单臂矫直液压机本体结构文毕业论文.doc

燕山大学 毕业设计（论文） 单臂矫直液压机本体结构设计燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：机械工程学院 系级教学单位：塑性成形工程系学号学生姓名专 业班 级课题题 目20MN单臂矫直液压机来 源科研课题主要内容矫直液压机是机械制造业常见的用于各种板棒管材矫直矫正的设备。本压机主要用于大型轴类、管类、板类件的矫直。主要设计内容与目标是：1、20MN矫直液压机的结构型式与结构分析；2、20MN矫直液压机的本体方案设计与技术设计；完成工程设计的综合训练。基本要求1、确定合理、可行的液压机结构型式(单臂三梁四柱组合机架)；2、完成必要的强度、刚度(重点是刚度和整体工作性能)分析；3、完成液压机本体结构总图及重要零部件的技术设计；4、设计图纸总量不少于3张A0(其中包括2张A3或以上规格的计算机绘制的图纸)；5、要求设计说明书不得少于2万字。其中，图表要求计算机制作；6、与本设计相关的外文资料翻译不得少于5000字。参考资料1.余新陆.液压机.北京：机械工业出版社2.张志文.锻造工艺学.北京：机械工业出版社3.中小型液压机设计计算.天津：天津人民出版社4.王卫卫.金属与塑性成型设备.北京：机械工业出版社周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容收集资料,确定参数方案设计结构分析,设计计算技术设计,撰写说明书设计审核,答辩指导教师：系级教单位审批：说明：本任务书一式二份，教师、学生各执一份。摘 要锻压生产在国防工业和民用工业中占有极其重要的地位。采用锻压工艺生产的零件广泛应用于电力工业、造船工业、航空工业、重型机械制造业等各个行业中。矫直液压机是机械制造业常见的用于各种板、棒、管、材矫直矫正的设备。本文基于液压机设计理论，依据已有液压机结构和设计经验，通过可行性分析，确定了20MN单臂矫直液压机的结构与技术参数，给出了本体结构设计方案。在此基础上，论文对液压机上、下横梁等关键部件的受力和变形进行了材料力学分析，对其刚度和强度进行了校核，以保证主要受力部件能够满足机器刚度和抗偏载能力的要求。根据上述计算与结果分析，修正初始设计方案，为20MN单臂矫直液压机的技术设计提供了可靠的方法和依据。关键词单臂矫直；液压机；本体结构；工作缸；横梁AbstractForging production in the defense industry and civilian industry occupies an extremely important position. Forging production process using components widely used in the power industry, shipbuilding industry, aviation industry, heavy machinery manufacturing, and other sectors. The Wheatstone alignment hydraulic press is the equipment that the manufacturing industry used for various plank, stick, tube, the material straighten to keep correct familiarly.Based on hydraulic press design theory, according as structure and design experience of free forging hydraulic press, analyzing through feasibility, the dissertation has confirmed that 20 MN the structure of the Wheatstone straighten hydraulic press and technical parameter, providing the design plan of body structure. On this basis, some of the key parts, such as upper beam, lower beam have been on mechanics of materials analyze, the dissertation has checked its rigidity and intensity, so as to ensure that can meet the rigidity of the machine and capability of non-central load by the strength part mainly.According to calculating and analyzing result in above-mentioned, the initial design plan has been revised, the technical design of 20 MN Wheatstone straighten hydraulic press has offered reliable method and basis.Keywords Wheatstone straighten; Hydraulic press; Noumenally configuration; Work urn; Beam目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 液压机发展的国内外现状31.3 液压机研究的主要成果41.4 液压机的发展趋势51.5 课题研究的内容和研究的意义51.5.1研究的基本内容，拟解决的主要问题51.5.2研究步骤、方法及措施61.6 本章小结6第2章 液压机的本体结构方案设计72.1 引言72.2 单臂式液压机优缺点82.3 液压机本体结构方案设计82.4 工作缸的结构参数设计92.4.1液压缸结构概述92.4.2工作缸设计122.4.3工作缸的强度校核152.4.4工作缸底法兰连接螺栓的选择162.5 回程缸的结构参数设计172.5.1回程缸设计172.5.2回程缸的强度校核182.5.3回程缸底法兰连接螺栓的选择202.6 上横梁结构设计及刚度强度校核202.6.1上横梁设计方案202.6.2上横梁刚度及强度校核222.7 下横梁结构设计及刚度强度校核252.7.1下横梁设计方案252.7.2下横梁刚度及强度校核262.8 拉杆的结构方案的确定292.8.1大拉杆的结构尺寸的确定322.8.2小拉杆的结构尺寸的确定322.8.3拉杆螺母的选择332.8.4拉杆强度校核342.8.5拉杆的预紧与防松352.9 密封装置362.9.1密封材料362.9.2活动件密封装置372.10 本章小结37结 论39参考文献40附录142开题报告42文献综述45附录248外文资料48附录362中文翻译62致 谢75第1章 绪论1.1 课题背景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，液压机在金属加工及非金属成形方面的应用越来越广泛，在机床行业中的占有份额正在大幅度攀升。单臂液压机又称“C”形液压机，属中小型压机，机架为整体铸钢结构或钢板焊接结构，结构简单，工作时可以从三个方向接近，操作方便。但整个机架有足够的强度和刚度，有时机架比较笨重。目前，单臂式液压机广泛用于校正压装、板料弯曲成型等工艺中。矫直液压机是机械制造业常见的用于各种板棒管材矫直矫正的设备。现在单独设计这种单臂矫直的液压机的并不多见，所以鉴于我国的这种现状，本课题选择这一课题为科研对象，希望在这方面能够弥补我国的这一缺陷。大型锻件的生产，是制造业的重要基础产业。由于锻造成型工艺能够改善零件的微观组织结构，提高其机械性能，因此在许多行业中获得了广泛的应用。近年来，国内外在电力工业、造船工业、航空工业、重型机械制造业等各个行业中，对大锻件以及大型模锻件的需求也日益增多，在制造业中占十分重要的地位。现代重型锻造液压机的制造能力和水平是一个国家国力的象征。随着科学技术的进步，对航空、航天和国防科技水平也提出了更高的要求。在这些行业中，对大型精密锻件的需求量很大。在国内外，锻造工艺之所以获得如此广泛应用，是与其独特的优越性是分不开的。如在生产率、金属材料利用率、产品的机械性能等重要经济指标方面，均比机械加工，铸造和焊接工艺占有优势。一个钢产量以千万吨计的国家，各类锻件总量则以百万吨计。如德国，自1970年以来，仅模锻件就达到年产量100万吨。正因为如此，锻件虽经上千年的发展，但至今其生命力仍与日俱增。目前，计算机科学日新月异，人工智能理论逐步完善，这些新理论和新技术直接或间接的促进了锻造技术的发展。对矫直技术和理论的研究，目的在于正确地分析和描述在矫直过程中呈现的一系列现象，寻求和实际相吻合的规律；确定矫直参数间的相互关系，用于指导生产；研发和开发新型、高效、高精度的矫直设备，使生产产品的质量和精度不断得到提高。国外对矫直理论和技术的研究起步较早，具有相当的广泛性，取得了许多研究成果。许多成果已经用于实际生产中，产生了巨大的经济效益。矫直技术较发达的国家，如前苏联、德国、日本和英国等，从四十年代起，生产的矫直设备就形成了系列产品，在矫直理论、工艺和设备的研究方面也做了大量的工作，并取得了一批较有影响的成果。国内有关的技术人员在矫直理论和技术的研究方面亦做出了很大的努力，使矫直理论和技术的研究工作得到了很大的发展，并取得了不少令人瞩目的研究成果，其中部分成果的水平居领先地位。随各行业对矫直设备的种类、数量日益增加的需求，我国目前已形成了自行设计和生产板、带、线、型、管材的矫直设备的能力，设备的精度和控制水平也不断提高。在引进和吸收国外先进的矫直设备和技术的基础上，高效、高精度的矫直设备相继问世，不断地推动矫直理论和技术地研究工作向前发展。矫直理论和技术的发展正趋向于在机械结构方面和传动方式方面便于操作和维护，扩大设备适用性、降低能量消耗、改善工作条件等方向发展。在现代技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可以用锻造方法制成锻件或零件，只是难易程度不同。今天，锻件精度越来越高，可以达到甚至超过机械加工的一般水平。如各种冷温挤压标准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等；锻件重量越来越大，随着大型水压机的出现，锻件的重量超过了一百吨，模锻件的外径也达到了100厘米以上；锻件的复杂程度由于多分模面的出现也得到了明显的提高，带来福线的空心管件已能在专用的锻压设备上直接成型。锻件生产的最高目标，应是以最短的时间和最低的成本，得到最好质量的产品。锻件实现机械化和自动化，是向全世界先进水平靠拢的必然手段。我国的锻造行业，除了这些锻造液压机之外，更多的是使用锻锤(大多为蒸汽锤，有一部分已改为“电液锤”)。预计再过10年到20年。大都会报废并退出历史舞台。近几十年来，随着我国现代化建设的迅速发展，特别是吸收了国外同行的生产经验和技术，引进国外先进生产设备，锻件的生产技术获得了明显的发展和提高。但是由于 生产工艺和设计手段依然落后，在很大程度上影响了我国锻造水平。因此，为提高我国锻造生产的整体水平，实现锻造工艺的设计计算机化，采用先进的数值模拟方法预测分析成型过程，以降低设计成本，缩短设计周期，提高生产效率，已成为目前我国锻造业的当务之急。随着我国进入WTO，世界性的经济发展推动了我国制造业的飞速进步。汽车、航空航天等行业的发展，促进了锻压产业的发展，各类锻件的需求也急速增加，这一形势迫使老的锻造液压机更新改造，发达地区新锻造设备加速上马，新一轮的研发锻造液压机的时期已经到来。随着市场经济的健康发展，未来的锻造液压机的进退将完全取决于市场需求。1.2 液压机发展的国内外现状国内现状：解放前，我国基本上没有实现自己的锻造工业，仅有一些古老的手工打铁作坊。在极少数大城市里有几台小型的用于修配德液压机或小型锻锤。解放后的第一个五年计划期间，太原重机厂安装了一台日本造10MN锻造水压机和5t蒸汽锤。1955年，由机械工业部第三局组织，在沈阳重机厂队一台日造30MN锻造液压机进行了改造设计。从1956年起，我国技术人员开始了从学习、仿制到独立研发锻造液压机的工作，一部分大学开设了锻压专业，许多教授对锻压工艺和设备从理论上进行了深入的研究并发表了一系列专门著作，培养了大量的锻压专业人才。国家建立了多所锻压工艺设备研究所，作了大量的研究开发工作。沈重、太重、北重、天重、上重及西安重型机械研究所先后独立研制成功了一系列锻造液压机，形成了许多锻件生产基地，这对于迅速发展的我国德工农业生产，巩固国防豆具有重大的意义。(1)在生产能力及市场方面，国内液压机的产量每年都有很大的增长率，国内液压机从产值和销售收入上和囤外发达国家比较，也不具有优势，但从生产的台数和总吨位上比较，我国的液压机生产产量处于领先地位。(2)在产品的技术水平上，国内液压机单机的技术水平达到了国际中等或较先进水平。一些液压机生产企业通过技术引进或与国内外同行业的合作，技术发展很快。但在一些技术含量较高的液压机中，某些关键技术，如液压和电控部分，还要通过国内与外的企业或研究单位合作， 高档的液压元件和电控元件还主要依靠进口。(3)在质量水平上，随着用户对产品质量要求的不断提高， 国内各液压机生产企业越来越重视产品的质量问题。由于国内液压机的技术最早是从前苏联引进和吸收的，国内生产的液压机在刚度和强度上远远优于日本及韩国的产品，与欧美的产品相当。和国外产品比较，我国的产品在质量方面还存在以下不足：(1)在可靠性方面，故障率还比较大，主要集中在液压系统方面， 多是因为液压和电器元件的可靠性低引起的；(2)漏油问题在国产液压机中较为普遍；(3)关键件的加工质量还需提高；(4)在外观和美学方面和国外公司的产品比较还有一定的差距。总体上讲，国产液压机在质量上和国外一些较知名公司的产品还有一定的差距，但随着国内制造商对质量的不断重视和管理水平的提高，国产液压机的质量会接近和赶上国际水平。国外现状：早在1893年世界上就研制成功了第一台120MN锻造水压机，应用历史已经有100多年。现在全世界拥有大型模锻液压机四十多台其中有42%在美国。美国Wyman Gordon公司、俄罗斯BCMO公司、法国AD公司是世界上拥有模锻液压机公称压力最大、品种、数量最多的3个企业。1.3 液压机研究的主要成果国外制造液压机技术比较成熟。早在1893年世界上就研制成功了第一台120MN锻造水压机，应用历史已经有100多年。经过长期的使用和考验，锻造水压机的结构、传动和操纵系统已有很大进步，其技术已日臻成熟。特别是1934年以后，各国为了发展航天工业，研制了许多巨型液压机，德国在二战前就建造了3台150MN液压机和一台300MN液压机。后来美国建造了两台315MN液压机。原苏联建造了4台300MN和两台700MN液压机。在20世纪，世界各国对液压机的研发都很重视，技术上得到了长足的发展。俄罗斯重型锻压设备制造公司是生产锻压设备的主导公司，可生产800t、1250t、2000t、3150t、6300t等液压机，其载重量为530t，负载力矩为118785kNm，是轨道式锻造操作机；俄罗斯依若尔重机厂能制造12500t的液压机；俄罗斯上萨尔达冶金生产联合公司是世界上最大的钛生产商，拥有世界上最大的75000t液压机。2002年，在75000t和30000t液压机上安装了自动控制系统，可生产重达3.2t的锻件；美国能生产液压机的最大吨位为12000t，日本生产的最大吨位为10000t。而我国液压机设计制造技术与国际水平相当，第一重型机械集团、第二重型机械集团公司均可制造12000t液压机。我国拥有10000t级大型液压机数量已跃居世界第3位。而锻压生产在我国已有悠久的历史，在3300多年以前的殷墟文化早期，锻压已用于兵器生产。解放前，锻压生产十分落后。解放后，锻压生产迅速发展，125MN以下的自由锻压机、300MN以下的模锻压机、160KN以下的模锻锤、25MN以下的摩擦压力机已成系列装备了诸多锻压厂。现在我国已能向国外提供成套的比较先进的液压机设备，支援第三世界和友好国家的工业建设。1.4 液压机的发展趋势液压机在国民经济的各个工业部门中得到了广泛的应用，尤其在航空工业，重型机械制造等部门中更是必不可少的生产设备。现在的液压机正按着下面几个方向发展。(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了方便。(5)迅速采用数控(NC)及计算机控制(CNC)技术，以实现工艺过程自动化及提高运动部分饿控制精度。(6) 出现了快速换模装置，它包括设立中间模具库，模具转台，模向换砧装置，及快速换模装置，快速夹紧装置等，以适应多品种小批量的市场需求。(7)采用各种先进的快速滑阀或插装阀，减少阀的换向时间，使阀响应时间减少到10ms以下。(8)采用各种有效的缓变装置，以减少冲裁时的震动及噪音，扩大液压机的应用范围。(9)逐步向柔性加工系统(FMS)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一起，将多台不同功能的设备组成柔性和加工系统或中心，以适应小批量多品种的自动化合理加工。1.5 课题研究的内容和研究的意义1.5.1研究的基本内容，拟解决的主要问题本压机主要用于大型轴类、管类、板类件的矫直。本设计的所要解决的问题是：20MN矫直液压机的结构型式与结构分析；20MN矫直液压机的本体方案设计与技术设计；完成工程设计的综合训练。1.5.2研究步骤、方法及措施(1)根据所给的主要参数，确定合理、可行的液压机结构型式(单臂三梁四柱组合机架)；(2)根据确定的液压机的结构型式来完成一些必要的强度、刚度(重点是刚度和整体工作性能)的性能分析；(3)最后整体完成液压机本体结构装配图的设计及重要零部件的零件图的技术设计。1.6 本章小结本章中叙述了20MN单臂矫直液压机的课题背景，以及液压机在国内外的现状及发展情况，阐述了液压机研究的主要成果和以后的发展趋势。并由此给出了本课题所研究的内容和研究的方法、步骤和措施。第2章 液压机的本体结构方案设计2.1 引言大型液压机本体结构设计应考虑以下三个基本原则：(1)满足各种锻件的工艺要求；(2)具有良好的强度与刚度和整体工作性能；(3)结构设计合理，具有良好的制造、安装工艺性；(4)使用可靠，便于操作和维修。其中，工艺要求是最主要的影响因素。由于在液压机上进行的工艺是多种多样的，因此液压机的本体结构型式也必然是多种多样的。从机架型式看，有立式与卧式。从机架组成方式看，有立柱式、单臂式和框架式，立柱式中又分为四柱、双柱、三柱及多柱等。从工作缸的数量来看，有单缸、三缸或多缸。下面介绍几种典型的结构型式：(1)三梁四柱式 三梁四柱式液压机是最常见的一种结构型式，尤其是大型自由锻造液压机通常采用的一种结构型式，如上海重机厂120MN、富拉尔基第一重机厂125MN、四川德阳第二重机厂125MN自由锻造水压机等。(2)整体框架式 压机主机架为整体焊接或整体铸造，如四川长城钢厂从日本引进的20MN下拉式自由锻造液压机。(3)单臂式 这种结构多用于冲压液压机或小型锻造液压机。单臂液压机机架为整体铸钢结构或钢板焊接结构，结构简单，工作时可以从三个方向接近工件，操作简单方便。但整个机架刚性较差，为了保证机架有足够的强度和刚度，有时机架做的比较笨重。(4)三梁多柱组合式 对于大型模锻液压机，其大吨位使得本体结构设计变得复杂，受制造、安装、运输等条件的限制，本体往往采用分体组合结构。我国自行设计制造的300MN模锻水压机采用的是三梁多柱组合结构。 (5)多板组合框架式 对于大型多向模锻液压机，其大吨位和对压机刚度的更高要求使得本体结构设计变得更加复杂。美国Cameron公司制造的300MN多向模锻液压机和第一重机厂设计的200MN多向模锻挤压液压机，主机架采用的是叠板组合结构；由燕山大学提出的650MN多向模锻液压机设计方案采用的是C型叠板组合式框架。(6)钢带缠绕框架式 用钢带缠绕方式制成的预应力液压机机架，具有结构轻巧、尺寸小、抗疲劳性能好及造价低廉等特点。瑞典曾用于制造冷锻液压机，前苏联则设计并制造了从10MN到150MN的有色金属模锻液压机系列。2.2 单臂式液压机优缺点单臂式液压机又称“C”形液压机，这种结构最显著的特点是机身为开式结构，可以以三面接近工作区。因此装卸模具和工件均很方便。目前，单臂式液压机广泛用于校正压装、板料弯曲成型等工艺中。但是，单臂式结构最大的缺点是机身悬臂受力，且受力后变形不对称，使主缸中心线与工作台的垂直度产生角位移，这样将使模具间隙偏于一侧，一定程度上影响工件压制质量。此外，在一般简单的单臂式液压机设计中，滑块大多没有导轨，完全靠活塞与缸的导向面配合导向，因此机身变形后将使活塞承受相当的弯曲应力。为了使最大变形在允许范围内，设计时许用应力均取得较低。故较相同参数的四柱式和框架式结构的液压机重量大得多。2.3 液压机本体结构方案设计综合分析现有液压机结构型式，提出20MN单臂校直液压机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2-1 20MN单臂校直液压机技术参数Table 2-1 20MN press technical parameters参数名称数值参数名称数值公称压力20MN最大净空距2500mm回程力1.5MN喉深2000mm系统压力20MPa压头尺寸30002000mm工作台面尺寸40003500mm柱塞速度工作速度010 mm/s行程最大行程1200mm空行速度80 mm/s工作行程200mm回程速度120 mm/s(2)机架为拉杆预应力组合结构，四根拉杆通过上下螺母将上梁、支座和下梁连接组成一个刚性的空间结构框架。(3)上、下横梁和支座均为钢板焊接结构。钢板焊接结构具有结构简单，重量轻等特点。(4)两个工作缸，压力均等分配：每个工作缸输出力为10MN。2.4 工作缸的结构参数设计2.4.1液压缸结构概述(一)液压缸的型式及用途液压缸部件通常可以分为柱塞式、活塞式和差动柱塞式三种，一般根据液压机总体结构、缸的总压力大小及工作条件的要求来选定。1.柱塞式液压缸 此结构在水压机中应用最多，广泛用于主工作缸、回程缸、工作台移动缸及平衡缸等处。它结构简单、制造容易，但只能单方向作用，反向运动则需用回程缸来实现。2.活塞式液压缸 活塞在运动的两个方向上都要求密封，因此缸的内表面在全长方向上均需加工，精度及光洁度要求较高，结构比较复杂，故在水压机中应用不多，仅在顶出缸和其他辅助机构中采用，但中小型油压机上应用很普遍。3.差动柱塞式液压缸 多用于回程缸，该种结构多一处密封，但当回程缸装于上横梁上时，与活动横梁的连接比较简单。柱塞在导套内往复运动，导套起导向作用。蜜蜂用以保持液体压力并防止高压液体泄露，密封下面有压套、法蓝及螺栓和螺母等组成的压盖，它们主要起支撑密封的作用，在压盖外面一般还有一圈毡垫，以防止灰尘带入缸内。(二)液压缸的支承型式1.法蓝支承 液压缸以法蓝支承并安装在横梁内，由缸外壁的两个环形面积与横梁相配合，配合等级为。缸内进入高压液体时,通过法蓝与横梁的接触面将反作用力传给横梁，液压缸本身则靠法蓝上的一圈螺钉固定在横梁上。这种结构的缺点是缸壁法蓝过渡区存在应力集中，易于疲劳破坏。在有的液压机中，缸的法蓝嵌入横梁内，采用压环固定，这样可以避免在法蓝上开螺钉，并减小法蓝外径，这种结构的法蓝受力情况较好，但法蓝和横梁接触面的贴紧情况不易检查。2.缸底支承 液压缸直接靠缸底固定在横梁上，这种缸不需要法蓝,消除了法蓝区的应力集中，并可减小缸体毛坯尺寸。缺点是压机高度有较大增加，缸底与横梁的接触情况不易测量。目前这种支承形式在大型模锻液压机上使用较多。(三)工作缸柱塞与横梁的连接形式工作缸柱塞与横梁的连接形式有三种，即刚性连接、球面支承连接和双球面中间杆连接。1.刚性连接 柱塞下端插入横梁内，在偏心加载时，柱塞跟随横梁一起倾斜，将横梁所受的偏心力矩的一部分传给工作缸导向铜套上，使导向铜套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向铜套及密封的磨损。单缸液压机及三缸液压机的中间工作缸多采用此种结构，柱塞和横梁孔的配合为。2.球面支承连接 柱塞支承于横梁的球面座上。球面座一般做成凸球型，在水平方向上可以稍有移动。当偏心锻造时，横梁在偏心力矩作用下倾斜，此时，如果球面处润滑良好，球面副可以相对移动，则柱塞只传递轴向压力及摩擦力矩，柱塞仍然保持垂直，因此侧推力将大大减少，改善了柱塞导套及密封的磨损情况。这种连接形式常用于多缸液压机及三缸液压机的侧缸，球面半径一般取为柱塞直径的1.52倍，球面处应注意保持良好的润滑。有些液压机中，由于球面副之间单位压力过大，润滑条件又差，甚至生锈粘住，往往起不到球铰作用。3.双球面中间杆连接 这种形式多用于大型液压机，中间杆的两端均为球面，支承于上下球面座之间，柱塞通过中间杆传递压力。中间杆能在球面座中转动，使柱塞保持垂直，因而作用在密封上的侧推力最小，密封寿命长，但结构比较复杂，造价高，柱塞直径过小时不易采用。使用时球面必须保持良好的润滑，特别是上球面。(四)液压缸损坏情况及原因分析液压机中的工作缸往往由于设计、制造或使用不当,过早损坏。如某大型摸锻水压机，使用十多年来，主工作缸损坏十四次，先后做过四个缸，每造一个缸约耗费十万元。因此对液压缸,特别是大型液压缸,应了解其损坏情况及原因,注意正确进行设计、制造与使用。(1)损坏的部位及特点液压缸损坏的部位多数在法蓝与缸壁连接的圆弧部分,其次在缸壁向缸底过渡的圆弧部分,少数在圆筒筒壁产生裂纹,也有因气蚀严重而破坏的。从液压缸使用情况来看,一般在损坏时都已承受了很高的工作加载次数(20万150万次)，裂纹是逐步形成和扩展的，属于疲劳损坏。1.圆筒筒壁一般裂纹首先出现于内壁，逐渐向外发展，裂纹多为纵向分布，或与缸壁母线成角。2.缸的法蓝部分首先在缸外部法蓝过渡圆弧处出现裂纹，逐渐沿环向及向内壁扩展，最后裂透，或者裂纹扩展到螺钉孔，使法蓝局部脱落，个别严重情况，甚至沿过渡圆角处法蓝整圈开裂而脱落。3.缸底首先在内部过渡圆角处开始出现环向裂纹，逐渐向外壁扩展乃至裂透。4.气蚀液压缸也有因气蚀产生蜂窝状麻点而损坏，尤其是在进水孔内壁,容易产生气蚀。(2)损坏情况影响液压缸寿命的因素是多方面的，必须结合具体情况进行分析，但归纳起来主要有以下几个方面：1.设计方面 结构尺寸设计得不合理，如法蓝高度太小或法蓝外径过大，是综合盈利过高而损坏。如某台20000KN锻造液压机，其法蓝厚度仅为缸壁厚度得1.1倍，法蓝处计算应力超过，工作12年后，两个缸先后破裂。更换新缸时，增大了法蓝高度，减小法蓝外径，使用多年未坏。从缸壁到法蓝的过渡区设计不合理，也会引起很大的应力集中，如某台进口的6300KN水压机工作缸，由于法蓝过渡圆角仅为R=4mm，使用不久就出现裂纹，裂纹扩展后，整圈法蓝断裂脱落。有些资料提供了一些光弹试验结果，说明过渡区设计成特定的流线型断面形状，应力集中系数可降低为1.18，如做成斜线和R35圆弧相连结，则应力集中系数为1.79。但从结构设计看，圆弧和斜度也不能太大，否则法蓝于横梁接触面过小，挤压应力太大。在结构允许而有可能加工的情况下，过渡区应尽可能光滑，圆弧半径应尽可能增大。从缸底到缸壁的过渡区绘产生弯曲应力并有应力集中，此处圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不应小于，为液压缸内直径。如有几台液压机缸底破裂就是与圆弧半径太小有关，它们分别为、和。2.加工制造方面 由于法蓝及缸底过渡圆弧区有应力集中，如加工光洁度很差，有明显刀痕，会对应力集中敏感，降低疲劳强度。特别是缸底过渡圆弧，加工比较困难，更应注意。一般光洁度不应低于。圆筒筒壁部分的损坏多半是制造过程中引起的，如整体锻造或铸造毛坯本身存在严重缺陷；锻焊结构中焊接质量不好，焊后热处理不恰当等等。环向焊缝位置与缸底距离应尽可能不小于，为缸的法蓝外半径，与法蓝上表面距离也不小于。并且一定要对焊缝附近热影响区采取相应措施，以消除焊接过程中的热应力和不利的结晶组织，在采用补焊时也要进行同样处理。3.安装使用方面 液压缸法蓝与横梁接触面应要求80以上的面积紧密接触，即在累计4/5圆周长度上间隙部大于0.05mm。有些液压机由于长期使用，此接触面的精度遭到破坏，形成局部接触，局部接触处横梁支反力急剧增大，以至早期破裂。横梁刚度不够或安装水缸处筋板布置不合理，也会导致法蓝接触面上支反力分布不均匀，引起过大的工作应力。由于缸体法蓝与横梁连接螺钉经常松动，如不及时拧紧，会引起缸体窜动和撞击，使横梁接触面不断压陷，形成局部接触。连接螺钉最好在液压缸加压状态下拧紧，有些小液压机在缸底用卡环或键将缸与横梁紧固，对防止缸的松动有一定效果。工作液体往往对缸壁有腐蚀作用，会降低疲劳强度，因此必须对乳化液的成分和配制予以足够重视，直接用工业用水而不加以处理是不允许的。2.4.2工作缸设计工作缸一般由锻钢或铸钢制成，由中碳钢铸成的工作刚缸，一般多用在20MPa以下的工作压力，对于在更高压力下工作的工作缸，则由碳钢或合金钢锻成。所以本液压机工作缸要承受20MPa的高压，其结构采用碳钢锻成，缸体材料为35钢。柱塞的表面质量，对工作缸密封装置和导向铜套的磨损及寿命有极大的影响，因此柱塞表面必须具有足够的硬度和良好的粗糙度。为了达到这一要求，制造柱塞的材料一般选用含碳量较高的碳素锻钢，锻造毛坯，机加工后表面进行特殊处理。本台液压机的柱塞材料选用35钢，许用应力。工作缸结构参数设计如下柱塞直径按下式确定 (2-1)式中P缸的名义总公称压力(MN)p液体的工作压力()根据式(2-1)计算得，圆整后取标准值D=820mm，此时两缸同时工作实际能产生的最大总压力 (2-2)由式(2-2)得。工作缸内径按下式确定 (2-3)取，由式(2-3)得。根据强度要求，工作缸外径由下式确定 (2-4)许用应力，取，由式(2-4)得，又根据，取。液压缸的一般形式是一端开口一端封闭的厚壁高压容器，当高压液体作用在柱塞上时，反作用力作用于缸底，通过缸壁传到法兰部分，靠法兰与横梁支承面上的支承反力来平衡。液压缸按受力情况可以分成三部分，即缸底、法兰和中间厚壁圆筒。按图2-1及相关公式初步选择液压缸的有关尺寸，再进行强度校核。图2-1 工作缸的尺寸关系图Fig.2-1 Working cylinder size diagram缸壁厚度，法兰厚度，法兰外半径 ，取。，2.4.3工作缸的强度校核 (1)筒壁部分最大应力点在缸筒内壁，按下面公式计算的当量应力为安全系数为 ， 安全。(2)缸底部分缸底进水孔直径 ，圆整取。其中 空行速度(m/s) 充水管道允许流速(m/s) 安全。(3)法兰部分，其中 为材料的波桑系数。 (2-5)其中 代入式(2-5)得 ，安全2.4.4工作缸底法兰连接螺栓的选择工作缸材料为35钢，其密度：所以其体积：+-=4.5其重量为： (2-6)其中 代入式(2-6)得 满足要求。2.5 回程缸的结构参数设计2.5.1回程缸设计本课题中初设计有四个回程缸，回程压力均等分配，每个缸承受1.5t的回程力。现具体计算如下：柱塞直径由式(2-1)得，圆整取 D=320mm。此时四缸同时工作实际产生的最大总压力由式(2-2)得 。内径由式(2-3)得 ，取 根据工作缸要求，工作外径由式(2-4)确定许用应力，取。缸体尺寸：缸壁厚度，法兰厚度，法兰外半径 ，取，2.5.2回程缸的强度校核(1)筒壁部分最大应力点在缸筒内壁，按下面公式计算的当量应力为安全系数为 ， 安全。(2)缸底部分缸底进水孔直径 ，圆整取。其中 空行速度(m/s) 充水管道允许流速(m/s) 安全。(3)法兰部分其中 为材料的波桑系数。其中 代入式(2-5)得 ，安全。2.5.3回程缸底法兰连接螺栓的选择回程缸材料为35钢，其密度：所以其体积：+=0.115其重量为： (2-6)其中 代入式(2-6)得 满足要求。2.6 上横梁结构设计及刚度强度校核该液压机中的上、下横梁及支座是液压机本体中最重要的功能部件，是结构和受力最为复杂的部件。在大型液压机的设计中，梁的设计的合理性，刚度和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，进而影响到整机功能的发挥和整体工作性能，因此梁的结构分析与设计方案的拟定是本压机设计的重点。2.6.1上横梁设计方案上横梁直接与拉杆、工作缸相连，梁体结构和受力状态都很复杂。对于上横梁，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，尽可能缩减其纵向、横向尺寸，这是有效提高梁的刚度、强度和减轻梁的重量应首先把握的主要原则。液压机工作时，上横梁承受了全部载荷。此外，在上横梁上还要安装工作缸和回程缸，上横梁本身又需安装在立柱上，所以它的结构便被这些要求所限制。图2-2是本台液压机的上横梁的结构简图。由于上横梁外形尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，应尽量使各个尺寸在允许的范围内降到最小。梁体做成箱体结构，在安装工作缸和拉杆的地方做成圆筒形，中间加设筋板，以提高刚度，降低局部应力。上横梁设计时，应使梁体宽度尽量狭小。上横梁梁体的宽度与工艺要去有关，也与压机工作缸、拉杆占据的空间有关。对于本设计，液压机工作时，上横梁沿纵轴方向各个横截面上的力矩呈不均匀分布，在大拉杆截面处最大，缸部为两个集中力，所以按悬臂梁方式设计。图2-2 上横梁结构简图Fig.2-2 Upper beam structure上横梁的结构中，除了工作缸孔和拉杆孔以外，两侧还得考虑安装回程缸和平衡缸。工作缸孔为了便于安装，下孔的直径应比上孔达1020mm。由于上梁变形和吊缸螺钉的松动产生缸的上下窜动，而使上横梁与工作缸法兰的支撑接触面出现压陷现象，破坏了接触精度，形成了沿圆周方向不均匀局部接触，局部支撑反力过大，导致缸的早期破坏，因此使用时应注意经常拧紧松脱的螺母。2.6.2上横梁刚度及强度校核将上横梁简化成悬臂梁，计算长度为工作缸与大拉杆中心孔的中心距离；由于为单臂液压机，所以将约束条件确定为悬臂结构。工作缸压力简化为作用于法兰半圆环重心上的两个集中力。计算模型和剪力、弯矩图如图2-3所示。图2-3 上梁的计算模型及弯矩剪力图Fig.2-3 Calculating model and shear and moment diagram of upper beam(1)受力简图由已知得 (2)由图2-3可知：，(3)惯性矩计算由于梁简化为悬臂梁，所以在拉杆中心截面处为危险截面，这在图2-3中也可以表现出来。该梁的危险截面形状的等效截面与尺寸如图2-4所示。在简化成等效截面后，先分成若干个小块矩形面积，在本液压机设计中划分成三块，先算出截面对底边W-W轴的惯性矩 (2-7)式中 每块矩形面积对本身形心轴的惯性矩() (2-8) 每块矩形面积高度(m) 每块矩形面积高度(m) 每块矩形面积对W-W轴的静面矩 () (2-9) 每块矩形的面积() 每块矩形面积形心到W-W轴的距离(m)图2-4 上横梁危险截面的等效截面图Fig.2-4 Equivalent cross-section diagram of dangerous cross-section of upper beam再求出整个截面的形心轴到W-W轴的距离 (2-10) (2-11)整个截面对形心轴的惯性矩为 (2-12)为了方便，计算结果如下表2-2所示。由式(2-7)得 由式(2-10)得 ，由式(2-11)得，由式(2-12)得。(4)最大应力值，安全。表2-2 上横梁的惯性矩计算Table 2-2 Inertia moment computing of upper beam分块序号宽高mmm11.40.20.282.40.6721.61280.0009320.22.10.421.250.5250.656250.1543531.40.20.280.10.0280.00280.000932.50.981.2252.271850.15621 (5)挠度 (2-13)式中 E上梁的弹性模量，J上梁的惯性矩，如图2-5所示，该梁的挠度是两个类型挠度的叠加，计算如下：图2-5 上梁的挠度图Fig.2-5 Flexibility diagram of upper beam (6)相对挠度 ， 比允许值小，刚度好，安全。综上所述计算说明上横梁的设计满足刚度和强度要求。2.7 下横梁结构设计及刚度强度校核2.7.1下横梁设计方案下横梁与拉杆、工作台、支座和工作台相连，梁体结构和受力状态都很复杂。对于下横梁，其设计原则与上横梁相同，是在满足相连部位最小几何尺寸要求和工艺要求的条件下，尽可能缩短其纵向、横向尺寸，这是有效提高下梁的刚度、强度和减轻梁的重量应首先把握的主要原则。下横梁设计时，除了满足与拉杆连接，并保证工作台的尺寸的空间，还要尽量使梁的横向、纵向尺寸最小以满足重量最小这一条件。本压机下横梁也采取焊接式结构，其结构尺寸如图2-6所示。2.7.2下横梁刚度及强度校核将下横梁简化成简支梁，计算长度为工作台面尺寸，其约束条件为铰接，其承受压力为均布载荷，计算模型如图2-7所示。(1)受力简图受均布载荷作用 图2-6 下横梁结构图Fig.2-6 Lower beam structure(2)由图可知： (3)惯性矩计算由于下横梁简化成简支梁，所以危险截面在中间截面，故主要校核中间截面的强度。该梁中间截面形状的等效截面图如图2-8所示。在计算中间截面惯性矩时，将其分成3块小矩形面积，算出截面对底边WW的惯性矩。图2-7 下横梁计算模型及弯剪图Fig.2-7 Calculating model and shear and moment diagram of lower beam图2-8 下横梁的中间截面的等效截面图Fig.2-8 Equivalent cross-section diagram of middle cross-section of lower beam为了方便，计算结果如下表2-3所示： 由式(2-7)得截面对底边W-W轴的惯性矩由式(2-10)得，由式(2-11)得由式(2-12)表2-3 下横梁的惯性矩计算Table