（机械工程专业论文）1300吨油压机综合技改设计、制造与安装技术.pdf

摘要 摘要 本文研究分析和实现了一台1 3 0 0 吨油压机改造项目的总体设计及机身强度 计算、框架制作和设备安装工艺。主要改造内容包括原1 0 0 0 吨水压系统更换成 1 3 0 0 吨液压系统；机身加固、有效开档加宽；更换电控系统；优化结构等。 本文系统阐述了项目改造过程中涉及的关键技术、存在的问题及解决方法， 大体如下： 1 、改造后1 3 0 0 吨油压机机身在原有框架基础上有效开档加宽、主梁加固。 加宽采用各主梁联接部分增加过渡联接梁。加固采用主梁( 上横梁、底梁、立 柱) 破开盖板重新布置加强筋和更换厚盖板方案。 2 、改造后的油压机公称压力增加，有效开档加大，且是在原有存在疲劳的 框架基础上进行改造，因此必须对机身主要部件进行强度和刚度计算。计算方 法采用了： 1 ) 采用典型材料结构力学基本原理，分析机身各主梁的受力情况，用截面 简化等效法和编程软件进行强度和刚性计算； 2 ) 采用有限元分析法进行建模，数据分析，优化设计参数方法。 3 、因工作状况活动横梁会产生不可避免的偏载，偏载对油缸及联接部分的 损伤是很大的，加速密封圈的磨损甚至是缸体的磨损，同时容易剪断活塞杆与 活动横梁的联接螺栓，为此活塞( 柱塞) 杆与活动横梁的联接采用活动球面联 接结构，可避免偏载产生的侧向力传给油缸和联接螺栓，减少油缸密封圈磨损 和避免联接螺栓剪断现象。 关键词：油压机、受力分析、液压系统、有限元分析、活动球面联接 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h eo v e r a l ld e s i g no fa13 0 0 to i lp r e s s e r r e n o v a t i o np r o j e c ta n db o d ys t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，f a b r i c a t i o no ff l a m ea n de q u i p m e n t i n s t a l l a t i o nt e c h n o l o g y r e n o v a t i o nm a i n l yi n c l u d e s ：c h a n g i n gt h eo r i g i n a l10 0 0 t h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mi n t o 130 0 th y d r a u l i c s y s t e m ；r e i n f o r c i n gb o d ya n d w i d e n i n ge f f e c t i v ed i s t a n c e ；r e p l a c e m e n to fe l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m ；o p t i m i z a t i o n s t r u c t u r e ；e t c t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d sk e yt e c h n o l o g y , p r o b l e m sa n d r e s o l u t i o n sr e l a t e dt or e n o v a t i o np r o j e c t ，w h i c ha r eg e n e r a la sf o l l o w s ： ( 1 ) a f t e rr e n o v a t i o n ，t h eb o d yo ft h e13 0 0 to i lp r e s s e ri sw i d e n e de f f e c t i v e d i s t a n c ea n di sr e i n f o r c e dm a i nb e a mb a s eo nt h eo r i g i n a lf r a m e w o r k w i d e n i n g t r a n s i t i o n a l l yc o n n e c t i n gb e a m ss h a l lb ec o n s t r u c t e da tt h ec o n n e c t i o n so fe v e r ym a i n b e a m r e i n f o r c e m e n ti sb a s e do nm a i nb e a m ( u p p e rb e a m ，b o t t o mb e a m ，u p r i 咖) t o b r e a kc o v e rp l a t et or e a r r a n g er e i n f o r c i n gr i ba n dt or e p l a c et h i c kc o v e r p l a t e ( 2 ) a f t e rr e n o v a t i o n ，t h er a t e dw o r k i n gp r e s s u r eo fo i lp r e s s e ri si n c r e a s e da n d t h ee f f e c t i v ed i s t a n c ei sa l s o i n c r e a s e d m o r e o v e r , t h er e n o v a t i o ni sb a s e do nt h e o r i g i n a l l yf a t i g u ef r a m e w o r k s oi ti sn e c e s s a r yt oc a l c u l a t et h es t r e n g t ha n dr i g i d i t y o fb o d y sm a i nc o m p o n e n t s m e t h o d so fc a l c u l a t i o ni n c l u d e ：1 b a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l e so ft y p i c a lm a t e r i a ls t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，a n a l y z i n gf o r c es i t u a t i o no fb o d y s e a c hm a i nb e a m ，t h e nc a l c u l a t i n gs t r e n g t ha n dr i g i d i t yb ys e c t i o ns i m p l ee q u i v a l e n t m e t h o da n dp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ；2 u s i n gt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st o b u i l dm o d e l s ，d a t aa n a l y s i sa n d o p t i m u md e s i g np a r a m e t e r ( 3 ) u n b a l a n c el o a do ft h em o v i n gc r o s s b e a mw o u l dt o o kp l a c eu n a v o i d a b l y b e c a u s eo fw o r k i n gc o n d i t i o n s t h eu n b a l a n c el o a dc a nl e a dt og r e a td a m a g et oo i l c y l i n d e ra n dc o n n e c t i o n s ，a c c e l e r a t i n gs e a lr i n g s w e a ra n de v e nc y l i n d e rb o d yw e a r a n da t t a c h m e n tb o l tb e t w e e np i s t o nr o da n dm o v i n gc r o s s b e a mc a nb es h e a r e de a s i l y t h e r e f o r e ，c o n n e c t i o n sb e t w e e np i s t o n ( p l u n g e r ) r o da n dm o v i n gc r o s s b e a ms h o u l d u s et h es t r u c t u r eo ff l e x i b l es p h e r i c a lc o n n e c t i o n i nt h i sw a y , s i d ef o r c eg e n e r a t e db y u n b a l a n c el o a dc a nb ea v o i d e dt ot r a n s f e rt oo i lc y l i n d e ra n da t t a c h m e n tb o l t ，t h u s r e d u c i n gw e a ro fs e a lt i n g sa n da v o i d i n gt h es h e a ro fa t t a c h m e n tb o l t k e yw o r d s ：o i lp r e s s e r ；f o r c ea n a l y s i s ；h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；f l e x i b l es p h e r i c a lc o n n e c t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 背景与相关技术现状 随着我国能源、石油、化工等行业的飞速发展，国家对石油能源战略储备 的加大，大型化的储罐需求量也在加大。尤其是大型容器、球罐、船罐产品这 几年得到飞速发展。球罐产品属于国家“十二五”国家战略性新兴产业发展规划 中支持的能源装备的发展项目，根据国家十二五战略规划发展方向将继续加大、 加快大型能源装备的发展，大型储罐在未来发展中大有前景。 图1 1 化：1 二球罐群基地 江联公司主要制造锅炉、压力容器、球罐及船罐产品，其中球罐制造及现 场安装业务是重头戏，球罐制造及现场安装业务对公司产值和利润的贡献超过 总额的三分之一，目前球罐制造产能月均在2 0 0 0 吨，根据市场预计可达3 0 0 0 吨左右，因此球罐产品做强做大与公司的发展息息相关。就球罐产品本身发展 特点来说，目前球罐越来越向大型化、重型化、厚板化、多钢种( 碳钢、不锈 钢等) 发展。以我公司为例，前几年主要以1 0 0 0 立方、3 0 0 0 立方为主，现在发 展到5 0 0 0 立方、1 0 0 0 0 立方大型储罐，板厚从1 4 m m 、1 6 m m 发展到现在6 0 m m ； 另产品材质从原来的q 2 3 5 发展到高强的钢1 6 m n r ，不锈钢、钛合金钢等，随 着产品板厚、屈服强度的增加，对制造工艺要求也更高了。 球罐产品制造工艺：一般分场内球片制作和场外现场球片安装工程两部分。 其中球片场内的制作是关键，其工艺是：板材下料、粗压、割边、精压、坡口 第1 章绪论 加工、油漆包装等。从球片制作工艺可以看出，压制是球片制作的主要工艺也 是关键工艺。球片的压制通常采用的是压力机设备，该类设备有水压机、油压 机，随着液压系统技术的不断进步，目前油压机得到了广泛应用。一个企业压 机的数量、规格能力、装备水平决定了该企业球罐的生产能力。 1 1 1 概述 液压机自1 9 世纪问世以来发展很快，已成为工业生产中必不可少的设备之 一。液压机是利用液压传动技术进行压力加工的设备，它是一种无削成型加工， 其工作原理是利用液体的压力传递能量，其工作特点动力传动为“柔性”传动和直 线传动【i j 。 液压机一般由机身、动力及执行机构、辅助部件等组成。机身是液压机各主 要零部件的基础，并承受工作中的全部载荷，机身一般分上横梁、工作台、左 右支架三部分组成。动力机构由电机马达、油泵及油缸等主要部件。执行机构 一般由操作结构、活动横梁、模具等组成。 液压机与机械压力机相比，具有压力和速度可在广泛的范围内无级调整， 可在任意位置输出全部功率和保持所需压力，机构布局灵活、各执行机构动作 可很方便地达到所希望的配合关系等等许多优点。同时液压元件具有高度的通 用化标准化特点，设计和制造较为简单1 2 i 。所以液压机在国民经济各部门得到了 日益广发的应用。如板材成型 3 】；管、线、型材挤压：粉末冶金、塑料及橡胶制 品成型：胶合板压制、打包；人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型；轮轴 压装、校直校正、塑封、压印【4 】等等。 液压机按工作介质分为：工作介质采用油的为油压机、工作介质采用乳化 液的为水压机。它们各自优缺点： 1 、油压机在防腐蚀、防锈和润滑方面的性能优于水压机，但成本较高，且 油或污染工作场地。 2 、水压机的乳化液便宜，不燃烧，不污染场地，用于耗油量较大、需要热 加工用的情况，但水对零部件的腐蚀厉害，使其寿命短，且零部件承受的工作 压力一般低于设计压力，一般不得超过2 5 m p a 5 1 ，否则泄露严重，水压机操作控 制系统方式因采用“水控水”，这种控制方式的控制精度不高，响应速度慢、可靠 性低【们。 按工艺用途分类：单柱式、四柱式、框架式和复合式结构。 ， 一 第1 章绪论 1 1 2 国内外液压机技术发展状况 从液压机的诞生至今，国外经历了1 0 0 多年的发展，作为液压机两大组成 部分的主机和液压系统，液压机的发展比较成熟，整机结构以及控制系统都比 较完善了。我国的液压机工业起步比较晚，但发展也比较迅速，目前国内外机 型无较大差距。主要差别在于液压及电气控制技术和零部件的加工工艺、安装 等方面。国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏技术含量高的高档 机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。良好的工 艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面【丌，有较明显改善【8 j 。 在液压机整机的设计、制造在大型化方面走在国际前面，目前某公司将联 合清华大学等机构，整合各方资源，正在设计制造国内最大的l o 万吨大型模锻 液压机，用于中国大飞机工程配套的大型模锻液压机项目。这一项目将改变世 界航天航空业大型锻件生产格局。另外，清华大学已经研发出16 万吨模锻液压 机，1 6 万吨是俄罗斯7 5 万吨压机的2 倍多，是美国4 5 万吨的3 5 倍多。另天 水锻压机床有限公司独立研制开发的目前国内最大的t d y 3 7 3 2 0 0 1 1 2 0 x 1 3 0 0 0 制管液压机，机床公称压力3 2 0 0 吨，工作台长1 4 3 0 0 m m ，最大开启高度2 3 1 0 m m 。 在液压机大型化方面中国液压机设计制造达到了国际领先水平。 上世纪八十年代以来，随着微电子技术、液压技术等的发展和普及应用， 液压机有了更进一步的发展，尤其在控制系统方面得到飞速发展，为改进液压 机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能【9 儿1 0 j 。 在国内外液压机产品中，按照液压机电液控制方式的发展阶段可分为三个 阶段 ：第一个阶段是以继电器为主控元件的传统型液压机( 开关控制) ；第二 个阶段是采用可编程控制器控制的液压机( 伺服控制) ；第三个阶段是应用高级 微处理器( 或工业控制计算机) ( 比例控制) 的高性能液压机。三个阶段时期的 液压机类型功能各有差异，应用范围也不尽相同，但总的发展趋势是高速化、 智能化。 第一阶段，继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构 简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，但适应性不强、稳定性、 柔性差。其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产( 如餐具、 厨具产品等) ，其也可组成简单的生产线。现在，国内许多液压机厂家是以这种 机型为主，使用对象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民用产品。国外 发达国家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两个阶段时期技 3 第l 章绪论 术含量高的机型组织生产。 第二阶段，可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发 出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心 12 1 ，把自动化技术，计算机技术，通 讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置。可编程控制器控制方式是介于继电 器方式和工业控制机控制方式之间的一种控制方式。可编程控制器有较高的稳 定性和灵活性，但在功能方面与工业控制机相比有一定差异。现在，国内有些 厂家采用可编程控制器控制方式，国内几个液压机主要生产厂家，如天津锻压 机械公司、合肥锻压机械公司等近6 0 的产品装有p l c 。国外厂家如丹麦的 s t e n h q j 公司采用了s i e m e n s 的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。 第三阶段，工业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采 用的一种高技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片单板机作 为主控单元，通过外围接口器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对 液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确 控制的目的。 现在，国外众多液压机生产厂家生产这种高性能的工业控制机控制方式的 液压机产品，如美国m u l t i p r e s s ，丹麦s t e n h q j 及加拿大的b r o w n b o g g s 等公司。正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产 效率都有很大提高。而与国外发展情况相比，国内极少有采用工业控制机控制 方式的产品，成熟的产品是采用可编程控制器( p l c ) 的控制方式。 在液压传动及控制技术的发展过程中，比例控制和插装阀技术【1 3 1 9 1 在2 0 世 纪最后2 0 年中得到了快速发展，被公认是现在液压技术最重要的进展和转折点 z o l o 在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、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较广泛的应用。国外已开始 广泛采用封闭式循环油路设计。这种油路设计有效地防止泄油和污染。更重要 的防止灰尘、污物、空气、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。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 测和维护【2 卜2 3 j ，如b r o w nb o g g s 产品可实现负载检测、自动模具保护以及 错误诊断等功能。 总体而言，国内外液压机技术发展趋势主要有以下几点 2 4 - 2 5 ： 4 第1 章绪论 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。充分合理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。自动化不仅仅体现的在加工，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。 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方便。 1 1 3 大型液压机机身设计技术发展状况 在液压机产品设计开发中，机身的占据设备总重7 0 ，在新产品的开发中， 液压机系统和电气控制系统疾病都在其现有的系统上加以改进，唯独机身每台 产品都是不一样的，工况的不一样要求机身结构、尺寸、受力情况也不一样。 因此，机身的设计历来是液压机设计中的重点和难点。 液压机机身设计主要包括机身结构设计和机身的强度、刚度计算。目前我 国液压机机身的设计方法还比较落后，主要根据以往的机型图纸和经验用材料 力学进行设计和计算。随着计算机的发展，采用计算机辅助设计( c a d ) 进行 图纸设计代替传统的手工绘图，但在强度和刚度计算还是采用传统的材料力学 和经验进行技术，这种设计手段周期长、工作量大，计算结果不准确，设计出 来的机身结构不合理、用材量大、机身笨重，失去市场竞争力。 目前国外在液压机产品设计开发方面，出现了以计算机辅助设计( c a d ) 口6 l 、 计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助实验( c a t ) 等先进技术应用到液压机设计、制造中，尤其是近代出现的有限元分析法。有 限元法是随着电子计算机的发展而发展起来的新的结构分析技术，它是利用电 子计算机进行数值模拟分析的方法，是一种获得工程问题近似解的数值计算方 法，有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 分析及优化技术在现代设计方法中起 着极为重要的作用【27 i 。 有限元法是随着电子计算机的发展而发展起来的现代计算方法，是2 0 世纪 5 0 年代首先应用在飞机结构静态、动态特性分析应用中的一种有效数值分析方 法。有限元分析的原理：它是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法，是一 种获得工程问题近似解的数值计算方法，有限元法的原理是用简单的离散体来 第1 章绪论 代替复杂的连续体，将那个复杂的问题简化后进行求解。有限元法得到的应力 和位移一般都是近似值，当单元划分的足够多，单元位移函数选择合理时，其 有限元法分析得到的结果就越接近实际值，能够满足于实际工程问题的需要。 如液压机机身设计有限元分析原理，采用有限元应用软件对机身进行有限元分 析，通过建模、划分单元格、可准确地模拟机身各部分的受力和变形情况，得 到有关的力学特性，对其进行判断是否满足要求或进行优化。 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 分析及优化技术在已成为液压机复杂 受载情况和强量化的重要工具【2 8 - 5 1 j 。其特点有： 1 、应用范围广，目前在工程技术领域中应用十分广泛，尤其在对大型复杂 结构进行分析的有力工具，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的 可靠依据i 32 | 。有限元分析可以分析那些使用典型的结构分析不能解决的问题， 如：对于大量的静不定、复杂结构，非典型结构。 2 、根据静力学分析结果，对机身的结构参数进行优化和改进，可获得机身 最佳截面形状1 3 引，既提高了机身强度、刚度和角刚度，又减轻了机身重量，可使 机架重量减少月1 0 【34 | 。因此，对于压力机轻量化设计具有重要的参考价值， 它已经成为液压机复杂受载情况和轻量化的重要工具【3 引，同时有限元法分析给 压力机框架式机架的设计提供了新的思路和方法【3 6 】。 3 、能够有效缩短研制周期，降低开发成本，提高产品的质量和可靠性【3 7 1 。 目前我国液压机本体设计中的强度、刚度以及整体工作性能分析，仍然是 以传统材料力学为依据，仅凭经验和直觉来设计。用材料力学解决这样复杂的 实际问题，不得不把空间问题简化为平面问题，复杂动态的问题简化为单一静 态问题，这样就极大地偏离了实际情况。为此，设计过程中不得不采用把材料 的许用强度降低，以牺牲结构的合理性来换取结构的安全性的方法。故设计出 来的产品就显得体积大，结构笨重，而若采用有限性元分析、优化后的结构其 机身重量一般都要降低1 0 2 0 。有限元分析j 下是提高产品设计水平、降低 设备质量、节约成本提高市场竞争力的很好方法。 1 2 来源与意义 1 、项目概述及背景 江联公司是一家锅炉、压力容器、球罐产品制造企业、其中球罐产品的产 6 第1 章绪论 值占公司总产值近三分之一。随着近几年能源市场需求火爆，我公司的球罐产 品订单量大幅增加，前景一片光明，而生产球罐产品主要制造装备就是用力液 压机压制球片，压制后的球片通过现场组拼为罐体，因此液压机的数量、设备 的好坏直接影响了球罐的产能。 目前公用于球片压制的液压机有三台，月产能在1 0 0 0 吨左右，按销售订单 至少得满足2 0 0 0 吨以上，三台压机使用情况： ( 1 ) 一台双柱框架式2 0 0 0 吨油压机，开挡6 6 米，超负荷使用，也是主力， 但原液压系统设计过于复杂，故障率高； ( 2 ) 一台四柱框架式1 0 0 0 吨水压机，开挡3 5 米，水压机是上世纪7 0 年 代制作，设备老化，漏水等问题严重且吨位偏低和开档不足导致目前已经不能 使用； ( 3 ) 一台四柱框架式1 2 0 0 吨水压机，开挡3 4 米，勉强使用，但开档偏小 无法压制大尺寸球片； 因此，目前液压机严重不足制约了球片的产出，为此公司将进行对那台已 经基本不能使用的四柱框架式1 0 0 0 吨，开挡3 5 米的水压机进行改造。 2 、总体改造目标 改造原1 0 0 0 吨水压机的要求主要包括以下几点： ( 1 ) 利用原有框架基础上，由原歼档3 5 米增加至4 6 米； ( 2 ) 利用原有主缸体，主、侧油缸改造和制造，压力系统由原来1 0 0 0 吨 水压系统改造成1 3 0 0 吨油压系统，将其原来的水压系统更换成液压系统控制， 提供全新的电气控制系统； ( 3 ) 解决原先结构柱塞与活动横梁连接螺栓易断问题、活动横梁连接方式 需更改，降低设备故障率： ( 4 ) 改造后的1 3 0 0 吨油压机可用于压制6 0 m m 以下板厚钢板、1 0 0 0 0 万立 方球罐球片，单台月产出1 0 0 0 吨，结合原有2 0 0 0 吨油压机月产出可均达2 0 0 0 吨。 3 、项目可行性分析 本次改造项目基于原水压机基础上进行机架扩宽，液压系统更换，吨位加 大，从原有的框架结构进行扩宽问题不大，液压系统也是独立系统，更换也方 便，困难在于吨位加大后需要对加扩宽后的机架进行应力分析，必须满足强度、 刚度要求，这个可借助材料静力学分析和有限元分析来进行强度和刚度计算和 7 第1 章绪论 校核，改项目从技术角度考虑没有问题。 从经济角度考虑，改造费用比采购一台新油压机费用节约，新购一台预计 在3 0 0 万元，改造费用预计在1 2 0 万元。 一| ，nf 。气n 1 1西扛联1哪吨求压机 。丌f彳丌。 j l j 1 _ 驾 t , m ( 柏l i il 边t - l 图1 2 原1 0 0 0 吨水压机及简图 4 、项目的意义与作用 项目来自企业的一个技改项目一台1 0 0 0 吨水压机改造为1 3 0 0 吨油压 机，随着公司球罐产品的生产任务不断扩大，目前现有压力机的产能不能满足 实际生产需求，同时，从节约资金角度考虑，选择对一台水压机1 0 0 0 吨水压机 进行提升吨位、加宽开档的综合技术改造，该项目实施的意义具有一定的社会 意义、很好的经济价值和学术价值。 对社会、经济发展和科技进步的意义 本项目改造的1 0 0 0 吨水压机是1 9 7 7 年制造的，长期以来，该设备作为企 业的重大装备曾为企业创造了很高的经济价值，但随着企业的不断发展、产品 结构升级换代以及设备自身的老化，疲劳等，该设备已经不能满足目前企业生 产能力的要求。我国大中企业普遍存在着这种曾经担当重任但风光不再的老旧 设备，直接将该它们报废是很可惜的，若能进行改造使之继续发挥作用创造新 的经济价值，对社会、经济发展和科技进步有着积极的意义。本技术改造项目 的实施是对企业老旧的重大设各进行改造的方法和模式的成功尝试，值得大力 推广。 学术价值 1 0 0 0 吨水压机改造成1 3 0 0 吨油压机改造技术比较复杂、涉及的专业领域比 8 第1 章绪论 较广，一台液压机的改造包括框架的设计、材料力学强度计算、制造和安装， 液压系统、电气控制系统的设计和制造，从学科领域来说涉及了机械设计、材 料力学、液压技术、电气控制技术等。该项目实施具备很强的学术性、技术性， 值得去分析研究。 经济价值 若能成功改造改设备，将节约一笔可观的采购资金，采购一台新1 3 0 0 吨油 压机约3 0 0 万元，而改造按预算约1 2 0 万元，可节约近1 8 0 万元。另改造投产 后预计可提高球片月产能1 0 0 0 吨，增长利润上千万元。 1 3 研究内容和关键技术问题 本论文的研究内容是1 3 0 0 吨油压机综合技改设计、制造与安装技术涉及的 有关问题，主要工作内容及本次负责的工作如下： ( 1 ) 分析产品压制过程对液压设备的要求，明确设备主要技术参数和结 构功能要求； ( 2 ) 液压机改造总体方案设计，布局的确定； ( 3 ) 主要零部件( 机身的上横梁、底梁、立柱) 结构设计、强度和刚度 计算及辅助机构的结构设计等； ( 4 ) 液压系统设计； ( 5 ) 电气系统设计； ( 6 ) 施工实施方案编制和实施； ( 7 ) 验收及评价。 本人在1 3 0 0 吨油压机综合技改项目中主要负责( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 方面的内容和有关技术问题。本文将重点介绍( 3 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 等部分。为了保 持论文的完整性，本文也对上述工作的其余部分进行了简单的介绍。 在项目具体实施过程中，需要解决的关键技术问题有： ( 1 ) 液压控制系统的改变，由原来1 0 0 0 吨的水压系统改为1 3 0 0 吨的油压 机系统，传动方式和公称压力的改变需要解决： ( 2 ) 根据工况要求，设定了工作台有效开档由3 5 0 0 m m 增加至4 5 0 0 m m 的 目标，按这个目标要求如何解决加宽的设计及制造问题； ( 3 ) 改造后的液压机公称压力达到1 3 0 0 吨，且开档加大如何做好框架的 9 第1 章绪论 加固工作，如何核算加宽、加固设计后的机身是否满足强度、刚度要求； ( 4 ) 机身的设计与制作在原1 0 0 0 吨水压机基础进行，机身加宽、加固后 必然会破坏加工面及加工尺寸的精度，在制作和安装中如何恢复这些精度是一 个难点； ( 5 ) 这次改造难点在于框架的制作，原油压机机身的拆解，焊接组装以及 吊装需要先编制好施工方案及制作工艺，机身的改造是否成功直接影响这个项 目的成功与否； ( 6 ) 如何对改造后的油压机进行验收、评估，相关精度的经验等。 1 0 第2 章油压机设计及其计算 第2 章油压机设计及其计算 2 11 3 0 0 吨油压机改造总体设计方案 根据产品压制工况要求，制订1 3 0 0 吨油压机主要技术参数，如2 1 表。 根据以上技术参数要求，对其进行总体技术方案设计，大体如下几点： l 、油压机机架改造 ( 1 ) 根据原机身为框架结构形式及该设备用于可塑性金属板件的弯曲压制 成型工艺，要求机架应具有良好的刚性及强度、安全可靠，并在使用中适当允 许有偏载作用，因此机身结构保持原有形式为框架式焊接件。但对偏载的范围 需进行严格的限定：在最大压力下，偏载范围不得大于中心直径1 0 0 0 毫米，以 确保机架受力的均匀。 表2 11 3 0 0 吨油压机主要技术参数 ( 2 ) 针对原有的1 0 0 0 吨水压机的机架结构，为了加大台面，在上下梁两 侧通过增n - - 个过渡梁，与左右立柱用螺钉( 应加大增强) 连接，左右立柱需 加强，增加与过渡梁的结合面以适合1 3 0 0 吨液压机的使用，过渡粱的刚性和强 度安全可靠。 ( 3 ) 对原有的1 0 0 0 吨水压机的上下梁进行加固，在等弯矩梁的斜面上加 箱式梁，在过渡梁与左右立柱用螺钉连接好，与上下梁进行现场焊接，以加强 第2 章油压机设计及其计算 其抗弯矩的能力。 ( 4 ) 对原有的1 0 0 0 吨水压机的活动横梁的结构进行改造，活动横梁两侧 向外延伸5 0 0 毫米，做适当的加固，d h t 导轨安装面和螺钉孔，以安装导轨与 左右立柱导向。 2 、液压系统改造 ( 1 ) 原有的1 0 0 0 吨水压机的水压系统更换为液压系统，具有独立的油箱 ( 采用一主油箱一副油箱) 、油泵电机组控制系统，阀块采用先进的二通插装阀 系统控制； ( 2 ) 液压系统压力用手动调压，在1 5 1 0 0 可调，系统设有安全阀限制 最高压力：油泵为1 6 0 y c y l 4 1 b 轴向柱塞泵，配两个4 5 k w 电机，两台泵分别 控制，一台泵也可独立工作( 速度慢一半) ； ( 3 ) 管路系统现场改造，管路系统重新连接； ( 4 ) 液压系统增加充液阀和充液箱，充液箱放置机身顶部，以实现活动横 梁的快速下行。 3 、电气系统改造 ( 1 ) 更换电气控制系统，设有独立的电气柜，安装于主机右侧。 ( 2 ) 电气控制采用p l c 可编程控制器控制，滑块行程检测采用行程开关 控制。 ( 3 ) 设有集中控制面板，面板上布置有工作状态指示灯，显示仪表，操作按 钮和选择开关。 ( 4 ) 压机设有活动按钮站。 ( 5 ) 本机电源为3 8 0 v 、5 0 h z ；控制电源为2 2 0 v ；先导电磁阀电源为直流 2 4 v ，指示灯电源2 4 v 。 ( 6 ) 压机设调整和单次循环二种操作方式。 ( 7 ) 滑块行程由行程控制装置调整。 4 、油缸系统改造 ( 1 ) 改造后的1 3 0 0 吨油压机设计三缸布置，其中主缸压力为1 0 0 0 吨，吨 位与原来相同，利用原有1 0 0 0 吨水压机缸体，主油缸更换柱塞，更换密封，并 设计球铰与活动横梁连接；两副缸压力各1 5 0 吨，需重新设计制造，副缸为活 塞形式。 ( 2 ) 两侧油缸需重新设计，侧缸为活塞式油缸，采用优质碳素钢锻件，活塞 1 2 第2 章油压机设计及其计算 杆其表面经中频淬火处理，硬度在h r c 4 8 - - 一5 5 之问【3 8 1 。油缸体采用3 5 # 优质碳 素钢锻造，其内表面经过绗磨处理。液压缸具有足够的强度和刚度。三油缸均 采用广研所密封元件，避免缸i s l 的漏油，维修和更换密封方便，确保密封性能可 靠； 5 、项目设计制造应符合液压机有关标准如下： g b 5 2 2 6 1 _ 2 0 0 2 机械安全机械电气设备第一部分通用技术条件 j b t 1 8 2 9 1 9 9 7 锻压机械通用技术条件 g b l 7 1 2 0 1 9 9 7 锻压机械安全技术条件 j b t 3 8 18 1 9 9 9 液压机技术条件 j b 9 9 6 7 19 9 9 液压机噪声限值 j b t 8 6 0 9 - - 19 9 7 锻压机械焊接技术条件。 一l l _ l l u 。 i i j il ilill【】 iii l iil _ l j ! ii l r 、li 州 _ ! 一 1 _i 】 1 一l i ： 一tr - rt1 i 一1 i 国圜 。_ i i l _1 4 _ - j h r 1 1 _ - 宁： 叶h 8 _ i。l。 f _ il ： i _ li p li - - i崩嗍 l il j 5 -l 一 图2 11 3 0 0 吨油压机总图 2 2 设计的关键技术及难点，采取的措施和方法 1 0 0 0 吨水压机改造成1 3 0 0 吨油压机项目在设计过程中主要存在的关键技术 及难点，采取的措施和方法有以下几点。 1 、1 3 0 0 吨油压机是在1 0 0 0 吨水压机机身基础上进行改造，原设备机身开 档3 5 米先得改为4 5 米，机身开档加宽如何设计这是个难点，这在原有结构不 1 3 第2 章油压机设计及其计算 变的情况下扩宽，必须保证原有安装面的精度，根据原先结构情况可以考虑增 加过渡箱块来扩宽； 2 、改造后的机身，因系统公称压力由原来的1 0 0 0 吨增加到1 3 0 0 吨加压力， 原有框架强度、刚度肯定满足不了要求。这需要在原有机身基础上加固设计并 进行计算，机身的加固设计及其强度刚度的计算这是一个难点，也是这台压机 是否能成改改造的关键，加固措施采取各主要组件里面增加筋板，加厚侧板等 方案，强度及刚度的计算采用材料力学和有限元分析方法相结合。 3 、原水压机压力系统是1 0 0 0 吨水压系统，改造后为1 3 0 0 吨油压系统，控 制系统模式彻底改变，需要重新设计一个合理的、先进的液压及控制系统。 4 、导向装置的设计，活动横梁的导向装置也是一个关键，好的导向装置对 缸体的保护，加工产品的质量，设备的故障发生起到相当关键的作用，根据工 况和机身结构情况，采取在左右支柱上设计四柱八面导向结构。 5 、柱塞与活动横联的联接结构设计，球片的压制工况都比较复杂和恶劣， 压制过程中基本是点压，而且压制过程中需要加挚块来调整工件弧度，因此活 动横梁产生很大的水平侧向力，同时传递给柱塞杆( 活塞杆) ，侧向力的存在对 缸体内的密封和缸内柱塞杆与活动横梁连接的螺栓损伤影响很大，加速密封圈 磨损，出现连接螺栓断裂影响安全等问题。为此，把活塞杆与活动横梁通常采 用固定螺栓连接改为球面活动连接结构，这种连接有一定的间隙和转动，可以 避免横梁受到侧向力传递给柱塞杆。 2 3 机身设计和强度、刚度计算 在液压机产品设计开发中，机身的占据设备总重7 0 ，机身是液压机主要 零部件的安装基础，并承受工作中的全部载荷。在新产品的开发过程中，液压 系统和电气控制系统基本都在其现有的系统上加以改进，但每台液压机的机身 因工况不一样，机身结构、尺寸、受力情况也不一样，尤其大型大吨位液压机 的机身，其结构及强度刚度的要求更不一样。因此，机身的设计历来是液压机 设计中的重点也是难点。 液压机机身设计主要包括机身结构设计和机身的强度、刚度计算。结构设 计主要是根据工况要求设计技术的结构和尺寸，符合工作需要；机身强度影响 其使用寿命；其刚度影响机床的震动、能量损失以及零件的加工精度和模具的 使用寿命。本章就液压机机身的结构设计和强度刚度计算进行介绍。 1 4 第2 章油压机设计及其计算 2 3 1 机身结构设计 框架式的机身从主要零部件布置和承载来看机身结构均由三部分组成：上 横梁、工作台( 底梁) 和左右支柱。上横梁布置主缸和侧缸，工作台( 底梁) 上固定模具，左右支柱内侧做导轨的安装定位基准。 到目前以来，液压机机身结构发展比较成熟，虽然各液压机的机身不一样， 主要还是在大小尺寸上的区别，但机身结构的类型主要还是这么几种：四柱式 结构、框架式结构、单柱式结构、复合式结构等几类。本文主要介绍框架式结 构的机身。 框架式结构是各种液压机设计中普遍采用的结构形式之一，其主要特点是 容易获得较高的刚度。框架式的机身有整体式和组合式两种，整体式机身有焊接 结构和铸造结构两种，焊接结构机身不受机体形状、和铸造工艺的限制一般整 体重量相对较轻，而且多用于单台大吨位压力机，而铸造结构的受机体形状和 大小限制，一般用于大批量小吨位压力机。 本次改造项目的油压机机身根据球片压制工况要求，公称力1 3 0 0 吨，开档 达4 5 0 0 m m ，故机身结构采用用于大吨位大跨度的钢板焊接框架式结构。机身是 通过先制作出上横梁、工作台( 底梁) 、左右支架、活动横梁等组焊件，然后用 螺栓联接各组件组成一个封闭的框架结构，如图2 2 所示： 妇 血 i 产尸尸 一 7广 【山 ， !ij 中j 邋 - 7必 一百b t丁= 厂 j 业 酬憾 i b一 一 i # 一 j 一 i a 一i - ， ， 4 t i r l i 一 譬- ， t e f _ i 们 c j 一 。l1 仃i 皿_ j 。 。 、# 月i i e l 蒜? 汹5 t 谡q j 目i l h 1 1 日i t 毗耻份 阳：日 ：；i ；：赭。：* i 赫鬻躲：搿瞅撕崮南“。罐。k 1 。l l * w 驯1 晰竹馘- 0 ( ) = i 端正配样 l i1 1 f ib。1 ， ”；l ：l懈瓢 图2 21 3 0 0 吨油压机机身总图 第2 章油压机设计及其计算 1 3 0 0 油压机框架在原有1 0 0 0 吨水压机框架基础上进行设计、制作。原框架 有上横梁、立柱、工作台( 工作台( 底梁) 或底梁) 组成，其中上横梁与立柱、 工作台( 底梁) 与立柱分别采用高强度螺栓联接可拆卸。 按改造设计要求需把机身有效工作开档由原来的3 5 0 0 m m 加大到4 5 0 0 m m ， 其它结构不变，需保证改造后的框架强度、刚度符合规范要求，根据这些要求 需解决以下几个问题。 ( 1 ) 机身有效工作开档加宽，由原来的3 5 0 0 m m 加大到4 5 0 0 m m 。在原1 0 0 0 吨水压机框架上横梁与立柱、工作台( 底梁) 与立柱螺栓联接结构上，可以采 用增加过渡箱型梁来达到加宽要求，上下对称各增加一个长5 0 0 m m 过渡联接块， 采用螺栓联接，联接方式见上图； ( 2 ) 加宽后的整体框架强度、刚度满足要求。整体框架加宽、公称压力加 大、原材料疲劳等因素导致原框架强度、刚度肯定满足不了新的要求，为此必 须通过加固框架才能保证要求，设计和制作加固措施是该设备能否成功改造的 关键，框架需加强部位及措施； ( a ) 上横梁、工作台( 底梁) 加固方案，主要在上横梁、工作台( 底梁) 内部增加筋板以及侧板上再焊接一块厚板，增加高度放心的筋板以增强抗弯能 力。 ( b ) 上横梁与支架、工作台( 底梁) 与支架的联接部分加强方案，在增加 过渡联接块采用高强度螺栓联接，另增加加强梁补平上、下梁与支架的联接， 既增加了上、下横联的截面宽度同时增强了整体框架的联接。见图2 3 所示。 图2 3 机身加宽过渡粱连接结构图 1 6 第2 章油压机设计及其计算 根据整体框架机身的结构特点和受力分析情况，在具体设计及施工过程中 需注意以下问题。 ( 1 ) 各承力钢板应尽可能相互搭接避免焊缝传递载荷； ( 2 )