【正文】 了一系列鍛造液壓機，形成了許多鍛件生產(chǎn)基地，這對于迅速發(fā)展的我國德工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，鞏固國防豆具有重大的意義。(2)在產(chǎn)品的技術(shù)水平上，國內(nèi)液壓機單機的技術(shù)水平達到了國際中等或較先進水平。但在一些技術(shù)含量較高的液壓機中，某些關(guān)鍵技術(shù)，如液壓和電控部分，還要通過國內(nèi)與外的企業(yè)或研究單位合作， 高檔的液壓元件和電控元件還主要依靠進口。由于國內(nèi)液壓機的技術(shù)最早是從前蘇聯(lián)引進和吸收的，國內(nèi)生產(chǎn)的液壓機在剛度和強度上遠遠優(yōu)于日本及韓國的產(chǎn)品，與歐美的產(chǎn)品相當。總體上講，國產(chǎn)液壓機在質(zhì)量上和國外一些較知名公司的產(chǎn)品還有一定的差距，但隨著國內(nèi)制造商對質(zhì)量的不斷重視和管理水平的提高，國產(chǎn)液壓機的質(zhì)量會接近和趕上國際水平?，F(xiàn)在全世界擁有大型模鍛液壓機四十多臺．其中有42%在美國。 液壓機研究的主要成果國外制造液壓機技術(shù)比較成熟。經(jīng)過長期的使用和考驗，鍛造水壓機的結(jié)構(gòu)、傳動和操縱系統(tǒng)已有很大進步，其技術(shù)已日臻成熟。后來美國建造了兩臺315MN液壓機。在20世紀，世界各國對液壓機的研發(fā)都很重視，技術(shù)上得到了長足的發(fā)展。m，是軌道式鍛造操作機；俄羅斯依若爾重機廠能制造12500t的液壓機；俄羅斯上薩爾達冶金生產(chǎn)聯(lián)合公司是世界上最大的鈦生產(chǎn)商，擁有世界上最大的75000t液壓機。而我國液壓機設(shè)計制造技術(shù)與國際水平相當，第一重型機械集團、第二重型機械集團公司均可制造12000t液壓機。而鍛壓生產(chǎn)在我國已有悠久的歷史，在3300多年以前的殷墟文化早期，鍛壓已用于兵器生產(chǎn)。解放后，鍛壓生產(chǎn)迅速發(fā)展，125MN以下的自由鍛壓機、300MN以下的模鍛壓機、160KN以下的模鍛錘、25MN以下的摩擦壓力機已成系列裝備了諸多鍛壓廠。 液壓機的發(fā)展趨勢液壓機在國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在航空工業(yè)，重型機械制造等部門中更是必不可少的生產(chǎn)設(shè)備。(1)高速化、高效化、低能耗。(2)機電液一體化。(3)自動化、智能化。自動化不僅僅體現(xiàn)在加工，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理的功能。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止泄漏和污染。(5)迅速采用數(shù)控(NC)及計算機控制(CNC)技術(shù)，以實現(xiàn)工藝過程自動化及提高運動部分餓控制精度。(7)采用各種先進的快速滑閥或插裝閥，減少閥的換向時間，使閥響應(yīng)時間減少到10ms以下。(9)逐步向柔性加工系統(tǒng)(FMS)發(fā)展，即把微電子技術(shù)，自動檢測及反饋，工業(yè)機器人和自動倉庫結(jié)合一起，將多臺不同功能的設(shè)備組成柔性和加工系統(tǒng)或中心，以適應(yīng)小批量多品種的自動化合理加工。本設(shè)計的所要解決的問題是：20MN矯直液壓機的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)分析；20MN矯直液壓機的本體方案設(shè)計與技術(shù)設(shè)計；完成工程設(shè)計的綜合訓(xùn)練。 本章小結(jié)本章中敘述了20MN單臂矯直液壓機的課題背景，以及液壓機在國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展情況，闡述了液壓機研究的主要成果和以后的發(fā)展趨勢。第2章 液壓機的本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 引言大型液壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮以下三個基本原則：(1)滿足各種鍛件的工藝要求；(2)具有良好的強度與剛度和整體工作性能；(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有良好的制造、安裝工藝性；(4)使用可靠，便于操作和維修。由于在液壓機上進行的工藝是多種多樣的，因此液壓機的本體結(jié)構(gòu)型式也必然是多種多樣的。從機架組成方式看，有立柱式、單臂式和框架式，立柱式中又分為四柱、雙柱、三柱及多柱等。下面介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)型式：(1)三梁四柱式 三梁四柱式液壓機是最常見的一種結(jié)構(gòu)型式，尤其是大型自由鍛造液壓機通常采用的一種結(jié)構(gòu)型式，如上海重機廠120MN、富拉爾基第一重機廠125MN、四川德陽第二重機廠125MN自由鍛造水壓機等。(3)單臂式 這種結(jié)構(gòu)多用于沖壓液壓機或小型鍛造液壓機。但整個機架剛性較差，為了保證機架有足夠的強度和剛度，有時機架做的比較笨重。我國自行設(shè)計制造的300MN模鍛水壓機采用的是三梁多柱組合結(jié)構(gòu)。美國Cameron公司制造的300MN多向模鍛液壓機和第一重機廠設(shè)計的200MN多向模鍛擠壓液壓機，主機架采用的是疊板組合結(jié)構(gòu)；由燕山大學(xué)提出的650MN多向模鍛液壓機設(shè)計方案采用的是C型疊板組合式框架。瑞典曾用于制造冷鍛液壓機，前蘇聯(lián)則設(shè)計并制造了從10MN到150MN的有色金屬模鍛液壓機系列。因此裝卸模具和工件均很方便。但是，單臂式結(jié)構(gòu)最大的缺點是機身懸臂受力，且受力后變形不對稱，使主缸中心線與工作臺的垂直度產(chǎn)生角位移，這樣將使模具間隙偏于一側(cè)，一定程度上影響工件壓制質(zhì)量。為了使最大變形在允許范圍內(nèi)，設(shè)計時許用應(yīng)力均取得較低。 液壓機本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計綜合分析現(xiàn)有液壓機結(jié)構(gòu)型式，提出20MN單臂校直液壓機本體主要部件結(jié)構(gòu)型式如下：(1)液壓機主要技術(shù)參數(shù)列于表21。(3)上、下橫梁和支座均為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。(4)兩個工作缸，壓力均等分配：每個工作缸輸出力為10MN。 此結(jié)構(gòu)在水壓機中應(yīng)用最多，廣泛用于主工作缸、回程缸、工作臺移動缸及平衡缸等處。 活塞在運動的兩個方向上都要求密封，因此缸的內(nèi)表面在全長方向上均需加工，精度及光潔度要求較高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故在水壓機中應(yīng)用不多，僅在頂出缸和其他輔助機構(gòu)中采用，但中小型油壓機上應(yīng)用很普遍。柱塞在導(dǎo)套內(nèi)往復(fù)運動，導(dǎo)套起導(dǎo)向作用。(二)液壓缸的支承型式 液壓缸以法藍支承并安裝在橫梁內(nèi)，由缸外壁的兩個環(huán)形面積與橫梁相配合，配合等級為。這種結(jié)構(gòu)的缺點是缸壁法藍過渡區(qū)存在應(yīng)力集中，易于疲勞破壞。 液壓缸直接靠缸底固定在橫梁上，這種缸不需要法藍,消除了法藍區(qū)的應(yīng)力集中，并可減小缸體毛坯尺寸。目前這種支承形式在大型模鍛液壓機上使用較多。 柱塞下端插入橫梁內(nèi)，在偏心加載時，柱塞跟隨橫梁一起傾斜，將橫梁所受的偏心力矩的一部分傳給工作缸導(dǎo)向銅套上，使導(dǎo)向銅套承受側(cè)向水平推力或一對力偶，從而加劇導(dǎo)向銅套及密封的磨損。 柱塞支承于橫梁的球面座上。當偏心鍛造時，橫梁在偏心力矩作用下傾斜，此時，如果球面處潤滑良好，球面副可以相對移動，則柱塞只傳遞軸向壓力及摩擦力矩，柱塞仍然保持垂直，因此側(cè)推力將大大減少，改善了柱塞導(dǎo)套及密封的磨損情況。有些液壓機中，由于球面副之間單位壓力過大，潤滑條件又差，甚至生銹粘住，往往起不到球鉸作用。中間桿能在球面座中轉(zhuǎn)動，使柱塞保持垂直，因而作用在密封上的側(cè)推力最小，密封壽命長，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價高，柱塞直徑過小時不易采用。(四)液壓缸損壞情況及原因分析液壓機中的工作缸往往由于設(shè)計、制造或使用不當,過早損壞。因此對液壓缸,特別是大型液壓缸,應(yīng)了解其損壞情況及原因,注意正確進行設(shè)計、制造與使用。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(shù)(20萬~150萬次)，裂紋是逐步形成和擴展的，屬于疲勞損壞。首先在缸外部法藍過渡圓弧處出現(xiàn)裂紋，逐漸沿環(huán)向及向內(nèi)壁擴展，最后裂透，或者裂紋擴展到螺釘孔，使法藍局部脫落，個別嚴重情況，甚至沿過渡圓角處法藍整圈開裂而脫落。液壓缸也有因氣蝕產(chǎn)生蜂窩狀麻點而損壞，尤其是在進水孔內(nèi)壁,容易產(chǎn)生氣蝕。如某臺20000KN鍛造液壓機，法藍處計算應(yīng)力超過，工作1~2年后，兩個缸先后破裂。從缸壁到法藍的過渡區(qū)設(shè)計不合理，也會引起很大的應(yīng)力集中，如某臺進口的6300KN水壓機工作缸，由于法藍過渡圓角僅為R=4mm，使用不久就出現(xiàn)裂紋，裂紋擴展后，整圈法藍斷裂脫落。但從結(jié)構(gòu)設(shè)計看，圓弧和斜度也不能太大，否則法藍于橫梁接觸面過小，擠壓應(yīng)力太大。從缸底到缸壁的過渡區(qū)繪產(chǎn)生彎曲應(yīng)力并有應(yīng)力集中，此處圓弧半徑太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不應(yīng)小于，為液壓缸內(nèi)直徑。 由于法藍及缸底過渡圓弧區(qū)有應(yīng)力集中，如加工光潔度很差，有明顯刀痕，會對應(yīng)力集中敏感，降低疲勞強度。一般光潔度不應(yīng)低于。環(huán)向焊縫位置與缸底距離應(yīng)盡可能不小于，為缸的法藍外半徑，與法藍上表面距離也不小于。 液壓缸法藍與橫梁接觸面應(yīng)要求80％以上的面積緊密接觸，即在累計4/。橫梁剛度不夠或安裝水缸處筋板布置不合理，也會導(dǎo)致法藍接觸面上支反力分布不均勻，引起過大的工作應(yīng)力。連接螺釘最好在液壓缸加壓狀態(tài)下擰緊，有些小液壓機在缸底用卡環(huán)或鍵將缸與橫梁緊固，對防止缸的松動有一定效果。工作缸一般由鍛鋼或鑄鋼制成，由中碳鋼鑄成的工作剛缸，一般多用在20MPa以下的工作壓力，對于在更高壓力下工作的工作缸，則由碳鋼或合金鋼鍛成。柱塞的表面質(zhì)量，對工作缸密封裝置和導(dǎo)向銅套的磨損及壽命有極大的影響，因此柱塞表面必須具有足夠的硬度和良好的粗糙度。本臺液壓機的柱塞材料選用35鋼，許用應(yīng)力。工作缸內(nèi)徑按下式確定 (23)取，由式(23)得。液壓缸的一般形式是一端開口一端封閉的厚壁高壓容器，當高壓液體作用在柱塞上時，反作用力作用于缸底，通過缸壁傳到法蘭部分，靠法蘭與橫梁支承面上的支承反力來平衡。按圖21及相關(guān)公式初步選擇液壓缸的有關(guān)尺寸，再進行強度校核。， (1)筒壁部分最大應(yīng)力點在缸筒內(nèi)壁，按下面公式計算的當量應(yīng)力為安全系數(shù)為 ， 安全。其中 —空行速度(m/s) —充水管道允許流速(m/s) 安全。 (25)其中 代入式(25)得 ，安全工作缸材料為35鋼，其密度：所以其體積：+=其重量為： (26)其中 代入式(26)得 滿足要求?，F(xiàn)具體計算如下：柱塞直徑由式(21)得，圓整取 D=320mm。內(nèi)徑由式(23)得 ，取 根據(jù)工作缸要求，工作外徑由式(24)確定許用應(yīng)力，取。(2)缸底部分缸底進水孔直徑 ，圓整取。(3)法蘭部分其中 為材料的波桑系數(shù)?；爻谈撞牧蠟?5鋼，其密度：所以其體積：++=其重量為： (26)其中 代入式(26)得 滿足要求。在大型液壓機的設(shè)計中，梁的設(shè)計的合理性，剛度和強度分析的可靠性直接影響到梁的功能的發(fā)揮和使用壽命，進而影響到整機功能的發(fā)揮和整體工作性能，因此梁的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計方案的擬定是本壓機設(shè)計的重點。對于上橫梁，其設(shè)計原則是在滿足相連部件最小幾何尺寸要求和工藝要求的條件下，盡可能縮減其縱向、橫向尺寸，這是有效提高梁的剛度、強度和減輕梁的重量應(yīng)首先把握的主要原則。此外，在上橫梁上還要安裝工作缸和回程缸，上橫梁本身又需安裝在立柱上，所以它的結(jié)構(gòu)便被這些要求所限制。由于上橫梁外形尺寸很大，為了節(jié)約金屬和減輕重量，應(yīng)盡量使各個尺寸在允許的范圍內(nèi)降到最小。上橫梁設(shè)計時，應(yīng)使梁體寬度盡量狹小。對于本設(shè)計，液壓機工作時，上橫梁沿縱軸方向各個橫截面上的力矩呈不均勻分布，在大拉桿截面處最大，缸部為兩個集中力，所以按懸臂梁方式設(shè)計。工作缸孔為了便于安裝，下孔的直徑應(yīng)比上孔達10~20mm。將上橫梁簡化成懸臂梁，計算長度為工作缸與大拉桿中心孔的中心距離；由于為單臂液壓機，所以將約束條件確定為懸臂結(jié)構(gòu)。計算模型和剪力、彎矩圖如圖23所示。該梁的危險截面形狀的等效截面與尺寸如圖24所示。由式(27)得 由式(210)得 ，由式(211)得，由式(212)得。表22 上橫梁的慣性矩計算Table 22 Inertia moment puting of upper beam分塊序號寬高mmm123—— (5)撓度 (213)式中 E—上梁的彈性模量，，J—上梁的慣性矩，如圖25所示，該梁的撓度是兩個類型撓度的疊加，計算如下：圖25 上梁的撓度圖 Flexibility diagram of upper beam (6)相對撓度 ， 比允許值小，剛度好，安全。 下橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及剛度強度校核下橫梁與拉桿、工作臺、支座和工作臺相連，梁體結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)都很復(fù)雜。下橫梁設(shè)計時，除了滿足與拉桿連接，并保證工作臺的尺寸的空間，還要盡量使梁的橫向、縱向尺寸最小以滿足重量最小這一條件。將下橫梁簡化成簡支梁，計算長度為工作臺面尺寸，其約束條件為鉸接，其承受壓力為均布載荷，計算模型如圖27所示。該梁中間截面形狀的等效截面圖如圖28所示。圖27 下橫梁計算模型及彎剪圖 Calculating model and shear and moment diagram of lower beam圖28 下橫梁的中間截面的等效截面圖 Equivalent crosssection diagram of middle crosssection of lower beam為了方便，計算結(jié)果如下表23所示： 由式(27)得截面對底邊WW軸的慣性矩由式(210)得，由式(211)得由式(212)表23 下橫梁的慣性矩計算Table 23 Inertia moment puting of lower beam分塊序號寬高mmm123(4)最大應(yīng)力值 ， 安全。圖29 下梁的撓度圖 Flexibility diagram of lower beam綜上所述計算說明下橫梁的設(shè)計滿足剛度和強度要求。本臺液壓機采用的是預(yù)應(yīng)力組合框架，即通過預(yù)應(yīng)力拉桿使上下橫梁和支座緊固連接，構(gòu)成封閉框架。在預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)中，拉桿的受力和變形為:液壓機預(yù)緊時，梁與大拉桿均受壓，有一定的預(yù)壓縮量；小拉桿相