I摘 要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為 200T 三梁四柱式液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓機(jī)的應(yīng)用較廣泛，在日常生活中到處可以見(jiàn)到，其基本工作原理為根據(jù)帕斯卡原理。以液體作為傳遞介質(zhì)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換的效果，從而實(shí)現(xiàn)各種鍛壓的成型工藝。這種液壓機(jī)適用于各種可塑性工件的壓制工藝，如沖壓、拉伸薄板、壓制、翻邊、彎曲等，也適用于砂輪成型、工件的校正、壓裝和各種冷擠金屬零件成型、塑膠制品及粉末制品的壓制成型工藝。液壓機(jī)是由主機(jī)和液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。液壓機(jī)主機(jī)走成包括工作臺(tái)、上橫梁、導(dǎo)柱、滑塊、頂出缸、主缸、安裝地基等，動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括泵、油箱、電機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、各種液壓控制閥等。動(dòng)力機(jī)構(gòu)在電氣控制系統(tǒng)控制下，通過(guò)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和調(diào)節(jié)，完成各種工藝循環(huán)。關(guān)鍵詞：四柱式液壓機(jī)，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，PLC 控制IIABSTRACTThe graduation design task for 200T the structure design of three beam four-column type hydraulic press machine control system design. Hydraulic press application more widely, can be seen everywhere in our daily life, its basic working principle is according to the driving principle of the liquid to liquid as PASCAL transfer media, achieve the result of realization of energy conversion, so as to realize all kinds of forging press molding process. The hydraulic press suppression techniques are suitable for all kinds of plastic parts, such as stamping, stretching, pressing plate, flanging and bending etc., can also be applied to wheel molding, artifacts of calibration, pressure equipment and a variety of cold extrusion molding metal parts, plastic products and powder products of pressure molding process. Hydraulic press is controlled by the host and hydraulic system, electrical control system. Hydraulic press host go into workbench, beams, guide pin, slide block, ejection cylinder, master cylinder, such as installation of foundation, motivation mechanism including pumps, tanks, motor, electric control system, all kinds of hydraulic control valves, etc. Dynamic mechanism under control in the electric control system, through the hydraulic system, realization of energy conversion, transfer and adjustment, finish all kinds of process cycle.Keywords: four column hydraulic machine, hydraulic system, electrical control system, PLCIV目 錄摘 要 IABSTRACT.II第 1章 緒論 .11.1 研究本課題的意義 .11.2 液壓機(jī)的簡(jiǎn)介及發(fā)展現(xiàn)狀 .11.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求 .21.4 給定的液壓機(jī)參數(shù) .31.5 本章小結(jié) .3第 2章 液壓機(jī)設(shè)計(jì)總體方案分析 .42.1 四柱液壓機(jī)的組成 42.2 液壓機(jī)各組成分析 .52.2.1 液壓控制系統(tǒng)分析 .52.2.2 四柱式液壓機(jī)的動(dòng)作順序分析 .52.2.3 四柱式液壓機(jī)的工作循環(huán)初步分析 .52.2.4 液壓機(jī)主要參數(shù)的擬定 .6第 3章 四柱式液壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .73.1 液壓缸的設(shè)計(jì) 73.1.1 液壓缸方案的比較選擇 .73.1.2 液壓缸的支承形式設(shè)計(jì)選擇及方案比較 .83.1.3 柱塞與活動(dòng)橫粱的連接方式選擇 .93.2 液壓機(jī)主缸基本尺寸計(jì)算 .93.3 液壓機(jī)主缸內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì) 103.3 頂出缸計(jì)算 143.4 頂出缸各部件計(jì)算 153.5 主機(jī)負(fù)載受力分析 173.5.1 導(dǎo)柱設(shè)計(jì)計(jì)算 173.5.2 立柱的連接形式比較選擇 183.5.3 活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 193.5.4 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 19第 4章 四柱式液壓機(jī)強(qiáng)度計(jì)算與校核 .214.1 缸體強(qiáng)度的計(jì)算與校核 234.1.1 主缸中段強(qiáng)度 234.1.2 支承臺(tái)肩計(jì)算 244.1.3 缸底強(qiáng)度校核 254.1.4 缸口導(dǎo)套擠壓計(jì)算 264.1.5 活塞頭部鎖緊螺母 27V4.2 橫梁的設(shè)計(jì)與校核 284.2.1 橫梁的設(shè)計(jì) 284.2.2 上橫梁的剛度計(jì)算 314.3 工作臺(tái)計(jì)算 314.3.1 工作臺(tái)的應(yīng)力計(jì)算 324.3.2 工作臺(tái)的剛度計(jì)算 334.4 立柱的強(qiáng)度校核 334.5 立柱螺母校核 364.5.1 立柱預(yù)緊和計(jì)算 364.5.2 立柱螺紋的強(qiáng)度校核 37第 5章 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 395.1 液壓系統(tǒng)流量計(jì)算 .395.1.1 主缸流量計(jì)算 .395.1.2 頂出缸流量計(jì)算 .405.2 液壓泵設(shè)計(jì)選擇 .425.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 .435.3.1 主缸各工況功率計(jì)算 .435.3.2 頂出缸各工況功率計(jì)算 .445.4 液壓機(jī)中液壓系統(tǒng)安全驗(yàn)算 .445.6 液壓系統(tǒng)原理圖擬定 .495.7 液壓系統(tǒng)油路控制分析 .515.8 液壓系統(tǒng)控制過(guò)程分析 .515.9 液壓系統(tǒng)中各個(gè)電磁鐵動(dòng)作順序表 .535.10 液壓元器件 545.11 液壓系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 55第 6章 液壓機(jī) PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 576.1 液壓機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 576.1.1 液壓機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 576.1.2 液壓機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 586.2 PLC 控制部分 596.2.1 液壓機(jī)控制系統(tǒng)概述 596.2.3 PLC 的選型 .606.3 PLC 程序設(shè)計(jì) 606.3.1 液壓系統(tǒng)動(dòng)作流程框圖 606.3.2 現(xiàn)場(chǎng)器件與 PLC 內(nèi)部等效繼電器地址編號(hào)對(duì)照表 616.4 電氣控制過(guò)程分析 616.5 PLC 程序模擬仿真 62結(jié) 論 .67參考文獻(xiàn) .68致 謝 .691第 1章 緒論1.1研究本課題的意義液壓機(jī)的控制采用液壓控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合控制的方式 [1]。是一種常見(jiàn)的以液體介質(zhì)傳遞能量的無(wú)屑加工機(jī)器。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比具有相對(duì)較強(qiáng)的靈活性，并且液壓機(jī)操作起來(lái)也方便很多。通過(guò)液壓傳動(dòng)，將能量傳動(dòng)到液壓缸，推動(dòng)活塞桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)方向來(lái)回移動(dòng)。由于電氣控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，自身具有過(guò)載保護(hù)的功能 [2]。液壓機(jī)機(jī)在很多機(jī)械加工方面得到應(yīng)用，作為一種工件鍛造壓制成型加工機(jī)械設(shè)備，始終是工業(yè)機(jī)械發(fā)展不可或缺的一種液壓制造技術(shù)設(shè)備。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)液壓傳動(dòng)的技術(shù)有了更高的技術(shù)要求和精度要求。液壓機(jī)加工是指一種相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工而言比較成熟的無(wú)屑加工工藝，應(yīng)用范圍非常廣泛，發(fā)展迅速，品種繁多，能實(shí)現(xiàn)可塑性材料的冷擠，工件校直、彎曲、沖裁、拉伸等。液壓機(jī)能對(duì)工藝復(fù)雜的工件進(jìn)行加工，能加工不對(duì)稱(chēng)的工件，工作可靠，質(zhì)量過(guò)關(guān)，次品率低。對(duì)于不同的工件有不同的加工要求，通過(guò)對(duì)其壓力行程合理調(diào)整，達(dá)到產(chǎn)品所需的加工工藝要求。液壓機(jī)主要由包括主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)、PLC 電氣控制系統(tǒng)等三個(gè)部分組成 [3]。液壓機(jī)由電氣系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)自動(dòng)或者非自動(dòng)工作，由液壓系統(tǒng)控制主機(jī)主缸和頂出缸的順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，液壓機(jī)系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修、維護(hù)方便。1.2液壓機(jī)的簡(jiǎn)介及發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)液壓機(jī)的產(chǎn)量速度明顯呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是我國(guó)的液壓機(jī)從產(chǎn)值和銷(xiāo)售上和發(fā)達(dá)國(guó)家相比較還有很大的差距。，縱觀全球液壓機(jī)的發(fā)展形勢(shì)和產(chǎn)能來(lái)說(shuō)，我國(guó)是液壓機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，液壓機(jī)的生產(chǎn)產(chǎn)量一直領(lǐng)先于其他國(guó)家。但是在專(zhuān)用性能的液壓機(jī)選擇方面，還是選擇進(jìn)口其他國(guó)家的液壓機(jī)；總的來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)之中技術(shù)水平方面，可以說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn) [4]。隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及加快國(guó)際間的經(jīng)濟(jì)合作，我國(guó)液壓機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)取得很大的成功發(fā)展。但是對(duì)于一些技術(shù)含金量較高的液壓機(jī)中，有些核心技術(shù)還要通過(guò)與國(guó)內(nèi)外的企業(yè)合作，尤其是一些高檔的電控元件和液壓元件主要還是要依靠進(jìn)口來(lái)完成。2和國(guó)外產(chǎn)品比較，我國(guó)的液壓機(jī)還是曾在這很大的不足與差距，比如質(zhì)量、加工精度、專(zhuān)用性能、可靠性等，由于液壓和電器元件的可靠性低，造成液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障；另外在液壓機(jī)關(guān)鍵部件的加工要求方面，還有很大的提高?？偟膩?lái)講，國(guó)內(nèi)的液壓機(jī)在質(zhì)量上和國(guó)外的液壓機(jī)還是還有一定的差距，但是伴隨著對(duì)液壓機(jī)的要求提高和質(zhì)量的改善以及功能的完善，國(guó)產(chǎn)液壓機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量正在越來(lái)越接近國(guó)際水平 [5]。 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容要求（1）了解液壓機(jī)發(fā)展歷程，熟悉所設(shè)計(jì)液壓機(jī)的構(gòu)造。（2）掌握四柱式液壓機(jī)結(jié)構(gòu)、液壓及控制系統(tǒng)的各種計(jì)算方法，能正確選擇各個(gè)部件。（3）主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括主機(jī)的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)、各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且了解其鑄造工藝。（4）液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，按所需液壓環(huán)境選擇合適的液壓元器件（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，操作簡(jiǎn)單、安裝方便合理（6）了解常用的設(shè)計(jì)軟件，能熟練運(yùn)用 CAD、機(jī)電液仿真調(diào)試類(lèi)軟件。（7）液壓機(jī)設(shè)計(jì)的工作步驟要求：工作主缸的保壓延時(shí)、活動(dòng)橫梁快速回程、快速下行、慢速下行，以及頂出缸的將模具或者工件快速頂出，副缸快速回程工作，必須設(shè)計(jì)合理。1.4給定的液壓機(jī)參數(shù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題為：200T 液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)要求如表 1.2 所示：表 1.2 200T液壓機(jī)部分已知部分參數(shù)最高工作壓力 最高壓力 最大行程 頂鍛速度20MPa 200T 710mm 0-40mm/s要求:驅(qū)動(dòng)方式為油壓驅(qū)動(dòng)控制方式為 PLC 控制1.5本章小結(jié)通過(guò)上網(wǎng)搜索以及到圖書(shū)館查找相關(guān)資料，與老師探討并且參觀實(shí)驗(yàn)室的3液壓機(jī)之后，對(duì)液壓機(jī)的作用以及其工作原理也有了初步了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)給定設(shè)計(jì)參數(shù)有了大致的設(shè)計(jì)方案。對(duì)接下來(lái)整機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)有了初步的方向。第 2章 液壓機(jī)設(shè)計(jì)總體方案分析2.1 四柱液壓機(jī)的組成圖 2.1 為四柱通用式液壓機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。圖 2.1 四柱通用式液壓機(jī)可以通過(guò)此圖了解到三梁四柱式液壓機(jī)的基本組成：主要由上橫梁，上下活動(dòng)梁、工作臺(tái)、導(dǎo)柱、安裝地基、主缸油箱、工作主缸、頂出缸、液壓總站、油箱、各種液壓控制閥等組成，四柱式液壓機(jī)通過(guò)液壓泵將機(jī)械能通過(guò)液壓系統(tǒng)裝換成壓力能，通過(guò)利用帕斯卡原理，傳遞工作所需的能量。經(jīng)過(guò)各種控制工 作 臺(tái) 面下 模 具立 柱上 下 活 動(dòng) 梁上 模 具地 基上 橫 梁電 氣 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 管 路頂 出 缸主 缸主 缸 油 箱4閥和液壓管路，控制油缸 [7]。進(jìn)而控制液壓缸帶動(dòng)的活動(dòng)橫梁的來(lái)回工作移動(dòng)，提供工作所需的壓力。待所需工件壓制完成后，由頂出缸將鍛壓成型的工件頂出。2.2液壓機(jī)各組成分析2.2.1液壓控制系統(tǒng)分析由于液壓機(jī)操作的封閉性，故采用封閉式液壓回路，動(dòng)力單元、控制單元、系統(tǒng)輔助單元、工作媒介組成一個(gè)完整的液壓控制系統(tǒng)。1、動(dòng)力單元（液壓泵）：為液壓機(jī)提供工作所需動(dòng)力元器件 [8]。工作原理是將來(lái)自電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。能量損失小，效率高。2、執(zhí)行部件（液壓油缸）：提供工作壓力的直接部件，實(shí)現(xiàn)液壓能到機(jī)械能變換。3、控制單元：其中包含沖液閥、流量控制閥和控制壓力的溢流閥閥等。作用是根據(jù)液壓機(jī)工作時(shí)工況不同，通過(guò)對(duì)各控制閥的控制，改變液壓油的流向，以及壓力的保持完成液壓機(jī)的工作4、系統(tǒng)輔助單元：除去上述以外的其它元器件。5、工作介質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，是以油、水介質(zhì)為主。2.2.2四柱式液壓機(jī)的動(dòng)作順序分析 啟 動(dòng)電 氣 系 統(tǒng) 液 壓 系 統(tǒng) 液 壓 機(jī) 主 機(jī)行 程 開(kāi) 關(guān)手 動(dòng)圖 2.2 四柱液壓機(jī)控制順序圖液壓缸的動(dòng)作順序由液壓機(jī)中的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)控制。2.2.3四柱式液壓機(jī)的工作循環(huán)初步分析 如下圖 2.3 所示：5、、、、圖 2.3 四柱液壓機(jī)工作循環(huán)圖圖 2.3（a）為主缸動(dòng)作圖，圖 2.3（b）表示頂出缸工作圖2.2.4液壓機(jī)主要參數(shù)的擬定擬設(shè)計(jì)的四柱式液壓機(jī)主要技術(shù)如下表：表 2.1 技 術(shù) 參 數(shù) 設(shè) 定參 數(shù) 項(xiàng) 參 數(shù)最大工作壓力(MAX 2000KN主缸最大工作壓力 20MPa主缸回程力 400KN頂出缸頂出力 350KN滑塊最大行程 710mm頂出缸活塞最大行程 250mm滑塊離工作臺(tái)最大高度 800mm主缸快進(jìn)下行速度 0.08m/s滑塊最大工進(jìn)速度 0.006m/s主缸回程速度 0.03m/s副缸頂出速度 0.02m/s副缸回程速度 0.05m/s6第 3章 四柱式液壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 液壓缸的設(shè)計(jì)3.1.1液壓缸方案的比較選擇（1）柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)下圖 3.1 所示，其原理圖見(jiàn)下圖 3.2 所示。圖 3.1 柱塞式液壓缸的結(jié)構(gòu) 圖 3.2 柱塞式油缸原理簡(jiǎn)圖圖由上圖結(jié)構(gòu)所示，主要由缸筒、液壓活塞桿、柱塞、密封圈、導(dǎo)向套圈等件構(gòu)成。利用缸體上的凸緣結(jié)構(gòu)固定于上梁中。特點(diǎn)：柱塞式油缸由于缸孔不需精加工，甚至可以不需加工，制造方便，維修簡(jiǎn)單。在水壓機(jī)上運(yùn)用廣泛，但缺點(diǎn)是只能在單方向上作用，且反向運(yùn)動(dòng)需要用回程缸來(lái)實(shí)現(xiàn) [9]。（2）活塞式油缸活塞式液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)下圖 3.3 所示，其原理圖見(jiàn)下圖 3.4 所示。7圖 3.3 活塞式油缸的結(jié)構(gòu)圖 3.4 活塞式油缸原理圖特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)液壓缸的左右運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于兩個(gè)柱塞式液壓缸的結(jié)合體。并且這種結(jié)構(gòu)的液壓缸廣泛用于中小型的液壓機(jī)中。其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造方便。（3）復(fù)合式油缸以活塞式液壓缸和柱塞式液壓缸為基本形式相組合而成的的復(fù)合式油缸 [10]。綜上所述，本設(shè)計(jì)為 200T 液壓機(jī)的設(shè)計(jì)，屬中小型液壓機(jī)，考慮到多個(gè)方面，選擇活塞式液壓缸較為合適。3.1.2液壓缸的支承形式設(shè)計(jì)選擇及方案比較（1）法蘭支承液壓缸及其下部分的法蘭支承安裝在上橫梁內(nèi)，由缸外壁的兩個(gè)環(huán)形面積與橫梁相配合 [11]。（2）缸底支承a.通過(guò)缸底的特有結(jié)構(gòu)，用螺柱將液壓缸固定在上梁上表面，b.缸底用螺柱實(shí)現(xiàn)拉緊c.橫梁不用開(kāi)設(shè)固定安裝液壓缸大孔。8通過(guò)上述兩種方案比較，選擇法蘭支承較為合適。3.1.3柱塞與活動(dòng)橫粱的連接方式選擇（1）剛性連接優(yōu)點(diǎn)：柱塞下端連接盤(pán)與橫梁相連接，兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在偏心加載時(shí)，柱塞隨活動(dòng)橫粱的傾斜而傾斜 [12]。缺點(diǎn)：液壓缸的導(dǎo)向處受到活動(dòng)橫梁的影響，這樣會(huì)使得導(dǎo)向鋼套及密封墊加快磨損。這種連接適用于單缸或三缸式液壓機(jī)（2）球面支承優(yōu)點(diǎn)：隨著載荷偏心加載的增大，活動(dòng)橫梁隨加載力的增大發(fā)生傾斜，此時(shí)球面支承上會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，能夠減少導(dǎo)套及密封墊之間的磨損。缺點(diǎn)：安裝和定位比較麻煩。這種連接適用于多缸式結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)。綜上所述：本設(shè)計(jì)為單缸液壓機(jī)，選擇剛性連接較為合適。3.2液壓機(jī)主缸基本尺寸計(jì)算3.2.1液壓缸尺寸確定如下圖 3.5 所示為液壓缸的受力分析簡(jiǎn)圖。查表 2.1 中的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，由于液壓缸工作時(shí)壓力載荷非常大，取 P=20MPa。圖 3.5 液壓缸受力簡(jiǎn)圖查閱相關(guān)資料、相關(guān)公式，由圖可知：計(jì)算主缸內(nèi)徑 D： 2212)(44PdDFP????9D= (3.1)]})(1[{4221DdPFcm???式中：P 1—液壓缸最大工作壓力；P2—產(chǎn)生的回路背壓，在高壓系統(tǒng)計(jì)算是可以忽略不計(jì)；F—最大負(fù)載； （ =2000kN）1Fηcm—液壓缸機(jī)械效率，一般 ηcm = 0.9～0.95。可求得液壓缸內(nèi)徑即：D= ≈358mm95.0124.36?PaN查柱塞標(biāo)準(zhǔn)直徑表 [13]JB2001-76，將液壓缸的直徑 D 圓整后，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，得 =360mm。1D液壓主缸活塞桿直徑計(jì)算公式如下所示：pFd?214??（3.2）式中：F 2 為主缸回程時(shí)，最大壓力，（ =400kN）2F代入數(shù)據(jù)得 d=0.245m，按標(biāo)準(zhǔn)取整 d=250mm。3.3液壓機(jī)主缸內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)通過(guò)上述初步設(shè)計(jì)計(jì)算，得到缸體內(nèi)徑 D、活塞桿直徑 d。接下來(lái)對(duì)主缸其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。1) 主缸缸體材料的選擇及其工藝要求液壓缸的構(gòu)造一般有厚壁圓筒、薄壁圓筒兩種不同結(jié)構(gòu)。當(dāng)滿(mǎn)足 D/δ≥10 時(shí)則為薄壁圓筒液壓缸，反之則為厚壁圓筒液壓缸。缸體材料較多，比如有高強(qiáng)度鑄鐵、灰鑄鐵、鍛鋼等。本次設(shè)計(jì)的液壓缸材料選用無(wú)縫 45 鋼。10表 3.1鋼筒材料的參數(shù)型號(hào) ≥／MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 142) 設(shè)計(jì)主缸壁厚計(jì)算公式如下所示：][2??Dpy?（3.3）式中： δ—液壓缸壁厚；D—液壓缸內(nèi)徑；—實(shí)驗(yàn)壓力，最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；yP[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力。無(wú)縫鋼管：[σ]=100～110MPa 。主缸壁厚 δ 計(jì)算，將 D=0.36m ；[σ]= 110MPa ； Py=1.4×20.5MPa=28.7MPa代入公式（3.3）中，即： mMaP047.10236.7.8????計(jì)算缸體的外徑 D：D 外 ≥D＋2δ （3.4）將參數(shù)代入式（3.4）得：D 外 ≥0.36m＋2 ?0.047m＝0.4534m外徑取標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，得主缸缸體外徑 D 外 ＝460mm 。4) 缸蓋厚度計(jì)算缸蓋材料選用 35 鋼，查資料，缸蓋厚度計(jì)算公式如下：][43.02?yPt?（3.5）式中：t—缸蓋的厚度(mm)；11—缸蓋止口直徑 (mm)；2D[σ]—材料許用應(yīng)力。即： mMPat 057.17.285043. ???選取缸蓋厚度 t=60mm。4) 計(jì)算主缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度通常液壓缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度符合如下計(jì)算公式：20DLH??（3.6）如下圖 3.6 所示： 活 塞隔 套圖 3.6主缸導(dǎo)向長(zhǎng)度簡(jiǎn)圖式中：L—主缸最大行程；D—液壓缸的內(nèi)徑。查表 2.1 中參數(shù)可知，主缸的最大行程 H=710mm，液壓缸內(nèi)徑D=360mm 代入公式（ 3.6）中，得主缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。即： mmH5.21360271???查閱相關(guān)資料，不能過(guò)分增大 l1 和 B 的數(shù)值來(lái)保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。計(jì)算隔套的長(zhǎng)度 C，即：12)(21BlHC???（3.7）式中：B—活塞的寬度，取 B=（0.6～1.0）D；l1—缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度， 當(dāng) D＞80mm 時(shí)，取 l1=（0.6～1.0）d。代入公式： mC2)5036(7.125. ?????5) 主缸活塞設(shè)計(jì)主缸活塞材料選用 HT200?；钊麑挾认禂?shù)取 0.8，則活塞的寬度為：B=0.8D=0.8×360mm =288mm取 B=290mm。6) 計(jì)算主缸長(zhǎng)度缸體內(nèi)部長(zhǎng)度為活塞的行程長(zhǎng)度加上活塞的長(zhǎng)度。缸體的長(zhǎng)度 L 小于或者等于內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D (3.8)由于 L=710mm，B=290mm，t=60mm，主缸的長(zhǎng)度取 L 缸 =1200mm。主缸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 3.7 所示：圖 3.7 主缸133.3 頂出缸計(jì)算查表 2-1，選取頂出缸的工作壓力為 12MPa,頂出缸的負(fù)載最大為 350kN，d/D 為 0.7，取液壓缸的機(jī)械效率 ηcm = 0.95。液壓缸受力如圖 3.8 所示。圖 3.8 液壓機(jī)頂出缸缸受力簡(jiǎn)圖將參數(shù)代入公式（3.10），求得液壓缸內(nèi)徑 D：D= mm≈198mm 95.0124.3.6?PaN（3.10）查資料 [10],將液壓缸的內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑，取 D=200mm；由 d/D=0.7 得活塞桿直徑，即：d=0.7D=0.7x198≈138mm同理查表 2-5 [14]。將活塞桿直徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，取 d=140mm。3.4頂出缸各部件計(jì)算1) 頂出缸缸體材料選擇表 3.2鋼筒所選材料型號(hào) ≥／MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 14142) 頂出缸壁厚的確定將 D=0.2m ；[σ]= 110MPa ； =1.3×12.5MPa=16.25MPa 代入公式（3.6）yP中，即：mMa015.102.5.6????將 D=0.2m ；取 δ=0.02m 代入D 外≥0.2m＋0.04m＝0.24m圓整得 D 外＝240mm。3) 頂出缸缸蓋材料、厚度的確定缸蓋選用 35 鋼。缸蓋厚度計(jì)算公式見(jiàn)式（3.12）：即：（3.12）mMPat 025.125.643.0???取缸蓋厚度 t=25mm。4) 頂出缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度由表 2.1 知頂出活塞行程 L=250mm，缸內(nèi)徑 D=200mm，代入公式(3.13) ， 即：mmH5.12025???（3.13）5) 頂出缸活塞方案擬定，技術(shù)要求 頂出缸活塞選用 HT200。活塞寬度系數(shù)為 0.8，則B=0.8D=0.8×200mm =160mm取活塞 B=160mm。查表 2-10 [16]，液壓機(jī)頂出缸工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主缸壓力，故選用 O 形密封圈。 6) 頂出缸長(zhǎng)度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體的外形尺寸應(yīng)考慮兩端端蓋的厚度，長(zhǎng)度 L 小于等于缸體內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D 。由主缸行程為 250mm，活塞寬度為 160mm,缸蓋厚度為 25mm，通過(guò)計(jì)算取 L=650mm。153.5主機(jī)負(fù)載受力分析3.5.1導(dǎo)柱設(shè)計(jì)計(jì)算本設(shè)計(jì)最大的工作負(fù)載為 200T（2000kN），主缸回程力為 400kN，頂出缸頂出力為 350kN。因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它工況時(shí)的負(fù)載，故在進(jìn)行載荷的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，取負(fù)載 200T 對(duì)液壓機(jī)中導(dǎo)柱進(jìn)行受力分析計(jì)算。在“三梁四柱式結(jié)構(gòu) ”中，對(duì)導(dǎo)柱做如下受力分析，如下圖 3.10 所示，當(dāng)力作用在橫梁和導(dǎo)柱上，此時(shí)橫梁受壓，由于反作用力，導(dǎo)柱受到相應(yīng)的拉力。 橫 梁導(dǎo) 柱F-最大受力負(fù)載 T-導(dǎo)柱拉力圖 3.10橫梁、導(dǎo)柱受力分析圖材料選擇：由受力分析可知，在負(fù)載時(shí)，導(dǎo)柱受到較強(qiáng)的拉力，故在選擇材料是應(yīng)具備較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，故選擇 45 號(hào)鋼。加工工藝：在工作時(shí)，導(dǎo)柱不僅僅有拉力的存在，還有與上下滑塊之間的摩擦力，為了減少導(dǎo)柱表明的磨損程度，增加受用壽命，通過(guò)金屬表明熱處理能有效的增加導(dǎo)柱的耐磨性和表明硬度，表面淬火和表明熱處理。導(dǎo)柱設(shè)計(jì)計(jì)算：液壓機(jī)最大受到 2000kN 的負(fù)載，作用在 4 根導(dǎo)柱上，這每根導(dǎo)柱受到500kN 的拉力，由許用拉應(yīng)力公式(3.14)，計(jì)算出導(dǎo)柱的安全直徑 D。AF?][?(3.14）式中： —許用應(yīng)力；45 鋼 =80～100MPa ；][?][16F—導(dǎo)柱軸向拉力；A—導(dǎo)柱橫截面積。即： mPaNFD089.1804.35][6?????取 D=90mm，為防止液壓機(jī)工作時(shí)導(dǎo)柱受力斷裂，為了液壓機(jī)安全性、可靠性，選取導(dǎo)柱直徑時(shí)，可以適當(dāng)加大導(dǎo)柱直徑，取 D=110mm。3.5.2立柱的連接形式比較選擇如圖所示，通常連接形式有如下三種：圖 3.11 立柱與橫梁的連接形式（1）雙螺母式特點(diǎn)：加工較方便。但螺母必須有良好的預(yù)緊，否則會(huì)造成螺母的松動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)架的不穩(wěn)定。一般應(yīng)用在小型液壓機(jī)。（2）錐臺(tái)式特點(diǎn)：剛性較好，但加工相對(duì)復(fù)雜，一旦裝配完成不能做相應(yīng)的調(diào)整。（3）錐套式特點(diǎn)：可以消除立柱與橫梁之間的間隙，有利于安裝與配合。但長(zhǎng)期使用會(huì)使錐套松動(dòng)，影響機(jī)架剛性 [17]。綜上所述，本次設(shè)計(jì)選擇錐臺(tái)式立柱聯(lián)結(jié)。3.5.3活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)如下所示17圖 3.12活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)圖作用：通過(guò)與主缸活塞缸聯(lián)結(jié)傳遞工作壓力，四角開(kāi)有導(dǎo)向孔，可以沿導(dǎo)向柱方向運(yùn)動(dòng)。橫梁下面開(kāi)有凹槽，可以安裝上模具，所以需要有較強(qiáng)的剛度和導(dǎo)向性能。初步設(shè)計(jì)橫梁的長(zhǎng)為 1310mm，寬 1050mm，高 350mm。3.5.4工作臺(tái)的設(shè)計(jì)材料選用鑄鋼 45。設(shè)計(jì)工藝要求：為了在加工時(shí)，能很好的將所需加工的模具固定在工作臺(tái)上，可以選擇將工作臺(tái)表面設(shè)計(jì)成 T 形槽的樣式圖 3.13 工作臺(tái) T形槽18第 4章 四柱式液壓機(jī)強(qiáng)度計(jì)算與校核4.1缸體強(qiáng)度的計(jì)算與校核4.1.1主缸中段強(qiáng)度選用 45 鋼作缸體材料，對(duì)缸筒做初步受力分析，最大應(yīng)力應(yīng)該出現(xiàn)在缸內(nèi)壁，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。圖 4.1 缸體（4.1） MPapD120~][321max??????式中 D1=0.36m， D0=0.46 m；P=20MPa帶入數(shù)據(jù)得：=121.6Mpa2036.4.02max????????經(jīng)上述計(jì)算，故強(qiáng)度小于缸筒材料的許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足要求。4.1.2支承臺(tái)肩計(jì)算支承臺(tái)肩接觸面擠壓壓力計(jì)算公式如下：（4.2）????????])2()[(785.032SDP式中 [σ]——材料許用應(yīng)力19S——支承臺(tái)肩倒角或圓角半徑D2 ——主缸體上螺紋外徑 a45.2036.0785.2MPP???主[σ]=100MPa 圖 4.2 油缸支承臺(tái)肩尺寸式中：P=2000kN ， =460mm S=2mm3D由上式可得（4.3）????SP?????2785.022?主代入數(shù)據(jù) ??m498.02.0.246.10785.222 ??????D取 D3=50 cm4.1.3缸底強(qiáng)度校核按圓形平板彎曲計(jì)算，公式如下：=100MPa （4.4）???????21875.0BpD式中：D=360mm B=110mm P=20MPa20圖 4.3 缸底簡(jiǎn)圖（4.5）Di??＝?式中 D1=8.8cm756.03.860??將數(shù)據(jù)代入公式，得： =98.6MPa ，強(qiáng)度滿(mǎn)足要21175.?????求。4.1.4缸口導(dǎo)套擠壓計(jì)算（1）作用在缸口導(dǎo)套上的力，缸口導(dǎo)套材料 HT200：（4.6）pdDP)(785.0211??式中： =360mm d=250mm1D代入數(shù)據(jù)，得： =1 KN521036. ??（2）螺栓計(jì)算選擇 12 個(gè) M24 的螺栓，螺栓材料選為 45 鋼，M24 螺紋內(nèi)徑為 20.45mm，則拉伸應(yīng)力公式：（4.7）?????1nFP式中：n—螺栓數(shù)量，n=12 —螺栓橫截面積（ ），1F2cm2213.45.078.cm???—許用拉伸應(yīng)力，?????0??21將數(shù)據(jù)代入得： =26.5MPa ，故安全。3.1205??????（3）缸口導(dǎo)套擠壓計(jì)算缸口導(dǎo)套材料選用 HT20-40，導(dǎo)套擠壓應(yīng)力的計(jì)算公式如下：=100MPa （4.8）???????)(785.021DP式中： =360mm =280mm1D2代入數(shù)據(jù)，得： =92MPa ，安全。??5.活塞與活動(dòng)橫梁聯(lián)接螺母強(qiáng)度校核螺紋剪切應(yīng)力計(jì)算公式如下：=60MPa （4.9）???????bKdP內(nèi) 回=120MPa （4.10）彎內(nèi) 回彎 ??23tkh式中：螺紋選取 M15 40， 螺紋內(nèi)徑 =14.48 ，螺紋高度?內(nèi)dh= =2.6cm 2內(nèi)外 d?b——螺紋長(zhǎng)度（cm） b=8.5cmt——螺距（cm） t=0.4cmK——螺紋完滿(mǎn)系數(shù)，三角形螺紋取 K=0.81代入數(shù)據(jù)，得： =19MPa ， =46MPa ，故安全。????彎???彎4.1.5活塞頭部鎖緊螺母母螺紋所受的力（4.11）??kgfPdDP???210785.鎖其中 D0=14cm d1=4.5cm 代入式（4.11）中?f93.4.4785.2???鎖螺紋剪切應(yīng)力??2/60cmkgfKbdP?????內(nèi)（4.12）螺紋彎曲應(yīng)力????22' /103ckgftbdhP????彎內(nèi)彎 ???22（4.13）式中 螺紋選為 M30╳4d 內(nèi)——螺紋內(nèi)徑（cm） d 內(nèi)=2.57cmt——螺距（cm） t=0.4cmb——螺紋長(zhǎng)度（cm） b=2.5cmh——螺紋高度（cm） h=0.43cmK——螺紋完滿(mǎn)系數(shù)（cm） 對(duì)于三角形螺紋 K=0.81P 回——回程壓力 （kN ） P 回=400kN帶入式中： ????? ????2/75.2981.053.24cmkgf??彎彎 ?? 22/46. f故強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。4.2橫梁的設(shè)計(jì)與校核4.2.1橫梁的設(shè)計(jì)橫梁需要較強(qiáng)的彎曲力和彎曲疲勞強(qiáng)度，故選用 45 鋼，毛坯采用鍛鋼并且表明需調(diào)質(zhì)處理。理論設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)橫梁的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為 1310mm、1050mm、580mm，矩形截面。即：在負(fù)載作用下的受力分析圖如下所示：圖 4.5 (a) 剪力圖 (b) 彎矩圖圖 4.4橫梁滑塊受力圖23圖 4.5 受力分析圖由上彎矩圖 4.5(b)看出，滑塊所受彎矩最大的點(diǎn)位于橫梁中間 C 點(diǎn) 1—1 截面處，該截面為危險(xiǎn)截面。為防止發(fā)生橫梁斷裂或者達(dá)不到應(yīng)有的疲勞強(qiáng)度，故對(duì)橫梁截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。正應(yīng)力公式為：WMmaxax??（4.14）式中：—最大彎曲應(yīng)力；max?—最大彎矩；M—抗彎截面系數(shù)( )。W3m矩形截面抗彎系數(shù) W 計(jì)算公式為：62bh?（4.15）式中：—矩形截面的寬；b—矩形截面的高。h即： 3205.68.051mW???截 面 -24MPamkN3.905.47ax???許用應(yīng)力[ ]=100MPa，然而橫梁的最大彎曲應(yīng)力 max為 9.3MPa，結(jié)果小?于材料的許用應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理。剪切應(yīng)力][23max?????hbFs（4.16） MPa46.258.013?查表得 45 鋼的剪切應(yīng)力 ，滿(mǎn)足要求。Pa6][??4.2.2上橫梁的剛度計(jì)算撓度計(jì)算公式如下：（4.17）?????????????????2296)( ??DBEJDBf彎（4.18）14)(2.FPf剪式中：P-公稱(chēng)噸位(kgf) P=200000 kgfB-立柱中心距(cm) B=106.5cmD-油缸與上橫梁聯(lián)接處臺(tái)肩尺寸(cm) D=58 cmJ-上橫梁主截面慣性矩( ) J=818818.477 4cm4cmS-受剪立板面積( ) S=25 48=1200 ( )2 ?2E-材料彈性模量 ( ) 鑄鐵 E=1.05 106 /kgf /kgfG-剪切彈性模量( ) 鑄鐵 G=6 105 2c 2c代入數(shù)據(jù)，得：=0.0126cm?????? ????????????? 225 58105810.96).(2 ??彎f=0.0136cm24).6(2.1剪f上橫梁最大變形量為：0.6cm=.13+0.1??剪彎 ff254.3工作臺(tái)計(jì)算模具墊板設(shè)計(jì)：工作臺(tái)中心有直徑為 14cm 一中心孔。材料為 HT20-40， 。計(jì)??aMP10??算模具墊板最小尺寸：（4.19）????PA???214式中：A—墊板面積代入數(shù)據(jù)，得：29.35cm?按圓直徑,則墊板直徑 d=21.22cm，取墊板寬帶 b=25cm。主截面上彎矩計(jì)算如下：（4.20）)21(41BbPM??代入數(shù)據(jù)，得 =43.6kN m1?最大剪力為： =1000kNQ2?4.3.1工作臺(tái)的應(yīng)力計(jì)算由前面計(jì)算結(jié)果可得主截面尺寸如下：圖 4.6 受力分析圖剪 力 圖 （彎 矩 圖 （ M1226J= =33cm =32cm4710cm1h2（4.21）MPaJM952.1343601???壓?在受拉截面上的彎曲應(yīng)力為： aJh38.1443601???拉?所以，在主截面上彎曲應(yīng)力均滿(mǎn)足要求。4.3.2工作臺(tái)的剛度計(jì)算根據(jù)工作臺(tái)受力狀況分析，工作臺(tái)彎曲變形量計(jì)算：= （4.22）???????????????64214632bBEJPf彎 3097BEJP?剪切變形量計(jì)算:= （4.23）??20.1.bdxGFqf剪 ?801式中：J—工作臺(tái)截面慣性矩 J= 74cmF—工作臺(tái)立板面積 F=1020 2代入上式得cmf 016.5409781.015.6236 ????彎cGFPB.285剪所以，工作臺(tái)最大變形量為：0.0357cm??剪彎 ff2又因?yàn)樵试S工作臺(tái)彎曲變形量為：??????1042.~.01.0~.?Bf故設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工作臺(tái)所需剛度要求。4.4立柱的強(qiáng)度校核立柱強(qiáng)度計(jì)算。有兩種情況：第一，立柱預(yù)緊狀態(tài)下的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。然后，中心載荷下立柱的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算 [13]。