液壓機(jī)橫梁的強(qiáng)度與剛度的計(jì)算.doc

橫梁的強(qiáng)度與剛度的計(jì)算由于橫梁是三個(gè)方向上尺寸相差不太多的箱體零件，用材料力學(xué)的強(qiáng)度分析方法不能全面地反應(yīng)它的應(yīng)力狀況。目前，在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，還只能將橫梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行粗略核算，而將許用應(yīng)力取得很低。按簡(jiǎn)支梁計(jì)算出的橫梁中間截面的應(yīng)力值和該處實(shí)測(cè)應(yīng)力值還比較接近，因此作為粗略核算，這種方法還是可行的。但無法精確計(jì)算應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力，那里的最大應(yīng)力要大很多。有限單元法的以展提供了比較精確地計(jì)算橫梁各部分應(yīng)力的可能性，因此，目前在設(shè)計(jì)橫梁時(shí)，普遍使用有限單元法計(jì)算。但作為分析強(qiáng)度的基礎(chǔ)，下面將介紹支梁算法。當(dāng)上下橫梁剛度不夠時(shí)，會(huì)給立柱帶來附加彎矩。上橫梁剛度如太小，或兩個(gè)方向上剛度不一樣，在液壓缸加載時(shí)，上橫梁和工作缸法蘭的接觸面會(huì)形成局部接觸，使工作缸過早損壞。一般對(duì)橫梁的剛度要求為立柱間每米跨度上撓度不超過0.15mm。由于橫梁均屬于跨度比較小而高度相對(duì)比較大的梁，因此在計(jì)算撓度時(shí)，除了考慮彎矩引起的撓度外，還必須計(jì)算由于剪力引起的撓度。一、 上橫梁的強(qiáng)度與剛度的計(jì)算：由于上橫梁的剛度遠(yuǎn)大于立太平的剛度，因此可以將上橫梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，支點(diǎn)間距離為寬邊立柱中心距。（1）單缸液壓機(jī)工作的公稱力簡(jiǎn)化為作用于法蘭半圓環(huán)重心上的兩個(gè)集中力，如下圖：最大彎矩在梁的中點(diǎn)：Mmax =P/2（1/2 D/）式中： P 液壓機(jī)公稱壓力（N）； D 缸法蘭的環(huán)形接觸面平均直徑（cm）； L 立柱寬邊中心距（cm）。 最大剪力為：Q =P/2最大撓度在梁的中點(diǎn)：0 =P/48EJ(L/2D/)3L4（L/2D/）KPL/4GA12（D/L）PL/48EJ16（D/L）4（D/L）KPL/4GA12（D/L）式中： E 梁的彈性模量（N/）； J 梁的截面慣性矩（cm）； G 梁的剪切彈性模量（N/）； A 梁的截面積（cm）； K 截面形狀系數(shù)，見式（280）。（2）三缸液壓機(jī)受力簡(jiǎn)圖如下：最大彎矩在梁的中段：Mmax =P/2（L/2 D/）Q 各段剪力為：3段Q1 =P/2+Q23段Q2 =1/2(P+Q)12段Q3 =P/2式中： Q 側(cè)缸公稱力； P 中間缸公稱力； 側(cè)工作缸中心線到支點(diǎn)的距離。最大撓度在中點(diǎn)為：0 = PL/48EJ16（D/L）4（D/L）QL/8EJ14/3（/L）4(d/L）K/GAQPL/412（D/L）式中： d 側(cè)工作缸的法蘭環(huán)形接觸面平均直徑。二、活動(dòng)橫梁的強(qiáng)度及剛度計(jì)算：對(duì)單缸液壓機(jī)，一般只校核活動(dòng)橫梁承壓面上的擠壓應(yīng)力，對(duì)鑄鐵許用擠壓應(yīng)力80MPa，對(duì)鑄鋼件（ZG35）許用擠壓應(yīng)力120MPa.對(duì)于三缸液壓機(jī)，在兩側(cè)缸加壓時(shí)，活動(dòng)橫梁承受彎矩，對(duì)于大型液壓機(jī)，尚需考慮活動(dòng)橫梁的自重G，其受力簡(jiǎn)圖如下：P為側(cè)缸公稱力，簡(jiǎn)化為一個(gè)集中力，重力G/2的作用點(diǎn)近似地取為半邊活動(dòng)橫梁的重心處，許用應(yīng)力可取60-75MPa。 一般而言，活動(dòng)橫梁很少因?yàn)閺?qiáng)度不夠而損壞，但生產(chǎn)中曾出現(xiàn)過由于違章操作，而在下砧已撤出的情況下，將活動(dòng)橫梁停在限程套上而加壓并引起破壞的事故。此外，在出砂孔及與柱塞聯(lián)接的螺孔處，有出現(xiàn)裂紋的情況，這往往是由于聯(lián)接螺釘松動(dòng)而造成的。三、下橫梁的強(qiáng)度及剛度計(jì)算：下橫梁的受力情況經(jīng)常隨不同的工藝而變化，一般分以下4種情況來核算。（1）集中載荷 如對(duì)鍛造液壓機(jī)砧座的窄邊，可看作集中載荷，受力簡(jiǎn)圖如下：圖中簡(jiǎn)支梁的跨度為立柱窄邊或?qū)掃呏行木嘤烧枳姆胖梦恢枚?。最大彎矩：Mmax = PL /4最大撓度：max = PL/48EJKPL/4GF各符號(hào)代表意義同前。 （2）均布載荷 一般是對(duì)砧座寬邊或模鍛，鐓粗等情況，受力簡(jiǎn)圖如下：最大彎矩為：Mmax =PL/4qL1/8式中： q 均布力，q =P/L1（N/cm）； L1 均布力分布寬度（cm）。若設(shè)L1 =2/3L，則最大撓度為：max =11/648PL/EJ +KPL/6GF（3）用馬架鍛造 鍛造液壓機(jī)中鍛環(huán)形件時(shí)要用馬架，如下圖所示，是下橫梁受力比較危險(xiǎn)的情況。最大彎矩為：Mmax =P/2最大剪力為： Qmax =P/2（4）偏心載荷 受力情況如下圖：最大彎矩為：Mmax =P/L(L/2)-e式中： e 偏心距。四、強(qiáng)度校核中的其它問題：（1）主應(yīng)力校核 除了校核橫梁危險(xiǎn)截面上距中性軸最遠(yuǎn)的上（或下）邊緣處的最大應(yīng)力外，在某些情況下，還應(yīng)該校核一些部位的主應(yīng)力，為此，在分別按梁的彎曲應(yīng)力公式和切應(yīng)力公式求出正應(yīng)力和切應(yīng)力后，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，其強(qiáng)度條件為：對(duì)于鑄鋼=45-60MPa(2)斜截面應(yīng)力校核 有些液壓機(jī)的橫梁，特別是下橫梁，高度變化較大，如下圖：校核斜截面上的應(yīng)力：=Px/2W- + Pcos/2A-式中： W- - -截面系數(shù)； A- - -截面系數(shù)。（3）組合梁聯(lián)接螺栓的計(jì)算 組合梁由拉緊螺栓來聯(lián)接，并用鍵承受剪力以防止錯(cuò)移。螺栓的排數(shù)及個(gè)數(shù)由結(jié)構(gòu)確定。 一般上排螺栓受力較大，因此總的截面也比較大，如各排螺栓中心線到底邊的距離分別為a1、a2、a3、.an，則各排螺栓的總截面積應(yīng)按ai/a1的比例而減小，第2排為：A2=A1a2/a1第n排為：An=A1an/a1式中： A1、A2、A3、An 第1、2、n 排螺栓的總截面積（cm）。這樣各排螺栓的應(yīng)力大致相等，其值為：式中： M 組合梁接合面最大彎矩M =PL/2- 螺栓許用應(yīng)力，=70-80MPa。液壓機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析計(jì)算1.液壓缸在液壓機(jī)中液壓缸的部件通?？煞譃橹?、活塞式、差動(dòng)柱塞式三種。（1）柱塞式液壓缸 此結(jié)構(gòu)在水壓機(jī)中應(yīng)用最多，廣泛用于工作缸、回程缸、工作臺(tái)移動(dòng)缸及平衡缸等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，柱塞在導(dǎo)向套中運(yùn)動(dòng)，與缸體內(nèi)壁不接觸，有一定的間隙，因此除安裝導(dǎo)向套和密封的部分外，液壓缸壁可以粗加工或不加工。加工制造相對(duì)容易，但只能單作用，反向運(yùn)動(dòng)則需依靠回程缸來實(shí)現(xiàn)。（2）活塞式液壓缸 多用于中小型油壓機(jī)中，由活塞及活塞桿組成運(yùn)動(dòng)件，在缸體中作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并把缸體分為活塞腔與活塞桿腔兩個(gè)腔，在活塞外部有動(dòng)密封圈，內(nèi)有靜密封圈，以隔開兩個(gè)不同油壓的活塞腔與活塞桿腔。缸體的內(nèi)表面全長(zhǎng)上均需精加工，活塞與缸體內(nèi)孔之間的配合精度要求較高，尤其對(duì)缸體內(nèi)孔的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度均有較高要求。因此直徑大、行程長(zhǎng)的液壓機(jī)，為避免缸體的加工困難，多采用柱塞式液壓缸。（3）差動(dòng)柱塞式液壓缸 差動(dòng)柱塞在導(dǎo)向套及下導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)多了一處密封及導(dǎo)向，但當(dāng)用作回程缸安裝于上橫梁時(shí)，連接比較簡(jiǎn)單。由于柱塞有上下兩處導(dǎo)向，可以承受較大的偏心力矩。（4）液壓缸的材料及工作液體壓力選擇 為了使液壓機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)使液壓缸外徑盡可能小。一般來說，當(dāng)工作缸的總作用力不變時(shí)，提高工作液體的壓力，液壓缸的外徑將減小，介是如果缸的材料不變，則當(dāng)液體壓力增加到某一數(shù)值后，缸的外徑反而會(huì)隨液體工作壓力的增加而增大，液壓缸柱塞直徑D與該缸總作用力FH之關(guān)系為：式中： D-工作柱塞直徑（cm）； r-工作柱塞半徑（cm）； P-液體工作壓力（Pa）； FH-缸的總作用力（N）。缸的內(nèi)直徑D1為：D1 = D + = 2r1式中： D1-缸的內(nèi)直徑（cm）； -缸與柱塞在直徑上的間隙（cm）； r1-缸的內(nèi)半徑（cm）。對(duì)于法蘭支承的缸，缸外直徑D2為：式中： 材料許用應(yīng)力與P的關(guān)系如下：PZ=0.287PZ 為最佳液體工作壓力。對(duì)應(yīng)于某一確定的缸的材料。液體的工作壓力不宜超過最佳壓力，一般以采用（0.7-0.8）PZ為宜。常用的液體工作壓力為20MPa，25MPa，31.5MPa，常用的材料為35鋼、40鋼、20MnMo等，對(duì)于這些材料，可取為110-150MPa；適用于31.5MPa的液體工作壓力。在設(shè)計(jì)大噸位小臺(tái)面液壓機(jī)時(shí)，如一些專用黑色金屬模鍛液壓機(jī)，液體工作壓力更高，與PZ的關(guān)系選擇相適應(yīng)的壓力材料，如18MnMoNb鍛鋼。截面尺寸在300-500mm范圍，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可用到180MPa，相應(yīng)的液體工作壓力可取為50MPa。當(dāng)液體工作壓力高到100MPa及以上時(shí)，應(yīng)考慮用多層組合缸或鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞的組合式缸。2.柱塞與活塞（1）柱塞 柱塞一般選用45或50碳鋼制成，采用鍛造或鑄造方法，對(duì)于大尺寸柱塞，也有分段鍛造或鑄造后再用電渣焊焊接而成。小的柱塞也有采用冷硬鑄鐵的。柱塞有實(shí)心的也有空心的，但空心柱塞不宜做成開口向上（向缸底），那樣會(huì)形成過大的有害容積，在加壓結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)液體所積儲(chǔ)的彈性能過大，卸壓時(shí)會(huì)引起壓機(jī)及管道劇烈振動(dòng)。柱塞表面必順具有足夠的硬度（不能低于45HRC）及低的表面粗糙度（不能大于Ra0.8），以免過早磨損或表面被拉出溝及拉毛后損壞密封元件。表面采用鍍鉻拋光處理，0.1mm深左右硬度可達(dá)50-55HRC。（2）活塞 活塞有整體式和組合式兩種結(jié)構(gòu)。整體式常用于直徑較大的活塞，在活塞端部用活塞環(huán)密封，對(duì)于尺寸大的活塞，為了減輕重量，常采用空心結(jié)構(gòu)。組合式活塞是將活塞頭和活塞桿分成兩件制造，這樣便于制造和安裝及修理，結(jié)構(gòu)比較合理。材料有用35鋼或45鋼，也有用耐磨鑄鐵，灰口鑄鐵，球墨鑄鐵以及鋁合金等。 加工時(shí)，活塞的外徑基本偏差一般采用f級(jí)或g級(jí)，如用無密封件的間隙密封時(shí)，活塞常取f6，用活塞密封環(huán)時(shí)，常取f6或f7；采用橡膠塑料密封件則取f7，f8及f9。與活塞桿配合的內(nèi)孔公差等級(jí)一般取H7?；钊鈭A表面Ra0.32，內(nèi)孔表面Ra0.8。（3）活塞桿 活塞桿可做成實(shí)心與空心的，實(shí)心活塞桿強(qiáng)度較好，制造簡(jiǎn)單；空心的有時(shí)采用無縫鋼管，重量輕，節(jié)料?；钊麠U一般用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，在腐蝕條件下工作，多采用不銹鋼。淬火后硬度要求為50-60HRC表面鍍鉻。材料有35、45、55、35CrMo、Cr8Ni9、2A50、2A40等，加工時(shí)活塞桿外徑尺寸公差取f8，表面粗糙度為Ra0.16-0.63。3.缸口導(dǎo)向套液壓缸導(dǎo)向套在柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)起導(dǎo)向作用，一般用抗壓耐磨的ZCuSn6Pb3Zn6錫青銅鑄造后加工而成，長(zhǎng)度一般取（0.4-0.8）D，D為柱塞直徑，臥式的柱塞缸，長(zhǎng)度應(yīng)增加（0.8-1.5）D?；钊降母组L(zhǎng)度可取得短一些。導(dǎo)向套與液壓缸內(nèi)壁的配合，對(duì)于柱塞直徑小于500mm時(shí)，取為H7/k6，大于500mm時(shí)取H7/g6，與柱塞的配合則為H9/f9，內(nèi)壁Ra小于1.6。4.立柱與立柱導(dǎo)套（1）立柱式機(jī)架是常見的機(jī)架形式，一般由4根立柱通過螺母將上下橫梁緊固地連接在一起，組成了一個(gè)剛性的空間框架。整個(gè)機(jī)架的剛度與精度，在很大程度上取決于立柱與上下橫梁的連接形式與連接的緊固程度。常見的有以下四種連接形式：第一種是立柱用臺(tái)肩分別支承上下橫梁，然后用外鎖緊螺母上下鎖緊。這種結(jié)構(gòu)，上橫梁下表面與下橫梁上表面間的距離與平行度，全靠4根立柱臺(tái)肩間尺寸的一致性來保證，因此裝配簡(jiǎn)單，裝配后機(jī)架精度無法調(diào)整，僅在無精度要求的小型簡(jiǎn)易液壓機(jī)中采用。第二種為內(nèi)外螺母式，上橫梁下表面與下橫梁上表面之間的平行度和間距的保證，全靠安裝時(shí)內(nèi)螺母的調(diào)整，因此，對(duì)立柱的有關(guān)軸向尺寸要求不高，但對(duì)立柱螺紋精度（與立柱軸線的平行度）及內(nèi)螺母精度（內(nèi)螺母的螺紋對(duì)于上下橫梁貼合面的垂直度）要求較高，安裝時(shí)調(diào)整比較麻煩。第三種是在與上橫梁連接處用臺(tái)肩代替內(nèi)螺母，精度調(diào)整和加工均不很復(fù)雜，但立柱預(yù)緊不如第二種。第四種與第三種形式基本相同，只是在下橫梁處用臺(tái)肩代替內(nèi)螺母，但精度調(diào)整比第三種簡(jiǎn)便可靠。（2）小型鍛造液壓機(jī)的立柱多數(shù)斷在從螺紋到光滑區(qū)的過渡部位，特別是在下橫梁的上螺母（內(nèi)螺母）處，因?yàn)檫@里應(yīng)力集中，彎矩又大，為此，為減小應(yīng)力集中的改進(jìn)措施如下圖：液壓機(jī)立柱與上下橫梁組成一個(gè)封閉的受力框架，偏心加載時(shí)，立柱不但承受軸向拉力，還承受橫向側(cè)推力和彎矩，但在有些液壓機(jī)中，立柱不僅僅承受上述靜力載荷。如在上小型鍛造液壓機(jī)中，經(jīng)常承受多次快速反復(fù)加載及卸載，特別是卸載時(shí)能量的突然釋放，那會(huì)引起機(jī)架的劇烈振動(dòng)與晃動(dòng)，在立柱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮這些因素，因此比較復(fù)雜。（3）立柱的強(qiáng)度計(jì)算：中心載荷下立柱強(qiáng)度計(jì)算 適用于主要承受中心載荷的中小型液壓機(jī)。且假設(shè)橫梁為絕對(duì)剛性，全部立柱平均承受拉伸載荷。=10P/(0.785Don)式中： P -液壓機(jī)公稱力（N）； Do -立柱最小直徑（cm）； n - 立柱數(shù)量； -立柱材料許用拉伸應(yīng)力，對(duì)45鋼可取50-80MPa。偏心載荷下立柱強(qiáng)度計(jì)算 =（Nmax/A+Mmax/W）10式中： Nmax -立柱危險(xiǎn)截面所受最大軸向拉力（N）； Mmax -立柱危險(xiǎn)截面所受最大彎矩（Ncm）；A -一根立柱的截面積（cm）； W -立柱截面系數(shù)（cm）。5.立柱螺母立柱螺母一般為圓柱形，小液壓機(jī)的螺母是整體的，立柱直徑在150mm以上時(shí)，做成組合式，由兩個(gè)半螺母用螺栓緊固而成。材料用35-45鍛鋼或鑄鋼。螺母外徑約為螺紋直徑1.5倍，內(nèi)螺母一般與外螺母等高，約為螺紋直徑0.9倍。對(duì)于螺紋的形式，對(duì)小型蛙泳壓機(jī) ，一般選用公制細(xì)牙螺紋，大、中型液壓機(jī)，則選用43鋸齒形螺紋，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)鋸齒形螺紋的前兩三扣承擔(dān)了大部分負(fù)荷，應(yīng)力較大，為使各扣螺紋承擔(dān)的負(fù)荷均勻，可以在螺母前端車出10左右的錐度如下圖：立柱螺母與上、下橫梁的貼合面應(yīng)一螺紋軸線保持垂直，其垂直主要求在0.05mm之內(nèi)，最好螺紋與其端面在一次裝卡下加工。6.立柱導(dǎo)套導(dǎo)套材料一般用鑄錫青銅ZQSn6-6-3，小液壓機(jī)也有用鐵基粉末冶金的。單個(gè)導(dǎo)套的高度一般取為立柱直徑的0.75倍，厚度約為20-30mm。導(dǎo)套外圓與活動(dòng)橫梁立柱孔之配合用H8/js6，內(nèi)孔與立柱之配合一般為H8/f8 - H9/f9。導(dǎo)套的內(nèi)外圓應(yīng)同心，要求在一次裝