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大型高 精度液压机整体框架主要结构单元的设计与研究 口张宏洲 口程波 洛阳矿 山机械工程设计研究院有限责任公 司 河南洛 阳4 7 1 0 3 9 摘要 在 大量设计研发和 实践 的基 础上 ， 对液压机 整体框 架的传 统结构和新 型结构进行 了深入 研 究． 并对计 算公 式进行 了推 导。 通过 实例计算 ， 对主要 结构单元进行有 限元分析 ， 得 出了一些结论 。 对新 产品和 同类产 品的设计和开发 ． 具 有一定的指导意义。 关键词 液压机整体框 架立柱拉杆 中图分 类号 T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 4 1 0 4 0 0 3 4 0 5 液 压 机 是 利 用 液 压 传 动 技 术 进 行 压 力 加 工 的 设 备 ， 是 装 备 制 造 业 的 基 础 设 备 。 流 体 运 动 的 特 性 ， 即 工 作 平 稳 、 振 动 和 噪 声 较 小 ， 具 有 过 载 保 护 性 ， 易 于 大 行 程 、 大 空 间 、 大 负 载 工 作 ， 运 行 速 度 和 负 载 力 平 稳 可 调 ， 这 些 特 点 优 于 机 械 等 其 它 方 式 传 动 。 液 压 机 广 泛 应 用 于 各 个 行 业 的 压 力 加 工 如 汽 车 、 家 电 、 航 空 覆 盖 件 等 金 属 薄 板 件 的 冲 压 拉 伸 成 型 加 工 锻 压 设 备 中 的 热 模 锻 成 型 、 自 由锻 造 制 坯 成 型 等 金 属 机 械 零 件 的 成 型 加 工 ； 钢 铁 冶 金 行 业 的 型 钢 、 型 材 、 管 、 棒 材 等 黑 色 和 有 色 金 属 挤 压 和 拉 伸 成 型 粉 末 制 品 及 非 金 属 行 业 的 磁 性 材 料 、 粉 末 冶 金 、 橡 胶 制 品 、 塑 料 制 品 、 木 制 品 板 材 、 型 材 等 的 压 制 成 型 ； 以 及 其 它 的 轮 轴 压 装 、 弯 曲 校 直 、 校 正 、 塑 封 、 压 印 等 加 工 。 随 着 新 工 艺 和 新 材 料 的 发 展 ． 更 收稿 日期 2 0 1 3年 1 1月 多 的 领 域 将 广 泛 地 应 用 各 种 功 能 的 液 压 机 设 备 ， 因 此 ． 对 其 深 入 的 研 究 具 有 重 要 意 义 。 1 液压机 的传统 结构形式 液 压 机 一 般 由 本 体 及 液 压 系 统 两 部 分 组 成 。 常 见 的 液 压 机 本 体 结 构 为 三 梁 四 柱 式 ， 其 简 图 如 图 1所 示 。 它 由上 横 梁 、 下 横 梁 及 动 梁 组 成 称 为 “ 三 梁 ” ． “ 四 柱 ” 为 4根 立 柱 。 通 过 l 6个 螺 母 将 它 们 组 合 在 一 起 。 形 成 一 个 框 架 结 构 ，承 受 全 部 的 载 荷 。 工 作 缸 固 定 在 上 横 梁 上 ， 工 作 缸 内 装 有 工 作 柱 塞 ， 它 与 动 梁 为 球 型 铰 接 ， 动 梁 以 4根 立 柱 为 导 向 ， 通 过 提 升 活 塞 和 工 作 柱 塞 在 上 、 下 横 梁 之 间 往 复 运 动 。 在 动 梁 的 下 表 面 上 ， 一 般 固 定 有 上 模 上 砧 ， 而 下 模 下 砧 固 定 于 下 横 梁 上 的 工 作 台 面 。 提 升 缸 固 定 于 上 横 梁 上 ， 提 升 活 塞 固 定 于 动 梁 上 。 3 球 壳 与 车 身 之 间 ， 通 过 关 节 轴 承 与 轴 套 的 巧 妙 组 合 ， 构 成 了全 方 位 的 游 动 、 悬 挂 支 承 ， 以 确 保 驱 动 轮 与 球 壳 接 触 同 时 具 有 很 强 的 自适 应 调 整 性 能 。 2． 2应 用 推 广 本 作 品 变 传 统 的 平 面 运 动 为 滚 动 ，将 难 以 控 制 的 球 形 运 动 变 得 简 单 、 可 靠 、 安 全 ， 尤 其 在 大 直 径 、 载 人 负 重 及 实 用 性 方 面 的 独 特 设 计 ．使 其 具 有 良好 的 推 广 应 用 价 值 。 目前 是 针 对 儿 童 开 发 的 一 款 娱 乐 车 ， 突 出 趣 味 性 、 安 全 性 和 可 操 控 性 ， 强 调 的 是 新 概 念 、 新 感 觉 。 但 它 更 具 有 极 强 的 二 次 开 发 性 ， 根 据 需 要 完 全 可 制 成 有 人 、 无 人 控 制 ； 机 控 、 电 控 ； 水 、 陆 两 栖 ； 运 载 、 探 测 ； 平 时 、 战 时 等 各 种 装 置 ， 应 用 前 景 十 分 广 阔 。 参 考 文 献 [ 1 ] 孙汉旭 ， 郑一力 ， 贾庆轩 ， 等． 带可伸缩操作臂 的球形机器 人的研制[ J ] ． 机器人 ， 2 0 0 9 ， 3 1 5 4 0 4 4 0 9 ． [ 2 ] 董荣俊 ． 一种新 型球 形机器人 的设计 与实现 [ D] ． 南京 南 京航空航天大学 ． 2 0 0 9 ． [ 3 ] 肖爱平， 孙汉旭， 廖启征 ， 等． 一种球形机器人的运动特性 Il 3 4 l 2 0 1 4 ／ 4 分析[ J ] ． 机 电产 品开发与创新 ， 2 o 0 5 ， 1 8 1 1 - 4 ． [ 4 ] 王 广 ，莫锦秋 ． 全 对称 球形 机器 人 的设计 及动 力学 分析 [ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 o 7 ， 4 1 8 1 2 7 1 1 2 7 5 ． [ 5 ] 李鑫勇 ，王彪 ，郝少 楠． 电磁驱动结构的球形机器人研究 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 0 5 1 6 9 1 7 0 ． [ 6 ] 孙琪 ， 张越． 基于 A D A MS的某球 形机器人 运动分析 [ J ] ． 科 学技术与工程 ， 2 0 1 0 ， 1 0 1 5 3 5 9 9 3 6 0 1 ． [ 7 ] 朱超．具有稳 定平台 的全 向滚动球形机 器人研究[ D] ． 西 安 西安 电子科技大学 ． 2 0 0 5 ． [ 8 ] 王亮清 ， 孙汉旭 ，贾庆轩． 球形机器人的 圆周运动分析 [ J ] ． 机 器 人 ， 2 0 0 7， 2 9 1 5 6 6 0 ． [ 9 ] 叶长龙 ，马书根 ，回丽． 一种全方位移动机器人 [ J ] ． 中国科 学 ， 2 0 1 1 ， 41 2 1 8 1 1 8 9 ． [ 1 0 ] 王佳 ， 胡侠 ， 柳洪义 ． 球形 管道机器人 设计 [ J ] ． 机械设 计与 制造 ， 2 0 0 6 1 2 1 3 3 1 3 5 ． [ 1 1 ]王迎春． 一种球形月球探测机器人 的机构设计与路径规划 研究 [ D ] ． 北京 北 京邮电大学 ， 2 0 1 0 ． △ 编辑 小 前 机械制造5 2 卷 第5 9 6 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 当 动 梁 下 降 时 ， 工 作 缸 通 入 高 压 液 体 ， 两 侧 提 升 起 到 平 衡 下 压 的作 用 ， 高 压 液 体 推 动 工 作 柱 塞 ， 工 作 柱 塞 推 动 动 梁 及 上 模 下 行 ，使 工 件 在 上 、下 模 之 间 产 生 塑 性 变 形 ， 完 成 一 个 下 压 动 作 。 回程 时 ， 工 作 缸 泄 压 ， 高 压 液 体 进 入 提 升 缸 下 腔 ， 推 动 提 升 活 塞 向 上 运 动 ． 带 动 动 梁 回 到 原 始 位 置 ， 完 成 一 个 工 作 循 环 。 在 我 国一 些 基 础 行 业 ， 如 锻 造 、 钢 铁 冶 金 、 机 械 制 造 及 航 空 航 天 业 等 ， 广 泛 应 用 着 各 种 液 压 机 ， 主 要 为 一 些 常 规 典 型 液 压 机 。 如 自由 锻 造 液 压 机 、 模 锻 液 压 机 、 多 向 模 锻 液 压 机 、 通 用 万 能 液 压 机 、 挤 压 、 拉 伸 、 校 正 、 穿 孔 液 压 机 等 。早 期 的 小 型 液 压 机 多 采 用 C 型 和 四柱 式 结 构 ， 而 大 中 型 液 压 机 均 采 用 三 梁 四柱 ， 该 结 构 是 液 压 机 的 经 典 结 构 ，一 直 到 现 在 还 保 持 着 主 导 地 位 。 另 外 ， 2 0世 纪 9 0年 代 后 。 随 着 产 品 工 艺 和 技 术 的 发 展 ， 大 中 型 液 压 机 结 构 形 式 趋 向 多 样 化 ． 出现 了“ 缸 动 ” 、 “ 双 柱 下 拉 ” 、 “ 双 柱 上 拉 ” 、 “ 四 柱 下 拉 ” 、 C 型 片 式 组 合 框 架 结 构 、 0 型 牌 坊 式 钢 丝 缠 绕 式 等 多 种 结 构 形 式 。 在 众 多 结 构 中 ， 出 现 了一 种 新 型 的 主 流 式 设 计 结 构 ． 即 预 应 力 整 体 框 架 形 式 。 2 预应 力整体框 架结构 形式 目前 ， 随 着 新 工 艺 、 新 材 料 、 新 技 术 的 不 断 更 新 、 发 展 ， 大 型 液 压 机 的结 构 也 不 断 完 善 和 发 展 ． 现 在 新 型 设 计 的 大 型 液 压 机 的 主 体 均 采 用 预 应 力 整 体 框 架 结 构 ． 它 与 传 统 结 构 有 很 大 的 区别 。 传 统 的 液 压 机 三 梁 四 柱 式 结 构 普 遍 采 用 的 是 局 部 预 紧 框 架 结 构 ， 立 柱 多 使 用 圆 形 ， 其 既 作 为 机 架 又 作 为 拉 杆 ． 还 要 作 为 动 梁 的 导 向 体 ， 同 时 ， 拉 杆 承 受 满 负 载 的 不 规 则 的 脉 动 轴 向 拉 力 ， 这 种 交 变 的 脉 动 力 增 幅 越 大 ， 对 设 备 损 坏 也 越 大 。 当 发 生 偏 心 压 制 时 ． 还 要 承 受 动 梁 的 横 向 推 力 和 弯 矩 ． 以 及 由上 、 下 梁 变 形 而 作 用 于 锁 紧 螺 母 产 生 的 弯 矩 。 因 而 在 机械制造5 2 卷 第5 9 6 期 加 载 和 卸 载 的 瞬 间会 产 生 剧 烈 的 晃 动 和 振 动 ，其 受 力 条 件 十 分 恶 劣 ， 立 柱 成 为 机 构 中 的 薄 弱 环 节。 现 有 的 预 应 力 整 体 框 架 结 构 将 立 柱 和 拉 杆 分 离 ，改 变 原 来 的 复 合 受 力 状 况 。 导 向 和 预 紧 分 离 ， 立 柱 具 有 导 向 功 能 ， 并 实 现 可 调 性 ； 拉 杆 具 有 预 紧 作 用 ， 并 可 实 现 多 拉 杆 预 紧 。这 样 就 提 高 了框 架 的 整 体 刚 性 、 抗 疲 劳 强 度 、 承 载 能 力 和 稳 定 性 ， 使 各 个 构 件 的 使 用 寿 命 延 长 ． 降 低 了 设 备 维 护 费 用 和 寿命 成 本 。 拉 杆 承 受 的 循 环 脉 动 力 的 幅 值 ， 可 以 降 低 到 原 来 的 几 分 之 一 ， 大 大 改 善 了 拉 杆 的 受 力 状 态 ， 减 少 了拉 杆 出 现 疲 劳 断 裂 的 现 象 。 预 应 力 整 体 框 架 的 典 型 结 构 形 式 见 图 2。 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 主 要 由 拉 杆、立 柱、 下 梁 、 螺 母、 上 梁 组 成 一 个 整 体 框 架 ． 其 主 要 结 构 单 元 是 立 柱 和 拉 杆 ，立 柱 和 拉 杆 的 结 构 和 力 学 性 能 对 整 体 框 架 的 形 成 具 有 关 键 的 作 用 。 首 先 ， 对 立 柱 和 拉 杆 的力 学 性 能 进 行 研 究 与 分 析 ， 预 应 力 整 体 框 架 式 液 压 机 的 特 点 是 ．通 过 上 梁 和 下 梁 的 锁 紧 螺 母 锁 紧 拉 杆 ， 预 先 给 上 梁 、 下 梁 、 立 柱 形 成 的 整 体 框 架 施 加 一 个 预 紧 力 ，使 整 个 液 压 机 框 架 体 处 于 预 紧 状 态 ， 产 生 一 定 的 预 紧 变 形 。 这 个 预 紧 力 要 比 工 作 负 荷 力 大 ， 液 压 机 整 体 框 架 处 于 工 作 状 态 时 ， 工 作 负 荷 会 将 拉 杆 继 续 拉 长 ， 而 此 时 立 柱 会 处 于 恢 复 变 形 状 态 ， 即 压 缩 变 形 减 少 ， 立 柱 的 受 力 会 大 大 减 少 ， 直 到 达 到 最 大 负 荷 ， 仍 保 持 一 定 的 残 余 预 紧 力 ， 可 保 证 液 压 机 整 体 框 架 的 稳 定 性 。 此 时 拉 杆 的 受 力 状 况 为 拉 伸 变 形 ． 在 整 个 工 作 负 荷 中 ， 拉 杆 仅 产 生 小 幅 的 脉 动 拉 伸 变 形 ， 与 传 统 的 拉 杆 受 力 状 况 完 全 不 同 ，大 大 延 长 了 拉 杆 的 使 用 寿 命 。 在 整 个 预 应 力 整 体 框 架 受 力 过 程 中 ， 拉 杆 在 整 个 过 程 中 始 终 处 于 受 拉 的状 态 ， 产 生 拉 长 变 形 。 立 柱 则 始 终 处 于 受 压 的状 态 ， 产 生 压 缩 变 形 。 立 柱 和 拉 杆 的 受 力 和 变 形 见 图 3。 图 3中 参 数 为 尸 f 为 工 作 负 荷 ；P l 为 预 紧 力 ； P 2 为 拉 杆 在 最 大 工 作 负 荷 时 的最 大 负 荷 力 ； 为 拉 杆 在 开 缝 时 的 最 大 负 荷 力 ； P 4 为 拉 杆 的 相 对 刚 度 负 荷 力 ； 为 立 柱 的 相 对 刚 度 负 荷 力 ；P n 为 立 柱 在 最 大 工 作 负 荷 时 的残 余 预 紧 力 ；尸 日 为 拉 杆 在 工 作 负 荷 时 的 动 荷 振 幅 2 0 1 4 ／ 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 负 荷 力； A。 为 拉 杆 在 预 紧 力 下 的 变 形 量 ； A 为 立 柱 在 预 紧 力 下 的 变 形 量 。 A PlL ／ n S E 9 式 中 凡为 立 柱 或 拉 杆 的 数 量 。 3 预应 力体 系的计算 4 预应 力体 系主要单元的结构 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 的 体 系 关 键 是 拉 杆 和 立 柱 ．因 此 对 拉 杆 和 立 柱 进 行 强 度 和 刚 度 分 析 是 整 个 体 系 建 立 的 关 键 。 而 整 个 体 系 的 整 体 刚 度 和 稳 定 性 的 保 障 ， 就 在 于 其 立 柱 和 拉 杆 的 材 料 性 能 、 结 构 形 状、 结 构 尺 寸 等 因 素 的 选 择 和 确 定 。 特 别 是 有 高 精 度 要 求 的 液 压 机 ， 立 柱 既 是 整 体 框 架 的 承 载 连 接 件 ， 又 是 整 个 液 压 机 的 动 梁 移 动 的 导 轨 。 因此 对 立 柱 的 结 构 和 受 力 变 形 的 控 制 直 接 影 响 到 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 的性 能 参 数 及 最 终 产 品 的 精 度 等 级 。 对 于 预 应 力 体 系 的 计 算 。 主 要 是 对 预 紧 力 的 选 取 、 立 柱 和 拉 杆 最 大 负 荷 力 、 最 大 变 形 、 强 度 和 刚 度 校 核 、 整 体 框 架 开 缝 的 校 核 等 计 算 。 以 下 仅 对 预 紧 力 的 选 取 、 立 柱 和 拉 杆 最 大 负 荷 力 、 整 体 框 架 开 缝 的 校 核 进 行 推 导 计 算 ， 其 余 的 可 以 参 考 相 关 资 料 。 立 柱 和 拉 杆 的 力 的 变 形 与 计 算 可 以从 图 3中 进 行 相 应 的 推 导 ， 图 中 A 代 表 拉 杆 的 曲 线 变 形 量 ， A 代 表 立 柱 的 曲 线 变 形 量 。 所 有 的 计 算 条 件 均 假 设 上 、 下 梁 为 绝 对 刚 体 ， 则 图 3中 参 数 可 以 得 出 以 下 公 式 。 首 先 是 确 定 工 作 负 荷 ，得 出 整 体 框 架 的 预 紧 力 P l ， 由经 验 公 式 得 尸1 --P f 1 式 中 为 预 紧 系 数 ， 取 1 ． 2 ～1 ． 5。 对 立 柱 和 拉 杆 刚 度 C进 行 计 算 C ES／ L 2 式 中 E 为 弹 性 模 量 ； ￡ 为 对 应 的 长 度 尺 寸 ； S为 截 面 积 ， 对 应 的 拉 杆 和 立 柱 截 面 积 为 S 。 和 ； 从 式 2 可 分 别 得 出 相 应 的 拉 杆 和 立 柱 刚 度 C 。 和 c 2 。 拉 杆 和 立 柱 的相 对 刚 度 负 荷 力 P 4 C l C。 3 尸 5 C Cl 4 拉 杆 在 最 大 工 作 负 荷 时 的 最 大 负 荷 力 P P、 P 立 柱 在 最 大 工 作 负 荷 时 的 残 余 预 紧 力 Pl 拉 杆 在 工 作 负 荷 时 的 负 荷 曲 线 如 图 3， 弦 曲 线 ， 其 动 荷 振 幅 负 荷 力 5 6 近 似 为 正 P 4 ／ 2 7 拉 杆 在 开 缝 时 的 最 大 负 荷 力 的 计 算 ， 可 以 由 式 6 和 式 4 推 出 ， 当 立 柱 在 最 大 工 作 负 荷 时 的 残 余 预 紧 力 0时 ， 将 式 4 中 的 用 替 换 ， 则 有 尸 3 C I c2 PI／ C 2 8 拉 杆 和 立 柱 在 预 紧 力 下 的 变 形 量 2 0 1 4 ／ 4 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 的 主 要 单 元 为 立 柱 和 拉 杆 ， 一 般 拉 杆 的结 构 比较 简 单 ， 现 在 的 高 精 度 液 压 机 多 采 用 单 拉 杆 或 多 拉 杆 结 构 。单 拉 杆 指 一 套 立 柱 对 应 一 根 拉 杆 ， 多 拉 杆 结 构 为 一 套 立 柱 使 用 多 根 拉 杆 ， 一 般 多 拉 杆 结 构 的 拉 杆 分 布 以 对 称 布 置 或 均 布 。拉 杆 的 形 状 比 较 简 单 ， 多 采 用 类 似 于 双 头 螺 柱 的 结 构 。 而 立 柱 的 结 构 相 对 来 说 较 复 杂 ， 由于 立 柱 在 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 中 既 是 整 体 框 架 的 承 载 连 接 件 ．又 是 整 个 液 压 机 的 动 梁 移 动 的 导 轨 ，其 结 构 形 式 直 接 影 响 设 备 的 形 状 和 精 度 。 目前 大 型 的 高 精 度 液 压 机 的立 柱 分 布 形 式 多 为 四 柱 和 双 柱 形 式 ， 四柱 为 传 统 形 式 ， 整 机 稳 定 性 好 、 结 构 性 好 ， 在 目前 的大 型 液 压 机 设 计 中 占 主 流 形 式 双 柱 式 为 新 型 结 构 ， 特 别 在 锻 造 行 业 ， 使 用 比 较 多 ， 这 与 其 结 构 形 式 有 很 大 的 关 系 ， 双 柱 斜 置 式 分 布 ，结 构 相 对 简 洁 ， 视 野 开 阔 ， 对 于 锻 造 大 型 齿 圈 类 锻 件 ． 有 其 特 殊 的 优 势 ，但 是 整 体 结 构 的 刚 度 和 稳 定 性 没 有 四 柱 的 形 式 好 。 因 大 型 预 应 力 整 体 框 架 液 压 机 的 功 能 和 精 度 、 行 业 性 质 不 同 等 因 素 ，决 定 了 立 柱 结 构 形 状 的 复 杂 性 和 多 样 性 ， 但 从 立 柱 横 截 面 结 构 形 状 来 分 析 ， 一 般 典 型 设 计 有 圆 形 、 方 形 和 多 边 形 等 ， 其 截 面 结 构 形 状 不 同 决 定 了 设 备 结 构 本 体 相 关 件 设 计 的 不 同 。 典 型 立 柱 和 拉 杆 的 截 面 图见 图 4 。 图 4中 的 a 图 立 柱 为 圆 形 结 构 ， 这 种 结 构 主 要 是 一 些 冷 态 的 液 压 机 及 精 度 不 高 的 设 备 使 用 ，其 优 点 是 受 力 变 形 均 匀 ， 易 于 加 工 成 形 。 缺 点 为 在 满 足 一 定 刚 度 和 变 形 要 求 时 ， 设 计 的结 构 尺 寸 大 ， 立 柱 作 为 导 轨 使 用 时 ， 导 向 间 隙不 能 调 整 ， 维 护 使 用 成 本 高 等 。 图 4中 的 b 图 立 柱 为 方 形 结 构 ， 这 种 结 构 主 要 是 适 于 冷 、 热 态 液 压 机 及 精 度 要 求 高 的 设 备 使 用 ， 目前 设 计 制 造 的 液 压 机 多 采 用 这 种 结 构 ，其 优 点 为 可 以 根 据 立 柱 的受 力 变 形 要 求 设 计 为 等 强 度 截 面 ． 整 体 刚 度 好 ． 稳 定 性 好 ， 立 柱 作 为 导 轨 使 用 时 ， 可 以对 导 向 间 隙 进 行 调 整 。 维 护 使 用 方 便 等 。 缺 点 是 形 状 较 为 复 杂 ， 对 于 热 机械制造5 2 卷 第5 9 6 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 态 使 川 的 没 备 导 向 间 隙 整 必 须 为 不 等 问 隙 ． 导 向 精 度 不能 太 高 ， l不 则 热 变 形 n q - 容 易 H 1 现卜阻 现 象 ， 4 I } 1 的 - 立 柱 为 多 边 肜 结 构 ． 这 种 结 构 是 全 新 结 构 ． 为我 单 位 近 几 年 开 发 研 制 的 液 机 产 ． L使 川 自 ，J 2 卉构 ， 该 2 古 构 适 于 各 种 冷 热 念 液 压 机 及 精 度 要 求 高 的 设 备 使 川 要 求 ，对 于 新 型 、 高 精 度 没 计 制 造 的 液 压 机 摊 荐 采 川 这 种 结 构 ， 其 特 点 为 具 仃 方 形 结 构 的 全 部 优 点 ， 可 以 根 据 说柱 的 受 J变 形 要 求 设 汁 为 等 强 度 截 面 ． 整 体 川 度 好 ， 稳 定 性 好 ． 可 以 对 导 向 问 隙 进 行 州 整 ． 维 护 使 H{ 疗 便 等 优 于 l方 形 结 构 立 柱 的 特 点 址 作 为 导 轨 使 J H 时 ． 其 导 轨 的 形 式 为斜 导 向 ． 这 种 斜 导 向 完 全 可 以 实 现 等 问 隙 导 向 ． 导 向 精 ■ 一 __ E 0 鞠嘲嬲 勰 麟 蠼麟鞠衄燃避 盥嘲 嘲 磷 龋黜磷 盥 簿 鏊 蠛 隰 雾 一 『_ _| |ll ≯4 a 多 边 彤 一 眭的 臆 J、 他 移 变 形 陶 翻瞄鳃豳豳 躜麟麟鞠豳黼黼黼黧鞠躜磷 ≤ 耋 銎0 ⋯ 黑 lIl l 0 0 ◆| 『 。 的廊力 、 位移变形 闱 翻 圈 暇 圈 圈 踊 嘲 嬲豳勰圜黼踊 豳豳随礴团翰豳 一 曩 霸鼹黼船隧阙 豳 圜 蟹 _ 勰黼麓礤髓隘 一 j 的 应 ， J Z 柱的有 度 离 ． 特 刖 通 J 于 热 态 液 压 机 高 精 度 导 向 要 求 ， } l 1 于 其 斜 导 的 厅 向 J 好 是 热 辐 射 的 发 散 方 向 ， 热 辐 射 时 乍 的 变 形 对 导 间 隙 基 本L不 影 响 ， 完 全 消 除 r方 形 结 构 热 念 时 柱 导 轨 间 隙 不 均 等 、导 向 精 度 低 、 热 变 形 时 容 易 f f J 现 阻 等 缺 点 。 存 没 汁 过 程 【 I I ． 需 要 根 据 实 际 使 情 况 进 行 充 分 的 可 行 性 分 忻 和 计 算 以 确 定 立 柱 的 形 状 ， 其 形 状 的 确 定 决 定 r液 ， 机 的 形 状 、 精 度 、 性 能 等 参 数 。 5 S o l id Wo r k s C o s mo s x p r e s s结构静态仿真 利 J l J 仃 限 元 分 析 软 件 对L述 提 到 的 3 种 立 柱 结 构 进 行 建 模 分 析 ． 参 数 设 定 为 我 单 位 设 计 的 5 0 MN 高 精 度 液 机， 托 朴 的 截 面积 S ． l 8 8 4 c m ； 立 柱 的 截 面 积 2 2 l 5 6 I 1 ／ ； 预 紧 力 Pl 5 5 MN； 立 柱 的 K 度 LI 7 6 6 C n 1 ． { f r K度 L ， l l 8 0 C n l ， 根 据 前 面 的 式 1 ～ 9 计 算 町 以 得 f } { 卡 f 1 的 负 衙 力 和 变 形 ． 从 汁 算 结 果 可 以 _肴 j “不 仔 仆缝 题 详 细 过 程 不 在 此 处 叙 述 ， 仅 对 立 柱 进 行 建 模 分 析 ． 利 用S o l i d Wo r k s建 模 ， 利 C t S I l l l l l s模 块 进 行 仃 限 元 计 算 其 仿 真结 果 5 5 r ． a 为 多 边 形 柱 的 应 J、 位 移 变 形 图 ， 其 机械制造 5 2 卷 第5 9 6期 变 形 的 最 大 位 移 处 发 生 存 斜 导 向 相 邻 处 的 受 力 结 构 短 边 板 处 的 纵 向 | f 1 部 ． 高 精 度 液 J 机 IJ lj 正 好 利 州 这 种 变 形 趋 势 ． 将 整 个 框 架 处 于 预 紧 力 状 态 下 ． 整 体 框 架 会 发 生 变 形 ． 利 用 这 种 变 形 ， 没 备 在 下 作 负 简 时 会 产 生 反 变 形 ．这 佯 就 可 以 使 立 杜 在 受 力 变 彤 时 ． 立 柱 导 向 精 度 进 一 步 提 高 ． 而 不 会 脱 降 低 导 向 精 J 堑的 作 川 ． 从 而 能 够 得 到 高 精 度 的 产 占 f 1 、这 u 土 是 高 精 度 液 压 机 采 川 这 种 结 构 的 原 口 前 ， 利 用 这 种 反 变 形 厅 法 设 计 的 热 念 高 精 度 液 压 机 导 向 精 度 可 以 达 到 0． 5 mE 误 差 以 内 。 b 图 为 方 形 柱 的 应 力 、 位 移 变 形 ．这 种 结 构 受 力 变 形 最 大 位 移 处 也 纵 向 中 部 ． 但 变 形 方 向 为 整 个 结 构 薄 弱 处 ， 此 设 计 导 向 时 必 须 使 用 不 等 间 隙 导 向 形 式 ． 且 要 保 证 导 向 精 度 ． 必 须 增 加 四 面 调 整 机 构 ． 洲 整 复 杂 且 容 易 f “现 过 定 位 现 象 。 C 为 【员 l 形 I L柱 的 应 力 、 位 移 变 形 f冬 l ， 这 种 结 构 受 乃 变 形 最 大 位 移 处 也 存 中 部 ． 变 形 的 程 度 要 好 f方 形 导 向 ， 但 这 种 结 构 的 导 向 为 不 可 州 式 ． 任 冷 、 热 念 使 用 巾 必 须 使 J H偏 心 套 来 改 善 导 向 隙 ． 提 高 一 定 范 罔 的 导 向 精 度 ， 导 向 间 隙 磨 损 较 快 ． 仃 ． 使 J } J 、 维 护 、 更 换 复 杂 ． ． 2 0l 4 ／4 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 球 壳 形 金 属 橡 胶 减 振 器 的 设 计术 口李宇燕 口王炜 1 ． 西安工业大学 机 电工程学院西安7 1 0 0 3 2 2 ． 中国科学院西安光学精密机械研究所 空 间光学研究室西安7 1 0 1 1 9 摘要 通过对橡胶材料和金属橡胶材料进行对 比分析 ， 发现金属橡胶材料 的性 能优 于橡胶材料 ， 因此选 用金属橡胶 材料作为减振材料 ． 将 由金属橡胶材料制成的球 壳形减振 器应用到无级变速器上 ， 对球 壳形金 属橡胶 减振 系统进行分析 ， 计算 了减振器的刚度、 11 I 有频率 ， 满足设计要求 ， 最后对球 壳形金属橡胶减振器的结构进行 了设计 。 关键词 金属橡胶减振器 球壳形 无级变速器 刚度 固有频率 中图分类号 T H1 6 1 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 4 0 4 - 0 0 3 8 - 0 3 控 制 机 械 设 备 的 振 动 ，减 振 是 一 种 非 常 有 效 的 措 施 。 目前 常 用 的 减 振 材 料 是 橡 胶 ， 但 橡 胶 材 料 的 弹 性 、 阻 尼 特 性 受 环 境 温 度 的 影 响 ， 散 热 系 数 小 ， 在 交 变 载 荷 作 用 下 ， 容 易 发 热 并 产 生 热 应 力 疲 劳 和 老 化 现 象 ， 使 用 频 率 范 围 窄 。 因 此 ， 必 须 定 期 更 换 ， 耗 费 大 量 的 人 力 物 力 ． 采 用 新 型 的 金 属 橡 胶 减 振 器 可 以 弥 补 上 述 橡 胶 减 振 器 的 缺 点 。 所 谓 金 属 橡 胶 是 一 种 与 橡 胶 类 似 的 金 属 制 品 ． 它 将 金 属 丝 卷 成 螺 旋 形 ， 模 拟 普 通 橡 胶 的 分 子 链 结 构 ， 经 过 编 织 ， 置 入 所 需 结 构 形 状 的 模 具 中 ， 加 压 成 型 ． 并 经 热 处 理 而 成 。 金 属 橡 胶 结 构 受 交 变 载 荷 时 ， 利 用 其 弹 性 可 以 减 振 ， 因 为 金 属 丝 之 间 的勾 连 、 摩 擦 可 以 增 加 结 构 阻 尼 。 它 具 有 不 怕 高 温 和 低 温 的 特 点 ， 而 且 金 属 橡 胶 不 易 老 化 ， 保 存 期 不 受 限 制 ， 因此 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 [ 。 国家 自然科 学基金 资助项 目 编 号 5 0 8 0 5 1 1 2 陕西省教育厅专项科研计划项 目 编号 l 1 J K 0 8 5 5 收稿 日期 2 0 1 3年 1 O月 金 属 橡 胶 减 振 器 目前 还 处 于 起 始 阶 段 ，其 外 形 主 要 有 圆 柱 形 、 环 形 及 球 壳 形 。 本 文 设 计 出 了 适 应 于 无 级 变 速 器 应 用 的 球 壳 形 金 属 橡 胶 减 振 器 ，该 减 振 器 的 应 用 有 利 于 减 少 因 电 动 机 转 动 而 引 起 传 动 部 分 的 振 动 ， 从 而 保 证 了 传 动 精 度 的要 求 。 无 级 变 速 器 的 技 术 指 标 见 表 1 。 表 1 无级变速器的技术指标 输入功率， k W 输入转速 变速 比 输 出转速 输 出转矩 低 速 高速 ／ r mi n 一 ／ r mi n ／ N m 0．7 5 1 ． 1 1 ．5～ 2 ． 2 1 5 0 0 0 ． 0 6 - 0．7 2 9 0 ～1 08 0 1 0．8 - 60 ．4 1 橡胶减振器 与金属橡胶 减振器的对 比分析 橡 胶 减 振 器 采 用 阻 尼 橡 胶 作 为 减 振 和 耗 能 材 料 ， 阻 尼 橡 胶 内耗 大 ， 在 振 动 过 程 中 ． 阻 尼 材 料 内部 分 子 链 之 间 不 断 发 生 伸 缩 变 形 。 使 内部 组 织 的 温 度 不 断 升 高 ， 温 度 的变 化 会 引 起 阻 尼 材 料 损 耗 因 子 卵和 弹 性 模 量 E 的 降 低 ， 相 应 地 引 起 系 统 固 有 频 率 下 降 。 而 且 阻 尼 橡 胶 6结束语 液 压 机 是 广 泛 应 用 于 钢 铁 、 锻 造 、 化 工 、 煤 炭 、 航 空 、 汽 车 等 行 业 的 通 用 设 备 ， 通 过 对 其 整 体 框 架 主 要 单 元 结 构 和 力 学 性 能 参 数 进 行 分 析 研 究 ， 总 结 和 推 导 一 些 公 式 和 新 的 结 构 形 式 ， 同 时 ， 对 传 统 结 构 和 现 代 新 型 结 构 进 行 深 入 研 究 ， 通 过 大 量 的 计 算 和 有 限 元 分 析 ． 对 整 机 预 紧 力 的 确 定 、 主 要 单 元 受 力 和 力 的 变 形 、 强 度 和 刚 度 分 析 、 整 体 框 架 开 缝 的 校 核 、 立 柱 不 同 结 构 形 式 的 分 析 和 计 算 等 进 行 了 深 入 的研 究 。 然 后 ， 通 过 实 例 分 析 和 验 证 所 得 的 结 论 ， 利 用 主 要 单 元 的 受 力 和 变 形 状 况 ，对 整 体 框 架 液 压 机 主 要 单 元 进 行 优 化 设 计 和 反 变 形 设 计 。并 将 所 得 的 结 论 应 用 于 近 几 年 的 大 型 液 压 机 设 计 和 研 发 中 ， 使 设 备 和 产 品 的 精 度 和 性 能 2 0 1 4 ／ 4 均 能 达 到 、 满 足 设 计 精 度 和 工 艺 要 求 。 随 着 全 球 经 济 的 发 展 和 社 会 的 进 步 ． 必 然 要 对 各 个 产 业 进 行 节 能 降 耗 的 改 造 和 促 进 低 碳 环 保 经 济 的 发 展 。 粗 放 型 、 高 成 本 、 高 能 耗 的 产 品 必 然 会 被 精 致 型 、 低 碳 型 、 全 新 型 的 产 品 所 替 代 ， 对 现 有 大 型 液 压 机 的 分 析 与 研 究 ， 无 论 是 对 今 后 新 型 液 压 机 的 设 计 和 开 发 ， 还 是 对 同 类 型 设 备 工 艺 和 产 品 的 设 计 ， 都 具 有 一 定 的 指 导 和 借 鉴 意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 俞新陆． 液压 机的设计 与应用 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6