2000 kN四柱式液壓機機架設計①

卜勻　苗春曉　高艷紅

摘 要：介紹2000 kN四柱液壓機機架設計方法，通過校核計算，確保安全性。借助Pro/ENGINEER軟件對相關設計零件進行三維建模并進行模擬裝配，確保裝配合理。結果表明設計結構合理，滿足使用要求。

關鍵詞：四柱 立柱 橫梁 Pro/ENGINEER

中圖分類號：TG3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0092-02

液壓機在現代化生產中占有十分重要的地位。為適應液壓機高速化、高效化、低能耗的發展方向，進行液壓機機架設計研究具有現實意義。液壓機機架設計主要包括立柱和三橫梁設計兩大部分。中心載荷下，立柱簡化為受拉桿；偏心載荷下，將上、下橫梁和立柱構成的機架簡化為平面剛架，立柱簡化為具有固定端約束的等截面梁。橫梁計算中將上、下橫梁簡化為等截面或變截面簡支梁。

設計計算主要技術參數如下：公稱壓力2000 kN；液體最大工作壓力25 MPa；活動橫梁距工作臺最大距離1090 mm；立柱中心距左右1050 mm；前后675 mm。

1 立柱設計計算

立柱材料考慮經濟、加工工藝等因素，選用45鋼。

1.1 立柱的強度計算

（1）中心載荷下應力計算。

MPa

式中：P為公稱壓力；D0為立柱最小直徑；N為立柱數量；[]為許用拉伸應力， 80 MPa。

（2）偏心載荷靜載合成應力計算：

MPa

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

靜載合成應力稍大，需對過渡圓角做適當增大。

1.2 立柱的螺母及預緊

中型液壓機且立柱直徑小于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 立柱的導向裝置

活動橫梁運動及工作時以立柱為導向。活動橫梁往返運動頻繁，且在偏心時有很大的側推力，為避免活動橫梁與立柱直接接觸，相互磨損，影響液壓機的精度和壽命，選耐磨、易更換的圓柱面導套。導套用導套法蘭固定在活動橫梁上，之間夾有防塵用的氈墊。

2 橫梁設計

三個橫梁是液壓機機架重要部件，選用HT200。為節約金屬和減輕重量，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生內應力。橫梁鑄造完成后進行時效處理，充分消除內應力；2000 kN液壓機采用等高梁；圓形出砂孔布置在彎曲應力為零的中性層附近，減小應力集中。

2.1 橫梁設計要求

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。

活動橫梁與工作缸活塞桿連接傳遞液壓機的動力，上有立柱孔，通過導套與立柱連接，沿立柱做往返運動，下表面安裝固定模具。因此，活動橫梁應有足夠的承壓能力，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橫梁，將上蓋板設計成能將積液順利排出。

工作臺即下橫梁，液壓機整個機體的基座。需設置固定模具的T型槽，還需安裝頂出缸和其它零部件。中小型液壓機，T型槽布置方式一般選為交叉型。

2.2 橫梁的強度與剛度計算

橫梁是箱型零件，用材料力學的強度分析方法反應其應力狀況，取低許用應力。

2.2.1 上橫梁強度與剛度計算

上橫梁簡化為簡支梁，支點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為缸與上橫梁環形接觸面平均直徑；l為立柱寬邊中心距。

（2）計算中間截面慣性矩：將等效截面分成五塊矩形面積。

計算截面對底邊W-W軸的慣性矩：

式中：為每塊矩形面積對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。

為了計算方便，五塊矩形由表1輔助計算。

整個截面的形心軸到W-W軸的距離：

整個截面對形心軸的慣性矩：

=

（3）中間截面最大應力值，進行強度校核。

最大壓應力為：

最大拉應力為：

（4）核算上橫梁中點撓度：

式中：；

；

；A=960cm2；K=SF2/b2J

式中：cm；

（5）相對撓度。

，上橫梁的強度和剛度合理。

2.2.2 活動橫梁強度及剛度計算

單缸液壓機一般只校核活動橫梁承壓面上的擠壓應力，鑄鐵件許用擠壓應力小于等于80 MPa。活動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。

計算截面對底邊W-W軸的慣性矩：

Jw=Joi+Siaicm4

整個截面的形心軸到W-W軸的距離：

h1=

整個截面對形心軸的慣性矩：

。

為計算方便，四塊矩形用表2輔助計算。

中間截面最大壓應力為：

，活動橫梁強度滿足要求。

2.2.3 工作臺強度與剛度計算

工作臺的形狀結構與上橫梁相似，計算過程相似，不再重復。

3 pro/e模擬裝配

液壓機機架各部分零部件尺寸較大，加工精度高，應用三維仿真軟件Pro/e模擬主機裝配，見圖3，保證設計機架結構合理，裝配合理，減少材料浪費，縮短液壓機的生產設計周期。

參考文獻

[1]天津市鍛壓機床廠.中小型液壓機設計計算（主機的設計計算）[M].天津：人民出版社，1977，12.

[2]俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2006，12.