组合框架式液压机立柱概念设计.pdf

D e s ig n a n d R e s e a rc h 设计与研究 组合框架式液压机立柱概念设计 李艳聪① ② 张连洪① 喻宏波① 王栋彦① 张 淳③ ①天津大学机械工程学院， 天津 3 0 0 0 7 2 ； ②天津农学院机电工程 系， 天津 3 0 0 3 8 4 ； ③天津市天锻压力机有限公司， 天津 3 0 0 1 4 2 摘要 提出了组合框架式液压机立柱的概念设计方法 ， 建立了立柱的力学模型以及立柱的概念设计模型 ， 依据概念设计模型得到了立柱的原型结构尺寸。采用概念设计方法对 T HP I O 一 1 0 0 0 0型 I O O MN等 温锻造液压机主机立柱进行了设计。该设计方法可为机械系统结构设计提供参考。 关键词 组合框架式液压机立柱概念设计 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 B Co n c e p t u a l d e s i g n f o r t h e p i l l a r s o f c o mb i n e d f r a me t y p e h y d r a u l i c p r e s s L I Ya n c o n g ①② ， ZHANG Li a n h o n g ① ， YU Ho n g b o ① ， W ANG Do n g y a n ① ， ZHANG Chu n ③ C o ll e g e o f M e c h a n ic a l E n g i n e e r in g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C H N ； ②D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 。T i a n j i n A g r i c u l t u r a l C o l l e g e ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C H N； T i a n j i n T i a n d u a n P r e s s C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 1 4 2， C H N Ab s t r a c t A c o n c e p t d e s i g n me t h o d f o r t h e p i l l a r s o f h y d r a u l i c p r e s s i s p r o p o s e d ．A c c o r d i n g t o t h e c o n c e p t u a l d e s i g n mo d e l ，t h e me c h a n i c a l mo d e l a n d c o n c e p t d e s i g n o f t h e p i l l a r s a r e e s t a b l i s h e d a n d t h e p r o t o t y p e s t r u c t u r e o f p i l l a r i s o b t a i ne d ．Pi l l a r i n THPI O-I O0 0 0 1 0 0MN i s o t h e r ma l f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s i s d e s i g n e d u s i n g t h i s me t ho d．Th i s d e s i g n me t h o d pr o v i d e s r e f e r e n c e for t h e me c h a n i c a l s y s t e m de s i g n． Ke y wo r d sCo mb i n e d Fr a me Ty p e Hy d r a u l i c Pr e s s；P i l l a r s ；Co n c e p t u a l De s i g n 液压机是机械制造业的一种 重要基础装备 ， 液压 机立柱是组合框架式液压机 的主要部件。近年来 ， 国 内外学者对液压机立柱进行了大量研究 ， 取得 了一定 的进展 文献[ 1 ] 对组合框架式液压机拉杆部件的预 紧力进行 了分析 ； 文献 [ 2 3 ] 建立了包含上下横梁 、 活 动横梁、 活塞柱塞、 液压缸、 垫板和模具的主机整机模 型， 模型中考虑了拉杆的预紧力、 耦合接触、 液压载荷 与成形载荷 ； 概念设计是整个设 计过程 中最重要的阶 段 ， 为了把设计过程 的活动从逻辑上 和时间关系上结 构化 ， 很多产品设计方法学都把设计过程划分为概念 设计 C o n c e p t u a l D e s i g n 和构 型设 计 C o n f i g u r a t i o n D e s i g n 两个 阶段 。前者的 目的是制定出方案 ； 后者 的 目的是设计出具体构型。 目前 ， 概念设计阶段 的研 究成果较少 ， 在传统液压机设计过程中， 采用基于实例 的推理方法得到概念设计解是液压机主机概念设计研 究和应用的常用方式， 存在着液压机设计主要依靠设 计人员 的个人经验 ， 设计 结果 不能精确控 制等问题。 为此 ， 从组合框架式液压机立柱的力学模型出发 ， 进行 立柱的概念设计。并将此方法应 用到 T HP 1 0 1 0 0 0 0 型 1 0 0 MN等温锻造液压机主机立柱。 1 组合框 架式 液压机 立柱 力学模 型 组合框架式液压机立柱 由支柱和拉杆组成。对于 组合框架式液压机， 为了保证液压机的正常工作， 必须 使液压机主机在工作状态下， 支柱和上下横梁接合面 不产生间隙， 接触 面间存在残余预紧力 。假设上 下横梁为刚体 ， 液压机主机预紧原理及工作过程如 图 1 、 2所示。由图 2知 ， 预 紧前 拉杆和支 柱无变形 图 2 a ； 受预紧力 P 时， 拉杆 的伸长量为 A 支柱压缩变 形量为 A 图2 b ； P r ／ P， 7 7 为预紧系数 ， 通常取 1 ． 2 ～ 1 ． 7 ， 压力机受公称压力 P作用时 ， 拉杆的伸长量增 为 A ， 而支柱的压缩量则减为 A 图2 c 。 从图2 得出支柱在预紧载荷作用下所受压应力为 国家自然科学基金 5 O 8 O 5 1 O 1 ； 国家 自 然科学基金 5 0 8 7 5 1 8 2 ； 国家科技重大专项“ 粉末冶金液压机” 3 l ,． N 2 0 0 9 Z X 0 4 0 04 0 3 1 0 4 ； 天津 市先进制造技术与装备重点实验室开放课题项 目资助 ． 6 9． 设计与研究 D e sig n a n d R e s e a rc h P ／ m F 1 式中 F 为支柱横截面积 ， m m ； P 为预紧载荷 ， N； m 为 支柱 的数 目， 一般 m 2或 4 。 拉杆在预 紧时所受拉应力为 1 P y ／ ml F 1 2 式中 m 为拉杆数 目， 通常 m， 4 ； F 为拉杆横截面积 ， I Tl m 2 n 力 崔 ＼ ／ ＼ ／ ＼ 户 ＼ ＼ ＼ ＼ 图1支柱和拉杆受力和变形关系 变形 r 1 f 1 r 1 r I l_ l _ 主 一 7 A 1 P z 图2 支柱和拉杆变形示意图 如果 1 个支柱布置 2根拉杆 ， 拉杆采用材料 4 5钢 许用应力 [ ] 2 6 0 MP a ， 支柱采用材料 Q 2 3 5 许用 应力[ r ， ] 1 7 5 MP a ， 在预紧状态下， 假设 2个构件受 力均达到极限应力状态 ， 根据牛顿第三定律拉杆受 的 拉力和支柱受的压力相等 ， 可得单根拉杆面积只需 有 支柱断面面积的约 0 ． 3 3 6 5倍 ， 即 F 0 ． 3 3 6 5 F ， 进一 步计算 2根拉杆与 1个支柱面积比为 0 ． 6 7 3 0， 即 ml Ft 0． 6 7 3 0 m F 。 将上式比值修正为0 ． 5 ， 则 一 0C i 0 ． 5 3 一 ． 5 3 mz z 式 中 c为相对刚度系数。 根据上面分析的结果 ， 设计厂家在按经验设计时， 通常按支柱面积是拉杆面积的2倍来计算， 对于大吨 位液压机， 还可将比值进一步增大到 2 ． 5 。 受公称载荷 P时， 载荷 P由支柱 和拉杆共 同承 担 ， 分 担 的大小 与二 者 的刚 度 比有 关 。根 【 二 式 得 出 拉杆分摊的工作载荷 只有支柱分摊工作载倚的 C倍 ， 于是拉杆和支柱分担的工作载荷分别为 P I_ P 扣； P 了 1 P 4 式中 P 为拉杆工作所受载荷 ； P ． w 为支柱工作所受 载荷 。 则拉杆的平均拉应力增加到 P 丽 IL P 5 式中 P为公称力 ， N； C为拉杆和支柱刚度 比； 叼为预 紧系数。 对于支柱 ， 压应力减小为 一 尸 一 最P ■ 丽 一 P 6 从式 6 可知， 预紧系数总是大于 1 ， 所以支柱总 是受压。 2 立柱概念设计模型 以拉杆工作状态进行设计 ， 满足强度 的拉杆面积 为 7 式中 [ 1 ] 为拉杆许用应力， M P a ； 叼为预紧系数； P为 公称力 ， N； F 为拉杆横截面积 ， m m 。 根据式 3 ， 以液压机有 4根拉杆和 2个支柱 ， 按 1个支柱含有 2根拉杆计算 ， 单个支柱面积为 F ≥4 F 1 8 支柱最小截面如图 3所示。根据截 面， 建立支柱 截 面积 与板 厚关 系表 达式 为 图3 支柱最小截面 u l 卅 I 一 F 4 t l B 22 t 2 2 t 2 BB1 9 计算支柱截面积必须满足的条件为 ≥ P4 1 ＼ C J l 1 1 m 1 0 3 算例 以 T HP 1 0 1 0 0 0 0型 I O O MN等温锻 造液 压机为 例 ， 取预紧系数 “r ／ 1 ． 3 。拉杆材料 4 5钢， 许用应力为 2 6 0 MP a ； 设拉杆数 m 4， 根据式 7 确定拉杆半径为 ≈ 0． 2 2 5 I n 2 2 5 1T i m 取 r 2 2 5 mm。 考虑拉杆疲劳强度 ， 材料 4 5钢许用疲 劳应 力为 1 8 0 M P a ， 得到的拉杆半径为 ≈ 0． 2 7 0 13 1 2 7 0 1T I 1 T I 取 r 2 7 0 fi l m。 设液压机主机支柱 m 2 ， 根据式 8 得 1 个支柱 截面积为 F 91 6 0 61 mlT l 根据 T H P 1 0 1 0 0 0 0型 1 0 0 MN等温锻造液压机中 已经确定的宽边中心距 和窄边 中心距 ， 以及梁的轮廓 尺寸， 即B 1 9 0 0 m il l ， 日 3 3 6 0 m lT l ， B 2 1 1 2 0 13 1 13 “1 。代 入式 1 0 ， 得 9 1 6 0 6 1 4 t I 1 1 2 0 2 t 2 2 t 2 3 3 6 0 9 0 0 按 t 与 t 2 相等对待， 满足条件的结果为 4 结语 D 嘲n a n d R e s e a rc h 设计与研究 t 1 t 2 1 1 0 mm 提出组合框架式液压机立柱的概念设计方法。建 立了立柱 的力学模型以及立柱的概念设计模型。依据 概念设计模型得到了立柱的原型结构尺寸。采用概念 设计方法对 T H P 1 0 1 0 0 0 0型 1 o 0 MN等温锻造液压机 主机立柱进行了设计 。该设计方法可为机械系统结构 设计提供参考。 参考文献 [ 1 ] 黄奎 ， 莫健华 ， 陈柏金 ． 双柱上传动锻造水压机多根拉杆顺序加载预 紧力分 析[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8 ， 1 9 7 8 6 7 8 7 1 ． [ 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n g ma c h i n e [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s i n De s i g n ，2 0 0 8 ． [ 3 ] 崔剑． 钢纤维树脂混凝土机床基础件动态及热态性研究[ D ] ． 阜新 辽宁工程技术大学 ， 2 0 0 6 ． [ 4] X U P i n g， Y U Y i n g h u a． R e s e a r c h o n s t e e l fi b b e r D 0 l v me r c o n c r e t e 等 ， c ⋯ 『 4 ma c h i n e t o o l s t r u c t u r e l J j J OU R N A L O F C O A L S C I E N C E ＆ E N G I NE E R I N G C H I N A ， 2 0 0 8 ， 1 4 4 6 8 9～ 6 9 2 ． [ 5 ] 于英华 ， 王明旭 ， 徐平． 钢纤 维聚合物混凝土机床基础件热性能[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 8 7 5 0 5 2 ． [ 6 ] 侯红玲 ， 邱志惠 ， 赵志强 ． 高速切削机床横梁的静态和动态分析 [ j ] ． 机械设 计与制造 ， 2 0 0 6 5 3 8 3 9 ． [ 7 ] 于英华 ， 崔剑． S F P C阻尼及其机 床构件 的动态性能 [ J ] ． 辽 宁工程 技术大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 1 0 4 1 0 6 ． [ 8 ] 机床设计手册 编写组 ． 机床 设计手 册 [ M] ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 1 9 8 4 1 2 3 7 1 2 3 9 ． 第一作者 徐 平， 男， 1 9 6 4年 生， 博士 ， 教授 ， 主要 从事机械制造中检测的自动化与智能化， 先进制造技 术， 新材料性能与应 用等方 面的研 究， 已发表论 文 6 O 余篇。 编辑李静 收稿日期 2 0 1 0 1 1 2 9 文章编号 1 l o 4 2 l 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 孺