（机械设计及理论专业论文）ya32500四立柱液压机结构有限元分析和优化设计.pdf

武汉理j c 人学硕士学位论文 摘要 液压机是压力加工的设备之一，它广泛应用于国民经济各部门，种类繁多， 发展迅速，已经成为机床行业的一个重要组成部分。作为一种通用的锻压设备， 其主要零件的变形大小及其它特性将直接或间接影响到工件的加工质量。传统 设计方法把零 孛模型进行筒化，褪略估计零件的各种特性，缀难保证计算的精 度和可靠性。设计者通常不得不加大安全系数，这就必然导致液压机的笨重， 浪费材料丽且无法判断其是否满足重要特性的要求。 有限元法的出现为大型复杂结构件的结构分析提供了一种强有力的精确的 分析手段。论文基于液压机设计理论，参考原有液压机结构设计方案和设计经 验，根据部颁标准确定y a 3 2 5 0 0 四立柱液压机的结构与技术参数，以大型有限 元软件a n s y s 作为分析工具，首先对该型液压机整体结构进行有限元分析和计 算，了解整体结构的受力特点和关键部件的应力状态，然后分割对该液压机的 上、下横梁以及液压缸的结构进行参数化设计，在应力许可范围内，以其重量 为圜标函数进行优化设计。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所 谓最优设计，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出最小。 即，最优设计方案就是一个最有效率的方案。 论文根据计算的结果，对初始设计进行改进，提出了液压机的重要部件的 结构尺寸设计方案，为y a 3 2 5 0 0 四立柱液压机的改进设计提供参考依据。 在优化各个主要部件之看，再对其框架结构，即对上、下横梁和立柱的组 成的框架进行模态分析，液压机在实际生产中伴有较强的振动，严重地削弱了 液噩机的工作能力。液压机的振动闯题一直以来就是急需解决僵又没有彻底解 决的难题。对液压机机身框架结构进行模态分析，求出其固有振动频率和相应 振型，对于解决这个问题有重大的借鉴意义。对液压机整体框架进行建模划分 网格，计算其固有振动频率及其相应振型，并以前十阶为例说明振型对液压机 工作状况的影响，为今后液压机的振动特性分析，振动故障诊断及预报以及结 构动力特性的优化设计提供依据。 关键词：液压祝优化设计有限元a n s y s 武汉理大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si so n eo ft h ep r e s s u r ep r o c e s s i n ga p p a r a t u s ，i ti sw i d e l yu s e di n n a t i o n a le c o n o m i cd e p a r t m e n t s , i th a sg r e a tv a r i e t y , a n di sd e v e l o p e dr a p i d l y , a n d h y d r a u l i cp r e s sh a sb e e na ni m p o r t a n tp a r to ft h em a c h i n et o o li n d u s t r y a sag e n e r a l f o r g i n ge q u i p m e n t , t h ed e f o r m a t i o no fi t sk e yp a r t sa n do t h e rf e a t u r e sd i r e c t l yo r i n d i r e c t l ya f f e c tt h ep r o c e s s i n g 簪蕊移o ft h ep a r t s ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s i m p l i f i e st h em o d e l ，r o u g h l ye s t i m a t e st h ef e a t u r e so fp a r t s ，w h i c hi sd i f f i c u l tt o e n s u r et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y t h ed e s i g n e r su s u a l l yh a v et oi n c r e a s et h ef a c t o r o fs a f e t y , w h i c hi n e v i t a b l yi n c r e a s e st h ew e i g h to fh y d r a u l i cp r e s s ，t h u sl e a d i n gt oa w a s t eo fm a t e r i a l ，m o r e o v e rt h e yc a n tj u d g ew h e t h e ri tm e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h e i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s t h ef e m p r o v i d e su sas t r o n ga n df o r c e f u la n da c c u r a t ea n a l y s i sm e t h o df o rt h e s t r u c t u r ea n a l y s i so fl a r g e - s c a l ec o m p l i c a t e dp a r t s 。t h ep a p e r , b a s e do nt h eh y d r a u l i c p r e s sd e s i g nt h e o r y , c o n s u l t e dt h eo r i g i n a ls t r u c t u r ed e s i g na n dt h ed e s i g n e r s e x p e r i e n c e , d e t e r m i n e dt h es t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h ey a 3 2 - 5 0 0f o u r c o l u m n sh y d r a u l i cp r e s sa c c o r d i n gt ot h es t a n d a r dp u b l i s h e db yt h es e c t o r , f i r s t l y a n a l y z e da n dc o m p u t e dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ep r e s s 蛾斑f f 2 v i ，w i t ht h et o o lo f l a r g ef es o f t w a r e a n s y s ，t h e nb u i l tm o d e l so ft h eu p - b e a m ，t h el o w - b e a m ，a n dt h e h y d r a u l i cp r e s s u r e c y l i n d e rp a r a m e t r i c a l l y , a n dm a d ea l lo p t i m i z a t i o nd e s i g nw i t h t h e i rw e i g h ta st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n o p t i m a ld e s i g ni sa t e c h n o l o g yt os e a r c ha n d d e t e r m i n et h eb e s td e s i g np r o g r a m t h es o c a l l e do p t i m a ld e s i g nr e f e r st oap r o g r a m t h a tm e e t sa l ld e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h em i n i m u me x p e n d i t u r ei sr e q u i r e d 。t h a ti s ， t h eo p t i m a ld e s i g ni st h em o s te f f i c i e n tp r o g r a m a c c o r d i n gt ot h er e s u ra f t e ro p t i m i z a t i o n , t h ep a p e ra m e l i o r a t e st h eo r i g i n a l d e s i g n ，a n dp u t sf o r w a r dt h en e ws t r u c t u r ed e s i g no ft h ek e yp a r t s ，w h i c hp r o v i d e s n e w t h e o r yr e f e r e n c e sf o rt h ey 八3 2 5 0 0f o u rc o l u m n sh y d r a u l i cp r e s sd e s i g n 。 强e p a p e r w o r k so u tt h em o d a la n a l y s i so ft h ef r a m es t r u c t u r e ，w h i c hi sm a d eo f t h eu pb e a m ，l o wb e a ma n dt h ec o l u m n s ，a f t e rt h em a j o rc o m p o n e n t so p t i m i z a t i o n ， h y d r a u l i cp r e s so f t e nw o r k sw i t has t r o n gv i b r a t i o n , w h i c hs e r i o u s l yc o m p r o m i s e s t h ew o r ka b i l i t yo ft h eh y d r a u l i cp r e s s t h eh y d r a u l i cv i b r a t i o ni sa l w a y sab i g p r o b l e mt ob es o l v e di nn e e db u ts t i l ln o tc o m p l e t e l ys o l v e ds of a r 。i ti sam a j o r 珏 武汉理t 大学硕士学位论文 r e f e r e n c et od e r i v et h ei n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o n m o d eb ya n a l y z i n gt h eh y d r a u l i cf r a m e w o r ks t r u c t u r em o d a lt os o l v et h ep r o b l e m t h e p a p e rb u i l d st h ef r a m e w o r km o d e la n dd i v i d e si ti n t og r i d ，c o m p u t e st h en a t u r a l v i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e ，a n dt a k e s t h e t e n t h o r d e rv i b r a t i o nm o d ea sa ne x a m p l et oe x p l a i nt h ei m p a c t i o no ft h ev i b r a t i o nt o t h eh y d r a u l i cw o r kc o n d i t i o n ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h eh y d r a u l i cv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，t h ev i b r a t i o nf a u l t d i a g n o s i sa n df o r e c a s t a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni nt h ef u t u r e 。 k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，o p t i m a ld e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特剐热以标注翻致谢酶遥方外，论文中不包含其携入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的弼志对本研究所做蛉任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：赳日期：捌 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并彝国家有关部门或视构送交论文的复印件寝电子舨，龛许论文被查阅翻稽 阅a 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影露、缩帮或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生 ( 签名) ：氇违车 导师 ( 签名) ：云葺蛐期：蝉 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 液压机是一种利用液体压力来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机床。 随着新工艺及新技术的应用，液压枫在金属加工及菲金属成形方面的疲用越来 越广泛，在机床行业中的占有份额正在大幅度攀升。液压机适用于几乎所有需 要压力加工的工艺。目前液压机主要应用在汽车、家电行业中金属覆盖件的成 形加工；金属机械零件的压力成形，主要包括模压成形、金属型材的挤压成形。 冷热模锻、自由锻造等加工工艺：粉末制品行业，如磁性材料、粉末冶金等： 菲金属材料的压制戚形，如s m c 成型，汽车内饰件的热压成型、橡胶制品等； 术制品的热压成型，比如植物纤维板材、型材的热压加工；其他应用：如压装、 校_ 芷、塑封、压印等工艺。 1 2 课题概述 1 2 1 课题来源和需要解决的关键问题 课题来源：汉阳第一机械厂 需要解决的关键问题： ( 1 ) 对已有生产设备的优缺点进行分析。利用a n s y s 软件对液压机各主要 部件进行建模，并对该模型进行整体分析和强度检验。 ( 2 ) 对液压机的主要部件的尺寸进行灵敏度分奉斤和优化设计，在满足使用 要求的条件下，依据有限元分析分析结果对结构提出合理的改进方案。 l 。2 。2 课题的内容和意义 在机械工业中，锻压设备占有极其重要的地位，其发展水平、拥有量和构成 院不仅对锻压生产起关键作用，丽盈在一定程度上反映一个国家的工业水平， 目前先进工业国家锻压设备所占的比重在全部机床拥有量的3 0 以上。液压机 是一种通用的锻压设备，其主要零件的变形大小及其它特性将直接或间接影响 到工件的加工质量。传统设计方法把零件模型进行简化，粗略估计零件的各种 特性，很难保证计算的精度和可靠性，设计者不得不加大安全系数，这就必然 武汉理工大学硕士学位论文 导致液压机的笨重，浪费材料而且无法判断其是否满足重要特性的要求。有限 元法的出现为大型复杂结构件的结构分析提供了一种强有力的精确的分析手 段。 优化设计是2 0 世纪6 0 年代初发展起来的一门新兴学科，它将数学中的最 优化理论与工程设计领域相结合，使人们在解决工程设计问题时，可以从无数 设计方案中找到最优或尽可能完善的设计方案，大大提高了王程的设计效率和 设计质量。目前，优化设计是工程设计中的一种重要方法，已经广泛应用于各 个工程领域：航空航天、机械、船舶、交通、电子、通讯、建筑、纺织、冶金、 石油、管理等，并产生了巨大的经济效益和社会效益，特别是由于现代国家、 地区和企业之间的激烈竞争，各种原材料、能源的短缺，优化设计越来越受到 入们广泛的重视，并成为2 l 世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。 结构优化设计方法为液压机的结构设计提供一种可靠、精确、快速的新方 法，提高了整机设计承平，具有较高熬理论和实用价值。经过1 0 0 余年，特别 是近5 0 年的发展结构优化设计已经广泛应用到各种工程领域，并取得了巨大的 成功，创造了巨大的经济效益，著推动了工程设计方法与技术的发展。由于一 般的机械零部件都是连续体结构，结构分析非常复杂，进行结构优化设计比较 困难。国内的相关研究比较突出，发表了大量的硬究论文和报告，如：根据机 械设计中离散设计变量较多的情况，提出了离散设计变量结构优化设计方法： 对机床床身等部件进行结构优化设计；研究圆柱拉压弹簧动载下的结构优化设 计；液力传动系和敢级齿轮减速器的结构优化设计研究；斜齿轮三维修形的优 化设计；复杂箱形梁的结构优化设计研究等等。 1 2 3 国内外发震状况 目前欧美、日和韩国等发达国家拥有的大型锻造液压机在主辅机设备及电 液控制方面均处于领先地位，其中美国、俄罗斯、欧洲均有主机设计上的优势， 德图在控制系统和辅助系统设备方面居明显的领先地位。这些国家的大锻件产 品和生产水平都骧显高于世界平均水平。 世界大型自由锻造液压机设计制造技术的现状及发展趋势：( 1 ) 锻造液压 机的公称压力越来越高。近年来，随着电力、钢铁、石化、兵器等行业的迅速 发展，国际市场对相关大型装备的需求量越来越大；如大容量的水电、火电、 核电机组越来越多，1 0 0 0 m w 以上火电机组已成主流产品，且超临界和超超临 2 武汉理t 大学硕十学位论文 界机组渐多；宽厚板轧机的规格已达5 5 m ；石纯反应器的直径也在向6 m 逼近。 因此，市场对尺寸更大、力学性能更优的电站转子及护环、大型宽厚板轧机的 支撑辊及高压容器的筒节、封头等锻件的需求迅速增长，要求锻造液蕊机提供 更高的压力。( 2 ) 液压油逐渐取代乳化液。油具有传动平稳、传动及控制元件 标准化程度高、泵站投资少等优势，特别是其控制技术成熟，可大大提高压机 控制水平。( 3 ) - f 拉式油压枕的保有量迅速增加。下拉式本体结构己爨现多年， 适合生产具有一定批量的锻件。因其采用下传动，地面上部分简洁、低矮，厂 房投资少，加之油压传动简单丽受到青睐。但地下结构复杂，维修有一定困难， 地坑漏油难以处理；另外，机架质量大，位置控制困难，长期以来并未成为主 流机型。近年来出现了一系列专利技术，压下频率和位置控制精度提高，漏油 问题已基本解决。特别是在配备了与主机联动的操作机、p l c 及计算机控制系 统后，可实现柔性很强的程序锻造，对操作者技术水平的依赖减少，生产效率 帮锻件精度均很高。因此，该机型已渐戒3 0 1 , f n 以- f 中小型锻造压机的主流机 型。( 4 ) 自动化控制水平显著提高。电气及液压控制技术的发展几乎在大型压 枫上都有所体现。油压机已全部采用比例或伺服控制技术；水压枫已采用水基 比例控制；多数压机实现了“主机一操作机 联动，为全面实现程序锻造奠定 了基础。电气控制均采用了“工控机一可编程控制器( p l c ) 一网络通信技术， 装备了计算机状态显示和压下、迸给及转角控制系统，自动化水平已大大提高。 ( 5 ) 大型压机本体结构变化不大。大多数大型锻造压机仍保持着典型的三梁四 柱活动工作台结构。因圆立柱很难实现间隙调整，为提高动梁导囱精度，新建 造的压机多数已采用方断面立柱，且间隙可调。 中小型液压辊的发展则朝着以下方向发震：( 1 ) 高速纯，高效化，低能耗。 提高液压机的工作效率，降低生产成本。( 2 ) 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 加工上，而且应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能。( 3 ) 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。标准亿的元件为机器的维修带来方便目前我阑的锻造液压机，特别是 大型液压机的需求量进一步增加，但是大多数液压机都存在着机械化水平低、 锻件精度差、生产效率低的突出润题。在上世纪均未能跟踪世界潮流进行现代 化改造，电液控制水平过低，综合技术水平已严重落后于世界同类企业。此外， 大多数液压机都存在原始设计和制造方面的缺陷。 _ 3 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章液压机本体结构设计 2 1 液压机的基本参数 基本参数是液压机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型 来确定的，反映了液压机的工作能力和特点，也基本上定下了液压机的轮廓尺 寸及本体总重。为了使产品系列化、通用化和标准化，以尽可能的规格和尺寸 来满足多种多样的工艺要求，从而大大简化设计工作及制造工艺，有利于组织 专业化生产，降低成本，提高质量和便于修配，尽可能制订出各种液压机基本 参数的标准系列。 本设计采用最常见的三梁四柱式液压机，其基本参数如下： ( 1 ) 公称压力 公称压力一般是液压机的主参数，反映了液压机的主要工作能力。公称压 力为液压机名义上能发出的最大力量，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。 ( 2 ) 最大净空距( 开口高度) 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。 ( 3 ) 最大行程h 最大行程h 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。 ( 4 ) 立柱中心距l x b 在四立柱液压机中，立柱宽边中心距和窄边中心距分别为l 和b 。立柱中 心距反映液压机平面尺寸上工作空间的大小。立柱宽边中心距应根据工件及模 具( 工具) 的宽度来确定，立柱窄边中心距应考虑更换及放入各种工具、涂抹润滑 剂、观察工艺过程等操作上的要求。 ( 5 ) 回程力 计算回程所需的力量时，要考虑活动部分的重量、回程时工艺上所需的力 量、工作缸排液阻力、各缸密封处的摩擦力以及动梁导套处的摩擦力等。 ( 6 ) 允许最大偏心距e 在液压机工作时，不可避免地要承受偏心载荷。偏心载荷在液压机的宽边 武汉理工人学硕士学位论文 和窄边都会发生。最大允许偏心距是指工件变形阻力接近公称压力时所裁允许 的最大偏心值。在结构设计计算时，必须考虑此偏心值。 ( 7 ) 活动横梁运动速度 活动横梁运动速度分为工作彳亍程速度及空程速度两种。应根据不同的工艺 要求来确定工作行程速度，它的变化范围很大。工作行程及空程的速度直接影 响泵站供液量的计算。 ( 8 ) 移动工作台尺寸及行程 在锻造、模锻以及冲压液压机中往往设置移动工作台。工作台的尺寸取决 子模具的平面尺寸及工艺过程的安排，工作台的行程则和更换模具及工艺操作 方式有关。 ( 9 ) 顶出器 有些液压机往往在下横梁底部装有顶出器，以顶出工件或拉延时使用。顶 出器的力量及行程完全毒工艺要求来确定。 2 。2 液压机本体设计计算方法概述 2 2 1 材料力学方法 在有限元法步入工程实用前，液压机的设计计算只能用材料力学方法。由 于液压机结构十分复杂，建立计算模型时必须对结构做大幅度简化n 1 。 ( 董) 立柱的计算在中心载荷下，由于上、下横梁刚度褶对立柱大得多， 将立柱视为简单受拉杆，计算较为简单。在偏心载荷下，当活动横梁与柱塞刚 性连接时，通常将上、下横梁和立柱构成的三维封闭框架简化为平面困架，并 将上、下横梁视为绝对刚体，通过载荷在上横梁中的平移，最后将立柱化为具 有固定端约束的等截面梁。巍动横梁与柱塞用双球面连接时，仍将机架简化为 平面框架模型，但需要考虑上、下横梁的变形。最终简化为4 个基本受力框架。 分别作出弯矩图，并将其线性迭加即得总弯矩图。 ( 2 ) 上、下横粱的计算上、下横梁的刚度很大，立柱刚度相对很小， 在横梁计算中通常将其简化为等截面或者变截面简支梁。显然，这种计算方法 存在着一些致命的闻题。上、下横梁的刚度虽然很大，但其交形仍可在与立柱 结合面处产生一定的转角，而且该处可能存在复杂的局部变形，这些因素对立 柱的计算结果必将产生影响。 一5 武汉理1 ：大学硕士学位论文 ( 3 ) 整体性分析液压机需通过预紧将立柱与横梁组合为整体机架，锻造 液压机常见的局部预紧机架，是指仅仅将套入横梁部分立柱与横梁预紧。全预 紧组合机架是用长拉杆穿过立柱孔及上下横梁将三者预紧为整体，全预紧组合 枫架的立柱为压弯应力状态，拉应力由拉杆承受，立柱刚度明显提高。在工作 状态，立柱与横梁间的结合面应保持紧密接触状态，不得出现开缝现象。整体 性分析的任务就是确定与此楣关的预紧参数。传统的计算方法如图2 1 所 飘 图2 1 预紧参数计算图 示，两条直线的斜率即为拉杆和立柱的刚度，两直线交点所对应的力即为预紧 力p l 。该方法未考虑横梁的变形，而将其视为绝对刚体，当载荷加至p 3 时即认为 横梁和立柱已完全脱开，工作点应处于p l 和p 3 之闻。 2 2 2 有限元方法 ( 1 ) 横梁和立柱的计算有限元方法可对结构进行相当准确的几何描 述，其分柝结果可反映局部结构的应力、应变分布，从面大大提高了结梅分析 的精度。7 0 年代末美国大型有限元分析软件s a p 进入我国，因当时计算机 性能不强，软件尚无前后处理功能，在压机计算中仅做过尝试。8 0 年代初曾用 平面刚架有限元法分析及优化压机机架，并形成了专用软件。9 0 年代后国际大 型商用有限元软件进入我国，主要液压机生产商均购买了相应的软件，近十几 年来已在液压机设计中得到了广泛应用p 1 0 l 。 因计算精度大幅度提高，人们对计算结果的期望值越来越高，这就要求计 6 武汉理工大学硕十学位论文 算模型中边界条件的精度也应相应提高，特别是部件与部件接触部位的内力分 布对其周围区域的威力分布影响很大，而这些部位常常是高应力区，因为边界 条件不正确而导致计算结果可信度降低的问题已不可忽视 i t - 1 4 1 。 ( 2 ) 整体性分析随着大型有限元分析软件的应用，人们开始以大型软件 为平台，探求新的、更为可靠的方法。在文献f 1 5 】的计算模型中，用i d e a s ) ) 软馋做分析平台，将立柱、横梁固结为三维整体枫架，用温差法麓加拉杆预紧 力，在施加工作载荷后，若立柱与横梁结合面出现拉应力，则认为已开缝，该 方法在三维模型下充分考虑了各部件的细部结构及真实变形，较为准确地施加 了预紧力，使整体性计算水平提高了一步。但因有有限元法应力计算的精度依 赖于单元划分，用界面法向应力做为开缝判断条件难以满足要求，而且无法描 述缝隙的形态。 2 3 液压机本体结构设计及其主要零部件结构设计 2 3 1 液压机本体结构设计方案 液压机一般由本体( 主机) 、动力系统及液压控制系统三部分组成。按照 结构形式分类，液压机主要包括单桂液压机、四柱液压机、框架液压机以及其 他结构的液压视。单柱液压机分为整体机身和组合枫身两种结构，单柱液压机 在工作中，由于机身的变形，滑块与工作台会产生一定的夹角，故多用于精度 要求不高的应用场合，如：噩装，板材压型，校直等工艺。霹柱滚匿枫为通过 四根立柱把上下横梁连接起来，且其带滑块的活动横梁依靠四根立柱导向，机 器具有结构简单，铡造成本低的特点，故应用最为广泛。框架式液压枫用焊接 框架立柱代替四柱液压机中的圆立柱，滑块的导向依靠固定在立柱上的导轨导 向，具有导向精度离，抗偏载能力大等优点，但制造成本比匹柱液压机商，多 用在对精度要求比较高的场合，如金属薄板的冲压、金属紧密成型等工艺。以 上三种液压机占到液压机总数的9 5 以上。根据不同的需要，另外还有各种其 他特殊结构形式的液压枫，如：多柱式、多蠢式、卧式、龙门式等结构的液蘧 机。 根据厂家的图纸和要求，本液压机方案采用的是三梁四柱式结构。其结构 简图如图2 2 所示。这是最常见的结构形式，广泛用于各种液压机中，在这种结 构中上、下横梁与立柱应组成一个刚性封闭框架，它要承受液压机的全部载 7 武汉理t 大学硕十学位论文 荷，不应有任何松动，因此液压机的地基是不承受工作载荷的。 fjlf毛 1 l 珏l l l w ll 何 l 一 一产产 ll ki ll i ， j 上攒聚 活动横粱 下磺粱 图2 2 液压机基本结构图 综合分析中小型液压机结构型式，提出y a 3 2 5 0 0 型液压梳的本体主要部件 结构型式如下： ( 1 ) 液压机主要技术参数列于表2 1 。 表2 1y a 3 2 5 0 0 型液压机技术参数 公称力k n5 0 0 0 液体压力 副融a2 5 工作行程 m l n9 0 0 开嚣高度 融藏l1 5 0 0 满载速度m h 以 1 0 空程速度 珏琏稳尽 2 0 0 回程速度m 眺1 2 0 工作台面 m l l l1 6 0 0 ll o o 顶出力k n 1 0 0 0 ( 2 )机架为三梁四柱组合机架，同时立柱兼具导向作用。 ( 3 ) 上、下横梁和活动横粱均为铸造结构。 ( 4 ) 一个工作缸，一个顶出缸，压力分别为：工作缸5 0 0 0 k n ，顶出缸1 0 0 0 k n 。 一8 - 武汉理工大学硕七学位论文 2 。3 2 主缸的设计 液压缸是液压机的主要执行元件，主要是完成直线往复运动，并将高压液 体的压力能转化成使工件变形或者藏形的机械功。在液压机中的液鼷缸部件逶 常可分为柱塞式、活塞式和差动柱塞式三种。柱塞式液压缸主要应用予水压机， 结构简单，但只能单向作用，反向运动则需依靠回程缸来实现，制造简单；柱 塞式液压缸多用予中小型油压机，双向作用，结构紧凑；但是对配合精度要求 较高，因此直径大、行程长的液压机，为避免缸体加工的困难，多采用柱塞式 液压缸；差动式液压缸比柱塞式多了一处密封和导向，当用作回程缸安装于上 横梁时，连接比较简单，可以承受较大的偏心力矩。 在本设计方案中，采溺活塞式液压缸，如图2 3 所示，活塞式液压缸由活塞 7 及活塞杆l 组成运动部件，在缸体5 中做直线往复运动，并把缸体分为活塞腔 1 一活塞杆2 一导向套3 、8 一动密封圈4 、6 一静密封圈5 一缸体7 一活塞 图2 3 液压缸结构图 与活塞杆腔两个腔，在活塞外部有动密封圈8 ，内有静密封圈6 ，以隔开两个不 隧油压的活塞腔与活塞杆腔。当活塞腔逶入高压油，丽活塞秆腔通低愿回油时， 活塞向左运动，为工作行程：而当活塞杆腔通高压油，活塞杆腔通低压油时， 为回程。由于可以两个方向作用，既能完成工作行程，又可以实现回程，因此 简化了液压机的结构，使液压枫结构紧凑，零件减少，所需安装空间小。在运 动时，除了活塞杆有导向套2 导向外，活塞沿缸壁滑动，也有导向作用，因此 9 蝉 武汉理：大学硕士学位论文 导淹性麓好。 液压缸的材料根据工作介质的聪力大小及工作缸的尺寸大小来选择，选择 范围很广，对于低压小尺寸的液压镀，可使用灰墨铸铁，常用的为h t 2 0 0 一 h t 3 5 0 ，要求高一些的可用球墨铸铁，要求再高的可用铸钢。活塞的表面质量对 工作缸密封装置和导向套的磨损以及寿命有极大的影响，因此活塞的表面必须 具有足够的硬度和良好豹赧糙度。为了达到遮一要求，隶l 造活塞蘸材料一觳选 用含碳量较高的碳索钢，锻造毛坯，机加工后表面进行特殊处理。在本设计中 初始方案采藤了4 5 号钢。对缸体进行调质处理，a s = 3 5 5 m p a ，安全系数n = 2 。5 ， 许用心】可用到1 4 2 m p a 。在我国自2 0 世纪7 0 年代前期开始，就积极开展了液 压镀标准化的制定，以及其他有关液压缸部件及密封件的国家和行业标准。 主缸结构参数设计如下： 巧= 专纠 ( 2 一重) 筇r 。 。 式中k 缸的公称压力 斛材料的许耀瘦力，驳1 4 2 m p a 卜工作缸的活塞最小半径 经式( 2 1 ) 计算得r 1 8 8 m m ，在原设计方案中墩r = 2 2 5 m m 。 缸的内径为 di=d+at=2rl(2-2) 式中卜缸与活塞之闯的阀隙； r l 缸的内半径； t 疑z m = 5 0 ，盘式( 2 ，2 ) 褥，主赶内径d = 5 0 0 m m 。液压缸井径d 2 为 耻俄跞 q - 3 ) 带入d l = 5 0 0 r a m ，【仃】= 1 4 2 m p a ，p = 3 1 5 m p a ，由式( 2 - 3 ) 得，d 2 = 6 4 0 m m ， 在原设计方案孛，d 2 = 6 4 5 m m 。又根据公式： 拶= i p x 1 0 再3 s ( 2 4 ) 习炎。一孬s h 眩刮 式中r 液压缸法兰外半径 卜液压缸外半径 ，1 0 - 武汉理工大学硕士学位论文 由式( 2 - 4 ) 计算得舱2 4 9 m m ，在原设计方案中，法兰外径r = 3 6 0 ，则d f - - 7 2 0 m m 。 2 3 3 上、下横梁及活动横梁的结构设计方案 三个横梁( 上横梁、活动横梁及下横梁) 是液压机本体十分重要的部件， 它们的外形轮廓尺寸很大，重量也大，占液压机本体总重的绝大部分。为了节 约金属帮减轻重量，一般将横梁做成箱形，在安装各种缸、柱塞及立柱的地方 做成圆筒形，中间加设筋板，承载大的地方筋板较密，以提高刚度，降低局部 应力。合理布置筋板，可以使横梁重量轻，又有足够的强度和均匀的嚣l 度，筋 板一般按方格形或者辐射形布置。 中小型液压机的横梁多数为整体结构，横梁由铸造或者焊接制成，霉前以 铸造为多，一般采用z g 3 5 铸钢。在设计横梁结构时，应注意使各部分厚度没有 突然变化，特别是铸造的横梁，以避免不均匀冷却而产生内应力，在各处连接 过渡区应有较大的圆角。 设计上、下横梁时，为了减轻重量，根据“等强度梁”的概念，设计成不 等高梁，帮立柱柱套处的高度h 夸于中闻截西的高度联。健在过渡区会有应力集 中。影响过渡区应力集中的主要因素有3 个： ( 1 ) 过渡圆角半径r ，在结构允谗的情况下，应尽量增大r ，以减轻应力集 中： ( 2 ) 横梁中间截面高度和柱套高度比h h 不应过大，对小型液压机应尽可能 采用等高梁，即h = h ，对大中型液压机，建议采用h = 1 2 h ； ( 3 ) 倾角，试验表明，当其他条件不变时，倾角不宜过大。 在液压机的设计孛，梁的设计的合理性，刚度、强度分析的可靠性直接影 响到梁的功能的发挥和使用寿命，进而影响到整体功能的发挥，因此梁的结构 分析与设计方案的拟定是本液压机设计的重点之一。 l 上横梁设计方案 ( 1 ) 结构形式上横梁位于立柱上部，用于安装工作缸，承受工作缸的反作 用力。在原设计方案中采用h t 2 5 0 铸铁，其结构如下图2 - 4 所示。其设计原则 是在满足相连部件最小几何尺寸要求和工艺要求的条件下，有效提高粱的强度 和刚度，合理布置梁的结构，尽可能减小英尺寸，从而达到减轻重量，节省材 料的目的。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 上横梁结构图 ( 2 ) 形状尺寸要求上横梁通过立柱联接成机身上半部，并安装工作油 缸。为使其组成的空间合乎要求，以及活塞运行平稳，因此要求上横梁安装油 缸孔的轴线与安装油缸的台肩平面废垂直，上横梁与调节螺母接触面与主油缸 台肩接触应平行，以及立柱穿过孔的上下平面应平行等等。具体要求为： 王) 安装主油缸孔轴线与油缸台肩贴合平面不垂直度允差翊0 6 1 0 0 0 m m ； 2 ) 调节螺母接触平面与油缸台肩贴合平面的不平行度允差 0 0 5 1 0 0 0 m m ： 3 ) 锁紧螺母接触面与调节螺母接触匿闯不平行度允差9 1 6 1 0 0 0 r a m ； 4 ) 油缸锁紧螺母平面与油缸台肩贴合平面间不平行度允差 o 1 2 1 0 0 0 m m 5 ) 与油缸外圆配合公差为d 4 d c 4 或高于此级； 6 ) 立柱孔尺寸一般比立柱插入端直径大l 2 m m 。 _ 1 2 武汉理t 火学硕士学位论文 ( 3 ) 上横梁与油缸的联接方式依靠匿螺母露定油缸，如图2 5 所示，上横 梁l ，油赧2 ，螺母3 。油缸外圆与上横梁定位孔配合，利用圆螺母将油缸紧固 于上横梁上。当油缸加压时，油缸台肩传递反作用力于横梁，联接零件圆螺母 不受反律用力的律爝，只有巍油缸圈程工作时，回程力作用予联接零件上。敌 圆螺母的强度只要满足回程力要求即可。 1 上横粱2 ，油缸3 螺母 霉2 。5 横梁与漓缸的联接 2 下横梁设计方案 ( 1 ) 结构形式下楱粱帮工作套是主橇的安装基础。台嚣上露定模具，工 作审承受本体的重量及全部载荷，以及安装顶出缸和其它辅助装置。工作台所 选材料为h t 2 5 0 ，采用铸造的方法，其结构形式与上横粱楣圊，如图2 - 6 所示。 一差3 - 武汉理工人学硕士学位论文 k ”秘 p 。，一7 l。 一1 i。毫 箩一 o 一! l 1 j l 。l 、 稳 鞠 l 杰j 遵 j 一 1 童i 肇夕 j f ! l ”弘。 杰! 心i 圉2 ，6 下横梁结构图 ( 2 ) 形获尺寸要求工作台是整机的基础性零件，是安装模具的基准，此 外在工作台上还要安装顶出缸和其它零部件。因此，对工作台面的不平度、各 部件安装定位基面均应有磐要静技术要求。具体要求菇： 1 ) 工作台台面不平直度，安装j b l 2 9 3 7 3 标准允差郢0 5 1 0 0 0 m m ； 2 ) 安装顶出缸魏的轴线与预遗缸台腐贴合平面闻不垂直度龛差 蜘0 3 3 0 0 m m ； 3 ) 预出油缸台肩之贴合葱与王佟台面阀不平行发允差蛰，0 5 3 0 0 m m ； 4 ) 立柱锁紧螺母之贴合平面与工作台台两阉不平行度允麓 与工作台熬合之壤瑟对立拄导翘表面之跳动量允差不大芋0 。0 5 m m ； ( 5 ) 材料选择4 5 号锻钢。罨坯应正火处理，消除锻造过程的内应力； ( 6 ) 立柱导囊表露硬度不低于h r c 4 5 ，可进行表面镀铬处理，厚度 o 0 2 0 0 4 r a m 。 立柱与上横粱、工作台的联接方式是表明立桂结构的主要特征。在选择立 柱结构时，应考虑到它与上横梁、工作台闻应可靠预紧、安装方便和便于调整 机器的精度。在本设计中采用的结构是，上横梁用立柱肩台调节螺母支承，立 撞扁台支持在王孬台面上，两端用锁紧螺母锁紧。如图2 堰所忝。这种立柱结构 精度调整和加工不搬复杂，精度调整简便可靠。 在本设计中立柱的强度计算主要是考虑承受孛心载荷鲍情况，在这里假设 横粱为绝对刚性，全部立柱平均承受拉伸载荷。 一董5 * 武汉理工大学硕士学位论文 拶= 蕊4 p i g 嘲 ( 2 2 ) 式中p 液压机公称力( n ) ； d 秽立拄最小直径( 拨强) ； n 盘柱数量； 【g 一立桂材糕许焉拉 拳应力，对4 5 钢，阐可取是8 0 m p a 。 图2 8 立柱结构图 由式( 2 - 2 ) 计算褥；d 宦1 4 2 m m ，在本设计方案中取d o = 1 6 0 r r a n 。 2 4 本章小结 本章给出了y a 3 2 - - 5 0 0 液压机的本体结构初步方案，同时给出了主工作缸 的结构设计方案，上下横粱翔活动横梁的结构设计方案，立柱的结构设计和连 接方案，并计算出各个部件的设计参数。 - 1 7 _ 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章液压机主要部件的有限元分析和优化设计 3 1 引言 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓最优设计，指的是一 种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出( 如重量、面积、体积、应 力、费用等) 最小。释，最优设计方案就是一个最有效率麴方案。设诗方案豹 任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸( 如厚度) 、形状( 如过渡圆角的大小) 、 支撵位置、铡造费用、塞然频率默及材料特性等。实际上，所有可蹉参数讫的 a n s y s 选项均可以作优化设计。 a n s y s 提供了两嵇优化酶方法，这嚣种方法可以处理绝大多数的优优滔题。 零阶方法是一个很完善的处理方法，可以有效地处理大多数工程阿题。一阶方 法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对 予这两种方法，a n s y s 提供了一系列的分析评德一修正的循环过程。就 是对于初始设计进行分析，对分析结构就设计要求进行评估，然后修正设计。 这一循嚣过程重复进行壹到所有蕊设诗要求郝满是为止。 在a n s y s 的优化设计中包括的基本定义有：设计变量、状态变量、目标函 数、合理和不舍理的设计、分糈文件、迭代、循环、设计序列等。 ( 1 ) 设计变量“d e s i g nv a r i a b l e s ( d v s ) 设计变量为自变量，往徒是长度、厚度、直径或者几何模型参数，且为一 个独立的参数，优化结果就是通过改变设计燮量的数值来实现的。每个设计变 量郝有上下限，它定义了设计变量的变化范围。a n s y s 优化程序允许定义不超 过6 0 个设计变量。 ( 2 ) 状态变量“s t a t ev a r i a b l e s ( s v s ) 状态变量是约束设计的数值，如应力、溢度、热流率、频率、变形等。它 们是因变量，是设计变量的函数，其可能会祷上下限，也可能只有单方面的限 制，即只有上限或只有下限。在a n s y s 优化程序中可以定义不超过1 0 0 个