毕业设计（论文）-辅助液压剪的研究与设计.doc

目录摘要IAbstractII引言11课题的背景和意义11.1剪切机的发展及现状11.2剪切机的分类21.3国内研究现状32总体设计计算62.1现有剪切机结构原理及存在问题62.2设计要求92.3液压剪切机的总体设计92.4 液压剪切机的主要参数计算102.4.1剪切力的计算102.4.2剪刃长度的确定123 零部件结构设计计算133.1 摆臂的设计计算及强度校核133.2主轴系统设计153.2.1主轴设计计算153.2.2 轴承的选择173.3机架的设计173.4靠板系统设计183.5油缸系统设计193.6液压系统设计223.6.1液压系统设计要求及工况分析233.6.2液压缸参数的初步确定233.6.3拟定液压系统原理图253.6.4选择液压元件263.7 旋转油箱的设计29结 论31参考文献32致 谢33附 录34I ContentsAbstractIIIntroduction11 Background and significance of the subject21.1 Development and current situation of the shearing machine21.2 Classification of shearing machine21.3 Research status of domestic32 Overall design calculations62.1 Existing shear structure principle and existing problems62.2 Design requirements.92.3 Overall design of the hydraulic shear.92.4 Calculation of the main parameters of the hydraulic shear102.4.1 Shear force calculation102.4.2 Calculation of shear blade length123 Component structure design and calculation.133.1 Swing arm design and strength check.133.2 Design of spindle system.153.2.1 Design and calculation of main shaft153.2.2 Bearing Selection173.3 Rack design.173.4 Board system design183.5 Design of cylinder system193.6 Design of hydraulic Board system design system.223.6.1 Hydraulic system design requirements and working conditions233.6.2 Preliminary identification of parameters of hydraulic cylinder233.6.3 Draw out the schematic circuit of hydraulic system253.6.4 Choose the hydraulic component.263.7 Rotation fuel tank design.29Conclusion31References32Acknowledgement33Appendix34辅助液压剪的研究与设计【摘要】针对传统剪切机存在的噪音大、占地面积大、灵活性差等问题，本设计采用了液压驱动方式，解决了上述方面的缺陷。其设计内容剪切机的总体设计计算，主要零部件的设计计算和液压系统的设计，其中液压系统的设计还包括液压元件的设计。本文利用液压传动控制技术对剪切机进行改进设计，具有噪声小、剪切平稳等优点，是一种新形式的液压剪切机，能够更好地服务于剪切行业的发展，更好地适应国内外市场的需求，因此具有良好的市场前景。关词：剪切机，液压系统，液压元件Research and design of auxiliary hydraulic shearAbstract Aim at the existing traditional shearing machine that has high noise, large areas and poor flexibility etc problems, the design uses a hydraulic-driven approach to address these deficiencies. It mainly includes three partial contents: the overall design calculation of the shear machine, the design calculation of the main components and hydraulic system design. The hydraulic system design has mainly included the design of the hydraulic components. This paper makes some reconstuction design for shearing machine with hydraulic transmission and control technology, and the improved shearing machine has advantages of low noise, smooth cutting and is a new typle hydraulic shears, which can serve the shearing industry and meet the needs of domestic and foreign markets better. Therefore the hydraulic shearing machine has a good market prospect.Keywords: Shearing machine, Hydraulic system, Hydraulic components 引言目前，由于我国废旧金属和各种废旧品回收工作有了很大的发展，因此，对废品回收加工机械有了新的要求，从而使我国的各种加工机械有了较快的发展。而金属剪断机就是其中的一种，它不仅可以对各种废旧钢材进行剪切整理，还可以用于工程施工工地，对钢材进行简单的预处理，使其便于应用；此外，它还可以做成便携式，作为刀头安装在挖掘机上对房屋拆迁中的钢筋进行剪切。随着社会以及经济的不断迅速发展，特别是基础设施建设的迅速推进，各种高强度高硬度材料不断得到应用，这就要求我们不但改进已有的材料处理手段。以液压技术为基础的剪切技术因输出压力大、剪切过程平稳等优点而被广泛应用。利用液压技术制造剪切工具一方面可以以较小的工具体积和质量来达到最大的输出功率。另一方面还可以有效地利用工作介质，使资源得到最优化的利用。通过对液压件各部分结构的分析和设计，得出优化的尺寸方案。同时通过外形设计以及装载机的合理利用，实现液压件的移动多角度作业。1课题的背景和意义1.1切机的发展及现状液压技术从1795年英国制成世界上第一台水压机算起，已有二百多年的历史了，然而在工业上的真正推广确却是在20世纪中叶的事。第二次世纪大战期间，在一些武器装备上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大提高了武器装备的性能，也大大促进了液压技术本身的发展。战后，液压技术迅速由军事转入民用，在机械制造、工程机械、锻压机械、冶金机械、汽车、船舶等行业中得到了广泛的应用和发展。20世纪60年代以后，原子能技术、空间技术、电子技术等的迅速发展再次将液压技术向前推进，并在各个工业领域得到了更加广泛的应用。液压技术有很多的优点，比如说：体积小、重量轻，单位重量输出的功率大;操纵控制方便，更容易实现各种自动控制和远距离操纵；响应速度快，启动、制动和换向迅速等。当然，液压传动也有一些缺点:液压传动系统中存在泄漏和油液的压缩性，会影响传动的准确性不易实现定比传动；传动效率还不高；对油液的污染比较敏感，必须有良好的防护和过滤措施。整体而言，液压传动的优点比较突出，液压元件已经标准化、系列化、通用化，便于系统的设计和推广应用。因此液压传动在现代化的生产中有着广阔的发展前途和应用前景。1.2切机的分类剪切机的种类很多。对剪切机的分类，从不同的角度出发，有不同的分法。按剪切方式可分为横剪和纵剪；按被剪切金属的温度分为热剪和冷剪；按剪切机的驱动方式分为机械剪、液压剪和气动剪;按机架的形式分为开式剪和闭式剪；按剪切金属的品种又分为钢坯剪切机、金属剪切机、型钢剪切机和切管机等。通常，按剪切机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪切机(见图1.1)、斜刃剪切机(见图1.2)和圆盘剪切机(见图1.3)。下面按剪切机的剪刃形状的分类对三种结构分别进行介绍:图1-1 平行刃剪切机 图1-2 斜刃剪切机 图1-3 圆盘剪切机（1）平行刃剪切机平行刃剪切机的两个剪刃是彼此平行的，它通常用来在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯。也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的金属。平行刃剪切机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。上切式剪切机的下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。下切式剪切机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的，其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。平行刃剪切机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。（2）斜刃剪切机斜刃剪切机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置。斜刃剪切机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。上切式斜刃剪:这种剪切机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。上切式斜刃剪通常是作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于20mm时，可用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于25mm不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。下切式斜刃剪:这种剪切机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动进行剪切。由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。这种剪刃机的剪刃通常上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证金属的剪切面相对带材中心线及表面垂直度。其缺点是由于压板要放在下面而造成结构复杂化。复合式斜刃剪:在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式斜刃剪切机。这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称上下双层斜刃剪切机。当带材通过固定双刃刀架上部，带材由一台卷取机卷取。当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定双刃刀架下部，由另一台卷取机卷取。（3）圆盘式剪切机这种剪切机的上下剪刃是圆盘状的。剪切时，圆盘刀以相等于金属的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。圆盘剪通常设置在板材或带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或带材。值得注意的还有塑性力学Durkcer公设的提出者Ducrker等力学家的工作。1.3内研究现状技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着国内液压剪切机市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外液压剪切机生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势，对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的高速发展，我国剪切机行业保持了多年高速增长，并随着我国加入WTO, 近年来，剪切机行业的出口也形势喜人，2008年，全球金融危机爆发，我国剪切机行业发展也遇到了一些困难，如国内需求下降，出口减少等，剪切机行业普遍出现了经营不景气和利润下降的局面，2009年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国剪切机行业也逐渐从金融危机的打击中恢复，重新进入良性发展轨道。进入2010年，全球经济复苏的前景面临波折，国内经济结构调整的呼声逐渐升温，贸易保护主义的抬头，剪切机行业中技术含量低的人力密集型企业，缺乏品牌的出口导向型企业面临发展危机，而注重培养品牌和技术创新能力较强的企业将占得先机，剪切机行业企业如何面对新的经济环境和政策环境，制定适合当前形势和自身特点的发展策略与竞争策略，是剪切机行业企业在未来两年我国经济结构调整大潮中立于不败之地的关键。液压剪切机因具有结构简单、工艺适应性强、环境污染小等其他设备不可替代的性能特点，被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防、电力电子、塑料、机械、冶金和轻工等国民经济的各个领域。据不完全统计，目前我国以液压剪切机为主要产品的设计部门和生产厂已达百家之多，但CAD的应用情况却令人失望。液压剪切机设计与制造业的整体技术水平远远落后于工业发达国家，使国际市场的激烈竞争和我国落后的设计水平这一矛盾日趋尖锐。具体表现在以下几方 面：一、设计手段 国内液压剪切机的主要设计单位，包括占主导地位的第一重型机械集团公司设计院在内的一些大型设计院所，其设计工作仍然是以图板作业为主，设计工作的好与坏完全取决于设计人员的技术素质和工作状态。因此，设计质量（包括结构设计的合理性、设计数据的准确性等）和设计效率低、设计周期长。二、外观造型 设备外观造型问题，只是在最近几年才引起人们的重视，刚刚在设计人员的头脑中形成了一种意识。由于缺乏造型手段，这种意识最终也只能变成一种设计人员的个人行为。设计者各自为阵，各行其是，根本就谈不上以此来塑造一个企业的风格和特征。产品的外观造型缺少 科学与艺术方面的考虑，也是产品缺乏竞争能力的一个重要因素。三、分析理论 近十几年来，虽然在某些有条件的设计院所，对液压剪切机的关键零部件也能作一些有限元结构分析，但是由于设计手段落后，这些分析结果在设计中未能起到应有的作用。所以，液压剪切机本体设计中的强度、刚度以及整体工作性能分析，仍然是以材料力学为依据，甚至仅凭经验和直觉。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，这样就极大地偏离了实际情况。为此，人们不得不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。由于科技含量相对低，所以与日本同类产品比较，就显得结构庞大、笨重，同样能力的设备，其重量一般都要高出1020。且其成本竞争力也完全处于劣势。33第二章 总体设计计算2总体设计计算2.1现有剪切机结构原理及存在问题通过生产实践和科学实验证实:剪切过程是由压入变形和剪切滑移两个阶段组成，剪切过程的实质是金属塑性变形的过程。如图1.1所示，当上剪刃下移与被切割金属接触后，剪刃便开始压入金属，由于P力在开始阶段比较小，在金属剪切断面上产生的剪切力小于金属本身的抗剪能力，因此金属只能发生局部塑性变形，故这一阶段称为压入变形阶段。随着上剪刃下移量增加，金属压入变形增大，力P也不断增加。当剪刃压入到一定深度，即力P增加到一定值时，金属的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于由压入变形阶断过渡。到剪切滑移阶段的临界状态。当剪切力大于金属本身的抗剪能力时，金属沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段被称为剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段，由于剪切断面不断变小，剪切应力也不断变小，直至金属的整个断面被剪断为止，完成一个剪切过程。下面分析一下剪切过程中作用力的变化。为了便于分析，应该忽略剪刃与金属之间的摩擦力、剪刃的间隙、金属的重量以及其它因素。由图2-1看出，当剪刃压入金属后，上下剪刃对金属的压力P形成一力偶Pa, 此力矩使金属转动，但在金属转动过程中，将遇到剪刃侧面的阻挡，即剪刃侧面给金属以侧推力T，则上下剪刃的侧推力又构成另一力偶Tc，力图阻止金属转动。随着刀片的逐渐压入，金属转动角度不断增大，当转过一个角度Y后便停止转动，此时两个力矩平衡，即图2-1剪切原理图Pa=TC （1-1）假设在压入变形阶段，沿面积x和0.5Z(这里取金属宽度为1)上的单位压力均匀分布且相等，则 （1-2） （1-3）式中：z剪刃压入金属的深度。由图2-1中的几何关系，得 （1-4） （1-5）将式(1-3)、(1-4)、(1-5)代入式(1-1)中可得，剪切时，金属的转角与剪刃压入深度z的关系 （1-6）由式(1-6)知，剪刃的压入深度z越大，金属转角了也越大，这会导致金属剪切质量下降。并且金属被剪断后，翘起的金属端部会对设备产生冲击。由式(1-3)知，当金属转角了增大时，侧推力T随之增大。这样，不仅使剪刃台与机架的滑道磨损加剧，而且当上下剪刃台的刚性较差时，还会改变剪刃的间隙，以致造成剪切困难。因此了角的增大对设备是很不利的。为了克服金属在剪切过程中转动带来的缺点，一般剪切机都设置了专门的压板装置，其作用是给金属一个压力Q，把金属紧紧压在下剪刃台上，从而达到克服金属转动的目的。在剪刃的压入变形阶段，金属作用在剪刃的力为 （1-7）由式（1-6）可得 ，则 （1-8）设，则式（1-8）可改写为 （1-9）式中: p单位面积上的压力(N/mm2);b金属的宽度(mm);h金属的厚度(mm);相对切入深度(%)。由上式可知，若认为剪刃压入阶段的单位压力P为常数，则总压力P随z值增加，即按一个抛物线增大，直到金属开始沿整个剪切断面产生滑移时，P力达到最大值Pmax。在剪切滑移阶段，剪切力P按下式计算: （1-10）式中被剪切金属单位面积上的剪切抗力(N/mm2)。从上述分析可得出，剪切过程中作用力及其变化规律:剪切力随着z的增加而变化，当剪切力P为最大值后，金属开始产生滑移。剪切力P的值是同单位剪切抗力丁有关。单位剪切抗力丁并非常数，其数值大小和金属材质、剪切温度、剪切速度、剪刃形状、剪刃间隙及相对切入深度等因素有关。单位剪切抗力T的确定有实验曲线法和理论计算法两种。以下对影响单位剪切抗力公的因素进行定性的描述:金属性质:金属材料的强度极限越高，则单位剪切抗力越大;塑性越低，对应于。剪断时的相对切入深度越小，即金属断的越早。因此单位剪切抗力与金属的强度和塑性有关。剪切温度:金属剪切时的温度越高，单位剪切抗力越小，对应于剪断时相对切入深度则越大。变形速度:热剪时，理论上变形速度与剪切速度成正比关系，单位剪切抗力随变形速度增加而增加;冷剪时，剪切速度对单位剪切抗力的影响很小，一般可不加以考虑。剪刃侧向间隙:剪刃侧向间隙的大小，可以使剪切时的受力状况发生变化。当侧向间隙由零逐渐增大时，金属的受力状况分别为压缩剪切弯曲状态，侧向间隙过小或过大都会使单位剪切抗力增加。因此，合理选择和保持剪刃侧向间隙的大小，对于正确使用剪切机是十分重要得。刀钝半径:刀钝半径的大小，直接影响单位剪切抗力的大小。刀钝半径越大，刀就越不“快”，剪切抗力就越大。但在压入阶段剪切力的计算中，不考虑刀钝半径的影响是允许得。剪切断面的宽高比b/h：当b/h小于1时，与b/h几乎无关；当b/h大于1时，值随b/h的增大而迅速增大。除上述因素影响外，压板、剪刃与金属的摩擦系数及剪刃的几何形状等因素，对单位剪切抗力也都有一定的影响，但这些因素相对来说影响很小，可以忽略不计。现有剪切机一般存在占地面积广、噪音大、节拍固定、灵活性差等问题，尚需解决。2.2设计要求1结构设计：在现有设备剪切原理的基础上，将电机、机械传动转化为液压传动，同时对相关的结构、油缸大小进行设计计算。2设计液压系统：根据所需剪切力、所需工作环境优化液压系统，选择液压元件和电机等。3设计液压阀块。4. 要求造型美观、功能独特、制造精良、结构牢固、性能可靠、安全耐用。2.3液压剪切机的总体设计液压剪切机的设计主要包括机架、摆臂、剪切系统、主轴系统、和油缸系统等五部分的设计。上述五部分结构是液压驱动式剪切机的主要组成部分，其结构性能是影响剪切机能否达到设计要求的重要因素。每部分设计主要牵涉机构关键部分受负载的分析状况，必须考虑到机构设计所要达到的要求这项重要因素。下面是剪切机的总体设计外形如图2-2所示。1-摆臂；2-切削刃；3-主轴；4-机架主体；5-液压缸缸体；6-活塞图2-2 剪切机外形图2.4 液压剪切机的主要参数计算2.4.1剪切力的计算斜刃剪板机的剪切力由三个部分组成:P=P1+P2+P3 (2-4)P1纯剪切力;P2金属被剪掉部分的弯曲力，即被剪掉部分在剪切时对上刀片沿着金属折边线作用产生的弯曲力;P3金属在剪切区域内的弯曲力，在此区域内由于上刀片的压力使金属形成局布变形弯曲。经理论分析、计算后，纯剪切力用下式表达，斜刃剪总剪切力P由下是确定：P=P1（1 + Z + ） =0.6b1 + Z + 式中的第二项为分力P2,第三项为分力P3。式中系数Z-系数，实验研究表明，此系数与金属被剪掉部分的宽度d、金属材料的延伸率以及刀片倾角等因素有关，即Z=f()=f(),其变化规律如下图所示，系数的最大值为0.95；Y-刀片相对侧隙，即为刀片侧隙与金属厚度h的比值，Y=/H,当h5毫米时取0.07h；h=10-25毫米时，取=0.5毫米。X-压板相对距离，即为压板中心离下刀片侧边缘c，与金属厚度h的比值，即：X=c/h。考虑到压板的作用，初步计算可取X=10。 图2-3系数z与函数的关系 图2-4压板与刀片间的位置关系弹簧钢的材料性能参数如下:表2-1钢号60Si2Mn屈服强度/Mpa1200抗拉强度/Mpa1300延伸率5%断面收缩率25%状态冷轧HB（不大于）321选取剪切倾斜角=5.度，则=dtan/h, 其中d=100, h=25, 代入数据得=7。根据z-曲线可以取z=0.9，初步选定计算剪切力所需的参数：=5.度，z=0.9，=5%，b=1200Mpa，h=25mm，Y=/h=0.02，X=c/h=10代入剪切力计算公式得P=1.2106N2.4.2剪刃长度的确定剪刃尺寸包括剪刃长度、高度和宽度。这些尺寸主要根据所剪轧件的最大截面尺寸来选定。剪刃长度可按下述经验公式确定。对剪切小方坯的剪切机，考虑经常同时剪切几根轧件，取剪刃长度L为被轧件宽度的34倍，即L=(34)Bmax （mm）式中Bmax 被轧件最大宽度，mm。对于剪切大、中型方坯的剪切机，剪刃长度LL=(22.5) Bmax （mm）对剪切板坯的剪切机，取剪刃长度L= Bmax +(100300) (mm)剪刃高度和宽度，可按下式确定h=（0.651.5）hmax （mm）b= h（2.53） （mm）式中 h剪刃断面高度，mm； hmax被轧件最大高度，mm；由以上可知，本课题中设计的剪切机主要用于板坯，故剪刃长度L=Bmax+（100-300）mm，而B=100mm，取L=300mm剪刃高度h=1.2hmax=1.225=30mm剪刃宽度b= h /2.5=1.2mm3 零部件结构设计计算3.1 摆臂的设计计算及强度校核摆臂，作为剪切机的执行结构，一端与液压缸的活塞杆通过螺栓连接，另一端装有剪切刀。在摆臂的运动过程中主要受到液压缸中活塞杆的推力作用和被剪金属的剪切反作用力，以及主轴对摆臂的支撑力。运动过程，实际上是以主轴的中心为矩的原点，液压缸的推力形成动力矩而剪切力的反作用力形成阻力距，是动力矩克服阻力矩的关系。摆臂梁的设计遵守等强度梁的原则5。设计时为了节约材料，减轻自重，可改变截面尺寸，使抗弯截面系数随弯矩而变化。在弯矩较大处采用较大截面，而在弯矩较小处采用较小截面。这种截面沿轴线变化的梁，称为变截面梁。如变截面梁各横截面面上的最大正应力都相等，且都等于许用应力，就是等强度梁。设梁在任一截面上的弯矩为M(x),而截面的抗弯截面系数为W（x）。根据上述等强度梁的要求，应有max= M(x) W（x）=或者写成 W（x）= M(x) ，这是等强度梁的W（x）沿梁轴线变化的规律。下面是对摆臂受力情况的分析：剪切力P=1.2106N，阻力臂d1=330mm。设推力为F，动力臂d2=1560.6mm。由力矩平衡公式得 Pd1=Fd2，代入数据得 F=260KN。实际中，液压缸提供的推力应大于此值，安全因数n=1.2,，所以液压提供的实际推力F=1.2F=312KN。然后得出主轴对摆臂的支撑力F1=p+ F=(1200+312)KN=1512KN由上述计算说明，根据等强度梁的原则，在设计摆臂时应在受弯矩较大处采用较大横截面面积，而在受弯矩较小处采用较小横截面积。因摆臂的中间截面处受到的弯矩作用最大，在此只分析一下中间截面尺寸的确定。经查表，可以得到摆臂材料ZG铸钢的许用应力=175Mpa，然后确定中间截面的抗弯截面矩系数w=M/，由公式W=bh2/6，确定该截面的宽度和高度。在相等横截面面积的情况下，将横截面做成高而薄的形状会比做成矮而厚的形状承受的抗弯强度更高，同时这样设计的摆臂自然会满足强度要求。考虑到截面形状的合理性和经济型，故摆臂的设计图形如图3-1所示： 图3-1摆臂简单示意图摆臂的校核：摆臂的受力图如图3-2所示：图3-2 摆臂受力图摆臂的弯矩图如图3-3所示：322000KNm图3-3 摆臂的弯矩图 由材料力学公式得 其中W为中间截面的抗弯截面系数，由公式W=bh2/6得摆臂所用材料为ZG30Mn，经查表可以得到强度极限=300Mpa，安全因数n=2.5，故。因此，摆臂的设计符合强度要求。3.2主轴系统设计3.2.1主轴设计计算轴的设计包括轴的结构设计和轴的计算。轴的计算包括轴的强度计算、轴的刚度计算。轴的设计原则是，在满足结构要求和强度、刚度要求的条件下，设计出尺寸小、重量轻、安全可靠，工艺上经济合理，又便于维护检修的轴。在一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还必须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上做轴向移动，需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应做周向笃定；3）对轴与其他零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性。主轴的结构图如图3-4所示：图3-4 主轴结构图轴的受力图如图3-5所示：图3-5 轴的受力图主轴的弯矩图如图3-6所示： 326970KNm图3-6 主轴弯矩图主轴的转矩图如图3-7所示： 486907Nm图3-7 主轴转矩图主轴的校核：由主轴的弯矩图和转矩图可知，在主轴的中截面处所收到的合弯矩值最大，故只需要校核此截面处的强度。中间截面的合弯矩为：M= Nm=5.86105 Nm 主轴所用材料为45号钢，经查表可以查得其强度极限= 340Mpa， 故 所以,主轴的强度符合要求。 3.2.2 轴承的选择轴套在一些转速较低，径向载荷较高且间隙要求较高的地方（如凸轮轴）用来替代滚动轴承（其实轴套也算是一种滑动轴承），材料要求硬度低且耐磨，轴套内孔经研磨刮削，能达到较高配合精度，内壁上一定要有润滑油的油槽，轴套的润滑非常重要，干磨的话，轴和轴套很快就会报废，在本课题中推荐安装时刮削轴套内孔壁，这样可以留下许多小凹坑，增强润滑。3.3机架的设计机架的分类：按制造方法，机架可分为铸造机架、焊接机架和螺栓联接或铆接机架。按机架材料可分为金属机架、非金属机架。非金属机架又可分为混凝土机架、花岗岩机架、塑料机架或其它材料的机架。铸造机架常用材料为铸铁、铸钢和铸铝。小型设备的机架则有用铜制或塑料制造，其制造工艺设计可参考机械设计手册。机架设计准则：机架的设计主要保证刚度、强度及稳定性。机架设计的一般要求：在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；抗振性好；噪声小；温度场分布合理，热变形对精度的影响小；结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；结构便于安装、调整及修理。剪切机机架在整个机构中支撑摆臂、主轴等整个工作平台的重量，并将其传递到基地上，它的设计重点是满足强度要求即可，保证在剪切机剪切过程中不会被压溃即可，不会发生过大变形，其具体参数见图3-8。图3-8 机架结构图剪切机机架材料的选用，主要是根据机架的使用要求。多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。本课题中的剪切机结构并不复杂，但对机架的强度和刚度要求较高，属于受力较大的机架，所以机架的材料选取铸造碳钢。设计时，在机架受力较大的地方应该注意通过加大金属厚度等方法增强机架的强度要求。铸钢件一般都要经过热处理。热处理的目的是为了消除铸造内应力和改善力学性能。铸钢机架的热处理方法一般有正火加回火，退火、高 温扩散退火和焊补后回火等。3.4靠板系统设计剪切机的靠板系统，是为了防止剪切机的上、下剪刃在剪切时因为轴向力的缘故而发生相对错动，造成不能正确的剪切工件。靠板系统的设计重点是在适当的位置上添加夹紧装置，靠板系统上设有夹紧装置，能够解决剪切时摆臂的轴向偏移等问题，从而上、下剪刃之间有适当的剪刃侧隙，可以更好地剪切钢件。根据剪切机的具体工作情况，靠板系统的装配位置见装配图，其设计的某些参数见图3-9：1-支板；2-靠板；3-六角螺母M20;4-调节轴；5-内六角螺栓；6-内六角螺栓M1240;7-内六角螺栓M1220；8-衬板；9-陪衬板图3-9 靠板系统3.5油缸系统设计液压缸是液压传动的执行元件，它和主机工作机构有直接的联系，对于不同的机种和机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。图3-10：单活塞杆液压缸示意图液压缸工作压力的确定液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3-1、表3-2来确定。表3-1 液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0表3-2 各类液压设备常用的工作压力(单位：MPa)设备类型 一般机床 一般冶金设备农业机械、小型工程机械液压机、重型机械、轧机压下、起重运输机械工作压力(MPa)16.36.31610162032由以上可选定液压缸的工作压力P为20MPa。缸筒内径D。液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB234880标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。无活塞杆侧的缸筒内径D为： D=10-3 m=10-3 m=140.97 mm根据国家标准GB/T2348-19936,选取液压缸的标准内径D为140mm活塞杆外径d。活塞杆外径d通常先从满足速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和稳定性。活塞杆是传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。取速比=2，则d=D=1400.7=98 mm根据国家标准GB/T2348-1993，活塞杆的直径应选择d=100 mm缸筒长度L的确定。缸筒长度L由最大工作行程加上各种结构需要来确定，即：L=I+B+A+M+C式中 I为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为（0.6-1）D；A为活塞杆导向长度；M为活塞杆密封长度，由密封方式确定；C为其他长度。活塞杆的最大行程I为剪切过程摆臂转过的角度与摆臂长度的乘积，即：I=1560.6 mm=327 mm，活塞宽度B=140m。一般导向套滑动面的长度A，在D80mm时取A=(0.6-1.0)D,在D80mm时取A=(0.6-1.0)d；活塞的宽度B则取B= (0.6-1.0)D。故选取A=d=100 mm经查表，根据具体情况最后确定刚筒长度L=740 mm缸筒壁厚的确定。缸筒壁厚为=0+c1+c2 ，根据剪切机的实际工作情况，确定缸筒壁厚=25mm缸筒壁厚的校核。一般按薄壁缸筒计算公式计算：0=13 mm其中p=540/5=108， 所以缸筒的壁厚符合强度要求。活塞杆的强度校核活塞杆在稳定情况下，如果只受推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行： 式中： F 活塞杆的推力 N d 活塞杆直径 m 材料的许用应力 MPa 活塞杆用45号钢 代入数据：=39.74Mpa=136 Mpa因此，活塞杆的强度满足要求。3.6液压系统设计液压系统的基本组成 1）能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。2）执行装置液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。3）控制装置液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。采用液压系统有以下特点：在同等的体积下，液压装置能比其他装置产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑，液压马达的体积和重量只有同等功率电机的12%。液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。液压装置可在大范围内实现无级调速，（调速范围可达到2000），还可以在运行的过程中实现调速。液压传动易于实现自动化，他对液体压力，流量和流动方向易于进行调解或控制。液压装置易于实现过载保护。液压元件以实现了标准化，系列化，通用化，压也系统的设计制造和使用都比较方便。3.6.1液压系统设计要求及工况分析（1）设计要求本机主要用于剪切金属，用来生产汽车金属弹簧的。剪切机在剪切金属时液压缸通过做弧形摆动提供推力。主机运动对液压系统运动的要求：剪切机在剪切金属时要求液压装置能够实现无级调速，而且能够保证剪切运动的平稳性，并且效率要高，能够实现一定的自动化。(2)工况分析本剪切机是一种剪切性能好，专门用来剪切小型方坯，生产汽车金属弹簧的机构，工件装配时可通过夹紧机构来剪切不同宽度的金属。该机构主要有两部分组成：机械系统和液压系统。机械机构主要起传递和支撑作用，液压系统主要提供动力，它们两者共同作用实现剪切机的功能。工作负载的情况推程过程：F1=312KN回程过程：F2=A2P106=(D2 d2)P106=150.72KN3.6.2液压缸参数的初步确定1液压缸的内径和活塞杆直径在油缸系统设计中，根据计算出来的液压缸所需提供的推力已经计算出液压缸的内径D=140mm，活塞杆的直径d=100mm。由此求得液压缸面积的实际有效面积为：2液压缸的流量液压缸的流量余缸径和活塞的运动有关系，当液压缸的供油量Q不变时，除去在行程开始和结束时有一加速和减速阶段外，活塞在行程的中间大多数时间保持恒定速度，液压缸的流量可以计算如下： 式中： A 活塞有效工作面积 活塞的容积效率 采用弹形密封圈时=1，采用活塞环时 =0.98 为液压缸的最大运动速度 m/s代入数据，得 Qmax=150L/min Qmin=75.4 L/min3活塞的运动速速单位时间内压力油液推动活塞移动的距离，为活塞的运动速度。运动速度可示为 v=Q/A m/min当活塞杆伸出时 v=0.327m/s当活塞杆缩回时 v =0.1635 m/s4速比液压缸活塞往复运动时的速度之比 2计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成活塞杆太细，稳定性不好。5 活塞的理论推力和拉力 活塞杆伸出时的理论推力为 F1=A1P106=312KN 活塞杆缩回时的理论拉力为 =156KN3.6.3拟定液压系统原理图1系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平确定。工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是现在液压发展的方向，但要注意治漏、噪音控制和可靠性问题的妥善处理。由于本设备的剪切力大，而驱动上刀架的液压缸布置在机架上，要求设备的结构小，安装和检修要方便。应以选择高压为主，但压力太高，其治漏、检修等问题又比较难处理。根据工厂的生产经验，在进行分析和考虑各种相关因素之后将系统压力确定为20Mpa。图3-12 剪切机液压系统原理图1，6压力继电器；2压紧油缸；3，8节流阀；4、9换向阀； 5单向阀；7剪切油缸；10溢流阀；11油箱 ；12过滤器：13油泵；14减压阀2液压油路原理图1） 空载运转：启动油泵，电磁铁1DT、2DT、3DT、不得电，换向阀阀芯处于中位，油泵输出的油液在溢流阀调定压力下经电磁阀回入油箱系统卸荷。2） 剪切和压料动作：油泵工作，电磁铁1DT得电后，油泵输出的油液在溢流阀10的调定压力下经电磁换向阀4和9进入剪切油缸7和压料油缸2的后腔，油缸前腔的油经换向阀回入油箱11，剪切机实现压料和剪切动作。3） 回程复位（剪切回程和压料松开动作）：油泵13工作，当电磁铁得电后，油泵输出的油液在溢流阀10调定的压力下经电磁换向阀4和9进入剪切油缸7和压料油缸2的前腔，油缸后腔的由经换向阀回入油箱11，剪切、压料油缸回程。3.6.4 选择液压元件1确定液压泵规格和驱动电动机功率由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为20Mpa，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力应满足：液压泵的最大流量应为：式中液压泵的最大流量同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量。系统泄漏系数，一般取，现取。由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：1） 工作