2000 kN四柱式液压机机架设计①

卜匀　苗春晓　高艳红

摘 要：介绍2000 kN四柱液压机机架设计方法，通过校核计算，确保安全性。借助Pro/ENGINEER软件对相关设计零件进行三维建模并进行模拟装配，确保装配合理。结果表明设计结构合理，满足使用要求。

关键词：四柱 立柱 横梁 Pro/ENGINEER

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0092-02

液压机在现代化生产中占有十分重要的地位。为适应液压机高速化、高效化、低能耗的发展方向，进行液压机机架设计研究具有现实意义。液压机机架设计主要包括立柱和三横梁设计两大部分。中心载荷下，立柱简化为受拉杆；偏心载荷下，将上、下横梁和立柱构成的机架简化为平面刚架，立柱简化为具有固定端约束的等截面梁。横梁计算中将上、下横梁简化为等截面或变截面简支梁。

设计计算主要技术参数如下：公称压力2000 kN；液体最大工作压力25 MPa；活动横梁距工作台最大距离1090 mm；立柱中心距左右1050 mm；前后675 mm。

1 立柱设计计算

立柱材料考虑经济、加工工艺等因素，选用45钢。

1.1 立柱的强度计算

（1）中心载荷下应力计算。

MPa

式中：P为公称压力；D0为立柱最小直径；N为立柱数量；[]为许用拉伸应力， 80 MPa。

（2）偏心载荷静载合成应力计算：

MPa

式中：为立柱危险截面所受最大轴向拉力；A为每根立柱的截面积；为立柱危险截面所受最大转矩；W为立柱截面系数；e为偏心距。

静载合成应力稍大，需对过渡圆角做适当增大。

1.2 立柱的螺母及预紧

中型液压机且立柱直径小于150 mm，选用整体式圆柱型螺母，材料35钢，该螺母使用螺钉锁紧装置以防止螺母自行脱落。

1.3 立柱的导向装置

活动横梁运动及工作时以立柱为导向。活动横梁往返运动频繁，且在偏心时有很大的侧推力，为避免活动横梁与立柱直接接触，相互磨损，影响液压机的精度和寿命，选耐磨、易更换的圆柱面导套。导套用导套法兰固定在活动横梁上，之间夹有防尘用的毡垫。

2 横梁设计

三个横梁是液压机机架重要部件，选用HT200。为节约金属和减轻重量，横梁一般做成箱型，要求各部分厚度均匀，有较大的过渡圆角，避免不均匀冷却而产生内应力。横梁铸造完成后进行时效处理，充分消除内应力；2000 kN液压机采用等高梁；圆形出砂孔布置在弯曲应力为零的中性层附近，减小应力集中。

2.1 横梁设计要求

上横梁工作缸孔采用圆形支撑形式，保证工作缸面上有均匀的刚度，避免上横梁不均匀变形使工作缸的支撑反力局部集中，降低缸的使用寿命。

活动横梁与工作缸活塞杆连接传递液压机的动力，上有立柱孔，通过导套与立柱连接，沿立柱做往返运动，下表面安装固定模具。因此，活动横梁应有足够的承压能力，并具有一定的刚度和抗弯能力。为防止工作缸渗漏出的工作液体积存于活动横梁，将上盖板设计成能将积液顺利排出。

工作台即下横梁，液压机整个机体的基座。需设置固定模具的T型槽，还需安装顶出缸和其它零部件。中小型液压机，T型槽布置方式一般选为交叉型。

2.2 横梁的强度与刚度计算

横梁是箱型零件，用材料力学的强度分析方法反应其应力状况，取低许用应力。

2.2.1 上横梁强度与刚度计算

上横梁简化为简支梁，支点距离为宽边立柱中心距。上横梁的中间截面简化为如图1所示的等效截面。

（1）计算中间截面最大弯矩。

式中：P为公称压力；D为缸与上横梁环形接触面平均直径；l为立柱宽边中心距。

（2）计算中间截面惯性矩：将等效截面分成五块矩形面积。

计算截面对底边W-W轴的惯性矩：

式中：为每块矩形面积对本身形心轴的惯性矩；为每块矩形面积宽度；为每块矩形面积宽度；为每块矩形面积对W-W轴的静面矩；为每块矩形的面积；为每块矩形面积形心到W-W得距离。

为了计算方便，五块矩形由表1辅助计算。

整个截面的形心轴到W-W轴的距离：

整个截面对形心轴的惯性矩：

=

（3）中间截面最大应力值，进行强度校核。

最大压应力为：

最大拉应力为：

（4）核算上横梁中点挠度：

式中：；

；

；A=960cm2；K=SF2/b2J

式中：cm；

（5）相对挠度。

，上横梁的强度和刚度合理。

2.2.2 活动横梁强度及刚度计算

单缸液压机一般只校核活动横梁承压面上的挤压应力，铸铁件许用挤压应力小于等于80 MPa。活动横梁的中间截面等效截面如图2所示。

中间截面最大弯矩：

；将等效截面分成四块矩形面积。

计算截面对底边W-W轴的惯性矩：

Jw=Joi+Siaicm4

整个截面的形心轴到W-W轴的距离：

h1=

整个截面对形心轴的惯性矩：

。

为计算方便，四块矩形用表2辅助计算。

中间截面最大压应力为：

，活动横梁强度满足要求。

2.2.3 工作台强度与刚度计算

工作台的形状结构与上横梁相似，计算过程相似，不再重复。

3 pro/e模拟装配

液压机机架各部分零部件尺寸较大，加工精度高，应用三维仿真软件Pro/e模拟主机装配，见图3，保证设计机架结构合理，装配合理，减少材料浪费，缩短液压机的生产设计周期。

参考文献

[1]天津市锻压机床厂.中小型液压机设计计算（主机的设计计算）[M].天津：人民出版社，1977，12.

[2]俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2006，12.