課程設(shè)計(jì)論文大型高壓液壓拉伸器方案設(shè)計(jì)

1、大型高壓液壓拉伸器方案設(shè)計(jì)自動(dòng)液壓壓磚機(jī)是陶瓷墻地、面磚成型的關(guān)鍵設(shè)備，本結(jié)構(gòu)為三梁四柱式（圖1-1）。四根立柱將底座、活動(dòng)橫梁、上橫梁連為一體，兩頭用m320x4大螺母鎖緊。在工況條件差，壓制頻率高，振動(dòng)場(chǎng)合螺紋很容易拉伸、松動(dòng)，造成自動(dòng)液壓壓磚機(jī)四立柱受力不均衡，在工作中液壓活塞與工作臺(tái)面不垂直，活塞與油缸間隙單邊，導(dǎo)致高壓密封失效。目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)液壓壓磚機(jī)四立柱預(yù)緊的辦法有兩種：1）電加熱棒加熱，將電熱棒插入立柱深孔中通電后，加熱到一定的溫度，使立柱線膨脹達(dá)到計(jì)算好的預(yù)緊伸長(zhǎng)量，再將螺母瑣緊。2）采用液壓拉伸器借助于超高壓氣驅(qū)泵的動(dòng)力，將立柱軸向拉長(zhǎng)，達(dá)到預(yù)定值時(shí)將螺母旋到位，關(guān)閉氣驅(qū)泵卸

2、壓，利用材料自身的彈性將螺紋鎖緊。主要用于各立柱的定值預(yù)緊和拆卸，利用超高壓氣驅(qū)泵產(chǎn)生的油壓力，使活塞環(huán)、螺母上升，使被施加力的立柱在其彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長(zhǎng)，立柱直徑輕微變形，從而使螺母易于旋入或松動(dòng) ，實(shí)現(xiàn)定值預(yù)緊和拆卸的作用。1.超高壓液壓拉伸器原理及特點(diǎn)大型高壓液壓拉伸器采用無(wú)轉(zhuǎn)距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可避免螺母與橫梁接觸面的磨擦，螺紋變形扭曲等影響立柱的預(yù)緊力，使被緊立柱受純拉伸應(yīng)力，預(yù)緊載荷精度2%，預(yù)緊力均勻，重復(fù)精度高，防松效果好。在裝配過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)量，控制螺栓的軸向預(yù)緊力能排除摩擦系數(shù)、接觸應(yīng)力變形影響、預(yù)緊力除受“松弛量” 影響。特別適應(yīng)于大功率，有振動(dòng)，防松要求高的場(chǎng)合。大

3、型高壓液壓拉伸器具有操作簡(jiǎn)單、安全、可靠、快速、易控制、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)械設(shè)備的安裝，檢修帶來(lái)更高的效率。為保證自動(dòng)液壓壓磚機(jī)裝配后四立柱有足夠、均勻的預(yù)緊力，我們選擇大型超高壓液壓拉伸器作為設(shè)計(jì)方案選型。 圖1-12. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型在設(shè)計(jì)過(guò)程中有三種拉伸器結(jié)構(gòu)，都為單油缸式結(jié)構(gòu)。由于工作液壓力達(dá)到100mpa，屬高壓液壓設(shè)計(jì)，這對(duì)油缸的結(jié)構(gòu)、材料、剛性和密封形式有很高的要求。如圖2-1由于該結(jié)構(gòu)密封圈靠發(fā)蘭壓緊，油缸高度尺寸增大，剛性差，螺栓在高壓狀態(tài)工作下被拉伸，只適應(yīng)于油缸直徑小，液壓力小的拉伸器。圖2-2其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練。油缸剛性好，整過(guò)拉伸器尺寸小，由于螺母8旋在立柱上，每根立柱需要增

4、長(zhǎng)油缸厚度+螺母厚度為200mm，每臺(tái)壓機(jī)四根m320x4立柱，材料浪費(fèi)較大，不宜采用。圖2-3油缸結(jié)構(gòu)和圖3-2基本形式一樣就是將支撐座件6加高，增加一個(gè)螺母套將立柱和拉桿連接起來(lái)。其缺點(diǎn)就是一次性投資較圖3-2型大。由于圖2-3具有剛性好、油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省立柱材料，加工工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選型為圖2-3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。圖2-1 圖2-2圖2-3 3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定超高壓液壓拉伸器在工作時(shí)高壓泵流量小，液力施壓緩慢，實(shí)際行程短，在計(jì)算過(guò)程中可以視靜密封狀態(tài)。以4200噸壓制力的壓磚機(jī)為例：表5.1 主要技術(shù)參數(shù)立柱螺紋直徑mmm320x8最大預(yù)緊力n12600000 氣驅(qū)液壓泵工作壓力mp

5、a103（氣壓0.294mpa）u型滑環(huán)密封圈最大壓力mpa300最大行程mm20mm外形尺寸mm680x888重量kg1586 圖5-1單缸式預(yù)緊 圖5-2雙缸立柱預(yù)緊4. 高壓液壓拉伸器設(shè)計(jì)計(jì)算立柱承受工作載荷后，因所受的拉力增大而沿軸向繼續(xù)伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)量增加了，故總伸長(zhǎng)量為b+。與此同時(shí)，原來(lái)被壓縮的被上橫梁，因立柱伸長(zhǎng)而被放松，其壓縮量也隨之減小。根據(jù)聯(lián)接的變形協(xié)調(diào)條件，則被上橫梁壓縮變形的減小量應(yīng)等于立柱拉伸變形的增加量。此時(shí)的工作載荷為42000000n，上橫梁材料為：zg310-570; 立柱材料：35crmoa鍛件。5.1 每根立柱受拉力為f0工作載荷為fa=42000000n

6、 每臺(tái)壓機(jī)的立柱為四根n=4f0=fa/n=42000000/4=10500000 n5.2 立柱預(yù)緊力計(jì)算 預(yù)緊力系數(shù)：k=1.5/（1+c0）立柱與上橫梁拉壓剛度比：c0=ez*az*lh/eh*ah*lz查設(shè)計(jì)手冊(cè)表：立柱材料：35crmoa（鍛件） ez=206x103mpa 上橫梁材料為：zg210-500（鑄件） eh=202 x103mpa立柱截面積為：az=r2/2 =3.14x1622/2 =82406.14mm2 上橫梁的截面積；ah=324269mm2lh、lz立柱與上橫梁結(jié)合長(zhǎng)度相等為1200mm故 c0=ez*az*lh/eh*ah*lz=206x103x82406.

7、14/202 x103x324269 =0.259ez 、eh立柱、上橫梁彈性模量；az、ah立柱與上橫梁的截面積；lh、lz立柱與上橫梁結(jié)合長(zhǎng)度；預(yù)緊力系數(shù)：k=1.5/（1+c0）=1.5/(1+0.259)=1.19因立柱材料為35crmoa，上橫梁為zg310-500比立柱的剛度要大，故取k =1.2 實(shí)際每根拉伸力為：f/=k f0 =1.2x 10500000=12600000 n5.3立柱伸長(zhǎng)量計(jì)算已知：立柱拉伸力f0=12600000 n 立柱有效長(zhǎng)度l=4300mm 立柱彈性模量e=206x103mpa 立柱截面積a=78883.86mm2從材料的機(jī)械性能可知，在螺栓產(chǎn)生屈服

8、之前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，伸長(zhǎng)量與軸向預(yù)緊力f的關(guān)系為：= f0 l(ea)=12600000x4300/206x103x78883.86=3.334mm.包括各個(gè)接觸面松弛量，實(shí)際拉伸量5mm。5.4 油缸受力面積設(shè)計(jì)計(jì)算 油缸受壓面積計(jì)算：設(shè)計(jì)油缸內(nèi)環(huán)外徑為：570mm，活缸內(nèi)環(huán)內(nèi)徑為：410mma=255046.5-131958.5=123088mm25.5 活塞環(huán)軸向出力計(jì)算油缸工作壓力p=103mpafa=axp=103×123088=12678064 n5.6 油缸材料選擇及壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算由于油缸受高壓油的作用，要求材料強(qiáng)度高、剛性好、變形小、加工性好，40crnim

9、oa材料具有以上優(yōu)點(diǎn)。材料選擇： 40crnimoa 調(diào)質(zhì)：hb250 時(shí) 查工程材料手冊(cè) b =800mpad=570mm p=103mpa b =800mpa 安全系數(shù)取n=1.5= /n=800/1.5=533.33mpa 按厚壁油缸計(jì)算公式計(jì)算油缸壁厚：當(dāng)活塞環(huán)受軸向推力時(shí)： d/d=1.365 根據(jù)油缸壁厚計(jì)算公式： =55.04 mm 5.7 油缸底部壁厚度計(jì)算h= 因缸底厚度的圓周上開(kāi)進(jìn)油孔，設(shè)計(jì)厚度比計(jì)算厚度大。圖6-1 ls126-1-4油缸5.8 活塞環(huán)壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算材料選擇： 40crnimoa 調(diào)質(zhì)：hb250 時(shí) 查工程材料手冊(cè) b =800mpad=570mm p=1

10、03mpa b =800mpa 安全系數(shù)n=2= /n=800/2=400 mpa 活塞環(huán)受軸向剪切力校核：按h=52.9mm 計(jì)算根據(jù)剪切強(qiáng)度計(jì)算公式： b=0.6 b=0.6x800=480 mpa受剪面積: a=（510x3.14xh）=510x3.14x52.9=84714.06mm2受剪力: f=103（570/2）2x3.14-（510/2）2x3.14=5396586.12 n=f/a=5396586.12/8471.06=63.7 mpa63.7 mpab= 480 mpa 滿足設(shè)計(jì)要求圖6-2 ls126-1-7活塞環(huán)5.9 拉桿橫截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 拉桿材料選擇：35crmo

11、a 查工程材料手冊(cè) 調(diào)質(zhì)hb275 b =750mpa （調(diào)質(zhì)hb270） 拉桿螺紋直徑：m320x4 螺紋高度：145mm 螺紋底徑：d0=d-4+0.752=320-4+0.752=316.75mmb = 4f/（*d02）=4×1260000/（3.14×316.752）=159.98mpab =159.98mpab =750 mpa .滿足設(shè)計(jì)要求5.10 拉桿m320x4螺紋牙的強(qiáng)度校核 根據(jù)剪切強(qiáng)度公式校核： =0.6b=0.6×750=450 mpa=87.368mpa=87.368mpa =450 mpa 滿足設(shè)計(jì)要求根據(jù)螺紋牙的強(qiáng)度公式校核b =

12、141.87mpa b =141.871mpab =750 mpa 滿足設(shè)計(jì)要求材料為35crmo m320×8 h=145螺紋滿足設(shè)計(jì)要求。圖6-3 ls126-1-10 m320x4 拉桿6. 高壓密封件設(shè)計(jì)選型高壓密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有油缸、活塞環(huán)，密封環(huán)、內(nèi)、外法蘭組成（如下圖）。密封環(huán)在高液壓力作用下，油缸、活塞環(huán)都會(huì)發(fā)生變形，密封環(huán)唇口緊貼油缸面無(wú)泄露。6.1超高壓密封條件設(shè)計(jì)工作壓力為103mpa，工作溫度50，活塞速度慢，密封圈單向受壓，最大行程25mm。6.2 超高壓密封設(shè)計(jì)選型 圖7-1 超高壓液壓油缸密封結(jié)構(gòu)形式根據(jù)拉伸器的密封條件和油缸結(jié)構(gòu)形式,選擇活塞孔用u形

13、滑環(huán)式組合密封圈。表7-1 u形滑環(huán)式組合密封圈工況條件型號(hào)規(guī)格mm材料壓力mpa工作溫度速度 m/s介質(zhì)單價(jià)元tb6-atb6-b570x7410x7聚四氟乙烯（pife）0-300-55+250液壓油350015007 氣驅(qū)液壓泵設(shè)計(jì)選型7.1 氣驅(qū)液壓泵工作原理與特點(diǎn)氣驅(qū)液壓泵利用壓縮空氣作動(dòng)力帶動(dòng)液壓泵柱塞運(yùn)動(dòng)以形成壓力油。利用氣動(dòng)活塞和油泵柱塞面積的懸殊比值(1:300)來(lái)產(chǎn)生很高的油壓。結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，拉力大；適用面廣，使用簡(jiǎn)單方便；精確度高，速度快，使用安全；通用性強(qiáng)，通過(guò)更換拉伸頭，可適用于多個(gè)規(guī)格的螺栓；成本低，是液壓系統(tǒng)的理想動(dòng)力源。近年來(lái)，一直被廣泛用于各種工礦、建筑安

14、裝企業(yè)。 將經(jīng)過(guò)油水分離過(guò)濾的壓縮氣體從驅(qū)動(dòng)空氣入口1進(jìn)入，通過(guò)換向閥6和驅(qū)動(dòng)空氣管路2，進(jìn)入氣動(dòng)活塞3下部的汽缸內(nèi)推動(dòng)氣動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)關(guān)閉底部梃桿7，打開(kāi)頂部挺桿4，壓縮氣體進(jìn)入先導(dǎo)閥5，推動(dòng)換向閥6向右移動(dòng)，活塞上部空氣通過(guò)換向閥6排出，在氣動(dòng)活塞3向上移動(dòng)的同時(shí)，連接在下部的活塞桿向上運(yùn)動(dòng)油缸內(nèi)吸油，入口單向閥10打開(kāi)。當(dāng)汽缸活塞3向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，底部挺桿7打開(kāi)，換向閥6閥芯左移，氣體通過(guò)先導(dǎo)閥5，底部挺桿閥7和先導(dǎo)排氣口排出，汽缸活塞3向下運(yùn)動(dòng)同時(shí)，入口單向閥關(guān)閉，帶動(dòng)油缸活塞向下運(yùn)動(dòng)將壓力油通過(guò)出口單向閥11、高壓快換接頭、高壓軟管送入拉伸器油缸,推動(dòng)活塞環(huán)上升，實(shí)現(xiàn)立柱拉伸，達(dá)到

15、立柱預(yù)緊的目的。7.2 氣驅(qū)液壓泵主要技術(shù)參數(shù)表8-1氣驅(qū)液壓泵主要技術(shù)參數(shù)工作參數(shù)hpu189mc2.0 工作壓力(bar)*1500增壓比1:300零壓力流量（l/min）0.512油箱容積（l）12壓力表量程（bar）0-2000空氣輸入接口1/4"bsp高壓輸出接口公接頭116系列 尺寸（mm）470×400×530mm重量（kg）40（不含油）是否可手動(dòng)操作可 8.主關(guān)件有限員分析8.1 ansys有限元軟件確立建圖模型根據(jù)以上主關(guān)件solidworks三維建圖尺寸和主要技術(shù)參數(shù),采用大型通用有限元軟件ansys中運(yùn)用apdl語(yǔ)言完成了整個(gè)建模、分網(wǎng)和求

16、解過(guò)程，采用了solid95、targe170和conta174三種計(jì)算單元。表9.1液壓拉伸器主要技術(shù)參數(shù)拉伸器工作壓力mpa103油缸面積mm21230883活塞環(huán)出力n12678000工作行程mm25 8.2有限元分析計(jì)算ls126-1液壓拉伸器在ansys中所建幾何模型結(jié)果顯示ls126-1液壓拉伸器ansys中分網(wǎng)后結(jié)果顯示ls126-1液壓拉伸器整體模型mises應(yīng)力云圖ls126-1液壓拉伸器整體模型位移云圖 ls126-1-4油缸網(wǎng)格圖1（活塞行程l20mm）ls126-1-4油缸網(wǎng)格圖2（活塞行程l20mm）ls126-1-4油缸mises應(yīng)力云圖1（選取四分之一模型且活塞行

17、程為l=20mm時(shí)計(jì)算結(jié)果，黑線框?yàn)樽冃吻拔恢?，最大?yīng)力507mpa為某些局部點(diǎn)，是因?yàn)榫W(wǎng)格劃分不均的影響）避開(kāi)不正常應(yīng)力點(diǎn)選取過(guò)渡圓弧上的局部應(yīng)力最大值為350.6mpals126-1-4油缸位移力云圖（選取四分之一模型且活塞行程為l=20mm時(shí)計(jì)算結(jié)果）ls126-1-3支撐座mises應(yīng)力云圖1(最大應(yīng)力598mpa出現(xiàn)在開(kāi)腰形孔位置，為壓應(yīng)力)ls126-1-3支撐座mises應(yīng)力云圖2ls126-1-3支撐座位移云圖通過(guò)計(jì)算得到如下結(jié)果： 1)油缸底面與兩側(cè)環(huán)面過(guò)渡圓角r3處應(yīng)力較大，通過(guò)有限員分析修改成過(guò)渡圓角r82）當(dāng)活塞環(huán)行程達(dá)到20mm時(shí)，外環(huán)面徑向位移最大為0.0512mm,對(duì)密封影響不大。3)支撐座長(zhǎng)腰形孔對(duì)結(jié)構(gòu)的削弱作用大于相反面圓弧的削弱作用，減小開(kāi)孔長(zhǎng)度。4)底座620環(huán)面最大應(yīng)力為230mpa，縮小的空間很小。5)拉桿的過(guò)渡圓角r20改為r50，過(guò)渡圓角處最大應(yīng)力將從576mpa降低到379mpa。6）有限元分析結(jié)果與材料力學(xué)剛架模型計(jì)算有較大差別。7）原m320x4連接螺紋改為m320x8，提高工效。根據(jù)以上有限員計(jì)算結(jié)果，在主關(guān)件圖紙應(yīng)力較大區(qū)修改尺寸，大大增加大型超高壓液壓拉伸器設(shè)計(jì)更可行性、可靠性。9.結(jié)論在設(shè)計(jì)過(guò)程中，大型超高壓液壓拉伸器