（机械制造及其自动化专业论文）xp2g315压装校正液压机结构优化设计.pdf

江苏大学高校教师硕士学位论文 摘要 液压机是利用液体传动技术进行加工的重要压力加工设备。传统的设计方法 存在设计周期长、结构冗余、成本高、缺乏对结果的验证等诸多弊端。面对日益 激烈的市场竞争，企业迫切地需要了解液压机的静力学应力应变分布规律，并在 此基础上对液压机的结构进行优化。有限元分析和结构优化等c a e 技术的应用， 对于缩短产品开发周期，提高产品质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重 要意义。本文所采用的有限元分析技术是解决上述问题的理想方法。 本文介绍了液压机的工作原理、结构特点、设计方法及适用范围、有限单元 法和结构优化的理论和方法、国内外液压机传统设计及有限元分析研究和应用现 状。以x p 2 g 3 1 5 压装校正液压机为研究对象，提出了液压机部件静态有限元分析 和结构优化的思路，针对机身侧板等重要部件进行静态有限元分析，得到了应力 应变分布云图。根据有限元分析结果，对液压机机身进行结构改进和优化。 本论文首先在确定了液压机初步设计方案后，采用传统理论方法对徐州三缘 锻压设备股份有限公司生产的x p 2 g 3 1 5 压装校正液压机机身进行了强度和刚度 计算，然后采用s o l i d 9 5 实体单元建立机身的有限元模型并进行了计算，对机身的 变形大小和应力分布进行分析，从而定量确定机身的薄弱环节，并分别将材料力 学和有限元两种方法计算的机身变形及受力情况进行分析，得出两种计算结果基 本一致的结论。 通过机身各部分结构对机身应力和变形的影响分析，指出喉口处等危险截面 应力应变的规律，根据分析结果和该截面优化，提出了基于静态结构性能计算的 机身优化方案。 本文关于液压机有限元分析以及结构优化的研究工作，其分析思路和方法有 较大的通用性和工程实践价值，并在徐州三缘锻压设备股份有限公司的“x p 2 g 3 1 5 压装校正液压机结构优化设计 项目中取得了显著的工程价值和经济效益。 关键词：液压机，机身侧板，有限元分析，优化设计，a n s y s 有限元软件 江苏大学高校教师硕士学位论文 a bs t r a c t h y d r a u l i cp r e s s u r ei sa ni m p o r t a n ts m i t h e r ym e c h a n i s m t h e r ea r em a n yp r o b l e m s i nt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o ds u c ha sl o n gp e r i o d ，s t r u c t u r er e d u n d a n y ，h i g hc o s ta n d l a c ko fv a l i d a t i o ne t c i no r d e rt of a c et h ed r a s t i cc o m p e t i t i o n ，t h ec o r p o r a t i o n sn e e dt o c o m p r e h e n dt h ed i s t r i b u t i n gr u l eo fs t a t i s t i cs t r e s sa n ds t r a i no fh y d r a u l i cp r e s s u r ea n d e x e c u t et h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb a s e do nt h er e s u l t s t h ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni ss i g n i f i c a n ti ns h o r t e n i n gt h ep e r i o do fp r o d u c t i o n d e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n ，r e d u c i n gt h ec o s to fm a n u f a c t u r ea n d i m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v ea b i l i t y t h ef e at e c h n o l o g yi nt h i sp a p e ri s t h e p e r f e c tm e t h o dt os o l v ea b o v ep r o b l e m s t h ep a p e ri n t r o d u c e dw o r kp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g nm e t h o da n d a p p l i c a t i o nr a n g eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e ；i n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dm e t h o do fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n df e a ；i n t r o d u c e dt h es t a t u so fr e s e a r c ha n di t st r a d i t i o n a ld e s i g na n d a p p l i c a t i o na b o u tt h ef e a i nh y d r a u l i cp r e s s u r eh o m ea n do v e r s e a s t h ep a p e rp u t f o r w a r dt h er o u t eo fs t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rt h e c o m p o n e n t so fh y d r a u l i cp r e s s u r e ，p e r f o r m e d t h es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f i m p o r t a n tc o m p o n e n t si n c l u d i n gh i g h e rb e a m ，a t t a i n e dt h ed i s t r i b u t i n gn e p h o g r a mo f s t r e s sa n ds t r a i n t h ep a p e re x e c u t e dt h eb o d yo p t i m i z a t i o na n da m e l i o r a t i o nb a s e do n t h er e s u l t so fs t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f i r s tt h et e n e a t i v ep r o g r a mi sd e s i g n e d ，t h em e t h o do ft r a d i t i o n a lt h e o r yi sa d o p t e d f o rs t r e n g t ha n d r i g i d i t yc a l c u l a t i o nt ot h ef u s e l a g eo ft h ex p 2 g - 3 1 5h y d r a u l i cp r e s s u r e ， t h el o a d so ff r a m eo f p r e s st h a tu s e di na n a l y s i sa r ed e t e r m i n e db yt h ef u l l ya n a l y t i c a l p r e s sc h a r a c t e r i s t i c ss o l i d 9 5o fs t r u c t u r ea n dl o a d t h el o a dd i s t r i b u t i o na n dm a g n i t u d e i nt h ec r a n kh o l ea r ec a l c u l a t e db yw a yo ft h es i m u l a t i v el o a d i n g b a s e do nt h ea n a l y s i sa n da f f e c t i o no ft h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no ft h e f r a m e ，as p e c i a lp r o g r a mf o rc a l c u l a t i n gt h ed a n g e rs e c t i o ni nf l a m et h r o a ti sd e v e l o p e d s o m eo p t i m a ls t a t i co p t i m i z a t i o np r o j e c t sa r eb r o u g h tf o r w a r da n ds e l e c t e do nt h eb a s e o fc o n c l u s i o nt h a th a sb e e ng a i n e d t h er e s e a r c ho ft h e o r ya n dm e t h o d so fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb a s e df e ap o s s e s s v e r s a t i l i t ya n dp r a c t i c a lv a l u ea n dh u g ee c o n o m yb e n e f i ta n de n g i n e e r i n gv a l u ei nt h e p r o j e c to fo p t i m i z a t i o nd e s i g no fx p 2 g - 3 1 5h y d r a u l i cp r e s s u r e k e y w o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，s i d ep l a t e ，f e a , o p t i m i s t i cd e s i g n ，a n s y ss o f t w a r e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密町。 学位论文作者签名：套。 叫年| 厶只 日 指导教师签名： 订年l 刍只| 8 m 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苓步 日期：吖年户月矿i s 江苏大学高校教师硕士学位论文 第一章绪论 1 1液压机国内外发展概况 早在1 6 6 2 年，帕斯卡就发现了利用液体产生很大力量的可能性。1 7 9 5 年英国 人b r a m a k 取得了手动液压机的专利。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特首先使用了锻造钢锭 用的锻造水压机，由于它与锻锤相比具有很多优点，如加工精度高，冲击小，动 力传递效率高等，因此发展较快。随着航空工业的迅速发展，液压机的公称压力 不断提高，1 9 3 4 年德国制造了7 0 m n 的模锻水压机，第二次世界大战期间，德国又 制造了3 0 0 m n 的模锻水压机，1 9 5 5 年美国先后制造了3 1 5 m n 及4 5 0 m n 的大型模锻 水压机，前苏联则在5 0 年代后期先后制造了3 0 0 m n 及7 5 0 m n 的大型液压机。 由于液压机在工作中的广泛适用性， 如板材成形、粉末冶金、管线型材挤压、 它还普遍应用于国民经济的各个部门， 胶合板压制、打包、人造金刚石、耐火 砖压制、电缆包覆、石墨电极压制成形、轮轴压装、校直等等。各种类型的中小 型液压机发展十分迅速，有力地促进了各种工业的发展。 1 9 4 9 年以前，我国没有自己独立的工业体系，也根本没有液压机制造工业， 只有一些修配用的小型液压机。1 9 4 9 年以后，我国迅速建立了独立自主的完整工 业体系。我国已能自行设计和制造汽车、机车、发电设备、轧钢设备、飞机、火 箭、人造卫星等产品，这些都促进了各种液压机的发展。1 9 5 7 年至1 9 6 2 年间，我 国己开始自行设计、自行制造各种锻压设备，其中有近3 0 台1 0 0 0 k n 到3 1 5 0 k n 的中 型锻造水压机及二台1 2 5 m n 的大型模锻水压机。 6 0 年代，我国先后成套设计并制造了一些大型液压机，其中有3 0 0 1 v l n 有色金 属模锻水压机、1 2 0 m n 有色金属挤压机、8 0 m n 黑色金属模锻水压机等。7 0 年代以 后，我国已向国外出口了多台各种吨位的液压机，其中最大的一台为6 0 m n ，说明 我国的液压机设计和制造已达到一定的先进水平2 1 。 8 0 年代以来，液压机技术有了飞速发展，发展方向是快速化、大型化小型化、 数控化、精密化。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 采用数控( n c ) 及计算机控制( c n c ) 技术，以实现工艺过程自动化 及提高各运动部分的控制精度。例如中小型液压机在逐步实现液压机及操作机联 动的基础上，可以采取计算机程序控制，在锻件高度方向的尺寸公差已可控制在 l m m 左右。目前，中小型液压机已有取代老式蒸汽一空气自由锻锤的趋势。在 江苏大学高校教师硕士学位论文 中小型模锻液压机方面，采用微机辅助的检测控制系统，可以根据压力大小来补 偿工作台、机架、滑块及模具等环节受载变形带来的误差，从而使滑块停止位置 精度小于0 1 m m 。在液压机板料折弯机中，采用计算机控制的自动弯曲补偿装置， 可经常保持折弯机机身和横梁之间的平行度，从而保证了折弯精度。c n c 控制的 全自动矫正液压机，其控制模块包括检测计算和存储，在考虑毛坯原始弯曲程度 材料硬度性能等原始条件下，经过计算机运算，可得出优化的矫正过程。矫正过 程中出现的问题可随时在屏幕上显示出来，以便于修正嘲。 ( 2 ) 出现了快速换模装置。它包括设立中间模具库、模具转台、横向换砧装 置及快速夹紧机构等，以适应多品种小批量的市场需求。如瑞典制造的d p - - 2 0 0 a 一1 0 型深拉延液压机，模具初调在机外进行，安装完毕后进入压力机，新型夹紧 装置使模具在液压机上的拆装时间不至l j l m i n ，同时完成行程压力的调整，再借助 待加工板材进行生产调整，2 m i n 内即可投入生产。 ( 3 ) 采用各种先进的快速滑阀或插装阀，减少阀的换向时间，使阀的响应时 间减少至l j l o m s 以下。 ( 4 ) 采用各种有效的缓冲装置，以减少冲裁时的振动及噪声，扩大液压机的 应用范围。 ( 5 ) 逐步向柔性加工系统( f m s ) 发展，即把微电子技术、自动检测及反馈、 工业机器人和自动仓库结合在一起，将多台不同功能的设备组成柔性加工系统或 中心，以适应中小批量多品种工件的自动化合理加工5 3 吲。 1 2 液压机分类及其特征 1 2 1 液压机分类 液压机按其用途分为十个组别： ( 1 ) 锻造液压机：用于自由锻造、钢锭开坯以及有色与黑色金属模锻； ( 2 ) 冲压液压机：用于各种薄板及厚板冲压，其中有单动、双动及橡皮模冲 压等； ( 3 ) 一般用途液压机：各种万能液压机； ( 4 ) 校正、压装液压机：用于零件校形及装配； ( 5 ) 层压液压机：用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘材料板的压制； ( 6 ) 挤压、拉伸、穿孔液压机：分别用于挤压各种有色金属及黑色金属的线 材、管材、棒材及型材，工件的拉伸及穿孔等工艺； 2 江苏大学高校教师硕士学位论文 ( 7 ) 压制液压机：用于粉末制品的压制成形； ( 8 ) 打包、压块液压机； ( 9 ) 各种专用液压机； ( 1 0 ) 手动液压机。 液压机本体一般由机架、液压缸部件、运动部分及其导向装置组成，从机架 组成上分为梁柱组合式、，单臂式和框架式川。 ( 1 ) 梁柱组合式 梁柱组合式中最常见的是三梁四柱式即四柱式液压机，它广泛应用于各种用 途的液压机中。横梁为铸造结构，也有采用焊接结构的。上、下横梁与立柱组成 一个刚性的封闭框架，以承受液压机的全部工作载荷。必须注意保证立柱与横梁 的刚性联接，不应有任何松动。立柱在联接区附近往往会有应力集中。 四柱式结构( 图1 2 a ) 的优点是工作空间宽敞，便于四面观察和接近模具。整 体结构简单，工艺性能好。缺点是承受偏心载荷能力较差，最大载荷偏心距一般 为跨度( 即左右方向的中心距) 的3 左右，由于立柱刚度较差，在偏载下活动横 梁与工作台面间易产生倾斜和水平位移，同时立柱导向面磨损后不能调整和补 偿。这些缺点在一定程度上限制了它的应用范围。 ( 2 ) 单臂式 单臂式结构又称“c ”型床身或开式结构，其结构示意图见图1 2 b 。 这种液压机的优点是操作方便，可三面接近工件，装卸工件简单方便，特别 是杆类、轴类工件的校直、压装、镦粗等工艺应用这一结构式十分方便。缺点是 机身为悬臂梁受力，因此变形较大，机架刚度很差特别是在受力变形不对称致使 主缸中心线对台面的垂直性产生角位移情况，将使模具间隙偏向一侧，主缸活塞 承受弯曲应力，因而使密封结构和导套工作恶化，磨损加剧，寿命降低。通常为 了使角位移控制在6 以内，机架中梁和支柱的应力大多在4 0 m p a 以下。 ( 3 ) 框架式 框架式结构在各种液压机中应用相当广泛。主机结构可分为下列两种： 1 ) 整体框架式 整体框架结构( 图1 3 a ) 多用于小型液压机。由于机架在工作过程中承受拉力和 弯曲应力，因此大多采用钢板焊接和整体铸钢结构。整体框架式结构的优点是零 件数量少、重量轻、刚度大。但零件单件重量较大，焊后加工工艺较为复杂，有 时需要专门设备加工，以保证较高的精度和导轨支承面对工作台的垂直度。整体 3 江苏大学高校教师硕士学位论文 框架结构的缺点为支柱和横梁在转角处应力集中，而且在转角处往往应力最大， 其应力集中点的应力可能较计算应力大1 5 - - 3 倍，形成薄弱环节。 _ ( a ) 整体框架式( b ) 四柱拉杆式 图1 3 框架式液压机结构图 2 ) 四柱拉杆式 这种结构( 图1 3 b ) l 拘优点是各零件结构和工艺性简单，单件重量较小，支柱只 承受压应力，工作中水平变形较小，并消除了整体结构中转角处的应力集中。但 是，这结构将增加各结合面的加工量和拉杆，并需采用加热或液压加载方式将 拉杆伸长预紧。因此组合式结构总重量一般均较大。这种结构形式在大中型液压 机上应用极为广泛。 1 2 2 液压机的特点 液压机与其它锻压设备相比具有以下特点： ( 1 ) 基于液压传动的原理，执行元件( 缸及柱塞或活塞) 结构简单，结构上 易于实现很大的工作压力、较大的工作空间和较长的工作行程，因此适应性强， 便于压制大型工件。 ( 2 ) 在形成的任何位置均可产生压力额定的工作压力。可以实现保压工作状 态。 ( 3 ) 可以用简单的方法在一个工作循环中调压或限压，不易超载，易于保护 模具。 ( 4 ) 滑块的形成可以在一定范围内任意的改变。 ( 5 ) 滑块速度可以在一定范围内在相当大的程度上进行调节，从而可以适应 工艺过程对滑块速度的不同要求。 ( 6 ) 工作平稳，振动、噪声相对较小，对工人身体健康、厂房基础、周围环 境及设备本身都很有好处。 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 液压机的缺点： ( 1 ) 由于液体具有可压缩性，在快速卸载时，可能会引起液压机本体或液压 系统的振动，因此不太适合告诉冲裁、剪切等工艺。 ( 2 ) 工作液体有一定使用寿命，到一定时间应更换。 ( 3 ) 由于工作缸内升压及降压都需要一定时间，阀的换向也需要一定时间， 而且空程速度不够高，因此响应时间有限制。 1 3 液压机设计内容 1 3 1 液压机工作原理及主要技术参数 液压机是利用液体传动技术进行压力加工的设备，结构布局灵活，压力和速 度可在大的范围内无级调整，可在任意位置输出全部功率和保持所需压力，液压 元件具有通用化、标准化的特点，设计制造较为简单，所以液压机在国民经济各 部门得到了日益广泛的应用。其工作原理如图1 1 所示。两个充满工作液体的具有 柱塞或活塞的容腔由管道相连接，当小柱塞1 上的作用力为f 1 时，液体的压力为 p ：墨 a ( 1 1 ) 式中a 1 一柱塞1 的工作面积。 根据帕斯卡原理，在密闭的容器中，液体压力在各个方向上是相等的，则压 力p 将传递到容腔的每一点，因此，在大柱塞2 上将产生向上的作用力恐，迫使工 件3 变形，且 最2 巧等 ( 1 2 ) 式中a 2 一大柱塞2 的工作面积。 3 2 f l 、 、 ji f 2 a t - a 2 l 1 液压机工作原理 1柱塞2大柱塞3工件 江苏大学高校教师硕士学位论文 液压机设计是由加工对象一工件的工艺要求决定的，因此在整个设计过程中， 应详细分析压制工作的各执行机构的动作( 包括压力、速度、相对位置关系和运 动精度) ，工作空问和装卸要求等等。 液压机的主要技术参数有： 公称压力( 公称吨位) 公称压力是指液压机名义上能产生的最大力量，在数值上等于工作液体压力 和工作柱塞总工作面积的乘积，它反映了液脏机的主要工作能力。 开口高度( 最大净空距) h 最大净空距h 是指活动横梁停在上限位置时，从工作台上表面到活动横梁下表 面的距离( 见图1 2a ) 。 最大净空距反映了液压机在高度方向上工作空间的大小，它应根据模具及相 应挚板的高度、工作行程大小以及放入坯料、取出工件所需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、液压机本体稳定性以及安装厂 房高度等都有很大影响。 单臂式液压机的最大净空距为压头下平面到工作台上表面的距离( 图1 2b ) 。 t ( a ) 四柱式液压机( b ) 单臂式液压机 图1 2 液压机示意图 最大行程s 最大行程s 是指活动横梁位于上限位置时，活动横梁的立柱导套下平面到立柱 限程套上平面的距离，也即活动横梁能够移动的最大距离。 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确定，它直接影响 工作缸和回程缸及其柱塞的长度以及整个机架的高度。 6 江苏大学高校教师硕士学位论文 工作台尺寸( 长宽) 工作台一般安装在下横梁上，其上安放模具或f ：具，工作台尺寸指工作台面 上可以利用的有效尺寸，工作台尺寸取决于模具的、 三面尺寸及工艺过程的安排。 回程力 回程力指液压缸返回上限时所需要的力。 活动横梁运动速度( 滑块速度) 活动横梁运动速度可分为工作行程速度、空行程( 充液行程) 速度及回程速 度。 顶出器公称压力及行程 有些液压机还装有顶出器，以项出或夹紧模具或工件。顶出器的力量及行程 完全由工艺要求来确定。 1 3 2 液压机的设计内容 液压机是压力加工的主要设备之一，它广泛应用于国民经济各部门，因此品 种繁多，结构和复杂程度差别很大。但不论设计哪一种液压机，设计方法和程序 都有共性的一面，即： 第一，对压制的工件进行详细的工艺分析，了解工件的尺寸、形状、材料、 重量、技术要求和压制的工艺过程对机器的要求，包括压力、速度、位移和位移 精度、工作空间、自动化装卸配合方式等等。总之，通过工艺分析达到明确本机 加工工艺过程，即一个工作循环中每一个动作的详细要求和必要的调整范围。 第二，调查研究。任何设计都要尽力达到满足用户的使用要求，制造工艺性 好和具有先进的技术经济指标，因此应认真调查研究用户的要求和意见，并应尽 可能搜集和研究国内外同类型产品的结构性能的有关资料，在此基础上初步设计 出一个设计方案。通过会审，确定一个最佳方案。 第三，通过样机试制、性能试验和工艺试验，验证设计是否符合预期的要求， 并对设计做出必要的修改。 液压机设计过程的主要内容是： 1 ) 液压机主要技术参数的确定 确定液压机主要技术参数是设计工作中最重要的步骤之一，因为它直接关系 到所设计的液压机是否能满足零件压制的质量和生产要求，同时它也是设计各零 部件的依据。因此，必须仔细分析机器所加工工件的工艺动作程序，仔细分析所 使用的模具尺寸和安装要求，仔细分析各工艺动作要求的压力、速度、相对位置 7 江苏大学高校教师硕士学位论文 关系、工作行程和行程停止点的位置精度要求。 确定主要技术参数时，基本的方法是工艺分析和统计分析相结合的方法。通 过对压制工艺过程的分析和必要的工艺实验，可以确定整个压制过程动作配合关 系和各动作要求的压制压力、速度和工作空间等。对条件较为成熟的压制工艺， 例如冲裁，常用钢零件的挤压等，也可依据已经积累的经验和有关计算公式来决 定有关参数。 在设计专用产品时，往往对压制零件只有工艺设想，缺乏实际试验或者因试 验条件限制而不能较为准确地提供参数要求，就是在设计标准系列产品时，也常 常遇到很多困难，例如既要尽可能满足大多数使用单位的要求，但又不能使设计 的机器过于庞大、复杂致使机器成本增加等，因此，必须较为准确地确定所设计 产品加工的零件范围，典型零件的压制工艺和模具结构以确定有关参数。 在确定参数时，应尽可能的收集国内外同类型产品的有关部门技术资料，应 用统计分析的方法，得出各参数的范围和它们之间的关系，以帮助正确制订所设 计产品的主要技术参数。 2 ) 动作线图 动作线图是表示液压机各执行机构的位移一时间关系的。动作线图上反映的 是各动作行程、速度和它们之问配合的关系。 3 ) 液压系统和电器系统 液压系统是根据工艺流程设计的各种液压控制回路，以实现工艺过程。为实 现液压机的工艺动作就必须设计响应的电器控制系统。 4 ) 总体设计方案 以上我们根据工件的工艺分析、统计分析和调查研究的各种资料，确定了所 设计的液压机的主要技术规格、动作线图、液压系统和电气系统。这一阶段就是 要将上述原理和要求具体化，即设计相应的各个零部件和主机结构，并按照结构 简单，制造、使用和维修方便的原则合理布局。 ( 1 ) 液压机零部件初步设计 在设计过程中，通常是首先根据主要技术参数和液压系统的要求，将各液压 缸设计出来，然后按照经验统计的有关结构比例关系和最简单的计算方法做初步 计算，并考虑到结构造型和各零部件的布置要求确定主机的各主要零件的外形尺 寸。在此基础上绘制初步的总图，然后根据受力情况做进一步分析和计算，进行 必要的修改。 8 江苏大学高校教师硕士学位论文 1 1 四柱式液压机机身各零部件初步设计可取下列数值： 立柱：按平均简单拉伸应力为5 0 m p a 决定最小断面直径。 工作台高度：0 4 - - - 0 7 倍立柱中心距，大台面小吨位的取偏小数值。 上横梁高度：0 4 - - 0 8 倍立柱中心距。 活动横梁高度：0 3 - - 0 6 倍立柱中心距。 各梁结构：应尽可能设计成箱形结构。 2 ) 框架式液压机机身各零件初步设计可取以下数值： 整体框架式：机身工作台和上横梁高度：0 6 - - 0 8 倍工作台左右方向的宽 度。 支柱宽度：0 2 5 - - 0 4 倍工作台左右方向的宽度。初步设计时，可按上下梁 为简支梁计算，弯曲应力6 0 m p a ；支柱可按均匀拉伸计算，拉应力弋 5 0 m p a 。 对四柱拉杆式，拉杆直径可按在1 5 倍公称压力下，取拉杆拉伸应力为l o f t - - 1 2 0 m p a 计算，其余与整体框架式类似。 滑块高度：一般液压机滑块高度为工作台左右方向宽度的0 3 0 6 倍。 ( 2 ) 总体布置 总体布置是指液压机动力站、电气系统、主机等的相对位置关系。 1 4 液压机开发及应用中存在的主要问题 目前，液压机的总体设计的主要方法还是材料力学的设计计算方法，即框架 式液压机按简支梁计算，c 型液压机按悬臂梁计算，这种计算方法存在简化大，相 应计算误差也大的缺陷，如作为计算依据则所取的安全系数相应较大，且只能计 算出所关心的有限的几个部位的力学性能情况，不能得出液压机整体的性能。而 有限元法作为一种行之有效的数值计算方法就由一些学者引用了进来。 我国在6 0 年代初，由大连理工大学的冯康教授等开始了对有限元应用于锻压 机械设计的研究。在7 0 年代，北京工业大学锻压教研室在黄乃强教授的领导下， 研究将有限元应用于塑性成形及锻压机械设计中，先后对开式压力机机身、闭式 压力机机身、剪板机机身、框式整体机身、闭式双点压力机滑块、板料折弯机主 要零部件( 机身、工作台、滑块、前后面板等) 、液压机油缸以及机械压力机的保 险块等进行过有限元计算，取得了一些成果 7 - 1 2 。 在这些成果中不仅有关于单元网格类型的自动生成的研讨 1 3 3 也有关于分网 中需二次分网技术的研究与应用1 4 3 0 大量的文献对于金属成形上的有限元模拟进 9 江苏大学高校教师硕士学位论文 行了分析与计算，如静液挤压过程中挤压应力的数值模拟h 5 ，法兰件开式成形的 数值模拟 1 6 y 液压机上冲盂成形的有限元模拟e 1 7 这些都是基于塑性、刚塑性或 刚粘塑性有限元模型上的模拟与仿真，通过分析建立合理的有限元模型，得出了 弹塑性应力、应变和位移的分布规律，证明了有限元法的计算结果和实验的一致 性。 在液压机的主体设计中，对2 0 m n 模锻水压机的液压缸进行了有限元计算和优 化设计h 引，讨论了应力分布规律，首次计算出过去不为人们所注意的液压缸缸底 的应力分布，而经典的计算方法是把液压缸按厚壁筒公式计算的，受力和支承情 况均大大简化了，无法与试验相吻合。当有限元法在液压机上取得了积极作用之 后，该方法也逐渐为研究者所认同。液压机的滑块是一个重要的运动单元，滑块 既要有足够的刚度和强度，又希望自重轻，以节约金属，材料力学算法是将滑块 简化成简支梁，作用力在两支点问均布，而有限元由于采用了实体建模使得计算 结果与实际更吻合。如在材料力学计算中支点处的弯矩为零，剪切应力最大，所 以，过此点截面上的弯曲应力为零。但有限元计算表明此截面上仍然有水平方向 ( x 向) 的应力存在e 5 o 之后又有对液压机闭式机身的有限元计算 1 9 1 近年来有 限元法在锻压行业的应用更加活跃，且趋于采用更先进的软件来进行模拟啪3 ，或 对某些参数进行优化分析。就有文献对水压机挚板在加载时对载荷的传递进行了 有限元分析，并得到挚板厚度对应力传递的影响e 2 1 。 机械部济南铸造锻压机械研究所总工程师闵学熊高工对有限元在我国锻压机 械设计中的应用作了如下介绍：“许多高等院校如清华大学、上海交大、西安交大、 北京工业大学、重庆大学、天津大学等等，广泛应用优化设计理论、有限单元法 对锻压机械主要零件，如开式压力机机身、闭式压力机机身、钢丝缠绕机架、磨 擦压力机机杆、法兰支承油缸、压力机主传动的偏心轴等进行强度、刚度的现代 化设计计算。 5 1 1 5 本课题的主要研究内容及意义 本课题是与徐州三缘锻压设备股份有限公司的合作项目，属国内新型液压机 的攻关科研课题。本机是专为抽油机的抽油管而加工设计的。随着油管的深入地 壳对其的压力及磨损势必增大，因此此管的管端应适当加厚，增加强度，使之能 承受相应的压力和温度。该液压机是为无锡西姆莱斯石油专用管有限公司专门设 计生产的。 1 0 江苏大学高校教师硕士学位论文 原型机产于德国，机身庞大，结构复杂，用材巨大。本课题的目的就是要对 机身用材进行分析，并对机器的结构进行优化设计。由于设计周期短，任务重， 鉴于机身侧板用材较多，因此公司要求重点对机身侧板进行优化设计，得出比较 理想的机身侧板的厚度。 本课题的选题意义：虽然在各种文献中有关于压力成形加工、模具设计与制 造的有限元法的模拟，有关于锻压机械采用传统优化设计方法的论述，但用有限 元法对液压机进行分析的不多。即使用有限元法，也大都是对机械压力机、剪板 机、锻锤的部件或某一部分进行分析，对c 型液压机进行的有限元分析和优化设计 还未见有文献报道。本文将采用有限元法对c 型液压机机身的侧板进行分析，得出 力法的有限元解，模拟出其应力场及位移场，再与材料力学解的结果进行对比分 析。然后再用有限元法对液压机的有关参数进行优化设计，对优化结果进行有限 元模拟。 鉴于该设备的重要性及填补国内同种产品空白的重大意义，因此，不仅要设 计生产出高质量的产品，还要对其进行较准确、令人信服的设计计算。为此，在 原型机的基础上，进行设计工作。 本课题主要从事三个方面的研究工作。 侧墙结构钢板采用q 2 3 5 a 钢板厚度为2 块8 0 r a m 的板焊接起来使用，分析计 算出其应力场、位移场，检验能否满足使用要求及设计标准； 对原设计进行优化设计，优化出相应的主要参数； 对优化出的设计结果进行分析计算，进一步校核结果的可行性。 分析计算及优化设计均采用a n s y s 有限元分析软件来进行。 1 6 本章小结 本章回顾了液压机的历史沿革，介绍了液压机的原理、分类及主要技术参数， 简要说明了液压机的设计程序。对有限元法在锻压行业的发展及应用进行了总结， 简要介绍了本论文的选题和研究内容。 1 1 江苏大学高校教师硕士学位论文 第二章液压机设计与使用要求 2 1 液压机设计要求 与任何机床一样，机身是液压机主要零部件，也是液压机的安装基础，并承 受工作中的全部载荷，因此机身的设计在液压机设计中占据重要的地位。 在设计过程中，首先根据其主要技术规格和液压系统的要求，将液压缸设计 出来，然后根据经验设计有关结构比例关系和最简单的计算方法做初步计算，并 考虑到结构造型和各零部件的布置要求确定主机各部分尺寸结构，在此基础上绘 制初步的总图，然后根据进一步设计计算，进行必要的修改。 液压机的主机包括机身、各执行机构、各液压缸和滑块等合理选择主机结构 对于确保使用要求，及其的制造工艺性和其它技术经济指标都有很大的意义。机 身结构有四柱式结构、整体框架式结构、单柱式结构、复合式结构等类型。 单柱式液压机的设计要求： 单柱式液压机又称为“c 型液压机。这种结构的特点为开式结构，装卸模具 和工件均十分方便，整体式机身结构上下梁在工作中承受弯曲和剪应力，支柱则 承受拉伸和弯曲载荷，最大应力截面在上下梁与立柱的转角处。转角内侧受拉弯 合成应力，故应力最大，二转角处也是应力集中点，故设计上应予以加强或采取 较大的过渡圆角半径。单柱式机身设计时主要按刚度条件设计，故强度设计时许 用应力选择较低数值。一般用钢板焊接结构中最大取 盯 6 0 0 - - - - 7 0 0 k g f o n 2 。 单柱式液压机受力厚必然产生变形，表示变形的特性指标有两种表示方法， 其一是上下梁内侧在主缸中心线上的两点，在公称载荷作用下的相对位移。其二 是在公称载荷作用下，主缸中心线的转角。从单柱液压机的结构特点( 变形的不 对称性) 和工作过程对整机的要求来分析，采用限制主缸中心线的转角是比较合 理的。对于一般单柱式液压机取转角位移不大于67。 机器应安装在混凝土基础上，具体施工图纸应由用户基础设计人员根据本地 具体情况决定。 ， 2 2 液压机安装要求 液压机安装可按下列顺序进行： 1 ) 首先将工作台、动力机构及电气箱、按钮站按照外观图所示的相对位置安 江苏大学高校教师硕士学位论文 装，以工作台上平面为基准面，用水平尺测量其不平行度在各方向不大于 0 2 0 l o o m m ，然后将地脚螺栓紧固和灌浆。 2 ) 将顶出缸装入工作台之中心孔内，将下面的螺f 江锁紧( 注意油管入口位置) ， 把下缸行程控制支架装在下缸缸底。 3 ) 将滑块放置在工作台上面中心孔处，并在两个工作平面之间垫以足够高度 之垫块( 挚块可以用会属，但必须保证使两个工作平面平行) 其立柱孔应相互对 正。 4 ) 将立柱由上方分别插入滑块及各种台之四立柱孔内，调整立柱上之调节螺 母，使调节螺母之上平面距各种台面之距离为2 4 2 0 c m 。 5 ) 将油缸装入上横梁中，用大锁母锁紧( 注意油官入口位置) ，然后将主缸 及上横梁垂直吊起，套入立柱之上，再把上下之立柱锁紧螺母拧在立柱上，下锁 紧螺母应充分紧固，上锁紧螺母则应稍留间隙( 约l m m ) 以备调整精度时用，主 缸之柱塞暂时不应与滑块相连接。 6 ) 将充满筒装于主缸上面，注意其端面之密封垫，勿使得其发生漏油。 7 ) 按外形总图并参考液压原理图，安装全部管路。 8 ) 将油箱和充液筒内注入经严格过滤后的干净油液，加油量约9 0 0 公斤，共 计约1 8 0 0 公斤。 完成上述工作后，安装基本结束，即可进行试车： 2 3 液压机试车要求 本机之试车可按下列顺序进行： 1 ) 试车前应全面检查安装工作是否完善，各管路线路是否正确牢固，并应充 分熟悉随机文件和本机之具体情况。 2 ) 在未启动前先将本机油箱上面之所有调节手柄尽量放松。 3 ) 首次开车前一定先将纯净之工作油液注入高压油泵泵体内，可拧下油泵之 液流口接头，直接注入，直到油泵体内充满油液为至。 4 ) 接通电源，分别启动两个电动机，检视其旋转方向是否和规定的旋向一致， 否则，应将电线接头倒相。调整后，即可正式启动电动机，使油泵处于空负荷运 转状态，此时应检查电动机和油泵工作是否正常。两个主电动机最好不要同时启 动，以避免瞬时启动电流过大。 5 ) 将电路选择为调整工作方式，按压压制按钮，使主缸活塞下行；按压回程 江苏大学高校教师硕士学位论文 按钮，使主缸活塞回程，如因各液流阀过于方松，而使工作油压太低而不能使活 塞回程时，可稍将液流阀受柄旋转，适当建立一些压力，活塞即可开始回程。在 按压各按钮时，各相应部位均应正常动作，使主缸和顶出缸全行程动作数次，即 可将油缸和管路中空气排除干净。 6 ) 将滑块由下向上吊起( n - - i 利用起重装置或千斤顶，也可利用主缸活塞回程 动作) 使上下工作台面距离大于6 0 0 m m 将主缸活塞下行至与滑块上平面相接触后， 把法兰用螺栓紧固，并保证法兰端面与滑块上平面相相距5 m m 间隙，应注意再活 塞与滑块接近时，其中心是否对中，如有偏差可适当旋转立柱上之调节螺母，使 其调节至尽量同心后再行接触紧固，在有较大之中心偏差时，万万勿强行压入， 以免损坏机器。 7 ) 滑块与主缸活塞紧固联接后，应立即进行机身之精度调整，按随机附带之 合格证明书中所规定之精度标准调整，只要在全部精度调整至合格范围内，才能 继续试车，否则将有损伤机器之可能。精度调整合格后，可将立柱锁紧螺母尽量 紧固。 8 ) 准备一金属挚片( 试车坫子或工作模具) 其高度应大于6 0 0 m m ，接触平面 不应小于6 0 0 x6 0 0 e r a ，并有承受6 0 0 0 k n 之足够强度，挚块之上下平面的不平行 度允差为o 0 2 4 0 0 ，将次金属挚块放置在工作台中央，用以进负荷试车。 9 ) 在金属垫上加压，通过缓慢旋紧液流阀手柄，调整液体压力时可按8 ，1 0 ， 2 0 直至最大2 5 m p a 逐级上升，安全用液流阀应调至2 7 m p a 紧固。 1 0 ) 主缸回程油路中之1 5 液流阀应调节螺栓，使其建立压力直至滑块在任意 位置时不应有下滑现象。 1 1 ) 将电路选择为半自动工作方式，把行程开关调至所需位置。进行自动工 作循环试验。主缸保压性能要求在1 0 分钟内压力降不得大于2 5 m p a 。保压试验也 可在停机后进行，在利用电接点压力表进行工作时一般应使液流阀压力稍高于电 接点压力表约1 m p a ，以避免电接点压力表动作后压力仍有上冲之现象。 1 2 ) 负荷试车后应再次测量主机精度，应全部符合要求。 至此，整个试车工作即告结束，可以投入生产使用。 2 4 本章小结 本章介绍了液压机的设计及使用、安装要求。明确了设计和安装的规范。 1 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 第三章液压机结构设计 3 1 液压机的设计概述 液压机的设计过程中要根据加工的实际条件，参考液压机设计的一些典型结 构和同类产品结构性能等进行分析比较，确定总体设计方案，然后对主要零部件 和液压系统、电气系统等设计提出具体的要求，进行详细核算。在液压机设计过 程中，一个重要议题是： 确定主要技术规格； 确定总体设计方案； 主要零部件的强度和刚度计算。 3 1 1 载荷确定 石油管由于端部所受压力较大，磨损也非常大，而其它部位相应工作条件要 好得多，因此只考虑将加厚管焊接在其端部。 石油专用管管端的管坯下料尺寸为由9 8 r a m x 巾7 6 m m 5 4 0 r a m ，采用“外径 不变，缩小内径的镦粗方式，使镦粗后工件毛坯尺寸为巾9 4 m m x 由6 5 m m x 3 6 0 m m ，材料4 5 # 钢。 本机原型机为德国产液压机，工作台尺寸为1 6 0 0 1 4 0 0 r a m ，主缸公称压力为 6