层会带动流速低的流层，而流速低的沉层又会阻滞流速高的流层。这样在流层之间就产生了内摩擦力。根据试验研究，其液层间的内摩擦力F与接触面积和两液层的相对速度du正比，与两液层间的距离d成反比。即或图5 液体粘性示意图上式称为牛顿内摩擦定律。式中为动力粘度或内摩擦系数，为单位面积的摩擦力(剪切应力)，为油液相对滑动的速度梯度
23、。 动力粘度的物理意义是：当速度梯度为时单位面积上的内摩擦力。如果动力粘度只与液体的种类有关而与速度梯度无关，则这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。液压油一般为牛顿液体。 在我国法足计量单位中，动力粘度的单位为帕*秒()。即。(2)运动粘度v 是动力粘度与密度之比，即v的法定计量单位为运动粘度v没有明确的物理意义，但在计算中常用到。由于v的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。(3)相对粘度(思氏粘度) 由于动力粘度较难直接测量，因此工业上还常采用相对粘度来度量液体的粘性。液体的相劝拈度又称条件粒度，是以被测液体的粘度相对于水的粘度的大小程度来表示的。我国用恩氏粘度4.7.3 粘度与压力的
24、关系 当压力增加时，液体分子之间距离缩小，内聚力增大，粘度也增大。在一般情况下，压力对粘度的影响较小，可不加考虑。只有在压力较高或压力变化较大时才需考虑压力对粘度的影响，它们之间的关系为：压力为时液体的运动粘度；大气压力下液体的运动粘度；自然对数的底；系数。4.7.4 粘度与温度的关系温度对油液粘度的影响较大。当温度增加时。液体分子活动能力增强，内聚力减小，粘度降低。油液粘度与温度的关系称为粘温特性。不同的油浓有不同的粘温特性。在范围内，运动粘度76的矿物油的粘度与温度的关系可用以下近似公式计算。式中 时油液的运动粘度； 50时油液的运动粘度：n指数，见表。表1 温度指数n 液压系统是依靠液压
25、油来传递能量的，它的性能会直接影响到液压系统的工作。对液压传动系统治压油的使用要求可概括如下：粘度合适，随温度的变化小工作介质粘度是根据液压系统中重要液压元件的油膜承载能力确定的，故应在保证承载能力的条件下，选择合适的介质粘度。工作介质的粘度太大，系统的压力损失大，效率降低，而且泵的吸油状况恶化，容易产生空穴和气蚀作用，使泵运转困难。粘度太小，则系统泄漏太多，容积损失增加，系统效率亦低，并使系统的刚性变差。此外，季节改变，以及机器在启动前后和正常运转的过程中，工作介质的温度会发生变化，因此，为了使液压系统能够正常和稳定地工作，要求工作介质的粘度随温度的变化要小。（1）润滑性良好 工作介质对液压
26、系统中的各运动部件起润滑作用，以降低摩擦和减少磨损，保证系统能够长时间正常工作。近来，液压系统和元件正朝高性能化方向发展，许多摩擦部件处于边界润滑状态，所以，要求液压工作介质具有良好的润滑性。（2）抗氧化 工作介质与空气接触会产生氧化变质，高温、高压和某些物质(如铜、锌、铝等)会加速氧化过程。氧化后介质的酸值增加，腐蚀性增强，而且氧化生成的粘稠物会堵塞元件的孔、隙，影响系统的正常工作，因此，要求工作介质具有良好的抗氧化性。（3）剪切安定性好 工作介质在经过泵、阀和微孔元、器件时，要经受剧烈的剪切。这种机械作用会使介质产生两种形式的粘度变化：即在高剪切速度下的暂时性粘度损失和聚合型增粘剂分子破坏
27、后造成的永久性粘度下降。在高速、高压时这种情况尤为严重。粘度降低到一定程度后就不能够继续使用，因此，要求工作介质的剪切安定性好。（4）防锈和不腐蚀金属 液压系统中许多金属零件长期与工作介质接触，其表面在溶解于介质中的水分和空气的作用下会发生锈蚀，使精度和表面质量受到破坏。锈蚀颗粒在系统中循环，还会引起元件加速磨损和系统故障。同时，也不允许介质自身对金属零件有腐蚀作用，或会缓慢分解产生酸等腐蚀性物质。所以，要求液压工作介质具有良好的保护金属、防止生锈和不腐蚀金属的性能（5）同密封材料相容 工作介质必须同元件上的密封材料相容，不引起溶胀、软化或硬化，否则，密封会失效，产生泄漏，使系统压力下降，工作
28、不正常。（6）消泡和抗泡沫性 混入和溶于工作介质的空气，常以气泡(直径大于1.0mm)和雾沫空气(直径小于O.5mm)两种形式析出，即起泡。起泡的介质使系统的压力降低，润滑条件恶化，动作刚性下降，并引起系统产生异常噪声、振动和气蚀。此外，空气泡和雾沫空气的表面积大，同介质接触使氧化加速，所以，要求工作介质具有良好的消泡和抗泡沫性。（7）抗乳化性 水可能从不同途径混入工作介质。含水的液压油工作时受剧烈搅动极易乳化，乳化使油液劣化变质和生成沉淀物，妨碍冷却器的导热，阻滞管道和阀门，降低润滑性及腐蚀金属，所以，要求工作介质具有良好的抗乳化性。（8）清净度 工作介质中的机械杂质会堵塞液压元件通路，引起
29、系统故障。机械杂质又会使液压元件加速磨损，影响设备正常工作，加大生产成本。各种液压系统工作介质都应符合相应清净度的要求。（9）其他 良好的化学稳定性、低温流动性、抗燃性，以及无毒、无臭，在工作压力下，具有充分的不可压缩性。4.7.5 液压工作介质品种的选择（1）液压系统所处的工作环境 即液压设备是在室内或户外作业，还是在寒区或温暖的地带工作,周围有无明火或高温热源，对防火安全、保持环境清洁、防止污染等有无特殊要求。（2）液压系统的工况 如液压泵的类型，系统的工作温度和工作压力，设备结构或动作的精密程度，系统的运转时间，工作特点，元件使用的金属、密封件和涂料的性质等。（3）液压工作介质方面的情况
30、 如货源、质量、理化指标、性能、使用特点、适用范围，以及对系统和元件材料的相容性等。（4）经济性 即考虑液压工作介质的价格，更换周期、维护使用是否方便，对设备寿命的影响等。 4.7.6 液压工作介质粘度的选择（1）意义 对多数液压工作介质来说，粘度选择就是介质牌号的选择。粘度选择适当，不仅可提高液压系统的工作效率、灵敏度和可靠性，还可以减少温升，降低磨损，从而延长系统元件的使用寿命。（2）选择依据 液压系统的元件中，液压泵的载荷最重，所以，介质粘度的选择，通常是以满足液压泵的要求来确定。（3）修正 对执行机构运动速度较高的系统，工作介质的粘度要适当选小些。以提高动作的灵敏度减少流动阻力和系统发
31、热。4.7.7 使用要求 内容或措施4.7.7.1 日常维护（1）保持环境整洁，正确操作，防止水分、杂物或空气混入。（2）含水型液压液的使用温度不要超过规定值，以免水分过度蒸发。要定期检查和补充水分，否则，其理化性质会发生变化，影响使用，甚至失去难燃性，成为可燃液体。（3）对磷酸酯要特别注意防止进水，以免发生水解变质。4.7.7.2 安全（1）使用液压油要注意防火安全。（2）磷酸酯有极强的脱脂能力，会使触及的皮肤干裂。误触后应立即用流水、肥皂清洗。5 几个关键问题的讨论研究5.1 活塞与缸筒间的内泄分析活塞与缸筒间的密封，不像活塞杆密封圈破坏那样油液流到外面，引起人们的注意。因而，微量的内泄往
32、往被忽视。但泄漏量多会引起测力装置的测量不准确。这种微量的内泄漏也会使流体积存到两个密封圈之间而产生压力。这种压力有时达到很高。甚至把密封件从密封安装槽中挤出，使密封件破损，最终导致测力装置失效，这种现象为背压引起的损坏。在这种状态时，活塞和缸体接合面不可能密封，这就导致缸体内泄，引起测量不准确，或根本无法测量。产生背压的原因分析有以下几点：(1)活塞密封安装槽前挡肩设计时与缸体间隙过大，有时达3 mm，加之密封件材料本身不符合要求，加剧了密封件由背压造成的挤出，咬唇而损坏。(2)活塞密封件和滑动面出现伤痕时引起的背压。(3)活塞不良引起的背压损伤，这主要指活塞密封安装槽的表面粗糙度达不到要求
33、，在反交力加压、减压以及密封圈与缸体间的磨擦引起密封件破损产生背压的。解决这种背压的措施，如在密封圈的挡板上开孔，易于流体流出，或在“Yx”形密封圈槽中加入尼龙支承等，这样都有效地防止背压引起的破坏。工程机械液压油缸的关键在于密封型式的选择。如果我们不掌握密封型式的选用原则和注意事项，是难以达到预期的设计要求和使用效果的。5.2 压力表对液压测力装置测定值的影响分析5.2.1 压力表测量范围的影响液压千斤顶额定上限压力一般在(5060)MP之间，而生产厂家所选择的配套压力表测量范围多为(O一6O)MPa，这意味着正常使用时，工作压力会达到压力表测量上限的(90100)，这就带来很大的隐患，无法
34、保证测量结果的准确性和长期可靠性。按规定，使用压力表测量压力时，被测压力不得超过压力表测量上限的34，一只测量范围为(O60)MPa压力表，其正常线性工作区域在45MPa以下。如果液压千斤顶需控制的压力超过45MPa，压力表弹性敏感元件就处于疲劳极限区，工作时极易损坏，无法保证测量结果的准确性和长期可靠性。另外，根据JJG521999弹簧管式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程规定，一般压力表的允许误差在其测量上限的(90100)范围内，允许降低一级计算。这就意味着在检定一块1。6级、(O6o)MPa的一般压力表时，虽然其允许误差为O。96MPa，但在(5460)MPa区间，其误差即使达到1
35、。5MPa依然可以判定其为合格。一般压力表检定中的这一特殊规定，也是造成液压千斤顶上限压力示值失准的重要原因之一。由此可见，选择配套压力表时，应以测力装置上限压力的(140200)来确定压力表的测量上限为宜。如考虑到压力表的弹性后效影响，最好以测力装置额定上限压力的200来确定压力表测量上限。这就意味着，如果液压千斤顶需控制的上限压力在(5060)MPa之间，选择测量上限为100MPa的压力表比较合适。5.2.2 压力表准确度等级和分辨力的影响根据GB500102002混凝土结构设计规范和GB502042002混凝土结构工程施工质量验收规范，预应力张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验
36、值的相对允许偏差应在5内。然而，由于在实际测量过程中受设计规定、施工方法、检测手段、配套仪表、环境等因素影响，检测结果的可靠性和准确性也将受到较大影响。特别是对小负荷点,如在10MPa这一点时，压力表的1。6MPa误差值，就意味着测力装置的相对误差高达16。同时，不同等级的压力表其最小分辨力也不同。以(O一100)MPa压力表为例，O。4级的精密压力表最小分度值为O。5MPa，由于指针刀锋垂直于表盘，因而可估读到最小分度值的110，故其最小分辨力为0。05MPa；而1。6级的一般压力表最小分度值为2MPa，指针刀锋平行于表盘，因而只能估读到最小分度值的15，其最小分辨力为0。4MPa。由此可见
37、，由分辨力带来的估读误差影响也不容忽视。5.2.3 压力表配套检定时的影响在检定条件完全相同的情况下，仅仅由于压力表的选择不同，其对液压式测力装置测量结果准确度的影响就不容忽视。5.2.4 不确定度分析分析液压测力装置的过程，其测量结果不确定度来源主要有以下几方面：（1）应变式标准测力仪引入的标准不确定度分量 。（2）被检液压千斤顶检定重复性引入的标准不确定度分量 。（3）温度变化引入的不确定度分量。（4）示值估读不准确引入的不确定度分量 。（5）数据修约引起的标准不确定度分量 。5.3 缸桶系统的“有效面积” 理想地说，对产生力有决定意义的缸塞系统的有效面积，应相当于活塞与油缸基本面积的平均
38、位。这一理想情况是以下述假设为先决条件的，即缸塞系统的制造、间隙中的压力降或与压力有关的变形均不会造成此系统直径的变化；然而事实并非如此。尽管缸塞系统的直径变化，已有可能减少到小于1微米的数值，但是要想消除缸塞系统在高压下的变形，却是完全不可能的。缸塞系统的变形，是由油缸内径的增加和活塞直径的减小构成的，它会导致有效面积系统性的放大，这种放大与压力数值有关。按减小摩擦力的影响的观点，在液压式标推测力机小只使用无密封的缸塞系统，因而间隙中的压力特降低到大气压。正如周密的研究所表明的那样，这种压力降在一次近似条件下可认为是线性的。但是，作为直径变化的结果，在间隙中的优势压力还会产生附加力。因此，缸
39、塞系统购“合效面积”这个术语的意义应加以引申，以便于指定一种表现的有效面积，此表观面积足由包括作为压力(用于产生力)函数的所有面积组成的。5.3.1 缸由变形的数学表述 为了推导出有效面积的表述方程，必不可少的是先要考虑一下缸塞系统的变形问题。油缸的扩大： 活塞的缩小：p作用于缸内壁上的压力油缸的内半径；油缸的外半径；泊松常数；E弹性摸量；活塞的半径；基压。 虽然，在此无需推导这两个方程，不过府当指出，曾对油缸的扩大方程做过检验，实验结果与理论演是非常符合的。替代量、及，对于以后的有效面积方程是十分重要的。而这些替代量又和许多问题密切相关，例如，若活塞是小空的，或者油缸上装有另一种材料制成的衬
40、套，或者油缸的几何尺寸不对称，则就很难确定这些替代量。在这些情况下，计算是非常不确定的。所以，想指出一种实验的方法，以便能借助于测量漏油量来计算这三个常量。流过缸塞系统间隙的漏油量Q，在液压中通常用下式计 算：式中，缸塞半径的平均值； 间隙的有效长度； 间隙的宽度； 油液的粘度。5.3.2 有效面积的确定 为了确定有效面积，在下面的推导过程中将要考虑诸如直径变化、压力降及变形这些实际上已获知的所有参数。这样，最终的计算方法和方程，就可用于所有的缸塞系统中去。 下图所示为一缸塞系统的各段宜径。实线代表变形前的系统，是通过对活塞与油缸进行实阅而得到的，r表示变形前的半径；虚线代表在压力p下发生变形
41、后的缸塞系统，R表示变形后酌半径。由于制造公差，直径变化不可能是一种数学上的连续因数，因而各段直径部近似地面成宣线。这些直线用线性方程与表示：式中；：z缸塞的轴； 作为z的函数的活塞半径； 作为2的函数的油缸半径。图6 油缸与活塞的直径段6 结论本文设计的一种液压式测力装置，用它既可以测量圆形二物体之间的夹紧力，通过改变前后顶头的形状，又可用来测量非圆柱形物体之间的夹紧力，而且通过装置上的压力表可直接读出被测量物体之间夹紧力的大小。装置结构简单，制造容易，使用方便。测力装置的构成及工作过程测力装置结构如图所示。在使用前，针对被测量物体的形状制作两个顶头，使两个顶头与被测物体之间能很好地贴合。同
42、时顶头18与活塞12用螺纹连接，顶头13与底座1 用沉头螺栓连接，这样就使两个顶头与装置构成一体。欲测量某物体之间夹紧力的大小，先通过把手10 图6 液压测力装置的成品将该装置放置在被测量物体之间，然后通过单向阀9向缸体的左腔内注入液体，直至两个顶头刚好与被测量物体贴合良好并使该装置处于被测量物体之间，此时停止对单向阀9注入液体。为了注入液体时利于空气的排出，可在缸体17上部某处设置排气螺塞，待排完气后密封住。此时将压力表回零，这样就完成了测量前的准备工作。开始测量时，被测量物体通过两个顶头，将活塞12向内挤压，活塞12将先前的液体压缩，通过压力6上的读数就可直接读出被测量物体之间夹紧力值的大
43、小。由于在该装置中缸体的内径d 是一个定值，而夹紧力的大小等于液体的压力乘以活塞的横截面积，通过压力表6中数值的设定，就可直接读出被测量物体之间夹紧力值的大小。测量完后，将被测量物体外所施加的力去掉，然后调节顶头 18与活塞 12的相对位置，移出测力装置，从而完成对物体夹紧力值的测量。在该测力装置中，连接头 14与底座 1之间用球铰链连接的方式，可使该装置与被测量物体之间有较好的自适应性，以便与被测量物体有良好的接触。另外连接头14与缸体17之间采用螺纹连接，也使得长度L有一定的调节余量，调节完后用锁圈5将二者锁紧。活塞 12与缸体 17采用2个O形密封圈密封，防止液体漏出。为防止活塞 12从
44、缸体17和中脱出，在缸体上设置有阻挡螺钉11 ，并在活塞 12上开与阻挡螺钉11相应的长槽，若不用时，可卸掉单向阀9将缸内的液体倒出。该液压测力式装置如需要，可成为系列产品，本说明属附的图纸行程为100mm，钢桶内径为160mm，使用范围为20100mm，根据F=PxS，可得出该液压测力装置的测力极限为3.2x10+4牛的力，但考虑到灵敏度的问题，该磁力装置的测力范围1x10+43.2x10+4牛的力。可改变钢桶的直径改变测力范围与改变钢桶的行程改变可生产各个型号的系列产品。6.1 优点与创新本装置经过笔者的研究，与理论上不断验证，于以往的液压测力机相比，还是有很大的优点于创新。该液压测力式装
45、置简单灵活，便于携带于维修。由于分为较多的系列产品，测量值较为准确，制造简单，成本较低。6.2 不足与缺憾该液压测力式装置也具有不少性能设计上的不足。首先，每回使用完毕后，单向阀得拆卸下来，才可让油液流出，在经过一段时间后，需要更换单向阀；其次，装置中使用的国标件三通的耐压是整个设计的瓶颈部分，如需测量更大的力需要特制的三通，这样会增大该装置的成本；再次缸体内滞留的客气是影响该装置测量准确性和精度的主要因素，虽设计了排气阀，可有效的排除缸体内的空气，但不能具体知道确实缸体内已经没有空气，需以后设计者再改进该产品时，能对此做出突破。参考文献 1 彭常户，一种液压式测力装置.塑性。机械工程师，20
46、03（5）。2 胡刚，静压技术在液压式测力机上的应用，虚拟仪器专题报告，2004（4）。3 金建达，液压测力装置，适应技术专版，2004（8）。4 胡刚， PID 控制在液压式测力机电液伺服控制系统中的应用，现代测量与实验室管理，2004（5）。5 胡刚， 虚拟仪器技术在液压式测力机电液伺服控制系统中的应用，虚拟仪器专题报告，2004（4）。6 胡刚，液压式测力机电液伺服控制系统的建模与仿真，现代计量仪器与技术，2005（5）；52_53。7 胡刚，液压式测力机双闭环数字伺服控制系统的研究与试验，测量与设备，2005（9）。8 兰诗涛，陆军华，王文，胡绍诚，莫巧荣，液压式力标准机的计算机控制改造，机床与液压，2004（2）。9 张璐，李卫民，吴凤杰，液压油缸密封可靠性研究与结构的统一，辽宁工学院学报，2006（10）。10 张勇，利用AutoCAD 构造机械油缸产品设计系统，攀枝花大学学报，2001（19）。11 张璐，李卫民，吴凤杰，液压油缸密封可靠性研究与结构的统一，辽宁工学院学报，2006（5）。12 冯剑军，张俊彦，韩利芬，壁厚对厚壁圆筒的极限载荷的影响，湘潭大学自然科学学报，2001（19）。13 张于贤，测定厚壁圆筒初始屈服压力的液压方法，
