機電裝備設計第四章(4學時之一)

1第四章機電裝備支承件和導軌設計

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RailDesignforElectro-mechanicalEquipment4.1基本要求及設計步驟4.2靜力分析4.3動態(tài)特性4.4熱變形特性4.5結(jié)構(gòu)設計本次課內(nèi)容24.1基本要求及設計步驟

支承件是機電裝備中的重要基本構(gòu)件之一。組成：機身、立柱、橫梁、底座、工作臺、箱體及升降臺等大件。功用：支承其他零部件，使它們之間保持正確的相互位置和相對運動。支承件還承受各種作用力，不僅承受重力，還承受切削力、摩擦力、夾緊力等。有些支承件的內(nèi)部空間較大，常被利用作為切削液、潤滑液的儲存器或液壓油的油箱；有時，也可將變速箱、電動機和電氣箱等部件放在其中。機電裝備的外部支撐件還可對機電裝備起裝飾作用。34561基本要求1）應具有足夠的抵抗變形的能力；2）有良好的動特性，有足夠大的抵抗受迫振動和自激振動的能力；3）具有良好的熱穩(wěn)定性；4）應具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，以減少其內(nèi)應力；5）加工及裝配工藝性好。支承件的性能對機電裝備的性能影響很大，其重量占總重量的80%以上。目前主要是根據(jù)同類機型上的支承件進行類比設計。72設計步驟1）受力和變形分析，確定力和力矩；2）利用類比設計法初定其形狀和尺寸；3）采用有限元法（FEA），利用計算機進行驗算或分析；4）在分析基礎上，進行熱變形和熱應力分析；5）修改原設計方案，綜合對比，從中擇優(yōu)。4.2靜力分析保證支承件具有足夠的剛度。先進行受力和變形分析→由變形及引起有關(guān)零部件之間相對運動誤差→合理地進行支承件的結(jié)構(gòu)設計→使其變形控制在允許的誤差范圍之內(nèi)→保證機電裝備的工作精度。84.2.1受力和變形分析（以臥式床身為例）

產(chǎn)生的彎矩使床身在垂直面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，從而使工件產(chǎn)生的加工誤差，但對工件直徑影響較小。

9產(chǎn)生的彎矩使床身在水平面內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形，并使加工出的工件呈鼓形。變形量以近似1：1的比例關(guān)系反映在工件的半徑誤差上。

10床身橫截面上受到的轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)矩使床身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，造成前后導軌不平行，喪失了車床的原始精度。車床工作時，刀架沿著變了形的導軌移動，使工件產(chǎn)生加工誤差。床身受到的扭轉(zhuǎn)變形是的占床身變形量的60～90％。

11設計長床身時，扭轉(zhuǎn)變形會使刀尖與工件間產(chǎn)生相當大的位移，甚至會成為變形的主要方面，因此要注意提高床身的抗扭剛度。在彎曲變形中。水平面的彎曲變形對加工精度影響較大，因此床身一般設計成近似方形，以提高其水平面內(nèi)的抗彎剛度。124.2.2靜剛度支承件剛度不足，則在重力、夾緊力、切削力和摩擦力等作用下會出現(xiàn)變形，振動或爬行等現(xiàn)象，影響裝備的性能和定位精度、加工精度等。支承件變形包括三部分；自身變形、局部變形和接觸變形。1提高支承件自身的剛度定義：支承件抵抗自身變形的能力。與支承件的材料、形裝、尺寸及肋板的布置等因素有關(guān)。1）合理選擇支承件的截面形狀無論圓形、方形或矩形，都是空心截面的慣性矩比實心的大；圓形截面的抗扭剛度比方形的大，抗彎剛度比方形的小；封閉截面的剛度比不封閉截面的大。

13142）合理布置肋板和肋條

肋板又稱隔板，肋條又稱加強肋。肋板和肋條作用:使作用于支承件局部的載荷通過它們傳遞給其它部分→使整個支承件承受載荷→提高支承件的自身剛度。肋板是在支承件兩壁之間起連接作用的連接板?？v向肋板：提高抗彎剛度；橫向肋板：增加抗扭剛度；斜向肋板：提高抗彎和抗扭剛度作用。為了有效提高抗彎剛度，縱向肋板應布置在彎曲平面內(nèi)。

15前者抗彎剛度明顯大于后者。16空心零件在扭轉(zhuǎn)時出現(xiàn)壁翹曲，引起截面畸變。增加橫向肋板后，畸變幾乎消失，端部位移大大減小。變形相同時材料消耗的比值17支承件受扭時，截面a1b1c1d1

相對于截面a2b2c2d2產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使a1與b2,d1與c2

之間的距離發(fā)生變化，引起截面畸變。增加斜向肋板后，使畸變減小，提高了抗彎剛度。18“T”形肋板：提高水平面上的抗彎剛度，對垂直面的抗彎和抗扭剛度提高得不明顯。b)“∩”形肋板：垂直面和水平面的抗彎剛度都比較高，應用較多。c)肋板“W”形布置：提高水平面上的抗彎、抗扭剛度；d)采用封閉截面：提高了床身的剛度，又能自由排屑，鑄造較困難1920肋條的作用與肋板相同，一般配置在支承件的內(nèi)壁上，以提高壁板的抗彎剛度，減少局部變形。當壁板面積大于400mm×400mm時，在支承件的內(nèi)壁上增加肋條可避免出現(xiàn)薄壁振動現(xiàn)象。213）合理開孔和加蓋開孔是工藝上的需要，為了安裝機件或清砂，減輕重量及造型等的需要。窗孔對支承件的剛度的影響取決于它的大小和位置。φ0/φ為開孔前后扭轉(zhuǎn)角之比，實線表示在前壁上開一孔的情況，虛線表示前、后壁各開一孔的情況。

222提高支承件的連接剛度和局部剛度連接剛度：支承件在連接處抵抗變形的能力。局部剛度：支承件抵抗局部變形的能力。

連接剛度影響因素：連接處的材料、幾何形狀與尺寸，接觸處硬度及表面粗糙度、幾何精度和加工方法等因素有關(guān)。當支承件以凸緣連接時，連接剛度取決于螺釘剛度、凸緣剛度和接觸剛度。為了保證支承件具有一定的接觸剛度，接合面上的壓力應不小于1.5~2.0MPa,

23埋入式圖a）無肋板剛度較低；圖b）加了4條肋板剛度較高；圖c）底面為封閉式結(jié)構(gòu)，向內(nèi)加了工藝凹孔，6個螺釘在4個方向，其剛度最高。右圖顯示了在兩種不同的連接設計中，受載時E點處在y方向上的變形量。24增加凸緣厚度可提高慣性矩，但螺栓要相應加長，使螺栓的伸長變形量增加，降低了接觸剛度，故凸緣厚度不宜太大。

25支承件的局部變形主要發(fā)生在載荷較集中的局部結(jié)構(gòu)處，它與局部變形處的結(jié)構(gòu)及尺寸等因素有關(guān)

264.3動態(tài)特性4.3.1動態(tài)分析支承件設計除了要滿足靜剛度的要求外，還應滿足動態(tài)特性的要求。即支承件的固有頻率不能與激振頻率重合；應具有較高的動剛度（共振狀態(tài)下，激振力的幅值與振幅之比）和較大的阻尼→支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下，其受迫振動的幅值較小。動態(tài)分析在已知系統(tǒng)的動力學模型、外部激振力和系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析以下問題。1固有特性頻率目的：避免系統(tǒng)在工作時發(fā)生共振，對系統(tǒng)作進一步的動態(tài)分析。

取決于物理模型。支承件看成為簡單振動系統(tǒng)：其固有特性主要指系統(tǒng)的固有頻率；支承件看成為復雜振動系統(tǒng)：其固有特性是指系統(tǒng)的各階固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等。272動力響應外部激振力作用時→系統(tǒng)將產(chǎn)生動力振動→系統(tǒng)的構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)應力→導致構(gòu)件出現(xiàn)疲勞損壞。振動響應引起過大的動態(tài)位栘，影響機電裝備的的工作性能。3動力穩(wěn)定性目的：確定機電裝備發(fā)生震顫的臨界條件，保證機電裝備在規(guī)定的工作條件下不出現(xiàn)自激振動。

固有頻率和振型合稱為模態(tài)。自激振動：由系統(tǒng)本身的動力特性及系統(tǒng)工作過程所決定，不受外部激振力的影響。

顫振和爬行均屬于自激振動。自激振動系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。28圖a）為第一階模態(tài)的整機搖晃振動，頻率范圍約在15~30Hz，常見的為20~25Hz。圖b）為第二階模態(tài)的扭擺振動，頻率范圍約在30~120Hz，常見的是40~70Hz。圖c）為垂直彎曲振動，頻率約為80~140Hz。圖d）為水平彎曲振動。頻率范圍為90~150Hz。294.3.2改善動態(tài)特性的措施上式可看出，提高結(jié)構(gòu)動剛度的措施：提高系統(tǒng)的靜剛度K，增大系統(tǒng)中的阻尼比ξ，改變激振角頻率ω和系統(tǒng)的固有角頻率ωn

。30對于不同的激振頻率段，在提高動剛度時，采取的措施面有所不同。●激振頻率在“準靜態(tài)區(qū)”，即0＜λ＜

（0.6～0.7）時，提高結(jié)構(gòu)的靜剛度K；●在“共振區(qū)”，即(0.6～0.7)≤λ≤(1.3～1.4)時，增加阻尼ξ；●在“慣性區(qū)”，即λ＞(1.3～1.4)時，可加大結(jié)構(gòu)重量。31改善動態(tài)特性措施：1提高靜態(tài)剛度合理地設計支承件的結(jié)構(gòu)和尺寸，合理地布置肋板和肋條。此外，還應注意支承件的整體剛度、局部剛度和接觸剛度的匹配等。2增加阻尼在振動頻率較高且接近固有頻率時，增加阻尼是提高支承件動剛度的有力措施，可大大降低其振幅，減小振動。常用方法：保留鑄件中的型芯，采用具有阻尼性能的焊接結(jié)構(gòu)，在支承件中灌注混凝土，表面噴涂具有高內(nèi)阻尼的粘滯性材料，利用接合面間的摩擦阻尼來減小振動。32333調(diào)整固有頻率激振力的頻率一般較低，而支承件的固有頻率應遠離激振力的頻率。方法：增加支承件的剛度或減少質(zhì)量，都可以提高固有頻率；而改變阻尼系數(shù)，對固有頻率的變化影響不大。4采用減振器采用減振器也是提高抗振性的一種有效的方法。其特點是結(jié)構(gòu)輕巧，在某些情況下比單純提高支承件結(jié)構(gòu)的剛度容易實現(xiàn)。344.4熱變形特性4.4.1熱平衡機電裝備在單位時間內(nèi)的發(fā)熱量等于其散熱量，就達到了熱平衡。機床一般要運轉(zhuǎn)2～3h，才能達到熱平衡。35

支承件的熱量主要來自于某幾個相應的熱源。熱源處溫度比其他部分的溫度高，離熱源越遠則溫度越低，這樣就形成了溫度場。溫度場通常可用等溫線來表示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，主軸箱前后軸承處溫度較高。364.4.2熱變形和熱應力支承件的熱變形分為自由狀態(tài)熱變形和非自由狀態(tài)熱變形。由于溫度變化，機電裝備中的每個單元都要產(chǎn)生熱變形；同時，單元又是整體的一部分，它不能進行自由變形，要受到其他單元的約束，故在單元與單元聯(lián)接的節(jié)點上產(chǎn)生了熱應力。將熱應力看作是等效的外力，就可求出等效力作用下支承件的變形→支承件的熱變形。該方法可將熱變形計算轉(zhuǎn)化為靜剛度計算問題。4.4.3減少熱變形的措施1控制溫升；2均衡溫度場（大型平面磨床）；3采用熱對稱結(jié)構(gòu)（雙立柱結(jié)構(gòu)的加工中心）；4采用溫度補償裝置（產(chǎn)生反方向熱變形）；5在發(fā)生熱伸長主要部位采用熱膨脹系數(shù)小的材料(鎳合金鋼)；374.5結(jié)構(gòu)設計4.5.1截面形狀選擇a)前后頂三面封閉，容易制造，但剛度低；b)前后底三面密封，床身內(nèi)的空間可用于存儲潤滑油和切削液，以及安裝驅(qū)動機構(gòu)等，但床身前后壁之間無隔板相連，故剛度低；c)為兩面封閉的床身，剛度低，但便于排屑和冷卻液的流通，用于對剛度要求不高的機床；d)大型和重型機床的床身，采用三道壁，導軌多達4～5個。38立柱的截面形狀由剛度決定。對承受彎矩為主的立柱采用矩形截面，如g和h所示。對于受轉(zhuǎn)矩為主的支承件（如搖臂鉆床和立鉆的立柱），應采用圓形截面，如e所示，外表面起導軌作用；對于同時承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的支承件應采用近似方形的截面，如f所示，一般B/H=0.5~1.5。394.5.2壁厚設計為了減輕重量，節(jié)約材料，減小驅(qū)動力，節(jié)能，應在結(jié)構(gòu)工藝可行的條件下，盡量減小支承件的壁厚?！痂T鐵的壁厚應盡可能設計成均勻的形式，避免出現(xiàn)內(nèi)應力?！鸷附咏Y(jié)構(gòu)通常用鋼板和型鋼焊接而成。1）由于鋼的彈性模量約比鑄鐵大一倍，故用鋼板焊接成的支承件的抗彎剛度約為鑄鐵支承件的1.45倍。因此，在承受同樣載荷的條件下，焊接支撐件的壁厚可以比鑄鐵薄2/3~4/5;2)但鋼的阻尼是鑄鐵1/3，抗振性差。在設計焊接件時，還應在結(jié)構(gòu)和焊縫上采取相應的抗振措施?！鸷附又渭慕孛嫘螤畛ＴO計成封閉式，并通過合理地布置肋板和肋條來提高其剛度。404.5.3結(jié)構(gòu)工藝性

結(jié)構(gòu)工藝性是指支撐件的構(gòu)造在滿足機電裝備正常工作性能的前提下，在工藝上還要便于鑄造、鍛造、焊接和機械加工等，達到節(jié)約材料和能源、提高經(jīng)濟效益等目的。木模制造困難型芯復雜造型麻煩414.5.5常用材料與時效處理1鑄鐵鑄造性能好，內(nèi)摩擦力較大，阻尼系數(shù)大，使振動衰減的性能好，材料成本較低。常用HT200、HT150、HT100。

2鋼材可做成封閉結(jié)構(gòu)，剛性較好，質(zhì)量輕，固有頻率高。利用計算機，對焊接件的結(jié)構(gòu)和剛度進行分析，根據(jù)受力情況，合理布置肋板和肋條，選擇合適厚度的材料，來提高支承件的動靜剛度。節(jié)材20～50%，抗振性差。423預應力鋼筋混凝土數(shù)控車床的混泥土底座和鑄鐵床身的組合：結(jié)構(gòu)阻尼性能好，支承件動剛度很高，安裝時不用地基。底座由鋼板焊接而成的箱體，內(nèi)充填混凝土，其中有鋼筋支承，床身連在它上面。床身是一個封閉的箱形鑄件，里面保留型砂，可提高床身的阻尼。434天然花崗巖優(yōu)點：性能穩(wěn)定，精度保持性好，抗震性好，阻尼系數(shù)比鋼大15倍，耐腐蝕性比鐵高5～6倍，熱導率和線脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，抗氧化性強，不導電，抗磁，與金屬不粘合，易于加工，通過研磨和拋光可以得到很高的表面粗糙度。缺點：抗沖擊性能差，脆性大，油和水等液體一滲入晶界中，使表面局部變形漲大。445樹脂混凝土采用合成樹脂為粘接劑，加入固化劑、稀釋劑、增韌劑等將骨料固結(jié)而成。稱人造花崗巖特點：◆剛度高，具有良好的阻尼性能，阻尼比是灰鑄鐵的8～10倍；◆抗振性好；熱容量大，熱導率只有鑄鐵的1／40～1／25，熱穩(wěn)定性高，構(gòu)件的熱變形??；◆密度是鑄鐵的1／3，重量輕，可獲得良好的幾何形狀精度，表面粗糙度也較低；◆對切削液、潤滑劑、冷卻液有極好的耐腐蝕性；◆與金屬的粘結(jié)力強，