带顶模缸的三梁四柱液压机的立柱和梁板设计

《装备制造技术》2009年第4期 我国的液压工业开始于上世纪50年代，其产品最初只用 于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和机械上。自1964 年从国外引进一些液压元件生产技术、同时进行自行设计液 压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并 在各种机械设备上得到了广泛的使用。从80年代起，更加速 了对西方先进液压产品和技术的有引进、消化、吸收和国 产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、 人才、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。 1 液压机的结构和用途 液压机由主机及控制机构两大部分组成。主机部分包括 机架、主缸、顶出缸及充液装置等；动力机构由油箱、高压泵、 低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。 由于通用液压机的主要用途，是用于金属薄板的拉伸成 型和各种可塑性材料的压力加工成型和粉末制品的压制，并 可用于各种材料和半成品的校正、整装配形和装配等工艺，故 此要求液压机结构必须有一定的刚度。 一般的液压机结构包括有：三梁四柱结构、框架拉杆式结 构和单柱立式结构等形式。其中单柱立式结构形式机架的液压 机刚度较低，一般只用于对轴类和套类零件进行校正、压装等 工艺；框架拉杆式的液压机，刚度非常好，有较高的精度，一般 是对大中型薄板冲压件的模具进行研合加工、模具组合装配及 模具修理；而三梁四柱液压机，具有一定的刚度和易于调整，所 以用途广泛，通用（万能）液压机一般都采用这种机架结构。 因此，本设计决定采用类似于三梁四柱式的机架结构，由 于本液压机带有顶模缸装置，所以采用多一个三梁四柱的结 构来安装顶模缸，便变为五梁八柱式的结构。机身结构由主油 缸上横梁（固定横梁）、主油缸活动横梁、下横梁（工作台）、4根 主立柱、顶模缸固定横梁、顶模油缸活动横梁、4根副立柱、圆 螺母组装在一起，4 根主立柱通过 4 个圆螺母固定在工作台 上，主油缸上横梁由8个螺母固定在4根主立柱的顶部，主油 缸以反装的形式装在横梁上；同样，4根副立柱通过4个圆螺 母固定在工作台上，顶模油缸上横梁由8个螺母固定在4根 副立柱的顶部，顶模油缸以反装的形式装在横梁上，并有足够 的预紧力，保证工作时，螺母与上、下横梁不产生间隙和错移。 调整上梁的8个螺母，可以保证装在主油缸活塞杆上的活动 横梁与工作台平行。 本文以80T三梁四柱液压机为例，进行机架的立柱和梁 板的设计。 2 立柱的设计 2.1 主立柱的受力 考虑到主柱的作用不但要支撑上梁与油缸，承受工作拉 力，还要对活动横梁起导向作用，故设计时选择材料要兼顾， 强度要求与耐磨性能的平衡，一般采用45钢镀一层硬铬。 在工作状态下，4根主立柱主要受到拉力作用（如图1）： 由于立柱上车有螺纹，所以应以螺纹部分小径截面为危 险截面，根据受拉螺栓联接的校核公式 P蒡 =(K0+KC)P 1.3P蒡 π 4 d2 ≤[σ] 式中 K0———预紧系数，取 K0=2； KC———相对刚度，取 KC=0.3； P———轴向载荷； d———最小轴径。 查得45#的许用应力为[σ]=150～180MPa， 选定[σ]=165MPa。 因为以 80T 型的机器为例，所以P =80 吨力 =80× 9.807×1000N=784560N, 带顶模缸的三梁四柱液压机的立柱和梁板设计 李献华 （柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005） 摘 要：以80T三梁四柱液压机为例，通过受力分析，对机架中的重要部件立柱和梁板进行了设计。 关键词：三梁四柱液压机;机架;立柱设计;梁板设计 中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1672-545X（2009）04-0069-03 收稿日期：2008-12-30 作者简介：李献华（1981—），男，广西柳州人，助理工程师，在中南大学机电工程学院液压研究所进行专业主修，从事液压机械的设计及制造研究。 F F 图1 主立柱受力示意图 69 Equipment Manufactring Technology No.4，2009 故每根立柱载荷为 P1=7845604 =196140N。 所以 1.3×(K0+KC)P1π 4 d 2 ≤[σ] 得 d1≥ 1.3×2.3×196140 165×π 4姨 =67.3mm 2.2 主立柱的结构设计 由于立柱一端要固定在工作台上，另一端要用于固定上 横梁，所以在立柱两端都车有螺纹，并且有一个定位台阶，初 步确定具体结构如图2： 结构中M72螺纹的小径为69.835mm，大于67.9mm，轴径 分别为75mm、90mm、M72。立柱的结构初步确定后，应对立柱 进行压杆稳定性校核，判断立柱为何种柔度压杆。因为45钢 为优质炭素钢，查得 λ1=100,λ2=60, 那么 λ=μlimin μ———压杆的长度系数，取0.7； l———压杆全长，l =1645mm； imin———压杆截面的最小惯性半径， 则 λ=μ·li = 0.7×1645 d 4 =0.7×1645 90 4 =51.2 所以 λ<λ2，即立柱为小柔度压杆，校核按强度问题计算。 即 σ =PA = 784560 4 π 4 d 2 = 196140π 4 ×69.8 2 =51.3MPa 而姨姨σ 拉 =60~80MPa，由此可见，立柱强度可以满足要求。 2.3 副立柱的受力分析 副立柱受力状况与主立柱相似，先确定最小径 经过计算，d1≥ 1.3×2.3×98070 165×π 4姨 ≥47.6mm 2.4 副立柱的结构设计 副立柱上设计有定位台阶，用此台阶与圆螺母，把立柱固 定于工作台上，立柱另一末端车有螺纹，用圆螺母把顶模缸的 固定横梁固定。具体结构如下图3： 分析方法同主立柱的分析方法，经分析，副立柱为小柔度 压杆，校核强度计算如下： σ=PA =50.3MPa< 姨姨σ 拉 =60~80MPa 由此可见，副立柱的强度可以满足要求。 3 梁板的设计与强度校核 三横梁的材料采用A3钢，σ姨σ 弯 =100MPa。 3.1 主油缸的上固定横梁的校核 受力分析：固定横梁通过螺母安装在四立柱上，受力点在 4个角上，而横梁中央要安装，主油缸由于采用反向安装形式， 所以必须在固定横梁上。 中间开孔以便油缸的缸筒穿过，结构简图如图4： 油缸通过圆形法兰安装在横梁上，所以作用在横梁上的 力为一圆环形的匀布截荷，经分析，可把横梁的受力形式简化 为圆环形的平板横梁，周界为铰支，截荷为分布于圆环表面的 均布截荷，简图如图5。 R的计算： R=1 2 ×771=385.5mm r=1 2 ×330=165mm； P———梁上载荷，P＝784560N； A———环形面积，A=π 2 (385.52-1652)mm2； q =PA =2.06MPa 应力计算： 横梁的内外周界径向应力 σr=0， 外周界处的轴向应力为σt1=B6qR 2 h2 ， 内周界处的轴向应力为 σt2=A6qR 2 h2 。 B6、A6———计算系数； h———横梁厚度，h=125mm； 图2 主立柱的结构图 M 72 × 2 准7 5 准9 0 准7 5 M 72 菖 2 准9 0 准7 0 M 65 × 2 准6 0 M 52 × 2 图3 副立柱的结构设计 图4 主油缸的上固定横梁示意图 82 0 64 0 600 430 125 4-准 72 准33 0 准771 图5 横梁受力形式简化图 R r q 70 《装备制造技术》2009年第4期 图9 工作台结构示意图 82 0 64 0 600 430 125 4-准 72 准771 图7 主油缸活动横梁示意图 82 0 64 0 600 430 95 4-准 72 准22 5 图8 顶模缸活动横梁示意图 准220 460 360 46 0 36 0 70 4-准72 根据 R/r=385.5 165 =2.34，查计算系数表，得 B6＝0.644；A6=1.710； 所以 σt1=0.644×2.06×385.5 2 1252 =12.618MPa σt2=1.710×2.06×385.5 2 1252 =33.504MPa 因为 σt2= 33.504MPa<σσσ 弯 =100MPa 所以结构参数符合强度要求，其最大挠度为 f=C5qR 4 Eh3=0.782× 2.06×385.54 2.1×105×1253=0.0867mm 3.2 顶模缸固定横梁强度校核 顶模缺结构与主油缸的横梁相似，只是参数略有改变。 同样把其载荷简化为圆环形平板横梁，周界为铰支，载荷 为分布于圆环表面的均布载荷，简图如图6： 计算可得 σt2=53.91MPa<σσσ 弯 =100MPa所以结构参数符 合要求。 其最大挠度为 f=C5qR 4 Eh3= 0.820× 2.16×2554 2.1×105×703=0.104mm。 3.3 活动横梁的强度校核 （1）主油缸活动横梁。受力分析：活动横梁主要受到压应 力作用，活动横梁中挤压应力为主应力，根椐油缸活塞杆结构 初选厚度为 h = 95mm，活动横梁与活塞杆接触面的直径 d=225mm结构如图7： 根据公式：σσσ =PA P———轴向载荷，P=784560N； A———剪切面积， A=πdh =3.14×225×95=671175mm2 所以 σ=784560 671175 =1.169MPa<σσσ 剪 = 60MPa 结构参数符合要求。 （2）顶模缸活动横梁。受力分析：活动横梁主要受到压应 力作用，活动横梁中挤压应力为主应力，根椐油缸活塞杆结构 初选厚度为 h=70mm，活动横梁与活塞杆接触面的直径 d=220mm结构如图8。 计算过程与主油缸活动横梁相同，可得 σ=392280 48356 =8.112MPa<σσσ 剪 = 60MPa 所以结构参数符合要求。 3.4 工作台的强度校核 由于工作台的受力状况类似于圆形平板横梁，周界为固 定，载荷为分布于圆形横梁的均布载荷，结构简图如图9。 应力计算： 周界径向应力 σr=±0.75q(Rh ) 2 周界圆周向应力 σt=μσr 中心应力 σr1=σt1=芎0.49q(Rh ) 2 σr1———中心处径向应力；σt1———中心处圆周向应力； μ———柏松比,0.28。 “＋”号代表上表面；“－”号代表下表面 q=PA ；P＝784560N,A=πR 2=3.14×385.52=466636mm2 所以 q=784560 466636 =1.681MPa 图6 顶模缸固定横梁简图 46 0 36 0 460 360 70 准170 准510 4-准72 （下转第73页） 71 《装备制造技术》2009年第4期 数据接收处理模块，负责处理从GPS接收到的数据。在单 片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$”，再接收 信息内容，然后根据语句标识区分出信息类别，以对收到ASC Ⅱ码进行处理显示。若整个数据接收正确，便进行处理；若接 收不正确，则重新进行接收。本设计中，接收时主要提取并存 储以下数据内容：当前日期、时间、定位状态、纬度、经度。 3 结束语 通过本设计方法，本系统由单片机控制GPS模块较为精 确地计算和显示日期、时间、经度、纬度等卫星信息，能够广泛 应用于船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。 参考文献： [1] 邱致和，王万义. GPS 原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2001. [2] 吴迪军. GPS 在现代桥梁工程测量中的应用综述[J]. 铁道勘察, 2006，(2):1-2. [3] 张 谦，裴海龙．基于GPS的手持个人导航系统设计[J].微计算机 信息，2006，22（6）：196-198. [4] 周国雄，夏国荣，周 凯，等．基于无线数据收发原理的自动报站 系统[J]．微计算机信息，2008，24（1）：179-181. [5] 胡 健.单片机原理及接口技术[M].北京：机械工业出版社，2005. [6] 蒋辉平，周国雄．单片机原理与应用设计[M].北京：北京航空航天 大学出版社，2007. DesignofGlobalPositioningSystem LIZhou-ming (DepartmentofNetworkTechniques,HuaruanCollegeofSoftware,GuangzhouUniversity,Guangzhou510990，China) Abstract:In this paper, GSU-38A0 GPS receiver module is designed as the core, and hardware circuitry and software flow chart is introduced. The global positioning system has some advantages such as navigation, automatic control, real-time and has good application prospects. Keywords：GPS；GSU-38A0；AT89C52 工作台厚 h=125mm， 即 σr=芎0.75×1.681×(385.5125 ) 2=芎11.994MPa σt=芎0.28×11.994=芎3.358MPa σr1=σt1=芎0.49×1.681×(385.5125 ) 2=7.834MPa 因为 σr<<芎 芎σ 6=100MPa， 所以工作台的结构参数符合要求。 其最大挠度为 f=0.17qR 4 Eh3 = 0.17×1.681×385.54 2.1×105×1253 =0.0514mm。 4 结束语 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪 声、经久耐用、高度集成化等各项要求方面，都取得了重大的 进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上，也有许 多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、 计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，更日益 显示出显著的成绩。 机架是液压机的重要组成部份，它与其他部件如油缸等有 装配关系，其结构设计直接影响到整台液压机的工作性能。立 柱和梁板是整个机架中的主要受力部件，它们设计的好坏也 是不容忽视的。 参考文献： [1]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社.1990. [2]李慕洁．液压传动与气压传动[M]．北京：机械工业出版社，1989 [3]姚保森.我国板冲压液压机的现状及发展[J].锻压装备与制造技 术，2007，（02）：22. [4]章宏甲.液压传动[M].北京：机械工业出版社,1999. [5]刘新德.袖珍液压气动手册[M].北京：机械工业出版社,2004. [6]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002. DesignfortheRackof80TThreeBeamFour-postHydraulicPress LIXian-hua (LiuzhouWulingLiujiPowerCo.,Ltd.,LiuzhouGuangxi545005,China) Abstract:The 80T three beams four-post Hydraulic Press as an example, through Force Analysis ,the column and the beam that important componentsoftherackhasbeendesigned. Keywords：threebeamfour-posthydrauliapress；rack；designforcolumn；designforbeam 芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎芎 （上接第71页） 73