8000KN四柱式通用液壓機結構設計與機身有限元分析報告

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1、. . 8000KN四柱式通用液壓機結構設計及機身有限元分析 第1章 緒論 1.1 課題背景目的和意義 當大眾的生活水平越來越高的時候,金屬壓制和拉深制品的需求量也會同時增加；同樣,人們對生產產品類型的需求也會增長,于是就導致產品的生產批次越來越少,為了能夠與中、小批量的生產模式相匹配,人們就會需要能夠快速適應改變的加工設備,這就讓液壓機變成了合適的成型生產加工機器。壓力機其實能夠利用液壓能來傳遞能量,以此來完成各種各樣的壓力加工工藝的機器,尤其是當液壓機系統(tǒng)具有能夠完成擁有對壓力、行程速

2、度調整的機能之后,這就使得液壓機不止可以完成復雜的產品和不完全對稱工件的加工,并且同時也達到特別低的廢品產生率。由于液壓機擁有靈活的動力、所需要的加工時間十分的短、可以依據(jù)工件的長度進行壓力調節(jié)等優(yōu)點,這使得壓力機在國民的生產生活中的應用越來越多。 通過此次的畢業(yè)設計,我了解到了壓力機的機身構造與液壓機的工作原理,并且掌握利用UG軟件完成液壓機的有限元分析,在液壓機機身的有限元分析過程中,我也大致了解到了液壓機各個部分受到的應力大小和位移大小。 1.2 液壓機的發(fā)展概況 1.2.1 液壓機在現(xiàn)代工業(yè)中的地位 液壓機是在十九世紀被發(fā)明出來,自從壓力機被發(fā)明出來以后,它的發(fā)展非常得迅猛。因

3、為液壓機在生產生活中具有普遍的適用性,這就使得液壓機在國民生活中得到了非常多的使用。比如有板材成型；管、線、型材擠壓；膠合板壓制、打包；輪軸壓裝、校直等等。不同樣式的液壓機快速出現(xiàn),極大地推動了不同種工業(yè)的進步。到了八十年代之后,當微電子技術、液壓系統(tǒng)設計得到進步和使用,液壓機的進步更加迅速。到現(xiàn)在為止,世界上液壓機最大的公稱力已經(jīng)高達750MN［2］,這臺液壓機主要是用來進行有色金屬的模鍛。 52 / 53 隨著液壓機的發(fā)展,液壓機的控制部分,很多液壓機已經(jīng)使用了CNC或者工業(yè)計算機機來實現(xiàn)控制功能,這使得產品的質量以及生產效率得到了巨大的改善?，F(xiàn)在,液壓機已經(jīng)變成了現(xiàn)代工業(yè)生產中至

4、關重要的、材料成型中使用最廣泛的產品之一。 　　壓力機擁有特別多杰出的特點,所以它的使用十分地多,比如在普通工業(yè)中使用的塑料成型機械和機床等；以及行走工業(yè)機械中的工程機械和農林機械；煉鋼行業(yè)中會使用冶金機械,提升裝置等；水利土木工程機械中使用的閘門及堤壩加固設備、河床升降設備、橋梁操縱設備等等；發(fā)電廠使用的渦輪機調整轉速設備、發(fā)電設備等；船上使用的起重設備、船頭門、船尾推進設備等等；特殊技術使用的超大型天線操縱設備、測量設備、升降舞臺等等。 1.2.2 我國液壓機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我們國家的液壓機發(fā)展歷程只有短短的五十年時間,新中國成立之前,我們國家是半殖民地半封建國家,受到了外國資本主

5、義國家的壓迫,根本沒有發(fā)展自己的獨立工業(yè),液壓機的生產技術毫無,當時中國國內僅僅有少量的用來維修使用的液壓機。新中國成立以后,前三年是經(jīng)濟恢復階段,自1952年起,我國實行了第一個五年計劃,我國迅速發(fā)展起屬于中國自己的完備的工業(yè)體系,可以漸漸實現(xiàn)自己研發(fā)和生產汽車、機車、輪船、發(fā)電設備、飛機、火箭以及精密的宇航儀器儀表。 1957年到1958年我們國家著手自己研發(fā),自己制造第一代28000KN的鍛造水壓機。在此期間,拿市來說,在解放之前北平僅僅是一個消費城市,并沒有屬于自己的制造業(yè)。為了完全結束類似的情況,1957年,在市委工業(yè)部與機械局的領導的幫助下,進行了大協(xié)作的方式從而發(fā)明出一大批重要

6、的制造設備,在這當中就包括一臺28000KN鍛造水壓機。 而到了二十世紀六十年代的中期和后期,我國又完成新一批技術更加高端的大型液壓機,在這些壓力機當中有300MN有色金屬模鍛壓力機、120MN有色金屬擠壓壓力機和80MN黑色金屬模鍛水力壓力機等等。 二十世紀七十年代之后,已經(jīng)能夠開始向國外出口各種類型的鍛造壓力機,其中包括一臺60MN鍛造壓力機。 2007～20XX間,我國建造并投產的新型自由鍛造水壓機有60、70、140、150、165MN。 到目前為止,我國不僅僅建立起了自己的壓力機設計和制造行業(yè),并且也已經(jīng)達到了現(xiàn)在世界上比較高的水平。 目前,各類液壓機的發(fā)展趨勢如下： <

7、1>高精度 <2>液壓系統(tǒng)的集成化與精密化 <3>數(shù)控化、自動化與網(wǎng)絡化 <4>柔韌化 <5>高生產率與高效率 <6>環(huán)境保護與人身安全保護 <7>成線化與成套化 1.2.3 國外液壓機的發(fā)展狀況 1795年,約瑟夫?布拉曼利用水當作媒介,制造出水壓機,把流體傳動技術使用到工業(yè)體系中,這就使世界上的第一臺水壓機發(fā)明出來。1905年他又把工作媒介變成了油,這使得壓力機又得到改進。 到了第一次世界大戰(zhàn)之后液壓機技術又獲得了廣泛的使用,尤其在1920年以后,液壓機的發(fā)展更加地快速。而液壓元器件大約在十九世紀末到二十世紀初的二十年間才得到發(fā)展與生產。1910年尼斯克在液力傳動<液力聯(lián)

8、軸節(jié)、液力變矩器等>方面做出的貢獻,使這兩個方面都獲得了巨大的進步。 而在二戰(zhàn)時期,美國的機床大約有三分之一都使用液壓傳動技術。值得注意的是,日本的液壓技術進展比歐美國家晚了大約二十年。在 1955 年左右 , 日本的液壓技術得到了巨大的進展,到了1956 年,日本創(chuàng)建"液壓工業(yè)會"。近二十到三十年間,日本的液壓技術進步迅速,現(xiàn)在已經(jīng)處在世界先進行列。 1.2.4 液壓機的總體發(fā)展趨勢 <1>減少能耗,充分利用能量 <2>主動維護 <3>機電一體化 1.3 液壓機的工作原理和結構特點 1.3.1 液壓機的工作原理 液壓機是利用帕斯卡原理所制造的,它的工作原理,如圖1-1所示

9、。當在小柱塞1上作用一個力F1時,那么得到液體的壓力為P0=F1/A1, 由帕斯卡原理得,在密封容器中,液體的壓力在各個方向上是同樣的,于是得: F2=F1×A2/A1 <1-1> 圖1-1液壓機原理圖 壓力機通常是由操縱系統(tǒng)、本體及泵站所構成。通常見到的最多的液壓機的主機由上下橫梁所構成的,用四個立柱和螺母一起組成一個閉合的框,用來承擔所有的工作負載。將工作缸在上橫梁上固定,讓工作缸缸內的活塞和活動橫梁連接在一起,在高壓的液體到達工作缸的內部之后,在工作柱塞之上會出現(xiàn)較大的動力,并且推進活塞和活動橫梁

10、,加上上模做向下運動,從而使工件位于上下模之間成型。在需要回程時,工作缸會被通入低壓油,從而使高壓油進入回程缸,以此來推動活塞向上運動并且?guī)踊顒訖M梁,使活動橫梁回到之前的位置,這就是一個動作循環(huán)[2]。 1.3.2 液壓機的特點 液壓機是一種通過利用液壓來進行壓力制造的裝置,我這次所設計的四柱式液壓機是液壓機最多的結構之一,它的最明顯的優(yōu)點就是工作空間較大,人們在操作過程中可以四面觀察并且接近模具,而且四柱式液壓機具有整體結構簡單,工藝性能良好等諸多優(yōu)點。與此同時構成液壓機的液壓元器件現(xiàn)在已高度的通用和標準,于是便使得液壓機的設計和生產都較為方便[2]。 1.4 液壓機的分類 <1

11、>按用途分類 手動液壓機:手動液壓機一般是小型的液壓機,通常適用于壓制、壓裝工藝。 鍛造液壓機:主要適用在鋼錠開坯、自由鍛以及有色金屬的模鍛。 沖壓液壓機：這種液壓機通常用來進行各種板材的沖壓。 校正壓裝液壓機：這種液壓機通常適用于零件的校形和裝配。 層壓液壓機：這種液壓機通常適用于膠合板、纖維板、絕緣材料板等的壓制。 擠壓液壓機：這種液壓機主要適用于壓制各種有色金屬和黑色金屬的線材。 壓制液壓機：這種液壓機通常適用于粉末冶金制品的成型、塑料制品的壓制成型等。 打包、壓塊液壓機：該液壓機通常用來將金屬屑等壓制成型等。 <2>按動作方式分類 上壓式液壓機 下壓式液壓機 雙動液

12、壓機 特種液壓機 <3>按傳動形式分類 泵直接傳動液壓機 泵—蓄能器傳動液壓機 <4>按操縱方式分類 手動液壓機 全自動液壓機 半自動液壓機 1.5 液壓機原理圖 圖1-2液壓控制原理系統(tǒng)圖 1.主油箱 2.電動機 3.軸向柱塞泵 4.順序閥5.溢流閥 6．三位四通電磁換向閥 7. 二位四通電磁換向閥8.壓力繼電器9. 單向閥10.壓力表 11.補油箱12.工作缸13.背壓閥14.液控單向閥 15.行程開關16.頂出缸17.節(jié)流閥 圖1-2是液壓系統(tǒng)的原理圖,在液壓機工作的時候,電磁換向閥6得電,壓力油被油泵3打出, 通過順序閥4,進

13、入到電磁換向閥6的右位,之后經(jīng)由單向閥9 ,從而到達上缸12的上腔。同一時刻,通過電磁換向閥7的補充油到達油缸的上腔?；赜陀晒ぷ鞲紫虑唤?jīng)由背壓閥13和液控單向閥14 ,經(jīng)過電液換向閥7,回油箱。 在這同一時刻,工作缸會由于自身的重力,加速向下運行,這就會讓工作缸的上腔瞬間變成真空,于是補油箱中的油就會自動地經(jīng)由液控單向閥 ,在真空的作用下進入到工作缸的上腔,從而讓真空帶消失,使上缸繼續(xù)快速下行。 在工作缸帶著上模和下模完成合模之后,這就會使得壓力油不間斷地進入到上油缸的上腔,所以油缸的上方壓力就會發(fā)生變高現(xiàn)象,因為工作缸中油的壓力的增高,位于補油箱的液控單向閥就會被關閉,從而斷開了補油箱中

14、的供油,使得工作缸12向下運動的速度變慢。工作缸上腔的壓力會繼續(xù)上升,只有工作缸中的壓力高于壓力繼電器10的設定值的時候,壓力繼電器就會產生信號,從而使電液換向閥6的中位進入工作狀態(tài),從而斷開油缸12上腔的液壓油來源, 于是工作缸就會暫停工作,系統(tǒng)進入到保壓階段,保壓設定的時長是40秒。 當保壓階段完成之后, 使得電磁換向閥6的左位開始工作, 從油泵3產生出來的壓力油,就會通過順序閥4,到達電磁換向閥6的左位,再通過液控單向閥14 和背壓閥13 ,到達工作缸12 的下腔,使油缸作向上的運動,同一時刻電磁換向閥7的左位開始工作,使油箱中補油加快回程的速度。 油缸12上腔的回油流過液控單向閥 ,

15、最后到達補油箱11 。這會使工作缸能夠迅速地回到原來的位子。 當電磁換向閥6的中位和電磁換向閥的右位連通的時候,泵3就會打出液壓油,會經(jīng)由電磁換向閥的左位,到達下缸16的下腔,回油由下缸16的上腔通過電磁換向閥的左位,流進油箱,使得下缸作向上的運動從而使工件能被頂出。 當工件被拿出之后, 電磁換向閥的右位就會被接通,使壓力油到達頂出缸16的上腔,頂出缸下腔的油經(jīng)閥的右位流回油箱, 使下缸作向下的運動,讓下缸回到開始的位置。 閥13在保壓時候可以避免上油缸12的上腔液壓油回流,行程開關 15 的作用是保證上、下缸的極限位置在安全位置,壓力表的作用是顯示上、下油缸和整個液壓系統(tǒng)的壓力。 1

16、.6 本章小結 本章主要介紹一下液壓機的發(fā)展概況、工作原理以及分類。并且介紹了我設計的液壓機的工作原理。通過這一章我主要了解到液壓機的一些相關知識,這讓我對液壓機的一些大體知識有了一定的了解并且充分的了解到了我的液壓機的工作原理以及知道了我所設計的液壓機有哪些零件組成。 第2章 液壓機的本體結構的設計 2.1 液壓機的結構特點及設計參數(shù) 2.1.1 液壓機本體結構特點 這次我所設計的液壓機是四柱式通用液壓機,這種液壓機是液壓機中出現(xiàn)最多、使用最多的一種液壓機。四柱式液壓機的顯著特點是它的加工工藝比別的種類的液壓機更加簡單。圖2-1是立式單缸四柱式液壓機的最常見的結構。它的

17、機身由上橫梁、工作臺和立柱組成。工作缸安裝在上橫梁內?；顒訖M梁和工作缸的活塞被連接在一起,在立柱的導向方向上上下運動,并且可以傳導工作缸內的液壓力,從而完成工件的制造過程。因為液壓機的機身是一個整體,所以機身會承擔所有的工作力量。 圖2-1 四柱液壓機的典型結構 2.1.2 液壓機的設計參數(shù) 〔1〕公稱力 8000 kN； 〔7〕液體工作壓力 25 MPa; 〔2〕滑塊行程 900 mm； 〔8〕滑塊快降速度 >150mm/s; 〔3〕滑塊開口高度 140

18、0 mm； 〔9〕頂出力 2000kN； 〔4〕滑塊工作速度 5-10 mm /s ； 〔10〕頂出行程 350mm； 〔5〕工作臺尺寸 3200×2200mm; 〔11〕滑塊回程速度 100mm/s; <6>頂出速度 30mm/s; <12>退回速度 70mm/s; 2.2 上橫梁結構的設計 2.2.1 結構形式 液壓機的上橫梁位于立柱上方,通常將液壓缸裝于上面,并且承擔工作缸給它的反作用力,上橫梁的結構形式主要有：鑄造和焊接兩種形式。由于本液壓機為批量生產,故采用鑄造的方法制

19、造。設計形式為：高度初設為0.4～0.8倍中心距,材料為HT200；由于油缸孔的削弱,在采用鑄造結構時,設計成等強度梁結構,即中部高度增加,以抵消油缸孔對斷面的消弱作用。上橫梁的結構設計為上、下兩個封閉的箱體結構,這會使得其受力后應力分布更加合理,它的結構如圖2-2所示。 圖2-2上橫梁結構圖 2.2.2 形狀尺寸要求 上橫梁和立柱相連接,從而形成機身的上半部,并且上橫梁的可以用來安裝工作缸,所以對它的形狀尺寸有以下的要求： <1>主油缸之中的孔的軸線與油缸臺肩貼合平面的不垂直度允許誤差0.06/1000 mm； <2>調節(jié)螺母的接觸平面和油缸臺肩貼合平面的不平行度允許誤差0.0

20、5/1000 mm； <3>鎖緊螺母的接觸面與調節(jié)螺母的接觸面〔立柱穿過孔的上平面與下平面〕間的不平行度0.06/1000 mm； <4>油缸鎖緊螺母平面與油缸臺肩貼合平面間的不平行度允許的誤差0.12/1000 mm； <5>油缸外圓配合公差為D4/dc4或者比次級高； <6>立柱孔的尺寸通常比立柱進入處的直徑大1～2 mm。 2.2.3 上橫梁與工作缸的聯(lián)接方式 上橫梁與工作缸采用圓螺母聯(lián)接固定,圖2-3。 圖2-3用圓螺母固定的結構 在工作缸增加壓力之后,油缸臺肩會將反作用力作用于橫梁,而連接件不會受到反作用力,只可能在工作缸處在工作狀態(tài)的時候,回程的力才會作用于連接

21、作用零件上。故聯(lián)接零件只需符合回程力的要求就可以了。 2.3 工作臺結構的設計 2.3.1 結構形式 工作臺是主機的安裝基礎。在工作臺的臺面上會安裝有模具,在工作過程中工作臺會承擔自身的重量以及所有負載。也可以在工作臺上安頂出缸,回程缸以及其它的裝置。工作臺的結構形式主要有：鑄造和焊接兩種。由于本液壓機為批量生產,故采用鑄造的方法制造。 <1>外形尺寸〔A×B×H〕：3200×2200×800㎜； <2>材料選用HT200,通過鑄造制成。 圖2-4工作臺結構圖 2.3.2 加工技術要求 <1>為了能夠節(jié)省工作臺使用金屬和減輕自身的重量,通常將工作臺做成箱形,將安裝液壓缸、活

22、塞與立柱處做成圓筒狀,在工作臺的中間位置布置肋板,受力較高的部位肋板應該加的更多,用來提高工作臺的剛度,降低其受到的應力； <2>合理的筋板分布位置,能夠讓橫梁的自重更輕,也能夠擁有較好的強度和較為均勻的剛度； <3>設計橫梁的時候,應當讓工作臺的各處厚度沒有太大的突變,從而可以避免因為冷卻不均勻產生的內應力,在各個連接的過渡區(qū)應該擁有較大的圓角,如圖2-4的結構所示。 2.3.3 工作臺與頂出缸的固聯(lián)結構 對于中小型通用壓力機來說,一般的頂出力并不大。常采用的結構如圖2-5所示。工作臺1,頂出缸2,螺母3,頂出缸結構采用活塞式。因為此結構簡單,安裝方便,故采用它。 圖2-5工作

23、臺和頂出缸的固連結構 2.3.4 固定模具的結構 為了能夠使模具在工作臺上固定,通常在工作臺面上開有T型槽。 工作臺的T型槽的個數(shù)和尺寸通常是依據(jù)壓力機的回程噸位和頂出工件的最大重量來進行設計的。通常來說尺寸比較小的工作臺,T型槽采用的是交叉布置方式。而尺寸大的工作臺的T型槽,通常采用的是平行布置的方式。因為我設計的工作臺的尺寸比較大,所以T型槽設計成平行布置的方式〔圖2-6〕 圖2-6 T型槽布置圖 2.4 立柱 立柱它是四柱液壓機的重要組件,通常的用途為受力和支撐。同時它也能夠讓活動橫梁擁有豎直方向上的導向。所以,立柱應該擁有充足的強度與剛度,而

24、立柱的導向表面應該擁有良好的精度、光滑度和一定的硬度。 常用結構形式有四種如圖2-7所示： （1） 兩梁全部使用立柱的臺肩支承,上下處使用鎖緊螺母來鎖緊。 （2） 兩梁都使用調節(jié)螺母支承,用鎖緊螺母上下鎖緊。 （3） 上梁利用的是立柱的臺肩支承,調節(jié)使用的螺母安裝在工作臺面上,兩端用鎖緊螺母鎖緊。 （4） 上橫梁利用立柱臺的調節(jié)螺母來支承,立柱肩支在承載工作臺面上,兩端利用鎖緊螺母固定好。 2.4.1 結構形式 圖2-7立柱結構形式 通常選取立柱的構造時,應當考慮立柱和上橫梁、工作臺應該利用預緊來使安裝更加便捷并且在調整精度時應該簡單。故我們選擇結構型式如圖2—7〔d〕所示

25、。上橫梁利用的是立柱臺調整螺母支撐住立柱臺肩支撐在工作臺面上,兩端再利用鎖緊螺母固定。 2.4.2 形狀尺寸要求 <1>立柱導向面粗糙度為Ra0.63～Ra1.25； <2>立柱導向面的錐度和橢圓度不能夠超過公差的二分之一； <3>立柱導向曲面的軸線直線度允許誤差不能夠高于0.05/1000 mm； <4>毛坯應當正火處理,從而去除掉鍛造中產生的內部應力； <5>立柱導向面在允許的條件下應該熱處理,立柱導向面的硬度不能夠低于HRc45,或者進行立柱表面鍍鉻處理,鍍層的厚度大約為0.02～0.04 mm。 2.5 充液閥 2.5.1 充液閥工作原理 充液閥的作用有兩個,如圖

26、2-8。 1.由于活動橫梁因為自身重量向下運動時,油缸的上腔會出現(xiàn)真空,所以會使充液閥打開,油箱中的油會經(jīng)過充液閥進入到油缸的上腔； 2.活動橫梁處在回程過程中的時候,會使油缸上腔中的油經(jīng)過充液閥迅速進入到油箱。 圖2-8 充液閥原理圖 2.5.2 充液閥的結構形式 充液閥其實也是一種可控單向閥,液壓機為了能夠提高生產率或者在熱壓成型時候減少工件的溫降,通常需要有比較迅速的空程速度和回程速度,這個速度通常要比壓制速度大幾十倍。在不增加輔助油泵的條件下,同時使功率損耗降低,利用充液系統(tǒng)這種方法比較有效。 按照液壓機的工作原理進行劃分,充液閥分為常開式和常閉式。因為我這次設計的

27、液壓機屬于中小型液壓,所以采用的是常閉式結構〔圖2-9〕。 特點：常閉式充液閥是常閉的,它可以自動開啟,它的閥直徑很大,常閉式充液閥采用的結構為上彈簧結構,具有質量小,慣性小,動作靈活并且可靠的特點。通常將這種充液閥安裝于缸底,并且它會完全浸入到箱體的液壓油之中。 圖2-9 立式充液閥結構 2.6 工作缸 2.6.1 結構形式 壓力機主要執(zhí)行工作部件是工作缸,工作缸通常作往返運動,并且能夠把高壓液體的壓力能轉變?yōu)樽尮ぜ巫兓虺尚偷臋C械功。 液壓缸的形式通常有三種,我這次設計的液壓機采用的是活塞式的液壓缸,這是因為活塞式的液壓缸能夠完成兩個方向的作用,活塞式液壓缸不僅能夠實現(xiàn)

28、工作進程,而且也能夠完成回程,所以可以讓液壓機的結構形式變簡單,從而讓液壓機的構造更加緊湊,零件的數(shù)量更少,需要的布置空間更小。由于本液壓機為8000KN,故液壓缸缸體材料選用35。油缸缸底可用鍛造方法制造,缸底為平底結構,缸底設回程緩沖,如圖2-10所示。 圖2-10活塞式液壓缸 油缸的設計參數(shù)： <1>油剛內直徑:φ600 mm <3>活塞行程: 900 mm <2>活塞桿直徑:φ450mm 〔4>液體工作壓力: 25 Mpa 加工技術要求 <1>保證油缸內圓柱面與前端環(huán)面垂直,垂直度應小于0.03mm； <2>前端面用環(huán)形件安裝,其肩

29、面的兩個成壓平面要相互平行,其平形度應小于0.03mm； <3> 保證裝配后,用壓力0.3MPa的液壓油試驗,應能克服阻力作往復運動。它的運動方向應該和油缸的軸線相平行、和油缸的前法蘭的安裝肩面和活塞桿頂端面垂直,垂直度應當小于0.03mm。 2.6.2 設計尺寸 主壓力： P=0.785D2P<105Pa> <2-1> 回程壓力： P=0.785P<105Pa> <2-2> 式中： D—油缸外徑,D =67cm； D—油

30、缸內經(jīng),D =50cm； d—活塞桿直徑,d =45cm； P—液體工作壓力,P =25 MPa。 根據(jù)結構尺寸得實際工作壓力： P=0.785×502×250=4906250 N P=0.785×<502-452>×250=32187.5N。 2.7 活動橫梁結構的設計 2.7.1 結構形式 <1>外形尺寸〔A×B×H〕：2000×1500×800㎜； <2>材料選用HT200,通過鑄造制成,如圖2-11所示。 圖2-11活動橫梁結構圖 2.7.2 加工技術要求 <1> 為了能夠節(jié)省金屬并且減小自身的重量,把活動橫梁設計成箱體,把裝配的各式缸、活塞以及立柱處設計為圓

31、筒形,在中間部位分布肋板,并且在承重大的地方布置的筋板更加的密集,這樣可以加強活動橫梁的剛度,降低活動橫梁的局部應力； <2> 合理地分布活動橫梁內部的肋板,能夠讓橫梁的自身重量更輕,同時也有較強的強度和合適的剛度； <3> 在設計橫梁的時候,需要留意的是讓各部分的厚度沒有突變,這樣可以防止冷卻不均造成的內應力,在聯(lián)接的過渡部分應該有較大的圓角,如圖2—11所示。 <4> 活動橫梁和柱塞連接地方,開著環(huán)形的集油槽,從而可以貯存油缸缸口部漏出的液壓油。 2.7.3 形狀和尺寸要求 <1> 聯(lián)接活塞桿的孔的軸線應該和四立柱的孔軸線互相平行,它的平行度≤0.1/1000mm； <2> 活

32、動橫梁下平面的直線度,按1293-73的標準公差≤0.05/1000mm； <3> 連接活塞桿的孔軸線和四立柱的孔軸線與下平面之間的垂直度允許誤差≤0.06～0.10/1000mm； <4> 下平面與上平面之間的平行度允許誤差≤0.06/1000mm； <5> 四立柱的孔與導套外圓之間的配合度公差為D3/gd。中心孔和活塞桿的外圓之間的配合精度通常是D4/dc。 2.8 本章小結 本章主要對液壓機的本體結構進行了詳細的設計,其中包括上橫梁、工作臺、立柱、活動橫梁、充液閥和工作缸等的設計。設計包括結構設計、形狀和尺寸設計。最后對液壓機的各部件的結構有了較為準確的數(shù)據(jù)。

33、第3章 液壓機的強度與剛度計算 3.1 工作缸的強度計算 3.1.1 缸體的強度計算 1．缸體的中段強度計算 油缸筒部的強度的分析如圖3-1所示。 圖3-1 工作缸筒部受力狀態(tài) 由第四強度理論知 = <3-1> 式中：　 —作用在缸筒內任一點K處的切應力,且有 ＝ 式中：　 —作用在缸筒內任一點K處的徑向應力,且有 ＝ 式中：　　—作用于缸筒的軸向應力,且有 ＝ 式中：　　r1—工作缸內半徑； r2—工作缸外半徑； r—所求應力點位置的半徑； p—油缸最大工作壓力。 當r=r1時： ＝－Ｐ；＝；＝ 即油缸筒內壁的合成力達到了

34、最大值。將此處的σr、σt、σz分別代入式〔3-1〕中,可得油缸筒部內壁的合成應力為： ＝ <3-2> 所設計的油缸結構尺寸參數(shù)和油缸最大工作壓力分別為： r1=50 cm；r2=74 cm；pmax=25 Mpa,代入式〔3-2〕計算得： ＝ =79.68×<105Pa> 2. 缸體的支承臺肩處強度計算 〔1〕支承臺肩處擠壓應力：支承臺肩結構如圖3—2 = <3-3> 式中： P—主壓力,P=496025<×105Pa>； D2—缸體支承臺肩處外徑,D2＝74cm； D3—缸體支承臺肩階梯處外徑,D3＝69； S—倒角

35、尺寸,S＝0.2cm —許用擠壓應力,1200×105Pa。 ∴= =1040.6<×105Pa> 〔2〕支承臺肩斷面強度計算：從圖3-2可知,臺肩處斷面上的合成應力應該是彎曲應力和拉伸應力的和。即: =<105Pa> <3-4> 式中： P—主壓力,P=4960250N； D2—缸體支承臺肩處外徑,D2＝60cm； D3—缸體支承臺肩階梯處外徑,D3＝69cm。 Ma=T <3-5> 式中： T===26042N/cm； h=20cm,h==4.5cm； =

36、 <3-6> 式中： —材料泊松比系數(shù),鋼=0.3、鑄鐵=0.25。 得： ==0.111 代入求Ma式內： Ma=2604.2 =40321N·cm ∴= =550×<105Pa> 圖3-2缸體支承臺肩處尺寸 3. 缸底的強度計算 本工作缸由鍛造方法制造,其缸底結構為平底缸,側邊開有進油口,按圓形平板彎曲計算如圖3-3。 =1000×<105Pa> <3-7> 式中 P—油缸最大工作壓力,P=250； Ｄ—工作缸內直徑,Ｄ＝50cm； B—缸底厚度,B＝12.5cm；

37、 —系數(shù),與進油孔有關,取為0.7～0.8。 代入上式得：　　　　　=＝937.51×<105Pa> 圖3-3平底缸的結構簡圖 3.1.2 缸口部分的強度計算 1. 作用在缸口導部分零件強度的計算 P1=0.785 <3-8> 公式當中的符號如圖3-4所示, D1=60cm,d=45cm ∴P1=0.785=1910348.7N。 圖3-4 缸口結構簡圖 2．螺栓強度計算 螺栓選用16個M36雙頭螺栓,材料為45,M36螺紋內徑d內=31.2cm。螺栓應力為：

38、 = <3-9> 式中： n—螺栓數(shù)目,n=16個； F1—螺栓面積〔cm2〕,F1=0.78531.22=7.64 cm2 —許用拉伸應力,1200×<105Pa>。 ∴==1140.9×<105Pa> 3. 缸口導套處的擠壓強度計算 缸口導套材料為HT200,導套擠壓應力為： ==1000×<105Pa> <3-10> 式中符號見圖3-4所示,尺寸為D1=60cm,D2=53cm 代入上式得： ==214.61×<105Pa> 3.1.3 活塞部分的強度計算 1. 活塞桿低強度計算 活

39、塞桿的材料是45,活塞直徑是20cm,長度50cm,長度與直徑比值大約是2.5,在加壓過程中活塞反受壓面積較大,故其擠壓及穩(wěn)定性可略去不計。 2. 活塞頭部導向套計算 導套材料為HT200,活塞頭部結構見圖3-5所示,導套及壓應力為： = <3-11> 式中符號見圖3—5,尺寸為d=45cm,D=50cm,s=0.2cm,s2=0.3cm,d1=37cm—許用擠壓應力,=1000×<105Pa>。 代入式中得： ==478.9<×105Pa> 圖3-5 活塞頭部結構見圖 3. 活塞桿與活動橫梁斷面之間的擠壓應力計算 活動橫梁材料選用45,許用擠壓應力=

40、1000 kgf/cm2。 = <3-12> 式中符號見圖3-6所示,尺寸為d=45cm,d4=20cm,s=0.2cm,s4=0.2cm. 代入上式得： ==397.33×<105Pa> 圖3-6 活塞與活動橫梁連接圖 3.2 上橫梁結構的強度與剛度計算 3.2.1 受力分析 上橫梁用來裝配工作缸,液壓機在加壓時候,上橫梁會受到它的反作用力,在計算上橫梁的強度時,可以把上橫梁假定是放在兩個支點上受兩集中力、兩端支撐的彎曲梁。如圖3-7所示。 圖3-7上橫梁受力圖 其中：　　P—公稱壓力,P＝8000KN； D—油缸臺肩尺寸,D =74cm；

41、 B—立柱中心距,B =160cm。 在主截面〔Ⅰ—Ⅰ〕所受彎矩： M== <3-13> =137375000N·cm Ⅰ—Ⅰ截面剪應力： Q==4000000N 3.2.2 主截面〔Ⅰ—Ⅰ〕強度計算 因為梁的中間截面處彎矩是最大的,截面也較薄弱,最大彎矩位于梁的中點處,所以主要需要校核中間截面處的強度,該梁的截面處形狀與尺寸如圖3-8所示。 圖3-8 上橫梁等量簡化截面 在計算中間截面的慣性矩時,需要將等效截面分割成若干個小塊矩形面積,此次設計的上橫梁分成五塊,先算出W—W軸的慣性矩Jw。 Jw=<

42、3-14> 式中： Joi—各個矩形對自己形心軸的慣性矩, 　 Joi=<3-15> 式中： bｉ—每塊矩形面積的寬度〔cm〕； hｉ—每塊矩形面積的高度〔cm〕； Sｉ—每塊矩形面積對W—W軸的靜面矩〔cm3〕； Sｉ＝Aｉaｉ Aｉ—每塊矩形的面積〔cm2〕； aｉ—各個矩形面積的形心與W—W軸之間的距離h 表3-1 上橫梁截面慣性矩計算表 h１=<3-16> 截面對形心軸的慣性矩是： Jｚ= Jw－<3-17> 序號 截面 寬度

43、 截面 高度 截面 面積 截面 形心 至x 軸的 距離 截面對 x軸的 靜力距 靜力距與 面積形心 至x軸距 離的乘積 各截面 積的慣 性矩 1 14 2 28 79 2200 173800 9.333 2 17 8 136 74 10060 744400 725.333 3 14 40 560 50 28000 1400000 74666.67 4 20 10 200 25 5000 125000 1666.67 5 14 20 280

44、 10 2800 28000 9333.33 總計 80 1204 48060 2471200 86401.33 H Jw=＝0.8640133×106+2.4712×106 ＝3.335213×106cm h１===39.2cm 　h２= h－h(huán)１=40cm <3-18> Jｚ= Jw－=3.33513×106－182×1024 =3.003437×106cm 受壓截面上彎曲應力： ===182.957×<105Pa> <3-

45、19> 在受拉截面上彎曲應力： ===182.957×<105Pa> <3-20> 均小于鑄鋼橫梁許用應力。 3.2.3 主截面〔Ⅱ—Ⅱ〕強度計算 由上橫梁的受力情況可知,上橫梁受到的彎矩與剪切而產生的撓度是： f彎=<3-21> f剪=1.2×<3-22> 式中： P—公稱噸位〔kgf〕,P=8000N； D—油缸臺肩尺寸〔cm〕,D =74cm； B—立柱中心距〔cm〕,B =160cm； J—上橫梁主截面的慣性矩〔cm4〕,J=3003437 cm4； F1—受剪主立

46、板面積〔cm2〕,F1=40×15=1120 cm2； E—材料彈性模數(shù)〔×105Pa〕,E =1.05×1011 Pa； G—剪切彈性模數(shù)〔×105Pa〕,G =6×1010 Pa。 代入上式得： f彎= =0.01253cm f剪=1.2×=0.02472 上橫梁在公稱壓力下總變形量f： f = f彎+ f剪==<0.192～0.32> <3-23> 故上橫梁剛度符合要求。 3.3 本章小結 本章主要是對液壓機的工作缸與上橫梁完成了強度與剛度的計算。其中對工作缸進行了缸體、缸口以及活塞部分的強度計算。對上橫梁的危險截面進行了強度與剛度校核。通過計算,最終發(fā)現(xiàn)

47、液壓機的強度和剛度基本符合要求。 第4章 液壓機機身有限元分析 4.1 有限元分析簡介 4.1.1 有限元分析原理 有限元分析它是利用比較簡單的模型來替換復雜模型最后進行求解。它會將每一個元素都假設為合理的相似解,之后進行求解這個域最終的滿足條件,這樣就能夠得到最終的解答。當然最終的解答并非精確解,而是一個相似解,但是這個相似解卻可以幫助我們解答實際的問題。并且可以符合各種各樣的復雜形狀。 4.1.2 有限元分析軟件介紹 ANSYS軟件是發(fā)展比較早的一款軟件,同時也是運用最多最廣的一款軟件.目前公司收購了很多其他軟件。ABAQUS軟件主要是用在結構分析而沒有流體分析方面。M

48、SC軟件比較老而且現(xiàn)在的更新速度緩慢,無法適應現(xiàn)在迅速發(fā)展的社會。ADINA軟件同時擁有結構、流體和熱分析模塊,功能十分強大但是進入中國的時間比較晚,目前還沒有打開中國的市場.此次我所利用的有限元分析軟件是UG.該軟件中包含NX Nastran.Nastran是美國國家航空航天局為了完成當時航天工業(yè)對結構分析任務而開發(fā)的有限元程序, NX Nastran是當前國際上使用最廣泛的CAE工具之一。在使用NX Nastran的過程中我發(fā)現(xiàn)該軟件比ANSYS軟件更加方便,運算更加快速。 4.2 模型建立 在UG8.0中分別建立液壓機的上橫梁〔如圖4-1所示〕、活動橫梁〔如圖4-2所示〕、立柱〔如圖

49、4-3所示〕、缸體〔如圖4-4所示〕、工作臺〔如圖4-5所示〕和液壓機機身總裝配圖〔如圖4-6所示〕。所建立的模型如以下圖形所示： 圖4-1 上橫梁UG模型 圖4-2 活動橫梁UG模型 圖4-3 立柱UG模型 圖4-4 工作缸UG圖 圖4-5工作臺UG模型 圖4-6 液壓機機身總裝配圖 此次我所做的機身有限元分析主要針對的是液壓機的上橫梁、立柱和工作臺進行有限元分析,因為這三處的受力和位移較大。對這三處進行有限元分析可以發(fā)現(xiàn)液壓機的最大應力以及最大位移量并且判斷它的危險截面。同時也可以得到最大的應力和位移是多少。 4.3 液壓機機身有限元分析

50、 4.3.1 上橫梁有限元分析 在UG8.0的仿真模式打開已經(jīng)建立的上橫梁的模型。如圖4-7所示： 圖4-7 UG建模視圖 之后指派模型的材料為steel,如圖4-8所示： 圖4-8 模型指派材料示意圖 然后進行網(wǎng)格劃分如圖4-9所示： 圖4-9 網(wǎng)格劃分操作示意圖 得到劃分網(wǎng)格后的圖形如圖4-10所示： 圖4-10 上橫梁模型劃分網(wǎng)格后示意圖 然后對模型進行約束和施加載荷。在該模型中上橫梁是固定不動的,所以我將上橫梁的四個角固定住,使它保持固定。上橫梁受到液壓機作用在其表面上的力的作用,該力作用于上表面的階梯圓上。施加約束和受力后的模型如圖4-11所示

51、： 圖4-11上橫梁模型施加載荷與約束示意圖 然后進行求解,求解過程如圖4-12所示： 圖4-12 上橫梁模型求解過程 最后得到求解所得圖,最終的位移圖如圖4-13所示： 圖4-13 上橫梁有限元分析位移圖 由此圖可以得出最大的位移量為0.234mm,最大位移量在上表面的中心圓處。所得的應力圖如圖4-14所示： 圖4-14上橫梁有限元分析應力圖 由此圖可以得出最大的應力為37.48Mpa。上橫梁在中心圓處和四周圓柱過渡處的應力較大。 4.3.2 工作臺有限元分析 工作臺模型定義材料和劃分網(wǎng)格后的模型如圖4-15所示： 圖4-15 工作臺網(wǎng)格劃分示意圖

52、 因為工作臺是固定不動的,所以我將工作臺的下表面固定,工作臺受到的力最大為8000KN,該力作用于工作臺的上表面。處理后得到最終圖形。最終的位移圖如圖4-16所示： 圖4-16 工作臺有限元分析位移圖 由此圖可以看出工作臺的最大位移位于中心圓的外圈處。最大位移為0.0793mm。 工作臺的應力圖如圖4-17所示： 圖4-17 工作臺有限元分析應力圖 由此圖可以看出工作臺的最大應力和最大位移位于大致相同的位置。該工作臺受到的最大應力為：10.651Mpa。 4.3.3 立柱有限元分析 為了便于載荷施加,將立柱和上橫梁固定在一起進行分析。因為立柱和上橫梁是固定不動的,所以將立柱的

53、四個底面進行固定。將作用力施加于上橫梁的階梯圓處。劃分過網(wǎng)格后圖形如圖4-18所示： 圖4-18 立柱與上橫梁整體有限元分析網(wǎng)格劃分圖 施加約束和載荷,進行處理后得到的位移圖如圖4-19所示： 圖4-19立柱與上橫梁整體有限元分析位移圖 由此圖可以看出立柱的位移比上橫梁的位移更小,所以立柱的位移相對較小。有限元分析后所得的應力圖如圖4-20所示： 圖4-20 活動橫梁與立柱整體有限元分析位移圖 由此圖可以看出立柱下方的應力大小幾乎不變。而上橫梁上方的立柱的應力幾乎為0。而立柱受到的應力比上橫梁受到的最大應力小。所以立柱較上橫梁更加安全。 4.4

54、本章小結 本章主要是通過有限元軟件對液壓機的機身進行有限元分析。此次主要是對液壓機的上橫梁、工作臺和立柱進行有限元分析。通過此次有限元分析可以直觀地看出液壓機各部件受到的最大應力和最大位移量。并且可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)最大應力和最大位移在什么地點。 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符,此行不會被打印。"結論"以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。 結論 1. 本文所設計的是8000KN四柱式通用液壓機,它可廣泛用于塑性材料的壓制加工工藝,如壓制、沖裁、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。也可用于校正、砂輪成型、冷擠金屬零件成型等工藝； 2.此次對于工作缸的強度和剛度進行了計算和校核,最后得到的工作缸的強度和剛度

55、完全滿足設計的要求；此外還對工作臺強度與剛度進行了計算,它的強度與剛度均滿足要求； 3. 立柱與上橫梁及工作臺的連接方式為：上橫梁用立柱臺調節(jié)螺母支撐立柱臺肩支持在工作臺面上,兩頭使用螺母鎖緊,這種結構方便上橫梁、工作臺預緊安裝和便于調整機器的精度； 4. 本液壓機采用常閉式立式充液閥,它是自動開啟式的,具有很大的閥徑,采用上彈簧結構,質量小,慣性小,動作靈活可靠。 5. 本液壓機采用活塞式液壓缸,因為活塞式液壓缸可以兩個方向作用,即能完成工作行程。最終利用了有限元分析液壓機的機身受力和位移情況,該液壓機基本滿足要求。 參考文獻 1 王春香.基礎材料力學．．科學,2007：38-

56、72 2 余新陸.液壓機的設計與應用．．機械工業(yè),2006：1-120 3 XX鍛壓機床廠.中小型液壓機設計與計算．XX．XX人 , 2006：1-100 4 劉立軍.材料成型設備控制基礎．．大學,2008：25-33 5 葛正浩,楊立軍. 材料成型機械．．化學工業(yè) ,2007：45- 57 6 黃誼.液壓與氣壓傳動．．機械工業(yè) ,2000：13-46 7 張麗平. 液壓泵及液壓馬達原理、使用與維護．．化學工業(yè) 2009：20-32 8 中國機械工程學會鍛壓學會編.鍛壓手冊第三卷．機械工業(yè), 1993：1-7 9 李壯云主編..中國機械設計大典第五卷．XX科學技術,2002： 112～126 10 朱龍根編.簡明機械零部件設計.機械工業(yè),2000：15-209 11 王連明．機械設計與課程設計．XX工業(yè)大學,2008：123-149 12 王麗潔．畫法幾何及機械制圖．XX工業(yè)大學,1998：229-317 致謝 圖紙清單 序號 名稱 大小 1 總裝圖 A0 2 工作缸部裝圖 A0 3 上橫梁 A0 4 大螺母 A3 5 導套 A3 6 活塞桿 A3 7 活塞頭 A3 8 系統(tǒng)原理圖 A1