缸梁一體式液壓機的結構特點分析

王仲仁，王小松， 戴 昆，謝 斌

（1.哈爾濱工業大學 材料學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.青島宙慶工業設計有限公司，山東 青島 266111；3.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

缸梁一體式液壓機的結構特點分析

王仲仁1，王小松1， 戴 昆2，謝 斌3

（1.哈爾濱工業大學 材料學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.青島宙慶工業設計有限公司，山東 青島 266111；3.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

缸梁一體式液壓機是一種液壓缸與上橫梁合為一體的新型壓力機，它的優點為：取消了上橫梁，壓機質量減小且高度低，制造成本較低，便于運輸；半球形液壓缸兼梁的作用，作用面積可以增大3～5倍，對于同樣外輪廓的壓力機能給出6～8倍的公稱力，特別適合于千噸以上壓力機的制造與應用，為制造超大型液壓機提供了一個新思路。文章重點對半球式液壓缸與圓筒式液壓缸的受力進行了對比分析，還介紹了50MN～900MN的缸梁一體式壓力機的相關尺寸。

機械制造；結構分析；液壓機；缸梁一體

1 機器結構特點

缸梁一體式液壓機是與傳統的三梁四柱式液壓機（圖1）結構不同的一種新形式液壓機[1，2]，其結構原理如圖2所示，圖3為其三維示意圖。它與傳統的三梁四柱式液壓機有以下不同：

（1）液壓缸兼作上梁，它的法蘭直接與機身相連，因而省去了受力復雜且很重的上梁。

（2）半球形液壓缸是缸梁一體式液壓機最有特色的關鍵部件，傳統的液壓的液壓缸一般為圓筒形，前者受力遠好于后者。

（3）液壓機無立柱，機身類似機械液壓機的機身，剛度好。

2 半球形液壓缸與圓筒形液壓缸的受力對比

半球形液壓缸是缸梁一體式液壓機最具特色的部件，其受力如圖4所示。在力學上，當構件的直徑與厚度之比大于20時按薄壁容器處理，此時受內壓P的作用，沿殼體厚度上的應力是均勻的，對于球殼,緯向應力σρ與經向應力σθ相等，可由下式表示：

式中：d——半球直徑；

t——殼體壁厚。

習慣上，對于受內壓厚壁容器，在力學上通常按照無彎矩處理，因此，外層與內層的應力相同，而對于圓筒形液壓缸，受力很不均勻，在高應力處易引起破壞，對此在文獻[2]中，對液壓缸的可能損壞部位、損壞的形式及發生過程曾有過生動的描述：

液壓缸損壞的部位多數在在法蘭與缸壁連接的圓弧部分，其次在缸壁向缸底過渡的圓弧部分，少數在圓筒筒壁產生裂紋，也有因氣蝕嚴重而破壞的，從液壓缸使用情況來看，一般在損壞時都已承受了很高的工作加載次數（20萬～150萬次），裂紋是逐步形成和擴展的，屬于疲勞損壞。

（1）缸筒筒壁，一般裂紋首先出現于內壁，逐漸向外發展,裂紋多為縱向分布，或與缸壁母線成45°；

（2）缸的法蘭部分，如圖5所示，首先在缸法蘭過渡圓弧處的外表面出現裂紋，逐漸向圓周方向及向內壁擴展，最后裂透，或者裂紋擴展到螺釘，使法蘭局部脫落，個別嚴重情況，甚至會沿過渡圓弧處法蘭整圈開裂而脫落；

（3）缸底，首先在缸底過渡圓弧處的內表面開始出現環向裂紋，逐漸向外壁擴展，乃至裂透。

對于較長的液壓筒，其中間部分是一個等厚度承受均勻分布內壓的厚壁圓筒，除有軸向拉應力σz外，尚有由內壓p引起的徑向壓應力σr（內壁最大，向外逐漸減小，到外壁時為零）和切向拉 應力 σt（內壁最大，向外逐漸減小），是三向應力狀態（圖6）。

根據彈性力學理論，圓筒段任意一點的三向主應力值分別為：

由式（2）～式（4）可見，切向應力 σθ最大，分布如圖6所示。由圖中可見，筒壁的切向應力分布很不均勻，在內壁最大是造成由內向外開裂的主要原因。按照米賽斯屈服準則，合成后的最大當量應力為：

還應當指出的是，對于傳統的圓筒形液壓缸，缸底與筒身過渡部分因為圓角半徑遠小于液壓缸的半徑，導致該處的應力遠遠高于其他的部位，如圖7所示，它也是最危險的部位。而對于半球形液壓缸由于是平緩過渡，無應力突變，無疑受力要好于圓筒形液壓缸。

3 缸梁一體式液壓機的優點

與三梁四柱液壓機相比缸梁一體式液壓機有以下優點：

（1）由于液壓缸為半球殼體，受力均勻，它比傳統的圓筒形液壓缸主要優點是：①對同一直徑同一厚度內壓高一倍[3～4]，由此可以理解高壓容器多用球形。②半球形液壓缸過渡圓滑，而圓筒形液壓缸底部與直筒的過渡部分有應力集中，這是造成該處開裂的主要原因（見文獻[2]p170，“在法蘭圓弧過渡部分或缸底圓弧過渡部分產生疲勞裂紋”）。因此，半球形液壓缸實際上比同厚度同直徑的圓筒形液壓缸能承受的工作壓力要大一倍。

（2）由于液壓缸為半球殼體兼做上橫梁，受力均勻而彎曲應力幾乎可忽略。傳統三梁四柱式液壓機上橫梁承受較大彎曲應力，且各處應力分布差別很大，而按設計規范且最大應力又必須小于許用應力，勢必增大梁的高度。美國曾經計劃建造20萬噸模鍛液壓機在所有的設計方案中“上橫梁的高度均超過10層樓”[4]。所以，從整體上看三梁四柱（或多柱）式液壓機的材料強度利用率很低。

（3）對于同樣外輪廓尺寸的液壓機，可以使液壓缸的作用面積增大3～5倍，相應的壓機噸位可提高6～8倍。表1給出了不同噸位缸梁一體式液壓機的半球直徑、柱塞直徑、半球壁厚的計算結果。

（4）液壓機總質量與制造成本可大幅降低。

（5）便于制造和運輸，這對巨型壓機來說尤為重要。

但是缸梁一體式液壓機不適合作結構復雜的雙動壓力機，原因是沒有獨立的上橫梁，不便于安裝很多液壓缸。

4 缸梁一體式液壓機的幾種可能的應用范圍

①厚板沖壓，包括厚板封頭的壓制。②各類大噸位合模壓力機，用于內高壓成形，粉末熱等靜壓，粉末冷等靜壓。③航空大型模鍛件等溫鍛（鋁合金及鈦合金薄腹板高筋件）。④護環冷擴孔。⑤大面積地磚與層板的壓制。

表1 缸梁一體式壓力機的公稱壓力、半球缸直徑與球殼壁厚計算表格

[1]王仲仁，苑世劍，王小松，等.缸梁一體式壓力機.中國發明專利申請號：2010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陸.液壓機設計與應用[M].北京:機械工業出版社，2004:21.

[3]苑世劍.現代液壓成形技術[M].北京:國防工業出版社，2008.

[4]王仲仁，張 琦.省力與近均勻成形—原理與應用[M].北京:高教出版社，2010.

[5]W.柏，R.布迪納斯（美）.羅氏應力應變手冊.岳珠峰，高行山，澤.科學出版社，2006.

Analysis of the structure characteristics for hydraulic press with unity of cylinder and beam

WANG Zhongren1，WANG Xiaosong1，DAI Kun2，XIE Bin3
（1.Harbin Institute of Technology，Harbin150001，Heilongjiang China；2.Zhouqing Industry Design Co.,Ltd.,Qingdao 266111，Shandong China；3.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，Jiangsu China）

The hydraulic press with unity of cylinder and beam （HPUCB）is a new kind of press.It's advantages include as follows:The weight and height can be evidently decreased without upper beam,which cuts down the manufacturing cost and transporting fee.The action area of semispherical hydraulic cylinder in HPUCB has been enlarged 3-5 times compared to that in the traditional press,which causes the capacity of the HPUCB can be enlarged about 6-8 times than the traditional press with same contour.The HPUCB puts forward a new way for manufacturing large capacity press over 10MN.The mechanics analysis of semispherical hydraulic cylinder and traditional cylinder has been compared in the text and the main dimensions of semi-spherical cylinder for HPUCB from 50MN to 900 MN have been introduced.

Structure analysis；Hydraulic Press；Unity of Cylinder and Beam

TG315.4

B

1672－0121（2011）06－0022－03

2011-09-12

王仲仁（1934-），男，教授，博導，從事塑性工程技術的教學與研究