缸梁一体式液压机的结构特点分析

王仲仁，王小松， 戴 昆，谢 斌

（1.哈尔滨工业大学 材料学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.青岛宙庆工业设计有限公司，山东 青岛 266111；3.南京工程学院，江苏 南京 211167）

缸梁一体式液压机的结构特点分析

王仲仁1，王小松1， 戴 昆2，谢 斌3

（1.哈尔滨工业大学 材料学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.青岛宙庆工业设计有限公司，山东 青岛 266111；3.南京工程学院，江苏 南京 211167）

缸梁一体式液压机是一种液压缸与上横梁合为一体的新型压力机，它的优点为：取消了上横梁，压机质量减小且高度低，制造成本较低，便于运输；半球形液压缸兼梁的作用，作用面积可以增大3～5倍，对于同样外轮廓的压力机能给出6～8倍的公称力，特别适合于千吨以上压力机的制造与应用，为制造超大型液压机提供了一个新思路。文章重点对半球式液压缸与圆筒式液压缸的受力进行了对比分析，还介绍了50MN～900MN的缸梁一体式压力机的相关尺寸。

机械制造；结构分析；液压机；缸梁一体

1 机器结构特点

缸梁一体式液压机是与传统的三梁四柱式液压机（图1）结构不同的一种新形式液压机[1，2]，其结构原理如图2所示，图3为其三维示意图。它与传统的三梁四柱式液压机有以下不同：

（1）液压缸兼作上梁，它的法兰直接与机身相连，因而省去了受力复杂且很重的上梁。

（2）半球形液压缸是缸梁一体式液压机最有特色的关键部件，传统的液压的液压缸一般为圆筒形，前者受力远好于后者。

（3）液压机无立柱，机身类似机械液压机的机身，刚度好。

2 半球形液压缸与圆筒形液压缸的受力对比

半球形液压缸是缸梁一体式液压机最具特色的部件，其受力如图4所示。在力学上，当构件的直径与厚度之比大于20时按薄壁容器处理，此时受内压P的作用，沿壳体厚度上的应力是均匀的，对于球壳,纬向应力σρ与经向应力σθ相等，可由下式表示：

式中：d——半球直径；

t——壳体壁厚。

习惯上，对于受内压厚壁容器，在力学上通常按照无弯矩处理，因此，外层与内层的应力相同，而对于圆筒形液压缸，受力很不均匀，在高应力处易引起破坏，对此在文献[2]中，对液压缸的可能损坏部位、损坏的形式及发生过程曾有过生动的描述：

液压缸损坏的部位多数在在法兰与缸壁连接的圆弧部分，其次在缸壁向缸底过渡的圆弧部分，少数在圆筒筒壁产生裂纹，也有因气蚀严重而破坏的，从液压缸使用情况来看，一般在损坏时都已承受了很高的工作加载次数（20万～150万次），裂纹是逐步形成和扩展的，属于疲劳损坏。

（1）缸筒筒壁，一般裂纹首先出现于内壁，逐渐向外发展,裂纹多为纵向分布，或与缸壁母线成45°；

（2）缸的法兰部分，如图5所示，首先在缸法兰过渡圆弧处的外表面出现裂纹，逐渐向圆周方向及向内壁扩展，最后裂透，或者裂纹扩展到螺钉，使法兰局部脱落，个别严重情况，甚至会沿过渡圆弧处法兰整圈开裂而脱落；

（3）缸底，首先在缸底过渡圆弧处的内表面开始出现环向裂纹，逐渐向外壁扩展，乃至裂透。

对于较长的液压筒，其中间部分是一个等厚度承受均匀分布内压的厚壁圆筒，除有轴向拉应力σz外，尚有由内压p引起的径向压应力σr（内壁最大，向外逐渐减小，到外壁时为零）和切向拉 应力 σt（内壁最大，向外逐渐减小），是三向应力状态（图6）。

根据弹性力学理论，圆筒段任意一点的三向主应力值分别为：

由式（2）～式（4）可见，切向应力 σθ最大，分布如图6所示。由图中可见，筒壁的切向应力分布很不均匀，在内壁最大是造成由内向外开裂的主要原因。按照米赛斯屈服准则，合成后的最大当量应力为：

还应当指出的是，对于传统的圆筒形液压缸，缸底与筒身过渡部分因为圆角半径远小于液压缸的半径，导致该处的应力远远高于其他的部位，如图7所示，它也是最危险的部位。而对于半球形液压缸由于是平缓过渡，无应力突变，无疑受力要好于圆筒形液压缸。

3 缸梁一体式液压机的优点

与三梁四柱液压机相比缸梁一体式液压机有以下优点：

（1）由于液压缸为半球壳体，受力均匀，它比传统的圆筒形液压缸主要优点是：①对同一直径同一厚度内压高一倍[3～4]，由此可以理解高压容器多用球形。②半球形液压缸过渡圆滑，而圆筒形液压缸底部与直筒的过渡部分有应力集中，这是造成该处开裂的主要原因（见文献[2]p170，“在法兰圆弧过渡部分或缸底圆弧过渡部分产生疲劳裂纹”）。因此，半球形液压缸实际上比同厚度同直径的圆筒形液压缸能承受的工作压力要大一倍。

（2）由于液压缸为半球壳体兼做上横梁，受力均匀而弯曲应力几乎可忽略。传统三梁四柱式液压机上横梁承受较大弯曲应力，且各处应力分布差别很大，而按设计规范且最大应力又必须小于许用应力，势必增大梁的高度。美国曾经计划建造20万吨模锻液压机在所有的设计方案中“上横梁的高度均超过10层楼”[4]。所以，从整体上看三梁四柱（或多柱）式液压机的材料强度利用率很低。

（3）对于同样外轮廓尺寸的液压机，可以使液压缸的作用面积增大3～5倍，相应的压机吨位可提高6～8倍。表1给出了不同吨位缸梁一体式液压机的半球直径、柱塞直径、半球壁厚的计算结果。

（4）液压机总质量与制造成本可大幅降低。

（5）便于制造和运输，这对巨型压机来说尤为重要。

但是缸梁一体式液压机不适合作结构复杂的双动压力机，原因是没有独立的上横梁，不便于安装很多液压缸。

4 缸梁一体式液压机的几种可能的应用范围

①厚板冲压，包括厚板封头的压制。②各类大吨位合模压力机，用于内高压成形，粉末热等静压，粉末冷等静压。③航空大型模锻件等温锻（铝合金及钛合金薄腹板高筋件）。④护环冷扩孔。⑤大面积地砖与层板的压制。

表1 缸梁一体式压力机的公称压力、半球缸直径与球壳壁厚计算表格

[1]王仲仁，苑世剑，王小松，等.缸梁一体式压力机.中国发明专利申请号：2010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陆.液压机设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2004:21.

[3]苑世剑.现代液压成形技术[M].北京:国防工业出版社，2008.

[4]王仲仁，张 琦.省力与近均匀成形—原理与应用[M].北京:高教出版社，2010.

[5]W.柏，R.布迪纳斯（美）.罗氏应力应变手册.岳珠峰，高行山，泽.科学出版社，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，博导，从事塑性工程技术的教学与研究