單臂矯直液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)文

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1、 燕山大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕 單臂矯直液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 77 / 84 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕任務(wù)書 學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：塑性成形工程系 學(xué) 號 學(xué)生 專 業(yè) 班 級 課 題 題 目 20MN單臂矯直液壓機(jī) 來 源 科研課題 主 要 容 矯直液壓機(jī)是機(jī)械制造業(yè)常見的用于各種板棒管材矯直矯正的設(shè)備。本壓機(jī)主要用于大型軸類、管類、板類件的矯直。主要設(shè)計(jì)容與目標(biāo)是： 1、20MN矯直液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)分析； 2、20MN矯直液壓機(jī)的本體方案設(shè)計(jì)

2、與技術(shù)設(shè)計(jì)； 完成工程設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練。 基 本 要 求 1、確定合理、可行的液壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式<單臂三梁四柱組合機(jī)架>； 2、完成必要的強(qiáng)度、剛度<重點(diǎn)是剛度和整體工作性能>分析； 3、完成液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)總圖及重要零部件的技術(shù)設(shè)計(jì)； 4、設(shè)計(jì)圖紙總量不少于3A0<其中包括2A3或以上規(guī)格的計(jì)算機(jī)繪制的圖紙>； 5、要求設(shè)計(jì)說明書不得少于2萬字。其中,圖表要求計(jì)算機(jī)制作； 6、與本設(shè)計(jì)相關(guān)的外文資料翻譯不得少于5000字。 參 考 資 料 1.余新陸.液壓機(jī).：機(jī)械工業(yè) 2.志文.鍛造工藝學(xué).：機(jī)械工業(yè) 3.中小型液壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算.XX：XX人民 4.王衛(wèi)衛(wèi).金屬

3、與塑性成型設(shè)備.：機(jī)械工業(yè) 周次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周 應(yīng) 完 成 的 容 收集資料,確定參數(shù) 方案設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)分析,設(shè)計(jì)計(jì)算 技術(shù)設(shè)計(jì),撰寫說明書 設(shè)計(jì)審核,答辯 指導(dǎo) 系級教單位審批： 說明：本任務(wù)書一式二份,教師、學(xué)生各執(zhí)一份。 摘要 鍛壓生產(chǎn)在國防工業(yè)和民用工業(yè)中占有極其重要的地位。采用鍛壓工藝生產(chǎn)的零件廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、造船工業(yè)、航空工業(yè)、重型機(jī)械制造業(yè)等各個行業(yè)中。矯直液壓機(jī)是機(jī)械制造業(yè)常見的用于各種板、棒、管、材矯直矯正的設(shè)備。 本文基于液壓機(jī)設(shè)計(jì)理論,依據(jù)已有液壓機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),通過

4、可行性分析,確定了20MN單臂矯直液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù),給出了本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上,論文對液壓機(jī)上、下橫梁等關(guān)鍵部件的受力和變形進(jìn)行了材料力學(xué)分析,對其剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了校核,以保證主要受力部件能夠滿足機(jī)器剛度和抗偏載能力的要求。 根據(jù)上述計(jì)算與結(jié)果分析,修正初始設(shè)計(jì)方案,為20MN單臂矯直液壓機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)提供了可靠的方法和依據(jù)。 關(guān)鍵詞　單臂矯直；液壓機(jī)；本體結(jié)構(gòu)；工作缸；橫梁 Abstract Forging production in the defense industry and civilian industry occupies an ex

5、tremely important position. Forging production process using components widely used in the power industry, shipbuilding industry, aviation industry, heavy machinery manufacturing, and other sectors.The Wheatstone alignment hydraulic press is the equipment that the manufacturing industry used for var

6、ious plank, stick, tube, the material straighten to keep correct familiarly. Based on hydraulic press design theory, according as structure and design experience of free forging hydraulic press, analyzing through feasibility, the dissertation has confirmed that 20 MN the structure of the Wheatstone

7、 straighten hydraulic press and technical parameter, providing the design plan of body structure. On this basis, some of the key parts, such as upper beam, lower beam have been on mechanics of materials analyze, the dissertation has checked its rigidity and intensity, so as to ensure that can meet t

8、he rigidity of the machine and capability of non-central load by the strength part mainly. According to calculating and analyzing result in above-mentioned, the initial design plan has been revised, the technical design of 20 MN Wheatstone straighten hydraulic press has offered reliable method and

9、basis. Keywords Wheatstone straighten; Hydraulic press; Noumenallyconfiguration; Work urn; Beam 目 錄 摘要I AbstractII 第1章緒論1 1.1 課題背景1 1.2 液壓機(jī)發(fā)展的國外現(xiàn)狀3 1.3 液壓機(jī)研究的主要成果4 1.4 液壓機(jī)的發(fā)展趨勢5 1.5 課題研究的容和研究的意義5 1.5.1研究的基本容,擬解決的主要問題5 1.5.2研究步驟、方法及措施6 1.6 本章小結(jié)6 第2章液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)7 2.1 引言7 2.2 單臂

10、式液壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)8 2.3 液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)8 2.4 工作缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)9 2.4.1液壓缸結(jié)構(gòu)概述9 2.4.2工作缸設(shè)計(jì)12 2.4.3工作缸的強(qiáng)度校核15 2.4.4工作缸底法蘭連接螺栓的選擇16 2.5 回程缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)17 2.5.1回程缸設(shè)計(jì)17 2.5.2回程缸的強(qiáng)度校核18 2.5.3回程缸底法蘭連接螺栓的選擇20 2.6 上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度強(qiáng)度校核20 2.6.1上橫梁設(shè)計(jì)方案20 2.6.2上橫梁剛度及強(qiáng)度校核22 2.7 下橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度強(qiáng)度校核25 2.7.1下橫梁設(shè)計(jì)方案25 2.7.2下橫梁剛度及強(qiáng)度校核26 2.

11、8 拉桿的結(jié)構(gòu)方案的確定29 2.8.1大拉桿的結(jié)構(gòu)尺寸的確定32 2.8.2小拉桿的結(jié)構(gòu)尺寸的確定32 2.8.3拉桿螺母的選擇33 2.8.4拉桿強(qiáng)度校核34 2.8.5拉桿的預(yù)緊與防松35 2.9 密封裝置36 2.9.1密封材料36 2.9.2活動件密封裝置37 2.10 本章小結(jié)37 結(jié)論39 參考文獻(xiàn)40 附錄142 開題報告42 文獻(xiàn)綜述45 附錄248 外文資料48 附錄362 中文翻譯62 致75 第1章 緒論 1.1 課題背景 液壓機(jī)是一種利用液體壓力來傳遞能量,以實(shí)現(xiàn)各種壓力加工工藝的機(jī)床。隨著新工藝及新技術(shù)的應(yīng)用,

12、液壓機(jī)在金屬加工及非金屬成形方面的應(yīng)用越來越廣泛,在機(jī)床行業(yè)中的占有份額正在大幅度攀升。單臂液壓機(jī)又稱"C"形液壓機(jī),屬中小型壓機(jī),機(jī)架為整體鑄鋼結(jié)構(gòu)或鋼板焊接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,工作時可以從三個方向接近,操作方便。但整個機(jī)架有足夠的強(qiáng)度和剛度,有時機(jī)架比較笨重。目前,單臂式液壓機(jī)廣泛用于校正壓裝、板料彎曲成型等工藝中。矯直液壓機(jī)是機(jī)械制造業(yè)常見的用于各種板棒管材矯直矯正的設(shè)備?，F(xiàn)在單獨(dú)設(shè)計(jì)這種單臂矯直的液壓機(jī)的并不多見,所以鑒于我國的這種現(xiàn)狀,本課題選擇這一課題為科研對象,希望在這方面能夠彌補(bǔ)我國的這一缺陷。 大型鍛件的生產(chǎn),是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。由于鍛造成型工藝能夠改善零件的微觀組織結(jié)構(gòu),

13、提高其機(jī)械性能,因此在許多行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來,國外在電力工業(yè)、造船工業(yè)、航空工業(yè)、重型機(jī)械制造業(yè)等各個行業(yè)中,對大鍛件以及大型模鍛件的需求也日益增多,在制造業(yè)中占十分重要的地位?，F(xiàn)代重型鍛造液壓機(jī)的制造能力和水平是一個國家國力的象征。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,對航空、航天和國防科技水平也提出了更高的要求。在這些行業(yè)中,對大型精密鍛件的需求量很大。在國外,鍛造工藝之所以獲得如此廣泛應(yīng)用,是與其獨(dú)特的優(yōu)越性是分不開的。如在生產(chǎn)率、金屬材料利用率、產(chǎn)品的機(jī)械性能等重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面,均比機(jī)械加工,鑄造和焊接工藝占有優(yōu)勢。一個鋼產(chǎn)量以千萬噸計(jì)的國家,各類鍛件總量則以百萬噸計(jì)。如德國,自1970年以

14、來,僅模鍛件就達(dá)到年產(chǎn)量100萬噸。正因?yàn)槿绱?鍛件雖經(jīng)上千年的發(fā)展,但至今其生命力仍與日俱增。目前,計(jì)算機(jī)科學(xué)日新月異,人工智能理論逐步完善,這些新理論和新技術(shù)直接或間接的促進(jìn)了鍛造技術(shù)的發(fā)展。 對矯直技術(shù)和理論的研究,目的在于正確地分析和描述在矯直過程中呈現(xiàn)的一系列現(xiàn)象,尋求和實(shí)際相吻合的規(guī)律；確定矯直參數(shù)間的相互關(guān)系,用于指導(dǎo)生產(chǎn)；研發(fā)和開發(fā)新型、高效、高精度的矯直設(shè)備,使生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度不斷得到提高。 國外對矯直理論和技術(shù)的研究起步較早,具有相當(dāng)?shù)膹V泛性,取得了許多研究成果。許多成果已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。矯直技術(shù)較發(fā)達(dá)的國家,如前聯(lián)、德國、日本和英國等,從四

15、十年代起,生產(chǎn)的矯直設(shè)備就形成了系列產(chǎn)品,在矯直理論、工藝和設(shè)備的研究方面也做了大量的工作,并取得了一批較有影響的成果。 國有關(guān)的技術(shù)人員在矯直理論和技術(shù)的研究方面亦做出了很大的努力,使矯直理論和技術(shù)的研究工作得到了很大的發(fā)展,并取得了不少令人矚目的研究成果,其中部分成果的水平居領(lǐng)先地位。隨各行業(yè)對矯直設(shè)備的種類、數(shù)量日益增加的需求,我國目前已形成了自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)板、帶、線、型、管材的矯直設(shè)備的能力,設(shè)備的精度和控制水平也不斷提高。在引進(jìn)和吸收國外先進(jìn)的矯直設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上,高效、高精度的矯直設(shè)備相繼問世,不斷地推動矯直理論和技術(shù)地研究工作向前發(fā)展。 矯直理論和技術(shù)的發(fā)展正趨向于在機(jī)械結(jié)

16、構(gòu)方面和傳動方式方面便于操作和維護(hù),擴(kuò)大設(shè)備適用性、降低能量消耗、改善工作條件等方向發(fā)展。 在現(xiàn)代技術(shù)水平條件下,幾乎任何一種金屬材料都可以用鍛造方法制成鍛件或零件,只是難易程度不同。今天,鍛件精度越來越高,可以達(dá)到甚至超過機(jī)械加工的一般水平。如各種冷溫?cái)D壓標(biāo)準(zhǔn)件、精鍛齒輪、精鍛葉片、精鍛軸類件等；鍛件重量越來越大,隨著大型水壓機(jī)的出現(xiàn),鍛件的重量超過了一百噸,模鍛件的外徑也達(dá)到了100厘米以上；鍛件的復(fù)雜程度由于多分模面的出現(xiàn)也得到了明顯的提高,帶來福線的空心管件已能在專用的鍛壓設(shè)備上直接成型。 鍛件生產(chǎn)的最高目標(biāo),應(yīng)是以最短的時間和最低的成本,得到最好質(zhì)量的產(chǎn)品。鍛件實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化

17、,是向全世界先進(jìn)水平靠攏的必然手段。我國的鍛造行業(yè),除了這些鍛造液壓機(jī)之外,更多的是使用鍛錘<大多為蒸汽錘,有一部分已改為"電液錘">。預(yù)計(jì)再過10年到20年。大都會報廢并退出歷史舞臺。近幾十年來,隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展,特別是吸收了國外同行的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù),引進(jìn)國外先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備,鍛件的生產(chǎn)技術(shù)獲得了明顯的發(fā)展和提高。但是由于 生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)手段依然落后,在很大程度上影響了我國鍛造水平。因此,為提高我國鍛造生產(chǎn)的整體水平,實(shí)現(xiàn)鍛造工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)化,采用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法預(yù)測分析成型過程,以降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期,提高生產(chǎn)效率,已成為目前我國鍛造業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。 隨著我國進(jìn)入WTO,

18、世界性的經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動了我國制造業(yè)的飛速進(jìn)步。汽車、航空航天等行業(yè)的發(fā)展,促進(jìn)了鍛壓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,各類鍛件的需求也急速增加,這一形勢迫使老的鍛造液壓機(jī)更新改造,發(fā)達(dá)地區(qū)新鍛造設(shè)備加速上馬,新一輪的研發(fā)鍛造液壓機(jī)的時期已經(jīng)到來。隨著市場經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展,未來的鍛造液壓機(jī)的進(jìn)退將完全取決于市場需求。 1.2液壓機(jī)發(fā)展的國外現(xiàn)狀 國現(xiàn)狀：解放前,我國基本上沒有實(shí)現(xiàn)自己的鍛造工業(yè),僅有一些古老的手工打鐵作坊。在極少數(shù)大城市里有幾臺小型的用于修配德液壓機(jī)或小型鍛錘。 解放后的第一個五年計(jì)劃期間,重機(jī)廠安裝了一臺日本造10MN鍛造水壓機(jī)和5t蒸汽錘。1955年,由機(jī)械工業(yè)部第三局組織,在重機(jī)廠隊(duì)一臺日造3

19、0MN鍛造液壓機(jī)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。從1956年起,我國技術(shù)人員開始了從學(xué)習(xí)、仿制到獨(dú)立研發(fā)鍛造液壓機(jī)的工作,一部分大學(xué)開設(shè)了鍛壓專業(yè),許多教授對鍛壓工藝和設(shè)備從理論上進(jìn)行了深入的研究并發(fā)表了一系列專門著作,培養(yǎng)了大量的鍛壓專業(yè)人才。國家建立了多所鍛壓工藝設(shè)備研究所,作了大量的研究開發(fā)工作。重、太重、北重、天重、上重及重型機(jī)械研究所先后獨(dú)立研制成功了一系列鍛造液壓機(jī),形成了許多鍛件生產(chǎn)基地,這對于迅速發(fā)展的我國德工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),鞏固國防豆具有重大的意義。<1>在生產(chǎn)能力及市場方面,國液壓機(jī)的產(chǎn)量每年都有很大的增長率,國液壓機(jī)從產(chǎn)值和銷售收入上和囤外發(fā)達(dá)國家比較,也不具有優(yōu)勢,但從生產(chǎn)的臺數(shù)和總噸位上比

20、較,我國的液壓機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)量處于領(lǐng)先地位。<2>在產(chǎn)品的技術(shù)水平上,國液壓機(jī)單機(jī)的技術(shù)水平達(dá)到了國際中等或較先進(jìn)水平。一些液壓機(jī)生產(chǎn)企業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)或與國外同行業(yè)的合作,技術(shù)發(fā)展很快。但在一些技術(shù)含量較高的液壓機(jī)中,某些關(guān)鍵技術(shù),如液壓和電控部分,還要通過國與外的企業(yè)或研究單位合作,高檔的液壓元件和電控元件還主要依靠進(jìn)口。<3>在質(zhì)量水平上,隨著用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高,國各液壓機(jī)生產(chǎn)企業(yè)越來越重視產(chǎn)品的質(zhì)量問題。由于國液壓機(jī)的技術(shù)最早是從前聯(lián)引進(jìn)和吸收的,國生產(chǎn)的液壓機(jī)在剛度和強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于日本及國的產(chǎn)品,與歐美的產(chǎn)品相當(dāng)。和國外產(chǎn)品比較,我國的產(chǎn)品在質(zhì)量方面還存在以下不足：<1>在可靠性方

21、面,故障率還比較大,主要集中在液壓系統(tǒng)方面,多是因?yàn)橐簤汉碗娖髟目煽啃缘鸵鸬模?2>漏油問題在國產(chǎn)液壓機(jī)中較為普遍；<3>關(guān)鍵件的加工質(zhì)量還需提高；<4>在外觀和美學(xué)方面和國外公司的產(chǎn)品比較還有一定的差距?？傮w上講,國產(chǎn)液壓機(jī)在質(zhì)量上和國外一些較知名公司的產(chǎn)品還有一定的差距,但隨著國制造商對質(zhì)量的不斷重視和管理水平的提高,國產(chǎn)液壓機(jī)的質(zhì)量會接近和趕上國際水平。 國外現(xiàn)狀：早在1893年世界上就研制成功了第一臺120MN鍛造水壓機(jī),應(yīng)用歷史已經(jīng)有100多年?，F(xiàn)在全世界擁有大型模鍛液壓機(jī)四十多臺．其中有42%在美國。美國Wyman Gordon公司、俄羅斯BCMO公司、法國AD公司是世界上

22、擁有模鍛液壓機(jī)公稱壓力最大、品種、數(shù)量最多的3個企業(yè)。 1.3 液壓機(jī)研究的主要成果 國外制造液壓機(jī)技術(shù)比較成熟。早在1893年世界上就研制成功了第一臺120MN鍛造水壓機(jī),應(yīng)用歷史已經(jīng)有100多年。經(jīng)過長期的使用和考驗(yàn),鍛造水壓機(jī)的結(jié)構(gòu)、傳動和操縱系統(tǒng)已有很大進(jìn)步,其技術(shù)已日臻成熟。特別是1934年以后,各國為了發(fā)展航天工業(yè),研制了許多巨型液壓機(jī),德國在二戰(zhàn)前就建造了3臺150MN液壓機(jī)和一臺300MN液壓機(jī)。后來美國建造了兩臺315MN液壓機(jī)。原聯(lián)建造了4臺300MN和兩臺700MN液壓機(jī)。在20世紀(jì),世界各國對液壓機(jī)的研發(fā)都很重視,技術(shù)上得到了長足的發(fā)展。俄羅斯重型鍛壓設(shè)備制造公司是

23、生產(chǎn)鍛壓設(shè)備的主導(dǎo)公司,可生產(chǎn)800t、1250t、2000t、3150t、6300t等液壓機(jī),其載重量為5~30t,負(fù)載力矩為118~785kN·m,是軌道式鍛造操作機(jī)；俄羅斯依若爾重機(jī)廠能制造12500t的液壓機(jī)；俄羅斯上薩爾達(dá)冶金生產(chǎn)聯(lián)合公司是世界上最大的鈦生產(chǎn)商,擁有世界上最大的75000t液壓機(jī)。20XX,在75000t和30000t液壓機(jī)上安裝了自動控制系統(tǒng),可生產(chǎn)重達(dá)3.2t的鍛件；美國能生產(chǎn)液壓機(jī)的最大噸位為12000t,日本生產(chǎn)的最大噸位為10000t。而我國液壓機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)與國際水平相當(dāng),第一重型機(jī)械集團(tuán)、第二重型機(jī)械集團(tuán)公司均可制造12000t液壓機(jī)。我國擁有10000

24、t級大型液壓機(jī)數(shù)量已躍居世界第3位。 而鍛壓生產(chǎn)在我國已有悠久的歷史,在3300多年以前的殷墟文化早期,鍛壓已用于兵器生產(chǎn)。解放前,鍛壓生產(chǎn)十分落后。解放后,鍛壓生產(chǎn)迅速發(fā)展,125MN以下的自由鍛壓機(jī)、300MN以下的模鍛壓機(jī)、160KN以下的模鍛錘、25MN以下的摩擦壓力機(jī)已成系列裝備了諸多鍛壓廠?，F(xiàn)在我國已能向國外提供成套的比較先進(jìn)的液壓機(jī)設(shè)備,支援第三世界和友好國家的工業(yè)建設(shè)。 1.4液壓機(jī)的發(fā)展趨勢 液壓機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用,尤其在航空工業(yè),重型機(jī)械制造等部門中更是必不可少的生產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)在的液壓機(jī)正按著下面幾個方向發(fā)展。 <1>高速化、高效化、低能耗。

25、提高液壓機(jī)的工作效率,降低生產(chǎn)成本。 <2>機(jī)電液一體化。充分利用機(jī)械和電子方面的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個液壓系統(tǒng)的完善。 <3>自動化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液壓機(jī)的自動化和智能化提供了充分的條件。自動化不僅僅體現(xiàn)在加工,應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整,具有故障預(yù)處理的功能。 <4>液壓元件集成化,標(biāo)準(zhǔn)化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接,有效地防止泄漏和污染。標(biāo)準(zhǔn)化的元件為機(jī)器的維修帶來了方便。 <5>迅速采用數(shù)控及計(jì)算機(jī)控制技術(shù),以實(shí)現(xiàn)工藝過程自動化及提高運(yùn)動部分餓控制精度。 <6> 出現(xiàn)了快速換模裝置,它包括設(shè)立中間模具庫,模具轉(zhuǎn)臺,模向換砧裝置,及快速換模裝

26、置,快速夾緊裝置等,以適應(yīng)多品種小批量的市場需求。 <7>采用各種先進(jìn)的快速滑閥或插裝閥,減少閥的換向時間,使閥響應(yīng)時間減少到10ms以下。 <8>采用各種有效的緩變裝置,以減少沖裁時的震動及噪音,擴(kuò)大液壓機(jī)的應(yīng)用圍。 <9>逐步向柔性加工系統(tǒng)發(fā)展,即把微電子技術(shù),自動檢測及反饋,工業(yè)機(jī)器人和自動倉庫結(jié)合一起,將多臺不同功能的設(shè)備組成柔性和加工系統(tǒng)或中心,以適應(yīng)小批量多品種的自動化合理加工。 1.5 課題研究的容和研究的意義 1.5.1研究的基本容,擬解決的主要問題 本壓機(jī)主要用于大型軸類、管類、板類件的矯直。 本設(shè)計(jì)的所要解決的問題是：20MN矯直液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)

27、構(gòu)分析；20MN矯直液壓機(jī)的本體方案設(shè)計(jì)與技術(shù)設(shè)計(jì)；完成工程設(shè)計(jì)的綜合訓(xùn)練。 1.5.2研究步驟、方法及措施 <1>根據(jù)所給的主要參數(shù),確定合理、可行的液壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式<單臂三梁四柱組合機(jī)架>； <2>根據(jù)確定的液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)型式來完成一些必要的強(qiáng)度、剛度<重點(diǎn)是剛度和整體工作性能>的性能分析； <3>最后整體完成液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)裝配圖的設(shè)計(jì)及重要零部件的零件圖的技術(shù)設(shè)計(jì)。 1.6 本章小結(jié) 本章中敘述了20MN單臂矯直液壓機(jī)的課題背景,以及液壓機(jī)在國外的現(xiàn)狀及發(fā)展情況,闡述了液壓機(jī)研究的主要成果和以后的發(fā)展趨勢。并由此給出了本課題所研究的容和研究的方法、步驟和措施。

28、 第2章 液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1 引言 大型液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下三個基本原則： <1>滿足各種鍛件的工藝要求； <2>具有良好的強(qiáng)度與剛度和整體工作性能； <3>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,具有良好的制造、安裝工藝性； <4>使用可靠,便于操作和維修。 其中,工藝要最主要的影響因素。由于在液壓機(jī)上進(jìn)行的工藝是多種多樣的,因此液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)型式也必然是多種多樣的。從機(jī)架型式看,有立式與臥式。從機(jī)架組成方式看,有立柱式、單臂式和框架式,立柱式中又分為四柱、雙柱、三柱及多柱等。從工作缸的數(shù)量來看,有單缸、三缸或多缸。 下面介紹幾種典型的

29、結(jié)構(gòu)型式： <1>三梁四柱式 三梁四柱式液壓機(jī)是最常見的一種結(jié)構(gòu)型式,尤其是大型自由鍛造液壓機(jī)通常采用的一種結(jié)構(gòu)型式,如重機(jī)廠120MN、富拉爾基第一重機(jī)廠125MN、德陽第二重機(jī)廠125MN自由鍛造水壓機(jī)等。 <2>整體框架式 壓機(jī)主機(jī)架為整體焊接或整體鑄造,如長城鋼廠從日本引進(jìn)的20MN下拉式自由鍛造液壓機(jī)。 <3>單臂式 這種結(jié)構(gòu)多用于沖壓液壓機(jī)或小型鍛造液壓機(jī)。單臂液壓機(jī)機(jī)架為整體鑄鋼結(jié)構(gòu)或鋼板焊接結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,工作時可以從三個方向接近工件,操作簡單方便。但整個機(jī)架剛性較差,為了保證機(jī)架有足夠的強(qiáng)度和剛度,有時機(jī)架做的比較笨重。 <4>三梁多柱組合式 對于大型模鍛液壓

30、機(jī),其大噸位使得本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜,受制造、安裝、運(yùn)輸?shù)葪l件的限制,本體往往采用分體組合結(jié)構(gòu)。我國自行設(shè)計(jì)制造的300MN模鍛水壓機(jī)采用的是三梁多柱組合結(jié)構(gòu)。 <5>多板組合框架式 對于大型多向模鍛液壓機(jī),其大噸位和對壓機(jī)剛度的更高要求使得本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。美國Cameron公司制造的300MN多向模鍛液壓機(jī)和第一重機(jī)廠設(shè)計(jì)的200MN多向模鍛擠壓液壓機(jī),主機(jī)架采用的是疊板組合結(jié)構(gòu)；由燕山大學(xué)提出的650MN多向模鍛液壓機(jī)設(shè)計(jì)方案采用的是C型疊板組合式框架。 <6>鋼帶纏繞框架式 用鋼帶纏繞方式制成的預(yù)應(yīng)力液壓機(jī)機(jī)架,具有結(jié)構(gòu)輕巧、尺寸小、抗疲勞性能好及造價低廉等特點(diǎn)。瑞典

31、曾用于制造冷鍛液壓機(jī),前聯(lián)則設(shè)計(jì)并制造了從10MN到150MN的有色金屬模鍛液壓機(jī)系列。 2.2 單臂式液壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn) 單臂式液壓機(jī)又稱"C"形液壓機(jī),這種結(jié)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)是機(jī)身為開式結(jié)構(gòu),可以以三面接近工作區(qū)。因此裝卸模具和工件均很方便。目前,單臂式液壓機(jī)廣泛用于校正壓裝、板料彎曲成型等工藝中。但是,單臂式結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是機(jī)身懸臂受力,且受力后變形不對稱,使主缸中心線與工作臺的垂直度產(chǎn)生角位移,這樣將使模具間隙偏于一側(cè),一定程度上影響工件壓制質(zhì)量。此外,在一般簡單的單臂式液壓機(jī)設(shè)計(jì)中,滑塊大多沒有導(dǎo)軌,完全靠活塞與缸的導(dǎo)向面配合導(dǎo)向,因此機(jī)身變形后將使活塞承受相當(dāng)?shù)膹澢鷳?yīng)力。為了使最大變形

32、在允許圍,設(shè)計(jì)時許用應(yīng)力均取得較低。故較相同參數(shù)的四柱式和框架式結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)重量大得多。 2.3 液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 綜合分析現(xiàn)有液壓機(jī)結(jié)構(gòu)型式,提出20MN單臂校直液壓機(jī)本體主要部件結(jié)構(gòu)型式如下： <1>液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)列于表2-1。 表2-1 20MN單臂校直液壓機(jī)技術(shù)參數(shù) Table 2-1 20MN press technical parameters 參數(shù)名稱 數(shù)值 參數(shù)名稱 數(shù)值 公稱壓力 20MN 最大凈空距 2500mm 回程力 1.5MN 喉深 2000mm 系統(tǒng)壓力 20MPa 壓頭尺寸 30002000mm 工作臺面尺寸

33、 40003500mm 柱塞速度 工作速度 0—10 mm/s 行程 最大行程 1200mm 空行速度 80 mm/s 工作行程 200mm 回程速度 120 mm/s <2>機(jī)架為拉桿預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu),四根拉桿通過上下螺母將上梁、支座和下梁連接組成一個剛性的空間結(jié)構(gòu)框架。 <3>上、下橫梁和支座均為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。鋼板焊接結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕等特點(diǎn)。 <4>兩個工作缸,壓力均等分配：每個工作缸輸出力為10MN。 2.4 工作缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 2.4.1液壓缸結(jié)構(gòu)概述 <一>液壓缸的型式及用途 液壓缸部件通?？梢苑譃橹?、活塞式和差動柱塞式三種,一般根據(jù)

34、液壓機(jī)總體結(jié)構(gòu)、缸的總壓力大小及工作條件的要求來選定。 1.柱塞式液壓缸 此結(jié)構(gòu)在水壓機(jī)中應(yīng)用最多,廣泛用于主工作缸、回程缸、工作臺移動缸及平衡缸等處。它結(jié)構(gòu)簡單、制造容易,但只能單方向作用,反向運(yùn)動則需用回程缸來實(shí)現(xiàn)。 2.活塞式液壓缸 活塞在運(yùn)動的兩個方向上都要求密封,因此缸的表面在全長方向上均需加工,精度及光潔度要求較高,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故在水壓機(jī)中應(yīng)用不多,僅在頂出缸和其他輔助機(jī)構(gòu)中采用,但中小型油壓機(jī)上應(yīng)用很普遍。 3.差動柱塞式液壓缸 多用于回程缸,該種結(jié)構(gòu)多一處密封,但當(dāng)回程缸裝于上橫梁上時,與活動橫梁的連接比較簡單。 柱塞在導(dǎo)套往復(fù)運(yùn)動,導(dǎo)套起導(dǎo)向作用。蜜蜂用以保持

35、液體壓力并防止高壓液體泄露,密封下面有壓套、法藍(lán)及螺栓和螺母等組成的壓蓋,它們主要起支撐密封的作用,在壓蓋外面一般還有一圈氈墊,以防止灰塵帶入缸。 <二>液壓缸的支承型式 1.法藍(lán)支承 液壓缸以法藍(lán)支承并安裝在橫梁,由缸外壁的兩個環(huán)形面積與橫梁相配合,配合等級為。缸進(jìn)入高壓液體時,通過法藍(lán)與橫梁的接觸面將反作用力傳給橫梁,液壓缸本身則靠法藍(lán)上的一圈螺釘固定在橫梁上。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是缸壁法藍(lán)過渡區(qū)存在應(yīng)力集中,易于疲勞破壞。在有的液壓機(jī)中,缸的法藍(lán)嵌入橫梁,采用壓環(huán)固定,這樣可以避免在法藍(lán)上開螺釘,并減小法藍(lán)外徑,這種結(jié)構(gòu)的法藍(lán)受力情況較好,但法藍(lán)和橫梁接觸面的貼緊情況不易檢查。 2.缸

36、底支承 液壓缸直接靠缸底固定在橫梁上,這種缸不需要法藍(lán),消除了法藍(lán)區(qū)的應(yīng)力集中,并可減小缸體毛坯尺寸。缺點(diǎn)是壓機(jī)高度有較大增加,缸底與橫梁的接觸情況不易測量。目前這種支承形式在大型模鍛液壓機(jī)上使用較多。 <三>工作缸柱塞與橫梁的連接形式 工作缸柱塞與橫梁的連接形式有三種,即剛性連接、球面支承連接和雙球面中間桿連接。 1.剛性連接 柱塞下端插入橫梁,在偏心加載時,柱塞跟隨橫梁一起傾斜,將橫梁所受的偏心力矩的一部分傳給工作缸導(dǎo)向銅套上,使導(dǎo)向銅套承受側(cè)向水平推力或一對力偶,從而加劇導(dǎo)向銅套及密封的磨損。單缸液壓機(jī)及三缸液壓機(jī)的中間工作缸多采用此種結(jié)構(gòu),柱塞和橫梁孔的配合為。 2.球面支

37、承連接 柱塞支承于橫梁的球面座上。球面座一般做成凸球型,在水平方向上可以稍有移動。當(dāng)偏心鍛造時,橫梁在偏心力矩作用下傾斜,此時,如果球面處潤滑良好,球面副可以相對移動,則柱塞只傳遞軸向壓力及摩擦力矩,柱塞仍然保持垂直,因此側(cè)推力將大大減少,改善了柱塞導(dǎo)套及密封的磨損情況。這種連接形式常用于多缸液壓機(jī)及三缸液壓機(jī)的側(cè)缸,球面半徑一般取為柱塞直徑的1.5～2倍,球面處應(yīng)注意保持良好的潤滑。有些液壓機(jī)中,由于球面副之間單位壓力過大,潤滑條件又差,甚至生銹粘住,往往起不到球鉸作用。 3.雙球面中間桿連接 這種形式多用于大型液壓機(jī),中間桿的兩端均為球面,支承于上下球面座之間,柱塞通過中間桿傳遞壓力

38、。中間桿能在球面座中轉(zhuǎn)動,使柱塞保持垂直,因而作用在密封上的側(cè)推力最小,密封壽命長,但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,造價高,柱塞直徑過小時不易采用。使用時球面必須保持良好的潤滑,特別是上球面。 <四>液壓缸損壞情況及原因分析 液壓機(jī)中的工作缸往往由于設(shè)計(jì)、制造或使用不當(dāng),過早損壞。如某大型摸鍛水壓機(jī),使用十多年來,主工作缸損壞十四次,先后做過四個缸,每造一個缸約耗費(fèi)十萬元。因此對液壓缸,特別是大型液壓缸,應(yīng)了解其損壞情況及原因,注意正確進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造與使用。 <1>損壞的部位及特點(diǎn) 液壓缸損壞的部位多數(shù)在法藍(lán)與缸壁連接的圓弧部分,其次在缸壁向缸底過渡的圓弧部分,少數(shù)在圓筒筒壁產(chǎn)生裂紋,也有因氣蝕嚴(yán)重而

39、破壞的。 從液壓缸使用情況來看,一般在損壞時都已承受了很高的工作加載次數(shù)<20萬~150萬次>,裂紋是逐步形成和擴(kuò)展的,屬于疲勞損壞。 1.圓筒筒壁 一般裂紋首先出現(xiàn)于壁,逐漸向外發(fā)展,裂紋多為縱向分布,或與缸壁母線成角。 2.缸的法藍(lán)部分 首先在缸外部法藍(lán)過渡圓弧處出現(xiàn)裂紋,逐漸沿環(huán)向及向壁擴(kuò)展,最后裂透,或者裂紋擴(kuò)展到螺釘孔,使法藍(lán)局部脫落,個別嚴(yán)重情況,甚至沿過渡圓角處法藍(lán)整圈開裂而脫落。 3.缸底 首先在部過渡圓角處開始出現(xiàn)環(huán)向裂紋,逐漸向外壁擴(kuò)展乃至裂透。 4.氣蝕 液壓缸也有因氣蝕產(chǎn)生蜂窩狀麻點(diǎn)而損壞,尤其是在進(jìn)水孔壁,容易產(chǎn)生氣蝕。 <2>損壞情況 影響液壓

40、缸壽命的因素是多方面的,必須結(jié)合具體情況進(jìn)行分析,但歸納起來主要有以下幾個方面： 1.設(shè)計(jì)方面 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)得不合理,如法藍(lán)高度太小或法藍(lán)外徑過大,是綜合盈利過高而損壞。如某臺20000KN鍛造液壓機(jī),其法藍(lán)厚度僅為缸壁厚度得1.1倍,法藍(lán)處計(jì)算應(yīng)力超過,工作1~2年后,兩個缸先后破裂。更換新缸時,增大了法藍(lán)高度,減小法藍(lán)外徑,使用多年未壞。 從缸壁到法藍(lán)的過渡區(qū)設(shè)計(jì)不合理,也會引起很大的應(yīng)力集中,如某臺進(jìn)口的6300KN水壓機(jī)工作缸,由于法藍(lán)過渡圓角僅為R=4mm,使用不久就出現(xiàn)裂紋,裂紋擴(kuò)展后,整圈法藍(lán)斷裂脫落。 有些資料提供了一些光彈試驗(yàn)結(jié)果,說明過渡區(qū)設(shè)計(jì)成特定的流線型斷面形狀

41、,應(yīng)力集中系數(shù)可降低為1.18,如做成斜線和R35圓弧相連結(jié),則應(yīng)力集中系數(shù)為1.79。但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看,圓弧和斜度也不能太大,否則法藍(lán)于橫梁接觸面過小,擠壓應(yīng)力太大。 在結(jié)構(gòu)允許而有可能加工的情況下,過渡區(qū)應(yīng)盡可能光滑,圓弧半徑應(yīng)盡可能增大。 從缸底到缸壁的過渡區(qū)繪產(chǎn)生彎曲應(yīng)力并有應(yīng)力集中,此處圓弧半徑太小是缸底破裂的主要原因之一,一般不應(yīng)小于,為液壓缸直徑。如有幾臺液壓機(jī)缸底破裂就是與圓弧半徑太小有關(guān),它們分別為、和。 2.加工制造方面 由于法藍(lán)及缸底過渡圓弧區(qū)有應(yīng)力集中,如加工光潔度很差,有明顯刀痕,會對應(yīng)力集中敏感,降低疲勞強(qiáng)度。特別是缸底過渡圓弧,加工比較困難,更應(yīng)注意。一般光

42、潔度不應(yīng)低于。圓筒筒壁部分的損壞多半是制造過程中引起的,如整體鍛造或鑄造毛坯本身存在嚴(yán)重缺陷；鍛焊結(jié)構(gòu)中焊接質(zhì)量不好,焊后熱處理不恰當(dāng)?shù)鹊?。環(huán)向焊縫位置與缸底距離應(yīng)盡可能不小于,為缸的法藍(lán)外半徑,與法藍(lán)上表面距離也不小于。并且一定要對焊縫附近熱影響區(qū)采取相應(yīng)措施,以消除焊接過程中的熱應(yīng)力和不利的結(jié)晶組織,在采用補(bǔ)焊時也要進(jìn)行同樣處理。 3.安裝使用方面 液壓缸法藍(lán)與橫梁接觸面應(yīng)要求80％以上的面積緊密接觸,即在累計(jì)4/5圓周長度上間隙部大于0.05mm。有些液壓機(jī)由于長期使用,此接觸面的精度遭到破壞,形成局部接觸,局部接觸處橫梁支反力急劇增大,以至早期破裂。橫梁剛度不夠或安裝水缸處筋板布置

43、不合理,也會導(dǎo)致法藍(lán)接觸面上支反力分布不均勻,引起過大的工作應(yīng)力。 由于缸體法藍(lán)與橫梁連接螺釘經(jīng)常松動,如不及時擰緊,會引起缸體竄動和撞擊,使橫梁接觸面不斷壓陷,形成局部接觸。連接螺釘最好在液壓缸加壓狀態(tài)下擰緊,有些小液壓機(jī)在缸底用卡環(huán)或鍵將缸與橫梁緊固,對防止缸的松動有一定效果。 工作液體往往對缸壁有腐蝕作用,會降低疲勞強(qiáng)度,因此必須對乳化液的成分和配制予以足夠重視,直接用工業(yè)用水而不加以處理是不允許的。 2.4.2工作缸設(shè)計(jì) 工作缸一般由鍛鋼或鑄鋼制成,由中碳鋼鑄成的工作剛缸,一般多用在20MPa以下的工作壓力,對于在更高壓力下工作的工作缸,則由碳鋼或合金鋼鍛成。所以本液壓機(jī)工作缸

44、要承受20MPa的高壓,其結(jié)構(gòu)采用碳鋼鍛成,缸體材料為35鋼。 柱塞的表面質(zhì)量,對工作缸密封裝置和導(dǎo)向銅套的磨損及壽命有極大的影響,因此柱塞表面必須具有足夠的硬度和良好的粗糙度。為了達(dá)到這一要求,制造柱塞的材料一般選用含碳量較高的碳素鍛鋼,鍛造毛坯,機(jī)加工后表面進(jìn)行特殊處理。本臺液壓機(jī)的柱塞材料選用35鋼,許用應(yīng)力。 工作缸結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如下 柱塞直徑按下式確定 <2-1> 式中P—缸的名義總公稱壓力 p—液體的工作壓力<> 根據(jù)式<2-1>計(jì)算得,圓整后取標(biāo)準(zhǔn)值D=820mm,此時兩缸同時工作實(shí)際能產(chǎn)生的最大總壓力

45、 <2-2> 由式<2-2>得。 工作缸徑按下式確定 <2-3> 取,由式<2-3>得。 根據(jù)強(qiáng)度要求,工作缸外徑由下式確定 <2-4> 許用應(yīng)力,取,由式<2-4>得,又根據(jù),取。 液壓缸的一般形式是一端開口一端封閉的厚壁高壓容器,當(dāng)高壓液體作用在柱塞上時,反作用力作用于缸底,通過缸壁傳到法蘭部分,靠法蘭與橫梁支承面上的支承反力來平衡。 液壓缸按受力情況可以分成三部分,即缸底、法蘭和中間厚壁圓筒。按圖2-1及相關(guān)公式初步選擇液壓缸的有關(guān)尺寸,再進(jìn)行強(qiáng)度校核。

46、 圖2-1 工作缸的尺寸關(guān)系圖 Fig.2-1 Working cylinder size diagram 缸壁厚度, 法蘭厚度,,,,,,,, 法蘭外半徑 ,取。 ,,, 2.4.3工作缸的強(qiáng)度校核 <1>筒壁部分 最大應(yīng)力點(diǎn)在缸筒壁,按下面公式計(jì)算的當(dāng)量應(yīng)力為 安全系數(shù)為 , 安全。 <2>缸底部分 缸底進(jìn)水孔直徑 ,圓整取。 其中 —空行速度 —充水管道允許流速 安全。 <3>法蘭部分 , 其中 為材料的波桑系數(shù)。 <2-5> 其中 代入式<2-5>得

47、 ,安全 2.4.4工作缸底法蘭連接螺栓的選擇 工作缸材料為35鋼,其密度： 所以其體積：+-=4.5 其重量為： <2-6> 其中 代入式<2-6>得 滿足要求。 2.5 回程缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 2.5.1回程缸設(shè)計(jì) 本課題中初設(shè)計(jì)有四個回程缸,回程壓力均等分配,每個缸承受1.5t的回程力。現(xiàn)具體計(jì)算如下： 柱塞直徑由式<2-1>得,圓整取 D=320mm。 此時四缸同時工作實(shí)際產(chǎn)生的最大總壓力由式<2-2>得 。 徑由式<2-3>得 ,取 根據(jù)工作缸要求,工作外徑由式<2-4>確定 許用應(yīng)力

48、,,取。 缸體尺寸：缸壁厚度, 法蘭厚度,,,,,,,, 法蘭外半徑 ,取 ,,, 2.5.2回程缸的強(qiáng)度校核 <1>筒壁部分 最大應(yīng)力點(diǎn)在缸筒壁,按下面公式計(jì)算的當(dāng)量應(yīng)力為 安全系數(shù)為 , 安全。 <2>缸底部分 缸底進(jìn)水孔直徑 ,圓整取。 其中 —空行速度 —充水管道允許流速 安全。 <3>法蘭部分 其中 為材料的波桑系數(shù)。 其中 代入式<2-5>得 ,安全。 2.5.3回程缸底法蘭連接螺栓的選擇 回程缸材料為35鋼,其密度： 所以其體積：++=0.115 其重量為：

49、 <2-6> 其中 代入式<2-6>得 滿足要求。 2.6 上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度強(qiáng)度校核 該液壓機(jī)中的上、下橫梁及支座是液壓機(jī)本體中最重要的功能部件,是結(jié)構(gòu)和受力最為復(fù)雜的部件。在大型液壓機(jī)的設(shè)計(jì)中,梁的設(shè)計(jì)的合理性,剛度和強(qiáng)度分析的可靠性直接影響到梁的功能的發(fā)揮和使用壽命,進(jìn)而影響到整機(jī)功能的發(fā)揮和整體工作性能,因此梁的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方案的擬定是本壓機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 2.6.1上橫梁設(shè)計(jì)方案 上橫梁直接與拉桿、工作缸相連,梁體結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)都很復(fù)雜。對于上橫梁,其設(shè)計(jì)原則是在滿足相連部件最小幾何尺寸要求和工藝要求的條件下,盡可能縮減其縱向

50、、橫向尺寸,這是有效提高梁的剛度、強(qiáng)度和減輕梁的重量應(yīng)首先把握的主要原則。 液壓機(jī)工作時,上橫梁承受了全部載荷。此外,在上橫梁上還要安裝工作缸和回程缸,上橫梁本身又需安裝在立柱上,所以它的結(jié)構(gòu)便被這些要求所限制。圖2-2是本臺液壓機(jī)的上橫梁的結(jié)構(gòu)簡圖。由于上橫梁外形尺寸很大,為了節(jié)約金屬和減輕重量,應(yīng)盡量使各個尺寸在允許的圍降到最小。梁體做成箱體結(jié)構(gòu),在安裝工作缸和拉桿的地方做成圓筒形,中間加設(shè)筋板,以提高剛度,降低局部應(yīng)力。 上橫梁設(shè)計(jì)時,應(yīng)使梁體寬度盡量狹小。上橫梁梁體的寬度與工藝要去有關(guān),也與壓機(jī)工作缸、拉桿占據(jù)的空間有關(guān)。對于本設(shè)計(jì),液壓機(jī)工作時,上橫梁沿縱軸方向各個橫截面上的力矩

51、呈不均勻分布,在大拉桿截面處最大,缸部為兩個集中力,所以按懸臂梁方式設(shè)計(jì)。 圖2-2 上橫梁結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.2-2 Upper beam structure 上橫梁的結(jié)構(gòu)中,除了工作缸孔和拉桿孔以外,兩側(cè)還得考慮安裝回程缸和平衡缸。工作缸孔為了便于安裝,下孔的直徑應(yīng)比上孔達(dá)10~20mm。 由于上梁變形和吊缸螺釘?shù)乃蓜赢a(chǎn)生缸的上下竄動,而使上橫梁與工作缸法蘭的支撐接觸面出現(xiàn)壓陷現(xiàn)象,破壞了接觸精度,形成了沿圓周方向不均勻局部接觸,局部支撐反力過大,導(dǎo)致缸的早期破壞,因此使用時應(yīng)注意經(jīng)常擰緊松脫的螺母。 2.6.2上橫梁剛度及強(qiáng)度校核 將上橫梁簡化成懸臂梁,計(jì)算長度為工作缸與大

52、拉桿中心孔的中心距離；由于為單臂液壓機(jī),所以將約束條件確定為懸臂結(jié)構(gòu)。工作缸壓力簡化為作用于法蘭半圓環(huán)重心上的兩個集中力。計(jì)算模型和剪力、彎矩圖如圖2-3所示。 圖2-3 上梁的計(jì)算模型及彎矩剪力圖 Fig.2-3 Calculating model and shear and moment diagram of upper beam <1>受力簡圖 由已知得 <2>由圖2-3可知：, <3>慣性矩計(jì)算 由于梁簡化為懸臂梁,所以在拉桿中心截面處為危險截面,這在圖2-3中也可以表現(xiàn)出來。該梁的危險截面形狀的等效截面與尺寸如圖2-4所示。 在簡化成等效截面后,先分成若干個小塊

53、矩形面積,在本液壓機(jī)設(shè)計(jì)中劃分成三塊,先算出截面對底邊W-W軸的慣性矩 <2-7> 式中 —每塊矩形面積對本身形心軸的慣性矩 <> <2-8> —每塊矩形面積高度 —每塊矩形面積高度 —每塊矩形面積對W-W軸的靜面矩 <> <2-9> —每塊矩形的面積<> —每塊矩形面積形心到W-W軸的距離 圖2-4 上橫梁危險截面的等效截面圖 Fig.2-4 Equivalent cross-section diagram of dangerous cross-sect

54、ion of upper beam 再求出整個截面的形心軸到W-W軸的距離 <2-10> <2-11> 整個截面對形心軸的慣性矩為 <2-12> 為了方便,計(jì)算結(jié)果如下表2-2所示。 由式<2-7>得 由式<2-10>得 ,由式<2-11>得,由式<2-12>得 。 <4>最大應(yīng)力值 ,安全。 表2-2 上橫梁的慣性矩計(jì)算 Table 2-2 Inertia moment computing of upper beam 分塊序號 寬 高

55、 m m m 1 1.4 0.2 0.28 2.4 0.672 1.6128 0.00093 2 0.2 2.1 0.42 1.25 0.525 0.65625 0.15435 3 1.4 0.2 0.28 0.1 0.028 0.0028 0.00093 — 2.5 0.98 — 1.225 2.27185 0.15621 <5>撓度 <2-13> 式中 E—上梁的彈性模量, , , J—上梁的慣性矩, 如圖2-5所示,該梁的撓度是兩

56、個類型撓度的疊加,計(jì)算如下： 圖2-5 上梁的撓度圖 Fig.2-5 Flexibility diagram of upper beam <6>相對撓度 , 比允許值小,剛度好,安全。 綜上所述計(jì)算說明上橫梁的設(shè)計(jì)滿足剛度和強(qiáng)度要求。 2.7 下橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及剛度強(qiáng)度校核 2.7.1下橫梁設(shè)計(jì)方案 下橫梁與拉桿、工作臺、支座和工作臺相連,梁體結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)都很復(fù)雜。對于下橫梁,其設(shè)計(jì)原則與上橫梁相同,是在滿足相連部位最小幾何尺寸要求和工藝要求的條件下,盡可能縮短其縱向、橫向尺寸,這是有效提高下梁的剛度、強(qiáng)度和減輕梁的重量應(yīng)首先把握的主要原則。下橫梁設(shè)計(jì)時,除

57、了滿足與拉桿連接,并保證工作臺的尺寸的空間,還要盡量使梁的橫向、縱向尺寸最小以滿足重量最小這一條件。本壓機(jī)下橫梁也采取焊接式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2-6所示。 2.7.2下橫梁剛度及強(qiáng)度校核 將下橫梁簡化成簡支梁,計(jì)算長度為工作臺面尺寸,其約束條件為鉸接,其承受壓力為均布載荷,計(jì)算模型如圖2-7所示。 <1>受力簡圖 受均布載荷作用 圖2-6 下橫梁結(jié)構(gòu)圖 Fig.2-6 Lower beam structure <2>由圖可知： <3>慣性矩計(jì)算 由于下橫梁簡化成簡支梁,所以危險截面在中間截面,故主要校核中間截面的強(qiáng)度。該梁中間截面形狀的等效截面圖如圖2-8所示。在

58、計(jì)算中間截面慣性矩時,將其分成3塊小矩形面積,算出截面對底邊W—W的慣性矩。 圖2-7 下橫梁計(jì)算模型及彎剪圖 Fig.2-7 Calculating model and shear and moment diagram of lower beam 圖2-8 下橫梁的中間截面的等效截面圖 Fig.2-8 Equivalent cross-section diagram of middle cross-section of lower beam 為了方便,計(jì)算結(jié)果如下表2-3所示： 由式<2-7>得截面對底邊W-W軸的慣性矩 由式<2-10>得,由式<2-11>得 由式

59、<2-12> 表2-3 下橫梁的慣性矩計(jì)算 Table 2-3 Inertia moment computing of lower beam 分塊序號 寬 高 m m m 1 2.1 0.2 0.42 1.9 0.798 1.5162 0.0014 2 0.4 1.6 0.64 1.0 0.64 0.64 0.1365 3 2.1 0.2 0.42 0.1 0.042 0.0042 0.0014 2.0 1.48 1.48 2.1604 0.1393 <4>最大應(yīng)

60、力值 , 安全。 <5>中心點(diǎn)撓度 <2-14> 式中 E—下橫梁的彈性模量, J—下橫梁的慣性矩, 代入式<2-14>得 撓度如圖2-9所示 <6>相對撓度 , 比允許值小,剛度好,安全。 圖2-9 下梁的撓度圖 Fig.2-9 Flexibility diagram of lower beam 綜上所述計(jì)算說明下橫梁的設(shè)計(jì)滿足剛度和強(qiáng)度要求。 2.8 拉桿的結(jié)構(gòu)方案的確定 在常規(guī)的三梁四柱液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,立柱設(shè)計(jì)是十分重要的環(huán)節(jié),而在本臺液壓機(jī)的設(shè)計(jì)中,利用兩個大拉桿和兩個小拉桿來代替三梁四柱中的立柱,拉

61、桿將上橫梁與下橫梁緊固的聯(lián)結(jié)在一起,形成一個封閉的剛性受力框架,液壓機(jī)加壓時,它不僅要承受軸向壓力,而且還要承受偏心載荷引起的彎矩,特別是在拉桿與橫梁的連接部位,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,同時液壓機(jī)的立柱均在有較大拉應(yīng)力振幅的脈動循環(huán)載荷下工作,很容易導(dǎo)致疲勞破壞。本臺液壓機(jī)采用的是預(yù)應(yīng)力組合框架,即通過預(yù)應(yīng)力拉桿使上下橫梁和支座緊固連接,構(gòu)成封閉框架。這種結(jié)構(gòu)對拉桿而言,雖然在未承載時和承載時均有較高的應(yīng)力,但應(yīng)力波動幅度小,另外拉桿的截面形狀沒有急劇變化。在預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)中,拉桿的受力和變形為:液壓機(jī)預(yù)緊時,梁與大拉桿均受壓,有一定的預(yù)壓縮量；小拉桿相應(yīng)受拉,有一定的伸長量。當(dāng)液壓機(jī)工作時,大拉桿

62、的預(yù)壓縮量減少,小拉桿進(jìn)一步伸長。因上、下橫梁相對于拉桿而言,高度較小,其壓縮量可以忽略不計(jì),故對機(jī)身的變形只是考慮拉桿的變形。圖2-10是拉桿變形情況簡圖。圖中是預(yù)緊前的情況,是預(yù)緊后的情況,是壓機(jī)工作時的情況。 在圖2-9中,為預(yù)緊后小拉桿的伸長量,為預(yù)緊后大拉桿的壓縮量,為工作時小拉桿的伸長量,為工作時大拉桿殘余壓縮量。 小拉桿在液壓機(jī)工作時比預(yù)緊時所增加的伸長量為 <2-15> 大拉桿在液壓機(jī)工作時比預(yù)緊時所減少的壓縮量為 <2-16> 圖2-10 拉桿的變形

63、示意圖 Fig.2-10 Deformation of pull rod 彈性圍,大拉桿和小拉桿的受力和變形都是線性關(guān)系,如圖2-11所示。圖2-11中、是預(yù)緊后拉桿的力—變形圖,圖中是把、兩圖綜合在一起,圖中表示預(yù)緊后和工作時的情況。機(jī)身受到公稱壓力作用時,拉桿除受大拉桿給它的反作用力<即拉桿的殘余預(yù)緊力>以外,又多加了一公稱壓力。所以此時拉桿受力從增為<指全部拉桿受力,圖中的及為單個拉桿受力>,而大拉桿受力從減為<為殘余預(yù)緊力>,由圖3-11可知 <2-17> 此時相應(yīng)的變形量,拉桿從變?yōu)?即>,大

64、拉桿從變?yōu)?即>。若將工作壓力增至,則大拉桿的變形量變?yōu)榱?即,這樣式<2-17>就成為 <2-18> 圖2-11 拉桿的力—變形圖 Fig.2-11 Force-deformation of pull rod 根據(jù)虎克定律 <2-19> 其中 <2-20> 同理 <2-21> <2-22>

65、 <2-23> 把上述式子代入<2-18>得 <2-24> 式中 Z—預(yù)緊系數(shù) —兩個拉桿的工作長度 —兩個拉桿的彈性模量 —拉桿的數(shù)目 —拉桿的截面積 —拉桿在單位力作用下的變形 拉桿的材料選用40鋼,有一定的韌性和塑性,強(qiáng)度和硬度較高。 2.8.1大拉桿的結(jié)構(gòu)尺寸的確定 大拉桿計(jì)算模型如圖3-12所示 圖2-12 大拉桿的計(jì)算模型 Fig.2-12 Calculating model of large pull rod 由圖2-12可知 , 取材料為40,許用應(yīng)力為, ,取 2.8.2小拉桿的結(jié)構(gòu)尺

66、寸的確定 小拉桿的計(jì)算模型如圖2-13所示。 由圖2-13可知 , 取材料為40,許用應(yīng)力為, ,取 圖2-13 小拉桿的計(jì)算模型 Fig.2-13 Calculating model of small pull rod 2.8.3拉桿螺母的選擇 拉桿螺母一般為圓柱形。小液壓機(jī)的拉桿螺母為整體式的,拉桿直徑在以上時,由兩個半螺母用螺栓緊固而成。 本設(shè)計(jì)采用兩個半螺母組合而成,材料選用35鍛鋼。組合式螺母結(jié)構(gòu)其部頒標(biāo)準(zhǔn)為2077-75,螺母外徑約為螺紋外徑的1.5倍,螺母及外螺母等高,約為螺紋外徑的0.9倍。螺母的兩端面對中心線的垂直度要求在0.05mm之,以保證與橫梁緊密貼合。 <一>大拉桿螺母的選擇 直徑約為670mm,螺距為24mm,螺紋高13.8mm,螺紋外徑為,取標(biāo)準(zhǔn)值 d=700mm,所以查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可得螺母各值如下所示： ,,,螺栓 GB 5-76 ,重量約為1731kg。 <二>小拉桿螺母的選擇 直徑約為260mm,螺距為10mm,螺紋高5.75mm,螺紋外徑為,取標(biāo)準(zhǔn)值 d=280mm,所以查手冊可得螺母各值如下所示： ,,,,螺