毕业设计（论文）-3.15MN三梁四柱式上传动锻造压机本体设计

第页目录目录 11绪论 51.1引言 51.2液压机概述 51.2.1液压机发展历程 51.2.2液压机的分类 61.2.3液压机结构类型 81.2.4液压机的优缺点 91.3三梁四柱液压机 101.3.1三梁四柱液压机结构 101.3.2三梁四柱液压机的工作原理 111.3.3三梁四柱液压机的基本参数 111.3.4三梁四柱液压机主要功能 131.3.5三梁四柱液压机的发展趋势 131.4课题意义及主要研究内容 141.4.1课题的研究意义 141.4.2主要研究内容 1523.15MN液压机的主缸设计 162.1主缸结构选用 162.2主缸缸筒设计 172.2.1缸筒内径 172.2.2缸筒壁厚 172.2.3缸筒底部厚度计算 192.3主缸活塞设计 192.3.1活塞及活塞杆直径 192.3.2活塞杆的强度验证 202.3.3活塞杆的稳定性验证 202.4主缸缸盖设计 212.5主缸密封设计 212.5.1缸盖的端面密封 212.5.2活塞轴向动密封 212.6主缸与上横梁活动横梁的连接设计 222.7主缸的三维装配模型 232.8本章小结 243液压机主机设计 253.1液压机立柱设计 253.1.1立柱的受力分析 253.1.2立柱尺寸的确定 273.1.3立柱的强度校核 283.2导向套的设计 293.3横梁的设计 303.3.1上横梁设计 303.3.2活动横梁设计 313.3.3下横梁设计 323.4横梁强度及刚度计算 333.4.1上横梁强度计算 333.4.2活动横梁强度计算 343.4.3下横梁强度计算 343.5移动工作台的设计 353.6液压机本体的三维模型 363.7本章小结 374结论 38参考文献 39致谢 40

摘要液压机广泛使用在钢铁、模具制造、石油、航空航天等行业，其根据帕斯卡原理制成：由油泵产生动力，油缸作为执行机构输出较大压制力，以实现材料较好力学性能或完成材料的成型工艺。液压机按安装形式有立式和卧式两种。卧式压机主要为挤压机，立式压机则主要用于模锻和快锻，按工作介质可分为油压机和水压机；按结构形式分,液压机可分为双柱式、四柱式、八柱式、焊接框架式和多层钢带缠绕框架式等,中、小型立式液压机还有用C形架式。本文主要研究并设计四柱式上传动液压机的本体结构，根据技术参数设计压机主体结构，包括上、下横梁，活动横梁（三梁）、立柱（四柱）、液压缸的结构设计，根据CAD软件（Solidworks，CAD）建立压机的三位模型，并对设计的零件进行强度刚度校核，以得到满使用产品零部件，并出工程图。通过以上工作内容能从整体上了解三梁四柱压机的工作原理及设计方法，熟悉和掌握液压机设计的方法和一般规律，能熟练使用计算机辅助设计软件达到独立设计的能力，为今后走向工作岗位打下坚实的理论和实践基础。关键词：液压机液压缸立柱横梁

AbstractHydraulicpressesarewidelyusedinsteel,moldmanufacturing,petroleum,aerospaceandotherindustries.TheyaremadeaccordingtoPascal'sprinciple:theoilpumpgeneratespower,andtheoilcylinderactsasanactuatortooutputalargepressingforcetoachievebettermechanicalpropertiesofthematerialorcompletethemoldingofthematerial.Therearetwotypesofhydraulicpresses:verticalandhorizontal.Horizontalpressesaremainlyextrusionpresses,whileverticalpressesaremainlyusedfordieforgingandrapidforging.Accordingtotheworkingmedium,theycanbedividedintohydraulicpressesandhydraulicpresses;Eight-columntype,weldedframetypeandmulti-layersteelbeltwindingframetype,etc.,andmediumandsmallverticalhydraulicpressesalsouseC-shapedframetype.Thispapermainlystudiesanddesignsthebodystructureofthefour-columnuppertransmissionhydraulicpress.Accordingtothetechnicalparameters,themainstructureofthepressisdesigned,includingthestructuredesignoftheupperandlowerbeams,themovablebeam(threebeams),theverticalcolumn(fourcolumns)andthehydrauliccylinder.AccordingtotheCADsoftware(Solidworks,CAD)toestablishathree-dimensionalmodelofthepress,andverificationofthemodeltoobtainproductpartsthatmeetthestrengthandstiffness,andproduceengineeringdrawings.Throughtheaboveworkcontent,wecanunderstandtheworkingprincipleanddesignmethodofthethree-beamfour-columnpressasawhole,befamiliarwithandmasterthemethodandgeneralrulesofhydraulicpressdesign,andbeproficientintheuseofcomputer-aideddesignsoftwaretoachieveindependentdesigncapabilities.Layasolidtheoreticalandpracticalfoundation.Keywords:HydraulicPressHydraulicCylinderColumnBeam

1绪论本章综述液压机的国内外现状及发展趋势并拟定后续章节的主要内容，内容涉及液压机的工作原理，分类，基本参数和发展概况及发展趋势，以此了解认识液压机，为后章节奠定理论依据。1.1引言液压机是产品成型制作过程中不可或缺的设备之一，在现在飞速发展的社会中，液压机已经成为工业生产过程中最广泛的设备。同时在国家软实力中，大型液压机等锻造设备是国家安全的重要设备之一，也是中国科技水平，工业发展和综合实力的一部分。液压设备的制成大多都是根据法国科学家帕斯卡的静压传递原理（图1-1），以液体为工作介质，从而传递能量到机械中实现各种工艺产品的加工。随着工业社会的发展，液压机的技术更加的成熟，其在工业生产中的地位愈加提高，现以广泛应用于，机械，化工，汽车制造，航天航空，国防等重要领域。图1-1帕斯卡原理帕斯卡原理：（1-1）随着社会的快速发展，工业机械的需求也就越来越大，液压机的需求也更加精密。三梁四柱液压机因功率大易获得较大力和力矩，操作上动作快，反应灵敏，可以实现无级变速等优点，在工业发展中被广泛采用。1.2液压机概述1.2.1液压机发展历程液压机已经发展了一百多年。第一次工业革命后随着工业制造的迅速发展，锻件尺寸越来越大，传统的蒸汽锻造锤不能满足现实需要，液压机由此产生。1859年维也纳铁路工厂出现了7MN液压机；1884年英国曼彻斯特首先使用了锻造水压机；并制造了一台40MN的大型水压机，并在1893年制造了当时最大的120MN的锻造水压机。1934年德国制造了70MN的锻造水压机；并相继制造出三台150MN锻造水压机和一台300MN模锻水压机[1]。二次世界大战之后为了迅速发展航空工业以及后来宇航工业所需要的工业技术，美国在1955年，先后制造了315MN和450MN的大型锻造水压机，苏联则在1960年前后，制造了两台700MN模锻水压机。八十年代以来，随着微电子、液压技术的发展和普及，国外液压机技术在油路结构设计方面，都趋向于集成化、封闭式设计。插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到广泛的应用。封闭式循环油路设计,可有效地防止泄油和污染,更重要的是可防止灰尘、空气和化学物质侵入系统,进而延长机器的使用寿命。在安全性方面,高性能液压机利用软件进行故障的检测和维修,可实现产品负载检测、自动模具保护和错误诊断等功能。液压机的发展最主要体现在控制系统方面。而微电子技术飞速发展为改进液压机的性能、提高稳定性、提高加工效率等方面创造了条件。目前液压机的最大公称压力已达到了750MN，用于金属模锻成型，众多机型已经采用CNC或工业PC机控制，自动化程度和生产效率大幅提高[2]。由于国外等资本主义国家工业起步较早，对液压机的制造有着丰富的经验和悠久的历史，他们用先进的科学技术和领先于我国的学术基础对液压机的操作系统进行了优化设计时期结构更加稳定合理。在新中国初期，因为工业发展落后制造液压机的技术和学术不够制造出的液压机精度稳定性都不是很好。直到1953年，我国沈阳重机厂开始投产20MN的液压机，1957年我国设计出了第一台25mn水泵蓄水是传动式锻造液压机，300MN有色金属模锻压机，80MN黑色金属模锻压机等。20世纪七八十年代是我国液压机发展的辉煌时期，成功研制出了3.5MN~80MN液压机八十多台。发展至今虽然技术和生产上已经成熟，但和发达国际仍有不小的差距，虽然产量大，但价格和产品质量却没竞争力。主要是可靠性封面故障率大，只要集中在液压系统，漏油问题普遍存在，此外零部件的加工质量还需提高，美学和可操作性和国外也有一定的差距。但总体来讲，我国液压机发展迅速，随着国内制造商对产品质量要求的提高，液压机的质量和性能会接近和赶上国际水平[3,4,5]。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、大型挤压液压机以及其他特殊用途液压机的研究[6,7]。1.2.2液压机的分类液压机按安装形式有立式和卧式两种。卧式压机主要为挤压机（图1-2），立式压机则主要用于模锻和快锻，按工作介质可分为油压机和水压机；按结构形式分,液压机可分为双柱式、四柱式（图1-3）、八柱式、焊接框架式和多层钢带缠绕框架式等,中、小型立式液压机还有用C形架式（图1-4）。图1-2卧式液压机图1-3立式液压机（三梁四柱）图1-4立式液压机（C型架）此外，我国对液压机采用通用的锻压机械型号，锻造机械共分八类，根据机械行业标准JB/T9965-1999，用拼音字母表示其类别，代号均用大写，如表1-1所示：表1-1液压机分类及字母代号类别机械压力机液压机自动锻压机锤锻机剪切机弯曲矫正机其他字母代号JYZCDQWT液压机按用途可分为手动液压机、锻造液压机、冲压液压机、挤压液压机等如下十个组别，本文的研究对象属于锻造液压机[1]。(1）手动液压机：用于一般压制、压装等工艺。(2）锻造液压机：用于自由锻、钢锭开坯及金属模锻。(3）冲压液压机：用于各种薄板、厚板的冲压。(4）一般用途液压机：用于各种工艺，通常称为万能（通用）液压机。(5）校正压装液压机：用于零件的校正及装配。(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：用于挤压各种有色及黑色金属材料。(8）压制液压机：用于各种粉末制品的压制成型，如粉末冶金。(9)包、压块液压机：用于将金属碎屑及废料压成块。(10）其它液压机：包括轮轴压装、冲孔等专门用途的液压机。1.2.3液压机结构类型（1）三梁四柱式上传动液压机三梁四柱式上传动式液压机是最常见的液压机，在这种结构中，回程杆固定在上横梁的两侧。回程时，高压液体进入回程缸中，推动回程柱塞向上移动通过顶部小横梁及拉杆推动横梁向上回程。上、下横梁和立柱组成一个封闭框架，其承受液压机全部载荷不能有任何松动。三梁四柱式液压机本体重心高于地面稳定性较差，在中小型液压机中并不适用，中小型液压机每分钟锻造次数可达80~100次。（2）下拉式液压机下拉式结构液压机本体重心低.稳定性好，在偏心锻造时下拉式液压机变形很大，重心仍可保持原位。下拉式液压机的工作缸在地面以下，地面上没有输送管道，当使用液压油为工作介质时不易着火比较安全不易损坏。其上横梁可设计较窄便于操作。（3）预应力钢丝缠绕液压机预应力机架由上下梁和两侧立柱形成，在机架外用高强度钢带进行缠绕预紧，钢带的横截面尺寸为1×4或1.5×6毫米。总的预紧力是最大工作载荷的15倍或更高。这时立柱的工作状态始终处于压应力状态。这种结构的优点在于抗疲劳性能好，制造简单，成本低，尺寸小，结构轻巧。它可以充分利用钢带强度高的特点一般是高质量锻件的2~3倍，因立柱始终处于压应力状态不易被破坏。近年来这种结构较多用于板料成型,金刚石压制,磨断,建材.材料压制等许多工业中。（4）组合框架式液压机在大型中型液压机中，整体机架的尺寸和重量十分巨大，会给锻造,焊接,热处理等机械工作带来很多困难，因此，在这些工作中往往采用组合框架式液压机。这种液压机采用组合式结构，将上下衡量和两侧立柱分别制造，在用大型螺丝将其固定在一起。（5）整体框架式液压机整体框架是液压机是将上下横梁及两侧立柱铸造或焊接成一个整体。他具有较高的刚度和强度。因立柱的横截面不再是圆截面，所以滑块儿的导向可以采用平面导向结构，导向精度高一般采用45度斜面导向或八个平面导向。这种压机不仅能够提高机架的强度和刚度并且能够减少材料的使用从而减轻重量外形精致。但如今整体框架是液压机在中小型液压机中已得到广泛应用。1.2.4液压机的优缺点液压机与其他锻压设备相比较，有以下优点：(1)结构简单，容易获得最大的压制力。比如，要实现材料锻造，可采用锻锤冲击打击锻件，但这会产生较强的振动和噪音。为了提高打击效率和减轻振动噪音，需要有强大的砧座和基础，从而增加了成本，而且锻锤力不大。此外还可以采用曲柄压力机进行锻造，其靠曲柄连杆机构传递能量，由于受到曲柄连杆机构强度的限制，一般只制造到100MN以下。而液压机利用液体（水或油）的静压力工作，动力设备可以与主机分开，而且砧座大小和地基要求不高。若为了增加设备的公称压力，只需适当加大柱塞的直径或采用多缸联合工作的方式来获得更大的工作压力。目前大型液压机均已造到100MN以上，最大力可达到几万吨。(2)有更大的工作行程。液压机通过液压系统控制，可实现全行程的任意位置施加最大的工作压力。但机械传动的曲柄压力机的滑块行程是不变的，只能在滑块下止点前较小的行程内产生标称压力。而且必须在下止点后才能回程，如果过载将会闷车，导致损坏。液压机则与其相反，所以液压机对要求工作行程较长而且变形均匀的工艺（如拉伸、积压等）十分适应。(3)有更大的工作空间。液压机本体没有庞大的机械传动机构，其液压缸可根据操作的要求来布置，因而可以容易地获得较大的工作空间。(4)工作压力可以调整，可以实现保压，并可防止过载。例如，有三个缸的液压机可以很容易地获得三级不同的工作压力。从而实现多吨位锻造，设备使用范围更加广泛。液压机还可以作长时间的保压，液压系统有调压装置，可以根据要求来调整液体的压力。其他的安全装置，能可靠地防止过载。(5)调速方便。通过调整通入工作缸液体的流量，可以实现各种行程速度。例如，实现空程下降和回程时高速，工作行程时慢速，这种无级调速可以提高工作效率。(6)液压机结构简单，操作方便。液压机的本体结构简单，而且容易制造。特别是中、小型的液压机，由于液压元件的标准化、系列化和通用化程度的提高，使其设计与制造更为简便，成本降低。液压机还易于实现自动控制和遥控。(7)液压机工作平稳。振动和噪声都较小，利于改善工人的劳动强度和工作条件。(8)液压机的动力传动为柔性传动，较机械加工复杂的传动系统简单。除了以上优点，外液压机有以下缺点：(1)液压机采用液压油为工作介质，因而对液压元件的精度要求和密封条件要求较高。另外，不可避免的泄露会带来环境的污染。(2)液压机的工作速度较其他设备低。由于液体流动时会产生较大的阻力损失，当液压机高速运动时，这种损失就更为明显。所以液压机的最高工作速度受到限制。由于液压机具有以上特点，得到了广泛的应用。除了大型的锻件的锻造、拉伸、剪切、挤压等工序外，还应用于塑料压型、层压板、粉末冶金、废金属处理、棉花打包等。1.3三梁四柱液压机1.3.1三梁四柱液压机结构三梁四柱式液压机由本体、泵站和控制系统组成。即机械，电气，液压三部分组成。图1-5为最常见的三梁四柱结构液压机产品。压机本体一般包括主缸、立柱，上下横梁、活动横梁、移动工作台等结构件。液压操控系统用于控制压机动作，一般的工作循环包括停止、充液行程、工作行程及回程。泵站主要为液压机提供动力，液压泵将油从油箱泵至主缸及移动工作平台以实现制品压制。图1-5三梁四柱式液压机产品1.3.2三梁四柱液压机的工作原理以锻造压机为例，三梁四柱上传动式液压机结构简图如图1-6所示。其工作原理是：上横梁2，下横梁8，立柱4，共同组成一个封闭框架，其承受全部载荷。工作缸1和工作柱塞8，组成工作主缸，工作主缸安装在上横梁2上，并连接活动横梁5。回程缸11通过小横梁9安装在上横梁2上，回程缸柱塞10与活动横梁连接。主缸进油时，活动横梁沿立柱向下运动，已实现产品工艺。回程缸进油时，动梁向上运动，与实现活横梁回到初始位置。1—工作缸；2—上横梁；3—工作柱塞；4—立柱；5—活动横梁；6—上砧；7—下砧；8—下横梁；9—小横梁；10—回程缸柱塞；11—回程缸；12—拉杆图1-6三梁四式柱锻造压机结构简图1.3.3三梁四柱液压机的基本参数三梁四柱压机液压机的主要参数有（图1-7）：(1)公称压力：或公称吨位，即液压机的工作能力，如3.15MN液压机，指该液压机的公称压制力为315吨；(2)最大净空高度H：或称开口高度，指活动横梁停在上限位置时，从活动横梁下表面到移动工作台上表面的距离；(3)最大行程h：即活动横梁能移动的最大距离；(4)立柱中心距：L×B：四根立柱组成一个矩形，矩形的宽边为L，窄边为B，它反映力压机平面尺寸上工作空间的大小；(5)回程力：即液压机活动横梁向上运动所需的力，一般包括活动横梁重力，液压阻力，活动横梁与立柱导向产生的摩擦力等；(6)移动工作台尺寸及行程：在锻造过程中往往需要设置移动工作台，工作台宽度一般由立柱中心距的大小决定，长度及工作行程则跟更换模具及工艺操作有关；(7)活动横梁运动速度：一般分为工作速度及回程速度；通过活动横梁行程及速度即可得到锻压速度；锻压机的速度较高，一般可达到50~100mm/s，速度由液压系统泵站决定。图1-7三梁四柱液压机主要结构参数示意图本文设计的液压机参数如表1-2：表1-2液压机主要设计参数序号参数数值单位1公称压力3.15MN2系统压力32MPa3净空距（H）4050mm4最大工作行程（S）2000mm5立柱中心距L*B3500*1800mm6工作台面尺寸l*b6000*2000mm7工作台行程S：2*2000mm1.3.4三梁四柱液压机主要功能三梁四柱液压机运动方式可靠，工作寿命较长，使用插装阀集成系统，减少了管路的长度从而减少了泄露点。采用独立的电气系统，操作人员可以直观的观察液压机的工作状态，维修方便。使用按钮集中控制，可以使液压机有调整、手动、和自动三种操作方式。通过操作面板控制可以实现定程、定压两种成型工艺，而且具有保压延时功能。三梁四柱液压机是液压机中最常见的一款液压机，三梁四柱液压机同时是我国技术条件中最为显著的，功能齐全及性价比最高的一款液压机。他具有很强的通用性广泛适用于薄板的冲压，拉伸，冷热金属加工成型，可塑材料的工艺压弯，挤压，翻边，压痕，粉末制品的压制，零件的装配，压装等工艺。1.3.5三梁四柱液压机的发展趋势三梁四柱液压机今后有如下发展趋势[3]：（1）高精度液压机停位精度，速度控制精度，随着比例伺服技术的发展越来越高，同时在要求精度更高的液压机中，大多采用位移光栅检测加比例次数控制的闭环PLC控制。在这种控制下滑块儿的定位精度可高达0.05㎜，压力控制精度可达0.5%。在等温锻造液压机中求滑块速度极低且稳定性好，滑块儿的速度为0.05~0.30mm/s时,速度稳定性误差应控制在±0.03㎜/s。为了提高活动横梁在偏载时，纠偏调平性能和同步性，多采用位移传感器与比例伺服阀的组合闭环控制，此时偏在滑块儿的水平精度应保持在0.04~0.05mm/m的水平。早在2005年在中国国际机床展览会上日本天田公司展出的ASTRI100型自动折弯机的折弯滑块定位精度为0.001mm后档料前后位置重复定位精度为0.002mm。（2）液压系统的集成化和精密化现如今伴随着我国改革开放的深入发展。液压机的数量需求愈加增高，精度需求愈加精密。液压机的集成化和精密化变得更加迫切。液压系统集成化发展，减少了管路连接的负担，有效合理的管控液压元件，防止泄漏和污染，同时更方便维护和保养，液压机的精密化可以有效的提高我国生产液压机的质量，提高我国在国际市场中的优势[4]。（3）高效率和高生产率伴随着我国现如今飞速发展的汽车行业，汽车的零件需求愈加的增大从而导致液压机的效率不足和产能不高等缺点暴露在企业面前，快速，高效液压机在批量生产中可成倍的提高液压机的生产效率和产能，一般普通液压机的工作循环只有100~200mm/s，而在国外，一些高速小型液压机每分钟形成次数可达数百次以上，这样的话生产效率是之前的几倍。（4）环境保护和人身安全保护在现如今的液压系统中，液压油泄漏会对环境造成的污染是我们无法想象的，在早年改革开放中我国为了大力发展经济。从而忽略了对环境的保护。在一些生产线上，垃圾产生的挤压及切割噪声对环境的影响巨大，因此可以考虑把挤压以及切割过程放入封闭箱型装置中从而达到隔绝噪声的效果。在人生安全保护方面现在除了有防止滑块自行下滑的安全锁等装置以外，还用采取多种预防措施，以及制定相应的操作守则，对工人积极培训，从而达到安全保护的目的。（5）机电一体化科技发展越来越迅速，各种电脑控制代替了人工控制，液压机的机电一体化可以通过先进的科学技术来提高整个液压系统。（6）智能化与自动化液压机的控制系统大多采用工业控制机作为上位机，PLC对各部分设备进行直接控制与操作的双机系统。这种控制体系中实现了分散管理，分散控制，集中监控。现如今的自动化液压技术中多轴控制以成为主要研究方向。在液压折弯机中很多设备采用了多轴控制，现在最多可实现十轴控制。（7）柔性化现如今的工业生产要求的品种越来越多，批量生产越来越大。液压机的柔性化要求越来越高，液压机的柔性化主要体现在快速换模快速拆卸模具库的建立与管理。随着科学技术的进步与发展,液压技术已经成为一门影响现代机械装备技术的重要技术,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。由于液压机在工作中的广泛适应性,使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。随着技术发展,液压机也逐步向以下几个方面发展。1.4课题意义及主要研究内容1.4.1课题的研究意义在本体设计的初期，对整个主体进行强度分析，刚度分析，韧性分析，从而确保设计的合理性，从而达到提高自己的设计理念，保证生产效率，降低成本的目的。随着我国现代化工业的发展，同时在汲取了欧美等发达国家先进的科学技术和充分的学术研究后，我国的液压机制造技术和使用液压机锻造的工件的生产得到了飞速的发展，现以达到了世界领先水平。三梁四柱液压机是液压机械制造业的主要生产机械，广泛应用于各种生产领域，同时也是塑性加工领域十分重要的生产机械。3.15MN三梁四柱上拉式液压机属于小型锻造液压机，广泛应用于日常的生产生活中。我们要保证设计的结构合理，生产精度高，外观较为美观，强度高，操作宜人化，运行可靠。1.4.2主要研究内容本课题研究的主要内容是3.15MN三梁四柱上拉式液压机结构方案设计和整体合理性计算。（1）提出3.15MN三梁四柱上拉式液压机的本体结构设计方案。（2）用solidworks对液压机的上，下横梁，液压缸进行建模，同时进行强度，疲劳寿命进行计算。（3）根据综合分析结果，确定设计方案。下文第二章介绍阐述液压机主缸的设计思路和设计方法，根据已有参数设计满足使用参数的主缸零部件，并建立三维模型。第三章说明液压机括立柱，横梁的设计方法，根据已知参数设计，建立三维模型，并验证设计的合理性。

23.15MN液压机的主缸设计主油缸是液压机本体的核心部件，是产生公称压制力的执行机构，用于把液体压力能转换为机械能。高压油进入缸体后作用于柱塞（或活塞），经过活动横梁将力传至工件上，使工件成型。本章主要根据已有设计参数设计三梁四柱式液压机的主工作缸。主要包括主油缸缸径、壁厚，活塞（杆）、缸底、密封的设计计算。此外确定了主油缸和上横梁，活动横梁的连接方式。2.1主缸结构选用液压机主缸通常可分为柱塞式、活塞式液压缸。图2-1为柱塞式液压缸示意图，可用于液压机的主工作缸，回程缸工作平台的移动缸等，其结构简单，容易加工制造，由于只有一个油口，只能单向运动，反向运动时需要通过回程缸实现。图2-1柱塞式液压缸图2-2为活塞式液压缸示意图，有两个油口，可通过液压换向阀实现往复运动，由于结构较复杂，加工精度及粗糙度要求高，一般不用于大型液压机，但在中小型液压机上应用广泛。由于本设计公称压力3.15MN(315吨)属于中小型液压机，故选用活塞式液压缸作为压机的工作主缸。图2-2活塞式液压缸2.2主缸缸筒设计2.2.1缸筒内径液压缸采用缸筒固定的活塞缸，活塞受力如图2-3[8,9]。图2-3活塞式液压缸受力示意图活塞杆伸出时的理论推力为：(2-1)活塞杆缩回时的理论推力为：(2-2)当液压缸的理论作用力为F时，供油压力为p时，则无活塞杆腔的缸筒内径为：（2-3）式中：—液压缸推力，N；—液压缸回程力，N；—系统工作压力，MPa；—缸筒内径，mm；—活塞杆直径，mm；—公称压力，N。取3150000N，取32MPa，计算可得=354mm，=250mm，圆整后取=360mm，理论推力3260KN，回程力为527KN。2.2.2缸筒壁厚缸筒壁厚计算公式：（2-4）式中：—缸筒材料强度要求的最小值，mm；—为缸筒外径公差余量，mm；—腐蚀余量，mm；的值，按下列情况分别进行计算：当/D0.08时，用薄壁缸筒的实用计算式：（2-5）当/D=0.080.3时，采用实用公式：（2-6）当/D0.3时：（2-7）（2-8）初步拟定=100。计算/D=0.28，采用公式为：（2-9）式中：—为缸筒内最高工作压力，MPa；——缸筒材料许用应力，MPa；一般取系统压力的1.5倍，系统压力32MPa，即取48MPa；缸筒应避免焊接，采用锻造成型，可选用合金钢30CrMo，屈服强度785MPa，许用强度取157MPa，安全系数为5。计算可得，79.6，满足强度要求。也可由下式计算缸筒壁厚[10]：(2-10)式中：—缸筒满足使用的最小壁厚，mm；—缸筒内径，mm；—缸筒材料的许用应力，MPa；—系统工作压力，MPa；=360mm，缸筒避免焊接，采用锻造成型，可选用合金钢30CrMo，屈服强度785MPa，许用强度取157MPa，安全系数为5。计算可得壁厚=98mm，圆整取100mm，则缸筒外径为560mm。2.2.3缸筒底部厚度计算由缸底厚度计算公式：（2-11）计算可得缸底厚度为67mm。考虑缸底接进油法兰，应适当增加，取75mm。主缸缸筒模型图如图2-4，详细尺寸见工程图。图2-4主缸缸筒模型2.3主缸活塞设计2.3.1活塞及活塞杆直径液压机主油缸缸的活塞在液体压力作用下，沿缸筒往复运运动，活塞直径与缸筒内径一致，活塞与缸筒的配合公差应合理，间隙较大时容易泄露，间隙较小时，安装困难且可能因为加工误差发生磨损。上文计算得出，缸筒内径为360mm，则活塞的直径筒为360mm。活塞杆直径和缸筒直径的关系为[11]：（2-12）则活塞杆直径为250mm，总长根据主缸行程确定，最终确定活塞（活塞杆）总长2550mm，活塞长度300mm，其模型及尺寸如2-5所示，具体尺寸参数见工程图。图2-5活塞（活塞杆）模型2.3.2活塞杆的强度验证活塞杆在稳定工况下，如果只受到轴向推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式进行计算[4]：（2-13）式中，—活塞杆的作用力，N；—活塞杆直径，；计算可得=64MPa，强度符合设计要求。2.3.3活塞杆的稳定性验证对于活塞杆的稳定性验算，通常在情况下按相关公式进行，活塞杆长2620mm，活塞杆直径为d=250mm，可得，需要进行失稳校核，校核公式：（2-14）（2-15）（2-16）式中：—活塞杆所受作用力，N；—活塞杆弯曲失稳的临界压缩力，N；—安全系数，一般取4；取MPa；—活塞杆截面惯性矩，；—液压缸安装导向系数，查表取0.5；—支承长度，m取2.62m。计算可得截面惯性系数大小为，临界力为N，实际主缸活塞杆最大载荷为3.15MN，小于临界力，安全系数为25，活塞杆满足弯曲稳定性要求。2.4主缸缸盖设计缸盖的模型如图2-6所示，轴伸部分与缸筒配合，通过带挡圈的O型密封圈进行断面密封，外圈圆周与缸筒端面通过螺纹连接，螺纹应能承受主缸工作产生的液压力，具体尺寸参数见工程图。图2-6主缸缸盖模型2.5主缸密封设计2.5.1缸盖的端面密封缸盖外圈圆周与缸筒端面通过螺纹连接，轴伸插入缸筒，轴伸外圈通过带挡圈的O型密封圈与主缸缸筒端面静密封，内圈加工安装沟槽，安装D型防尘圈，支撑环，方形同轴密封件与活塞杆轴向动密封（图2-7）。具体尺寸及密封型号见工程图。2.5.2活塞轴向动密封活塞部分与缸筒内径配合，活塞杆外圆加工沟槽（图2-8），安装支撑环，方形同轴密封件与缸筒轴向动密封。具体的活塞尺寸及密封型号见工程图。图2-7缸盖的密封和支撑环沟槽图2-8活塞的密封和支撑环沟槽2.6主缸与上横梁活动横梁的连接设计主缸与上横梁通过主缸法兰面的螺钉固定，主缸与活动横梁有两种连接方式一般由两种[1]：一种是刚性连接，另一种是球铰连接，其结构形式如图2-9所示。图2-9主缸与上横梁、活动横梁的连接方式本设计采用主缸与上横梁法兰连接，为防止主缸工作时，导向或压制时产生侧向力，采用活塞杆端安装球铰，球铰与活塞杆横梁通过螺栓连接，活动横梁上表面焊接螺孔垫板，球铰与螺孔垫板连接。球铰可使得活塞杆有微小的角度摆动，防止划伤主缸缸筒。模型如图2-10。图2-10主缸与上横梁、活动横梁的连接模型2.7主缸的三维装配模型按照上文计算公式，设计的主缸的三维模型及各部分说明如图2-11所示。图2-11主缸的三维模型及说明主要部件设计尺寸如表2-1所示。表2-1主缸的主要零部件尺寸参数零（部）件名称参数数值缸筒内径360mm壁厚100mm缸底厚底75mm活塞（杆）活塞直径360mm活塞杆直径250mm活塞长度300mm活塞杆长2320活塞密封型号方型密封TF-3600活塞支撑环型号支撑环SD-3600缸盖密封型号O型圈360x5.3支撑环型号支撑环GD-2500防尘圈D型防尘圈2.8本章小结本章拟定主缸类型为活塞缸，根据液压机公称载荷和系统压力首先确定缸筒的内径壁厚，进而确定活塞杆、缸盖结构和尺寸参数，查阅手册，确定了活塞和缸筒配合公差，以及选定了支撑环和O型密封圈的具体型号（详见主缸装配工程图），并根据经典力学公式对缸筒及活塞杆进行了强度校核，校核结果满足强度要求。此外确定了主缸和上横梁。下横梁的连接方式，主缸通过法兰安装在上横梁之上，与活动横梁采用球铰的方式，避免刚性连接。最终建立主缸的三维模型。

3液压机主机设计3.1液压机立柱设计由于四柱式组合机架是一个高次超静定空间框架，在进行受力分析时，需采取一些简化假设：由于一般液压机的机架结构对称于中间平面，载荷也对称于中间平面，可将空间框架简化为平面框架；立柱与上、下横梁为刚性连接；不考虑安装应力及温度应力[9]。3.1.1立柱的受力分析(1)中心载荷。三梁四柱式机架属于多次超静定空间框架，受力复杂，在计算立柱受力时，一般采取简化假设，建立简单易求解的力学模型。假设上、下横梁刚度很大，可忽略上、下横梁变形而施加与立柱的附加弯曲应力，可认为立柱只受轴向拉力，拉应力为：(3-1)其中（3-2）式中：—液压及公称压力，N；—立柱截面积，mm2；—立柱直径，mm；—立柱根数；初步估算立柱直径时，考虑液压机仅受中心载荷，拉应力取（40~50）MPa[9]，取3150KN，取4，计算可得立柱的最小处直径=(140~160)mm。考虑立柱为细长杆，有些部位加工螺纹，以及易失稳，最终取直径200mm，材料选用40Cr，锻制，调质处理。(2)偏心载荷[11]。液压机工作时，由于模具不对称、工作变形阻力不对称（加工零件形状不对称或加热不均匀）、工件放置位置不正等多种因素都可能造成偏载受力状态。将空间机架简化为平面框架，如图3-1所示。在受偏心载荷时，活动横梁发生倾斜，活塞随之倾斜压到液压缸导向套或内壁上，此时活动横梁也与立柱相接触。活动横梁倾斜导致两边立柱均匀受力；可认为各处的作用力及支反力均为集中力。考虑到由于用一个两柱的平面框架来代替原来对称的四柱空间框架，因此载荷取为F/2。载荷的偏心距为e，活动横梁受到的偏心力矩Fe/2作用，给液压缸内壁以侧向力为：图3-1液压机机架受力图（3-3）式中，—液压缸的缸筒受力点或活塞中点至上横梁下表面的距离，mm；—活动横梁导向套支撑反力作用点到上横梁下表面的距离，mm。框架的宽度为立柱中心线间的距离。框架高度与立柱和横梁的刚度比有关。、分别为立柱与上、下横梁的刚度系数；(3-4)(3-5)式中，、、—分别为立柱、上横梁和下横梁的弹性模量；、、——分别为立柱、上横梁和下横梁的截面惯性矩。如果、值较大，则必须考虑到刚度比的影响，框架高度应取为上横梁中性层到下横梁中性层间的距离。在计算中假设、为零，即假设上、下横梁刚度为无穷大，因此框架高度取为上横梁下表面到下衡量上表面之间的距离。由于假设上横梁的刚度为无穷大，因此作用于缸壁处的推力可平移至上横梁下表面，而在上衡量上附加一力矩=，如图所示，该力矩只在左右立柱内引起轴向应：(3-6)由于轴向力在立柱内不引起弯矩，因而在求解立柱弯矩时不予考虑。根据材料力学可知，这是个三次静布定框架问题，可用变形法或力法求解。可得出左上角A点弯矩：(3-7)右上角B点弯矩与A点弯矩相同，而A,B两点的弯矩就是最大弯矩。最终得到公式，最大轴向拉力:(3-8)弯曲力矩：(3-9)式中：(3-10)F为3150KN，h取5245mm，Zh取300mm，Yh为700mm，b为3800mm，h取6000mm，立柱直径d为200mm，计算可得：最大轴向拉力为787.5KN，m为0.25，最大力矩为787.5KNm。3.1.2立柱尺寸的确定上文计算得出立柱的直径为200mm，立柱的长度大体上比净空高度、上横梁高度、活动横梁高度、下横梁高度的四者高度之和略长，净空高度4050mm，上横梁高度700mm，活动横梁680mm，下横梁高度1180mm，三者之和为6610mm。实际根据三维建模布置，立柱的长度为7380mm。立柱的三维模型如3-2所示，具体尺寸见工程图。图3-2立柱三维模型3.1.3立柱的强度校核(1）静载合成应力[12]。液压机在偏心载荷作用下，立柱承受单纯拉应力和弯曲应力联合作用，其合成应力为：(3-11)式中，—立柱所受最大轴向拉力，N；—立柱所受最大弯矩，Nm；—立柱的截面面积，；—立柱抗弯截面系数，，—许用应力，MPa。带入数值计算得立柱强度符合静载合成应力要求。(2）疲劳强度校核[4]。对于中、小型液压机，尤其是锻造液压机在工作过程中，立柱长期承受不规则的脉动载荷的作用，在每次加载时，立柱都出现较大的应力幅值，而在卸载后，由于立柱摇摆也还有若干个较小的应力幅值。由于立柱的疲劳断裂大部分发生在立柱根部截面变化的进度区，为此在进行强度计算时，需考虑过渡区的应力集中，即：(3-12)式中为有效力集中系数：(3-13)(3-14)式中，—应力集中敏感系数，对于45钢值取值范围在0.70~0.95；—弹性状态下理论应力集中系数，取值范围1.35~2.465；为许用脉动循环的疲劳极限，MPa；—尺寸系数；—表面质量系数；—安全系数。对于45钢，取0.8，取2，取270MPa，查表取，精车表面取值0.9；安全系数取，代入数据计算可得：，可知立柱强度符合疲劳强度设计要求。3.2导向套的设计活动横梁与立柱的配合处应安装导向套，一般导向应满足三个基本要求：导向精度高，抗偏载能力强，便于调节和维修。合理的选用导向套的结构和间隙，直接影响立柱和整个机架的受力。导向套一般有圆柱面导向，球面导向和间隙可调的导向套。一般圆柱面导向套，应用在中小型液压机上，本设计应选用圆柱面导向，其结构简单，为方便磨损后的及时简便的更换，可将导向套设计成两半，端面处装防尘毛毡，避免杂物进入。为防止活动横梁运动时导向套划伤立柱，导向套应避免使用铸铁等坚硬的材料，应优先选优材质较软的青铜，拟定材料为青铜ZQSn6-6-3。导向套的高度，一般取立柱直径的2.5~3.5倍，单个导向套的高度一般为立柱直径的75%，厚度20~30mm[文献]由于液压机工作时一般处在高温环境，为防止活动横梁热膨胀后在导向处卡死，应预留配合导向套径向间隙。对于中小型液压机间隙值一般取1.5~3mm。为防止有异物进入导向套，在导向套端面安装防尘圈。导向套的三维装配模型及尺寸参数如图3-3所示。主要尺寸参数见表3-1。图3-3导向套的装配模型（剖分式）表3-1导向套的主要尺寸参数参数尺寸（mm）内径200H8外径240h7导向长度150法兰外径3003.3横梁的设计横梁包括上横梁、下横梁（底座）和活动横梁（滑块），其外形轮廓尺寸很大，为了节约材料，减轻重量，横梁一般均制造成箱体，在需要安装液压缸的地方做成圆筒形，中间加设筋板，筋板一般按照方格形或辐射性布置。横梁由铸造或焊接制成，对于大型液压机一般采用铸造成型，材料选用ZG35B，随着轧制板材和焊接技术的快速发展，小型液压机的横梁也可采用Q345B焊接，加工周期短，结构重量轻，轻度高，外形美观。但焊接应力及变形较难控制，容易产生裂纹。在设计上、下横梁时，根据“等强度梁”的概念，一般设计成等高梁，立柱导向套处的高度小于中间截面的高度。即两边低，中间高。但横梁中间截面高度H和两边高度h的比值不应过大，大于大型液压机H/h的取1.2，小型液压机尽可能采用等高梁（H/h=1）。本文液压机设计公称载荷3.15MN，属于中小型液压机，活动横梁和下横梁采用等高梁，上横梁选用中间截面高两边低的结构，三个横梁均采用焊接成型。3.3.1上横梁设计由于上横梁安装主缸，上横梁内部中心安装液压缸的地方做成圆筒形，筋板辐射布置，采用Q345B板材焊接，上横梁结构采用如图3-3，3-4所示。图3-3上横梁外形结构图3-4上横梁内部圆筒及筋板结构上横梁四角为立柱导向孔，根据设计参数：立柱中心距L*B：3500mm*1800mm，上横四角采用外径Φ400的圆筒，最终确定上横梁截面外形尺寸为3900mm*2200mm。中心圆筒用于承载主缸的反作用力，其尺寸大小由主缸缸筒外径确定，由上文可知，主缸缸筒外径560mm，中心圆筒尺寸取外径Φ800mm，壁厚120mm，筋板厚度初定80mm。上横梁四角处的立柱孔高度一般取立主直径的2.5~3.5倍，梁中间高度一般由强度决定。上文确定的立柱直径为200mm，则上横梁两侧高度取700mm，中间高度初步拟定1160mm。上横梁的截图尺寸见工程图。3.3.2活动横梁设计活动横梁的外形尺寸与上横梁一致，但活动横梁选用等高梁，内部没有圆筒，而是由方格型网状筋板焊接而成。图3-5活动横梁装配图。上表面有用于连接主缸球铰的焊接螺孔垫板，四角上下表面共有8个导向套，下表面加工安装砧板的T型槽，图3-6为活动横梁内部结构图。图3-5活动横梁装配件结构图3-6活动横梁内部网格结构活动横梁采用80mm厚的Q345B板焊接成型，外形尺寸（长*宽*高）为3900mm*2200mm*680mm。3.3.3下横梁设计下横梁也称底座，通过支座支撑在基础上。下横梁上一般安装移动工作平台，有的液压机下横梁装有顶出缸，下横梁两侧一般还有侧梁，以便安装移动平台的液压缸和导向块等。由于本文无顶出缸，下横梁结构与动梁结构类似。图3-7为下横梁模型图，图3-8为其内部结构。图3-7下横梁结构图3-8下横梁内部网状结构下横梁采用80mm厚的Q345B板焊接成型，外形尺寸（长*宽*高）为3900mm*2200mm*1180mm。3.4横梁强度及刚度计算横梁为箱形构件，外形高，跨度大。设计时，单缸液压机上横梁刚度远大于立柱的刚度，可将横梁简化为简支梁进行近似计算[5]。3.4.1上横梁强度计算上横梁可简化为图3-9的简支梁受力图。图3-9上横梁受力示意图支点间距为宽边的立柱间距，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。最大弯矩在梁的中心，计算公式为：(3-15)式中，—液压机公称压力，N；：主缸环形法兰接触平均直径，mm；—立柱宽边中心距，mm；公称压力为3.15MN，主缸环形法兰平均接触平均直径取730mm，立柱宽边中心距取3800mm，计算可得最大弯矩为。根据强度条件计算时，对截面变化不大的箱形结构梁，主要计算最大弯矩处，即中心截面处强度：(3-16)(3-17)式中，—最大弯矩；Nm；—截面惯性矩，；—截面高度，m；b—截面宽度，m；—许用应力，许用应力取60~70MPa。最大弯矩为，截面高度1160mm，宽度1800mm；计算可得惯性矩为0.2，为18.2MPa，满足要求。上横梁的剪切应力在形心轴处最大计算公式为：(3-18)式中，—计算截面所受的剪力；N；—剪切许用应力，取50MPa。取3.15MN，截面高度1160mm，宽度1800mm；计算可得剪切应力为22.6MPa，小于许用应力，满足强度要求。3.4.2活动横梁强度计算活动横梁的力学简化模型与上横梁相同，可使用公式3-12,3-13,3-14。截面高度680mm，宽度3800mm；弯矩为，惯性矩为为0.2，为18.2MPa，满足要求。计算可得剪切应力为22.6MPa，小于许用应力，满足强度要求。3.4.3下横梁强度计算下横梁受力简化模型，如图为图3-10。与上横梁和活动横梁不同