缸梁一体式液压机的结构特点分析.pdf

文章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 1 0 6 0 0 2 2 0 3 缸 梁 一体 式 液 压 机 的结构 特 点 分 析 王仲 仁 1 w王 小松 t 。 戴昆 。谢斌 ， 1 ． 哈 尔滨工 业大 学 材料 学 院 ， 黑 龙江哈 尔滨 1 5 0 0 01 ； 2 ． 青 岛宙庆 工业设 计有 限公 司 ， 山东青 岛 2 6 6 1 1 1 ； 3 ． 南 京工 程 学院 ， 江 苏南京 2 1 1 1 6 7 摘 要 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 5 0 MN～ 9 0 0 MN 的缸 梁 一体 式压力机 的相 关尺 寸 。 关键 词 机械 制造 ； 结构分 析 ；液 压机 ； 缸梁 一体 中图分类 号 T G3 1 5 ． 4 文献标 识码 B 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 I2 】 ， 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 。 1 2 3 1 4 1 1 5 7 - ’ 。 丌f _ ● _ ● l l 图 1 三梁四柱式压力机 l ， 工作缸2 ． 工作柱塞3 ． 上横梁4 ． 立柱5 ．活动横梁 6 ． 上砧7 ． 下砧8 ． 下横梁9 ． 小横梁 1 0 ． 回程柱塞 l 1 ． 回程缸1 2 ．拉杆 日期 2 0 1 1 - 0 9 1 2 简介 王仲仁 1 9 3 4 一 ， 男， 教授， 博导， 从事塑性工程技术的教学 与研究 导柱 导套 图2 缸梁一体式液压机的结构原理图 图 3 缸梁一体式液压机的三维示意图 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 2 0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 与经 向应 力 o r e 相等 ， 可 由下 式表 示 o- p 一 等 1 式 中 球直 径 ； t 壳体 壁 厚 。 O“ o } 图 4 半球形液压缸受力图 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 2 0万 ～ 1 5 0万次 ， 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 4 5 。 ； 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 凰 图 5 缸的损坏情况 ． 。、 。、 一 ’ ＼ ～ f f f f f f 图6 液压缸圆筒部分应力状态图 问 应 力 状 态 图 6 。 根据 弹性力 学理 论 ， 应 力值 分别 为 ． 嚣 1 一 箸 1 笋 r i r f 广 o - z 蒲 式 中 径 向 应 力 匀 分 布 内 压 的 厚 壁 圆筒 ，除 有 轴 向 拉 应 力 外 ， 尚有 由内 压 P 引 起 的径 向压 应 力 内壁 最大 ， 向 外 逐 渐 减 小 ， 到 外 壁 时 为 零 和 切 向 拉 应 力 内壁最 大 ， 向 外 逐 渐 减 小 ， 是 三 圆筒 段任 意一 点 的三 向主 2 3 4 O r ．厂切 向应 力 ； 轴 向应力 。 由式 2 ～ 式 4 可见 ， 切 向应 力 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 图 7 液压缸 当量应力场 一 一 X／ -Y- r 一 ≤[ ] ， 2 一 ，1 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 下优 点 1 由于液 压 缸 为半 球 壳 体 ， 受力 均 匀 ， 它 统 的圆筒形 液压 缸 主要优 点是 ①对 同一 直 径 厚 度 内压 高 一倍 【 3 - 4 ] ， 由此可 以理解 高 压 容器 多 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 ] p 1 7 0， “ 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 2 0万 吨模 锻 液压 机在 所有 的设计 方案 中 “ 上横梁 的 高度均 超 过 1 0层 楼 ” 。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 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 柱塞 半球 许用应力为 许用应力为 半球壳参 吨位 2 o o MP a时的 I O O MP a时的 直径 直径 考厚度 ， M N 半球壳壁厚 半球壳壁厚 ／ I n ， m t ] mm t ／ n u n ／ m a n 5 0 1 ． 7 5 2 ．4 63 1 2 6 9 0 8 0 2 ． 2 3 ．0 8 0 1 5 7 1 0 5 l o 0 2 ． 5 3 ．2 8 5 1 7 0 1 2 5 2 0 0 3 ． 5 4．4 1 1 5 2 3l 1 5 0 3 0 0 4 ． 3 5 ．2 l 4 o 2 7 3 2 0 O 4 o 0 5 ． O 6 - 3 1 6 5 3 3 0 2 2 0 6 0 0 6 ． 0 7 ． 3 1 9 0 3 8 0 2 5 0 9 0 o 7 ． 5 8 ． 8 2 3 1 4 62 2 9 0 注 液体内压为2 1 M P a 。 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 。 【 参考 文献 】 [ 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 2 0 1 0 1 0 5 0 2 6 8 8 5 ， 2 0 1 0 1 0 0 5 ． ’ [ 2 ] 俞新陆． 液压机设计与应用[ M ] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 2 1 ． [ 3 】 苑世剑． 现代液压成形技术【 M 】 ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 4 】 王仲仁， 张琦． 省力与近均匀成形一原理与应用[ M 】 ． 北京 高教 出版社 。 2 0 1 0 ． [ 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 ， 2 0 0 6 ． An a l y s i s o f t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s f b r h y d r a u l i c p r e s s wi t h u n i t y o f c y l i n de r a nd be a m W ANG Z ho ng r e n ，W ANG Xi a o s o n g ，DAI Kun ，XI E Bi n 1 ． Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， He i l o n i a n g C h i n a ； 2 ． Z h o u q i n g I n d u s t r y De s i g n C o ． ， L t d ． ， Qi n g d a o 2 6 6 1 1 1 ， S h a n d o n g C h i n a ； 3 ． Na n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， Na n j i n g 2 1 1 1 6 7， J i a n g s u C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c p r e s s w i t h u n i t y o f c y l i n d e r a n d b e a m HP UC Bi s a n e w k i n d o f p r e s s ．I t S