开题报告-20MN大跨距球罐液压机本体设计

201 选题目的 及其意义 题来源及课题相关的基本情况 20跨距球 罐液压机是采用多点成形工艺生产石化用大型储油球罐瓣片的主要设备。 设计题目来源于企业。 球罐要分成若干球片，每个球片都是用厚板压制而成，压好的球片再通过焊接的方式焊接在一起， 从而形成球罐产品。其中球片的压制需要一台大跨距的压机，球壳板的成型主要采用冲压成型，它一般又可分为冷压成型、温压成型和热压成型，其中又以冷压成型最为广泛。冷压成型采用点压法，其特点是小模具、多压点，钢板不必加热、成型美观、精度高、无 氧化皮。冲压设备多采用 800的压力机。冷压成型特别适用于热处理状态使用的并以使用状态供货的钢板，对077调质状态供货的钢板应采用冷压成型。 冷压压点排列顺序有多种类型，成型时可根据球片板料特点及操作者经验合理选用，如长大球片一般先压两端，后压中间，以便操作，而球片较小 则选择余力较大。球壳板的压型顺 序一般如图 1，由球壳板的一端开始冲压，按先横后纵顺序排列压点，相邻两压点之间应相互有 1/2至 1/3的重复率，以保证两压点之间成型过渡圆滑，这种压型方法可使成型应力 分布均匀，并得到较好的释放效果，减少成型后的自然变形。 图 1 压点顺序 选题的理论或应用价值 20跨距球罐液压机本体设计 1 液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。液压机被广泛应用于机械工业的许多领域，例如在锻压（塑性加工）领域中，液压机被广泛应用于自由锻造、模锻、冲压（板料成形）、挤压、剪切、拉拔成形及超塑性成形等许多工艺中；而在机械工业的其他领域，液压机被应用于粉末制品、塑料制品、磨料制品、金刚石成形、校正压装、打包、压砖、橡胶注塑成形、海绵钛加工、人造板热压，乃至炸药模压等十分广泛的不同工业领 域 1。 液压机还能完成一些其它锻压机械很难实现的工艺的要求 ,比如 :因为液压机可以得到很长时间的保压 ,所以会适用于纤维板、绝缘材料、高压合成新材料和热固性塑料的制造 ;还有液压机能在全行程上发出其公称压力 ,所以能适用于材料挤压成形、轮轴压装、深拉伸成形等 ;由于液压机传动方便、结构紧凑、比较容易向大型化和超重型发展 ,所以也适用于超高压挤压成形甚至金刚石的合成等。此外 ,液压机在使用中能够使行程、压力和速度在比较广泛的范围内完成无级调整 ,工作的行程量大 ,过载保护比较安全和可靠 ,且机身结构布局灵活 ,三化程度也较高 , 变型容易 ,制造方便容易。因此 ,液压机在国民经济各个部门中得到日益广泛的应用。而且在许多的科研单位和企业工厂里面也可以看到有着大小、结构、作用都各不相同的液压机在完成各种压制或者是成形工艺。特别是随着材料工业和少、无切削工艺发展 ,液压机的应用就更加的重要了 ,在近净成形方面起着非常重要的作用，是发展绿色制造的一种重要方式 2。 综上可以看出设计制造液压机的水平已然 成为衡量一个国家工业水平的重要标准。 基于上述背景，深入研究液压机的设计、制造及应用至关重要。而作为即将毕业的本科生，独立设计一台 2000罐液压机 正是学习、研究液压机的开始。 本压机结构特殊，采用双缸，大跨距，无动梁的 结构 形式，属于特种锻压设备，它的设计方法相比于传统的三梁四柱压机有很多创新的地方，所以，本课题的完成有一定的理论意义。从应用角度来看，此压机广泛应用于生产大型石油储罐球片的工艺中，其市场、其应用价值都很大。 20跨距球罐液压机本体设计 2 图 2 石油储油罐 图 3 天然气储气罐 本课题针对材料成型及控制 工程 专业的学生，要求完成一台锻压设备设计，培养学生将大学所学知识综合运用去解决实际问题的能力。通过设计，使学生具备对产品进行20跨距球罐液压机本体设计 3 功能分析和结构分析的能力，能 够查阅相关资料和文献，能够根据所学知识进行结构设计计算、设计出工艺性较好的工作零件等，学生还应 能够使用设计软件设计设备结构总装图和零件图，最后完成设计说明书。 下图是 此 压机三维参考图。 图 4 20图 4所示的大跨距液压机本体结构 与本课题相似，不过其刚度不够， 多点成形时控制不精确，尤其是球片外形，所以总体来说，需要对其重新设计，主要是机身框架的设计，上、下横梁的高度等。 上梁高度小，刚度不够，原设 计采用了在上梁上加加强梁的方式，这是不合理的。所以，需 要重新设计上 梁，也就是说取消加强梁 。 20所示。该压机的承载机架为整体板焊结20跨距球罐液压机本体设计 4 构，由上梁、下梁、 4 根立柱、下工作台和加强梁等板焊构件焊接而成。各构件均为板焊结构，其间无装配接触面，为一个整体构件。在压机机架上梁对称安装 2个柱塞式法兰支承工作缸；柱塞下端与活动工作台连接，可直接驱动活动工作台下移，完成工作行程。工作缸两侧安装 2 个回程缸，其活塞杆下端也与活动工作台连接，并驱动其完成提升行程。活动工作台上还固定 4个导向杆，可沿上梁中的导向套上下移动。成形凹模固定于下工作台上平面，凸模则固定 于活动工作台下平面。工件位于凸凹模间。 关研究领域的现状和研究进展分析 早在 1662 年，帕斯卡就发现了利用液体能产生很大的力量。随着西方资本主义的发展，蒸汽机的出现，引起了工业生产的革命。现代化的大工业逐步代替了工场手工业，具有悠久历史的锻造工业也逐步由手工锻造转变为机器锻造。 1795年，英国约瑟夫布拉曼 ( 1749 1814)在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。 1893 年第一台蒸汽锤出现。此后，于 1859年 1861年维 亚纳铁路工场有了第一批用于金属加工的 7 10 2 884年在英国曼彻斯特使用了锻造钢锭的锻造水压机，自此锻造液压机的发展很快，仅在 1887 1888 年就制造了一系列的锻造水压机，其中包括 40大型水压机。 1893年建成了当时最大的 120造水压机。从此，锻压水压机逐步取代了自由锻锤而成为主要的锻造设备。经过一个世纪的发展，自由锻造液压机已经能够满足国防和国民经济的需要，仅万吨级自由锻造液压机就达 33 台（现存的约 23 台 )，其分布如下。前苏联共留下 6 台（最大 150 。 日本有 3 台，分别是日本制钢所（ 兰工厂有一台140由锻水压机，配有 4000 m 锻造操作机 ;神户制钢 ( 砂工厂有一台130由锻造液压机，日本铸锻钢株式会社（ 一有 105由锻液压机。法国有 2 台，其中一台是 司（已被阿海珐收购）的 113 由锻液压机。美国 2台，最大压力 126中一台是莱赫重型锻造公司的 10019611964 年，前苏联为了发展航空航天工业，制造了 6 台大型模锻液压机。其中 克拉马托）重机 厂为古比雪夫（萨马拉）铝厂和乌拉尔上萨尔达冶金生产联合厂分别制造了一台 750锻液压机 ; 乌拉尔重机厂）、 新克拉马托）重机、西伯利亚重机厂也各自制造了一台 300同时， 新克拉马托）重机厂还制造了一台 150锻液压机。 1961 年，美国喀麦隆钢铁公司一台 180 向模锻液压机投产。 1964 年，德国建造的 300锻液压机投产。 1967 年，美国喀麦隆钢铁公司一台 300向模锻液压机投产。 1972 年，瑞典建造了 800型钢丝缠绕结构模锻液压机 ，安装于 鲍克斯分公司。 1976 年，前苏联 新克拉马托 ) 重机厂为法国 司制造的一台 650锻水压机投产。总之，发达国家通过关闭旧设备，采用新技术、新设备新建一批液压机，结构调整，并逐步走向合理。如美国、英国、德国、意大利关闭 10 多家大型铸锻件生产厂，关闭、拆除 10 多台 60上自由锻水压机，其中美国有 60120140 3 台，英国有 2 台 60国有 90 2 台20跨距球罐液压机本体设计 5 60大利 80120在 20世纪 90年代后，由于发达国家重工业生产不景气，成套设备市 场处于饱和状态，造成大型锻件市场紧缩，竞争激烈，再加上油价上涨、劳动力不足、严格执行环保法规，这些棘手问题困扰着大型锻件的生产发展。随着电子技术的迅猛发展，各国将锻造液压机和锻造操作机联动机组、大型模锻液压机、可靠性、自动测量和自动控制广泛用于锻造液压机，机械化和自动化程度大大提高 3,4。 国内锻压机现状：国内建造大型模锻液压机启动较早，早在 1982 年由第二重型机器厂设计制造安装于重庆西南铝加工厂 100 向模锻水压机就已投产，随后中国的大型、超大型模锻液压机就沉寂了二十多年。随着大型自由锻液压机的 建成投产，大型、超大型模锻液压机也进入了发展高峰。天锻压力机有限公司为红原锻铸工业公司制造的 100 温锻造液压机，苏州昆仑先进制造技术装备有限公司建成 300 锻液压机，如图 2 所示。在建的有苏州昆仑先进左右。这些在建的万吨级的锻造液压机按照计划将在 2014 2015 年间相继建成，届时，中国将成为名副其实的锻造液压机大国。 国内建成和在建的大型、超大型锻造液压机具有如下特点 : (1) 自由锻和模锻液压机的数量均居世界之首，将成为世界锻造大国。 (2) 锻造液压机的数量、规格和类型 趋于合理。自由锻液压机从 100 200经形成系列 ; 国内的锻造液压机类型亦将趋于齐全，将拥有自由锻液压机、模锻液压机、等温模锻液压机和多向模锻液压机，改变原来单一的自由锻和模锻现象。 (3) 国产化程度大幅提高。建成和在建的大型、超大型锻造液压机除洛阳中信公司的 185由锻液压机是进口国外设备，某公司在建的 200由锻液压机由国外设计、联合制造以及一重和二重的 150160液压和电气系统由国外设计制造外，其余建成或在建的锻造液压机全部具有我国完全自主的知识产权，这标志着国内设计 制造大型、超大型锻造液压机的水平已接近世界水平。 (4) 自由锻液压机采用了三梁四柱全预应力框架结构和上推式油缸结构 ; 而模锻液压机的结构形式多样化 : 有三梁四柱全预应力框架结构 (多为 200 、板框式结构 (二重的 800锻液压机 ) 和钢丝缠绕式框架结构 (多由清华大学设计、多用于 300上的模锻液压机 ) ; 其油缸多为上推式安装方式。 (5) 液压系统多采用油控系统，除一重、二重的 150 级的自由锻液压机采用泵 蓄势器传动水控系统外，几乎全部采用油泵直传和油控系统， 有的甚至采用了油泵直控的液压控制系统。 （ 6) 液压系统工作介质压力由高压向超高压发展，有的可高达 63 (7) 锻造力趋于极限，某公司在建的 200由锻造液压机将居全球自由锻液压机之首。昆仑先进制造技术装备有限公司在建 1000 且 1600 5。 国内锻造液压机展望： “高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项确立的目标是 ，“到 2020 年航空航天、船舶、汽车和发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备 80%以上20跨距球罐液压机本体设计 6 立 足国内”。锻造液压机则是广泛应用于上述四大领域的不可或缺的关键设备之一。未来锻件在国民经济瓶颈行业相关的设备制造发展空间较大。石油化工设备、煤矿采掘设备、发电设备、铁路设备、清洁能源设备、管道运输设备投资需求的快速扩张对锻件特别是大型模锻件有较大需求，也给锻造液压机的快速发展带来了机遇。事实也确如此，二十多年来，在四大支柱产业的带动下，我国锻造行业取得了长足的发展，我国的锻造液压机在数量上和锻造能力均居世界之首，是锻造液压机设计制造大国，但是还不是强国，我们与发达相比还有较大的差距 : (1) 自动化程度低。 大部分操作包括产品运输依然依靠人工完成，特别是上世纪建成的大型模锻液压机尤甚。 (2) 可靠性低。国家重大专项提出至 2015 年，机床的可靠性要达到“平均无故障时间 (达到 1500 h”。已建成的大型锻造液压机与这一目标还有一定的距离，有一部分锻造液压机仅仅处于能够使用的程度，故障率较高，压机精度低，导致了锻件的尺寸精度和表面质量差 6。 本选题领域中国内外研究成果简述 液压机的液压系统和整机结构等方面发展已经比较成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机 器在过滤、冷却及防止冲击振动方面有明显改善。 (1)在油路结构设计方面，国内外都趋向于集成化、封闭式设计。插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到广泛的应用。国外已广泛采用封闭式循环油路设计，可有效地防止泄油和污染，更重要的是防止灰尘、空气和化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命。由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。 (2)在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件进行故障的检测和维修，产品可实现负载检测、自动模具保护和错误诊断等功能。 (3)液压机的发展最主要体现在控制系统方面。微电子技术飞速发展为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了前提条件。相比之下，国内机型虽然种类齐全，但技术含量相比较低，缺乏高档机型，这与机电液一体化和中小批量柔性生产的发展趋势不相适应 7。 液压机技术发展趋势 (1) 高速化、高效化、低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。 (2) 机电液一 体化。充分利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。 (3) 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预20跨距球罐液压机本体设计 7 处理的功能。 (4) 液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来了方便。 几种新型压力机问世 630B 型压力机的轴端平衡操纵方式，简化了结构，提高了可靠性；组合摩擦盘结构，攻克了摩擦盘调整困难的难题；平移式弧 面全行程制动结构，可提高摩擦带使用寿命，并可在全行程任意位随时刹车，提高了安全可靠性；自动润滑装置使主螺旋副处于良好的润滑状态；还备有气动和液压两种顶料方式，可根据用户的不同需要任意选择。 束了借用摩擦压力机和液压机制砖的历史。该机采用了预应力机架，解除了整体机架的工艺不合理性及隐患事故的发生；直推式操纵缸可平衡及移动摩擦盘实现打击；设有打击力超载保护装置及平移式弧面全行程制动装置，为安全操作提供了可靠保证。 复合式压砖 机，采用了计算机控制，具有力能预置、轻重打击排序、全自动打击、液压操纵、故障自动报警及自动打印功能。实现了机电液一体化。特别适合于高密度、低缩孔率、层裂少的镁碳砖、高铝砖、薄耐火材料的压制成型。该机机外加料，机内轻重打击，双向加压，快慢速机外液压出砖，全过程实现全自动控制。各项性能指标与日本三石深井产压机相当，但价格仅是进口的 11右，具有良好的市场前景 8。 2研究方案 及目标 选题的主要研究内容、重点和特点 本课题主要是设计 20跨距球罐液压机的本体结构 。结合已有液压机类型及资料进行设计的结构分析及优化，其中包括对液压缸、立柱及横梁的设计。 表 1 主要技术参数 序号 技术参数 单位 数值 1 公称压力 0 2 系统工作压力 柱内净跨距 500 4 净空高度 500 5 活动工作台行程 200 6 快降速度 mm/s 75 7 工作速度 mm/s 提升速度 mm/s 50 9 工作缸数量 个 2 10 回程缸数量 个 2 计所涉及知识 (1)公称压力： 20跨距球罐液压机本体设计 8 公 称压力是指液压机名义上能够发生的最大力量，在数值上等于工作液体压力以及工作柱塞的总工作面积的乘积，它反映了液压机的主要工作能力。 为了充分利用设备 ,节约高压液体以及满足工艺要求 ,一般大中型通用液压机公称压力可分为两级或三级。泵直接传动液压机压力不需要结构进行分级。 (2)最大净空距： 最大净空距是指活动横梁停在最大上 限位置时，从工作台上表面到活动横梁下表面的距离。最大净空距反映液压机在高度方向上工作空间的大小，它应根据模具（工具）及垫板 高度、工作行程大小和放人坯料、取出工件所需要的空间大小等工艺因素来确定。最大净空距对液压机的总高、立柱长度、液压机本体的稳定性以及 安装厂房高度 等都有很大影响。因此既要尽可能满足工艺要求，又要尽量减小压机的高度，以降低它的造价。 (3)最大行程： 最大行程指活动横梁位于最大上限位置时，活动横梁的立柱导套下平面到立柱限程套上平面的距离，也就是活动横梁可以移动的最大距离。最大行程应根据工件成形过程中所要求的最大工作行程来决定，它直接影响到工作缸和回程缸还有其柱塞的长度以及整个机架的高度。 (4)工作台压力： 工作台一般安装在下横梁上，其上放置了模具或工具，工作台尺寸指工作台面上可以使 用的有效尺寸，工作台尺寸取决于模具（工具）的平面尺寸及工艺过程的安排。大中型锻造或厚板冲压液压机，往往安装有移动工作台。移动工作台的行程则和更换模具及工艺操作方式有关。除了工作台尺寸外，在有些四柱式或双柱式液压机中，反映液压机平面尺寸上工作空间大小的参数，还有立柱中心距（宽边及窄边）。它们应该根据工艺过程操作的要求来决定。 (5)回程力： 计算回程所需力时，要考虑到活动部分的重量、回程时工艺上所需的力（如拔模力、提升剁刀等）、工作缸排液阻力、各缸密封处的摩擦力以及活动横梁导向处的摩擦力等。回程力由活塞缸下腔 工作面积或单独设置的回程缸来实现。 本着满足生产要求、具有足够刚度强度、有良好的经济性和较长使用寿命等原则，主要得出以下拟解决的问题： (1)对 20要是对液压缸、横梁、立柱的结构、形式及尺寸确定。 (2)对液压缸底及法兰部分进行强度校核，法兰部分需重点校核。 (3)对立柱、横梁（重点）部分的强度校核。 本课题的关键问题是： (1)总体结构型式的比较与选择。 20跨距球罐液压机本体设计 9 (2)机架、横梁、立柱、液压缸等主要部件的结构设计与计算。 (3)标准件、常用件的选用。 (4)零部件设计的加工工艺性分析。 难点主要有： (1)液压缸 结构尺寸的确定，从液压缸缸壁到法兰的过度圆弧部分的尺寸设计； (2)横梁的结构设计与力学强度的校核； (3)液压机装配图的绘制； 术路线 (1)文献检索及实地调研 (2)准备开题报告答辩 (3)先设计液压缸并校核 (4)然后在上 梁 上布缸，设计上梁 , 制定参数并校核 (5)根据台面宽度，设计下梁 , 制定参数并校核 (6)根 据开间，设计立柱和模具（动梁、活动横梁等） (7)画总装配图 (8)画零件图 (9)完成设计说明书 (10)最终答辩。 解决的主要问题及预期目标 压缸设计方案选择 本课题主要对液压机的本体结构进行设计，即横梁、立柱、导向和液压缸的设计。 根据主要技术参数，在液压缸的设计上有两种方案： (1)只设有一个工作缸 (2)采用压力分级法用多个工作缸 液压缸采用 设计参数 P=案一： 柱塞直径 方案二： 20跨距球罐液压机本体设计 10 柱塞直径 由此可见，方案一柱塞直径远大于方案二，并且多缸液压机对于工作中的偏心载荷抵抗能力更强。综上，选择方案二进行设计。 体结构型式的比较与选择 通常总体结构形式有铸造和焊接两种。 整体铸造结构的特点是零件数量比较少，加工的面少，机架的刚度大。但需要制作木模和砂箱等。结构上壁厚不可以太薄、厚度差不可以太大，因此重量较大。此外，铸件清砂等均较费工时，单件小批生产时成本 较高，外观也相对的粗糙。 整体焊接式结构的优点是节省了整个铸造工序，制造周期更短。在结构设计上可以根据受力情况合理布局和选用不同厚度的钢板，因此重量很轻。缺点是各钢板焊前加工量大、需要相应的焊接设备还有熟练的焊接技术，来努力减少焊接变形和残余内应力；焊后一般必须消除应力退火。 综合考虑选择焊接 9。 3 机架、横梁、立柱、液压缸等主要部件的结构设计与计算 机架 : 立柱螺纹和螺帽将上下横梁固定紧 ,再加上四根立柱形成一个刚性的受力机架。 横梁：横梁包括上横梁（图 5）、下横梁（图 6）和活动横梁。横梁就通 常设计成上、下封闭的箱型结构件，在安装各种缸、活塞及立柱处一般做成圆筒形，并用筋板与横梁面板相连。在承受较大处，筋板较密以提高横梁刚度，降低局部应力。筋板多布置成网格形或辐射型。此外，结构设计应考虑到起重与清砂的方便。上横梁的断面分布因根据受力情况来考虑，一般梁的中间靠独角两端稍高。在立柱中心较小时，为了便与加工，常设计成等高梁。与立柱链接部位的高度，虽受力较小，一般也不小于中间高度的二分之一。 20跨距球罐液压机本体设计 11 图 5 上横梁结构 图 6 下横梁结构 立柱：考虑到主柱的作用不但要支撑 上梁与油缸，承受工作拉力，还要对活动横梁起导向作用，故设计时选择材料要兼顾，强度要求与耐磨性能的平衡， 一般采用 45钢镀一层硬铬。由于立柱一端要固定在工作台上，另一端要用于固定上横梁，所以在立柱两端都车有螺纹，并且有一个定位台阶。 液压缸部件：活塞式液压缸，此结构在中小型油压机上广泛应用。活塞式液压机可以两个方向作用，即能完成工作行程又可以实现回程，因此简化了液压机的结构，但活塞在运动的两个方向都要密封。而柱塞式液压缸广泛用于工作缸、回程缸及平衡缸等处。它结构简单，制造容易但只能单方向作用，反方向则需要回程 缸来实现。综合考虑选用活塞式液压缸 10。 液压缸用