8000KN四柱式通用液压机结构设计及机身有限元分析.doc

8000KN四柱式通用液压机结构设计及机身有限元分析第1章 绪论1.1 课题背景目的和意义当大众的生活水平越来越高的时候，金属压制和拉深制品的需求量也会同时增加；同样，人们对生产产品类型的需求也会增长，于是就导致产品的生产批次越来越少，为了能够与中、小批量的生产模式相匹配，人们就会需要能够快速适应改变的加工设备，这就让液压机变成了合适的成型生产加工机器。压力机其实能够利用液压能来传递能量,以此来完成各种各样的压力加工工艺的机器，尤其是当液压机系统具有能够完成拥有对压力、行程速度调整的机能之后，这就使得液压机不止可以完成复杂的产品和不完全对称工件的加工，并且同时也达到特别低的废品产生率。由于液压机拥有灵活的动力、所需要的加工时间十分的短、可以依据工件的长度进行压力调节等优点，这使得压力机在国民的生产生活中的应用越来越多。通过此次的毕业设计，我了解到了压力机的机身构造与液压机的工作原理，并且掌握利用UG软件完成液压机的有限元分析，在液压机机身的有限元分析过程中，我也大致了解到了液压机各个部分受到的应力大小和位移大小。1.2 液压机的发展概况1.2.1 液压机在现代工业中的地位液压机是在十九世纪被发明出来，自从压力机被发明出来以后，它的发展非常得迅猛。因为液压机在生产生活中具有普遍的适用性，这就使得液压机在国民生活中得到了非常多的使用。比如有板材成型；管、线、型材挤压；胶合板压制、打包；轮轴压装、校直等等。不同样式的液压机快速出现，极大地推动了不同种工业的进步。到了八十年代之后，当微电子技术、液压系统设计得到进步和使用，液压机的进步更加迅速。到现在为止，世界上液压机最大的公称力已经高达750MN2，这台液压机主要是用来进行有色金属的模锻。 1随着液压机的发展，液压机的控制部分，很多液压机已经使用了CNC或者工业计算机机来实现控制功能，这使得产品的质量以及生产效率得到了巨大的改善。现在，液压机已经变成了现代工业生产中至关重要的、材料成型中使用最广泛的产品之一。压力机拥有特别多杰出的特点，所以它的使用十分地多，比如在普通工业中使用的塑料成型机械和机床等；以及行走工业机械中的工程机械和农林机械；炼钢行业中会使用冶金机械,提升装置等；水利土木工程机械中使用的闸门及堤坝加固设备、河床升降设备、桥梁操纵设备等等；发电厂使用的涡轮机调整转速设备、发电设备等；船上使用的起重设备、船头门、船尾推进设备等等；特殊技术使用的超大型天线操纵设备、测量设备、升降舞台等等。1.2.2 我国液压机的现状及发展趋势我们国家的液压机发展历程只有短短的五十年时间，新中国成立之前，我们国家是半殖民地半封建国家，受到了外国资本主义国家的压迫，根本没有发展自己的独立工业，液压机的生产技术毫无，当时中国国内仅仅有少量的用来维修使用的液压机。新中国成立以后，前三年是经济恢复阶段，自1952年起，我国实行了第一个五年计划，我国迅速发展起属于中国自己的完备的工业体系，可以渐渐实现自己研发和生产汽车、机车、轮船、发电设备、飞机、火箭以及精密的宇航仪器仪表。1957年到1958年我们国家着手自己研发,自己制造第一代28000KN的锻造水压机。在此期间，拿北京市来说，在解放之前北平仅仅是一个消费城市，并没有属于自己的制造业。为了完全结束类似的情况，1957年，在北京市委工业部与机械局的领导的帮助下，北京进行了大协作的方式从而发明出一大批重要的制造设备，在这当中就包括一台28000KN锻造水压机。而到了二十世纪六十年代的中期和后期，我国又完成新一批技术更加高端的大型液压机，在这些压力机当中有300MN有色金属模锻压力机、120MN有色金属挤压压力机和80MN黑色金属模锻水力压力机等等。二十世纪七十年代之后，已经能够开始向国外出口各种类型的锻造压力机，其中包括一台60MN锻造压力机。20072008年间，我国建造并投产的新型自由锻造水压机有60、70、140、150、165MN。到目前为止，我国不仅仅建立起了自己的压力机设计和制造行业，并且也已经达到了现在世界上比较高的水平。目前，各类液压机的发展趋势如下：(1)高精度(2)液压系统的集成化与精密化(3)数控化、自动化与网络化(4)柔韧化(5)高生产率与高效率(6)环境保护与人身安全保护(7)成线化与成套化1.2.3 国外液压机的发展状况1795年，约瑟夫布拉曼利用水当作媒介，制造出水压机,把流体传动技术使用到工业体系中，这就使世界上的第一台水压机发明出来。1905年他又把工作媒介变成了油，这使得压力机又得到改进。 到了第一次世界大战之后液压机技术又获得了广泛的使用，尤其在1920年以后，液压机的发展更加地快速。而液压元器件大约在十九世纪末到二十世纪初的二十年间才得到发展与生产。1910年尼斯克在液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面做出的贡献，使这两个方面都获得了巨大的进步。 而在二战时期,美国的机床大约有三分之一都使用液压传动技术。值得注意的是，日本的液压技术进展比欧美国家晚了大约二十年。在 1955 年左右 , 日本的液压技术得到了巨大的进展,到了1956 年，日本创建“液压工业会”。近二十到三十年间，日本的液压技术进步迅速，现在已经处在世界先进行列。1.2.4 液压机的总体发展趋势 (1)减少能耗,充分利用能量(2)主动维护(3)机电一体化1.3 液压机的工作原理和结构特点1.3.1 液压机的工作原理液压机是利用帕斯卡原理所制造的,它的工作原理,如图1-1所示。当在小柱塞1上作用一个力F1时,那么得到液体的压力为P0=F1/A1, 由帕斯卡原理得,在密封容器中,液体的压力在各个方向上是同样的,于是得:F2=F1A2/A1 (1-1)图1-1液压机原理图压力机通常是由操纵系统、本体及泵站所构成。通常见到的最多的液压机的主机由上下横梁所构成的,用四个立柱和螺母一起组成一个闭合的框,用来承担所有的工作负载。将工作缸在上横梁上固定,让工作缸缸内的活塞和活动横梁连接在一起,在高压的液体到达工作缸的内部之后,在工作柱塞之上会出现较大的动力,并且推进活塞和活动横梁,加上上模做向下运动，从而使工件位于上下模之间成型。在需要回程时,工作缸会被通入低压油,从而使高压油进入回程缸，以此来推动活塞向上运动并且带动活动横梁，使活动横梁回到之前的位置,这就是一个动作循环2。1.3.2 液压机的特点液压机是一种通过利用液压来进行压力制造的装置，我这次所设计的四柱式液压机是液压机最多的结构之一，它的最明显的优点就是工作空间较大，人们在操作过程中可以四面观察并且接近模具，而且四柱式液压机具有整体结构简单，工艺性能良好等诸多优点。与此同时构成液压机的液压元器件现在已高度的通用和标准，于是便使得液压机的设计和生产都较为方便2。1.4 液压机的分类 (1)按用途分类手动液压机:手动液压机一般是小型的液压机，通常适用于压制、压装工艺。锻造液压机:主要适用在钢锭开坯、自由锻以及有色金属的模锻。冲压液压机：这种液压机通常用来进行各种板材的冲压。校正压装液压机：这种液压机通常适用于零件的校形和装配。层压液压机：这种液压机通常适用于胶合板、纤维板、绝缘材料板等的压制。挤压液压机：这种液压机主要适用于压制各种有色金属和黑色金属的线材。压制液压机：这种液压机通常适用于粉末冶金制品的成型、塑料制品的压制成型等。打包、压块液压机：该液压机通常用来将金属屑等压制成型等。(2)按动作方式分类上压式液压机 下压式液压机 双动液压机 特种液压机 (3)按传动形式分类泵直接传动液压机 泵蓄能器传动液压机(4)按操纵方式分类手动液压机全自动液压机 半自动液压机1.5 液压机原理图图1-2液压控制原理系统图1.主油箱 2.电动机 3.轴向柱塞泵 4.顺序阀5.溢流阀 6三位四通电磁换向阀 7. 二位四通电磁换向阀8.压力继电器9. 单向阀10.压力表11.补油箱12.工作缸13.背压阀14.液控单向阀 15.行程开关16.顶出缸17.节流阀图1-2是液压系统的原理图，在液压机工作的时候，电磁换向阀6得电，压力油被油泵3打出， 通过顺序阀4，进入到电磁换向阀6的右位，之后经由单向阀9 ，从而到达上缸12的上腔。同一时刻，通过电磁换向阀7的补充油到达油缸的上腔。回油由工作缸下腔经由背压阀13和液控单向阀14 ，经过电液换向阀7，回油箱。在这同一时刻，工作缸会由于自身的重力，加速向下运行，这就会让工作缸的上腔瞬间变成真空，于是补油箱中的油就会自动地经由液控单向阀 ，在真空的作用下进入到工作缸的上腔，从而让真空带消失，使上缸继续快速下行。在工作缸带着上模和下模完成合模之后，这就会使得压力油不间断地进入到上油缸的上腔，所以油缸的上方压力就会发生变高现象，因为工作缸中油的压力的增高，位于补油箱的液控单向阀就会被关闭，从而断开了补油箱中的供油，使得工作缸12向下运动的速度变慢。工作缸上腔的压力会继续上升，只有工作缸中的压力高于压力继电器10的设定值的时候，压力继电器就会产生信号，从而使电液换向阀6的中位进入工作状态，从而断开油缸12上腔的液压油来源， 于是工作缸就会暂停工作，系统进入到保压阶段，保压设定的时长是40秒。当保压阶段完成之后， 使得电磁换向阀6的左位开始工作， 从油泵3产生出来的压力油，就会通过顺序阀4，到达电磁换向阀6的左位，再通过液控单向阀14 和背压阀13 ，到达工作缸12 的下腔，使油缸作向上的运动，同一时刻电磁换向阀7的左位开始工作，使油箱中补油加快回程的速度。 油缸12上腔的回油流过液控单向阀 ，最后到达补油箱11 。这会使工作缸能够迅速地回到原来的位子。当电磁换向阀6的中位和电磁换向阀的右位连通的时候，泵3就会打出液压油，会经由电磁换向阀的左位，到达下缸16的下腔，回油由下缸16的上腔通过电磁换向阀的左位，流进油箱，使得下缸作向上的运动从而使工件能被顶出。当工件被拿出之后， 电磁换向阀的右位就会被接通，使压力油到达顶出缸16的上腔，顶出缸下腔的油经阀的右位流回油箱， 使下缸作向下的运动，让下缸回到开始的位置。阀13在保压时候可以避免上油缸12的上腔液压油回流，行程开关 15 的作用是保证上、下缸的极限位置在安全位置，压力表的作用是显示上、下油缸和整个液压系统的压力。1.6 本章小结本章主要介绍一下液压机的发展概况、工作原理以及分类。并且介绍了我设计的液压机的工作原理。通过这一章我主要了解到液压机的一些相关知识，这让我对液压机的一些大体知识有了一定的了解并且充分的了解到了我的液压机的工作原理以及知道了我所设计的液压机有哪些零件组成。第2章 液压机的本体结构的设计2.1 液压机的结构特点及设计参数2.1.1 液压机本体结构特点这次我所设计的液压机是四柱式通用液压机，这种液压机是液压机中出现最多、使用最多的一种液压机。四柱式液压机的显著特点是它的加工工艺比别的种类的液压机更加简单。图2-1是立式单缸四柱式液压机的最常见的结构。它的机身由上横梁、工作台和立柱组成。工作缸安装在上横梁内。活动横梁和工作缸的活塞被连接在一起，在立柱的导向方向上上下运动，并且可以传导工作缸内的液压力，从而完成工件的制造过程。因为液压机的机身是一个整体，所以机身会承担所有的工作力量。 图2-1 四柱液压机的典型结构 2.1.2 液压机的设计参数（1）公称力 8000 kN； （7）液体工作压力 25 MPa;（2）滑块行程 900 mm； （8）滑块快降速度 150mm/s;（3）滑块开口高度 1400 mm； （9）顶出力 2000kN；（4）滑块工作速度 5-10 mm /s ； （10）顶出行程 350mm；（5）工作台尺寸 32002200mm; （11）滑块回程速度 100mm/s; (6)顶出速度 30mm/s; (12)退回速度 70mm/s;2.2 上横梁结构的设计2.2.1 结构形式液压机的上横梁位于立柱上方，通常将液压缸装于上面，并且承担工作缸给它的反作用力，上横梁的结构形式主要有：铸造和焊接两种形式。由于本液压机为批量生产，故采用铸造的方法制造。设计形式为：高度初设为0.40.8倍中心距，材料为HT200；由于油缸孔的削弱，在采用铸造结构时，设计成等强度梁结构，即中部高度增加，以抵消油缸孔对断面的消弱作用。上横梁的结构设计为上、下两个封闭的箱体结构，这会使得其受力后应力分布更加合理，它的结构如图2-2所示。 图2-2上横梁结构图2.2.2 形状尺寸要求上横梁和立柱相连接，从而形成机身的上半部，并且上横梁的可以用来安装工作缸，所以对它的形状尺寸有以下的要求：(1)主油缸之中的孔的轴线与油缸台肩贴合平面的不垂直度允许误差0.06/1000 mm；(2)调节螺母的接触平面和油缸台肩贴合平面的不平行度允许误差0.05/1000 mm；(3)锁紧螺母的接触面与调节螺母的接触面（立柱穿过孔的上平面与下平面）间的不平行度0.06/1000 mm；(4)油缸锁紧螺母平面与油缸台肩贴合平面间的不平行度允许的误差0.12/1000 mm；(5)油缸外圆配合公差为D4/dc4或者比次级高；(6)立柱孔的尺寸通常比立柱进入处的直径大12 mm。2.2.3 上横梁与工作缸的联接方式上横梁与工作缸采用圆螺母联接固定，图2-3。图2-3用圆螺母固定的结构在工作缸增加压力之后，油缸台肩会将反作用力作用于横梁，而连接件不会受到反作用力，只可能在工作缸处在工作状态的时候，回程的力才会作用于连接作用零件上。故联接零件只需符合回程力的要求就可以了。2.3 工作台结构的设计2.3.1 结构形式工作台是主机的安装基础。在工作台的台面上会安装有模具，在工作过程中工作台会承担自身的重量以及所有负载。也可以在工作台上安顶出缸，回程缸以及其它的装置。工作台的结构形式主要有：铸造和焊接两种。由于本液压机为批量生产，故采用铸造的方法制造。(1)外形尺寸（ABH）：32002200800 ；(2)材料选用HT200，通过铸造制成。图2-4工作台结构图2.3.2 加工技术要求(1)为了能够节省工作台使用金属和减轻自身的重量，通常将工作台做成箱形，将安装液压缸、活塞与立柱处做成圆筒状，在工作台的中间位置布置肋板，受力较高的部位肋板应该加的更多，用来提高工作台的刚度，降低其受到的应力；(2)合理的筋板分布位置，能够让横梁的自重更轻，也能够拥有较好的强度和较为均匀的刚度；(3)设计横梁的时候，应当让工作台的各处厚度没有太大的突变，从而可以避免因为冷却不均匀产生的内应力，在各个连接的过渡区应该拥有较大的圆角，如图2-4的结构所示。2.3.3 工作台与顶出缸的固联结构对于中小型通用压力机来说，一般的顶出力并不大。常采用的结构如图2-5所示。工作台1，顶出缸2，螺母3，顶出缸结构采用活塞式。因为此结构简单，安装方便，故采用它。图2-5工作台和顶出缸的固连结构2.3.4 固定模具的结构为了能够使模具在工作台上固定，通常在工作台面上开有T型槽。工作台的T型槽的个数和尺寸通常是依据压力机的回程吨位和顶出工件的最大重量来进行设计的。通常来说尺寸比较小的工作台，T型槽采用的是交叉布置方式。而尺寸大的工作台的T型槽，通常采用的是平行布置的方式。因为我设计的工作台的尺寸比较大，所以T型槽设计成平行布置的方式（图2-6） 图2-6 T型槽布置图 2.4 立柱立柱它是四柱液压机的重要组件，通常的用途为受力和支撑。同时它也能够让活动横梁拥有竖直方向上的导向。所以，立柱应该拥有充足的强度与刚度，而立柱的导向表面应该拥有良好的精度、光滑度和一定的硬度。常用结构形式有四种如图2-7所示：（1） 两梁全部使用立柱的台肩支承，上下处使用锁紧螺母来锁紧。（2） 两梁都使用调节螺母支承，用锁紧螺母上下锁紧。（3） 上梁利用的是立柱的台肩支承，调节使用的螺母安装在工作台面上，两端用锁紧螺母锁紧。（4） 上横梁利用立柱台的调节螺母来支承，立柱肩支在承载工作台面上，两端利用锁紧螺母固定好。2.4.1 结构形式图2-7立柱结构形式通常选取立柱的构造时，应当考虑立柱和上横梁、工作台应该利用预紧来使安装更加便捷并且在调整精度时应该简单。故我们选择结构型式如图27（d）所示。上横梁利用的是立柱台调整螺母支撑住立柱台肩支撑在工作台面上，两端再利用锁紧螺母固定。2.4.2 形状尺寸要求(1)立柱导向面粗糙度为Ra0.63Ra1.25；(2)立柱导向面的锥度和椭圆度不能够超过公差的二分之一；(3)立柱导向曲面的轴线直线度允许误差不能够高于0.05/1000 mm；(4)毛坯应当正火处理，从而去除掉锻造中产生的内部应力；(5)立柱导向面在允许的条件下应该热处理，立柱导向面的硬度不能够低于HRc45，或者进行立柱表面镀铬处理，镀层的厚度大约为0.020.04 mm。2.5 充液阀2.5.1 充液阀工作原理充液阀的作用有两个，如图2-8。1.由于活动横梁因为自身重量向下运动时，油缸的上腔会出现真空，所以会使充液阀打开，油箱中的油会经过充液阀进入到油缸的上腔；2.活动横梁处在回程过程中的时候，会使油缸上腔中的油经过充液阀迅速进入到油箱。图2-8 充液阀原理图2.5.2 充液阀的结构形式充液阀其实也是一种可控单向阀，液压机为了能够提高生产率或者在热压成型时候减少工件的温降，通常需要有比较迅速的空程速度和回程速度，这个速度通常要比压制速度大几十倍。在不增加辅助油泵的条件下，同时使功率损耗降低，利用充液系统这种方法比较有效。按照液压机的工作原理进行划分，充液阀分为常开式和常闭式。因为我这次设计的液压机属于中小型液压，所以采用的是常闭式结构（图2-9）。特点：常闭式充液阀是常闭的，它可以自动开启，它的阀直径很大，常闭式充液阀采用的结构为上弹簧结构，具有质量小，惯性小，动作灵活并且可靠的特点。通常将这种充液阀安装于缸底，并且它会完全浸入到箱体的液压油之中。图2-9 立式充液阀结构2.6 工作缸2.6.1 结构形式压力机主要执行工作部件是工作缸，工作缸通常作往返运动，并且能够把高压液体的压力能转变为让工件形变或成型的机械功。液压缸的形式通常有三种，我这次设计的液压机采用的是活塞式的液压缸，这是因为活塞式的液压缸能够完成两个方向的作用，活塞式液压缸不仅能够实现工作进程，而且也能够完成回程，所以可以让液压机的结构形式变简单，从而让液压机的构造更加紧凑，零件的数量更少，需要的布置空间更小。由于本液压机为8000KN，故液压缸缸体材料选用35。油缸缸底可用锻造方法制造，缸底为平底结构，缸底设回程缓冲，如图2-10所示。图2-10活塞式液压缸油缸的设计参数：(1)油刚内直径: 600 mm (3)活塞行程: 900 mm (2)活塞杆直径: 450 mm （4)液体工作压力: 25 Mpa加工技术要求(1)保证油缸内圆柱面与前端环面垂直，垂直度应小于0.03mm；(2)前端面用环形件安装，其肩面的两个成压平面要相互平行，其平形度应小于0.03 mm；(3) 保证装配后，用压力0.3 MPa的液压油试验，应能克服阻力作往复运动。它的运动方向应该和油缸的轴线相平行、和油缸的前法兰的安装肩面和活塞杆顶端面垂直，垂直度应当小于0.03 mm。2.6.2 设计尺寸主压力： P=0.785D2P(105Pa) (2-1)回程压力： P=0.785(D2-d2)P(105Pa) (2-2)式中： D油缸外径，D =67cm；D油缸内经，D =50cm；d活塞杆直径，d =45cm；P液体工作压力，P =25 MPa。根据结构尺寸得实际工作压力： P=0.785502250=4906250 N P=0.785(502-452)250=32187.5N。2.7 活动横梁结构的设计2.7.1 结构形式(1)外形尺寸（ABH）：20001500800 ；(2)材料选用HT200，通过铸造制成，如图2-11所示。图2-11活动横梁结构图2.7.2 加工技术要求(1) 为了能够节省金属并且减小自身的重量，把活动横梁设计成箱体，把装配的各式缸、活塞以及立柱处设计为圆筒形，在中间部位分布肋板，并且在承重大的地方布置的筋板更加的密集，这样可以加强活动横梁的刚度，降低活动横梁的局部应力；(2) 合理地分布活动横梁内部的肋板，能够让横梁的自身重量更轻，同时也有较强的强度和合适的刚度；(3) 在设计横梁的时候，需要留意的是让各部分的厚度没有突变，这样可以防止冷却不均造成的内应力，在联接的过渡部分应该有较大的圆角，如图211所示。(4) 活动横梁和柱塞连接地方，开着环形的集油槽，从而可以贮存油缸缸口部漏出的液压油。2.7.3 形状和尺寸要求(1) 联接活塞杆的孔的轴线应该和四立柱的孔轴线互相平行，它的平行度0.1/1000mm；(2) 活动横梁下平面的直线度，按JB1293-73的标准公差0.05/1000mm；(3) 连接活塞杆的孔轴线和四立柱的孔轴线与下平面之间的垂直度允许误差0.060.10/1000mm；(4) 下平面与上平面之间的平行度允许误差0.06/1000mm； (5) 四立柱的孔与导套外圆之间的配合度公差为D3/gd。中心孔和活塞杆的外圆之间的配合精度通常是D4/dc。2.8 本章小结本章主要对液压机的本体结构进行了详细的设计，其中包括上横梁、工作台、立柱、活动横梁、充液阀和工作缸等的设计。设计包括结构设计、形状和尺寸设计。最后对液压机的各部件的结构有了较为准确的数据。第3章 液压机的强度与刚度计算3.1 工作缸的强度计算3.1.1 缸体的强度计算1缸体的中段强度计算 油缸筒部的强度的分析如图3-1所示。图3-1 工作缸筒部受力状态由第四强度理论知= (3-1)式中： 作用在缸筒内任一点K处的切应力，且有式中： 作用在缸筒内任一点K处的径向应力，且有式中：作用于缸筒的轴向应力，且有式中：r1工作缸内半径； r2工作缸外半径； r所求应力点位置的半径； p油缸最大工作压力。当r=r1时：；即油缸筒内壁的合成力达到了最大值。将此处的r、t、z分别代入式（3-1）中，可得油缸筒部内壁的合成应力为： (3-2)所设计的油缸结构尺寸参数和油缸最大工作压力分别为： r1=50 cm；r2=74 cm；pmax=25 Mpa，代入式（3-2）计算得：=79.68(105Pa)2. 缸体的支承台肩处强度计算（1）支承台肩处挤压应力：支承台肩结构如图32 = (3-3)式中： P主压力，P=496025(105Pa)； D2缸体支承台肩处外径，D274cm； D3缸体支承台肩阶梯处外径，D369； S倒角尺寸，S0.2cm许用挤压应力，1200105Pa。=1040.6(105Pa)（2）支承台肩断面强度计算：从图3-2可知，台肩处断面上的合成应力应该是弯曲应力和拉伸应力的和。即: =(105Pa) (3-4)式中： P主压力，P=4960250N； D2缸体支承台肩处外径，D260cm； D3缸体支承台肩阶梯处外径，D369cm。 Ma=T (3-5)式中： T=26042N/cm；h=20cm，h=4.5cm； = (3-6)式中： 材料泊松比系数，钢=0.3、铸铁=0.25。得： =0.111代入求Ma式内：Ma=2604.2=40321Ncm=550(105Pa)图3-2缸体支承台肩处尺寸3. 缸底的强度计算 本工作缸由锻造方法制造，其缸底结构为平底缸，侧边开有进油口，按圆形平板弯曲计算如图3-3。=1000(105Pa) (3-7)式中 P油缸最大工作压力,P=250；工作缸内直径，50cm；B缸底厚度，B12.5cm；系数，与进油孔有关，取为0.70.8。代入上式得：=937.51(105Pa)图3-3平底缸的结构简图3.1.2 缸口部分的强度计算 1. 作用在缸口导部分零件强度的计算 P1=0.785 (3-8)公式当中的符号如图3-4所示， D1=60cm，d=45cmP1=0.785=1910348.7N。 图3-4 缸口结构简图2螺栓强度计算 螺栓选用16个M36双头螺栓，材料为45，M36螺纹内径d内=31.2cm。螺栓应力为： = (3-9)式中： n螺栓数目，n=16个； F1螺栓面积（cm2），F1=0.78531.22=7.64 cm2 许用拉伸应力，1200(105Pa)。=1140.9(105Pa)3. 缸口导套处的挤压强度计算 缸口导套材料为HT200，导套挤压应力为： =1000(105Pa) (3-10)式中符号见图3-4所示，尺寸为D1=60cm，D2=53cm代入上式得： =214.61(105Pa)3.1.3 活塞部分的强度计算1. 活塞杆低强度计算 活塞杆的材料是45，活塞直径是20cm，长度50cm，长度与直径比值大约是2.5，在加压过程中活塞反受压面积较大，故其挤压及稳定性可略去不计。2. 活塞头部导向套计算 导套材料为HT200,活塞头部结构见图3-5所示，导套及压应力为： = (3-11)式中符号见图35，尺寸为d=45cm，D=50cm，s=0.2cm，s2=0.3cm，d1=37cm许用挤压应力，=1000(105Pa)。代入式中得：=478.9(105Pa)图3-5 活塞头部结构见图3. 活塞杆与活动横梁断面之间的挤压应力计算 活动横梁材料选用45，许用挤压应力=1000 kgf/cm2。 = (3-12)式中符号见图3-6所示，尺寸为d=45cm，d4=20cm，s=0.2cm，s4=0.2cm.代入上式得：=397.33(105Pa)图3-6 活塞与活动横梁连接图3.2 上横梁结构的强度与刚度计算3.2.1 受力分析上横梁用来装配工作缸，液压机在加压时候，上横梁会受到它的反作用力，在计算上横梁的强度时，可以把上横梁假定是放在两个支点上受两集中力、两端支撑的弯曲梁。如图3-7所示。 图3-7上横梁受力图其中：P公称压力，P8000KN； D油缸台肩尺寸，D =74cm； B立柱中心距，B =160cm。在主截面（）所受弯矩：M= (3-13)=137375000Ncm截面剪应力：Q=4000000N3.2.2 主截面（）强度计算因为梁的中间截面处弯矩是最大的，截面也较薄弱，最大弯矩位于梁的中点处，所以主要需要校核中间截面处的强度，该梁的截面处形状与尺寸如图3-8所示。 图3-8 上横梁等量简化截面在计算中间截面的惯性矩时，需要将等效截面分割成若干个小块矩形面积，此次设计的上横梁分成五块，先算出WW轴的惯性矩Jw。 Jw= (3-14)式中： Joi各个矩形对自己形心轴的惯性矩， Joi= (3-15)式中： b每块矩形面积的宽度（cm）； h每块矩形面积的高度（cm）； S每块矩形面积对WW轴的静面矩（cm3）；SAa A每块矩形的面积（cm2）；a各个矩形面积的形心与WW轴之间的距离h表3-1 上横梁截面惯性矩计算表 h= (3-16)截面对形心轴的惯性矩是： J= Jw (3-17)序号截面宽度截面高度截面面积截面形心至x轴的距离截面对x轴的静力距静力距与面积形心至x轴距离的乘积各截面积的惯性矩1142287922001738009.33321781367410060744400725.333314405605028000140000074666.67420102002550001250001666.6751420280102800280009333.33总计80120448060247120086401.33H Jw=0.8640133106+2.4712106 3.335213106cmh=39.2cm h= hh=40cm (3-18)J= Jw=3.335131061821024 =3.003437106cm受压截面上弯曲应力： =182.957(105Pa) (3-19)在受拉截面上弯曲应力： =182.957(105Pa) (3-20)均小于铸钢横梁许用应力。3.2.3 主截面（）强度计算由上横梁的受力情况可知，上横梁受到的弯矩与剪切而产生的挠度是： f弯= (3-21) f剪=1.2 (3-22)式中： P公称吨位（kgf），P=8000N； D油缸台肩尺寸（cm），D =74cm； B立柱中心距（cm），B =160cm； J上横梁主截面的惯性矩（cm4）,J=3003437 cm4； F1受剪主立板面积（cm2），F1=4015=1120 cm2； E材料弹性模数（105Pa），E =1.051011 Pa； G剪切弹性模数（105Pa），G =61010 Pa。代入上式得：f弯=0.01253cmf剪=1.2=0.02472上横梁在公称压力下总变形量f： f = f弯+ f剪=(0.1920.32) (3-23)故上横梁刚度符合要求。3.3 本章小结 本章主要是对液压机的工作缸与上横梁完成了强度与刚度的计算。其中对工作缸进行了缸体、缸口以及活塞部分的强度计算。对上横梁的危险截面进行了强度与刚度校核。通过计算，最终发现液压机的强度和刚度基本符合要求。第4章 液压机机身有限元分析4.1 有限元分析简介4.1.1 有限元分析原理有限元分析它是利用比较简单的模型来替换复杂模型最后进行求解。它会将每一个元素都假设为合理的相似解，之后进行求解这个域最终的满足条件，这样就能够得到最终的解答。当然最终的解答并非精确解，而是一个相似解，但是这个相似解却可以帮助我们解答实际的问题。并且可以符合各种各样的复杂形状。4.1.2 有限元分析软件介绍ANSYS软件是发展比较早的一款软件，同时也是运用最多最广的一款软件.目前公司收购了很多其他软件。ABAQUS软件主要是用在结构分析而没有流体分析方面。MSC软件比较老而且现在的更新速度缓慢，无法适应现在迅速发展的社会。ADINA软件同时拥有结构、流体和热分析模块，功能十分强大但是进入中国的时间比较晚,目前还没有打开中国的市场.此次我所利用的有限元分析软件是UG.该软件中包含NX Nastran.Nastran是美国国家航空航天局为了完成当时航天工业对结构分析任务而开发的有限元程序， NX Nastran是当前国际上使用最广泛的CAE工具之一。在使用NX Nastran的过程中我发现该软件比ANSYS软件更加方便，运算更加快速。4.2 模型建立在UG8.0中分别建立液压机的上横梁（如图4-1所示）、活动横梁（如图4-2所示）、立柱（如图4-3所示）、缸体（如图4-4所示）、工作台（如图4-5所示）和液压机机身总装配图（如图4-6所示）。所建立的模型如以下图形所示： 图4-1 上横梁UG模型 图4-2 活动横梁UG模型图4-3 立柱UG模型 图4-4 工作缸UG图图4-5工作台UG模型图4-6 液压机机身总装配图此次我所做的机身有限元分析主要针对的是液压机的上横梁、立柱和工作台进行有限元分析，因为这三处的受力和位移较大。对这三处进行有限元分析可以发现液压机的最大应力以及最大位移量并且判断它的危险截面。同时也可以得到最大的应力和位移是多少。4.3 液压机机身有限元分析4.3.1 上横梁有限元分析在UG8.0的仿真模式打开已经建立的上横梁的模型。如图4-7所示：图4-7 UG建模视图之后指派模型的材料为steel，如图4-8所示：图4-8 模型指派材料示意图然后进行网格划分如图4-9所示：图4-9 网格划分操作示意图得到划分网格后的图形如图4-10所示：图4-10 上横梁模型划分网格后示意图然后对模型进行约束和施加载荷。在该模型中上横梁是固定不动的，所以我将上横梁的四个角固定住，使它保持固定。上横梁受到液压机作用在其表面上的力的作用，该力作用于上表面的阶梯圆上。施加约束和受力后的模型如图4-11所示：图4-11上横梁模型施加载荷与约束示意图然后进行求解，求解过程如图4-12所示：图4-12 上横梁模型求解过程最后得到求解所得图，最终的位移图如图4-13所示：图4-13 上横梁有限元分析位移图由此图可以得出最大的位移量为0.234mm，最大位移量在上表面的中心圆处。所得的应力图如图4-14所示：图4-14上横梁有限元分析应力图由此图可以得出最大的应力为37.48Mpa。上横梁在中心圆处和四周圆柱过渡处的应力较大。4.3.2 工作台有限元分析工作台模型定义材料和划分网格后的模型如图4-15所示：图4-15 工作台网格划分示意图因为工作台是固定不动的，所以我将工作台的下表面固定，工作台受到的力最大为8000KN,该力作用于工作台的上表面。处理后得到最终图形。最终的位移图如图4-16所示：图4-16 工作台有限元分析位移图由此图可以看出工作台的最大位移位于中心圆的外圈处。最大位移为0.