設計一臺單缸傳動液壓機液壓系統(tǒng)及單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算

班級PAGEPAGE201液壓系統(tǒng)設計分析題目要求設計一臺單缸傳動液壓機液壓系統(tǒng)，工作循環(huán)式：低壓下行——高壓下行——保壓——低壓回程——上限停止。自動化程度為半自動，油缸垂直安裝。2工況分析液壓缸所受外負載F包括三種類型，即F=Fw+Ff+Fm式中：Fw—工作負載；Fm—運動部件速度變化時的慣性負載；Ff—導軌摩擦阻力負載，啟動時為靜摩擦阻力，啟動后為動摩擦阻力，對于平導軌Ff可由下式求得：1.工作負載Fw=1X106N2.摩擦負載摩擦負載就是液壓缸驅動工作時，所需要克服的機械摩擦阻力。由于液壓缸是垂直安裝，摩擦阻力相對工作負載慣性負載很小，一般可將其算在液壓缸的機械效率中，在這里不考慮。3.慣性負載慣性負載即運動部件在啟動和制動過程中的慣性力。計算公式：Fm=ma=GΔv/(g.Δt)式中：m—運動部件的質量a—運動部件的加速度G—運動部件的重量g—重力加速度Δv—速度變化值Δt—啟動或制動時間，有經驗可得Δt=0.5S，沖頭啟動和制動的加速或減速都在0.5S內完成。加速：Fm1=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.025/9.8X0.5=102N減速：Fm2=GΔv/(g.Δt)=2X104X（0.025-0.001）/9.8X0.5=98N制動：Fm3=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.001/9.8X0.5=4.08N反向加速：Fm4=GΔv/(g.Δt)=2X104X0.025/9.8X0.5=102N反向制動：Fm5=Fm4=102N液壓缸各階段中的負載入下表所示：工況負載計算公式液壓缸負載F/N液壓缸推力/N啟動F=Fw0.5X106555555加速F=Fw+Fm1500102555668快下F=Fw500000555555慢下F=Fw-Fm2499902555447制動F=Fw-Fm3499996555551反向加速F=Fm4102113制動F=—Fm5-102-1133負載圖和速度圖的繪制按照前面的負載分析結果及已知的速度要求，行程限制等，繪制出負載圖及速度圖如下圖：4液壓缸主要參數的確定1.初選液壓缸的工作壓力液壓缸工作壓力主要根據液壓設備類型確定，對不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，通常采用的壓力也不同。根據分析此設備的大概負載，初選液壓缸的工作壓力20MP。2.計算液壓缸的尺寸單活塞桿液壓缸計算示意圖單活塞桿液壓缸計算示意圖A=F/P=555668/20X106=0.028m2D=(4A／∏)?=0.188m按標準取：D=200mm因為P大于7，所以d=0.7XD=140mm安標準?。篸=150mm則液壓缸的有效作用面積為:無桿腔面積A1=0.031m2有桿腔面積A2=0.013m23.液壓缸的最大流量Q(快下)=A1V快下=0.031X58X10-3=107.88(L/min)Q(慢下)=A1V慢下=0.031X0.003=5.58(L/min)Q(快上)=A2V快上=0.013X0.117=91.26(L/min)5液壓系統(tǒng)圖擬定1.確定供油方式考慮到該機床在工作進給時負載較大，速度較低，而在快進、快退時負載較小，速度較高，從節(jié)省能量，減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜選用雙泵供油或變量泵供油，現采用帶壓力反饋的限壓式變量葉片泵。2.調速方式的選擇在中小型專業(yè)機床的液壓系統(tǒng)中，進給速度的控制一般采用節(jié)流閥或調速閥。根據鉆孔類專用機床工作時對低速性能和速度負載特性都有一定要求的特點，決定采用限壓式變量泵和調速閥組成的容積節(jié)流調速。這種調速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點，并且調速閥裝在回油路上，具有承受負切削力的能力。3.速度換接方式的選擇本系統(tǒng)采用電磁閥的快慢速換接回路，它的特點是結構簡單、調節(jié)行程比較方便、閥的安裝也較簡單，但速度換接的平穩(wěn)性較差。若要提高系統(tǒng)的換接平穩(wěn)性，則可改用行程閥切換的速度換接回路。最后，把所選擇的液壓回路組合起來，即可組合成液壓系統(tǒng)原理圖。6液壓元件的選擇1確定液壓泵的規(guī)格1.1確定液壓泵的工作壓力考慮到正常工作中進油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為Pp=P1+ΣΔp式中：Pp—液壓泵最大工作壓力；P1—執(zhí)行元件最大工作壓力；ΣΔp—進油管路中的壓力損失，初算是簡單系統(tǒng)可取0.2~0.5M復雜系統(tǒng)可取0.5~1.5MPa。本題中取0.5MPa。因此Pp=P1+ΣΔp=25+0.5=25.5(MPa)上述計算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡階段出現的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到一定的壓力貯備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力Pa應滿足Pa≥(1.25~1.6)Pp。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。在本題中Pa=1.3Pp=7.15MPa。1.2泵的流量確定液壓泵的最大流量應為Qp≥KL(ΣQ)max式中：Qp—液壓泵的最大流量；(ΣQ)max—各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進行工作，尚須加1溢流閥的最小流量2~3L/min；KL—系統(tǒng)泄露系數，一般取1.1~1.3，現取KL=1.1。因此Qp=KL(ΣQ)max=1.1×73.5=80.85L/min)根據以上算得的Pp和Qp，查閱有關手冊，現選用ＣＺＢ—１６０軸向柱塞泵，該泵的基本參數為：泵的額定壓力P0=３１．５MPa，電動機轉速n0=1０００r/min，容積效率ηv=0.85，總效率η=0.72。２確定電動機的規(guī)格由前面得知，本液壓系統(tǒng)最大功率出現在工作缸壓制階段，這時液壓泵的供油壓力值為2５．５Mpa，流量為已選定泵的流量值。液壓泵的總效率。柱塞泵為，取0.8。選用1000r/min的電動機，則驅動電機功率為：P=PbQp/η＝25.5X選擇電動機，其額定功率為18.5KW.7液壓系統(tǒng)的性能驗算7.1壓力損失的驗算工作進給時進油路壓力損失運動部件工作進給時的速度為25mm/s，進給時的最大流量為73.5L/min，則液壓油在管內流速v1為：v1=Q/(πd2/4)=4×73.5×1000/(3.14×252)=149(cm/s)管道流動雷諾數Re1為Re1=v1d/υ=149×0.2/1.5=19.8<2300可見油液在管道中流態(tài)為層流，其沿程阻力系數λ1=75，Re1=0.68.進油管道的沿程壓力損失Δp1-1為Δp1-1=λ(l/d）/(ρv2/2)=0.68×(1.7+0.3)/(0.025×920×1.492/2)=0.5MPa查得換向閥34EF3P—E10B的壓力損失Δp1-2=0.5MPa。忽略油液通過管接頭、油路板等處的局部壓力損失，則進油路的總壓力損失Δp1=Δp1-1+Δp1-2=0.5+0.5=1(MPa)工作進給時回油路的壓力損失由于選用單活塞桿液壓缸，且液壓缸有桿腔的工作面積是無桿腔的工作面積的二分之一，則回油管道的流量為進油管道的二分之一，則v2=v1/2=25/2=12.5(cm/s)Re2=v2d/υ=15×2/1.5=20<2300λ2=75/Re2=75/20=3.75回油管道的沿程壓力損失Δp2-1為Δp2-1=λ2(l/d)/(ρv2/2)=3.75(1.7+0.3)/(0.02×920×0.1252/2)=1.07Mpa查產品樣本知換向閥24EF3M—E10B的壓力損失為Δp2-2=0.025MPa調速閥QF3—E10B的壓力損失Δp2-3=0.5MPa?；赜吐房倝毫p失Δp2為Δp2=Δp2-1+Δp2-2+Δp2-3=1.07+0.025+0.5=1.6(MPa)快退時壓力損失驗算從略，上述驗算表明，無需修改原設計。參考文獻[1]許賢良，王傳禮.液壓傳動.北京：國防工業(yè)出版社，2006.[2]張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設計.北京：化工工業(yè)出版社，2005.[3]王守城，段俊勇.液壓元件及選用.北京：化工工業(yè)出版社，2007.[4]左健民.液壓與氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社.2007.[5]周士昌.液壓系統(tǒng)設計圖集.北京：機械工業(yè)出版社，2003.材料力學課程設計班級：作者：題目：單缸柴油機曲軸的強度設計及剛度計算、疲勞強度校核指導老師：課程設計的目的材料力學課程設計的目的是在于系統(tǒng)學習材料力學后，能結合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學的理論和現代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識綜合應用，又為后繼課程打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高。使所學的材料力學知識系統(tǒng)化，完整化。在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際問題。3）綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關學科的知識有機地聯系起來。4）初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法，為后續(xù)課程的學習打下基礎。5）為后續(xù)課程教學打下基礎。課程設計的任務和要求要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內力圖，列出理論依據并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。設計題目某柴油機曲軸可以簡化為下圖所示的結構，材料為球墨鑄鐵(QT450-5)彈性常數為E、μ，許用應力為[σ]，G處輸入轉矩為，曲軸頸中點受切向力、徑向力的作用，且=。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4≤≤1.6，2.5≤≤4,=1.2r,已知數據如下表：0.110.181500.271201800.050.788.51700.06畫出曲軸的內力圖。設計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。設計曲柄臂的b、h。校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度，取疲勞安全系數n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。用能量法計算A-A截面的轉角,。畫出曲軸的內力圖外力分析畫出曲軸的計算簡圖，計算外力偶矩N·m讀圖NN在xoy平面內取平衡y=0=0即FAy+FFy-Fr=0Frl1-FFyl1（+l2）=0計算反力解方程可求得在XOY平面內：===2469.57N===1509.18N同樣道理在XOE平面內：===4939.14N===3018.36N在多個作用力作用下曲軸組合變形，每一段變形情況不一致，可分段分析。各段變形復合單獨分析復雜，分成每個方向上單獨受力，作出內力圖。內力分析（可先分析危險截面各處受力狀況）=1\*GB3①主軸頸的EF左端（1-1）截面最危險，受扭轉和兩向彎曲組合變形==477.45=*（–）=434.64=*（–）=217.32=2\*GB3②曲柄臂DE段下端（2-2）截面最危險，受扭轉、兩向彎曲和壓縮組合變形=Me=477.45=*（–）=434.64=*（–）=217.32==1509.18N=3\*GB3③曲柄頸CD段，以A端開始分析，過中間位置時各力和力矩開始變小，因此中間截面（3-3）最危險，受扭轉和兩向彎曲組合變形=*r=293.65=*=543.31=*=271.65④曲柄臂BC段根據A端受力，C端截面最危險，受兩個彎矩，一個扭矩，一個軸力作用組合變形M4x=FAz*r=296.35N·mM4y=FAz*（l1-）=365.50N·mM4z=FAy*（l1-）=182.75N·mF4N=FAy=2469.57N·m⑤主軸AB端，B段截面最危險，受兩個彎矩作用M5y=FAz*（l1-）=365.50N·mM5z=FAy*(l1-)=182.75N·m由上分析可知各危險截面的力和力矩，有對于各段軸為兩端或一端受力，內力圖為線性關系。可以用兩點法，按相應的比例關系及x、y、z、軸力方向作出各段的內力圖。內力圖如下（不計內力彎曲切應力，彎矩圖畫在受壓側）：（單位：力—N力矩—） 設計曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D主軸頸的危險截面為EF的最左端，受扭轉和兩向彎曲根據主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強度理論計算=≤[]其中=[]=120MPaD得D≥38.68mm取D=40mm曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強度理論，在危險截面3-3中：d得d38.58mm故取d=40mm校核曲柄臂的強度曲柄臂的強度計算曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力），由內力圖可知危險截面為2-2截面，曲柄臂上的危險截面2-2的應力分布圖如下圖：根據應力分布圖可判定出可能的危險點為，，。已知條件理想情況為截面面積（b*h）最小，同時也符合強度要求。可先取面積最小值檢驗其強度要求是否符合。即令：h=1.4D=56mmb==14mm點：點處于單向應力狀態(tài)其中A2=bhWz2=wx2=把數據代入上式中得=185.97MPa>選取此種尺寸時不滿足強度要求，考慮到所給條件截面面積最大可為h=1.6D=64mmb=h2.5=25.6mm帶入得=59.39MP<[]此時點滿足強度條件。點：點處于二向應力狀態(tài)，存在扭轉切應力曲柄臂簡化為矩形，非圓截面，查表3-1對=2.5點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的=32.01MPa由第三強度理論代入數據==86.48MPa<[]所以點滿足強度條件。點：點處于二向應力狀態(tài)=28.24MPa根據第三強度理論===67.78MPa<[]所以點滿足強度條件。綜上，曲柄臂滿足強度條件?？扇?2.5，滿足強度條件。可進一步細化分析在滿足強度條件下減小h、b值，從而節(jié)約成本。由后面的附錄求得h,b的最優(yōu)值為58，23.校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度由題意對球墨鑄鐵QT450-5查表得（表面質量系數）已知（尺寸系數）（敏感系數）FH處只受扭轉作用,無彎曲正應力，工作時切應力基本不變，但機器時開時停，可視為脈動循環(huán)，具體可見材力教材第十三章例題。=又知=-安全系數=>2安全。所以，H-H截面的疲勞強度足夠。用能量法計算A-A截面的轉角,采用圖乘法分別求解A-A截面的轉角,。求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側）：由平衡方程得B點的彎矩為E點的彎矩為由圖乘法：h=58mm，b=23mm查表得EI1=E=18840.04pa·m4EI3==18840.04pa·m4其中盡管h/b取值不同，對會有影響。但都是在很小范圍內變化，對轉角影響不會太大，可取=0.249GIt==12085.57pa·m4=rad從而得同理（2）求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側）：同理得：由圖乘法：EA=Ehb=·m2·m4.·m4·m4=rad設計優(yōu)化以上的設計只是保證了強度安全性方面的要求，并沒有考慮到材料成本等問題。應是在能保證強度要求條件下滿足所用材料最省為最佳方案。回到問題三，關于b、h的計算可設計思路，b/D和b/h從取值1.6和2.5開始，逐次減小0.01，同時檢驗取值能否滿足曲軸的強度要求。直至不能滿足條件最大值之前的最值為止，即為所求的最適合b、h值。利用附錄的程序，求b、h最佳值，得：h=58mmb=23mm設計感想通過這次的課程設計，我對材料力學有了更深一層的認識，材料力學是一門被各個工程廣泛應用的學科，是通過理論與實驗來進行強度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學性能的研究。在保證安全、可靠、經濟節(jié)省的前提下，為構件選擇適當的材料，確定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。這次的課程設計讓我深知理論與實際相結合的重要性為后續(xù)課程的學習打下基礎。這次設計，讓我對以前學的cad、c語言等結合問題進行實際運用，加深了知識的應用能力。此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠遠不夠的。工程實際中的一些問題要比想象的復雜的多。只有不斷進行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經驗，才能以最經濟的代價、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設計讓我受益匪淺，設計中還有很多不足，希望老師批評指正。參考文獻[1]聶毓琴等《材料力學》[2]聶毓琴等《材料力學實驗與課程設計》[3]譚浩強,《C程序設計第三版》附錄內力圖計算程序一：#include<stdio.h>main(){doubleP=8.50;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleMe; doubleFt; doubleFr; doubleFaz; doubleFfz; doubleFay; doubleFfy; intn=190; Me=9549*P/n; Ft=Me/r; Fr=Ft/2; Fay=(Fr*l2)/(l1+l2); Ffy=(Fr*l1)/(l1+l2); Faz=(Ft*l2)/(l1+l2); Ffz=(Ft*l1)/(l1+l2); printf("Me=%lf,Ft=%lf,Fr=%lf\n",Me,Ft,Fr); printf("Fay=%lf,Ffy=%lf,Faz=%lf,Ffz=%lf\n",Fay,Ffy,Faz,Ffz); return0;}主軸EF段力矩計算程序二：#include<stdio.h>main(){doubleMe=477.45; doubleFfy=1509.18;doubler=0.06; doubleFfz=3018.36; doublel1=0.11; doublel2=0.18;doublel3; doubleM1x; doubleM1y; doubleM1z;l3=1.2*r;M1x=Me; M1y=Ffz*(l2-l3/2); M1z=Ffz*(l2-l3/2); printf("M1x=%lf\nM1y=%lf\nM1z=%lf\n",M1x,M1y,M1z); return0;}曲柄臂de段力矩程序三：#include<stdio.h>main(){doubleMe=412.11;doubleFfz=3018.36; doubleFfy=1509.18;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleM2x; doubleM2y; doubleM2z; doubleF2n; doublel3; l3=1.2*r;M2x=Me; M2y=Ffz*(l2-l3/2); M2z=Ffy*(l2-l3/2); F2n=Ffy; printf("M2x=%lf\nM2y=%lf\nM2z=%lf\nF2n=%lf\n",M2x,M2y,M2z,F2n); return0;}曲柄頸cd段力矩程序四：#include<stdio.h>main(){doubleMe=477.45;doubleFaz=4939.14; doubleFay=2469.57;doubler=0.06; doublel1=0.11; doublel2=0.18; doubleM3x; doubleM3y; doubleM3z;M3x=Faz*r; M3y=Faz*l1; M3z=Fay*l1; printf("M3x=%lf\nM3y=%lf\nM3z=%lf\n",M3x,M3y,M3z); return0;}曲柄臂bc段力矩程序五：#include<stdio.h>main(){ doubleFay=2469.57;doubler=0.06; doubleFaz=4939.14; doublel1=0.11; doublel2=0.18;doublel3; doubleM4x; doubleM4y; doubleM4z; doubleF4n;l3=1.2*r;M4x=Faz*r; M4y=Faz*(l1-l3/2); M4z=Fay*(l1-l3/2); F4n=Fay; printf("M4x=%lf\nM4y=%lf\nM4