悬浮液压支柱冲击试验台结构设计

摘 要液压支柱在采煤工作面支护方面起到了很重要的作用。液压支柱冲击试验台作为测试液压支柱在抗冲击载荷方面能力的设备，能否快速，准确的检测液压支柱性能对于保障安全生产，提高经济效益具有重要意义。但是目前对于液压支柱冲击试验台的设计研究却很少。本文结合课题需要，对试验台的机械结构进行改造设计，以便为今后的工作打好基础。 试验台机械结构采用卧式框架结构，双液压缸同步动作，降低了单个液压缸所需压力，增加了冲击过程试验台的刚性和强度。试验台液压系统动力源采用限压式变量泵，采用分流集流阀的同步回路，采用蓄能器的冲击加载回路，保证冲击过程所需冲击力大，速度快同时保护其他原件的要求。为了提高试验台的测试精度和自动化水平，本文采用了PLC对整个液压系统进行控制。关键词： 液压支柱冲击试验台； 结构设计； 框架结构； PLCAbstractHydraulic prop support in the coal face has played a very important role. Hydraulic prop test rig for testing the impact of hydraulic shock load capacity in the backbone of the equipment, can quickly and accurately test the performance of hydraulic pillars of safety for the protection, improve economic efficiency is of great significance. However, the impact of the current test stand for hydraulic pillar design research are few. This issue needs integration, and test-bed designed to transform the mechanical structure in order to lay the foundation for future workMechanical structure test bed frame structure with vertical, double-action hydraulic cylinder simultaneously, reducing the pressure required for a single hydraulic cylinder, an increase of test-bed impact process required rigidity and strength.Test hydraulic system power source is limited pressure-type variable pump sets with flow diversion valve synchronization loop, using the impact load accumulator circuit, the impact of the process required to ensure that the impact force, speed, while protecting the other original requirementsIn order to improve test accuracy and test-bed level of automation, we use a PLC to control the entire hydraulic system.Keywords: Impact test stand hydraulic prop； Structural Design； Framework； PLC目 录第1章 前言11.1 课题研究的背景和意义11.2液压实验台的国内外研究现状21.3 课题的主要目的21.4本文主要设计流程21.5本次液压支柱冲击试验台系统设计参数2第2章 液压支柱冲击试验台机械结构设计42.1 机架设计概论42.1.1机架设计的一般要求42.2机架设计准则42.3机架设计步骤42.4试验台机架总体结构设计52.5本次液压试验台结构设计内容52.6 总体框架设计52.7试验台机架焊接结构设计：52.8机架截面形状与尺寸设计62.8.1梁高的确定72.8.2 按经验公式决定板厚72.8.3翼缘板尺寸设计72.8.4梁的强度和刚度校核82.8.5整体稳定性的验算82.9机架支撑立柱设计92.10机架立柱与地面联接结构的设计92.11插销梁的设计102.11.1插销梁与机架的固定方式112.11.2插销梁与机架横梁联接螺栓形式112.11.3受横向载荷紧螺栓连接的强度校核与设计112.11.4 截面形状与尺寸设计132.11.5插销梁与机架联接处肋板的设计182.11.6插销的强度校核与公差配合选择202.12挡板的设计222.12.1空心挡板整体设计222.12.2挡板强度刚度计算232.12.3挡板疲劳强度校核242.12.4液压缸与挡板联接螺栓的设计与校核262.12.5 挡板夹紧机构的设计282.12.6 导轨设计292.13本章总结32第3章 试验台液压系统设计333.1液压支柱冲击试验台的工况和技术要求333.2液压支柱冲击实验台液压系统方案的论证333.3液压支柱冲击试验台液压系统方案的确定343.4液压系统主要参数的计算和液压元件选择353.5 本章总结39第4章 液压缸的设计与计算404.1设计依据、原则和步骤404.1.1设计依据404.1.2设计原则404.1.3设计步骤404.2受力分析414.2.1液压力的影响414.2.2机械力的影响414.3与安全系数有关的因素414.4结构设计和安装形式424.5主要技术性能参数的计算424.5.1压力424.5.2流量424.5.3运动速度434.5.4速比444.5.5行程时间444.5.6推力和拉力444.5.7功和功率454.6缸筒的设计与计算454.6.1安全系数454.6.2液压缸内径D的计算464.6.3缸筒壁厚的计算464.6.4 缸筒长度L1的计算464.6.5缸筒的结构设计和联接强度计算474.6.6缸筒的材料和技术要求484.7活塞杆的设计与计算484.7.1活塞杆直径d的计算484.7.2活塞杆的稳定性验算484.7.3活塞杆的结构设计504.7.4活塞杆的材料和技术要求504.8活塞的设计514.8.1活塞行程S的计算514.8.2活塞的结构514.8.3活塞的密封514.8.4活塞的材料及技术要求514.9导向套的设计与计算524.9.1最小导向长度H的确定524.9.2导向套的结构524.9.3导向套的材料及技术要求524.10缸盖的设计与计算534.10.1端盖的结构534.10.2端盖厚度h的计算534.10.3材料及技术要求544.11缸底的设计与计算554.11.1缸底厚度的计算554.11.2材料和技术要求554.12缓冲装置的设计554.12.1设置缓冲装置的必要性554.12.2缓冲原理554.12.3缓冲装置的结构554.13液压缸油口尺寸的确定564.14排气装置的设计564.14.1设置排气装置的必要性564.14.2排气装置的结构564.15本章总结57第5章 液压冲击试验台液压系统的PLC控制585.1液压系统PLC控制的必要性585.2 液压系统PLC控制的优点585.3可编程控制器（PLC）的概况585.4 液压系统测试元件的选择595.5试验台PLC控制系统的建立595.6本章总结63第6章 结论64参考文献65翻译部分66英文原文66中文译文83致 谢96第1章 前言1.1 课题研究的背景和意义 我国已成为世界上使用单体液压支柱最多的国家。统计数字表明,我国单体液压支柱的年需求量达100万根以上4。DWX型液压支柱是一种新型单体液压支柱,被列为“十五”国家科技成果重点推广项目,活柱体内腔的液压力分担了支柱工作阻力的75%80% ,活柱体在轴向的受力仅为顶板压力的20%25%。它克服了活塞式(如DZ型) 单体液压支柱柱头的圆弧焊缝工艺和焊缝强度很难保证以及内泄漏等缺点4。自从DWX型支柱问世以来, 文献 35 分别对其进行了静力稳定性、动力稳定性、密封方式、强度等方面的研究。在开采有冲击倾向的煤层或坚硬顶板断裂后迅速沉降时,会给支柱一个巨大的冲击, 这就要求支柱具有较高的抗冲击能力或对支柱采取适当的保护措施,而这些都要求通过控制液体压力来实现。目前, 液压支架动载保护措施的研究已受到普遍重视,而对单体液压支柱的动载保护措施基本上没有研究,现场也经常出现支柱被压弯、爆裂等现象。 单体液压支柱用于煤矿井下使用，工作介质为乳化液。在采煤工作面支护方面，液压支柱具有重要意义，怎么样用好单体液压支柱对于保障煤矿安全生产，提高经济效益具有重要意义。为了保证单体液压支柱工作面的支护质量，首要问题是支柱性能要达到MT112-93矿用单体液压支柱的质量标准。为此现行煤矿企业单位都按照规定，对生产和维修后的单体液压支柱抽样或逐个进行性能试验。由于单体液压支柱的使用量逐年增加，检修量和试验的工作量也大大增加。这就需要有一种能够快速、准确、定量的检测液压支柱的试验台。液压支柱冲击试验台主要是针对液压支柱的抗冲击性能来设计的，也能够进行操作实验，阀件性能试验、支柱高压密封实验及高压焊缝强度实验等。其中操作试验是检查支柱升降的灵活性，升柱降柱速度、限位装置等，注油量是否合适、支柱高度和行程及初撑力能否达到要求。阀的性能试验包括安全阀开启压力、关闭压力、压力-流量特性曲线测试及三用阀高压、低压密封试验。三用阀高压密封是在安全阀关闭压力下，保压一段时间，观察压力值是否变动，即阀的高压密封性能如何。三用阀低压密封是保证正常工作的重要指标，三用阀在低压下保压一段时间，观察压力值是否变动，以考察阀件的低压密封性能。支柱高低压密封试验的目的是检查密封件在装配过程中是否损坏，各零部件配合是否合理。高压焊缝强度试验是检查在维修过程中如对内注式支柱油缸与底座，芯管与阀体进行补焊和重旱；对外注式支柱柱头与活柱筒焊缝进行补焊或重旱时，均应进行焊缝强度试验等。液压支柱试验台基本上有操纵台和压力机两部分组成，操纵台用以试验阀件和操纵压力机，操纵台正面装有压力表、操作把手、阀壳（可同时试验两个阀）和按钮，内部装有液压泵阀组和电气控制部分。压力机系四柱带导轨的油压机，有立式和卧式两种形式。液压系统部分分为两部分：油压系统和乳化液系统，分别由液压泵供油。无论油压系统还是乳化液系统所采用的液压泵压力都较低，为了获得试验所需的高压，试验台采用蓄能器组，其的作用是为系统液压冲击实验提供所需高压油液。传统液压支柱试验台液压系统所使用的液压泵都是定量齿轮泵，此回路属于节流调速回路，这种回路效率低、发热量大，造成很大功率浪费。1.2液压实验台的国内外研究现状随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠技术的发展，新的液压试验台已朝着高速、高效、智能化、多功能化的液压计算机辅助测试（CAT）方向发展，早期按照“传感器+模拟二次仪表”的模式组成液压设备试验系统已停产或停止使用，基于虚拟仪器技术的液压CAT系统广泛应用于新的液压实验台制造及应用。采用的计算方法有平均值滤波法、中值滤波算法、自然应滤波算法、新型PID算法等。采用有VB6等应用软件开发液压CAT实验软件。由于原有设备的陈旧或故障面积太大，仅法相用MCS51单片机技术对旧式液压实验台重新开发与利用，因此，很少发现采用液压计算机辅助测试（CAT）对旧式液压实验台重新开发与利用，对旧式液压试验台重新开发与利用有一定的推广应用价值。1.3 课题的主要目的本文针对现行单体液压支柱测试新要求对传统液压支柱试验台进行改造，使其满足测试现行单体液压支柱冲击测试的要求，对液压系统进行改造，用蓄能器组代替传统增压器，增设蓄能器冲击回路。增设同步回路，变传统单液压缸为双液压缸。本文对液压系统进行改造的同时，着重考虑机械结构的设计研究，设计出合理的框架结构，以求满足大量测试液压试验台寿命要求。1.4本文主要设计流程本文第二章主要研究液压支柱冲击试验台机械结构方案。详细论证各种结构形式的液压支柱试验台的优缺点，最后制定出合适的结构形式，这也是本文的重点之一。本文第三章主要研究液压系统的设计方案。着手液压系统主要参数的计算，选择液压系统所需全部液压元件，给出液压系统图。本文第四章主要着手液压缸的设计计算，这部分也是本文的重点之一。本文第五章主要研究液压试验台液压系统的PLC控制。本文第六章是设计总结。1.5本次液压支柱冲击试验台系统设计参数 设计冲击载荷：120吨； 冲击速度：25 m/s；冲击时间：0.8s；动作周期：15.8s；最大行程：1100mm；冲击行程：250mm；冲击加速度：5.6m/s2； 试验台外轮廓尺寸：5.0m 1.6m 2.0m； 加载形式：循环外加载和循环内加载； 长度调节：10挡，挡距50mm； 液压系统参数： 系统流量：24.20L/min； 插销油路工作压力：810Mpa； 被试件工作介质：乳化液（5%油、95%水）； 工作温度：1555C；蓄能器：NXQ- LF10/-H型气囊式蓄能器。最大压力35Mpa。冲油泵：CB-FA25C-FL型齿轮油泵；配用电机：Y90S-4型，1.1KW；主油泵：A10V28DFR31型柱塞泵，22KW；油箱容积：1.4m3；油缸：（后续内容详细设计）过滤系统：工作液选用125mm精度过滤系统。第2章 液压支柱冲击试验台机械结构设计2.1 机架设计概论2.1.1机架设计的一般要求（1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应尽量清，成本应尽量低。（2）抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内。 （3）噪声小。（4）温度场分布合适，热变形对精度的影响小。（5）结构设计合理，工艺性能良好，便于铸造、焊接和机械加工。 （6）结构力求便于安装和调整，方便维修和更换零部件。 （7）有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好。 （8）造型好，即适用经济又美观大方。2.2机架设计准则 机架的设计应保证强度、刚度及稳定性。 刚度 评定大多数机架工作能力的主要准则是机架刚度。例如在机床中床身的刚度决定着机床生产率和产品精度。在齿轮减速器中，箱体的刚度决定了齿轮的啮合程度和它的工作能力。薄板轧机的机架刚度直接影响钢板的质量和精度。 强度 强度是评定重载机架工作性能的基本准则，机架的强度应根据机器在运转过程中可能发生的最大载荷或安全装置所能传递的最大载荷来校核其静强度。此外还要校核其疲劳强度。 机架的强度和刚度都需要从静态和动态两个方面来考虑。动刚度是衡量机架抗振能力的指标，而提高机架的抗振性能应从提高机架的静刚度、控制固有频率、加大阻尼等方面入手。提高静刚度和控制固有频率的方法是：合理设计机架构件的截面形状和尺寸，合理选择壁厚及布肋，注意机架的整体刚度及局部刚度以及接合面刚度的匹配等。稳定性 机架受压结构及受压弯结构等都存在失稳问题，有些构件制成薄壁腹式也存在局部失稳。稳定性是保证机架正常工作的必要条件，必须加以校核。此外，对于机床、仪器等精密机械还应考虑热变形。热变形将直接影响机架的原有精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前壁的温度高于后壁，使立柱后倾，其结果磨出的工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹的热变形，因此，机架设计时应尽量保证小的热变形。2.3机架设计步骤（1）初步确定机架的形状和尺寸 机架的结构形状和尺寸，取决于安装在它内部与外部的零件形状和尺寸，配置情况、安装和拆卸要求等，同时也取决于工艺、所承受的载荷、运动等情况。然后，综合上诉情况，利用经验公式或有关资料提供的经验数据，同时结合设计人员的经验，并参考现有同类型的机架，初步拟定机架的结构形状和尺寸。（2）常规计算常规计算是利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，对机架进行强度、刚度和稳定性等方面的校核，而后修改计算，以满足设计要求。常规计算方法比较直观，适用于一般用途的机架。对于重要的机架或结构复杂，受力复杂可不进行常规计算，直接按照第（3）步骤进行计算。（3）有限元静动态分析、模拟试验或优化设计求得其静态和动态特性，并据此对设计或对几个方案进行对比，选择最佳方案。（4）制造工艺性和经济性分析最后还要对机架进行造型设计，以求得内外质量的统一性。2.4试验台机架总体结构设计液压支柱试验台按照传统样式可分为立式和卧式两种类型。考虑到立式液压试验台安装调试及维修不便的问题，本次设计采用卧式液压试验台设计。2.5本次液压试验台结构设计内容（1）总体框架的设计：初步确定机架整体形状和轮廓尺寸，进行静强度校核和疲劳强度的校核，最后进行工艺性和经济性的分析。（2）挡板设计：挡板的作用是充当液压加载系统与被测试液压支柱的联结与承压装置。首先要进行尺寸和形状设计，考虑冲击载荷的因素，要进行静强度和冲击载荷作用时该挡板的强度校核。（3）肋板的结构设计（4）其他结构：导轨、液压缸、插销装置等2.6 总体框架设计试验台框架总体上分为铸造和焊接两种方式，下面比较这两种方式的区别： 机架重量 铸铁机架较焊接机架重，钢板焊接毛坯比铸件毛坯轻30%，比铸钢毛坯轻20%。强度刚度及抗振性 铸铁机架的强度与刚度较低，但内摩擦大，阻尼作用大，故抗振性能好；焊接机架强度高、钢度大，对同一结构的强度为铸铁的2.5倍，钢的疲劳强度为铸造的3倍，但抗振性能较差。材料价格 铸铁材料来源方便、价廉；而焊接机架价格高。生产周期 铸铁机架生产周期长，资金周转慢，成本高；焊接机架生产周期短、能适应市场竞争的需要。设计条件 铸铁机架由于技术上的限制，铸件壁厚不能相差过大。而为了取出芯砂，设计时只能用开口式结构，影响刚度；焊接机架结构设计灵活、壁厚可以相差很大，并且可以根据工况需要不同部位选用不同性能的材料。用途 前者为大批量生产的中小型机架；后者焊接机架可以用于单件小批量的大、中型机架生产，或者特大型机架，如大型水压机横梁，底座及立柱，大的轧钢机机架和颚式破碎机机架等，可采用小拼大的电渣焊。 综合比较以上两者，焊接结构较之铸造结构具有强度和刚度高、重量轻、生产周期短以及施工简便等优点。因此，本次设计采用焊接机架结构。 2.7试验台机架焊接结构设计：按照机架焊接设计原则，焊接结构形式分为以下四种：型钢结构 机架主要由槽钢、角钢、工字钢等型钢焊接而成。这种结构的机架质量轻，材料利用充分。适用与中小型机架。板焊结构 机架主要由钢板拼焊而成，广泛用于各类机床，如锻压设备的床身、水压机、金属切削机床的床身、立柱以及柴油机机身等。双层壁结构 双层壁结构是在盖板之间有序的焊上一段管子再以条钢构成对角线肋网而形成机架的墙壁，亦可由在盖板之间焊上肋板而形成，双层壁结构是一种具有刚度高、重量轻，抗振性好的高性能结构，适用于大型。精密机架。管形结构 以无缝钢管作为机架的主体，其特点是重量轻，抗扭刚度高。参照以上标准选择，本次设计采用板焊结构形式。2.8机架截面形状与尺寸设计由于零件的抗弯、抗扭强度和刚度除了与截面面积有关外，还取决于截面形状。因此合理设计截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料的作用。因此，正确选择机架的截面形状是机架设计中一个重要问题。常用几种机架截面形状性能的对比圆形截面有较高的抗扭刚度，但抗弯刚度较差，故宜用于受扭为主的机架。工字形截面的抗弯强度最大，但抗扭强度很低，故宜用于承受纯弯的机架。矩形截面抗弯、抗扭性能分别低于工字形和圆形截面，但其综合性能最好。（各种形状的截面，其封闭空心截面的刚度比实心截面的刚度大。另外，截面面积不变，加大外形轮廓尺寸，减小壁厚，亦即使材料远离中性轴的位置，可提高材料的抗弯、抗扭刚度。封闭截面比不封闭截面的抗扭刚度高得多。机架受载情况往往拉、压、弯曲，扭转同时存在，对刚度又要求高，另一方面，由于空心矩形内腔容易安设其他零件，故许多机架截面常采用空心矩形截面。本设计采用空心矩形截面的结构形式。如图2-1 图 2-12.8.1梁高的确定按整体稳定性和水平刚性条件确定梁高保证箱形梁稳定性的合理高宽比为h/ b3，当两腹板间距bS 60时，箱形梁具有足够的水平刚度，由此求得梁高： h117120 （2-1）式中：S梁的跨度（mm）。按照设计参数，机架横梁的跨度为5000mm 带入上式得：h294mm由于按照质量最轻原则确定的梁高是理想高度，且计算时需要知道该梁所承受的最大弯矩MMax，由于初始计算并不知道机架配置的液压缸等零部件的重量细节，该方法计算不出，但是该方法计算的高度最大。通常按照经验设计，梁高合理高度应为 h114117S （2-2）计算得：h357mm，在工业生产中通常取h=360mm。2.8.2 按经验公式决定板厚 t=7+3h （2-3）式中：t腹板厚度（mm）； h 梁高度（m）。带入上式得：t=8.08mm取整后为t=8 mm2.8.3翼缘板尺寸设计焊接梁的每个翼缘常用一块钢板制成，如图2-2上端剖视图 图2-2箱型梁翼缘板的宽度（两腹板间距）按整体稳定和水平刚度要求确定，取为bh/3 及bs/60；为施焊方便，还应使b300mm。这里取b=300mm箱型梁翼板的总宽度为：B= b+2t+40mm=356mm通常为了制造方便，翼缘板宽度应取10mm的倍数，这里B取350mm。箱型梁受压（拉）缘翼板的厚度按照局部稳定条件确定： t0 b50s235 （2-4）式中：b两腹板净宽（mm），取300mm； s翼缘板材料屈服强度（pa），选择Q345，则s=345Ma。带入上式得t0=9mm2.8.4梁的强度和刚度校核梁的界面尺寸确定后，需进行强度、刚度的校核。强度 充分考虑横梁在整个机架下的受力情况，可知横梁除受到液压缸等零部件的竖直方向上载荷外，在冲击试验过程中，还受很大的拉压载荷。且为循环变化类型的载荷，即加载到横梁上的拉应力是变化的，该载荷和竖直方向的横力弯曲产生的正应力和切应力相比较，很大，因此为了简化运算，可以暂时不计竖直方向的横力弯曲。简单考虑最普遍的拉压载荷对横梁的影响。如图2-3所示： 图2-3已知F=120104/4 N=30104 N,应用第一强度理论得知：当轴向应力时，该梁偏向安全， 先求大小，按照轴向应力计算公式，=F/A,式中A为梁的净横截面积，由以上梁的截面尺寸计算过程知，A=30092+36082mm2=11160 mm2 = 0.01116m2，则=30104 N0.01116 m2 = 26881720 N/m2=26.88 Mpa。材料选择Q345，查材料手册知道该金属材料许用拉应力= 230 Mpa，比较得知完全满足强度要求。刚度 该梁在竖直方向上所受载荷比较小，对这种在竖直方向上只受机架本身重量的均布载荷来说，并不足以对梁的刚度产生实质性的影响，也就是说，均布载荷所产生的弯矩很小（这个由机架自重决定，这里做适当假设），根据材料力学中有关弯曲变形的描述，在纯弯曲情况下，弯矩和材料中性层曲率半径的关系式为： 1 = MEI （2-5） 当弯矩很小时，由于EI 表示材料的抗弯刚度，不随材料所受载荷变化而变化，所以，表示材料中性层的曲率半径就会很大，这表示该梁很难被压弯，即几乎不受自身自重的影响。所以，该梁的刚度在一定范围内是满足条件的。2.8.5整体稳定性的验算梁的界面尺寸确定后，还需进行整体稳定性的验算，对整体稳定性，由于梁高宽比h/b=360/300=1.23，按照工程上已经确认的这种高宽比大小界定范围，在比例小于3的范围内，该梁的稳定性经得住实践检验，故该梁的整体稳定性不需要进行验算。2.9机架支撑立柱设计按照机架实际高度需求，机架立柱的高度大小取为2000mm。各种形式肋板对提高立柱性能的影响：具有横向肋板的的立柱其抗扭刚度较好，对抗弯静刚度无作用，但能提高抗弯动刚度和振型的抗扭动刚度；在纵向肋板中，对角线交叉肋板对扭转刚度提高效果最佳。对角线纵向肋板对抗弯刚度有一定的提高。无顶板时，可有效减少截面的畸变。纵向肋板可提高抗弯静刚度和无顶板时的抗扭静刚度。综上所述，结合本试验台承受冲击载荷对立柱有很大的拉压弯载荷作用，选择纵向肋板形式。截面形状和三维简图如图2-4，图2-5所示： 图 2-4 图 2-52.10机架立柱与地面联接结构的设计由于本次设计采用卧式机架设计结构，该机架与地面的接触联接也成了必须考虑的一个问题。机架与机架之间以及机架于地基之间的连接多采用螺栓连接，机架连接的刚度是机器总体刚度的重要组成部分，联接结构刚度直接影响机器的工作性能。影响联接刚度的因素有：预压力的大小；参与力传递的接触面大小。传力接触面越大，接触变形就越小，接触刚度就越高；机架的刚度大小。在集中载荷的作用下，机架的自身刚度及局部刚度较高时，接触压强的分布就比较均匀。反之，若机架刚度不足,则接触压强分布不均，接触变形也将不均，使接触刚度降低。为保证机架的联接刚度，设计时应注意以下几点：（1）改善联接部位的受力状态。如图2-6所示，由于螺栓中心线与板壁之间存在着偏心距e，使凸缘产生向上的弯曲变形，但当螺栓越靠近壁板或者使螺栓孔中心线与壁板中心线重合时，弯曲变形就越小，因此设计时尽量使螺栓靠近壁板或者螺栓孔中心线与壁板中心线重合。 图2-6 凸缘的受力及变形 （2）合理提高接触表面的平面度公差等级及改善其表面粗糙度。重要的接触表面必须配磨或配研，Ra 值应不大于1.6m，一般接触表面不少于3.2m。配刮时每25mm 25mm范围内，高精度机床接触点为12点以上，一般接触面不少于48个点，并应使接触点分布均匀。（3）预紧力应大于作用力，通常应接触面间的平均预压压强约为2 MPa。（4）螺栓的数量及排列：螺栓的数量及大小对联接刚度有一定的影响，直径较小而数量较多的螺栓联接，比直径较大而数量较少的螺栓联接法向变形小。经验及实验数据表明，增加螺栓的数量相对减少螺栓的直径，使螺栓均匀排列并增加三角型肋板的数量，有利于增加机架底座抗弯刚度和抗扭刚度。如图2-7所示： 图2-72.11插销梁的设计所谓插销梁指的是固定空心挡板位置进行液压冲击试验的机架上的横梁，如图2-8所示 图2-8插销梁直接接受冲击载荷的作用，减少了对机架的冲击力。保护机架不致变形很大，另外，插销梁最主要的功能是固定空心挡板的位置，顾名思义，插销梁实际上就是通过插销固定的方式固定空心挡板的位置，这种方式解除了人工拆卸带来的麻烦，增加了劳动效率。后续内容会予以详细介绍。2.11.1插销梁与机架的固定方式为了增加机架的可重复利用性能，作为直接接受冲击载荷的插销梁不能和机架连为一体，也就是两者不能通过焊接的方式联接，目前的技术条件下，最可靠且成熟的方式是进行螺栓联结，这种联结方式简单可行，可根据冲击载荷的大小设计选用直径大小和强度等级合适的螺栓，方便易于更换新的零件，选用后可据实际情况进行螺栓拉压强度剪切强度的校核计算。2.11.2插销梁与机架横梁联接螺栓形式如图2-9所示，插销梁在水平方向承受液压缸的冲击载荷，对联接螺栓来说，所受载荷为横向载荷，初步认为联接螺栓的布局如下图所示，螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（图2-9）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 中间为插销梁，左右两边为4个一组的连接螺栓和加固肋板（后续内容会加以设计）。图2-9图2-9所示为一由八个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时。靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷；当采用铰制孔用螺栓联接时，靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷，虽然两者的传力方式不同，但计算时可近似地认为，在横向总载荷F的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。因此，对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。选择如图2-9所示布局的普通螺栓联接形式。2.11.3受横向载荷紧螺栓连接的强度校核与设计预紧力计算:Fp= KfFAmfz （2-6）式中：Kf摩擦传力可靠性系数，一般取1.11.3； FA横向总载荷，FA=30104 N； m接合面对数，取1； f接合面摩擦系数，钢对钢时，取0.35； z螺栓个数，在这取8。代入上式计算得预紧力Fp=12.86104 N。螺栓校核计算：= 1.3Fp4d12 （2-7）式中：螺栓许用正应力（Mpa），计算公式为：=s/S （2-8） S螺栓的许用安全系数。载荷为变载荷，取2。用螺栓为8.8级高强度螺栓。 s螺栓的屈服应力（Mpa）； d1螺栓的螺纹小径（mm），选用M20，8.8级高强度螺栓。代入式（2-7）解得：=532Mpa640Mpa，所以强度满足条件。应该说进行螺栓强度校核后用普通螺栓联接即可满足强度要求，但是由于试验台冲击载荷的特殊性，使得螺栓联接承受载荷的能力下降很快，普通螺栓很快会由于疲劳破坏而失效，所以在可能的情况下，尽可能选用高强度螺栓联接。有关高强度螺栓的概念如下：按规定，螺栓的性能等级在8.8级以上者,称为高强度螺栓.现国家标准只罗列到M39,对于大尺寸规格,特别是长度大于%1015倍的高强度螺栓,国内生产尚属短线 。高强螺栓与普通螺栓区别： 高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。 普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。 高强度螺栓的材料35钢或其它优质材料，制成后进行热处理，提高了强度。 两者的区别是材料强度的不同。 从原材料看 高强度螺栓采用高强度材料制造。高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用 45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等。普通螺栓常用Q235（相当于过去的A3）钢制造。 从强度等级上看 高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级，其中10.9级居多。普通螺栓强度等级要低，一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。 从受力特点来看 高强度螺栓施加预拉力和靠摩擦力传递外力。普通螺栓连接靠栓杆抗剪和孔壁承压来传递剪力，拧紧螺帽时产生预拉力很小，其影响可以忽略不计，而高强螺栓除了其材料强度很高之外，还给螺栓施加很大预拉力，使连接构件间产生挤压力，从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力，而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力。 根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。 高强度螺栓摩擦型和承压型连接的区别： 高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为联接受剪的极限状态。总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，只不过是设计是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑移，设计就认为达到破坏状态，在技术上比较成熟；承压型高强螺栓可以滑动，螺栓也承受剪力，最终破坏相当于普通螺栓破坏（螺栓剪坏或钢板压坏）。 从使用上看 建筑结构的主构件的螺栓连接，一般均采用高强螺栓连接。普通螺栓可重复使用，高强螺栓不可重复使用。高强螺栓一般用于永久连接。 高强螺栓是预应力螺栓,摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力,承压型拧掉梅花头。普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。普通螺栓只需拧紧即可。 普通螺栓一般为4.4级、4.8级、5.6级和8.8级。高强螺栓一般为8.8级和10.9级，其中10.9级居多。 8.8级 与8.8S 是相同等级。普通螺栓与高强螺栓的受力性能与计算方法均有所区别的。高强螺栓的受力首先是通过在其内部施加预拉力P，然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受外荷载的，而普通螺栓则是直接承受外荷载的。 更具体的来说： 高强度螺栓连接具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳、以及在动力荷载作用下不致松动等优点，是很有发展前途的连接方法。 高强度螺栓是用特制的扳手上紧螺帽，使螺栓产生巨大而又受控制的预拉力，通过螺帽和垫板，对被连接件也产生了同样大小的预压力。在预压力作用下，沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力，显然，只要轴力小于此摩擦力，构件便不会滑移，连接就不会受到破坏，这就是高强度螺栓连接的原理。 高强度螺栓连接是靠连接件接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移的，为使接触面有足够的摩擦力，就必须提高构件的夹紧力和增大构件接触面的摩擦系数。构件间的夹紧力是靠对螺栓施加预拉力来实现的，所以螺栓必须采用高强度钢制造，这也就是称为高强度螺栓连接的原因。 高强度螺栓连接中，摩擦系数的大小对承载力的影响很大。试验表明，摩擦系数主要受接触面的形式和构件的材质影响。为了增大接触面的摩擦系数，施工时常采用应喷砂、用钢丝刷清理等方法对连接范围内构件接触面进行处理。 高强度螺栓实际上有摩擦型和承压型两种。 摩擦型高强度螺栓承受剪力的准则是设计荷载引起的剪力不超过摩擦力。 承压型高强度螺栓则是以杆身不被剪坏或板件不被压坏为设计准则。2.11.4 截面形状与尺寸设计（1）梁高的计算 参照图2-1机架横梁截面尺寸设计步骤，结合设计参数中机架宽度b=1600mm，此宽度即为插销梁的跨度S，确定该插销梁高为 h114117S。代入计算得：h114mm，这里取h=120mm。（2）梁的腹板厚度计算 参照横梁腹板壁厚计算，可知按照经验公式算的板厚t=10mm。梁腹板的厚度也可以按照梁所受最大剪切力F来计算，假设剪切力全部由腹板承担，则腹板厚度为： t1.5 F2h0 （2-9）式中：钢材的许用切应力（Mpa），选用Q345，则=135Mpa h0 初选截面时的腹板高度（mm），可粗取为梁高h=120mm；F 截面最大切应力（N）。该剪切力的计算过程如图2-10：图2-10由该剪力图得知最大剪力发生在两头处，最大剪力大小为F= 30x104 N.代入式（2-9）得t13.8mm。但实际应用中其最大剪切力不一定完全作用在腹板上，考虑经济效益，不需要这么厚的腹板，为了节省材料，可以适当减小板厚，在腹板处增加加劲肋的设置，考虑这种结构，这里腹板厚度按照经验公式可以取为t=10mm。（3）翼缘板宽度的确定参照机架横梁翼缘板宽设计，b的大小应为b300mm，考虑到该梁的具体应用，该梁上下翼缘板需贯通一圆孔以作插销用，故该梁的翼缘板宽度应适当加大，这里取b=350mm。所以梁翼板的总宽度为B= 404mm，为制造方便，B的大小取整为B=400mm。（4）翼缘板厚计算结合横梁相似计算，可得翼缘板厚t0 b50s235，代入计算可得t0=10mm。（5）梁的强度和刚度计算和横梁计算一样，梁的截面尺寸确定后，需要计算插销梁的强度和刚度的计算，不合格时应该修改截面。静强度校核正应力： =MWj （2-10）切应力： =F SzIz t （2-11）式中： M梁的最大弯矩（N mm）；F和剪切力（F）； Iz梁在最大剪切截面的截面惯性矩（mm4）； Sz梁在最大剪切截面的截面最大静矩（mm3）； Wj梁在最大弯矩截面的净抗弯截面系数（mm3）； t梁腹板的厚度，验算箱型梁的切应力时，为两腹板的厚度（mm）； 梁所用钢材的许用正应力（N/mm2）； 梁所用钢材的许用剪切应力（N/mm2）。梁的最大弯矩和