机械毕业设计793800吨全自动液压压砖机（主机).doc
机械毕业设计793800吨全自动液压压砖机（主机)
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机械毕业设计793800吨全自动液压压砖机（主机),机械毕业设计论文
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第 1 页 共 43 页 1 引言 1.1 全自动液压压砖机的简介 陶瓷液压压砖机 (以下简称压机 )是现代陶瓷生产线的核心关键设备，是机、电、液、气一体化的高技术专用设备。说它关键，主要是它前连原料加工，后接干燥烧成，若压砖机出现故障，则全线停工。说它专用，主要是出于特殊的物料（含少量水的喷雾干燥颗粒状泥粉料）及成形工艺技术（按照特定的升压曲线实施多次加压及排气），而一般的压力机显然是不能用于压制陶瓷砖的。作为陶瓷生产线的关键设备全自动压砖机显出示许多的优点： 压机采用液压传动对砖胚施加等静压力，工作平稳 ，有利于胚体压制成行。 采用液压传动可非常方便地实现对压制力、速度、时间的调节控制，并保持稳定，使压机动作很好的符合陶瓷工艺的要求； 容易实现压机的大型化和自动化； 胚体成型好，强度高。现代全自动液压压砖机都看其有可靠性、重复性、调控性、耐久性、效率等。本毕业设计主要研究宽体压砖机，以提高生产效率，节约生产成本，获得更好的经济效益。 1.2 全自动液压压砖机在国内外的生产状况及发展趋势 1.2.1 国内外压砖机的生产概 况 1 国内： 当今的中国，是世界上公认的墙地砖的生产大国，有着世界最大的陶瓷压机市场。但直至 20 世纪 80 年代末，陶瓷压砖机仍是我国建陶企业唯一需要全部引进的装备，其主要来自意大利和德国。中国陶瓷压砖机从最早开始研发到今天成为压砖机生产大国 ,其间经历了二十多年的艰难的历程。今天国产压机不仅可以替代进口的压砖机，而且可以大批量的出口外国，这是一个具有历史意义的重大的转变。国产压砖机的主要技术参数、主要技术性能和整体水平已接近国外现代压砖机的先进水平，而且差距在不断缩小，但是国产压砖机行业发展时间短，发展开发过程中 存在一些问题也是难免的，制造企业还应该不断提高产品质量，进一步降低成本，提高自身的竞争力，在巩固国内市场的同时，应积极开拓国际市场，只有在国际市场上占有一席之地，才真正证明国产压机的成功。07年广东科达机电宣布其自主研制的 7800吨压机研制成功，标志着我国也步入了压机大吨位压机市场。 经过 10多年的不懈努力 ,国产压砖机取得了长足的进步 ,无论从外观和结构方面都经过了不断的优化、创新 ,但与国外压砖机相比还有较大差距。例如铸、锻件的质量问题就nts第 2 页 共 43 页 是国产压砖机与进口压砖机最明显的差距之处 ,故国产压砖机看上去总是显得粗糙 、笨重。所以国产压砖机的研发 ,要立足国情 ,可以用好的结构 ,适合国情的结构来弥补国内制造业的不足。梁体的优化就是要最大限度的减少应力集中的危害 ,使梁体的应力场趋向均匀 ,在确保梁体刚度足够的前提下 ,可以适当减轻重量。同时梁体的优化还要有利于铸造工艺 ,例如优化时可以通过改变结构将铸造缺陷的密集区设计为低应力区以排除日后可能发生的隐患 。 为了满足陶瓷生产的需求 ,科达机电推出宽体压机，有 KD3800、 KD3200、 KD2100。在一定的压力下，加宽工作台的，可以提高生产效率。宽体压机可以降低主电动机的功率，可以提高压 制频率，还可以提高其工作的稳定性、节能、改变外观等，研究宽体压机还是很的意义的。通过现代的设计方法，对其进行设计，改变压机大小的、重量、受力情况、寿命等，对宽体压机将来能更好的适应市场和受到使用厂家的信赖好评给以保证，降低生产成本，为生产厂家获得更大的利益。宽体压机节能，提高生产效率，可以给使用厂家带来更大利益，降低能耗等。 2 国外： 近十几年来，国外的压砖机发展非常快，主要标志是，随着科技的进步，全世界生产压砖机的主要产家如德国的莱斯公司、道尔斯特公司等，意大利的萨米克公司、西蒂公司、维高公司、纳萨蒂公司等 ，日本的日型公司等一些公司不断推出结构日益完善，生产效率和自动化程度不断提高，多种结构形式的新型墙地砖成形液压机。 国外的压砖机现在都在向美观，大吨位，高精度，高效率，节能控制，多功能自动化程度更高和机器的动作更加符合料压制成型的工艺要求的方向发展。 1.2.2 现在压砖机的发展趋势 随着陶瓷砖压砖机技术的日益进步 ， 现代陶瓷液压压砖机无论从主机结构还是液压控制技术方面都和早期的压砖机大有不同。例如主机结构较多的采用经过不断优化的各种新型结构以及预应力结构 ， 使压砖机的主机精度、可靠性和抗疲劳性能得到较大的提高 ； 而近年来较多的采用先进的液压伺服比例控制技术 ,使压砖机的压制动作更加的柔和、平稳 ,压制力更加准确。这些都为现代建筑陶瓷业生产多变的高档墙地砖创造了非常有利的条件。 现代陶瓷砖压砖机主机结构的研究与开发就是要以最佳的、最合理的结构 ,尽可能少的原材料消耗 ,获得最理想的实用效果 ,包括主机精度、综合性能以及抗疲劳性等。但要做到这一点 ,就需要我们付出很多的努力 ,不断地总结经验、学习和研究。 nts第 3 页 共 43 页 1.3 CAD/CAE 在设计中的应用 计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技 术 ,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中 ,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题 ,已成为工程设计和分析中的重要工具。 1 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。简称 CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设 计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。 CAD 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。 2 计算机辅助工程 CAE CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的 优化设计等问题的一种近似数值分析方法。 有限元分析过程可以分为以下三个阶段： 1.建模阶段 : 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型 有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。 2.计算阶段 : 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控 制并在计算机上自动完成。 3.后处理阶段 : 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化。 1.4 本设计研究的内容和意义 众所皆知，随着我们国家的政策和我们国人自己意识到纯粹的简单的模仿别的nts第 4 页 共 43 页 国家的机器与不能在满足我们国家经济高速公路发展的要求，近些年来我们自主设计创新的机械产品已经越来越多。只有我们有生产出有先进水平的机械，才能真正的摆脱国际上一些强国对我们的控制，才能使我们生产出来的产品更具有竞争 力，我们国家才能步入国际强国的行列。 本设计设计的是 3800吨全自动液压压砖机（宽体）的机械部分的设计，采用现代的设计方法，对压砖机的机架进行详细设计。 用现代的设计方法和技术，实现对压砖机的设计制造，以优化压砖机，减轻压砖机的重量，节省材料等，提高其可靠性、重复性、调控性、耐久性等。陶瓷液压压砖机 (以下简称压机 )是现代陶瓷生产线的核心关键设备，是机、电、液、气一体化的高技术专用设备。说它关键，主要是它前连原料加工，后接干燥烧成，若压砖机出现故障，则全线停工。通过这样的设计可以减少压砖机的故障率，可使压砖机的 寿命更长。而研究宽体压砖机，以提高生产效率，节约生产成本，获得更好的经济效益 。 本项目研究 3800 吨全自动液压压砖机的机械部分， 为了提高效率，可以把压机的工作台的加宽。 3800 吨的压砖机增加工作台宽度可同时进行压制多块墙地砖。研究 3800吨的压砖机的机械部份，用 PRO/E画出其三维模型 ,然后用 ANSYS软件对其有限元分析代替传统的方法，优化设计，以节省材料。 目标实现压砖机同时实现压制墙砖 600mm*600mm(3 片 )， 360mm*450mm（ 6 片 /次），450mm*600mm(5片 /次 )， 500mm*500mm(4片 /次 )。实现压砖机的最优设计（减轻重量、提高疲劳强度等）。 nts第 5 页 共 43 页 2 设计原理 最早有压砖机是采用螺旋传动，而螺旋传动只能传递较小的压制力，一直制约的压砖机的发展， 直 到后来人们引入了液压的传动，使压制力有很大的提高，压制出各式各样规格的砖，大大提高了生产效率。下面我们介绍一下液压压砖机的原理。 2.1 液压压砖机工作原理 图 1-4 液压压砖机的工作原理 1小柱塞 2大柱塞 3坯体液压压砖机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力传递能量的机 器。其工作原理如图 1-4 所示。 2.2 液压压砖机主要特点 根据液压压砖机的工作原理可知，压砖机采用液压传动具有以下特点： （ 1）容易实现大型化。因为油压和活塞的面积可在较大范围内变动，压制力 F=A P，只要增大活塞面积 A 和提高油压力 P，就可得到大吨位的液压压砖机。目前已有公司宣称研制出一万吨液压压砖机就是证明。由此可知采用液压传动的压砖机容易获得更大的工作压制力，以满足压制大规格制品的要求。 （ 2）可方便地对压制过程的压力、速度、保压时间等参数实行调节和控制，使各项压制参数满足压制成 形工艺的要求。 （ 3）对砖坯施加的压力为静压力，因此工作平稳，有利于砖坯的压制成形。 （ 4）容易实现压砖机的自动化操作。 2nts第 6 页 共 43 页 3 总体方案的论证和选择 全自动液压压砖机主机部分（又称机械部分）主要由机架、压制油缸、增压缸、顶模装置、布料装置及排气、安全装置等组成。本设计主要研究机架和压制油缸的选择。 3.1 压制油缸的选择 本设计将先择活塞式的油缸，油缸倒置并将其和活动横梁做成一体，即倒置式组合主油缸。 改善了活动梁的受力状态 , 使压制力更加均匀 , 有利于坯体成形。 现在压砖机的油缸主要有 两种形式一种是活塞式油缸（图 1-4（ a），别一种是柱塞式 (图 1-4(b)。下面我们将通过比较。确定选择哪一种油缸更符合本设计的要求。塞式油缸被活塞分隔为两个腔，因此可以获得正反两个方面的运动。当活塞腔通入高压油，活塞杆腔回油时，即为工作行程；当活塞杆腔进油，活塞腔回油时，则可实现回程，故不需单独设置回程缸。它属于双作用油缸。由于活塞式油缸不需另设回程缸，所以结构紧凑，零件少，安装空间小。活塞在运动时，除了活塞杆有导向作用外，活塞沿缸壁滑动，也具有导向作用，且导向长度较长，所以活塞式油缸导向性能好。活塞缸 密封件的寿命较长，原因是高压端的密封填充件的微小渗漏属内泄漏，只要不影响使用性能，密封件产生的一些微小泄漏可继续使用，不必更换。柱塞式油缸是一种单作用油缸，只能从一个方向加压，所以要靠另外的油缸实现回程。柱塞在油缸中上下移动时是在导向套（环）中滑动的。一般导向套长度较短，为了加长导向距离，以便承受较大的偏心力矩，可在柱塞的两端安装导向套。此外回程缸的另一个作用是用于导向作用。柱塞缸的密封的寿命较短，原因是柱塞缸一端通高压油腔，另一端直接与大气相通，密封件两端的压力差较大，而且有微小的渗漏，都会污染环境和坯体 ，均影响使用，必须进行更换。柱塞在导向钢套中作往复运动，偏心载荷断还会发生倾斜，因此校塞表面必须具有足够的硬度及光洁度，以免过早磨危或因表酣拉毛，拉成沟潜而导致损坏。校寒表四拉坏后，会直接影响密封寿命，引起高压液体的漏损，甚至每隔半月就必须换一次密封，严重影响生产。通过上面的比较我们将选择活塞式的油缸。 nts第 7 页 共 43 页 油缸的装也有两种形式一种是正常安装与上梁做一体（图 1-5），一个是倒置安装下梁做成一体（图 1-6）。一般情况下，油缸安装在上横梁上，活塞杆与活动横梁相连。大吨液压压砖机采用将活塞式油缸倒置的结构，即将活 塞杆与上横梁固连，活塞杆固定不动，而将油缸与活动横梁做成一体，让缸体活动横梁作上下运动。工作原理同普通活塞式油缸一样，但具有如下优点： 增加了活动横梁受力面积，大大改善了活动横梁的受力状态，相对提高了活动横梁的刚性，使其受力变形小，使砖坯压制力更加均匀，有利于砖坯的压制成形，提高砖坯压制质量。 压制油缸倒置可使上横梁的结构大为简化，从而大大减少其加工难度，同时不需在上横梁加工出油缸，因而使上横梁的强度得以大大提高，并可减小主机尺寸。由于倒置式有以上显著的优点，本设计将选择倒置式的。 主油缸与动梁合一结 构是大型压砖机的结构形式（如图 1-6）。主油缸采用筒形无缸底结构，利用动梁的上平面作为油缸底部，通过柔性联接和独特的密封结构将主油缸和动梁联成一体。除具有油缸倒置结构的优点外，另外与带缸底倒置油缸结构相比，运动部分的重量大大减轻，有利于提高压砖机的运动速度及工作频率；油缸的重量减轻 50%以上，主机高度可适当降低，并彻底解决了带底油缸的缸体与缸底连接部位的应力集中难题。 nts第 8 页 共 43 页 综上所述，本油缸将使用活塞式油缸，而且倒置，油缸做成一体。 3.2 机架结构形式的选择 机架是承受压制成形时的全部载荷，因此机 架的强度和刚度对整机的性能影响较大。 目前，在陶瓷墙地砖的生产过程中，压砖机是陶瓷粉料干压成型的关键设备，因而压砖机框架刚性的好坏在一定程度上影响了陶瓷墙地砖坯体的质量及成坯率的高低。具体说来就是压砖机框架的刚性好，框架变形极小，所压制的坯体致密度、机械强度及成坯率等都较高 ;反之，坯体致密度、机械强度及成坯率等都较低，严重时，甚至成不了型，压不成坯体。所以说研究和探讨压砖机框架的设计计算，合理地提高框架的刚性，有效地减少框架的变形，能极大限度地提高陶瓷墙地砖坯体的质量及成坯率。 目前常用的机架的结构形式有梁 柱组合机架、拉杆套筒梁柱组合机架、钢丝缠绕机架，通过下面的比较选出最佳的机架方案是拉杆套筒梁柱组合机架。 拉杆套筒梁柱组合机架 （图 1-1）。由上、下横梁与四根立柱用螺母连接而成，立柱由拉杆及套在其外面的套筒组成。装配时，拉杆两端分别穿过上、下横梁的通孔，再用专用千斤顶将拉杆拉长（也可加热使之伸长），最后用螺母拧紧。这样，拉杆受一个预拉力，全长预紧。拉杆受拉而套筒受压，使上下横梁构成一封闭的戒框架，整机的刚性好，强度大。工作时，机架承受的为脉动载荷，循环特征 r=0。立柱施以预拉力后，脉动载荷与预拉力叠加 ，改变了载荷的性质。如果设计得当，载荷的循环特征可大些，载荷性质接近于静载荷。这样一 来，拉杆就可以材料的屈服极限而不用持久极限特征来进行强度校核，材料的能力得到充分的利用，拉杆截面可以做小一点。 3800 吨压砖机是中等nts第 9 页 共 43 页 压力的压砖机用拉杆套筒梁柱组合机架的结构形式完全能够满足要求。 梁柱组合机架（ 1-2），虽然结构简单，在制造和装配都比 拉杆套筒梁柱组合机架简单，成本低，但是在压制的时候产生较大的变形，强度和刚度都不够，只适合吨位小的压砖机，不适合3800吨压砖机。 钢丝缠绕机架 (图 1-3)，是现在世界上大吨位 压砖机比较常用的一种机架形式，由上、下两个半圆梁及两立柱用预应力绝缘缠绕而成。通过预紧钢丝对梁柱施加足够的预紧力，使梁柱上的拉应力大部分转化为压应力，这样就大大消除了由于拉应力引起的疲劳裂纹扩展的隐患，提高了压砖机机架的疲劳强度和刚度。在我们国内这种形式的机架用的比较少，技术还不是很成熟，在制造和装配有一定的难度，造价成本高，而且其主要用于大吨位的压砖机 3800吨压砖机是中等压力的压砖机用拉杆套筒梁柱组合机架的结构形式完全能够满足要求。 nts第 10 页 共 43 页 综上所述，本设计将选择 拉杆套筒梁柱组合机架 。 nts第 11 页 共 43 页 4 压砖机各主要零部件的设计 4.1 各零件的结构设计 4.1.1 主机的结构 从前面方案的选择中我们选择了现在比较常用的拉杆套筒式的梁柱式的结构形式，如下图（ 3-1）所示 3-1 4.1.2 上横梁的结构设计 我们才用梁柱式的结构，上横梁要开四个立柱孔，。为了结构的美观我们将把充液箱放在在上横梁 做成一体 ，即上横梁上表面要开一个孔， 做为充液箱 。活塞杆和上横梁才用法兰连接，连接处有一孔。螺母连接处要有沉孔，和套筒、法兰连接处都要有凸台。为了节省材料，内部可以 适当的挖空。其结构简图，如图（ 3-2）所示 。 形状尺寸要求 立柱孔一般比插入端大 1-2mm。 立柱螺母锁紧的表面（沉孔表面）平面度 0. 与活塞接触的表面平面度 取 0.1，垂直度（相对于轴线） 0.05 nts第 12 页 共 43 页 4.1.3 活动横梁的结构设计 由于我们才用油缸倒置的形式，我们将去做成缸梁一体式的，活动横梁上也开有四个立柱孔，由于活动横梁在运动中的精度要求比较高，为了套筒和上横梁的接触要加导套，横 梁还要放成导套的沉孔。下面还要有 T型槽。如下图（ 3-3） 形状与尺寸的 精度要求 活动横梁的下表面的 不平面度取 0.05。对工作的平行度 0.08 孔前后左右的中心距偏差取 0.2， 孔对角方向上的公差 由下面的公式 *xyR x yRR （式中 R、 R 对角上孔的间距及公差； x、 x 左右方向上的间距及公差； y、 y 前后方向的间距 及公差。 ） 立柱孔与导套的外圆的配合精度 76Hn4.1.4 下横梁（工作台）的结构设计 下横梁是主机受力比较大的一横梁，支撑着整台机器的重量和冲力，另外还要固定下横梁，安装顶模装置，还要连接布料装置，我们设计是宽体压砖机，下横梁的工作台面应该比较宽。为了保证下横梁的壁厚，对取适当的挖空，具体结构形式如（ 3-4）所示 。 形状尺寸的精度要求 工作台面的 平面 度 0.05 锁紧螺母与之贴全的平面的平面度 0.16 立柱孔比立柱大 2mm nts第 13 页 共 43 页 4.1.5 立柱的导向导套设计 活动横梁与立柱配合外的导套是压砖机运动部分的导向装置，它对子机器的运动精度，压出来的砖的尺寸精度，模具寿命各机身受力等有很大的影响，因此导向装置的设计也是很重要的。 拉杆套筒式的导向精度比较难保证，主要是由于配合面多，累积定向误差大，为了达到活动横梁的较高导向 精度，我们在行动横梁导向要加导套，导套的形式用圆柱式的。为了减小加工难度，将上下横梁做成凸台形式。上面我们在设计上横梁的时候已经初步的设计了导套，厚度取 20,高取 40.现在我们对其进行详细设计。便于安装我们把导套做成凸式的，然后用压盖将其固定，上面还有防尘圈和毛线。其结构简图如下图所示 4.2 各主要零部件的初步设计计算 4.2.1 立柱拉杆初步设计计算 压机在工作的时候，立柱只承受拉力，套筒内承受压力。总的颈紧力 Pj 一般为公称压力的 1.2-1.5 倍。这里取 1.5 倍，以防止套筒与上横梁分离，使拉杆始终 受拉套筒始终受压。拉杆的设计我们可以参照螺栓的设计方法进行设计。 nts第 14 页 共 43 页 计算项目 计算过程及说明 结果 1、受力分析 拉杆的受力分析如下图所示： 压砖机在工作的时候是受力情况是变化的，所以立柱受的接拉力是变化的。和螺栓受力变化一样如下图所示（机械设计 P86） 其中： Q：每根立柱受的压机工作时所受所受力 Qp：立柱受的预紧力（ Qp 1.3F） F：工作压力（ F p/4，其中 p是公称压力） Q/P: 工作过程中立柱受的预紧力 nts第 15 页 共 43 页 Q ：立柱受的总拉力 F: 应力幅 C1 : 立柱拉杆的刚度 C2 : 上横梁各套筒的刚度 ：拉杆加载后外伸长的长度 上横梁和套筒加载后被压缩后的增量 由机械设计公式得 Q Qp+ 112CCCF Q/P = Qp - 212CCCF n-n截面所受的图如下图 由 Q/P = Qp - 212CCCF =1.5-0.8F=0.7F 由 Q Qp+ 112CCCF 1.5F+0.2F 1.7F 由 F P/4 73.8 10 /4 N 69.95 10 N得 Q 71.6915 10 N 相对刚度 112CCC 0.2 212CCC 0.8 立柱受的最大应力Q 71.19 10 N nts第 16 页 共 43 页 2 材料的选择 本设计中的立柱的材料将选择 35CrMo. 35CrMo的特性系数及力学性能： 屈服极限 835saMp 抗拉强度 980baMp 弹性模量 112 . 0 7 4 1 0aE M p泊松比 0.3 由于立柱比较大受力也比较大，使 用锻造方法对其进行加工， 35CrMo 这种合金钢具有良好的锻造性能。 35CrMo 2 拉杆直径计算 d 初步的计算拉杆的直径 d 取安全系数 ns=3 ss n =8353 =278Mpa 由24FAAd得到 4Qd 0.272m 对于螺纹型式一般对小于 500吨的选用公制细牙螺纹。对大于 500吨的选用单线细牙锯齿形螺纹 (按 重型机床行业标准 Q ZBl73 73选用 )。查机机械零件设计手册上册 499页 选用大径 d=300 螺距 P 12 中径 d2=291 小径 d1= 279.14(螺母大径 D 300 中径 D2 291 小径 D1 282）。 由于 d1=279.14272 可以满足要求。 故取 d =300 d =300 3 螺母的设计 立柱螺母 立柱一般有整体式与对开式两种。对于中小型液压机采用整体式较多。大于 500吨的用对开式较多。材料一般nts第 17 页 共 43 页 选用 45锻钢件。 螺母高度一般取： H=1 1.5d 螺母外径一般取： D 1 1.8d 式中 d为螺纹直径 设计中螺母的高度 H 1.2d 1.2 300 360 螺母的外径D3 1.5d=450 由螺纹的设计中可得螺母的螺母大径 D 300 中径 D2291 小径 D1 282 大径 D300 中径D2 291 小径 D1 282 防松装置的设计 由于立柱的螺纹连接是在变载荷的工作条件下工作，很容易松动，压砖工作是不允许出现松动，松支后不仅会存在危险，而且会影响到压砖机的压制效果，所以 需进行防松设计。参照机械设计我们防松装置将采用摩擦防松中的对顶螺母。两螺母对顶后，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。工作载荷变动的时候，该摩擦力仍然存在。由上面可知螺母高度为 360，故我们的两个螺母高度和 大于 等于 360，故取每个螺母的高度为 180。 受用对顶螺母防松 螺母的高度为 180 疲劳强度校核 由于压砖机在工作时立柱受交变应力，我们有必要对它进行强度校核。 由上面已知安全系数 S=3。 立 柱 受 的 最 大 拉 力 Fmax=1.7F= 71.6915 10 N ，Fmin=1.5F= 71.425 10 N，应力幅 62 .7 1 0F 应力保持不变 由机械设计 32 机 械 零 件 的 疲 劳 强 度 计 算 m= max min2FFA=223Mpa a= FA=38Mpa 根据材料力学359P式（ 11-16）1amn K nts第 18 页 共 43 页 其中： n 工作安全系数； 1 对称循环的持久极限； a 应力幅；m 平均应力； K 有效集中应力系数； 尺寸系数； 表面质量系数 ; 试件材料常数，对于合金钢=0.23 0.3。 查机械设计手册第二卷11106P表 11.6-4 立柱受抗压011.421 0 .2 3 ( )sb 0 . 2 3 ( 8 3 5 9 8 0 )=417.45 0 1 . 4 2 4 1 7 . 4 5 5 9 2 . 7 7 9 M P a 我们选择的材料是 35CrMo,查表得=0.28 查表 螺纹连接的尺寸系数=0.5 由机械零件设计手册查表 6-5 得有效应力集中系数 k 2 查机械设计手册 疲劳强度设计表 3-2得 n=1.7 所以 4 1 7 . 54 3 8 0 . 2 8 2 2 3n =1.95 1.7 所以立住是安全 立柱可满足要求 4.2.2 套筒的初步设计计算 计算项目 计算过程及说明 结果 套筒厚度的设计 全自动液压压砖机才用 拉杆套筒 形式，在工作过程中套筒始终受压，由上面立柱的设计可知套筒始终受压，最大压力即为预紧力 Fmax=1.5F= 71 .5 3 .8 1 04= 71.425 10 N 最小压力 Fmin=0.7F= 70 .7 3 .8 1 04= 66.65 10 N 在这里初步计算一下它的外径的大小，材料取和立柱的一样也是 35CrMo,安全系数 ns=3，则 278Mpa，由于套nts第 19 页 共 43 页 筒和立柱是部分接触，套筒内径 d 初取 330 由221 . 5 ()4FDd得 72261 . 3 3 1 0 4( 0 . 3 ) 3 . 1 4 2 7 8 1 0D 得 389,这里取 400 套筒的校核 压杆稳定性的校核 疲劳强 压杆稳定性的较核 由材料力学 9.5 压杆稳定的校核 由公式（ 9.8）求出 2 2 91( 2 1 0 1 0 ) 50830pE 由于套筒是可简化成一端固定的，另一端铰支， =0.7。截面是圆环形， i= IA=442222()32 0 . 18()4Dd DdDd 1 0 .7li (初取 l=1300)， 1 所以不能用欧拉公式计算临界压力。由分公式 (9.11), 2 9 8 0 7 9 8 0 16675 . 2 9 6sa b 由于2，所以上面我们杆用强度计算是可以满足要求。 疲劳强度的校核 套 筒 受 交 变 应 力 ， Fmax=1.5F= 71.425 10 N ，Fmin= 66.65 10 N m= max min2FFA=190Mpa，a= FA=138Mpa 由式（ 3-2） 同上面的1=417Mpa，查表得应力集中系数 k=1，查表尺寸的截面系数=1 满足要求 nts第 20 页 共 43 页 度的校核 查机械设计手册 疲劳强度设计表 3-2得 n=1.7 1amn K =2.2 1.7 满足要求 4.2.3 上横梁的初步设计计算 计算项目 计算过程及说明 结果 受力分析 上横梁的初步设计可以把其简化成梁的形式，本设计油缸采用倒置安装，即活塞杆与上横梁连接。活塞杆与上面接触面的力可以看成是均布载荷均布力为 q。受力分析我们将采用我们学校老师自己开发的材料力学软件对上横梁的受力求出最大弯矩 ,受力简图如下图所示 由同组设计同学，得知活塞杆的直径 d=1m,所以均布力 q=p/d= 73.8 10 N/m 受力分析求出力 FA,FB,弯矩 M 由 MA 0,求出 FB FB*AB-q*d*AB/2=0 FB 1 1.22.4q= 2q 1.6 107N 同理 FA2q 1.6 107N 剪力图如下图所示 nts第 21 页 共 43 页 弯矩图如下图所示 最大弯矩 Mmax 2*2 2 8p A B q l= 773 . 8 1 0 2 . 4 3 . 8 1 044 = 73.61 10 N.m 最大弯矩Mmax = 71.805 10 N.m 材料的选择 压砖机的上横梁、活动横梁、底座都是采用铸件。中碳钢 有良好的韧性及塑性，强度和硬性较高，切削性能良好比低碳钢铸造性能好 .参照其它压砖机本设计将采用 G270-500 G270-500 特性系数及力学性能： 屈服极限 270saMp 抗拉强度 500baMp 弹性模量 112 . 0 7 4 1 0aE M p泊松比 0.3 材料 ZG270-50 上横梁的 参照其它压砖机取上横梁的宽 b=1400,高 h=1400 nts第 22 页 共 43 页 设计 对其进行初步计算可采用下面这个公式 m a x MK W 其中取 K 1.5,W 26bh（初步设计把截面看成长方形） 脆性材料安全系数可以取大点，这里 ns=4 则 500/4 125Mpa = 71 .5 1 .8 0 5 1 0w21 .4 1 .46w 0.49 711.8 10 pa 118Mpa 135Mpa 可以满足要求 上横梁的宽b=1400, 高h=1400 4.2.4 活动横梁的初步设计 计算项目 计算过程及说明 结果 活动横梁的设计 本主设计采用电气行程开关进行限程，不是采用机械限程，通过模具垫板传递压力，故动梁仅 受挤压应力和较小的弯曲应力，可以不用对其进行详细设计。参考其它压砖机取其宽 b=1120,高 h=400 材料和上横梁的一样选择 ZG270-500 材料ZG270-500宽 b=1120, 高h=400 4.2.5 下横梁（工作台）的初步设计 计算项目 计算过程及说明 结果 受力分析 下横梁的初步设计可以把其简化成梁的形式，在压制过程中下横梁也是受均布载荷，均布载荷的面积即模具与下横梁的接触面积，由可压制 3 块 600 600,接触长度大概是2100,下横 梁的受力简图如下图所示 分析计算过程和上横梁一样 nts第 23 页 共 43 页 剪力图 弯矩图 最大弯矩 Mmax ()42p CDAB其中 AB大约是中心间距 AB初取 3200 CD是下模和工作台的接触面而定，一般取（ 0.35-0.6）倍的中心间距，由于是宽体压砖机可以比一般的大以、取 0.6倍，即 CD=2100 Mmax= 71.28 10 N/m 最大 弯矩 Mmax= 71.8525 10 N/m 材料选择 材料和上横梁的一样选择 ZG270-500 G270-500 特性系数及力学性能： 屈服极限 270saMp 抗拉强度 500baMp 材料ZG270-500 nts第 24 页 共 43 页 弹性模量 112 . 0 7 4 1 0aE M p泊松比 0.3 下横梁的设计 参照其它压砖机取上横梁的宽 b=1500,高 h=1400 对其进行初步计算可采用下面这个公式 m a x MK W 其中取 K 1.5,W 26bh（初步设计把截面看成长方形） 脆性材料安全系数取高一点，这里 ns=4 则 500/4 125Mpa 71 . 5 1 . 8 5 2 5 1 0w 21 . 5 1 . 4 0 . 5 26w 53.4Mpa 5 3 .4 满足要求 下横梁的宽b=1600高h=1400 4.2.6 充液箱的初步设计 计算项目 计算过程及说明 结果 充液箱体积的计算 为了保证一定的最低液压面，以避免保保证证气体不进入管道。充液箱的体积 Q 3( ) ( )1 nQ K A S mn 式中： K 充液体积相对于工作缸的容积，一般取2-2.5 n 充液箱相中最大压力和最小压力的比值一般取 0.7-0.75 A 工作缸的面积 S 活动行程 nts第 25 页 共 43 页 由上面可知将 K 值和 n 值代入可得 ( 4 . 3 5 . 5 )Q A S ，这里取 Q=4.5AS 由上面我们知道工作缸的直径 d=1250，活动行程S=190，所以 Q=1m3 Q=1.16m3 充液箱的设计 我们设计成圆筒式的，初取 D=1200，则 h=850 计算壁厚 ，由充液箱的最大压强取 2bar即 0.2MPa，用薄壁进行计算 2 PD ，式中 P是 1.5倍的最大压强 ， D=1200， 是许用应力， 充液箱选用 Q235 的钢板焊接而成，安全系数取 4，所以 =58.755MPa 所以 0 . 3 1 2 0 0 32 5 8 . 7 5 ，取 =3 内径D=1200，高 h=850，壁厚 =3 nts第 26 页 共 43 页 5 压砖机各主要零件的详细设计及用 PROE 建立三维模型 压砖机的上横梁、活动横梁、下横梁都是用铸造的方法获得。影响零件成本 90%是零件的设计过程决定。铸件的设计涉及四个方面的内容： a、即压力铸造对零件形状结构的要求； b、压铸件的工艺性能； c、压铸件的尺寸精度及表面要求； d、压铸件分型面的确定。 5.1 活动横梁的详细设计及三维模型的 绘制 1、活动横梁的总体设计 活动横梁是压砖机的一个重要的运动部件，在运动中和套筒的摩擦很大要加导套，厚度可取 10 20,这里取 10,为了装配和维修的方便立柱 导套做成对开式，每个导套高1143 的活动横梁导向部分高度， 约 这里取 14 ，高度 80。活动横梁将采用铸造的方法进行加工，由于械设计手册铸件较大壁厚可取 50，导向部分的高度取等于 300，由套筒的外径 d=400和立柱导套的厚度 10,可确定，活动横梁上立柱孔 D 420,由立柱的净间距2400 可以确定活动横梁的立柱孔横向间距 l1 2820，立柱柱纵向净间距取 200，刚立柱孔纵向间距 l2=620，长 a=3420,宽 b=1140,活动横梁的导向部分的度要大于活动横梁的活动行程的一半，取 300。为了节省材料可做成箱体体形式，内部做十字加强肋，厚 100。由机械设计手册铸件的倒圆角 ,内部圆角都取 30,外部圆满角都取 25。设计和布置铸造工艺所需的出砂孔，出砂孔边的应力集中，也是上横梁被削弱的地方，出砂孔一般布置在弯曲应力为零的中性层附近，虽然弯曲应力为零，但 还是 存在较大的剪应力。砂孔的半径 R 100，布置在中性层上， 6个砂孔，具体位置如下 （ 4-1） 三维图所示 . 2、型槽的设计 活动横梁下表面型槽的设计，型槽是要固定模具。由 机械设计手册表 7-1 nts第 27 页 共 43 页 可得取 a=36,则 b=60(允差 +3),c=25（允差 +2） ,h=40,e=2，活动横梁上分布 8个，具体位置有模具决定。 三维图如图 (5-1)所示 (5-1) 5.2 上横梁的详细设计和三维模型的绘制 1、上横梁的总体设计 大型铸件一般都要做成箱体的形式，上横梁我们设计成箱体形式，由于上横 梁受力比较大，为了保证强度和刚度，壁厚应该厚一些，这里壁厚 取取 100。由活动横梁左右的中心间距 2820，前后的中心间距 620，我们可以确定上横梁的长 l=3330，宽 (中间截nts第 28 页 共 43 页 面 )b=1400，两边宽 b1=1150，由机械设计手册箱体拐角处和连接处的倒圆角，由机械设计手册铸件的设计，查得内部圆角都取 50，外部取 25。 砂孔大小取直径 D 100,在中性面上，在上面两个面，总共 4个，对称分布。 2、立柱和上横梁的连接设计 由立柱 d=300，取其与柱孔接触部分的直径为 310,接触高度为 120,上横梁与立柱的配合间隙原定为 76Hn，但在实际安装的时，往往由于立柱垂直度公差叠加 (两立柱同时向里或向外，对角线方向同时向里或向外偏差 )，而发生装不进的现象，所 以对中小型液压机，应有 1 2mm的间隙， 这里取 2mm，所以上横梁的立柱孔直径为 312（接触部分），接触高度 h=120 梁的立柱孔高度一般是立柱径的 2.5 3.5倍，这里取等高梁，高度 1400。由上下接触部分均为 120,所以不接触部分为 1140，由 JB-ZQ 4169-97 铸件设计规范，不接触部分的直径要大于等于 342这里取 345,过度处的倒圆角 R=30。螺母与上横梁的接触地方加工出沉孔，沉孔的高度 20，直径 d 470。套筒和上横梁接触的地方要做出凸台，凸台高度取 20，内径 310，外径 420。 3、活塞杆和上横梁的连接设计 本设计采用油缸倒置的形式，活塞横杆与上横梁的连接形式的设计 活塞杆的直径 D 1100,这里 我们将采用螺栓连接，螺栓直接从上横梁充液箱的底部连到活塞杆 综上所述，和参照目前压砖机的结构形式设计，其上横梁的结构形式如图（ 5-2）所示 。 nts第 29 页 共 43 页 5-2 5.3 下横梁（工作台）的详细设计和三维模型 绘制 下横梁的设计和上横梁的设计基本相似，下横梁也是箱体式， 立柱孔的直径为 310,配合精度为 H7/h6厚度为 100，加强肋条的厚度为 150，直 接把上表面加厚取厚 300,下表面直接穿透。下横梁的长度 l=3565,宽 b=1500,高 h=1400,立柱孔的高度 h=900,结构形式和上横梁一样，螺母放在箱体内部。四周均布四个地角螺栓，对其进行固定，角螺栓取M20。期它的参数和上横梁一样。立柱孔的与立柱的接触部分长度 120，所以不接触部分的长度 660。 具体给构形式如 图 5-3所示， nts第 30 页 共 43 页 5-3 5.4 立柱的详细设计和三维模型 绘制 1、由压砖机的各个参数确定上横梁与下横梁的间距，从而确定套筒的长度即上横梁和下横梁间立柱的长度。 上横梁到下横梁的长度由已知 的活动横梁到工作台在的最大距离 700、活到横梁的厚度 400、油缸的高度 450还有油缸与上横梁适当的间距取 ,故上横梁到下横梁的距离 1600。立柱的上下表面开有起掉螺纹孔 2、立柱上螺纹设计 我们采用的螺纹是锯齿螺纹，螺距 P 12,每个螺母的高度 180，由机械设计手册第 2卷 6-10中查得螺纹的退刀槽 l=1.25p=15 螺纹的总长度 395加上过度段的长度 25。 3、立柱上各段长度确定 由上面我们知道与上、下横梁，套筒的接触部分的直径 d=310,高度 h=100，过度部nts第 31 页 共 43 页 分的圆角 R，都等于 10。 a段长 420， b段 和上横梁连接长度 80， c 段在上横梁内部不接触部分长度 1190， g 段与上横梁和套筒接触部分的长度 160， f段上横梁到下横梁的长度去掉和套筒接触部分长度 1400， f段下横梁和套筒接触部分的长度 180，在下横梁内部不接触的部分长度 740， h段是与下横梁接触的部分长度 80， i段 a段一样也是 420，立柱总长度 4670。 三维模型如 图 （ 5-4） 所示 5-4 5.5 套筒的详细设计和三维模型 绘制 由上面我们知道套筒的长度 1580，内径 310（接触部分），不接触部分内径 320，外径 400，上下接触接触部分的高度为 100， 上面开有起掉孔 三维图（ 4-5） nts第 32 页 共 43 页 5-5 5.6 螺母的设计及三维 模型绘制 由上面螺母设计，我们 两个对顶 螺母 螺母的 高度 180，外径 450。螺纹牙上的载荷分布是不均匀的，实验证明约有三分之一的载荷在第一圈上，第八圈之后几乎不受载荷。为了改变螺纹的受力。为了改变这种受力情况，我们在前三扣车出 10o 的锥度 。 为了保证对中心线的垂直度在 0.05毫米之内。我们将采用滚压工艺方法，加工螺纹，可以显著的提高螺纹连接处的疲劳强度 三维图如下图（ 5-6） nts第 33 页 共 43 页 5-6 nts第 34 页 共 43 页 6 上横梁的 有限元分析 对上横梁的精确设计是在我们初步设计计算那建好三维模型之后，用有限元分析软件对其分析，得出结论，对初步设计的零件进行修改，达到对零件的精确设计 .本设计使用的有限元分析软件是 ANSYS10.0。 用 PROE 建立各零件的三维模型之后，保存为 IGES 格式的文件，然后后导入 ANSYS中去分析。 在 proe中三维模型的建立，由于上横梁是一个对称的的零件，在分析中为了简化分析，提高分析效率，我们在分析时只取四分之一，还有 一些对分析结果不明显的特征均可忽略。把文件另存为 IGES文件。 把创建的 IGES 文件，导入 ANSYS10.0 中。定义材料，上横梁选用的材料是铸钢 ZG 270-500，材料特性弹性模量 EX 210G，泊松比 =0.28。定义单元类型，实体类型。网格划分，采用自动网格划分工具划分得出结点数 Nodes=19558，结点单元 Elements11692。 添加约束和载荷、求解。加位移约束，对称面分别加上垂直于对称面的位移约束，上横梁的下底面全约束。加载 荷，在活塞杆和上横梁连接处加上均布载荷（面力），大小是 12101910N/m，在螺母和上横梁接触处加上均布载荷 (面力 )，大小是 135227272N/m。求解。 后处理过程（结果） 由第一应力图 (1-1) nts第 35 页 共 43 页 (1-1) 可以满足要求 由总应力图 (1-2) 可以满足要求 由 y方向的应变图 (1-3) nts第 36 页 共 43 页 总应
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