毕业设计（论文）60mn锻造水压机本体关键件结构设计

1、学士学位论文 题 目：60MN锻造水压机本体关键件结构设计摘 要大型锻造液压机具有锻造范围广、锻造能力强、操作方便、使用可靠等特点。本设计的题目是60MN自由锻造水压机的总体结构和传动系统的设计。论文基于液压机设计理论，参考已有大型锻造液压机结构和设计经验，针对传统三梁四柱式液压机结构存在的如效率低、锻造精度低、抗偏载能力差等缺陷，给出了液压机组合本体设计方案，为 60MN 自由锻造液压机的方案论证和技术设计提供了参考依据。论文对液压机的液压缸、上横梁、活动横梁、下横梁、回程缸、立柱等主要部件进行了计算分析。并对液压缸进行了重点分析，论证了法兰上螺柱孔对法兰过渡区等效应力的影响，为液压缸结构设

2、计参数的选择提供了依据；同时给出了液压机的传动系统液压系统的设计过程。 关键词：锻造；液压机；液压缸；上横梁；活动横梁；下横梁；立柱 全套图纸加153893706ABSTRACTLarge-scale forging hydraulic press has the strong forging ability, the ease of operation, the reliable use and so on. The topic of the paper is the main structure and transmission system design of 60MN forging

3、hydraulic press. Based on hydraulic press design theory, referred the design experience and structure of former large-scale forging hydraulic press. And in view of existent flaw such as the lower efficiency, lower forging precision and the poorer anti-carries ability of the traditional hydraulic pre

4、ss structure, we define the new pattern of body structure. It offers preference for scheme demonstration and technical design of 60MN forging hydraulic press.In the paper, we analyze the main part of the hydraulic press such as hydraulic cylinder, upper beam, walking beam, lower beam, return cylinde

5、r and column. And we especially analyze hydraulic cylinder which is the key part of the hydraulic press. And discuss the influence of the bolt hole on the flange to equivalent stress on the flange transition region. At the same time, we give the design process of transmission system (hydraulic syste

6、m) of the hydraulic press. Key words: Forging；Hydraulic Press；Hydraulic Cylinder；Upper Beam；Walking Beam；Lower Beam；Column 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc170875078 摘要 PAGEREF _Toc170875078 h I HYPERLINK l _Toc170875079 Abstract PAGEREF _Toc170875079 h III HYPERLINK l _Toc170875080 第 1 章 绪论 PAGE

7、REF _Toc170875080 h 1 HYPERLINK l _Toc170875081 1.1 选题背景 PAGEREF _Toc170875081 h 1 HYPERLINK l _Toc170875082 1.2 本课题研究的目的、意义与主要内容 PAGEREF _Toc170875082 h 1 HYPERLINK l _Toc170875083 1.3 液压机的国内外发展概述 PAGEREF _Toc170875083 h 2 HYPERLINK l _Toc170875084 1.4 预期结果 PAGEREF _Toc170875084 h 3 HYPERLINK l _To

8、c170875085 1.5 本课题的研究设想 PAGEREF _Toc170875085 h 3 HYPERLINK l _Toc170875086 1.6 液压机分类和特点 PAGEREF _Toc170875086 h 4 HYPERLINK l _Toc170875087 第 2 章 60 MN 锻造液压机总体设计方案 PAGEREF _Toc170875087 h 6 HYPERLINK l _Toc170875088 2.1 液压机总体结构简介 PAGEREF _Toc170875088 h 6 HYPERLINK l _Toc170875089 2.1.1 四柱式结构 PAGER

9、EF _Toc170875089 h 6 HYPERLINK l _Toc170875090 2.1.2 整体框架式结构 PAGEREF _Toc170875090 h 6 HYPERLINK l _Toc170875091 2.1.3 单柱式结构 PAGEREF _Toc170875091 h 6 HYPERLINK l _Toc170875092 2.1.4 拉杆预应力组合结构 PAGEREF _Toc170875092 h 7 HYPERLINK l _Toc170875093 2.2 本液压机的结构和基本参数 PAGEREF _Toc170875093 h 7 HYPERLINK l

10、_Toc170875094 2.3 本章小结 PAGEREF _Toc170875094 h 10 HYPERLINK l _Toc170875095 第 3 章 液压机本体结构关键件设计 PAGEREF _Toc170875095 h 11 HYPERLINK l _Toc170875096 3.1 液压机本体结构关键件设计 PAGEREF _Toc170875096 h 11 HYPERLINK l _Toc170875097 3.1.1 本体设计概述 PAGEREF _Toc170875097 h 11 HYPERLINK l _Toc170875098 3.1.2 工作缸设计 PAGE

11、REF _Toc170875098 h 11 HYPERLINK l _Toc170875099 3.1.3 上横梁结构设计 PAGEREF _Toc170875099 h 13 HYPERLINK l _Toc170875100 3.1.4 活动横梁结构设计 PAGEREF _Toc170875100 h 15 HYPERLINK l _Toc170875101 3.1.5 下横梁结构设计 PAGEREF _Toc170875101 h 17 HYPERLINK l _Toc170875102 3.1.6 回程缸和平衡缸设计 PAGEREF _Toc170875102 h 18 HYPERL

12、INK l _Toc170875103 3.1.7 立柱和柱套结构设计 PAGEREF _Toc170875103 h 18 HYPERLINK l _Toc170875104 3.2 本章小结 PAGEREF _Toc170875104 h 21 HYPERLINK l _Toc170875105 第 4 章 液压缸设计与分析 PAGEREF _Toc170875105 h 22 HYPERLINK l _Toc170875106 4.1 液压缸的设计 PAGEREF _Toc170875106 h 22 HYPERLINK l _Toc170875107 4.1.1 液压缸损坏部位与特点

13、PAGEREF _Toc170875107 h 22 HYPERLINK l _Toc170875108 4.1.2 损坏原因分析 PAGEREF _Toc170875108 h 22 HYPERLINK l _Toc170875109 4.1.3 液压缸设计 PAGEREF _Toc170875109 h 23 HYPERLINK l _Toc170875110 4.2 本章小结 PAGEREF _Toc170875110 h 25 HYPERLINK l _Toc170875111 第 5 章 液压系统的设计 PAGEREF _Toc170875111 h 26 HYPERLINK l _

14、Toc170875112 PAGEREF _Toc170875112 h 26 HYPERLINK l _Toc170875113 PAGEREF _Toc170875113 h 27 HYPERLINK l _Toc170875114 5.3大型自由锻造油压机油泵直接传动系统的技术难点 PAGEREF _Toc170875114 h 27 HYPERLINK l _Toc170875115 5.4 60MN自由锻造液压机油压控制系统组成及其功能 PAGEREF _Toc170875115 h 27 HYPERLINK l _Toc170875116 5 .4.1动力系统 PAGEREF _T

15、oc170875116 h 27 HYPERLINK l _Toc170875117 5.4.2主控系统 PAGEREF _Toc170875117 h 28 HYPERLINK l _Toc170875118 PAGEREF _Toc170875118 h 31 HYPERLINK l _Toc170875119 结论 PAGEREF _Toc170875119 h 32 HYPERLINK l _Toc170875120 参考文献 PAGEREF _Toc170875120 h 33 HYPERLINK l _Toc170875121 致谢 PAGEREF _Toc170875121 h

16、34第 1 章 绪 论选题背景装备制造业是为国民经济各部门进行简单再生产和扩大再生产提供装备的各制造业的总称，是为国民经济发展提供技术装备的基础性产业，承担着为国民经济各部门提供工作母机，带动相关产业发展的重任，可以说它是工业的心脏和国民经济的生命线，是支撑国家综合国力的重要基石，是国家工业化、现代化水平和综合国力的重要标志。而液压机是机械制造业的一种基础设备，其应用涉及国民经济的各个领域，尤其在塑性加工领域得到了日益广泛的应用。如板材成形，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，耐火砖压制和碳极压制成型，轮轴压制校直等等。各种类型液压机的迅速发展，有力的促进了制

17、造工业的发展和进步1。随着工业的发展和社会的进步，大型液压机得到了越来越重要的应用，尤其在航空、汽车、船舶等行业应用更为广泛。为了满足航空、航天和国防工业对大型锻件日益增长的需求，大型液压机的开发、研制已成为我国势在必行的攻关项目和重机行业普遍关注的焦点。2003 年中国工程院召开了“发展我国大型锻压设备研究”的重要会议，受到有关科研单位和重机企业的极大关注。本课题正是在这一背景下,为大型锻造液压机的方案论证所开展的研究。目前，在国内液压机设计中，其本体和结构不仅企业与企业之间千差万别，即使同一企业内，同一产品，设计者不同，设计结果也可能存在较明显的差别。因此，设计质量的高低在很大程度取决于设

18、计师的技术水平。影响液压机质量的因素很多，其中液压机本体的设计水平起着重要的作用。液压机本体是液压机的重要组成部分，其重量约占整机重量的 60%以上。液压机本体的设计水平，对液压机的制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。我国液压机本体的设计水平还比较落后，尽管一些大中型企业的设计部门在某些重要的液压机本体设计工作中对其关键部件已经采用了有限元分析方法和优化设计方法，但是对那些典型结构的液压机产品，绝大部分生产厂家和设计单位，包括大中型企业的设计单位，基本上还沿袭着传统的设计方法。由于缺乏功能比较完善的现代化设计手段，所以导致液压机本体设计思想保守、设计周期长、效率低。这不仅造成了人力和

19、物力的浪费，而且严重影响着这些企业的市场争实力2。本课题研究的目的、意义与主要内容目前，自由锻造水压机在我国机械制造行业中占有着非常重要的地位，然而我国对现在多数的锻造水压机都存在效率低和锻造精度低等缺点，本课题就是对传统自由锻水压机的设计和改造开展的调研。本课题研究的内容：对传统三梁四柱式液压机结构存在的缺陷进行分析：(1) 根据液压机基本技术参数，提出 60MN 自由锻造液压机本体结构初步设计方案。(2) 对液压机上梁、下梁和水平梁进行分析，改进各梁整体结构设计。(3) 综合评价分析结果，给出 60MN 自由锻造液压机本体的设计方案。液压机的国内外发展概述十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡提出

20、了著名的静压传递原理，并且迅速应用在工业上。1795 年，第一台液压机在英国诞生了。到今天为止，液压机发展的历史只有二百年左右。随着西方资本主义的发展，蒸汽机的出现，引起了工业生产的革命。现代化的大工业逐步代替了工场手工业，具有悠久历史的锻造工艺也逐步由手工锻造转变为机器锻造。18591961 年在维也纳铁路工场就有了第一批用于金属加工的7000KN，10000KN 和 12000KN 液压机。1884 年在英国曼彻斯特首先使用6了锻造钢锭用的锻造水压机。在 18871888 年制造了一系列锻造水压机，其中包括一台40000KN 的大型水压机。1893 年建造了当时最大的120000KN 锻造

21、水压机。因而大钢锭的锻造工作逐步就由使用锻锤过渡到使用锻造水压机，大型自由锻锤逐渐被淘汰，目前只保留了 5 吨以下的中小型自由锻锤。十九世纪末，由于军备扩张的需要，锻造和模锻液压机有了迅速发展。1934 年德国制造了 70000KN 模锻水压机，19381944 年相继建造了三台159000KN 锻造水压机和一台 300000KN 模锻水压机。第二次世界大战后，为了迅速发展航空工业，美国在 1955 年左右，先后制造了二台 315000KN 和二台 450000KN 大型模锻水压机；而苏联则在1955 年到 1960 年之间，先后制造了四台 390000KN 和二台 700000KN 大型模锻

22、水压机。近几十年来，世界各国在锻造操作机与锻造液压机联动机组、大型模锻液压机、挤压液压机等各种液压机方面又有了很多新的发展，自动量测和自动控制的新技术在液压机上得到了广泛的应用，机械化和自动化程度有了很大的提高。而随着微电子技术、液压技术等的发展,液压机有了更进一步的发展,其高技术含量增多,众多机型已采用CNC或PC机来控制,提高了产品的加工质量和生产率。锻压生产在我国也有悠久的历史，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。解放后我国锻压生产迅速发展,125MN 以下的自由锻水压机、300MN 以下的模锻水压机、160KN以下的模锻锤、25000KN

23、 以下的摩擦压力机、125000KN 以下的热模锻压力机己成系列并装备了诸多个锻压厂。由于航空工业、航天工业等高新科学技术发展的需要，我国从 60 年代中期开始了对大吨位液压机的研制工作。我国的 300MN 模锻液压机作为亚洲最大的模锻液压机是 70 年代初投入使用的。目前我国有 300MN,100MN,60MN,50MN,30MN 等大、中型锻造水压机。表 1.1 是我国锻造液压机拥有量和生产能力。表 1.1 国内锻造液压机一览液压机公称压力/MN各大区拥有量/台年生产能力华东华北东北华南西南西北中原山东闽赣数量单台锻件产量全国锻件产10221166500390004341311171715

24、3000162212131113131560002011244520002513211111010140000112116690000361111500060211447200080111200001201113390000合计111213312382165827000我国液压机制造工业虽然已有了较大发展，但与世界先进水平相比，还有较大差距，还不能满足国民经济和国防建设迅速发展的需要。目前除应当充分发挥现有各种液压机的生产潜力，提高设备利用率，搞好锻造操作机及其他辅助设备的配套工作，加强对设备的维修和设备本身的技术改造外，还应加强锻造液压机和锻造操作机的联动、锻件尺寸自动显示和自动控制、锻造液

25、压机组的程序控制和自动控制的研究，应加强对现代化的大型模锻液压机以及其他特殊用途液压机的研究46。预期结果 希望在对国内外自由锻造液压机结构综合分析的基础上，借鉴本学科的前期工作和设计经验，所设计的 60MN 自由锻造液压机本体设计方案能够有效的提高机架的抗偏载能力和整体工作性能以及其工作效率和锻造精度。本课题的研究设想液压机工作时，高压液体进入工作缸，推动活塞、活动横梁及上模运动，使工件在上、下模之间产生塑性变形。整个作用力(工件变形力)向上通过工作缸的法兰传到上横梁上，向下则通过下模、工作台传到下横梁上，最后作用于上、下横梁及立柱构成的封闭框架中。中心载荷时，若横梁具有足够的刚度，则立柱主

26、要承受轴向拉力。偏心载荷时，偏心力矩作用于活动横梁及活塞(柱塞)上，将在立柱或上梁上产生侧推力，使机架受力情况恶化。在某些液压机中，由于频繁加载、卸载以及载荷突然释放，会引起机架的剧烈振动。为解决上面提到的问题，本设计中采用了预应力组合机架，立柱由两部分组成，即空心柱套和拉杆。拉杆通过空心柱套和上、下横梁由两端螺母施加预紧力构成一个封闭框架。柱套位于上下横梁之间，在预紧时主要承受压应力。这种结构对拉杆而言，虽然在未承载时和承载时均有较高的应力，但应力波动幅度小，另外拉杆的截面形状没有急剧变化。对柱套而言，主要承受压力及弯矩，抗弯刚度比较大。此种结构的抗疲劳性能和刚度均很好。这样就可以实现在满足

27、传统液压机功能的同时又能很好的解决上面提到的问题。1.6液压机分类和特点液压机的工作介质主要有两种，采用乳化液的般称为水压机，采用油的称为油压机，两者统称为液压机。乳化液由 2%的乳化脂和 98%的软水搅拌而成，它应具有较好的防腐蚀和防锈性能并有一定的润滑作用。乳化液价格便宜，不燃烧，不易污染场地，故耗液量大的以及热加工用的液压机多采用乳化液作为工作介质。本台 60MN 自由锻造液压机工作介质为乳化液。油压机中应用最广的是机械油，有时也采用透平油或其他类型液压油。油在防腐蚀、防锈和润滑性能方面部比乳化液好，油的粘度比较大，也容易密封。因此，近年来，采用油为工作介质的越来越多。但是油的成本高，易

28、污染场地。液压机广泛应用于国民经济的各个部门，是一种主要的锻压设备。作为锻压设备的一类，液压机采用通用锻压机械型号。锻压机械共分为八类，类别代号用汉语拼音字母表示。液压机的类别代号为正楷大写“Y”。液压机下面按其用途分为十个组别：(1) 手动液压机 小型，用于压制压装等一般工艺；(2) 锻造液压机 用于自由锻造、钢锭开坯以及有色与黑色金属模锻；(3) 冲压液压机 用于各种薄、厚板材冲压；(4) 一般用途液压机 各种万能式通用液压机；(5) 校正压装液压机 用于零件校形及装配；(6) 层压液压机 用于胶合板、刨花板、纤维板及绝缘材料板的压制；(7) 挤压液压机 用于挤压各种有色金属及黑色金属的线

29、材、管材、棒材及型材；(8) 压制液压机 用于各种粉末制品的压制成形，人造金刚石压制，耐火砖及碳极等的压制成形；(9) 打包、压块液压机 用于将金属切屑及废料压块及打包；(10) 其他液压机 包括轮轴压装、电线包复、冲孔拉伸、模具研配等各种其他用途的液压机。液压机按工艺用途不同可分为自由锻造液压机和模锻液压机。自由锻造液压机一般以钢锭为原材料，采用自由锻工艺生产各种大型锻件；模锻液压机以钢坯、锻坯为毛坯，采用不同模锻工艺生产各种模锻件。液压机与其它锻压设备相比具有以下特点：(1) 在结构上易于得到较大的总压力、较大的工作空间及较长的行程，因此便于压制大型工件及较长较高的工件，这往往是锻锤及其他

30、锻压机械所难以做到的。(2) 与锻锤相比，工作平稳，撞击和振动很小，噪音小，对工人健康、厂房地基、周围环境及设备本身都有很大好处。(3) 与机械压力机相比，本体结构比较简单，容易制造。随着液压元件标准化、系列化、通用化程度的提高以及专业定点生产的逐步实现，比较适合于中小厂自行制造。(4) 随着大功率高速轻型泵的出现，液压机快速性能已有很大提高，如锻造液压机的每分钟工作循环次数已可达 80100 次，改变了过去液压机工作速度慢的状况。第 2 章 60MN 锻造液压机总体设计方案液压机总体结构简介液压机从结构（主要是指主机结构）观点来看，则可分为单柱式、四柱式、整体框架式和拉杆预应力组合结构。液压

31、机的主机结构包括机身、各执行机构、各油缸和滑块。合理的选择主机结构对于确保使用要求，制造工艺性和其他技术经济指标都有很大的意义。2.四柱式结构四柱式结构为液压机最常见的结构形式之一。四柱式结构最显著的特点是工作空间宽敞、便于四面观察和接近模具。整机结构简单，工艺性较好，但立柱需要大型圆钢或锻件。 四柱式液压机最大的缺点是承受偏心载荷能力较差，最大载荷下偏心距一般为跨度(即左右方向的中心距)的百分之三左右；由于立柱刚度较差，在偏载下活动横梁与工作台间易产生倾斜和水平位移；同时立柱导向面磨损后不能调整和补偿。这些缺点在一定程度上限制了它的使用范围。2.整体框架式结构整体框架结构多用于小型液压机。由

32、于机架在工作过程中承受拉力和弯曲应力，因此大多采用型钢，钢板焊接和整体铸钢结构。只有在小吨位和小台面的液压机才可能采用铸铁铸造的整体结构。整体焊接式结构的优点是省去了整个铸造工序，制造周期短；在结构设计上可根据受力情况合理布置和选用不同厚度的钢板，因此重量最轻。缺点是各钢板焊前加工量较大、需要相应的焊接设备和熟练的焊接技术，以尽量减少焊接变形和残余内应力；焊后一般必需消除应力退火；此外，焊后加工也较为复杂。整体铸造结构的特点是零件数量少，加工面少，机架刚度大。但需要制造木模和砂箱等。结构上壁厚不能太薄、厚度差不能太大，因此重量较大。此外，铸件清砂等均较费工时，单件小批生产时成本较高，外观也较粗

33、糙。整体框架结构的特点是零件数量少，重量轻、刚度大。但零件单件重量较大，焊后加工工艺较为复杂。有时甚至需要专门设备加工，以保证工作台面平直度和导轨支承面对工作台的垂直度。由于单件重量较大，设计时应仔细考虑吊运和加工设备工作能力。整体框架结构最大的缺点为支柱和横梁转角处应力集中，而且在转角处往往应力最大。所以设计上应采取适当加大过渡圆角半径，合理布置焊缝和适当加大转角处的断面面积等措施。否则，其应力集中点的应力可能较计算应力大 1.53 倍，形成薄弱环节。2.单柱式结构单柱式结构又称“C”形床身或开式结构。此类液压机最突出的优点是操作方便，可三面接近工件，装卸件简单方便。单柱式结构最大缺点是机身

34、为悬臂梁受力。因此变形较大，机架刚度很差。特别是在受力时变形不对称致使主缸中心线对台面的垂直性产生角位移。这种情况将使模具间隙偏向一侧，主缸活塞承受弯曲应力，因而使密封结构和导套工作恶化，磨损加剧，寿命降低。2.拉杆预应力组合结构拉杆预应力组合结构中框架由上横梁、下横梁、立柱通过拉杆预紧组合而成。在立柱和上、下横梁接触面上，装配预紧后配打圆柱销或方键定位。这一结构的特点是各零件结构和工艺性简单，单件重量较小，立柱只承受压应力，工作中水平变形较小，并消除了整体结构中转角处的应力集中弊病。但是，这一结构将增加各结合面的加工量和拉杆。并需采用加热或液压加载方式将拉杆伸长预紧。一般预紧系数为 1.5

35、至 2 倍公称压力7。本台液压机采用三梁四柱拉杆组合机架。2.2本液压机的结构和基本参数三梁四柱式是目前液压机中采用最为普遍的一种本体结构，其主要特点是加工工艺性较其它类型液压机简单。三梁四柱式液压机的机架是由上横梁、下横梁和四根立柱组成。工作缸安装在上横梁内。活动横梁与工作缸的柱塞联接成一整体，以立柱为导向上下运动，并传递工作缸内产生的力量，对制件进行压力加工。液压机的基本参数是液压机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，它反映了液压机的工作能力及特点，也基本上决定了液压机的轮廓尺寸及本体总重。另外，基本参数也是用户选购时的主要数据。液压机的基本参数有以下内容：(1) 公

36、称压力 指液压机名义上能产生的最大力量，它反映了液压机的主要工作能力。为了充分利用设备，节约高压液体并满足工艺要求，一般大中型液压机将公称压力分为两级或三级。本台锻造液压机公称压力分为三级。(2) 最大净空距(闭合高度) 指活动横梁停在上限位时，从工作台上表面到活动横梁下表面的距离，它反映了液压机在高度方向上工作空间的大小。(3) 最大行程 指活动横梁能够移动的最大距离，应根据工件成形过程中所要求的最大工作行程来确定，它直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度及整个机架的高度。(4) 工作台尺寸 指工作台面上可以利用的有效尺寸，它取决于模具的平面尺寸及工艺过程的安排。(5) 回程力 活动横梁返程时

37、所需要的驱动力。计算回程力要考虑活动部分的重量、回程时工艺上所需的力量(如拔模力、提升剁力等)、工作缸排液阻力、各缸密封处的摩擦力以及活动梁导套处的摩擦力等。(6) 活动横梁运动速度 分为工作行程速度、空行程速度及回程速度。应根据不同的工艺要求来确定工作行程速度，它的变化范围很大。锻造液压机要求工作速度较高，可达 50150mm/s。(7) 允许最大偏心距 指工件变形阻力接近公称压力时所能允许的最大偏心值。在液压机工作时不可避免地要承受偏心载荷。偏心载荷在液压机的宽边与窄边都会发生。在结构设计计算时，必须考虑此偏心值。(8) 立柱中心距 在四柱式液压机中，立柱宽边中心距和窄边中心距分别为 L

38、和 B。立柱中心距反映液压机平面尺寸上工作空间的大小。立柱宽边中心距应根据工件及模具(工具)的宽度来确定，立柱窄边中心距应考虑更换及放入各种工具、涂抹润滑剂、观察工艺过程等操作上的要求。立柱中心距对三个横梁的平面尺寸和重量均有直接影响，对液压机的使用性能及本体结构尺寸有着密切关系3。本课题中分析的 60MN 自由锻造液压机的主要技术参数如表 2.1。通过模拟的整机三维立体图见图 2.1 60 MN 自由锻造液压机技术参数项目名称单位参数公称压力MN60液体压力MPa32最大行程mm2600工作速度mm/s75100空程速度mm/s300工作台尺寸mm80003150最大净空距mm4500立柱中

39、心距mm40002600工作次数/min412快锻次数/min1520最大偏心距mm200结构形式三梁四柱预应力组合传动图 2.1 60MN 自由锻造液压机三维立体模型2.3本章小结本章主要简要给出了 60MN 自由锻造液压机的总体结构设计方案，并附以三维立体模型图，给出了结构设计方案的主要技术参数，为 60MN 自由锻液压机的设计提供了直观的参考。第 3 章 液压机本体结构关键件设计液压机本体结构关键件设计3.1.1本体设计概述目前，在国内液压机设计中，其结构不仅企业与企业之间千差万别，即使同一企业内，同一产品，设计者不同，设计结果也可能存在较明显的差别。因此，设计质量的高低在很大程度取决于

40、设计师的技术水平。影响液压机质量的因素很多，其中液压机本体的设计水平起着重要的作用。液压机本体是液压机的重要组成部分，其重量约占整机重量的 60%以上。液压机本体的设计水平，对液压机的制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。然而我国液压机本体的设计水平还比较落后，由于缺乏功能比较完善的现代化设计手段，所以导致液压机本体设计思想保守、设计周期长、效率低。这不仅造成了人力和物力的浪费，而且严重影响着这些企业的市场竞争实力。.2工作缸设计液压缸的支承型式主要有缸底支承和法兰支承两种型式。对于缸底支承，可以有柱塞式、活塞式；对于法兰支承，可以有柱塞式、活塞式及差动式等。本台液压机工作缸采用法兰支

41、承柱塞式结构，且工作缸为三缸分级压力。工作缸一般由锻钢或铸钢制成，由中碳钢铸成的工作缸，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810。由于本液压机工作缸要承受 32MPa 的液压，工作缸采用低合金钢分段锻造。缸体材料为 20MnMo，对缸体进行调质处理时， =350372MPa，=570MPa。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 45 #碳钢制成

42、。柱塞直径依照第四强度理论23，由下式确定： （3.1）式中 P 缸的公称压力(MN)p 液体的工作压力(MN)根据式(3.1)计算得 D =，根据表3.1圆整后按照 JB2001-76 取直径D =900mm。此时，第一级压力为 (MN)表3.1 柱塞直径标准（mm）柱塞标准直径mm40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 125 130 140 150 160 180 200 220 250 260 280 300 320 360 380 400 420 450 500 520 560 580 630 650 710 730 820 9

43、00 920 1000 1100 1200 1280 1420 1500 1600 1800 2000 第二级压力为 (MN) 第三级压力为(MN)工作缸内直径按照下式确定3 D1=D+t （3.2）式中 D柱塞直径 t缸内壁与柱塞间在直径上的间隙值，根据缸的大小及长短来选取，一般锻造液压缸取 1015mm。本台液压机工作缸为锻造液压缸t 取 10mm。由式(3.2)得 D1 =910mm。工作缸外直径由下式确定3 (3.3)式中D1 工作缸内直径p 液体的工作压力工作缸许用应力工作缸许用应力取 110150Mpa，根据公式(2.3)计算得工作缸的外径 D21270mm。工作缸法兰半径由下式确

44、定3 (3.4)式中F 单个工作缸能发出的最大力量 g许用挤压应力，当横梁为铸钢时，可取(8001000)105Par2 液缸外半径和法兰过渡区半径之和，根据经验公式取800mm根据公式(2.4)可以计算初步得到工作缸法兰半径 r4=740mm。工作缸柱塞与活动横梁的连接一般有三种方式：(1) 刚性连接 柱塞下端插入活动横梁内。此种连接方式在偏心载荷时，柱塞跟随活动横梁一起倾斜，将动梁所受偏心力矩的一部分传给工作缸导向套，使导向套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向套及密封的磨损。单缸液压机或三缸液压机的中间工作缸多采取此种结构。(2) 单球座连接 此种结构，柱塞外端部为一球形，座于球面支

45、承座上。为了使支承座能够自动调整中心，支承球座与活动横梁的凹孔之间应留有间隙。压环与柱塞圆柱部分之间应留有 5mm 以下的间隙。球面支承座的半径之和根据公式(2.4)可以初步得到工作缸法兰半径 r 4=740mm。工作缸柱塞与活动横梁的连接一般有三种方式：(1) 刚性连接 柱塞下端插入活动横梁内。此种连接方式在偏心载荷时，柱塞跟随活动横梁一起倾斜，将动梁所受偏心力矩的一部分传给工作缸导向套，使导向套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向套及密封的磨损。单缸液压机或三缸液压机的中间工作缸多采取此种结构。(2) 单球座连接 此种结构，柱塞外端部为一球形，座于球面支承座上。为了使支承座能够自动调整

46、中心，支承球座与活动横梁的凹孔之间应留有间隙。压环与柱塞圆柱部分之间应留有 5mm 以下的间隙。球面支承座的半径一般为柱塞直径的 12 倍。此种结构一般用于三缸式水压机的两侧柱塞，也可用于双缸式带有导向装置的工作缸。(3) 双球座中间杆连接 此种结构在柱塞内有一两端为球形的柱杆分别与上下球座结合。当液压机承受偏载时，柱杆可以摆动。从保护密封装置不承受偏心负荷的观点来看，这种结构最好。这种结构宜用于大型液压机的两侧工作缸，尺寸较小时使用该种结构比较困难。有时，中间工作缸亦采用该种结构3。此种连接方式如图 3.1 所示。本台液压机三个工作缸的柱塞与活动横梁的连接方式都采取此种连接方式。.3上横梁结

47、构设计横梁由铸造或焊接制成，目前以铸造为多，一般采用 ZG35B 铸钢。横梁的宽边尺寸由立柱的宽边中心距确定，上梁和活动梁的窄边尺寸应尽可能小些，以便锻造天车的吊钩容易接近液压机中心。梁的立柱孔高度一般是立柱直径的 2.53.5 倍，梁的中间高度则由强度确定。中小型液压机横梁多数为整体结构，大型液压机横梁由于受铸造、加工能力和运输能力的限制，设计成分块组合结构。一般由两块、三块、五块甚至七块(下梁)组成，各块之间用螺栓和键联接。图 3.1 柱塞与活动梁连接简图设计上横梁时，为了减轻重量，根据“等强度梁”的概念，设计成图3.2 所示的不等高梁，即立柱柱套处的高度 h 小于中间截面的高度 H。但在

48、过渡区(A 处)会有应力集中。实测数据表明，A 处的应力值比中间截面大 23倍。在实际使用中，有在该处出现裂纹的情况。影响 A 处应力集中的主要因素有三个：(1) 过渡圆角半径 R。在结构允许的情况下，应尽量增大 R，以减轻应力集中。(2) 横梁中间截面高度和柱套高度比 H/h。此值不应过大，对小液压机应尽可能采用“等高梁”(H/h1)，对大液压机建议采用 H/h=1.2。(3) 倾角 a。倾角不应过大4。以上这些因素的影响可归结于应力集中系数 K。但目前尚难以定量计算 K 值，因此在设计大型液压机时，应通过模拟试验来选取合理的结构。有限单元法的进一步发展将会有助于定量地确定各种不同结构方案中

49、过渡区的应力集中情况。上横梁直接与立柱、拉杆、垂直工作缸相连，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，这是有效提高横梁的刚度、强度和减轻梁的重量应首先把握的主要原则。图 3.2 应力集中 A 区上横梁通过立柱连接成机身上半部，并安装工作缸。为使其组成的空间合乎要求，以及活塞运行平稳，因此要求上横梁安装工作缸孔的轴线与安装工作缸的台肩平面应垂直，上横梁与调节螺母接触面与主缸台肩接触应平行，以及立柱穿过孔的上下平面应平行等。液压机工作时，上横梁承受了全部载荷。此外，在上横梁上有的还装有回程缸，上横梁本身又需安

50、装在立柱上，所以它的结构便被这些要求所限制。图 3.3为本台液压机上横梁的结构简图。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。梁体做成箱形结构，在安装各种缸的地方做成圆筒形，安装立柱的地方做成方筒形，中间加设筋板，以提高刚度，降低局部应力。.4活动横梁结构设计活动横梁的主要作用为：与工作缸柱塞杆连接传递液压机的压力，通过导向套沿立柱导向面上下往复运动；安装固定模具及工具等。因此需要有较好的强度、刚度及导向结构。活动横梁上部与工作缸柱塞相连，下部与上模座相连，梁体结构和受力状态都很复杂。当液压机工作时，高压液体作用于柱塞的力是通过活动横梁及上砧传递到

51、锻件上而做功，活动横梁的上下运动则依靠梁与立柱的导向装置。本台液压机活动横梁的结构尺寸如图 3.4 所示对于活动横梁，其设计原则与上、下横梁相同，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。设计活动横梁时，其基本要求和上、下横梁类同。若被压制零件尺寸较大，多制件同时加压和使用中具有偏心载荷等条件下，就要求活动横梁不但有足够的承压强度，还应具有一定的承载刚度与抗弯能力，此时常将它设计成高度略低于上横梁而壁厚相近的封闭箱形体，它的上部通过球形端面支承的柱杆和柱塞相连接。柱塞与梁体接触所产生的压力，力求

52、分布均匀。 图 3.3 上横梁结构 图 3.4 活动横梁的结构活动横梁的导向部分应有一定的高度，以保证足够的精度。一般情况下，导向部分高度不应小于活塞行程的二分之一。活动横梁和立柱配合处装有导套，它是液压机运动部分的导向装置。合理的选用导套的结构和间隙，直接影响立柱和整个机架的受力情况。如图 3.5 所示，导套的结构主要有以下三种。(1) 圆柱面导套 在活动横梁与立柱的接触处，装有上、下两个导套，它们由两半组成。为了拆装方便，两半导套的剖分面最好有 35 度，导套两端装有防尘用的毡垫。如图 3.5(a)所示。这种导套结构简单，加工方便，但在偏心载荷引起活功横梁倾斜时，导套和立柱间的接触为线接触

53、，使整个压机机架受力情况不好，磨损加剧，因此，这种结构一般用在中小型液压机。 （a） (b) (c)图 3.5 立柱导套的型式(2) 球面导套 有双球面和单球面两种，在活动横梁倾斜时，球面导套和球面支承之间能相对滑动，使立柱与导套仍保持面接触，改善了整个压机机架的受力情况，但结构较复杂，一船适用于中型或大型液压机。如图3.5 (b)所示。当活动横梁与柱塞均为球铰连接时，采用双球面导套，而当中间柱塞与活动横梁为刚性连接时，一般采用单球面导套。(3) 可调间隙的导套 以上两种导套与立柱间的间隙是不能调整的，对于模锻和冲压液压机导向精度要求较高，间隙最好是可以调节的。但这种结构复杂，间隙也不易调整。

54、如图 3.5 (c)所示。本台液压机由于为 60MN 大型锻造液压机，受力较为复杂，因此采用双球面导套形式。.5下横梁结构设计下横梁也称底座，它通过支座支承于基础之上，下横梁上一般安装有移动工作台，有的液压机还装有顶出器，下横梁的两侧一般还有侧梁，以便安装移动工作台的缸、导向块及拉带等。它是整机的基础性零件，是安装模具的基础。侧梁用螺栓及键与下横梁相连结。下横梁窄边的宽度应保证能放下马架，不致使马架落到侧梁上。下横梁的刚度要求应略严一些，以保证整个压机的刚性。下横梁直接与立柱、拉杆、工作台、回程缸和顶出器相连，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，是在满足相连部件最小

55、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。下横梁是三梁四柱式液压机的一个主要部件，它不仅承受全部压力，而且在它上面要安装移动工作台、侧梁。本台液压机下横梁结构尺寸如图 3.6 所示。下横梁设计时，除了满足与立柱、拉杆连接，并保证工作台的尺寸和安装回程缸的空间，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。下横梁结构形式和上横梁类似，其箱体中加的筋板按方格形布置1314。.6回程缸和平衡缸设计在本液压机设计中，采用两个柱塞式液压缸实现活动横梁的回程和平衡。通过改变液体压力来实现回程和平衡作用。根据经验公式，

56、回程力取公称压力的10% ，故回程压力：（MN） 所以， 回程缸柱塞直径 23 （3.5）根据表2.2圆整后按照 JB2001-76，取柱塞直径D =360mm 缸内壁直径： D1 =D+t =375mm，t取15mm缸外壁直径由下式确定3： （3.6）圆整后取 =540mm，法兰的直径由公式(3.4)确定，计算可得 Df =650mm。.7立柱和柱套结构设计在液压机机架的结构设计中，立柱往往是薄弱环节,它将上横梁与下横梁紧固的连接在一起，形成一个封闭的刚性受力框架，液压机加压时，它不仅要承受轴向拉力，而且还要承受偏心载荷引起的弯矩。特别是在立柱与横梁的连接部位，容易产生应力集中。这样，一般结

57、构液压机的立柱均在有较大拉应力振幅的脉动循环载荷下工作，很容易导致疲劳破坏。图 3.6 下横梁结构图本台锻造液压机采用的是预应力组合机架。立柱由两部分组成，即由外面的空心柱套和立柱杆组成，柱套位于上下横梁之间，在预紧时主要承受压应力，中间有 4 根拉杆穿过上、下横梁与柱套，用预紧力将这几部分紧紧地连在一起。这种结构对拉杆而言，虽然在未承载时和承载时均有较高的应力，但应力波动幅度小，另外拉杆的截面形状没有急剧变化。对立柱而言，主要承受压力及弯矩，抗弯刚度比较大。因此，它们的抗疲劳性能均很好。柱套的材料选用 20MnV 铸钢，其强度和韧性都不低于中碳锻钢，所以降低了立柱的制造成本。拉杆的材料为 1

58、8MnMoNb，采用锻焊结构制造。由于立柱长 14210mm，使制造上有很大困难，所以拉杆在高度方向上分成两部分，单独制造，这两部分再用焊接的方法连接在一起1516。本台液压机立柱杆采用空心拉杆，因为立柱杆较粗不易锻透，中心可能有疏松或裂纹，因此需将中心部分钻掉，同时空心部分可以利用作低压管道和预紧加热孔。立柱的预紧方法有多种，对小型液压机可使用扳手旋紧螺母，但其所能达到的预紧力是有限的。一般液压机可采用“超压预紧”、“加热预紧”以及“液压拉紧”。超压预紧适用于内外螺母式立柱结构的液压机；超压后，用扳手旋紧上、下横梁处的内螺母即可，但旋紧时需注意保证上横梁下表面与下横梁上表面之间的平行度。采用

59、加热预紧，一般采用电加热或蒸汽加热方法。蒸汽加热需在拉杆上钻通孔。电加热通常需在立柱端部钻一个孔，其深度需大于横梁高度，孔内插入电热棒加热，加热时应注意两对角拉杆同时加热。本台液压机立柱即采用电加热预紧。采用液压拉紧装置对螺栓进行冷拉，所需时间短，效率高，但需一套专门装置。采用预应力结构，立柱半径设计由下式确定3 (3.7)式中 F 2.5 倍的公称压力材料许用应力，取 150MPar 立柱截面半径由式(3.7)计算得圆整后取r =325mm。柱套的外径由下式计算确定17 (3.8) 式中 F 0.5 倍的公称压力材料许用应力，取 150MPaR 柱套截面外半径r 柱套截面内半径取 660mm

60、由式(3.8)代入数据计算得:取R =400mm。柱套与立柱的结构如图 3.7 所示图 3.7 柱套与立柱截面结构简图本章小结本章提出了 60MN 自由锻造液压机的本体结构初步设计方案，同时给出了工作缸、上下横梁和活动横梁的结构方案、导向机构设计方案、预紧方式等，并计算出各个部件的设计参数。第 4 章 液压缸设计与分析4.1液压缸的设计液压缸部件的作用在于把液体压力能转换成机械功。高压液体进入缸内后，作用于柱塞(活塞)上，经过活动横梁将力传到工件上，使工件产生塑性变形。它是液压机主要部件之一。液压缸作为液压机中的重要部件，它的损坏会导致整个液压机停产，制造一个大型液压缸耗资数十万元，且加工周期