设计一台单缸传动液压机液压系统及单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算

班级PAGEPAGE201液压系统设计分析题目要求设计一台单缸传动液压机液压系统，工作循环式：低压下行——高压下行——保压——低压回程——上限停止。自动化程度为半自动，油缸垂直安装。2工况分析液压缸所受外负载F包括三种类型，即F=Fw+Ff+Fm式中：Fw—工作负载；Fm—运动部件速度变化时的惯性负载；Ff—导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨Ff可由下式求得：1.工作负载Fw=1X106N2.摩擦负载摩擦负载就是液压缸驱动工作时，所需要克服的机械摩擦阻力。由于液压缸是垂直安装，摩擦阻力相对工作负载惯性负载很小，一般可将其算在液压缸的机械效率中，在这里不考虑。3.惯性负载惯性负载即运动部件在启动和制动过程中的惯性力。计算公式：Fm=ma=GΔv/(g.Δt)式中：m—运动部件的质量a—运动部件的加速度G—运动部件的重量g—重力加速度Δv—速度变化值Δt—启动或制动时间，有经验可得Δt=0.5S，冲头启动和制动的加速或减速都在0.5S内完成。加速：Fm1=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.025/9.8X0.5=102N减速：Fm2=GΔv/(g.Δt)=2X104X（0.025-0.001）/9.8X0.5=98N制动：Fm3=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.001/9.8X0.5=4.08N反向加速：Fm4=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.025/9.8X0.5=102N反向制动：Fm5=Fm4=102N液压缸各阶段中的负载入下表所示：工况负载计算公式液压缸负载F/N液压缸推力/N启动F=Fw0.5X106555555加速F=Fw+Fm1500102555668快下F=Fw500000555555慢下F=Fw-Fm2499902555447制动F=Fw-Fm3499996555551反向加速F=Fm4102113制动F=—Fm5-102-1133负载图和速度图的绘制按照前面的负载分析结果及已知的速度要求，行程限制等，绘制出负载图及速度图如下图：4液压缸主要参数的确定1.初选液压缸的工作压力液压缸工作压力主要根据液压设备类型确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力也不同。根据分析此设备的大概负载，初选液压缸的工作压力20MP。2.计算液压缸的尺寸单活塞杆液压缸计算示意图单活塞杆液压缸计算示意图A=F/P=555668/20X106=0.028m2D=(4A／∏)½=0.188m按标准取：D=200mm因为P大于7，所以d=0.7XD=140mm安标准取：d=150mm则液压缸的有效作用面积为:无杆腔面积A1=0.031m2有杆腔面积A2=0.013m23.液压缸的最大流量Q(快下)=A1V快下=0.031X58X10-3=107.88(L/min)Q(慢下)=A1V慢下=0.031X0.003=5.58(L/min)Q(快上)=A2V快上=0.013X0.117=91.26(L/min)5液压系统图拟定1.确定供油方式考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高，从节省能量，减少发热考虑，泵源系统宜选用双泵供油或变量泵供油，现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。2.调速方式的选择在中小型专业机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据钻孔类专用机床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承受负切削力的能力。3.速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便、阀的安装也较简单，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。最后，把所选择的液压回路组合起来，即可组合成液压系统原理图。6液压元件的选择1确定液压泵的规格1.1确定液压泵的工作压力考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为Pp=P1+ΣΔp式中：Pp—液压泵最大工作压力；P1—执行元件最大工作压力；ΣΔp—进油管路中的压力损失，初算是简单系统可取0.2~0.5M复杂系统可取0.5~1.5MPa。本题中取0.5MPa。因此Pp=P1+ΣΔp=25+0.5=25.5(MPa)上述计算所得的Pp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。另外考虑到一定的压力贮备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力Pa应满足Pa≥(1.25~1.6)Pp。中低压系统取小值，高压系统取大值。在本题中Pa=1.3Pp=7.15MPa。1.2泵的流量确定液压泵的最大流量应为Qp≥KL(ΣQ)max式中：Qp—液压泵的最大流量；(ΣQ)max—各执行元件所需流量之和的最大值。如果这时溢流阀正进行工作，尚须加1溢流阀的最小流量2~3L/min；KL—系统泄露系数，一般取1.1~1.3，现取KL=1.1。因此Qp=KL(ΣQ)max=1.1×73.5=80.85L/min)根据以上算得的Pp和Qp，查阅有关手册，现选用ＣＺＢ—１６０轴向柱塞泵，该泵的基本参数为：泵的额定压力P0=３１．５MPa，电动机转速n0=1０００r/min，容积效率ηv=0.85，总效率η=0.72。２确定电动机的规格由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为2５．５Mpa，流量为已选定泵的流量值。液压泵的总效率。柱塞泵为，取0.8。选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为：P=PbQp/η＝25.5X选择电动机，其额定功率为18.5KW.7液压系统的性能验算7.1压力损失的验算工作进给时进油路压力损失运动部件工作进给时的速度为25mm/s，进给时的最大流量为73.5L/min，则液压油在管内流速v1为：v1=Q/(πd2/4)=4×73.5×1000/(3.14×252)=149(cm/s)管道流动雷诺数Re1为Re1=v1d/υ=149×0.2/1.5=19.8<2300可见油液在管道中流态为层流，其沿程阻力系数λ1=75，Re1=0.68.进油管道的沿程压力损失Δp1-1为Δp1-1=λ(l/d）/(ρv2/2)=0.68×(1.7+0.3)/(0.025×920×1.492/2)=0.5MPa查得换向阀34EF3P—E10B的压力损失Δp1-2=0.5MPa。忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路的总压力损失Δp1=Δp1-1+Δp1-2=0.5+0.5=1(MPa)工作进给时回油路的压力损失由于选用单活塞杆液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积是无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管道的二分之一，则v2=v1/2=25/2=12.5(cm/s)Re2=v2d/υ=15×2/1.5=20<2300λ2=75/Re2=75/20=3.75回油管道的沿程压力损失Δp2-1为Δp2-1=λ2(l/d)/(ρv2/2)=3.75(1.7+0.3)/(0.02×920×0.1252/2)=1.07Mpa查产品样本知换向阀24EF3M—E10B的压力损失为Δp2-2=0.025MPa调速阀QF3—E10B的压力损失Δp2-3=0.5MPa。回油路总压力损失Δp2为Δp2=Δp2-1+Δp2-2+Δp2-3=1.07+0.025+0.5=1.6(MPa)快退时压力损失验算从略，上述验算表明，无需修改原设计。参考文献[1]许贤良，王传礼.液压传动.北京：国防工业出版社，2006.[2]张利平.液压传动系统及设计.北京：化工工业出版社，2005.[3]王守城，段俊勇.液压元件及选用.北京：化工工业出版社，2007.[4]左健民.液压与气压传动.北京:机械工业出版社.2007.[5]周士昌.液压系统设计图集.北京：机械工业出版社，2003.材料力学课程设计班级：作者：题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核指导老师：课程设计的目的材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。使所学的材料力学知识系统化，完整化。在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。3）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。4）初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。5）为后续课程教学打下基础。课程设计的任务和要求要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。设计题目某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁(QT450-5)弹性常数为E、μ，许用应力为[σ]，G处输入转矩为，曲轴颈中点受切向力、径向力的作用，且=。曲柄臂简化为矩形截面，1.4≤≤1.6，2.5≤≤4,=1.2r,已知数据如下表：0.110.181500.271201800.050.788.51700.06画出曲轴的内力图。设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。设计曲柄臂的b、h。校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。用能量法计算A-A截面的转角,。画出曲轴的内力图外力分析画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩N·m读图NN在xoy平面内取平衡y=0=0即FAy+FFy-Fr=0Frl1-FFyl1（+l2）=0计算反力解方程可求得在XOY平面内：===2469.57N===1509.18N同样道理在XOE平面内：===4939.14N===3018.36N在多个作用力作用下曲轴组合变形，每一段变形情况不一致，可分段分析。各段变形复合单独分析复杂，分成每个方向上单独受力，作出内力图。内力分析（可先分析危险截面各处受力状况）=1\*GB3①主轴颈的EF左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲组合变形==477.45=*（–）=434.64=*（–）=217.32=2\*GB3②曲柄臂DE段下端（2-2）截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩组合变形=Me=477.45=*（–）=434.64=*（–）=217.32==1509.18N=3\*GB3③曲柄颈CD段，以A端开始分析，过中间位置时各力和力矩开始变小，因此中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲组合变形=*r=293.65=*=543.31=*=271.65④曲柄臂BC段根据A端受力，C端截面最危险，受两个弯矩，一个扭矩，一个轴力作用组合变形M4x=FAz*r=296.35N·mM4y=FAz*（l1-）=365.50N·mM4z=FAy*（l1-）=182.75N·mF4N=FAy=2469.57N·m⑤主轴AB端，B段截面最危险，受两个弯矩作用M5y=FAz*（l1-）=365.50N·mM5z=FAy*(l1-)=182.75N·m由上分析可知各危险截面的力和力矩，有对于各段轴为两端或一端受力，内力图为线性关系。可以用两点法，按相应的比例关系及x、y、z、轴力方向作出各段的内力图。内力图如下（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）：（单位：力—N力矩—） 设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D主轴颈的危险截面为EF的最左端，受扭转和两向弯曲根据主轴颈的受力状态，可用第三强度理论计算=≤[]其中=[]=120MPaD得D≥38.68mm取D=40mm曲柄颈CD属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面3-3中：d得d38.58mm故取d=40mm校核曲柄臂的强度曲柄臂的强度计算曲柄臂的危险截面为矩形截面，且受扭转、两向弯曲及轴力作用（不计剪力），由内力图可知危险截面为2-2截面，曲柄臂上的危险截面2-2的应力分布图如下图：根据应力分布图可判定出可能的危险点为，，。已知条件理想情况为截面面积（b*h）最小，同时也符合强度要求。可先取面积最小值检验其强度要求是否符合。即令：h=1.4D=56mmb==14mm点：点处于单向应力状态其中A2=bhWz2=wx2=把数据代入上式中得=185.97MPa>选取此种尺寸时不满足强度要求，考虑到所给条件截面面积最大可为h=1.6D=64mmb=h2.5=25.6mm带入得=59.39MP<[]此时点满足强度条件。点：点处于二向应力状态，存在扭转切应力曲柄臂简化为矩形，非圆截面，查表3-1对=2.5点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的=32.01MPa由第三强度理论代入数据==86.48MPa<[]所以点满足强度条件。点：点处于二向应力状态=28.24MPa根据第三强度理论===67.78MPa<[]所以点满足强度条件。综上，曲柄臂满足强度条件。可取=2.5，满足强度条件。可进一步细化分析在满足强度条件下减小h、b值，从而节约成本。由后面的附录求得h,b的最优值为58，23.校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度由题意对球墨铸铁QT450-5查表得（表面质量系数）已知（尺寸系数）（敏感系数）FH处只受扭转作用,无弯曲正应力，工作时切应力基本不变，但机器时开时停，可视为脉动循环，具体可见材力教材第十三章例题。=又知=-安全系数=>2安全。所以，H-H截面的疲劳强度足够。用能量法计算A-A截面的转角,采用图乘法分别求解A-A截面的转角,。求：在截面A加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：由平衡方程得B点的弯矩为E点的弯矩为由图乘法：h=58mm，b=23mm查表得EI1=E=18840.04pa·m4EI3==18840.04pa·m4其中尽管h/b取值不同，对会有影响。但都是在很小范围内变化，对转角影响不会太大，可取=0.249GIt==12085.57pa·m4=rad从而得同理（2）求：在截面A加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：同理得：由图乘法：EA=Ehb=·m2·m4.·m4·m4=rad设计优化以上的设计只是保证了强度安全性方面的要求，并没有考虑到材料成本等问题。应是在能保证强度要求条件下满足所用材料最省为最佳方案。回到问题三，关于b、h的计算可设计思路，b/D和b/h从取值1.6和2.5开始，逐次减小0.01，同时检验取值能否满足曲轴的强度要求。直至不能满足条件最大值之前的最值为止，即为所求的最适合b、h值。利用附录的程序，求b、h最佳值，得：h=58mmb=23mm设计感想通过这次的课程设计，我对材料力学有了更深一层的认识，材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论和计算方法。初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。这次的课程设计让我深知理论与实际相结合的重要性为后续课程的学习打下基础。这次设计，让我对以前学的cad、c语言等结合问题进行实际运用，加深了知识的应用能力。此外，我深深的体会到了仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的。工程实际中的一些问题要比想象的复杂的多。只有不断进行工程问题的分析和研究，从中获得大量的宝贵经验，才能以最经济的代价、最合理的方法解决遇到的难题。此次课程设计让我受益匪浅，设计中还有很多不足，希望老师批评指正。参考文献[1]聂毓琴等《材料力学》[2]聂毓琴等《材料力学实验与课程设计》[3]谭浩强,《C程序设计第三版》附录内力图计算程序一：#include<stdio.h>main(){doubleP=8.50;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleMe; doubleFt; doubleFr; doubleFaz; doubleFfz; doubleFay; doubleFfy; intn=190; Me=9549*P/n; Ft=Me/r; Fr=Ft/2; Fay=(Fr*l2)/(l1+l2); Ffy=(Fr*l1)/(l1+l2); Faz=(Ft*l2)/(l1+l2); Ffz=(Ft*l1)/(l1+l2); printf("Me=%lf,Ft=%lf,Fr=%lf\n",Me,Ft,Fr); printf("Fay=%lf,Ffy=%lf,Faz=%lf,Ffz=%lf\n",Fay,Ffy,Faz,Ffz); return0;}主轴EF段力矩计算程序二：#include<stdio.h>main(){doubleMe=477.45; doubleFfy=1509.18;doubler=0.06; doubleFfz=3018.36; doublel1=0.11; doublel2=0.18;doublel3; doubleM1x; doubleM1y; doubleM1z;l3=1.2*r;M1x=Me; M1y=Ffz*(l2-l3/2); M1z=Ffz*(l2-l3/2); printf("M1x=%lf\nM1y=%lf\nM1z=%lf\n",M1x,M1y,M1z); return0;}曲柄臂de段力矩程序三：#include<stdio.h>main(){doubleMe=412.11;doubleFfz=3018.36; doubleFfy=1509.18;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleM2x; doubleM2y; doubleM2z; doubleF2n; doublel3; l3=1.2*r;M2x=Me; M2y=Ffz*(l2-l3/2); M2z=Ffy*(l2-l3/2); F2n=Ffy; printf("M2x=%lf\nM2y=%lf\nM2z=%lf\nF2n=%lf\n",M2x,M2y,M2z,F2n); return0;}曲柄颈cd段力矩程序四：#include<stdio.h>main(){doubleMe=477.45;doubleFaz=4939.14; doubleFay=2469.57;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleM3x; doubleM3y; doubleM3z;M3x=Faz*r; M3y=Faz*l1; M3z=Fay*l1; printf("M3x=%lf\nM3y=%lf\nM3z=%lf\n",M3x,M3y,M3z); return0;}曲柄臂bc段力矩程序五：#include<stdio.h>main(){ doubleFay=2469.57;doubler=0.06; doubleFaz=4939.14; doublel1=0.11; doublel2=0.18;doublel3; doubleM4x; doubleM4y; doubleM4z; doubleF4n;l3=1.2*r;M4x=Faz*r; M4y=Faz*(l1-l3/2); M4z=Fay*(l1-l3/2); F4n=Fay; printf("M4x=%lf\nM4y=%lf\nM4