畢業(yè)設計（論文）60mn鍛造水壓機本體關鍵件結構設計

1、學士學位論文 題 目：60MN鍛造水壓機本體關鍵件結構設計摘 要大型鍛造液壓機具有鍛造范圍廣、鍛造能力強、操作方便、使用可靠等特點。本設計的題目是60MN自由鍛造水壓機的總體結構和傳動系統(tǒng)的設計。論文基于液壓機設計理論，參考已有大型鍛造液壓機結構和設計經驗，針對傳統(tǒng)三梁四柱式液壓機結構存在的如效率低、鍛造精度低、抗偏載能力差等缺陷，給出了液壓機組合本體設計方案，為 60MN 自由鍛造液壓機的方案論證和技術設計提供了參考依據。論文對液壓機的液壓缸、上橫梁、活動橫梁、下橫梁、回程缸、立柱等主要部件進行了計算分析。并對液壓缸進行了重點分析，論證了法蘭上螺柱孔對法蘭過渡區(qū)等效應力的影響，為液壓缸結構設

2、計參數的選擇提供了依據；同時給出了液壓機的傳動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的設計過程。 關鍵詞：鍛造；液壓機；液壓缸；上橫梁；活動橫梁；下橫梁；立柱 全套圖紙加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 錄 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 緒論 PAGE

7、REF _Toc170875080 h 1 HYPERLINK l _Toc170875081 1.1 選題背景 PAGEREF _Toc170875081 h 1 HYPERLINK l _Toc170875082 1.2 本課題研究的目的、意義與主要內容 PAGEREF _Toc170875082 h 1 HYPERLINK l _Toc170875083 1.3 液壓機的國內外發(fā)展概述 PAGEREF _Toc170875083 h 2 HYPERLINK l _Toc170875084 1.4 預期結果 PAGEREF _Toc170875084 h 3 HYPERLINK l _To

8、c170875085 1.5 本課題的研究設想 PAGEREF _Toc170875085 h 3 HYPERLINK l _Toc170875086 1.6 液壓機分類和特點 PAGEREF _Toc170875086 h 4 HYPERLINK l _Toc170875087 第 2 章 60 MN 鍛造液壓機總體設計方案 PAGEREF _Toc170875087 h 6 HYPERLINK l _Toc170875088 2.1 液壓機總體結構簡介 PAGEREF _Toc170875088 h 6 HYPERLINK l _Toc170875089 2.1.1 四柱式結構 PAGER

9、EF _Toc170875089 h 6 HYPERLINK l _Toc170875090 2.1.2 整體框架式結構 PAGEREF _Toc170875090 h 6 HYPERLINK l _Toc170875091 2.1.3 單柱式結構 PAGEREF _Toc170875091 h 6 HYPERLINK l _Toc170875092 2.1.4 拉桿預應力組合結構 PAGEREF _Toc170875092 h 7 HYPERLINK l _Toc170875093 2.2 本液壓機的結構和基本參數 PAGEREF _Toc170875093 h 7 HYPERLINK l

10、_Toc170875094 2.3 本章小結 PAGEREF _Toc170875094 h 10 HYPERLINK l _Toc170875095 第 3 章 液壓機本體結構關鍵件設計 PAGEREF _Toc170875095 h 11 HYPERLINK l _Toc170875096 3.1 液壓機本體結構關鍵件設計 PAGEREF _Toc170875096 h 11 HYPERLINK l _Toc170875097 3.1.1 本體設計概述 PAGEREF _Toc170875097 h 11 HYPERLINK l _Toc170875098 3.1.2 工作缸設計 PAGE

11、REF _Toc170875098 h 11 HYPERLINK l _Toc170875099 3.1.3 上橫梁結構設計 PAGEREF _Toc170875099 h 13 HYPERLINK l _Toc170875100 3.1.4 活動橫梁結構設計 PAGEREF _Toc170875100 h 15 HYPERLINK l _Toc170875101 3.1.5 下橫梁結構設計 PAGEREF _Toc170875101 h 17 HYPERLINK l _Toc170875102 3.1.6 回程缸和平衡缸設計 PAGEREF _Toc170875102 h 18 HYPERL

12、INK l _Toc170875103 3.1.7 立柱和柱套結構設計 PAGEREF _Toc170875103 h 18 HYPERLINK l _Toc170875104 3.2 本章小結 PAGEREF _Toc170875104 h 21 HYPERLINK l _Toc170875105 第 4 章 液壓缸設計與分析 PAGEREF _Toc170875105 h 22 HYPERLINK l _Toc170875106 4.1 液壓缸的設計 PAGEREF _Toc170875106 h 22 HYPERLINK l _Toc170875107 4.1.1 液壓缸損壞部位與特點

13、PAGEREF _Toc170875107 h 22 HYPERLINK l _Toc170875108 4.1.2 損壞原因分析 PAGEREF _Toc170875108 h 22 HYPERLINK l _Toc170875109 4.1.3 液壓缸設計 PAGEREF _Toc170875109 h 23 HYPERLINK l _Toc170875110 4.2 本章小結 PAGEREF _Toc170875110 h 25 HYPERLINK l _Toc170875111 第 5 章 液壓系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc170875111 h 26 HYPERLINK l _

14、Toc170875112 PAGEREF _Toc170875112 h 26 HYPERLINK l _Toc170875113 PAGEREF _Toc170875113 h 27 HYPERLINK l _Toc170875114 5.3大型自由鍛造油壓機油泵直接傳動系統(tǒng)的技術難點 PAGEREF _Toc170875114 h 27 HYPERLINK l _Toc170875115 5.4 60MN自由鍛造液壓機油壓控制系統(tǒng)組成及其功能 PAGEREF _Toc170875115 h 27 HYPERLINK l _Toc170875116 5 .4.1動力系統(tǒng) PAGEREF _T

15、oc170875116 h 27 HYPERLINK l _Toc170875117 5.4.2主控系統(tǒng) PAGEREF _Toc170875117 h 28 HYPERLINK l _Toc170875118 PAGEREF _Toc170875118 h 31 HYPERLINK l _Toc170875119 結論 PAGEREF _Toc170875119 h 32 HYPERLINK l _Toc170875120 參考文獻 PAGEREF _Toc170875120 h 33 HYPERLINK l _Toc170875121 致謝 PAGEREF _Toc170875121 h

16、34第 1 章 緒 論選題背景裝備制造業(yè)是為國民經濟各部門進行簡單再生產和擴大再生產提供裝備的各制造業(yè)的總稱，是為國民經濟發(fā)展提供技術裝備的基礎性產業(yè)，承擔著為國民經濟各部門提供工作母機，帶動相關產業(yè)發(fā)展的重任，可以說它是工業(yè)的心臟和國民經濟的生命線，是支撐國家綜合國力的重要基石，是國家工業(yè)化、現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標志。而液壓機是機械制造業(yè)的一種基礎設備，其應用涉及國民經濟的各個領域，尤其在塑性加工領域得到了日益廣泛的應用。如板材成形，型材擠壓，粉末冶金，塑料及橡膠制品成型，膠合板壓制，打包，人造金剛石，耐火磚壓制和碳極壓制成型，輪軸壓制校直等等。各種類型液壓機的迅速發(fā)展，有力的促進了制

17、造工業(yè)的發(fā)展和進步1。隨著工業(yè)的發(fā)展和社會的進步，大型液壓機得到了越來越重要的應用，尤其在航空、汽車、船舶等行業(yè)應用更為廣泛。為了滿足航空、航天和國防工業(yè)對大型鍛件日益增長的需求，大型液壓機的開發(fā)、研制已成為我國勢在必行的攻關項目和重機行業(yè)普遍關注的焦點。2003 年中國工程院召開了“發(fā)展我國大型鍛壓設備研究”的重要會議，受到有關科研單位和重機企業(yè)的極大關注。本課題正是在這一背景下,為大型鍛造液壓機的方案論證所開展的研究。目前，在國內液壓機設計中，其本體和結構不僅企業(yè)與企業(yè)之間千差萬別，即使同一企業(yè)內，同一產品，設計者不同，設計結果也可能存在較明顯的差別。因此，設計質量的高低在很大程度取決于設

18、計師的技術水平。影響液壓機質量的因素很多，其中液壓機本體的設計水平起著重要的作用。液壓機本體是液壓機的重要組成部分，其重量約占整機重量的 60%以上。液壓機本體的設計水平，對液壓機的制造成本、技術性能和使用壽命有著決定性的影響。我國液壓機本體的設計水平還比較落后，盡管一些大中型企業(yè)的設計部門在某些重要的液壓機本體設計工作中對其關鍵部件已經采用了有限元分析方法和優(yōu)化設計方法，但是對那些典型結構的液壓機產品，絕大部分生產廠家和設計單位，包括大中型企業(yè)的設計單位，基本上還沿襲著傳統(tǒng)的設計方法。由于缺乏功能比較完善的現(xiàn)代化設計手段，所以導致液壓機本體設計思想保守、設計周期長、效率低。這不僅造成了人力和

19、物力的浪費，而且嚴重影響著這些企業(yè)的市場爭實力2。本課題研究的目的、意義與主要內容目前，自由鍛造水壓機在我國機械制造行業(yè)中占有著非常重要的地位，然而我國對現(xiàn)在多數的鍛造水壓機都存在效率低和鍛造精度低等缺點，本課題就是對傳統(tǒng)自由鍛水壓機的設計和改造開展的調研。本課題研究的內容：對傳統(tǒng)三梁四柱式液壓機結構存在的缺陷進行分析：(1) 根據液壓機基本技術參數，提出 60MN 自由鍛造液壓機本體結構初步設計方案。(2) 對液壓機上梁、下梁和水平梁進行分析，改進各梁整體結構設計。(3) 綜合評價分析結果，給出 60MN 自由鍛造液壓機本體的設計方案。液壓機的國內外發(fā)展概述十七世紀中葉，法國科學家帕斯卡提出

20、了著名的靜壓傳遞原理，并且迅速應用在工業(yè)上。1795 年，第一臺液壓機在英國誕生了。到今天為止，液壓機發(fā)展的歷史只有二百年左右。隨著西方資本主義的發(fā)展，蒸汽機的出現(xiàn)，引起了工業(yè)生產的革命?，F(xiàn)代化的大工業(yè)逐步代替了工場手工業(yè)，具有悠久歷史的鍛造工藝也逐步由手工鍛造轉變?yōu)闄C器鍛造。18591961 年在維也納鐵路工場就有了第一批用于金屬加工的7000KN，10000KN 和 12000KN 液壓機。1884 年在英國曼徹斯特首先使用6了鍛造鋼錠用的鍛造水壓機。在 18871888 年制造了一系列鍛造水壓機，其中包括一臺40000KN 的大型水壓機。1893 年建造了當時最大的120000KN 鍛造

21、水壓機。因而大鋼錠的鍛造工作逐步就由使用鍛錘過渡到使用鍛造水壓機，大型自由鍛錘逐漸被淘汰，目前只保留了 5 噸以下的中小型自由鍛錘。十九世紀末，由于軍備擴張的需要，鍛造和模鍛液壓機有了迅速發(fā)展。1934 年德國制造了 70000KN 模鍛水壓機，19381944 年相繼建造了三臺159000KN 鍛造水壓機和一臺 300000KN 模鍛水壓機。第二次世界大戰(zhàn)后，為了迅速發(fā)展航空工業(yè)，美國在 1955 年左右，先后制造了二臺 315000KN 和二臺 450000KN 大型模鍛水壓機；而蘇聯(lián)則在1955 年到 1960 年之間，先后制造了四臺 390000KN 和二臺 700000KN 大型模鍛

22、水壓機。近幾十年來，世界各國在鍛造操作機與鍛造液壓機聯(lián)動機組、大型模鍛液壓機、擠壓液壓機等各種液壓機方面又有了很多新的發(fā)展，自動量測和自動控制的新技術在液壓機上得到了廣泛的應用，機械化和自動化程度有了很大的提高。而隨著微電子技術、液壓技術等的發(fā)展,液壓機有了更進一步的發(fā)展,其高技術含量增多,眾多機型已采用CNC或PC機來控制,提高了產品的加工質量和生產率。鍛壓生產在我國也有悠久的歷史，在 3300 多年以前的殷墟文化早期，鍛壓已用于兵器生產。解放前，鍛壓生產十分落后。解放后我國鍛壓生產迅速發(fā)展,125MN 以下的自由鍛水壓機、300MN 以下的模鍛水壓機、160KN以下的模鍛錘、25000KN

23、 以下的摩擦壓力機、125000KN 以下的熱模鍛壓力機己成系列并裝備了諸多個鍛壓廠。由于航空工業(yè)、航天工業(yè)等高新科學技術發(fā)展的需要，我國從 60 年代中期開始了對大噸位液壓機的研制工作。我國的 300MN 模鍛液壓機作為亞洲最大的模鍛液壓機是 70 年代初投入使用的。目前我國有 300MN,100MN,60MN,50MN,30MN 等大、中型鍛造水壓機。表 1.1 是我國鍛造液壓機擁有量和生產能力。表 1.1 國內鍛造液壓機一覽液壓機公稱壓力/MN各大區(qū)擁有量/臺年生產能力華東華北東北華南西南西北中原山東閩贛數量單臺鍛件產量全國鍛件產10221166500390004341311171715

24、3000162212131113131560002011244520002513211111010140000112116690000361111500060211447200080111200001201113390000合計111213312382165827000我國液壓機制造工業(yè)雖然已有了較大發(fā)展，但與世界先進水平相比，還有較大差距，還不能滿足國民經濟和國防建設迅速發(fā)展的需要。目前除應當充分發(fā)揮現(xiàn)有各種液壓機的生產潛力，提高設備利用率，搞好鍛造操作機及其他輔助設備的配套工作，加強對設備的維修和設備本身的技術改造外，還應加強鍛造液壓機和鍛造操作機的聯(lián)動、鍛件尺寸自動顯示和自動控制、鍛造液

25、壓機組的程序控制和自動控制的研究，應加強對現(xiàn)代化的大型模鍛液壓機以及其他特殊用途液壓機的研究46。預期結果 希望在對國內外自由鍛造液壓機結構綜合分析的基礎上，借鑒本學科的前期工作和設計經驗，所設計的 60MN 自由鍛造液壓機本體設計方案能夠有效的提高機架的抗偏載能力和整體工作性能以及其工作效率和鍛造精度。本課題的研究設想液壓機工作時，高壓液體進入工作缸，推動活塞、活動橫梁及上模運動，使工件在上、下模之間產生塑性變形。整個作用力(工件變形力)向上通過工作缸的法蘭傳到上橫梁上，向下則通過下模、工作臺傳到下橫梁上，最后作用于上、下橫梁及立柱構成的封閉框架中。中心載荷時，若橫梁具有足夠的剛度，則立柱主

26、要承受軸向拉力。偏心載荷時，偏心力矩作用于活動橫梁及活塞(柱塞)上，將在立柱或上梁上產生側推力，使機架受力情況惡化。在某些液壓機中，由于頻繁加載、卸載以及載荷突然釋放，會引起機架的劇烈振動。為解決上面提到的問題，本設計中采用了預應力組合機架，立柱由兩部分組成，即空心柱套和拉桿。拉桿通過空心柱套和上、下橫梁由兩端螺母施加預緊力構成一個封閉框架。柱套位于上下橫梁之間，在預緊時主要承受壓應力。這種結構對拉桿而言，雖然在未承載時和承載時均有較高的應力，但應力波動幅度小，另外拉桿的截面形狀沒有急劇變化。對柱套而言，主要承受壓力及彎矩，抗彎剛度比較大。此種結構的抗疲勞性能和剛度均很好。這樣就可以實現(xiàn)在滿足

27、傳統(tǒng)液壓機功能的同時又能很好的解決上面提到的問題。1.6液壓機分類和特點液壓機的工作介質主要有兩種，采用乳化液的般稱為水壓機，采用油的稱為油壓機，兩者統(tǒng)稱為液壓機。乳化液由 2%的乳化脂和 98%的軟水攪拌而成，它應具有較好的防腐蝕和防銹性能并有一定的潤滑作用。乳化液價格便宜，不燃燒，不易污染場地，故耗液量大的以及熱加工用的液壓機多采用乳化液作為工作介質。本臺 60MN 自由鍛造液壓機工作介質為乳化液。油壓機中應用最廣的是機械油，有時也采用透平油或其他類型液壓油。油在防腐蝕、防銹和潤滑性能方面部比乳化液好，油的粘度比較大，也容易密封。因此，近年來，采用油為工作介質的越來越多。但是油的成本高，易

28、污染場地。液壓機廣泛應用于國民經濟的各個部門，是一種主要的鍛壓設備。作為鍛壓設備的一類，液壓機采用通用鍛壓機械型號。鍛壓機械共分為八類，類別代號用漢語拼音字母表示。液壓機的類別代號為正楷大寫“Y”。液壓機下面按其用途分為十個組別：(1) 手動液壓機 小型，用于壓制壓裝等一般工藝；(2) 鍛造液壓機 用于自由鍛造、鋼錠開坯以及有色與黑色金屬模鍛；(3) 沖壓液壓機 用于各種薄、厚板材沖壓；(4) 一般用途液壓機 各種萬能式通用液壓機；(5) 校正壓裝液壓機 用于零件校形及裝配；(6) 層壓液壓機 用于膠合板、刨花板、纖維板及絕緣材料板的壓制；(7) 擠壓液壓機 用于擠壓各種有色金屬及黑色金屬的線

29、材、管材、棒材及型材；(8) 壓制液壓機 用于各種粉末制品的壓制成形，人造金剛石壓制，耐火磚及碳極等的壓制成形；(9) 打包、壓塊液壓機 用于將金屬切屑及廢料壓塊及打包；(10) 其他液壓機 包括輪軸壓裝、電線包復、沖孔拉伸、模具研配等各種其他用途的液壓機。液壓機按工藝用途不同可分為自由鍛造液壓機和模鍛液壓機。自由鍛造液壓機一般以鋼錠為原材料，采用自由鍛工藝生產各種大型鍛件；模鍛液壓機以鋼坯、鍛坯為毛坯，采用不同模鍛工藝生產各種模鍛件。液壓機與其它鍛壓設備相比具有以下特點：(1) 在結構上易于得到較大的總壓力、較大的工作空間及較長的行程，因此便于壓制大型工件及較長較高的工件，這往往是鍛錘及其他

30、鍛壓機械所難以做到的。(2) 與鍛錘相比，工作平穩(wěn)，撞擊和振動很小，噪音小，對工人健康、廠房地基、周圍環(huán)境及設備本身都有很大好處。(3) 與機械壓力機相比，本體結構比較簡單，容易制造。隨著液壓元件標準化、系列化、通用化程度的提高以及專業(yè)定點生產的逐步實現(xiàn)，比較適合于中小廠自行制造。(4) 隨著大功率高速輕型泵的出現(xiàn)，液壓機快速性能已有很大提高，如鍛造液壓機的每分鐘工作循環(huán)次數已可達 80100 次，改變了過去液壓機工作速度慢的狀況。第 2 章 60MN 鍛造液壓機總體設計方案液壓機總體結構簡介液壓機從結構（主要是指主機結構）觀點來看，則可分為單柱式、四柱式、整體框架式和拉桿預應力組合結構。液壓

31、機的主機結構包括機身、各執(zhí)行機構、各油缸和滑塊。合理的選擇主機結構對于確保使用要求，制造工藝性和其他技術經濟指標都有很大的意義。2.四柱式結構四柱式結構為液壓機最常見的結構形式之一。四柱式結構最顯著的特點是工作空間寬敞、便于四面觀察和接近模具。整機結構簡單，工藝性較好，但立柱需要大型圓鋼或鍛件。 四柱式液壓機最大的缺點是承受偏心載荷能力較差，最大載荷下偏心距一般為跨度(即左右方向的中心距)的百分之三左右；由于立柱剛度較差，在偏載下活動橫梁與工作臺間易產生傾斜和水平位移；同時立柱導向面磨損后不能調整和補償。這些缺點在一定程度上限制了它的使用范圍。2.整體框架式結構整體框架結構多用于小型液壓機。由

32、于機架在工作過程中承受拉力和彎曲應力，因此大多采用型鋼，鋼板焊接和整體鑄鋼結構。只有在小噸位和小臺面的液壓機才可能采用鑄鐵鑄造的整體結構。整體焊接式結構的優(yōu)點是省去了整個鑄造工序，制造周期短；在結構設計上可根據受力情況合理布置和選用不同厚度的鋼板，因此重量最輕。缺點是各鋼板焊前加工量較大、需要相應的焊接設備和熟練的焊接技術，以盡量減少焊接變形和殘余內應力；焊后一般必需消除應力退火；此外，焊后加工也較為復雜。整體鑄造結構的特點是零件數量少，加工面少，機架剛度大。但需要制造木模和砂箱等。結構上壁厚不能太薄、厚度差不能太大，因此重量較大。此外，鑄件清砂等均較費工時，單件小批生產時成本較高，外觀也較粗

33、糙。整體框架結構的特點是零件數量少，重量輕、剛度大。但零件單件重量較大，焊后加工工藝較為復雜。有時甚至需要專門設備加工，以保證工作臺面平直度和導軌支承面對工作臺的垂直度。由于單件重量較大，設計時應仔細考慮吊運和加工設備工作能力。整體框架結構最大的缺點為支柱和橫梁轉角處應力集中，而且在轉角處往往應力最大。所以設計上應采取適當加大過渡圓角半徑，合理布置焊縫和適當加大轉角處的斷面面積等措施。否則，其應力集中點的應力可能較計算應力大 1.53 倍，形成薄弱環(huán)節(jié)。2.單柱式結構單柱式結構又稱“C”形床身或開式結構。此類液壓機最突出的優(yōu)點是操作方便，可三面接近工件，裝卸件簡單方便。單柱式結構最大缺點是機身

34、為懸臂梁受力。因此變形較大，機架剛度很差。特別是在受力時變形不對稱致使主缸中心線對臺面的垂直性產生角位移。這種情況將使模具間隙偏向一側，主缸活塞承受彎曲應力，因而使密封結構和導套工作惡化，磨損加劇，壽命降低。2.拉桿預應力組合結構拉桿預應力組合結構中框架由上橫梁、下橫梁、立柱通過拉桿預緊組合而成。在立柱和上、下橫梁接觸面上，裝配預緊后配打圓柱銷或方鍵定位。這一結構的特點是各零件結構和工藝性簡單，單件重量較小，立柱只承受壓應力，工作中水平變形較小，并消除了整體結構中轉角處的應力集中弊病。但是，這一結構將增加各結合面的加工量和拉桿。并需采用加熱或液壓加載方式將拉桿伸長預緊。一般預緊系數為 1.5

35、至 2 倍公稱壓力7。本臺液壓機采用三梁四柱拉桿組合機架。2.2本液壓機的結構和基本參數三梁四柱式是目前液壓機中采用最為普遍的一種本體結構，其主要特點是加工工藝性較其它類型液壓機簡單。三梁四柱式液壓機的機架是由上橫梁、下橫梁和四根立柱組成。工作缸安裝在上橫梁內?；顒訖M梁與工作缸的柱塞聯(lián)接成一整體，以立柱為導向上下運動，并傳遞工作缸內產生的力量，對制件進行壓力加工。液壓機的基本參數是液壓機的基本技術數據，是根據液壓機的工藝用途及結構類型來確定的，它反映了液壓機的工作能力及特點，也基本上決定了液壓機的輪廓尺寸及本體總重。另外，基本參數也是用戶選購時的主要數據。液壓機的基本參數有以下內容：(1) 公

36、稱壓力 指液壓機名義上能產生的最大力量，它反映了液壓機的主要工作能力。為了充分利用設備，節(jié)約高壓液體并滿足工藝要求，一般大中型液壓機將公稱壓力分為兩級或三級。本臺鍛造液壓機公稱壓力分為三級。(2) 最大凈空距(閉合高度) 指活動橫梁停在上限位時，從工作臺上表面到活動橫梁下表面的距離，它反映了液壓機在高度方向上工作空間的大小。(3) 最大行程 指活動橫梁能夠移動的最大距離，應根據工件成形過程中所要求的最大工作行程來確定，它直接影響工作缸和回程缸及其柱塞的長度及整個機架的高度。(4) 工作臺尺寸 指工作臺面上可以利用的有效尺寸，它取決于模具的平面尺寸及工藝過程的安排。(5) 回程力 活動橫梁返程時

37、所需要的驅動力。計算回程力要考慮活動部分的重量、回程時工藝上所需的力量(如拔模力、提升剁力等)、工作缸排液阻力、各缸密封處的摩擦力以及活動梁導套處的摩擦力等。(6) 活動橫梁運動速度 分為工作行程速度、空行程速度及回程速度。應根據不同的工藝要求來確定工作行程速度，它的變化范圍很大。鍛造液壓機要求工作速度較高，可達 50150mm/s。(7) 允許最大偏心距 指工件變形阻力接近公稱壓力時所能允許的最大偏心值。在液壓機工作時不可避免地要承受偏心載荷。偏心載荷在液壓機的寬邊與窄邊都會發(fā)生。在結構設計計算時，必須考慮此偏心值。(8) 立柱中心距 在四柱式液壓機中，立柱寬邊中心距和窄邊中心距分別為 L

38、和 B。立柱中心距反映液壓機平面尺寸上工作空間的大小。立柱寬邊中心距應根據工件及模具(工具)的寬度來確定，立柱窄邊中心距應考慮更換及放入各種工具、涂抹潤滑劑、觀察工藝過程等操作上的要求。立柱中心距對三個橫梁的平面尺寸和重量均有直接影響，對液壓機的使用性能及本體結構尺寸有著密切關系3。本課題中分析的 60MN 自由鍛造液壓機的主要技術參數如表 2.1。通過模擬的整機三維立體圖見圖 2.1 60 MN 自由鍛造液壓機技術參數項目名稱單位參數公稱壓力MN60液體壓力MPa32最大行程mm2600工作速度mm/s75100空程速度mm/s300工作臺尺寸mm80003150最大凈空距mm4500立柱中

39、心距mm40002600工作次數/min412快鍛次數/min1520最大偏心距mm200結構形式三梁四柱預應力組合傳動圖 2.1 60MN 自由鍛造液壓機三維立體模型2.3本章小結本章主要簡要給出了 60MN 自由鍛造液壓機的總體結構設計方案，并附以三維立體模型圖，給出了結構設計方案的主要技術參數，為 60MN 自由鍛液壓機的設計提供了直觀的參考。第 3 章 液壓機本體結構關鍵件設計液壓機本體結構關鍵件設計3.1.1本體設計概述目前，在國內液壓機設計中，其結構不僅企業(yè)與企業(yè)之間千差萬別，即使同一企業(yè)內，同一產品，設計者不同，設計結果也可能存在較明顯的差別。因此，設計質量的高低在很大程度取決于

40、設計師的技術水平。影響液壓機質量的因素很多，其中液壓機本體的設計水平起著重要的作用。液壓機本體是液壓機的重要組成部分，其重量約占整機重量的 60%以上。液壓機本體的設計水平，對液壓機的制造成本、技術性能和使用壽命有著決定性的影響。然而我國液壓機本體的設計水平還比較落后，由于缺乏功能比較完善的現(xiàn)代化設計手段，所以導致液壓機本體設計思想保守、設計周期長、效率低。這不僅造成了人力和物力的浪費，而且嚴重影響著這些企業(yè)的市場競爭實力。.2工作缸設計液壓缸的支承型式主要有缸底支承和法蘭支承兩種型式。對于缸底支承，可以有柱塞式、活塞式；對于法蘭支承，可以有柱塞式、活塞式及差動式等。本臺液壓機工作缸采用法蘭支

41、承柱塞式結構，且工作缸為三缸分級壓力。工作缸一般由鍛鋼或鑄鋼制成，由中碳鋼鑄成的工作缸，一般多用在20MPa 以下的工作壓力，對于在更高壓力下工作的工作缸，則由碳鋼或合金鋼鍛成810。由于本液壓機工作缸要承受 32MPa 的液壓，工作缸采用低合金鋼分段鍛造。缸體材料為 20MnMo，對缸體進行調質處理時， =350372MPa，=570MPa。柱塞的表面質量，對工作缸密封裝置和導向銅套的磨損及壽命有極大的影響，因此柱塞表面必須具有足夠的硬度和良好的粗糙度。為了達到這一要求，制造柱塞的材料一般選用含碳量較高的碳素鍛鋼，鍛造毛坯，機加工后表面進行特殊處理。本臺液壓機的柱塞材料選用 45 #碳鋼制成

42、。柱塞直徑依照第四強度理論23，由下式確定： （3.1）式中 P 缸的公稱壓力(MN)p 液體的工作壓力(MN)根據式(3.1)計算得 D =，根據表3.1圓整后按照 JB2001-76 取直徑D =900mm。此時，第一級壓力為 (MN)表3.1 柱塞直徑標準（mm）柱塞標準直徑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 第二級壓力為 (MN) 第三級壓力為(MN)工作缸內直徑按照下式確定3 D1=D+t （3.2）式中 D柱塞直徑 t缸內壁與柱塞間在直徑上的間隙值，根據缸的大小及長短來選取，一般鍛造液壓缸取 1015mm。本臺液壓機工作缸為鍛造液壓缸t 取 10mm。由式(3.2)得 D1 =910mm。工作缸外直徑由下式確定3 (3.3)式中D1 工作缸內直徑p 液體的工作壓力工作缸許用應力工作缸許用應力取 110150Mpa，根據公式(2.3)計算得工作缸的外徑 D21270mm。工作缸法蘭半徑由下式確

44、定3 (3.4)式中F 單個工作缸能發(fā)出的最大力量 g許用擠壓應力，當橫梁為鑄鋼時，可取(8001000)105Par2 液缸外半徑和法蘭過渡區(qū)半徑之和，根據經驗公式取800mm根據公式(2.4)可以計算初步得到工作缸法蘭半徑 r4=740mm。工作缸柱塞與活動橫梁的連接一般有三種方式：(1) 剛性連接 柱塞下端插入活動橫梁內。此種連接方式在偏心載荷時，柱塞跟隨活動橫梁一起傾斜，將動梁所受偏心力矩的一部分傳給工作缸導向套，使導向套承受側向水平推力或一對力偶，從而加劇導向套及密封的磨損。單缸液壓機或三缸液壓機的中間工作缸多采取此種結構。(2) 單球座連接 此種結構，柱塞外端部為一球形，座于球面支

45、承座上。為了使支承座能夠自動調整中心，支承球座與活動橫梁的凹孔之間應留有間隙。壓環(huán)與柱塞圓柱部分之間應留有 5mm 以下的間隙。球面支承座的半徑之和根據公式(2.4)可以初步得到工作缸法蘭半徑 r 4=740mm。工作缸柱塞與活動橫梁的連接一般有三種方式：(1) 剛性連接 柱塞下端插入活動橫梁內。此種連接方式在偏心載荷時，柱塞跟隨活動橫梁一起傾斜，將動梁所受偏心力矩的一部分傳給工作缸導向套，使導向套承受側向水平推力或一對力偶，從而加劇導向套及密封的磨損。單缸液壓機或三缸液壓機的中間工作缸多采取此種結構。(2) 單球座連接 此種結構，柱塞外端部為一球形，座于球面支承座上。為了使支承座能夠自動調整

46、中心，支承球座與活動橫梁的凹孔之間應留有間隙。壓環(huán)與柱塞圓柱部分之間應留有 5mm 以下的間隙。球面支承座的半徑一般為柱塞直徑的 12 倍。此種結構一般用于三缸式水壓機的兩側柱塞，也可用于雙缸式帶有導向裝置的工作缸。(3) 雙球座中間桿連接 此種結構在柱塞內有一兩端為球形的柱桿分別與上下球座結合。當液壓機承受偏載時，柱桿可以擺動。從保護密封裝置不承受偏心負荷的觀點來看，這種結構最好。這種結構宜用于大型液壓機的兩側工作缸，尺寸較小時使用該種結構比較困難。有時，中間工作缸亦采用該種結構3。此種連接方式如圖 3.1 所示。本臺液壓機三個工作缸的柱塞與活動橫梁的連接方式都采取此種連接方式。.3上橫梁結

47、構設計橫梁由鑄造或焊接制成，目前以鑄造為多，一般采用 ZG35B 鑄鋼。橫梁的寬邊尺寸由立柱的寬邊中心距確定，上梁和活動梁的窄邊尺寸應盡可能小些，以便鍛造天車的吊鉤容易接近液壓機中心。梁的立柱孔高度一般是立柱直徑的 2.53.5 倍，梁的中間高度則由強度確定。中小型液壓機橫梁多數為整體結構，大型液壓機橫梁由于受鑄造、加工能力和運輸能力的限制，設計成分塊組合結構。一般由兩塊、三塊、五塊甚至七塊(下梁)組成，各塊之間用螺栓和鍵聯(lián)接。圖 3.1 柱塞與活動梁連接簡圖設計上橫梁時，為了減輕重量，根據“等強度梁”的概念，設計成圖3.2 所示的不等高梁，即立柱柱套處的高度 h 小于中間截面的高度 H。但在

48、過渡區(qū)(A 處)會有應力集中。實測數據表明，A 處的應力值比中間截面大 23倍。在實際使用中，有在該處出現(xiàn)裂紋的情況。影響 A 處應力集中的主要因素有三個：(1) 過渡圓角半徑 R。在結構允許的情況下，應盡量增大 R，以減輕應力集中。(2) 橫梁中間截面高度和柱套高度比 H/h。此值不應過大，對小液壓機應盡可能采用“等高梁”(H/h1)，對大液壓機建議采用 H/h=1.2。(3) 傾角 a。傾角不應過大4。以上這些因素的影響可歸結于應力集中系數 K。但目前尚難以定量計算 K 值，因此在設計大型液壓機時，應通過模擬試驗來選取合理的結構。有限單元法的進一步發(fā)展將會有助于定量地確定各種不同結構方案中

49、過渡區(qū)的應力集中情況。上橫梁直接與立柱、拉桿、垂直工作缸相連，梁體結構和受力狀態(tài)都很復雜。對于上橫梁，其設計原則是在滿足相連部件最小幾何尺寸要求和工藝要求的條件下，盡可能縮減其縱向、橫向尺寸，這是有效提高橫梁的剛度、強度和減輕梁的重量應首先把握的主要原則。圖 3.2 應力集中 A 區(qū)上橫梁通過立柱連接成機身上半部，并安裝工作缸。為使其組成的空間合乎要求，以及活塞運行平穩(wěn)，因此要求上橫梁安裝工作缸孔的軸線與安裝工作缸的臺肩平面應垂直，上橫梁與調節(jié)螺母接觸面與主缸臺肩接觸應平行，以及立柱穿過孔的上下平面應平行等。液壓機工作時，上橫梁承受了全部載荷。此外，在上橫梁上有的還裝有回程缸，上橫梁本身又需安

50、裝在立柱上，所以它的結構便被這些要求所限制。圖 3.3為本臺液壓機上橫梁的結構簡圖。由于上橫梁外形尺寸很大，為了節(jié)約金屬和減輕重量，應盡量使各個尺寸在允許的范圍內降到最小。梁體做成箱形結構，在安裝各種缸的地方做成圓筒形，安裝立柱的地方做成方筒形，中間加設筋板，以提高剛度，降低局部應力。.4活動橫梁結構設計活動橫梁的主要作用為：與工作缸柱塞桿連接傳遞液壓機的壓力，通過導向套沿立柱導向面上下往復運動；安裝固定模具及工具等。因此需要有較好的強度、剛度及導向結構?；顒訖M梁上部與工作缸柱塞相連，下部與上模座相連，梁體結構和受力狀態(tài)都很復雜。當液壓機工作時，高壓液體作用于柱塞的力是通過活動橫梁及上砧傳遞到

51、鍛件上而做功，活動橫梁的上下運動則依靠梁與立柱的導向裝置。本臺液壓機活動橫梁的結構尺寸如圖 3.4 所示對于活動橫梁，其設計原則與上、下橫梁相同，是在滿足相連部件最小幾何尺寸要求和工藝要求的條件下，盡可能縮減其縱向、橫向尺寸，這是有效提高梁的剛度、強度和減輕梁的重量應首先把握的主要原則。設計活動橫梁時，其基本要求和上、下橫梁類同。若被壓制零件尺寸較大，多制件同時加壓和使用中具有偏心載荷等條件下，就要求活動橫梁不但有足夠的承壓強度，還應具有一定的承載剛度與抗彎能力，此時常將它設計成高度略低于上橫梁而壁厚相近的封閉箱形體，它的上部通過球形端面支承的柱桿和柱塞相連接。柱塞與梁體接觸所產生的壓力，力求

52、分布均勻。 圖 3.3 上橫梁結構 圖 3.4 活動橫梁的結構活動橫梁的導向部分應有一定的高度，以保證足夠的精度。一般情況下，導向部分高度不應小于活塞行程的二分之一。活動橫梁和立柱配合處裝有導套，它是液壓機運動部分的導向裝置。合理的選用導套的結構和間隙，直接影響立柱和整個機架的受力情況。如圖 3.5 所示，導套的結構主要有以下三種。(1) 圓柱面導套 在活動橫梁與立柱的接觸處，裝有上、下兩個導套，它們由兩半組成。為了拆裝方便，兩半導套的剖分面最好有 35 度，導套兩端裝有防塵用的氈墊。如圖 3.5(a)所示。這種導套結構簡單，加工方便，但在偏心載荷引起活功橫梁傾斜時，導套和立柱間的接觸為線接觸

53、，使整個壓機機架受力情況不好，磨損加劇，因此，這種結構一般用在中小型液壓機。 （a） (b) (c)圖 3.5 立柱導套的型式(2) 球面導套 有雙球面和單球面兩種，在活動橫梁傾斜時，球面導套和球面支承之間能相對滑動，使立柱與導套仍保持面接觸，改善了整個壓機機架的受力情況，但結構較復雜，一船適用于中型或大型液壓機。如圖3.5 (b)所示。當活動橫梁與柱塞均為球鉸連接時，采用雙球面導套，而當中間柱塞與活動橫梁為剛性連接時，一般采用單球面導套。(3) 可調間隙的導套 以上兩種導套與立柱間的間隙是不能調整的，對于模鍛和沖壓液壓機導向精度要求較高，間隙最好是可以調節(jié)的。但這種結構復雜，間隙也不易調整。

54、如圖 3.5 (c)所示。本臺液壓機由于為 60MN 大型鍛造液壓機，受力較為復雜，因此采用雙球面導套形式。.5下橫梁結構設計下橫梁也稱底座，它通過支座支承于基礎之上，下橫梁上一般安裝有移動工作臺，有的液壓機還裝有頂出器，下橫梁的兩側一般還有側梁，以便安裝移動工作臺的缸、導向塊及拉帶等。它是整機的基礎性零件，是安裝模具的基礎。側梁用螺栓及鍵與下橫梁相連結。下橫梁窄邊的寬度應保證能放下馬架，不致使馬架落到側梁上。下橫梁的剛度要求應略嚴一些，以保證整個壓機的剛性。下橫梁直接與立柱、拉桿、工作臺、回程缸和頂出器相連，梁體結構和受力狀態(tài)都很復雜。對于下橫梁，其設計原則與上橫梁相同，是在滿足相連部件最小

55、幾何尺寸要求和工藝要求的條件下，盡可能縮減其縱向、橫向尺寸，這是有效提高梁的剛度、強度和減輕梁的重量應首先把握的主要原則。下橫梁是三梁四柱式液壓機的一個主要部件，它不僅承受全部壓力，而且在它上面要安裝移動工作臺、側梁。本臺液壓機下橫梁結構尺寸如圖 3.6 所示。下橫梁設計時，除了滿足與立柱、拉桿連接，并保證工作臺的尺寸和安裝回程缸的空間，還要盡量使梁的橫向、縱向尺寸最小以滿足重量最小這一條件。下橫梁結構形式和上橫梁類似，其箱體中加的筋板按方格形布置1314。.6回程缸和平衡缸設計在本液壓機設計中，采用兩個柱塞式液壓缸實現(xiàn)活動橫梁的回程和平衡。通過改變液體壓力來實現(xiàn)回程和平衡作用。根據經驗公式，

56、回程力取公稱壓力的10% ，故回程壓力：（MN） 所以， 回程缸柱塞直徑 23 （3.5）根據表2.2圓整后按照 JB2001-76，取柱塞直徑D =360mm 缸內壁直徑： D1 =D+t =375mm，t取15mm缸外壁直徑由下式確定3： （3.6）圓整后取 =540mm，法蘭的直徑由公式(3.4)確定，計算可得 Df =650mm。.7立柱和柱套結構設計在液壓機機架的結構設計中，立柱往往是薄弱環(huán)節(jié),它將上橫梁與下橫梁緊固的連接在一起，形成一個封閉的剛性受力框架，液壓機加壓時，它不僅要承受軸向拉力，而且還要承受偏心載荷引起的彎矩。特別是在立柱與橫梁的連接部位，容易產生應力集中。這樣，一般結

57、構液壓機的立柱均在有較大拉應力振幅的脈動循環(huán)載荷下工作，很容易導致疲勞破壞。圖 3.6 下橫梁結構圖本臺鍛造液壓機采用的是預應力組合機架。立柱由兩部分組成，即由外面的空心柱套和立柱桿組成，柱套位于上下橫梁之間，在預緊時主要承受壓應力，中間有 4 根拉桿穿過上、下橫梁與柱套，用預緊力將這幾部分緊緊地連在一起。這種結構對拉桿而言，雖然在未承載時和承載時均有較高的應力，但應力波動幅度小，另外拉桿的截面形狀沒有急劇變化。對立柱而言，主要承受壓力及彎矩，抗彎剛度比較大。因此，它們的抗疲勞性能均很好。柱套的材料選用 20MnV 鑄鋼，其強度和韌性都不低于中碳鍛鋼，所以降低了立柱的制造成本。拉桿的材料為 1

58、8MnMoNb，采用鍛焊結構制造。由于立柱長 14210mm，使制造上有很大困難，所以拉桿在高度方向上分成兩部分，單獨制造，這兩部分再用焊接的方法連接在一起1516。本臺液壓機立柱桿采用空心拉桿，因為立柱桿較粗不易鍛透，中心可能有疏松或裂紋，因此需將中心部分鉆掉，同時空心部分可以利用作低壓管道和預緊加熱孔。立柱的預緊方法有多種，對小型液壓機可使用扳手旋緊螺母，但其所能達到的預緊力是有限的。一般液壓機可采用“超壓預緊”、“加熱預緊”以及“液壓拉緊”。超壓預緊適用于內外螺母式立柱結構的液壓機；超壓后，用扳手旋緊上、下橫梁處的內螺母即可，但旋緊時需注意保證上橫梁下表面與下橫梁上表面之間的平行度。采用

59、加熱預緊，一般采用電加熱或蒸汽加熱方法。蒸汽加熱需在拉桿上鉆通孔。電加熱通常需在立柱端部鉆一個孔，其深度需大于橫梁高度，孔內插入電熱棒加熱，加熱時應注意兩對角拉桿同時加熱。本臺液壓機立柱即采用電加熱預緊。采用液壓拉緊裝置對螺栓進行冷拉，所需時間短，效率高，但需一套專門裝置。采用預應力結構，立柱半徑設計由下式確定3 (3.7)式中 F 2.5 倍的公稱壓力材料許用應力，取 150MPar 立柱截面半徑由式(3.7)計算得圓整后取r =325mm。柱套的外徑由下式計算確定17 (3.8) 式中 F 0.5 倍的公稱壓力材料許用應力，取 150MPaR 柱套截面外半徑r 柱套截面內半徑取 660mm

60、由式(3.8)代入數據計算得:取R =400mm。柱套與立柱的結構如圖 3.7 所示圖 3.7 柱套與立柱截面結構簡圖本章小結本章提出了 60MN 自由鍛造液壓機的本體結構初步設計方案，同時給出了工作缸、上下橫梁和活動橫梁的結構方案、導向機構設計方案、預緊方式等，并計算出各個部件的設計參數。第 4 章 液壓缸設計與分析4.1液壓缸的設計液壓缸部件的作用在于把液體壓力能轉換成機械功。高壓液體進入缸內后，作用于柱塞(活塞)上，經過活動橫梁將力傳到工件上，使工件產生塑性變形。它是液壓機主要部件之一。液壓缸作為液壓機中的重要部件，它的損壞會導致整個液壓機停產，制造一個大型液壓缸耗資數十萬元，且加工周期