2000 kN四柱式液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)①

卜勻　苗春曉　高艷紅

摘 要：介紹2000 kN四柱液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)方法，通過校核計(jì)算，確保安全性。借助Pro/ENGINEER軟件對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行三維建模并進(jìn)行模擬裝配，確保裝配合理。結(jié)果表明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：四柱 立柱 橫梁 Pro/ENGINEER

中圖分類號(hào)：TG3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0092-02

液壓機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中占有十分重要的地位。為適應(yīng)液壓機(jī)高速化、高效化、低能耗的發(fā)展方向，進(jìn)行液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)主要包括立柱和三橫梁設(shè)計(jì)兩大部分。中心載荷下，立柱簡化為受拉桿；偏心載荷下，將上、下橫梁和立柱構(gòu)成的機(jī)架簡化為平面剛架，立柱簡化為具有固定端約束的等截面梁。橫梁計(jì)算中將上、下橫梁簡化為等截面或變截面簡支梁。

設(shè)計(jì)計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)如下：公稱壓力2000 kN；液體最大工作壓力25 MPa；活動(dòng)橫梁距工作臺(tái)最大距離1090 mm；立柱中心距左右1050 mm；前后675 mm。

1 立柱設(shè)計(jì)計(jì)算

立柱材料考慮經(jīng)濟(jì)、加工工藝等因素，選用45鋼。

1.1 立柱的強(qiáng)度計(jì)算

（1）中心載荷下應(yīng)力計(jì)算。

MPa

式中：P為公稱壓力；D0為立柱最小直徑；N為立柱數(shù)量；[]為許用拉伸應(yīng)力， 80 MPa。

（2）偏心載荷靜載合成應(yīng)力計(jì)算：

MPa

式中：為立柱危險(xiǎn)截面所受最大軸向拉力；A為每根立柱的截面積；為立柱危險(xiǎn)截面所受最大轉(zhuǎn)矩；W為立柱截面系數(shù)；e為偏心距。

靜載合成應(yīng)力稍大，需對(duì)過渡圓角做適當(dāng)增大。

1.2 立柱的螺母及預(yù)緊

中型液壓機(jī)且立柱直徑小于150 mm，選用整體式圓柱型螺母，材料35鋼，該螺母使用螺釘鎖緊裝置以防止螺母自行脫落。

1.3 立柱的導(dǎo)向裝置

活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)及工作時(shí)以立柱為導(dǎo)向。活動(dòng)橫梁往返運(yùn)動(dòng)頻繁，且在偏心時(shí)有很大的側(cè)推力，為避免活動(dòng)橫梁與立柱直接接觸，相互磨損，影響液壓機(jī)的精度和壽命，選耐磨、易更換的圓柱面導(dǎo)套。導(dǎo)套用導(dǎo)套法蘭固定在活動(dòng)橫梁上，之間夾有防塵用的氈墊。

2 橫梁設(shè)計(jì)

三個(gè)橫梁是液壓機(jī)機(jī)架重要部件，選用HT200。為節(jié)約金屬和減輕重量，橫梁一般做成箱型，要求各部分厚度均勻，有較大的過渡圓角，避免不均勻冷卻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。橫梁鑄造完成后進(jìn)行時(shí)效處理，充分消除內(nèi)應(yīng)力；2000 kN液壓機(jī)采用等高梁；圓形出砂孔布置在彎曲應(yīng)力為零的中性層附近，減小應(yīng)力集中。

2.1 橫梁設(shè)計(jì)要求

上橫梁工作缸孔采用圓形支撐形式，保證工作缸面上有均勻的剛度，避免上橫梁不均勻變形使工作缸的支撐反力局部集中，降低缸的使用壽命。

活動(dòng)橫梁與工作缸活塞桿連接傳遞液壓機(jī)的動(dòng)力，上有立柱孔，通過導(dǎo)套與立柱連接，沿立柱做往返運(yùn)動(dòng)，下表面安裝固定模具。因此，活動(dòng)橫梁應(yīng)有足夠的承壓能力，并具有一定的剛度和抗彎能力。為防止工作缸滲漏出的工作液體積存于活動(dòng)橫梁，將上蓋板設(shè)計(jì)成能將積液順利排出。

工作臺(tái)即下橫梁，液壓機(jī)整個(gè)機(jī)體的基座。需設(shè)置固定模具的T型槽，還需安裝頂出缸和其它零部件。中小型液壓機(jī)，T型槽布置方式一般選為交叉型。

2.2 橫梁的強(qiáng)度與剛度計(jì)算

橫梁是箱型零件，用材料力學(xué)的強(qiáng)度分析方法反應(yīng)其應(yīng)力狀況，取低許用應(yīng)力。

2.2.1 上橫梁強(qiáng)度與剛度計(jì)算

上橫梁簡化為簡支梁，支點(diǎn)距離為寬邊立柱中心距。上橫梁的中間截面簡化為如圖1所示的等效截面。

（1）計(jì)算中間截面最大彎矩。

式中：P為公稱壓力；D為缸與上橫梁環(huán)形接觸面平均直徑；l為立柱寬邊中心距。

（2）計(jì)算中間截面慣性矩：將等效截面分成五塊矩形面積。

計(jì)算截面對(duì)底邊W-W軸的慣性矩：

式中：為每塊矩形面積對(duì)本身形心軸的慣性矩；為每塊矩形面積寬度；為每塊矩形面積寬度；為每塊矩形面積對(duì)W-W軸的靜面矩；為每塊矩形的面積；為每塊矩形面積形心到W-W得距離。

為了計(jì)算方便，五塊矩形由表1輔助計(jì)算。

整個(gè)截面的形心軸到W-W軸的距離：

整個(gè)截面對(duì)形心軸的慣性矩：

=

（3）中間截面最大應(yīng)力值，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

最大壓應(yīng)力為：

最大拉應(yīng)力為：

（4）核算上橫梁中點(diǎn)撓度：

式中：；

；

；A=960cm2；K=SF2/b2J

式中：cm；

（5）相對(duì)撓度。

，上橫梁的強(qiáng)度和剛度合理。

2.2.2 活動(dòng)橫梁強(qiáng)度及剛度計(jì)算

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，鑄鐵件許用擠壓應(yīng)力小于等于80 MPa。活動(dòng)橫梁的中間截面等效截面如圖2所示。

中間截面最大彎矩：

；將等效截面分成四塊矩形面積。

計(jì)算截面對(duì)底邊W-W軸的慣性矩：

Jw=Joi+Siaicm4

整個(gè)截面的形心軸到W-W軸的距離：

h1=

整個(gè)截面對(duì)形心軸的慣性矩：

。

為計(jì)算方便，四塊矩形用表2輔助計(jì)算。

中間截面最大壓應(yīng)力為：

，活動(dòng)橫梁強(qiáng)度滿足要求。

2.2.3 工作臺(tái)強(qiáng)度與剛度計(jì)算

工作臺(tái)的形狀結(jié)構(gòu)與上橫梁相似，計(jì)算過程相似，不再重復(fù)。

3 pro/e模擬裝配

液壓機(jī)機(jī)架各部分零部件尺寸較大，加工精度高，應(yīng)用三維仿真軟件Pro/e模擬主機(jī)裝配，見圖3，保證設(shè)計(jì)機(jī)架結(jié)構(gòu)合理，裝配合理，減少材料浪費(fèi)，縮短液壓機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期。

參考文獻(xiàn)

[1]天津市鍛壓機(jī)床廠.中小型液壓機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算（主機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算）[M].天津：人民出版社，1977，12.

[2]俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，12.