100噸砂輪液壓機主機設計

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單位代碼學 號分 類 號密 級畢 業(yè) 設 計 說 明 書100 噸砂輪液壓機主機設計院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名指 導 教 師2012 年 5 月 15 日本 科 畢 業(yè) 設 計 （論文） 任 務 書工 學院 機械 系 專業(yè) 08 級 班學號 指 導 教 師 李 長 詩 畢業(yè)設計（論文）題目 : 100 噸砂輪液壓機主機設計畢業(yè)設計（論文）工作內容與基本要求:（目標、任務、途徑、方法，應掌握的原始資料（數(shù)據(jù)） 、參考資料（文獻）以及設計技術要求、注意事項等） （紙張不夠可加頁）一．主要內容：1.分析課題條件要求，查閱文獻，擬定總體設計方案；2.液壓機主機結構設；3.編寫設計說明書，翻譯外文，編寫文獻綜述。二．要求：1.對液壓機主機結構設計，并且計算出主要零件尺寸；2. 編寫設計說明書設計說明書不少于 8000字；3.用 CAD二維繪圖軟件繪出機械液壓機主機裝配圖以及主要零件圖；4. 查閱文獻資料不少于 12篇，其中外文資料不少于 2篇；文獻綜述不少于3000字。三．主要參考資料：《機械設計手冊》 化學工業(yè)出版社《機械設計》 西北工業(yè)大學出版社《液壓與氣壓傳動》 機械工業(yè)出版社四、時間安排：1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設計5-10 周 完成機構設計、完成電路圖及程序并撰寫說明書10-12 周 修改論文、資格審查等13 周 畢業(yè)答辯畢業(yè)設計（論文）時間： 2012 年 2 月 13 日 至 2012 年 5 月 15 日計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 5 月 19 日專業(yè)（教研室）審批意見：審批人簽名：摘 要 液壓機是制品成型生產中應用最廣的設備之一，也是理想的成型工藝設備，特別是當液壓系統(tǒng)實現(xiàn)具有對壓力、行程、速度單獨調整功能后，不僅能實現(xiàn)對復雜工件以及不對稱工件的加工，而且，廢品率非常低，與機械加工系統(tǒng)相比，有極大的優(yōu)越性。近年來，隨著微電子技術、液壓技術等的發(fā)展，液壓機有了更進一步的發(fā)展，其高技術含量增多，眾多機型已采用 CNC或 PC機來控制，提高了產品加工質量和生產率。液壓機主缸是液壓機的主要工作部件，液壓機主缸的性能直接影響著液壓機整體工藝水平。通過細致的分析及理論研究解決易損部分設計結構中存在的問題，可以使液壓缸整體上達到工藝強度要求，提高液壓缸應用的工藝水準及使用壽命。所以對液壓機主缸進行細致嚴謹?shù)脑O計計算對對液壓機的設計生產有著至關重要的作用。本論文從總體上對液壓機本體結構，及主要結構部件進行設計及必要的校核，對液壓機主缸主要參數(shù)進行計算，并對所得結果進行分析、驗算,從而力爭使液壓機主缸能夠滿足生產工藝要求，并從整體上提高液壓機的工藝水準，使液壓機設計水平更上一個新的臺階。關鍵詞：液壓機 液壓系統(tǒng) 液壓缸 黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 I 頁AbstractAuthor：Chen jia jieTutor：Li chang shiHydraulic press is one of the most widely used device in the production of molding，it is the ideal molding process equipment, especially when the hydraulic system to achieve with the right pressure, stroke and speed adjustment alone, not only to achieve the complex and asymmetric parts of the work piece processing, and that the rejection rate is very low, it has great advantages compared to machining systems. In recent years, with the development of microelectronic technology and hydraulic technology, hydraulic press had a further development, increased its high-tech, many models have been control by the CNC or PC, which improved processing quality and productivity.Hydraulic master cylinder is the main working parts of hydraulic press, hydraulic press master cylinder direct impact on the performance of the overall technological level of hydraulic machines. Through careful analysis and theory to solve the structure vulnerable part of the design problems in it , and the hydraulic cylinder can be reached technological strength of the overall requirements of the application of technology to improve the standard of the hydraulic cylinder and life. So the master cylinder for hydraulic design of meticulous calculation of the design and production of hydraulic machines has a vital role.This paper generally focus on the body structure of the hydraulic press, and design the major structural components and its necessary check , calculation of the main parameters of the hydraulic master cylinder, and analysis and checking the results. To strive to make the hydraulic master cylinder to meet the requirements of production press and raise the overall technological level of the hydraulic press, and hydraulic press design level to advance to a new level.Keywords: Hydraulic press Hydraulic system Hydraulic cylinder黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 II 頁目 錄1 緒論 11.1 液壓機的特點及分類 .11.1.1 液壓機的特點 11.1.2 液壓機的分類 .21.2 液壓機典型結構 .31.3 液壓機技術的發(fā)展現(xiàn)狀 .41.4 液壓機技術發(fā)展趨勢 .52 液壓機主機設計 62.1 液壓機的基本參數(shù)及其選用 .62.2 四柱式組合機架的設計計算 .72.2.1 立柱的受力分析 72.2.2 立柱尺寸的取值 92.2.3 立柱的強度較核 92.2.4 橫梁強度和剛度計算 .102.2.5 整體框架式機身強度、剛度計算 .153 液壓機主缸設計 .173.1 液壓缸的主要性能參數(shù)的計算 173.1.1 液壓缸的壓力值 .173.1.2 活塞的運動速度 173.1.3 液壓缸的速比 .183.1.4 活塞的理論推力和拉力 .183.2 液壓缸缸筒設計 193.2.1 液壓缸缸筒機構及材料的選擇 .193.2.2 液壓缸缸筒的計算 203.3 液壓缸活塞的設計 233.4 活塞桿的設計計算 243.4.1 活塞桿直徑的計算 .243.4.2 活塞桿的強度計算 25黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 III 頁3.4.3 活塞桿穩(wěn)定性驗算 263.5 活塞桿的導向套 263.6 緩沖裝置 283.7 與液壓缸相關的連接結構設計 283.7.1 液壓缸與上橫梁連接結構設計 283.7.2 活塞桿與活動橫梁連接結構設計 29致謝 .30參考文獻 .30黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 0 頁1 緒論本章對液壓機整體情況做出介紹，內容涉及液壓機的原理，液壓機的特點、分類，以及液壓機的典型結構介紹，目前國內外液壓機的發(fā)展現(xiàn)狀及未來液壓機的發(fā)展趨勢等。1.1 液壓機的特點及分類1.1.1 液壓機的特點液壓機是制品成型生產中應用最廣的設備之一。目前，液壓機的最大標稱壓力已達750MN，用于金屬的模鍛成型。隨著金屬壓制和拉伸制品的需求逐年增高，對產品品種的要求也日益增多；另一方面，產品的生產批量也逐漸縮小。為與中小批量生產相適應，需要能快速調整的加工設備，這使液壓機成為理想的成型工藝設備，特別是當液壓機系統(tǒng)實現(xiàn)具有對壓力、行程、速度單獨調整功能后，不僅能實現(xiàn)對復雜工件以及不對稱工件的加工，而且，廢品率非常低，與機械加工系統(tǒng)相比，有極大的優(yōu)越性。液壓機有以下幾個優(yōu)點：(1）液壓機最大的特點是容易獲得最大的壓力。在鍛造過程中鍛錘是靠沖擊力打擊鍛件，因而會產生較強的振動。為了提高打擊效率和減輕振動，需要有很大的砧座和良好的地基，因而鍛錘不可能造得很大。曲柄壓力機是靠曲柄連桿機構傳遞能量，由于受到曲柄連桿機構強度的限制，一般只制造到 100MN以下。液壓機利用靜壓力工作，不需要大的砧座和堅實的地基。由于采用了液壓傳動，其動力設備可以與主機分開，可以適當加大柱塞的直徑或采用多缸聯(lián)合工作的方式來獲得更大的工作壓力。目前大型液壓機均已造到 100MN以上。(2）有更大的工作行程，并可在全行程的任意位置施加最大的工作壓力；在工作行程的任意位置都可以回程。機械傳動的曲柄壓力機的滑塊行程是不變的，并且只能在滑塊下止點前較小的行程內產生標稱壓力。而且必須在下止點后才能回程，如果過載將會悶車，導致?lián)p壞。液壓機則與其相反，所以液壓機對要求工作行程較長而且變形均勻的工藝（如拉伸、積壓等）十分適應。(3）有更大的工作空間。液壓機本體沒有龐大的機械傳動機構，其液壓缸可根據(jù)操作的要求來布置，因而可以容易地獲得較大的工作空間。(4）工作壓力可以調整，可以實現(xiàn)保壓，并可防止過載。例如，有三個缸的液壓機可以很容易地獲得三級不同的工作壓力。將高壓液體通入中間的工作缸能得到第一級壓力；通入兩側的工作缸能得到第二級壓力；3 個工作缸同時通入高壓液體就得到第三級壓黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 1 頁力。液壓機可以作長時間的保壓。液壓系統(tǒng)有調壓裝置，可以根據(jù)要求來調整液體的壓力。他的安全裝置，能可靠地防止過載。(5）調速方便。通過調整通入工作缸液體的流量，可以實現(xiàn)各種行程速度。例如，實現(xiàn)空程下降和回程時高速，工作行程時慢速，而且這種調速是無級的。(6）液壓機結構簡單，操作方便。液壓機的本體結構很簡單，而且容易制造。特別是中、小型的液壓機，由于液壓元件的標準化、系列化和通用化程度的提高，使其設計與制造更為簡便，成本降低。液壓機還易于實現(xiàn)自動控制和遙控。(7）液壓機工作平穩(wěn)。振動和噪聲都較小，利于改善工人的勞動強度和工作條件。(8）液壓機的動力傳動為柔性傳動，較機械加工復雜的傳動系統(tǒng)簡單。(9）液壓機基本的動作方式有三種：單動、雙動、三動。但其拉伸過程中只有單一的直線驅動力，是加工系統(tǒng)有較長的使用壽命和較高的工件成品率。除了以上優(yōu)點外液壓機還有一些缺點，比如：(1）液壓機采用液壓油為工作介質，因而對液壓元件的精度要求和密封條件要求較高。另外，不可避免的泄露會帶來環(huán)境的污染。(2）液壓機的工作速度較其他設備低。由于液體流動時會產生較大的阻力損失，當液壓機高速運動時，這種損失就更為明顯。所以液壓機的最高工作速度受到限制。由于液壓機具有以上特點，得到了廣泛的應用。除了大型的鍛件的鍛造、拉伸、剪切、擠壓等工序外，還應用于塑料壓型、層壓板、粉末冶金、廢金屬處理、棉花打包等工序。1.1.2 液壓機的分類液壓機按照機架結構形式分為梁柱式、組合框架式、整體框架式、單臂式等。按照功能用途分可分為手動液壓機、鍛造液壓機、沖壓液壓機、一般用途液壓機、校正包裝液壓機、層壓液壓機、擠壓液壓機、壓制液壓機、打包液壓機、專用液壓機等 10余種類型。其各自類型對應的常見工藝如下：(1）手動液壓機：用于一般壓制、壓裝等工藝。(2）鍛造液壓機：用于自由鍛、鋼錠開坯及金屬模鍛。(3）沖壓液壓機：用于各種薄板、厚板的沖壓。(4）一般用途液壓機：用于各種工藝，通常稱為萬能（通用）液壓機。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 2 頁(5）校正壓裝液壓機：用于零件的校正及裝配。(6）層壓液壓機：用于膠合板、刨花板、纖維板及絕緣材料板的壓制。(7）擠壓液壓機：用于擠壓各種有色及黑色金屬材料。(8）壓制液壓機：用于各種粉末制品的壓制成型，如粉末冶金。(9)包、壓塊液壓機：用于將金屬碎屑及廢料壓成塊。(10）其它液壓機：包括輪軸壓裝、沖孔等專門用途的液壓機。1.2 液壓機典型結構液壓機結構中較典型的主要有三梁四柱式、雙柱下拉式、框架式和單臂式等，其中三梁四柱式液壓機為通用型液壓機的常用型式，本次畢業(yè)設計采用此類型液壓機為設計對象，這里只對此型液壓機作以介紹。三梁四柱式液壓機結構如圖所示，它由上橫梁、下橫梁、4 個立柱和 16個內外螺母組成一個封閉的框架，框架承受全部的工作載荷。工作缸固定在上橫梁上，工作缸內有工作柱塞與活動橫梁相連接?；顒訖M梁以 4根立柱為導向，在上、下橫梁之間往復運動?；顒訖M梁下面固定有上砧，而下砧則固定與下橫梁上的工作臺上。當高壓液體進入工作缸后，對柱塞產生很大的壓力，推動柱塞、活動橫梁及上砧向下運動，使工件在上、下砧之間產生塑性變形。同時在完成工作之后實現(xiàn)回程運動。圖 1-1 液壓機典型結構圖黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 3 頁三梁四柱式液壓機的主要部件有：⑴立柱：立柱是機架的主要支撐部件和主要受力件，又是活動橫梁的導向件，因此對立柱有較高的強度、剛度和精度要求。立柱所用的材料、結構尺寸、制造質量及其與橫梁之間的連接方式、預緊程度等因素，都對液壓機的工作性能甚至使用壽命有著很大的影響。立柱通常用如下材料制成：35 鋼、45 鋼、40Cr、20MnV、20MnSiMo 等。⑵橫梁：橫梁包括上橫梁、下橫梁（或稱底座）和活動橫梁（或稱滑塊） ，是液壓機的重要部件。由于橫梁的輪廓尺寸很大，為了節(jié)約金屬和減輕重量，一般都做成空心箱形結構，中間加設肋板，承載大的地方肋板較密，以提高剛度，減低局部應力，肋板一般按方格形或輻射形分布，在安裝各種缸、柱塞（或活塞）及立柱的地方做成圓筒形，以使其環(huán)行支撐面的剛度盡可能一致，并用肋板與外壁相互之間連接起來。橫梁有鑄造結構和焊接結構兩種，生產批量較大的中、小型液壓機其橫梁多為鑄鐵件（材料多為 HT200）或鑄鋼件（材料多為 ZG275-500） ；近年來采用焊接結構的日漸增多，材料一般為 Q235或 16Mn鋼板。中、小型液壓機橫梁多數(shù)為整體結構，而大型液壓機橫梁由于受制造和運輸能力的限制往往設計成組合形式，并利用鍵和拉緊螺栓連接。1.3 液壓機技術的發(fā)展現(xiàn)狀液壓機的液壓系統(tǒng)和整機機構等方面發(fā)展已經(jīng)相當成熟，國內外機型無較大差距，主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使機器在過濾、冷卻及防止沖擊振動等方面有明顯的改善 [2]。(1）油路設計方面，國內外都趨向于集成化、封閉式設計，插裝閥、疊加閥和復合化元件及系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。國外已廣泛采用封閉式循環(huán)油路設計，可有效地防止泄露和污染，更重要的是防止灰塵、空氣和化學物質侵入系統(tǒng)，延長了機器的使用壽命。由于加工工藝等方面的原因，國內采用封閉式循環(huán)油路設計的系統(tǒng)還不多見。(2）在安全性方面，國外某些采用微處理器控制的高性能液壓機利用軟件實現(xiàn)故障的檢測和維修，產品可實現(xiàn)負載檢測、自動模具保護和錯誤診斷等功能。(3）液壓機的發(fā)展最主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面。微電子技術飛速發(fā)展，為改進液壓機的性能，提高穩(wěn)定性、加工效率等方面提供了前提條件。相比之下，國內機型雖然品種齊全，但技術含量相比較低，缺乏高檔機型，這與機電液一體化和中小批量柔性發(fā)展黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 4 頁趨勢不相適應。當前，國內外液壓機產品中控制系統(tǒng)分為以下三種類型：(1）以繼電器為主控制元件的傳統(tǒng)型控制系統(tǒng)。其電路結構簡單，技術要求不高，成本較低，相應控制功能簡單，適應性不強。主要用于單機工作，加工產品精度不高的大批量生產，也可組成簡單的生產線。(2）采用可編程控制器（PLC）的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在繼電器控制和計算機控制發(fā)展的基礎上開發(fā)出來的并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，將自動化技術、計算機技術、通訊技術溶為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。目前，該機型廣泛應用于各種生產機械和自動化生產過程中，早期的可編程控制器只能進行簡單的邏輯控制，隨著技術的不斷發(fā)展，一些廠家采用微電子處理器作為可編程控制器的中央處理單元（CPU） ，不僅可以進行邏輯控制，還可以對模擬量進行控制，擴大了控制器的功能?？删幊炭刂破饔休^高的穩(wěn)定性和靈活性，但還是介于繼電器控制和工業(yè)控制之間的一種控制方式，與工業(yè)控制機相比還有很大差距。 。(3）應用高級微處理機（或工業(yè)控制計算機）的高性能控制系統(tǒng)。該控制方式是在計算機控制技術成熟發(fā)展的基礎上采用的一種高科技含量的控制方式，以工業(yè)控制機或單片/單板機作為住控制單元，通過外圍數(shù)字接口器件（如 A/D或 D/A板等）或直接應用數(shù)字閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制，同時利用各種傳感器組成閉環(huán)回路式的控制系統(tǒng)，達到精確控制的目的。1.4 液壓機技術發(fā)展趨勢目前，隨著科技發(fā)展的日新月異，液壓機的技術含量也在日益增高，其主要發(fā)展趨勢可分為如下幾點：(1）高速化、高效化、低能耗，提高液壓機的工作效率，降低生產成本。(2）機電液一體化，充分利用機械和電子方面的先進技術促進整個液壓系統(tǒng)的完善。(3）自動化、智能化。微電子技術的高速發(fā)展為液壓機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)在加工方面，應能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調整，具有故障預處理功能。(4）壓元件集成化，標準化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止泄露和污染，標準化的元件為機器的維修帶來方便。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 5 頁2 液壓機主機設計本章主要針對中型三梁四柱式液壓機進行本體設計，其主要內容為對該型液壓機的主要參數(shù)進行選擇，對液壓機主要部件尺寸進行計算，并對部件剛度、強度進行校核，以使所設計液壓機能夠達到生產工藝要求。2.1 液壓機的基本參數(shù)及其選用液壓機的基本參數(shù)是基本技術數(shù)據(jù)，是根據(jù)液壓機的工藝用途及結構類型來確定的，對于本次設計的三梁四柱式液壓機，主要設計參數(shù)如圖 2-1所示：Hlbl B圖 2-1 液壓機主要結構參數(shù)示意圖(1）公稱壓力（KN） 。公稱壓力是液壓機的主要設計參數(shù)。它反映了液壓機的主要工作能力，是液壓機名義上能產生的最大壓力，數(shù)值上等于工作柱塞總的面積與液體壓力的乘積。本次設計液壓機公稱壓力為給定原始數(shù) 據(jù) 1000KN。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 6 頁(2）最大工作行程：最大工作距離 h是指活動橫梁在上限位置時從工作臺上面到活動橫梁下表面的距離。反映里液壓機高度方向上工作空間的大小，應根據(jù)模具及墊板高度工作行程大小以及放入取出工件所需空間的大小等工藝因素來確定。本次設計液壓機工作行程 h=1000mm。(3）工作臺尺寸：在如鍛造、模煅及沖壓等加工工藝中，往往設置移動工作臺。他的尺寸（長 l 寬 b）取決于模具的的平面尺寸。?本次設計工作臺尺寸為給定原始數(shù)據(jù) 1380 1080mm。?(4）立柱中心距 (mm mm)。在四柱式液壓機中，立柱寬邊中心距為 L，窄邊中心LB?距為 B。立柱中心距反映了液壓機平面尺寸上工作空間的大小。本次設計液壓機立柱中心距 =1120 800(mm mm)。?(5）活動橫梁的運動速度（ ）活動橫梁運動速度分為工作行程速度及空載回程/ms速度兩種。本次設計液壓機工作形成速度 =0.05 ，回程速度 =0.1 。1v/2v/ms2.2 四柱式組合機架的設計計算2.2.1 立柱的受力分析由于四柱式組合機架是一個高次超靜定空間框架，在進行受力分析時，需采取一些簡化假設：由于一般液壓機的機架結構對稱于中間平面，載荷也對稱于中間平面，因此可將空間框架簡化為平面框架；立柱與上、下橫梁為剛性連接；不考慮安裝應力及溫度應力。 (1）中心載荷。假設上、下橫梁剛度很大，則可忽略上、下橫梁變形而施加與立柱的附加彎曲應力，則立柱只承受簡單的軸向拉應力，其拉應力為： ????????MPa3541.03KNnAF2p(2-1) 式中 F——液壓機的公稱壓力；A——每根立柱的截面面積；n——立柱的根數(shù)；——許用應力，本次設計立柱材料???黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 7 頁選擇為 45鋼，其取值范圍為 。60~7MPa(2）偏心載荷。液壓機工作時，由于模具不對稱、工作變形阻力不對稱（加工零件形狀不對稱或加熱不均勻） 、工件放置位置不正等多種因素都可能造成偏載受力狀態(tài)。根據(jù)前面的簡化假設，將空間機架簡化為平面框架，如圖所示。在手偏心載荷時，活動橫梁發(fā)生傾斜，活塞隨之傾斜壓到液壓缸導向套或內壁上，而活動橫梁也與立柱相接觸?？紤]到不同工藝條件及密封等，補充做如下假設：工件較窄，不妨礙活動橫梁轉動，因此在工件處沒有側向水平支反力；兩側立柱導套間隙一樣，因此在活動橫梁傾斜十，兩邊立柱均勻受力；各處的作用力及支反力均假定為集中力?？紤]到由于用一個兩柱的平面框架來代替原來對稱的四柱空間框架，因此載荷取為F/2。載荷的偏心距為 e，活動橫梁受到的偏心力矩 Fe/2作用，給液壓缸內壁以側力為 ：1Fh)YZ(2Fe1???(2-2)式中 ——液壓缸的缸筒受力點或活塞中點至上橫梁下表面的距離；Zh——活動橫梁導向套支撐反力作用點到上橫梁下表面的距離。Y這樣，四柱式組合液壓機機架即可簡化為如圖 2-2所示的平面框架?？蚣艿膶挾?為立柱中心線間的距離?？蚣芨叨?則與立柱和橫梁的剛度比有關。bh、 分別為立柱與上、下橫梁的剛1K2(2-3)1cauKI?(2-4)2cabI式中 、 、 ——分別為立柱、上橫梁和下橫梁的彈性模量；cKub、 、 ——分別為立柱、上橫梁和下橫梁的截面慣性矩。aIaI如果 、 值較大，則必須考慮到剛度比的影響，框架高度應取為上橫梁中性層到12下橫梁中性層間的距離。在計算中假設 、 為零，即假設上、下橫梁剛度為無窮大，1K2因此框架高度 取為上橫梁下表面到下衡量上表面之間的距離。h黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 8 頁由于假設上橫梁的剛度為無窮大，因此作用于缸壁處的推力 可平移至上橫梁下表1F面，而在上衡量上附加一力矩 = ，如圖所示，該力矩 只在左右立柱內引起軸1MFZhM向應力 ：2F)Yb(2eb1???(2-5)bhYhZheF1/2 F/2 F/2F1/2F1hbF/2eF1/2F1/2F1 Zh圖 2-2 液壓機機架受力圖由于軸向力在立柱內不引起彎矩，因而在求解立柱彎矩時不予考慮。根據(jù)材料力學可知，這是個三次靜布定框架問題，可用變形法或力法求解。則可得出框架中的最大軸向力與彎曲力矩分別為：=1000/4=250KN, max4F?KN143)5.02.()YZ(81 ????2.2.2 立柱尺寸的取值本次設計由比較法，參照沈陽液壓機廠 3150KN液壓機相關尺寸，立柱材料選擇為 45鋼，初步確定液壓機立柱尺寸值為： ，1930hm?150d?黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 9 頁2.2.3 立柱的強度較核(1）靜載合成應力 [3]。液壓機在偏心載荷作用下，立柱承受單純拉應力和彎曲應力聯(lián)合作用，其合成應力 為：h?(2-6)??maxaxhFMAW????式中 ——立柱所受最大軸向拉力；maxF——立柱所受最大彎矩；M——立柱的截面面積；A——立柱截面系數(shù)。W帶入數(shù)值計算得 ??97.5150hMPaPa?????所以立柱強度符合靜載合成應力要求。(2）疲勞強度校核 [4]。對于中、小型液壓機，尤其是鍛造液壓機在工作過程中，立柱長期承受不規(guī)則的脈動載荷的作用，在每次加載時，立柱都出現(xiàn)較大的應力幅值，而在卸載后，由于立柱搖擺也還有若干個較小的應力幅值。由于立柱的疲勞斷裂大部分發(fā)生在立柱根部截面變化的進度區(qū)，為此在進行強度計算時，需考慮過渡區(qū)的應力集中，即：(2-7)??0Thk???式中 為有效力集中系數(shù)：k??1tkq?式中 ——應力集中的敏感系數(shù)，對于 45鋼 值在 0.70~0.95之間；q——彈性狀態(tài)下理論應力集中系數(shù)，取值在 1.35~2.465之間。tk為許用脈動循環(huán)的疲勞極限：??0???00n????式中 ——脈動循環(huán)時的疲勞極限，對大截面 45鋼，取為 270 ；MPa——尺寸系數(shù)冊中查得；?——表面質量系數(shù)，精車表面 取值為 0.9；??——安全系數(shù)。0n代入數(shù)據(jù)計算得 ??01927TMPaPa?????黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 10 頁所以立柱強度符合疲勞強度要求。2.2.4 橫梁強度和剛度計算橫梁雖通常設計成箱形構件，且其外形高跨比較大，在進行初步設計時，仍可將橫梁簡化為簡支梁進行近似計算 [5]。(1)上橫梁相關計算上橫梁結構如圖 2-3所示，按一般經(jīng)驗公式，上橫梁鑄造箱體告訴一般取值為橫梁跨度的（0.4～0.8）倍，這里取橫梁高度 h=690mm取上橫梁鑄造箱體壁厚為 =50mm，肋a?板厚度為 m50b??：圖 2-3上橫梁機構圖上橫梁受力分析如圖 2-4 所示：b/2b/2D/2 D/2F/2 F/2 F/2 F/2圖 2-4 上橫梁受力示意圖黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 11 頁最大彎矩計算公式為：(2-8)max2FbDM?????????代入數(shù)值得 3max 105810???????Nm 根據(jù)強度條件計算時，對截面變化不大的箱形結構梁，主要計算最大彎矩處，即中心截面處強度：(2-9)??max1axMhI????式中 ——最大彎矩；maxM——計算截面慣性矩， ；I 21iIh?——計算截面的形心至最外點距離；1h——許用應力，本次設計橫梁材料選擇為 鑄鋼 。??? 2705ZG???????6071Pa??代入數(shù)值計算得 ??66max43.11MPaPa??????上橫梁的剪切應力主要由立柱承受，因此截面可近似簡化成厚度是 高度是 的矩形?h截面，其剪切應力在形心軸處最大：(2-10)??1.5Fh????式中 ——計算截面所受的剪力；F?——橫梁立板的厚度之和；?——橫梁立板的高度；h——剪切許用應力， 鑄鋼 。???2705ZG????6501Pa??代入數(shù)值計算得 68.31Ma????所以上橫梁強度符合彎應力及剪應力強度要求 [6]。(2）下橫梁 (工作臺 )的相關計算黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 12 頁下橫梁結構如圖 2-5所示，下橫梁高度取值一般為橫梁跨度的 ～ )倍，4.0(7在此取下橫梁高度為 ，下橫梁壁厚取為 50 ，肋板厚度取為 50mh590??a?m?b?：下橫梁受力分析如圖 2-6所示：m對于下橫梁彎矩計算，按均布載荷公式進行計算。(2-11)21max48qbFM??式中 1Fqb?圖 2-5 下橫梁結構圖F/2 F/2qb1b圖 2-6 下橫梁受力圖則中心截面處強度： (2-12)??max1axMhI????代入數(shù)值計算得： ??66ax50.7510PaMPa?????黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 13 頁形心處的剪切應力為： (2-13)??1.5Fh????代入數(shù)值計算得： 6637.40501MPaPa????所以下橫梁強度符合彎應力及剪應力強度要求。(3）活動橫梁（滑塊）的相關計算活動橫梁結構如圖 2-7所示，活動橫梁高度一般為箱體跨度的（0.3～0.5）倍，在此取活動橫梁箱體高度為 ，活動橫梁鑄造箱體壁厚取為 50mm，肋mh450? ?a?板厚度為 50mm：?b?圖 2-7 活動橫梁結構圖活動橫梁受力分析如圖 2-8所示：圖 2-8 活動橫梁受力圖則活動橫梁最大彎矩計算式為：(2-14)max42qFbMa?????????黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 14 頁則中心截面處強度：(2-15)??max1axMhI????代入數(shù)值計算得 66ax50510PMPa???所以下橫梁強度符合要求 [7]。2.2.5 整體框架式機身強度、剛度計算(1）受力分析上橫梁有油缸接觸面積與柱塞間距比值較大時，上橫梁可視為受兩個集中應力作用；模具與下橫梁接觸面較大，故視為在某個長度上作用一均勻分布載荷，如2F圖 2-9所示，由于機架受力情況直接影響著它的設計及生產工藝，對于本次設計的三梁四柱式液壓機機架仍采用此種受力分析模型，其受彎矩如圖 2-10所示，可通過對機架的受彎矩的分析從而推導得出液壓機機身強度、剛度情況：圖 2-9 框架受力圖框架彎矩圖為：黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 15 頁圖 2-10 框架彎矩圖(2）強度計算根據(jù)上述受力分析可知，框架仍可采用變形法或力法求解則其有關節(jié)點的彎矩值為：（2-23312128aKKFbMAAB???16）（2-23312128abB???17）（2-??114AMFb??18）（2-??228Bb??19）式中 、 ——系數(shù)，其中 ， ；1K221/3K?221???、 ——分別為均布載荷寬度和兩集中載荷的間距與支柱間距的比值；??、 ——同前。AB則框架強度為： （2-MhI?????20）代入數(shù)值計算得： ??PaPaA 66103109??B3.???????66125??6230.150PaPa?????黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 16 頁所以液壓機框架部分強度符合強度要求。3 液壓機主缸設計本章對液壓機主缸進行具體的設計計算，得出主缸的相關主要參數(shù)數(shù)值，并對數(shù)值進行校核計算，得出最終設計結構，并使設計所得液壓機主缸能夠滿足設計要求。3.1 液壓缸的主要性能參數(shù)的計算3.1.1 液壓缸的壓力值液壓缸的壓力為油液作用在單位面積上的壓力 。PpaA?壓力值的建立是有負載力產生的，在同一個活塞的有效面積上負載力越大，克服負載力所需要的壓力就越大。額定壓力（公稱壓力）P 是液壓缸能用一長期工作的壓力，N本次設計額定壓力數(shù)值為原始條件 1000KN。按主機類型選擇相、對應工作壓力，液壓機屬于高壓機械，工作壓力選擇范圍為20——30Mpa，初步定本次設計工作壓力為 25Mpa。3.1.2 活塞的運動速度活塞的運動速度為單位時間內壓力油液推動活塞移動的距離 [8]。運動速度可表示為 v= （3-QAmin1）當活塞桿伸出時 v= 32410vD????（3-2）黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 17 頁由上式可得出對于已確定的液壓缸，伸出速度 v大小取決與進液流量 Q?？筛鶕?jù)液壓機整體工作需要選擇相應的流量泵，從而控制液壓缸速度 v。同上伸出公式理，可得：當活塞桿縮回時 v= （3-32410()vQDd????3）當 Q選定為常數(shù)時 v為常數(shù)，但實際上，活塞在行程兩端各有一個加、減速階段（如下圖所示） ，故上式中計算的數(shù)值均為最高速度活塞的最高運動速度 v 受到活塞和活塞桿密封圈以及行程末端緩沖機構所能承受max的動能的限制，對于活塞運動速度的選擇，當速度過低時可能造成爬行，液壓缸不能正常工作，故 v 應大于 0.03 ，綜合液壓機應用及公稱壓力值，參照法國 MARREL和maxsCPOAC公司采用橡膠密封圈的液壓缸許用最大線速度表，初步確定 v =0.05 。maxsTiVtsSa SiTavm/s圖 3-1 活塞速度變化圖 [9]3.1.3 液壓缸的速比計算液壓缸的速比主要是為了確定活塞桿和直徑要否設置緩沖裝置，速比過大或過小，容易造成過大的背部壓或造成活塞桿太細，影響穩(wěn)定性(3-4)221vADd???黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 18 頁查表選擇 =2?3.1.4 活塞的理論推力和拉力對于雙作用單活塞桿液壓缸來說，活塞受力如圖 3-2：活塞桿伸出時的理論推力為 (3-5)62610104PApDp???=1030KN26.5活塞桿縮回時的理論推力為 (3-6)626210()104PApdp?????=260KN26(.8)54??A1D dP2 P1A2圖 3-2 活塞受力示意圖3.2 液壓缸缸筒設計液壓缸缸筒是液壓缸的主要零件，它與缸蓋、油口等零件構成密封的容腔，用以容納壓力油液，同時它還是活塞運動的“軌道” 。缸筒的設計主要為正確確定各部分尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊了力；缸筒的內表面應具有合適的配合公差等級、表面粗糙度和形位公差等級，以保證液壓缸的密封性、運動平穩(wěn)性和耐用性。黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 19 頁3.2.1 液壓缸缸筒機構及材料的選擇本次設計液壓缸缸筒機構具有構造簡單、重量較輕、外徑較小、安裝簡單等優(yōu)點；缺點是端部結構復雜、裝卸時需要專門的工具、再者就是擰端部蓋時可能把密封圈擰扭。液壓缸缸筒材料要求有足夠的強度和沖擊韌性，對焊接不見還要求有良好的焊接性能。根據(jù)液壓缸的參數(shù)、用途和毛坯來源等可選用以下材料: 等；3542,S等。目前市場上還有采用退火冷拔或熱軋的無縫鋼管，國際25,3,8GrMoroAl市場上已有內孔經(jīng)衍磨或內孔精加工，只需按所要求的長度切割無縫鋼管 [10]。其主要要求是：(1)要有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)實驗壓力而不至產生永久變形；(2）有足夠的剛度，能承受活塞側向力和安裝的反作用力而不致產生彎曲；(3）內表面與活塞密封件及導向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損少，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性。綜合以上各項要求初步確定缸筒材料選擇為 35GrMo無縫鋼管，其材料參數(shù)為：1000MPa， = =850MPa。s??[]?2s3.2.2 液壓缸缸筒的計算(1）缸筒內徑的計算液壓缸內徑通常根據(jù)液壓缸的牽引力 F和有效工作壓力 p來確定的。液壓缸的牽引力應能克服所受到的阻力?？傋枇ΠüQ壓力 ；密封裝置的摩擦力 ；回油腔因背1 2F壓作用產生的阻力 和活塞與活塞桿的重力 等，即最大牽引力3F4(3-7)1234FF???① 公稱壓力 根據(jù)本次設計給定初始條件確定為 1000KN。1② 密封裝置的摩擦力 根據(jù)所選擇密封裝置不同，按各自公式計算，本次設計中采用密2封裝置為 Y形密封圈=2F (3-fpdh?黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 20 頁8)式中 f——摩擦系數(shù)，取 f= ；210??p——密封處的工作壓力d——密封處的直徑——密封圈的有效高度1h由于計算比較繁瑣，實際應用中所采用經(jīng)驗公式進行估算，一般取 =（0.05～0.1）2FF，本次設計取 =0.1F。2F③ 回油腔背油壓力 多根據(jù)經(jīng)驗公式計算 =0.05F，但本次設計中回油腔直接通油箱，3 3F故取 =0。3④ 活塞與活塞桿的重力 本次計算中忽略不計。液壓缸有效工作壓力值由前述確定為4F25Mpa。代入原公式計算得： F 1112KN?則對于單活塞桿缸，無桿腔進油時，液壓缸內徑 D的計算式為：(3-9)??2114FdpDp???有桿腔進油時，液壓缸內徑 D的計算公式為：(3-10)??22114Fdpp????而本次設計中取回油壓力 =0，此時可簡化內徑 D的計算公式為：2p無桿腔進油時 (3-11)41.3FDp??代入數(shù)值得 285.06??黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 21 頁有桿腔進油時 (3-12)24FDdp???代入數(shù)值計算得 D 279?m最后將以上各式所求得的 D值，選擇其中最大者，圓整到標準值（見《機械設計手冊》表 19-6-3）綜合以上計算結果，圓整最大值確定 D=280 。m(2）缸筒壁厚的計算缸筒壁厚 為： (3-13)?012c???其中 ——缸筒材料強度要求的最小值，m0——為缸筒外徑公差余量，m1c——腐蝕余量， m2關于 的值，按下列情況分別進行計算：當 /D 0.08時，用薄壁缸筒的實用計0? ??算公式： m (3-ax02[]pD?14)當 /D=0.08 0.3時，可用實用公式 m (3-15)?:ax02.3[]p???當 /D 0.3時： (3-16)? ax0m.4(1)[]Dp?(3-17)0ax()2[]3????綜合以上計算，查相關數(shù)據(jù)表，初步確定 =60 。計算 /D=0.125 0.08，所以采用公式為：??(3-18)max02.3[]pD???而式中 為缸筒內最高工作壓力，通maxp常取 =1.5p=1.5 25=37.5Mpaax?黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 22 頁——缸筒材料許用應力， = = =200 Mpa[]?[]?Bn105代入上式得 m475.320.870????所取圓整值 D=60 47，符合強度要求。?(3）缸筒底部厚度計算缸筒低部為平面時，其厚度 可以按照四周嵌住的圓盤強度公式進行近似計算： ?0.43[]p??代入數(shù)值計算得： ≈ 86?7.5?m由于液壓缸底部需要連接油口等部件，有時還需要焊接等加工，本次設計中液壓缸底部需固定充液箱，所以缸筒底部應取足夠厚度值才能達到以上要求。初步確定缸筒底部厚度 δ=60mm 。3.2.3 液壓缸缸筒部分較核(1)液壓缸缸筒壁厚的較核本次設計中液壓缸缸筒壁厚與缸筒內徑比值較小，采用薄壁缸筒進行較核計算。根據(jù)規(guī)定，在計算中對液壓缸壁厚應加 1 ，則821EN?m(3-19)02.372NPDe?????185.1?而實際中壁厚為 60 ，所以壁厚符合 規(guī)定要求。m2EN?(2)液壓缸底部厚度較核本次設計液壓缸底部為平底結構，根據(jù) 規(guī)定，較核如下：81(3-20)002.37.4NPhde????