XX 學 院 XX UNIVERSITY本科生畢業(yè)設計設 計 題 目： 200T 四柱式液壓機結(jié)構 及控制系統(tǒng)設計 系 部： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 班 級： 學號 指導教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 最終評定成績 XX 學院教務處 二○一三年六月制（2015 屆）本科生畢業(yè)設計說明書200T 四柱式液壓機結(jié)構 及控制系統(tǒng)設計系 部： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 班 級： 三班 學號 指導教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 最終評定成績： 2015 年 6I摘 要本次畢業(yè)設計的主要任務為 200T 三梁四柱式液壓機的結(jié)構設計及控制系統(tǒng)設計。液壓機的應用較廣泛，在日常生活中到處可以見到，其基本工作原理為根據(jù)帕斯卡原理。以液體作為傳遞介質(zhì)，達到實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換的效果，從而實現(xiàn)各種鍛壓的成型工藝。這種液壓機適用于各種可塑性工件的壓制工藝，如沖壓、拉伸薄板、壓制、翻邊、彎曲等，也適用于砂輪成型、工件的校正、壓裝和各種冷擠金屬零件成型、塑膠制品及粉末制品的壓制成型工藝。液壓機是由主機和液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。液壓機主機走成包括工作臺、上橫梁、導柱、滑塊、頂出缸、主缸、安裝地基等，動力機構包括泵、油箱、電機、電氣控制系統(tǒng)、各種液壓控制閥等。動力機構在電氣控制系統(tǒng)控制下，通過液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和調(diào)節(jié)，完成各種工藝循環(huán)。關鍵詞：四柱式液壓機，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，PLC 控制IIABSTRACTThe graduation design task for 200T the structure design of three beam four-column type hydraulic press machine control system design. Hydraulic press application more widely, can be seen everywhere in our daily life, its basic working principle is according to the driving principle of the liquid to liquid as PASCAL transfer media, achieve the result of realization of energy conversion, so as to realize all kinds of forging press molding process. The hydraulic press suppression techniques are suitable for all kinds of plastic parts, such as stamping, stretching, pressing plate, flanging and bending etc., can also be applied to wheel molding, artifacts of calibration, pressure equipment and a variety of cold extrusion molding metal parts, plastic products and powder products of pressure molding process. Hydraulic press is controlled by the host and hydraulic system, electrical control system. Hydraulic press host go into workbench, beams, guide pin, slide block, ejection cylinder, master cylinder, such as installation of foundation, motivation mechanism including pumps, tanks, motor, electric control system, all kinds of hydraulic control valves, etc. Dynamic mechanism under control in the electric control system, through the hydraulic system, realization of energy conversion, transfer and adjustment, finish all kinds of process cycle.Keywords: four column hydraulic machine, hydraulic system, electrical control system, PLCIV目 錄摘 要 IABSTRACT.II第 1章 緒論 .11.1 研究本課題的意義 .11.2 液壓機的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀 .11.3 設計內(nèi)容要求 .21.4 給定的液壓機參數(shù) .31.5 本章小結(jié) .3第 2章 液壓機設計總體方案分析 .42.1 四柱液壓機的組成 42.2 液壓機各組成分析 .52.2.1 液壓控制系統(tǒng)分析 .52.2.2 四柱式液壓機的動作順序分析 .52.2.3 四柱式液壓機的工作循環(huán)初步分析 .52.2.4 液壓機主要參數(shù)的擬定 .6第 3章 四柱式液壓機主機結(jié)構設計 .73.1 液壓缸的設計 73.1.1 液壓缸方案的比較選擇 .73.1.2 液壓缸的支承形式設計選擇及方案比較 .83.1.3 柱塞與活動橫粱的連接方式選擇 .93.2 液壓機主缸基本尺寸計算 .93.3 液壓機主缸內(nèi)部尺寸設計 103.3 頂出缸計算 143.4 頂出缸各部件計算 153.5 主機負載受力分析 173.5.1 導柱設計計算 173.5.2 立柱的連接形式比較選擇 183.5.3 活動橫梁的結(jié)構設計 193.5.4 工作臺的設計 19第 4章 四柱式液壓機強度計算與校核 .214.1 缸體強度的計算與校核 234.1.1 主缸中段強度 234.1.2 支承臺肩計算 244.1.3 缸底強度校核 254.1.4 缸口導套擠壓計算 264.1.5 活塞頭部鎖緊螺母 27V4.2 橫梁的設計與校核 284.2.1 橫梁的設計 284.2.2 上橫梁的剛度計算 314.3 工作臺計算 314.3.1 工作臺的應力計算 324.3.2 工作臺的剛度計算 334.4 立柱的強度校核 334.5 立柱螺母校核 364.5.1 立柱預緊和計算 364.5.2 立柱螺紋的強度校核 37第 5章 液壓控制系統(tǒng)設計 395.1 液壓系統(tǒng)流量計算 .395.1.1 主缸流量計算 .395.1.2 頂出缸流量計算 .405.2 液壓泵設計選擇 .425.3 電動機的選擇 .435.3.1 主缸各工況功率計算 .435.3.2 頂出缸各工況功率計算 .445.4 液壓機中液壓系統(tǒng)安全驗算 .445.6 液壓系統(tǒng)原理圖擬定 .495.7 液壓系統(tǒng)油路控制分析 .515.8 液壓系統(tǒng)控制過程分析 .515.9 液壓系統(tǒng)中各個電磁鐵動作順序表 .535.10 液壓元器件 545.11 液壓系統(tǒng)溫升的驗算 55第 6章 液壓機 PLC控制系統(tǒng)設計 576.1 液壓機控制電路設計 576.1.1 液壓機控制電路設計 576.1.2 液壓機控制電路設計 586.2 PLC 控制部分 596.2.1 液壓機控制系統(tǒng)概述 596.2.3 PLC 的選型 .606.3 PLC 程序設計 606.3.1 液壓系統(tǒng)動作流程框圖 606.3.2 現(xiàn)場器件與 PLC 內(nèi)部等效繼電器地址編號對照表 616.4 電氣控制過程分析 616.5 PLC 程序模擬仿真 62結(jié) 論 .67參考文獻 .68致 謝 .691第 1章 緒論1.1研究本課題的意義液壓機的控制采用液壓控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合控制的方式。 [1]是一種常見的以液體介質(zhì)傳遞能量的無屑加工機器。與傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)相比具有相對較強的靈活性，并且液壓機操作起來也方便很多。通過液壓傳動，將能量傳動到液壓缸，推動活塞桿的運動，實現(xiàn)直線方向來回移動。由于電氣控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，自身具有過載保護的功能。液壓機機在很多機械加工方面得到應用，作為一種工件鍛造壓制成型加工機械設備，始終是工業(yè)機械發(fā)展不可或缺的一種液壓制造技術設備。隨著中國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，對液壓傳動的技術有了更高的技術要求和精度要求。液壓機加工是指一種相對于傳統(tǒng)機械加工而言比較成熟的無屑加工工藝，應用范圍非常廣泛，發(fā)展迅速，品種繁多，能實現(xiàn)可塑性材料的冷擠，工件校直、彎曲、沖裁、拉伸等。液壓機能對工藝復雜的工件進行加工，能加工不對稱的工件，工作可靠，質(zhì)量過關，次品率低。對于不同的工件有不同的加工要求，通過對其壓力行程合理調(diào)整，達到產(chǎn)品所需的加工工藝要求。液壓機主要由包括主機、液壓控制系統(tǒng)、PLC 電氣控制系統(tǒng)等三個部分組成 [3]。液壓機由電氣系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)控制，實現(xiàn)液壓機自動或者非自動工作，由液壓系統(tǒng)控制主機主缸和頂出缸的順序動作實現(xiàn)整個工作過程?？偟膩碚f，液壓機系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構簡單，維修、維護方便。1.2液壓機的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)液壓機的產(chǎn)量速度明顯呈增長趨勢。但是我國的液壓機從產(chǎn)值和銷售上和發(fā)達國家相比較還有很大的差距。，縱觀全球液壓機的發(fā)展形勢和產(chǎn)能來說，我國是液壓機生產(chǎn)大國，液壓機的生產(chǎn)產(chǎn)量一直領先于其他國家。但是在專用性能的液壓機選擇方面，還是選擇進口其他國家的液壓機；總的來說，在生產(chǎn)之中技術水平方面，可以說已經(jīng)達到了國際先進水準。隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及加快國際間的經(jīng)濟合作，我國液壓機制造技術已經(jīng)取得很大的成功發(fā)展。但是對于一些技術含金量較高的液壓機中，有些核心技術還要通過與國內(nèi)外的企業(yè)合作，尤其是一些高檔的電控元件和液壓元2件主要還是要依靠進口來完成。和國外產(chǎn)品比較，我國的液壓機還是曾在這很大的不足與差距，比如質(zhì)量、加工精度、專用性能、可靠性等，由于液壓和電器元件的可靠性低，造成液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障；另外在液壓機關鍵部件的加工要求方面，還有很大的提高。總的來講，國內(nèi)的液壓機在質(zhì)量上和國外的液壓機還是還有一定的差距，但是伴隨著對液壓機的要求提高和質(zhì)量的改善以及功能的完善，國產(chǎn)液壓機的產(chǎn)品質(zhì)量正在越來越接近國際水平。 1.3設計內(nèi)容要求（1）了解液壓機發(fā)展歷程，熟悉所設計液壓機的構造。（2）掌握四柱式液壓機結(jié)構、液壓及控制系統(tǒng)的各種計算方法，能正確選擇各個部件。（3）主機系統(tǒng)設計，包括主機的結(jié)構工藝設計、各個零部件的結(jié)構設計并且了解其鑄造工藝。（4）液壓系統(tǒng)的設計合理，按所需液壓環(huán)境選擇合適的液壓元器件（5）結(jié)構設計合理性，操作簡單、安裝方便合理（6）了解常用的設計軟件，能熟練運用 CAD、機電液仿真調(diào)試類軟件。（7）液壓機設計的工作步驟要求：工作主缸的保壓延時、活動橫梁快速回程、快速下行、慢速下行，以及頂出缸的將模具或者工件快速頂出，副缸快速回程工作，必須設計合理。1.4給定的液壓機參數(shù)本次畢業(yè)設計的課題為：200T 液壓機結(jié)構設計及其控制系統(tǒng)設計設計參數(shù)要求如表 1.2 所示：表 1.2 200T液壓機部分已知部分參數(shù)最高工作壓力 最高壓力 最大行程 頂鍛速度20MPa 200T 710mm 0-40mm/s要求:驅(qū)動方式為油壓驅(qū)動控制方式為 PLC 控制31.5本章小結(jié)通過上網(wǎng)搜索以及到圖書館查找相關資料，與老師探討并且參觀實驗室的液壓機之后，對液壓機的作用以及其工作原理也有了初步了解和認識，對給定設計參數(shù)有了大致的設計方案。對接下來整機畢業(yè)設計有了初步的方向。第 2章 液壓機設計總體方案分析2.1 四柱液壓機的組成圖 2.1 為四柱通用式液壓機結(jié)構原理圖。圖 2.1 四柱通用式液壓機可以通過此圖了解到三梁四柱式液壓機的基本組成：主要由上橫梁，上下工 作 臺 面下 模 具立 柱上 下 活 動 梁上 模 具地 基上 橫 梁電 氣 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 管 路頂 出 缸主 缸主 缸 油 箱4活動梁、工作臺、導柱、安裝地基、主缸油箱、工作主缸、頂出缸、液壓總站、油箱、各種液壓控制閥等組成，四柱式液壓機通過液壓泵將機械能通過液壓系統(tǒng)裝換成壓力能，通過利用帕斯卡原理，傳遞工作所需的能量。經(jīng)過各種控制閥和液壓管路，控制油缸。 [4]進而控制液壓缸帶動的活動橫梁的來回工作移動，提供工作所需的壓力。待所需工件壓制完成后，由頂出缸將鍛壓成型的工件頂出。2.2液壓機各組成分析2.2.1液壓控制系統(tǒng)分析由于液壓機操作的封閉性，故采用封閉式液壓回路，動力單元、控制單元、系統(tǒng)輔助單元、工作媒介組成一個完整的液壓控制系統(tǒng)。1、動力單元（液壓泵）：為液壓機提供工作所需動力元器件。 [5]工作原理是將來自電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。能量損失小，效率高。2、執(zhí)行部件（液壓油缸）：提供工作壓力的直接部件，實現(xiàn)液壓能到機械能變換。3、控制單元：其中包含沖液閥、流量控制閥和控制壓力的溢流閥閥等。作用是根據(jù)液壓機工作時工況不同，通過對各控制閥的控制，改變液壓油的流向，以及壓力的保持完成液壓機的工作4、系統(tǒng)輔助單元：除去上述以外的其它元器件。5、工作介質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，是以油、水介質(zhì)為主。2.2.2四柱式液壓機的動作順序分析 啟 動電 氣 系 統(tǒng) 液 壓 系 統(tǒng) 液 壓 機 主 機行 程 開 關手 動圖 2.2 四柱液壓機控制順序圖液壓缸的動作順序由液壓機中的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)控制。52.2.3四柱式液壓機的工作循環(huán)初步分析 如下圖 2.3 所示： 、、、、圖 2.3 四柱液壓機工作循環(huán)圖圖 2.3（a）為主缸動作圖，圖 2.3（b）表示頂出缸工作圖2.2.4液壓機主要參數(shù)的擬定擬設計的四柱式液壓機主要技術如下表：表 2.1 技 術 參 數(shù) 設 定參 數(shù) 項 參 數(shù)最大工作壓力(MAX 2000KN主缸最大工作壓力 20MPa主缸回程力 400KN頂出缸頂出力 350KN滑塊最大行程 710mm頂出缸活塞最大行程 250mm滑塊離工作臺最大高度 800mm主缸快進下行速度 0.08m/s滑塊最大工進速度 0.006m/s6主缸回程速度 0.03m/s副缸頂出速度 0.02m/s副缸回程速度 0.05m/s第 3章 四柱式液壓機主機結(jié)構設計3.1 液壓缸的設計3.1.1液壓缸方案的比較選擇（1）柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸的結(jié)構簡圖見下圖 3.1 所示，其原理圖見下圖 3.2 所示。圖 3.1 柱塞式液壓缸的結(jié)構 圖 3.2 柱塞式油缸原理簡圖圖由上圖結(jié)構所示，主要由缸筒、液壓活塞桿、柱塞、密封圈、導向套圈等件構成。利用缸體上的凸緣結(jié)構固定于上梁中。特點：柱塞式油缸由于缸孔不需精加工，甚至可以不需加工，制造方便，7維修簡單。在水壓機上運用廣泛，但缺點是只能在單方向上作用，且反向運動需要用回程缸來實現(xiàn) [6]。（2）活塞式油缸活塞式液壓缸的結(jié)構簡圖見下圖 3.3 所示，其原理圖見下圖 3.4 所示。圖 3.3 活塞式油缸的結(jié)構圖 3.4 活塞式油缸原理圖特點：能實現(xiàn)液壓缸的左右運動，相當于兩個柱塞式液壓缸的結(jié)合體。并且這種結(jié)構的液壓缸廣泛用于中小型的液壓機中。其結(jié)構相對簡單，制造方便。（3）復合式油缸以活塞式液壓缸和柱塞式液壓缸為基本形式相組合而成的的復合式油缸。[7] 綜上所述，本設計為 200T 液壓機的設計，屬中小型液壓機，考慮到多個方面，選擇活塞式液壓缸較為合適。3.1.2液壓缸的支承形式設計選擇及方案比較（1）法蘭支承液壓缸及其下部分的法蘭支承安裝在上橫梁內(nèi)，由缸外壁的兩個環(huán)形面積8與橫梁相配合。 [8]（2）缸底支承a.通過缸底的特有結(jié)構，用螺柱將液壓缸固定在上梁上表面，b.缸底用螺柱實現(xiàn)拉緊c.橫梁不用開設固定安裝液壓缸大孔。通過上述兩種方案比較，選擇法蘭支承較為合適。3.1.3柱塞與活動橫粱的連接方式選擇（1）剛性連接優(yōu)點：柱塞下端連接盤與橫梁相連接，兩者無相對運動。在偏心加載時，柱塞隨活動橫粱的傾斜而傾斜。 [9]缺點：液壓缸的導向處受到活動橫梁的影響，這樣會使得導向鋼套及密封墊加快磨損。這種連接適用于單缸或三缸式液壓機（2）球面支承優(yōu)點：隨著載荷偏心加載的增大，活動橫梁隨加載力的增大發(fā)生傾斜，此時球面支承上會產(chǎn)生相對移動，能夠減少導套及密封墊之間的磨損。缺點：安裝和定位比較麻煩。這種連接適用于多缸式結(jié)構的液壓機。綜上所述：本設計為單缸液壓機，選擇剛性連接較為合適。3.2液壓機主缸基本尺寸計算3.2.1液壓缸尺寸確定如下圖 3.5 所示為液壓缸的受力分析簡圖。查表 2.1 中的設計參數(shù)可知，由于液壓缸工作時壓力載荷非常大，取 P=20MPa。圖 3.5 液壓缸受力簡圖9查閱相關資料、相關公式，由圖可知：計算主缸內(nèi)徑 D： 2212)(44PdDFP????D= (3.1)]})([{2121cm?式中：P 1—液壓缸最大工作壓力；P2—產(chǎn)生的回路背壓，在高壓系統(tǒng)計算是可以忽略不計；F—最大負載； （ =2000kN）1Fηcm—液壓缸機械效率，一般 ηcm = 0.9～0.95?？汕蟮靡簤焊變?nèi)徑即：D= ≈358mm95.0124.36?PaN查柱塞標準直徑表 [10]JB2001-76，將液壓缸的直徑 D 圓整后，選取相近的標準系列直徑，得 =360mm。1D液壓主缸活塞桿直徑計算公式如下所示：pFd?214??（3.2）式中：F 2 為主缸回程時，最大壓力，（ =400kN）2F代入數(shù)據(jù)得 d=0.245m，按標準取整 d=250mm。3.3液壓機主缸內(nèi)部尺寸設計通過上述初步設計計算，得到缸體內(nèi)徑 D、活塞桿直徑 d。接下來對主缸其他參數(shù)進行設計計算。1) 主缸缸體材料的選擇及其工藝要求液壓缸的構造一般有厚壁圓筒、薄壁圓筒兩種不同結(jié)構。10當滿足 D/δ≥10 時則為薄壁圓筒液壓缸，反之則為厚壁圓筒液壓缸。缸體材料較多，比如有高強度鑄鐵、灰鑄鐵、鍛鋼等。本次設計的液壓缸材料選用無縫 45 鋼。表 3.1鋼筒材料的參數(shù)型號 ≥／ MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 142) 設計主缸壁厚計算公式如下所示：][2??Dpy?（3.3）式中： δ—液壓缸壁厚；D—液壓缸內(nèi)徑；—實驗壓力，最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；yP[σ]—缸筒材料的許用應力。無縫鋼管：[σ]=100～110MPa 。主缸壁厚 δ 計算，將 D=0.36m ；[σ]= 110MPa ； Py=1.4×20.5MPa=28.7MPa代入公式（3.3）中，即： mMaP047.10236.7.8????計算缸體的外徑 D：D 外 ≥D＋2δ （3.4）將參數(shù)代入式（3.4）得：D 外 ≥0.36m＋2 ?0.047m＝0.4534m外徑取標準直徑系列，得主缸缸體外徑 D 外 ＝460mm 。4) 缸蓋厚度計算缸蓋材料選用 35 鋼，查資料，缸蓋厚度計算公式如下：11][43.02?yPDt?（3.5）式中：t—缸蓋的厚度(mm)；—缸蓋止口直徑(mm)；2D[σ]—材料許用應力。即： mMPat 057.17.285043. ???選取缸蓋厚度 t=60mm。4) 計算主缸最小導向長度通常液壓缸的最小導向長度符合如下計算公式：20DLH??（3.6）如下圖 3.6 所示： 活 塞隔 套圖 3.6主缸導向長度簡圖式中：L—主缸最大行程；D—液壓缸的內(nèi)徑。查表 2.1 中參數(shù)可知，主缸的最大行程 H=710mm，液壓缸內(nèi)徑D=360mm 代入公式（ 3.6）中，得主缸最小導向長度。12即： mmH5.21360271???查閱相關資料，不能過分增大 l1 和 B 的數(shù)值來保證最小導向長度。計算隔套的長度 C，即：)(21lC???（3.7）式中：B—活塞的寬度，取 B=（0.6～1.0）D；l1—缸蓋滑動支承面的長度， 當 D＞80mm 時，取 l1=（0.6～1.0）d。代入公式： mC2)5036(7.125. ?????5) 主缸活塞設計主缸活塞材料選用 HT200。活塞寬度系數(shù)取 0.8，則活塞的寬度為：B=0.8D=0.8×360mm =288mm取 B=290mm。6) 計算主缸長度缸體內(nèi)部長度為活塞的行程長度加上活塞的長度。缸體的長度 L 小于或者等于內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D (3.8)由于 L=710mm，B=290mm，t=60mm，主缸的長度取 L 缸 =1200mm。主缸設計結(jié)構如圖 3.7 所示：13圖 3.7 主缸3.3 頂出缸計算查表 2-1，選取頂出缸的工作壓力為 12MPa,頂出缸的負載最大為 350kN，d/D 為 0.7，取液壓缸的機械效率 ηcm = 0.95。液壓缸受力如圖 3.8 所示。14圖 3.8 液壓機頂出缸缸受力簡圖將參數(shù)代入公式（3.10），求得液壓缸內(nèi)徑 D：D= mm≈198mm 95.0124.3.6?PaN（3.10）查資料 [10],將液壓缸的內(nèi)徑圓整為標準系列直徑，取 D=200mm；由 d/D=0.7 得活塞桿直徑，即：d=0.7D=0.7x198≈138mm同理查表 2-5 [11]。將活塞桿直徑圓整為標準系列，取 d=140mm。3.4頂出缸各部件計算1) 頂出缸缸體材料選擇表 3.2鋼筒所選材料型號 ≥／MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 142) 頂出缸壁厚的確定將 D=0.2m ；[σ]= 110MPa ； =1.3×12.5MPa=16.25MPa 代入公式（3.6）yP中，即：mMa015.102.5.6????將 D=0.2m ；取 δ=0.02m 代入D 外≥0.2m＋0.04m＝0.24m圓整得 D 外＝240mm。3) 頂出缸缸蓋材料、厚度的確定15缸蓋選用 35 鋼。缸蓋厚度計算公式見式（3.12）：即：（3.12）mMPat 025.125.643.0???取缸蓋厚度 t=25mm。4) 頂出缸最小導向長度由表 2.1 知頂出活塞行程 L=250mm，缸內(nèi)徑 D=200mm，代入公式(3.13) ， 即：mmH5.12025???（3.13）5) 頂出缸活塞方案擬定，技術要求 頂出缸活塞選用 HT200?；钊麑挾认禂?shù)為 0.8，則B=0.8D=0.8×200mm =160mm取活塞 B=160mm。查表 2-10 [6]，液壓機頂出缸工作壓力遠遠小于主缸壓力，故選用 O 形密封圈。 6) 頂出缸長度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長度等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體的外形尺寸應考慮兩端端蓋的厚度，長度 L 小于等于缸體內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D 。由主缸行程為 250mm，活塞寬度為 160mm,缸蓋厚度為 25mm，通過計算取 L=650mm。3.5主機負載受力分析3.5.1導柱設計計算本設計最大的工作負載為 200T（2000kN），主缸回程力為 400kN，頂出缸頂出力為 350kN。因為工作時的載荷遠遠超過其它工況時的負載，故在進行載荷的設計計算時，取負載 200T 對液壓機中導柱進行受力分析計算。在“三梁四柱式結(jié)構 ”中，對導柱做如下受力分析，如下圖 3.10 所示，當力作用在橫梁和導柱上，此時橫梁受壓，由于反作用力，導柱受到相應的拉力。16橫 梁導 柱F-最大受力負載 T-導柱拉力圖 3.10橫梁、導柱受力分析圖材料選擇：由受力分析可知，在負載時，導柱受到較強的拉力，故在選擇材料是應具備較強的抗拉強度，故選擇 45 號鋼。加工工藝：在工作時，導柱不僅僅有拉力的存在，還有與上下滑塊之間的摩擦力，為了減少導柱表明的磨損程度，增加受用壽命，通過金屬表明熱處理能有效的增加導柱的耐磨性和表明硬度，表面淬火和表明熱處理。導柱設計計算：液壓機最大受到 2000kN 的負載，作用在 4 根導柱上，這每根導柱受到500kN 的拉力，由許用拉應力公式(3.14)，計算出導柱的安全直徑 D。AF?][?(3.14）式中： —許用應力； 45 鋼 =80～100MPa；][?][F—導柱軸向拉力；A—導柱橫截面積。即： mPaNFD089.1804.35][6?????取 D=90mm，為防止液壓機工作時導柱受力斷裂，為了液壓機安全性、可靠性，選取導柱直徑時，可以適當加大導柱直徑，取 D=110mm。173.5.2立柱的連接形式比較選擇如圖所示，通常連接形式有如下三種：圖 3.11 立柱與橫梁的連接形式（1）雙螺母式特點：加工較方便。但螺母必須有良好的預緊，否則會造成螺母的松動，從而導致機架的不穩(wěn)定。一般應用在小型液壓機。（2）錐臺式特點：剛性較好，但加工相對復雜，一旦裝配完成不能做相應的調(diào)整。（3）錐套式特點：可以消除立柱與橫梁之間的間隙，有利于安裝與配合。但長期使用會使錐套松動，影響機架剛性。 [12]綜上所述，本次設計選擇錐臺式立柱聯(lián)結(jié)。3.5.3活動橫梁的結(jié)構設計活動橫梁的結(jié)構如下所示圖 3.12活動橫梁結(jié)構圖作用：通過與主缸活塞缸聯(lián)結(jié)傳遞工作壓力，四角開有導向孔，可以沿導18向柱方向運動。橫梁下面開有凹槽，可以安裝上模具，所以需要有較強的剛度和導向性能。初步設計橫梁的長為 1310mm，寬 1050mm，高 350mm。3.5.4工作臺的設計材料選用鑄鋼 45。設計工藝要求：為了在加工時，能很好的將所需加工的模具固定在工作臺上，可以選擇將工作臺表面設計成 T 形槽的樣式圖 3.13 工作臺 T形槽19第 4章 四柱式液壓機強度計算與校核4.1缸體強度的計算與校核4.1.1主缸中段強度選用 45 鋼作缸體材料，對缸筒做初步受力分析，最大應力應該出現(xiàn)在缸內(nèi)壁，應用第四強度理論進行計算。圖 4.1 缸體（4.1） MPapD120~][321max??????式中 D1=0.36m， D0=0.46 m；P=20MPa帶入數(shù)據(jù)得：=121.6Mpa2036.4.02max????????經(jīng)上述計算，故強度小于缸筒材料的許用應力，設計合理，滿足要求。4.1.2支承臺肩計算支承臺肩接觸面擠壓壓力計算公式如下：（4.2）????????])2()[(785.032SDP式中 [σ]——材料許用應力20S——支承臺肩倒角或圓角半徑D2 ——主缸體上螺紋外徑 a45.2036.0785.2MPP???主[σ]=100MPa 圖 4.2 油缸支承臺肩尺寸式中：P=2000kN ， =460mm S=2mm3D由上式可得（4.3）????SP?????2785.022?主代入數(shù)據(jù) ??m498.02.0.246.10785.222 ??????D取 D3=50 cm4.1.3缸底強度校核按圓形平板彎曲計算，公式如下：=100MPa （4.4）???????21875.0BpD式中：D=360mm B=110mm P=20MPa21圖 4.3 缸底簡圖（4.5）Di??＝?式中 D1=8.8cm756.03.860??將數(shù)據(jù)代入公式，得： =98.6MPa ，強度滿足要21175.?????求。4.1.4缸口導套擠壓計算（1）作用在缸口導套上的力，缸口導套材料 HT200：（4.6）pdDP)(785.0211??式中： =360mm d=250mm1D代入數(shù)據(jù)，得： =1 KN521036. ??（2）螺栓計算選擇 12 個 M24 的螺栓，螺栓材料選為 45 鋼，M24 螺紋內(nèi)徑為 20.45mm，則拉伸應力公式：（4.7）?????1nFP式中：n—螺栓數(shù)量，n=12 —螺栓橫截面積（ ），1F2cm2213.45.078.cm???—許用拉伸應力，?????0??22將數(shù)據(jù)代入得： =26.5MPa ，故安全。3.1205??????（3）缸口導套擠壓計算缸口導套材料選用 HT20-40，導套擠壓應力的計算公式如下：=100MPa （4.8）???????)(785.021DP式中： =360mm =280mm1D2代入數(shù)據(jù)，得： =92MPa ，安全。??5.活塞與活動橫梁聯(lián)接螺母強度校核螺紋剪切應力計算公式如下：=60MPa （4.9）???????bKdP內(nèi) 回=120MPa （4.10）彎內(nèi) 回彎 ??23tkh式中：螺紋選取 M15 40， 螺紋內(nèi)徑 =14.48 ，螺紋高度?內(nèi)dh= =2.6cm 2內(nèi)外 d?b——螺紋長度（cm） b=8.5cmt——螺距（cm） t=0.4cmK——螺紋完滿系數(shù)，三角形螺紋取 K=0.81代入數(shù)據(jù)，得： =19MPa ， =46MPa ，故安全。????彎???彎4.1.5活塞頭部鎖緊螺母母螺紋所受的力（4.11）??kgfPdDP???210785.鎖其中 D0=14cm d1=4.5cm 代入式（4.11）中?f93.4.4785.2???鎖螺紋剪切應力??2/60cmkgfKbdP?????內(nèi)（4.12）螺紋彎曲應力????22' /103ckgftbdhP????彎內(nèi)彎 ???23（4.13）式中 螺紋選為 M30╳4d 內(nèi)——螺紋內(nèi)徑（cm） d 內(nèi)=2.57cmt——螺距（cm） t=0.4cmb——螺紋長度（cm） b=2.5cmh——螺紋高度（cm） h=0.43cmK——螺紋完滿系數(shù)（cm） 對于三角形螺紋 K=0.81P 回——回程壓力 （kN ） P 回=400kN帶入式中： ????? ????2/75.2981.053.24cmkgf??彎彎 ?? 22/46. f故強度滿足要求。4.2橫梁的設計與校核4.2.1橫梁的設計橫梁需要較強的彎曲力和彎曲疲勞強度，故選用 45 鋼，毛坯采用鍛鋼并且表明需調(diào)質(zhì)處理。理論設計： 設計橫梁的長、寬、高尺寸分別為 1310mm、1050mm、580mm，矩形截面。即：在負載作用下的受力分析圖如下所示：圖 4.5 (a) 剪力圖 (b) 彎矩圖圖 4.4橫梁滑塊受力圖24圖 4.5 受力分析圖由上彎矩圖 4.5(b)看出，滑塊所受彎矩最大的點位于橫梁中間 C 點 1—1 截面處，該截面為危險截面。為防止發(fā)生橫梁斷裂或者達不到應有的疲勞強度，故對橫梁截面進行強度校核。正應力公式為：WMmaxax??（4.14）式中：—最大彎曲應力；max?—最大彎矩；M—抗彎截面系數(shù)( )。W3m矩形截面抗彎系數(shù) W 計算公式為：62bh?（4.15）式中：—矩形截面的寬；b—矩形截面的高。h即： 3205.68.051mW???截 面 -25MPamkN3.905.47ax???許用應力[ ]=100MPa，然而橫梁的最大彎曲應力 max為 9.3MPa，結(jié)果小?于材料的許用應力，設計合理。剪切應力][23max?????hbFs（4.16） MPa46.258.013?查表得 45 鋼的剪切應力 ，滿足要求。Pa6][??4.2.2上橫梁的剛度計算撓度計算公式如下：（4.17）?????????????????2296)( ??DBEJDBf彎（4.18）14)(2.FPf剪式中：P-公稱噸位(kgf) P=200000 kgfB-立柱中心距(cm) B=106.5cmD-油缸與上橫梁聯(lián)接處臺肩尺寸(cm) D=58 cmJ-上橫梁主截面慣性矩( ) J=818818.477 4cm4cmS-受剪立板面積( ) S=25 48=1200 ( )2 ?2E-材料彈性模量 ( ) 鑄鐵 E=1.05 106 /kgf /kgfG-剪切彈性模量( ) 鑄鐵 G=6 105 2c 2c代入數(shù)據(jù)，得：=0.0126cm?????? ????????????? 225 58105810.96).(2 ??彎f=0.0136cm24).6(2.1剪f上橫梁最大變形量為：0.6cm=.13+0.1??剪彎 ff264.3工作臺計算模具墊板設計：工作臺中心有直徑為 14cm 一中心孔。材料為 HT20-40， 。計??aMP10??算模具墊板最小尺寸：（4.19）????PA???214式中：A—墊板面積代入數(shù)據(jù)，得：29.35cm?按圓直徑,則墊板直徑 d=21.22cm，取墊板寬帶 b=25cm。主截面上彎矩計算如下：（4.20）)21(41BbPM??代入數(shù)據(jù)，得 =43.6kN m1?最大剪力為： =1000kNQ2?4.3.1工作臺的應力計算由前面計算結(jié)果可得主截面尺寸如下：圖 4.6 受力分析圖剪 力 圖 （彎 矩 圖 （ M12XX 學 院 XX UNIVERSITY本科生畢業(yè)設計設 計 題 目： 200T 四柱式液壓機結(jié)構 及控制系統(tǒng)設計 系 部： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 班 級： 學號 指導教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 最終評定成績 XX 學院教務處 二○一三年六月制（2015 屆）本科生畢業(yè)設計說明書200T 四柱式液壓機結(jié)構 及控制系統(tǒng)設計系 部： 機 電 工 程 系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 班 級： 三班 學號 指導教師姓名： 職稱 教授 職稱 工程師 最終評定成績： 2015 年 6I摘 要本次畢業(yè)設計的主要任務為 200T 三梁四柱式液壓機的結(jié)構設計及控制系統(tǒng)設計。液壓機的應用較廣泛，在日常生活中到處可以見到，其基本工作原理為根據(jù)帕斯卡原理。以液體作為傳遞介質(zhì)，達到實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換的效果，從而實現(xiàn)各種鍛壓的成型工藝。這種液壓機適用于各種可塑性工件的壓制工藝，如沖壓、拉伸薄板、壓制、翻邊、彎曲等，也適用于砂輪成型、工件的校正、壓裝和各種冷擠金屬零件成型、塑膠制品及粉末制品的壓制成型工藝。液壓機是由主機和液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。液壓機主機走成包括工作臺、上橫梁、導柱、滑塊、頂出缸、主缸、安裝地基等，動力機構包括泵、油箱、電機、電氣控制系統(tǒng)、各種液壓控制閥等。動力機構在電氣控制系統(tǒng)控制下，通過液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和調(diào)節(jié)，完成各種工藝循環(huán)。關鍵詞：四柱式液壓機，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，PLC 控制IIABSTRACTThe graduation design task for 200T the structure design of three beam four-column type hydraulic press machine control system design. Hydraulic press application more widely, can be seen everywhere in our daily life, its basic working principle is according to the driving principle of the liquid to liquid as PASCAL transfer media, achieve the result of realization of energy conversion, so as to realize all kinds of forging press molding process. The hydraulic press suppression techniques are suitable for all kinds of plastic parts, such as stamping, stretching, pressing plate, flanging and bending etc., can also be applied to wheel molding, artifacts of calibration, pressure equipment and a variety of cold extrusion molding metal parts, plastic products and powder products of pressure molding process. Hydraulic press is controlled by the host and hydraulic system, electrical control system. Hydraulic press host go into workbench, beams, guide pin, slide block, ejection cylinder, master cylinder, such as installation of foundation, motivation mechanism including pumps, tanks, motor, electric control system, all kinds of hydraulic control valves, etc. Dynamic mechanism under control in the electric control system, through the hydraulic system, realization of energy conversion, transfer and adjustment, finish all kinds of process cycle.Keywords: four column hydraulic machine, hydraulic system, electrical control system, PLCIV目 錄摘 要 IABSTRACT.II第 1章 緒論 .11.1 研究本課題的意義 .11.2 液壓機的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀 .11.3 設計內(nèi)容要求 .21.4 給定的液壓機參數(shù) .31.5 本章小結(jié) .3第 2章 液壓機設計總體方案分析 .42.1 四柱液壓機的組成 42.2 液壓機各組成分析 .52.2.1 液壓控制系統(tǒng)分析 .52.2.2 四柱式液壓機的動作順序分析 .52.2.3 四柱式液壓機的工作循環(huán)初步分析 .52.2.4 液壓機主要參數(shù)的擬定 .6第 3章 四柱式液壓機主機結(jié)構設計 .73.1 液壓缸的設計 73.1.1 液壓缸方案的比較選擇 .73.1.2 液壓缸的支承形式設計選擇及方案比較 .83.1.3 柱塞與活動橫粱的連接方式選擇 .93.2 液壓機主缸基本尺寸計算 .93.3 液壓機主缸內(nèi)部尺寸設計 103.3 頂出缸計算 143.4 頂出缸各部件計算 153.5 主機負載受力分析 173.5.1 導柱設計計算 173.5.2 立柱的連接形式比較選擇 183.5.3 活動橫梁的結(jié)構設計 193.5.4 工作臺的設計 19第 4章 四柱式液壓機強度計算與校核 .214.1 缸體強度的計算與校核 234.1.1 主缸中段強度 234.1.2 支承臺肩計算 244.1.3 缸底強度校核 254.1.4 缸口導套擠壓計算 264.1.5 活塞頭部鎖緊螺母 27V4.2 橫梁的設計與校核 284.2.1 橫梁的設計 284.2.2 上橫梁的剛度計算 314.3 工作臺計算 314.3.1 工作臺的應力計算 324.3.2 工作臺的剛度計算 334.4 立柱的強度校核 334.5 立柱螺母校核 364.5.1 立柱預緊和計算 364.5.2 立柱螺紋的強度校核 37第 5章 液壓控制系統(tǒng)設計 395.1 液壓系統(tǒng)流量計算 .395.1.1 主缸流量計算 .395.1.2 頂出缸流量計算 .405.2 液壓泵設計選擇 .425.3 電動機的選擇 .435.3.1 主缸各工況功率計算 .435.3.2 頂出缸各工況功率計算 .445.4 液壓機中液壓系統(tǒng)安全驗算 .445.6 液壓系統(tǒng)原理圖擬定 .495.7 液壓系統(tǒng)油路控制分析 .515.8 液壓系統(tǒng)控制過程分析 .515.9 液壓系統(tǒng)中各個電磁鐵動作順序表 .535.10 液壓元器件 545.11 液壓系統(tǒng)溫升的驗算 55第 6章 液壓機 PLC控制系統(tǒng)設計 576.1 液壓機控制電路設計 576.1.1 液壓機控制電路設計 576.1.2 液壓機控制電路設計 586.2 PLC 控制部分 596.2.1 液壓機控制系統(tǒng)概述 596.2.3 PLC 的選型 .606.3 PLC 程序設計 606.3.1 液壓系統(tǒng)動作流程框圖 606.3.2 現(xiàn)場器件與 PLC 內(nèi)部等效繼電器地址編號對照表 616.4 電氣控制過程分析 616.5 PLC 程序模擬仿真 62結(jié) 論 .67參考文獻 .68致 謝 .691第 1章 緒論1.1研究本課題的意義液壓機的控制采用液壓控制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合控制的方式。 [1]是一種常見的以液體介質(zhì)傳遞能量的無屑加工機器。與傳統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)相比具有相對較強的靈活性，并且液壓機操作起來也方便很多。通過液壓傳動，將能量傳動到液壓缸，推動活塞桿的運動，實現(xiàn)直線方向來回移動。由于電氣控制系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，自身具有過載保護的功能。液壓機機在很多機械加工方面得到應用，作為一種工件鍛造壓制成型加工機械設備，始終是工業(yè)機械發(fā)展不可或缺的一種液壓制造技術設備。隨著中國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，對液壓傳動的技術有了更高的技術要求和精度要求。液壓機加工是指一種相對于傳統(tǒng)機械加工而言比較成熟的無屑加工工藝，應用范圍非常廣泛，發(fā)展迅速，品種繁多，能實現(xiàn)可塑性材料的冷擠，工件校直、彎曲、沖裁、拉伸等。液壓機能對工藝復雜的工件進行加工，能加工不對稱的工件，工作可靠，質(zhì)量過關，次品率低。對于不同的工件有不同的加工要求，通過對其壓力行程合理調(diào)整，達到產(chǎn)品所需的加工工藝要求。液壓機主要由包括主機、液壓控制系統(tǒng)、PLC 電氣控制系統(tǒng)等三個部分組成 [3]。液壓機由電氣系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)控制，實現(xiàn)液壓機自動或者非自動工作，由液壓系統(tǒng)控制主機主缸和頂出缸的順序動作實現(xiàn)整個工作過程。總的來說，液壓機系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構簡單，維修、維護方便。1.2液壓機的簡介及發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)液壓機的產(chǎn)量速度明顯呈增長趨勢。但是我國的液壓機從產(chǎn)值和銷售上和發(fā)達國家相比較還有很大的差距。，縱觀全球液壓機的發(fā)展形勢和產(chǎn)能來說，我國是液壓機生產(chǎn)大國，液壓機的生產(chǎn)產(chǎn)量一直領先于其他國家。但是在專用性能的液壓機選擇方面，還是選擇進口其他國家的液壓機；總的來說，在生產(chǎn)之中技術水平方面，可以說已經(jīng)達到了國際先進水準。隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及加快國際間的經(jīng)濟合作，我國液壓機制造技術已經(jīng)取得很大的成功發(fā)展。但是對于一些技術含金量較高的液壓機中，有些核心技術還要通過與國內(nèi)外的企業(yè)合作，尤其是一些高檔的電控元件和液壓元2件主要還是要依靠進口來完成。和國外產(chǎn)品比較，我國的液壓機還是曾在這很大的不足與差距，比如質(zhì)量、加工精度、專用性能、可靠性等，由于液壓和電器元件的可靠性低，造成液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障；另外在液壓機關鍵部件的加工要求方面，還有很大的提高。總的來講，國內(nèi)的液壓機在質(zhì)量上和國外的液壓機還是還有一定的差距，但是伴隨著對液壓機的要求提高和質(zhì)量的改善以及功能的完善，國產(chǎn)液壓機的產(chǎn)品質(zhì)量正在越來越接近國際水平。 1.3設計內(nèi)容要求（1）了解液壓機發(fā)展歷程，熟悉所設計液壓機的構造。（2）掌握四柱式液壓機結(jié)構、液壓及控制系統(tǒng)的各種計算方法，能正確選擇各個部件。（3）主機系統(tǒng)設計，包括主機的結(jié)構工藝設計、各個零部件的結(jié)構設計并且了解其鑄造工藝。（4）液壓系統(tǒng)的設計合理，按所需液壓環(huán)境選擇合適的液壓元器件（5）結(jié)構設計合理性，操作簡單、安裝方便合理（6）了解常用的設計軟件，能熟練運用 CAD、機電液仿真調(diào)試類軟件。（7）液壓機設計的工作步驟要求：工作主缸的保壓延時、活動橫梁快速回程、快速下行、慢速下行，以及頂出缸的將模具或者工件快速頂出，副缸快速回程工作，必須設計合理。1.4給定的液壓機參數(shù)本次畢業(yè)設計的課題為：200T 液壓機結(jié)構設計及其控制系統(tǒng)設計設計參數(shù)要求如表 1.2 所示：表 1.2 200T液壓機部分已知部分參數(shù)最高工作壓力 最高壓力 最大行程 頂鍛速度20MPa 200T 710mm 0-40mm/s要求:驅(qū)動方式為油壓驅(qū)動控制方式為 PLC 控制31.5本章小結(jié)通過上網(wǎng)搜索以及到圖書館查找相關資料，與老師探討并且參觀實驗室的液壓機之后，對液壓機的作用以及其工作原理也有了初步了解和認識，對給定設計參數(shù)有了大致的設計方案。對接下來整機畢業(yè)設計有了初步的方向。第 2章 液壓機設計總體方案分析2.1 四柱液壓機的組成圖 2.1 為四柱通用式液壓機結(jié)構原理圖。圖 2.1 四柱通用式液壓機可以通過此圖了解到三梁四柱式液壓機的基本組成：主要由上橫梁，上下工 作 臺 面下 模 具立 柱上 下 活 動 梁上 模 具地 基上 橫 梁電 氣 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 系 統(tǒng)液 壓 控 制 管 路頂 出 缸主 缸主 缸 油 箱4活動梁、工作臺、導柱、安裝地基、主缸油箱、工作主缸、頂出缸、液壓總站、油箱、各種液壓控制閥等組成，四柱式液壓機通過液壓泵將機械能通過液壓系統(tǒng)裝換成壓力能，通過利用帕斯卡原理，傳遞工作所需的能量。經(jīng)過各種控制閥和液壓管路，控制油缸。 [4]進而控制液壓缸帶動的活動橫梁的來回工作移動，提供工作所需的壓力。待所需工件壓制完成后，由頂出缸將鍛壓成型的工件頂出。2.2液壓機各組成分析2.2.1液壓控制系統(tǒng)分析由于液壓機操作的封閉性，故采用封閉式液壓回路，動力單元、控制單元、系統(tǒng)輔助單元、工作媒介組成一個完整的液壓控制系統(tǒng)。1、動力單元（液壓泵）：為液壓機提供工作所需動力元器件。 [5]工作原理是將來自電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。能量損失小，效率高。2、執(zhí)行部件（液壓油缸）：提供工作壓力的直接部件，實現(xiàn)液壓能到機械能變換。3、控制單元：其中包含沖液閥、流量控制閥和控制壓力的溢流閥閥等。作用是根據(jù)液壓機工作時工況不同，通過對各控制閥的控制，改變液壓油的流向，以及壓力的保持完成液壓機的工作4、系統(tǒng)輔助單元：除去上述以外的其它元器件。5、工作介質(zhì)：能量轉(zhuǎn)換的介質(zhì)，是以油、水介質(zhì)為主。2.2.2四柱式液壓機的動作順序分析 啟 動電 氣 系 統(tǒng) 液 壓 系 統(tǒng) 液 壓 機 主 機行 程 開 關手 動圖 2.2 四柱液壓機控制順序圖液壓缸的動作順序由液壓機中的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)控制。52.2.3四柱式液壓機的工作循環(huán)初步分析 如下圖 2.3 所示： 、、、、圖 2.3 四柱液壓機工作循環(huán)圖圖 2.3（a）為主缸動作圖，圖 2.3（b）表示頂出缸工作圖2.2.4液壓機主要參數(shù)的擬定擬設計的四柱式液壓機主要技術如下表：表 2.1 技 術 參 數(shù) 設 定參 數(shù) 項 參 數(shù)最大工作壓力(MAX 2000KN主缸最大工作壓力 20MPa主缸回程力 400KN頂出缸頂出力 350KN滑塊最大行程 710mm頂出缸活塞最大行程 250mm滑塊離工作臺最大高度 800mm主缸快進下行速度 0.08m/s滑塊最大工進速度 0.006m/s6主缸回程速度 0.03m/s副缸頂出速度 0.02m/s副缸回程速度 0.05m/s第 3章 四柱式液壓機主機結(jié)構設計3.1 液壓缸的設計3.1.1液壓缸方案的比較選擇（1）柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸的結(jié)構簡圖見下圖 3.1 所示，其原理圖見下圖 3.2 所示。圖 3.1 柱塞式液壓缸的結(jié)構 圖 3.2 柱塞式油缸原理簡圖圖由上圖結(jié)構所示，主要由缸筒、液壓活塞桿、柱塞、密封圈、導向套圈等件構成。利用缸體上的凸緣結(jié)構固定于上梁中。特點：柱塞式油缸由于缸孔不需精加工，甚至可以不需加工，制造方便，7維修簡單。在水壓機上運用廣泛，但缺點是只能在單方向上作用，且反向運動需要用回程缸來實現(xiàn) [6]。（2）活塞式油缸活塞式液壓缸的結(jié)構簡圖見下圖 3.3 所示，其原理圖見下圖 3.4 所示。圖 3.3 活塞式油缸的結(jié)構圖 3.4 活塞式油缸原理圖特點：能實現(xiàn)液壓缸的左右運動，相當于兩個柱塞式液壓缸的結(jié)合體。并且這種結(jié)構的液壓缸廣泛用于中小型的液壓機中。其結(jié)構相對簡單，制造方便。（3）復合式油缸以活塞式液壓缸和柱塞式液壓缸為基本形式相組合而成的的復合式油缸。[7] 綜上所述，本設計為 200T 液壓機的設計，屬中小型液壓機，考慮到多個方面，選擇活塞式液壓缸較為合適。3.1.2液壓缸的支承形式設計選擇及方案比較（1）法蘭支承液壓缸及其下部分的法蘭支承安裝在上橫梁內(nèi)，由缸外壁的兩個環(huán)形面積8與橫梁相配合。 [8]（2）缸底支承a.通過缸底的特有結(jié)構，用螺柱將液壓缸固定在上梁上表面，b.缸底用螺柱實現(xiàn)拉緊c.橫梁不用開設固定安裝液壓缸大孔。通過上述兩種方案比較，選擇法蘭支承較為合適。3.1.3柱塞與活動橫粱的連接方式選擇（1）剛性連接優(yōu)點：柱塞下端連接盤與橫梁相連接，兩者無相對運動。在偏心加載時，柱塞隨活動橫粱的傾斜而傾斜。 [9]缺點：液壓缸的導向處受到活動橫梁的影響，這樣會使得導向鋼套及密封墊加快磨損。這種連接適用于單缸或三缸式液壓機（2）球面支承優(yōu)點：隨著載荷偏心加載的增大，活動橫梁隨加載力的增大發(fā)生傾斜，此時球面支承上會產(chǎn)生相對移動，能夠減少導套及密封墊之間的磨損。缺點：安裝和定位比較麻煩。這種連接適用于多缸式結(jié)構的液壓機。綜上所述：本設計為單缸液壓機，選擇剛性連接較為合適。3.2液壓機主缸基本尺寸計算3.2.1液壓缸尺寸確定如下圖 3.5 所示為液壓缸的受力分析簡圖。查表 2.1 中的設計參數(shù)可知，由于液壓缸工作時壓力載荷非常大，取 P=20MPa。圖 3.5 液壓缸受力簡圖9查閱相關資料、相關公式，由圖可知：計算主缸內(nèi)徑 D： 2212)(44PdDFP????D= (3.1)]})([{2121cm?式中：P 1—液壓缸最大工作壓力；P2—產(chǎn)生的回路背壓，在高壓系統(tǒng)計算是可以忽略不計；F—最大負載； （ =2000kN）1Fηcm—液壓缸機械效率，一般 ηcm = 0.9～0.95?？汕蟮靡簤焊變?nèi)徑即：D= ≈358mm95.0124.36?PaN查柱塞標準直徑表 [10]JB2001-76，將液壓缸的直徑 D 圓整后，選取相近的標準系列直徑，得 =360mm。1D液壓主缸活塞桿直徑計算公式如下所示：pFd?214??（3.2）式中：F 2 為主缸回程時，最大壓力，（ =400kN）2F代入數(shù)據(jù)得 d=0.245m，按標準取整 d=250mm。3.3液壓機主缸內(nèi)部尺寸設計通過上述初步設計計算，得到缸體內(nèi)徑 D、活塞桿直徑 d。接下來對主缸其他參數(shù)進行設計計算。1) 主缸缸體材料的選擇及其工藝要求液壓缸的構造一般有厚壁圓筒、薄壁圓筒兩種不同結(jié)構。10當滿足 D/δ≥10 時則為薄壁圓筒液壓缸，反之則為厚壁圓筒液壓缸。缸體材料較多，比如有高強度鑄鐵、灰鑄鐵、鍛鋼等。本次設計的液壓缸材料選用無縫 45 鋼。表 3.1鋼筒材料的參數(shù)型號 ≥／ MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 142) 設計主缸壁厚計算公式如下所示：][2??Dpy?（3.3）式中： δ—液壓缸壁厚；D—液壓缸內(nèi)徑；—實驗壓力，最大工作壓力的（1.25～1.5）倍；yP[σ]—缸筒材料的許用應力。無縫鋼管：[σ]=100～110MPa 。主缸壁厚 δ 計算，將 D=0.36m ；[σ]= 110MPa ； Py=1.4×20.5MPa=28.7MPa代入公式（3.3）中，即： mMaP047.10236.7.8????計算缸體的外徑 D：D 外 ≥D＋2δ （3.4）將參數(shù)代入式（3.4）得：D 外 ≥0.36m＋2 ?0.047m＝0.4534m外徑取標準直徑系列，得主缸缸體外徑 D 外 ＝460mm 。4) 缸蓋厚度計算缸蓋材料選用 35 鋼，查資料，缸蓋厚度計算公式如下：11][43.02?yPDt?（3.5）式中：t—缸蓋的厚度(mm)；—缸蓋止口直徑(mm)；2D[σ]—材料許用應力。即： mMPat 057.17.285043. ???選取缸蓋厚度 t=60mm。4) 計算主缸最小導向長度通常液壓缸的最小導向長度符合如下計算公式：20DLH??（3.6）如下圖 3.6 所示： 活 塞隔 套圖 3.6主缸導向長度簡圖式中：L—主缸最大行程；D—液壓缸的內(nèi)徑。查表 2.1 中參數(shù)可知，主缸的最大行程 H=710mm，液壓缸內(nèi)徑D=360mm 代入公式（ 3.6）中，得主缸最小導向長度。12即： mmH5.21360271???查閱相關資料，不能過分增大 l1 和 B 的數(shù)值來保證最小導向長度。計算隔套的長度 C，即：)(21lC???（3.7）式中：B—活塞的寬度，取 B=（0.6～1.0）D；l1—缸蓋滑動支承面的長度， 當 D＞80mm 時，取 l1=（0.6～1.0）d。代入公式： mC2)5036(7.125. ?????5) 主缸活塞設計主缸活塞材料選用 HT200。活塞寬度系數(shù)取 0.8，則活塞的寬度為：B=0.8D=0.8×360mm =288mm取 B=290mm。6) 計算主缸長度缸體內(nèi)部長度為活塞的行程長度加上活塞的長度。缸體的長度 L 小于或者等于內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D (3.8)由于 L=710mm，B=290mm，t=60mm，主缸的長度取 L 缸 =1200mm。主缸設計結(jié)構如圖 3.7 所示：13圖 3.7 主缸3.3 頂出缸計算查表 2-1，選取頂出缸的工作壓力為 12MPa,頂出缸的負載最大為 350kN，d/D 為 0.7，取液壓缸的機械效率 ηcm = 0.95。液壓缸受力如圖 3.8 所示。14圖 3.8 液壓機頂出缸缸受力簡圖將參數(shù)代入公式（3.10），求得液壓缸內(nèi)徑 D：D= mm≈198mm 95.0124.3.6?PaN（3.10）查資料 [10],將液壓缸的內(nèi)徑圓整為標準系列直徑，取 D=200mm；由 d/D=0.7 得活塞桿直徑，即：d=0.7D=0.7x198≈138mm同理查表 2-5 [11]。將活塞桿直徑圓整為標準系列，取 d=140mm。3.4頂出缸各部件計算1) 頂出缸缸體材料選擇表 3.2鋼筒所選材料型號 ≥／MPab?≥／MPas?≥／%s?45 610 360 142) 頂出缸壁厚的確定將 D=0.2m ；[σ]= 110MPa ； =1.3×12.5MPa=16.25MPa 代入公式（3.6）yP中，即：mMa015.102.5.6????將 D=0.2m ；取 δ=0.02m 代入D 外≥0.2m＋0.04m＝0.24m圓整得 D 外＝240mm。3) 頂出缸缸蓋材料、厚度的確定15缸蓋選用 35 鋼。缸蓋厚度計算公式見式（3.12）：即：（3.12）mMPat 025.125.643.0???取缸蓋厚度 t=25mm。4) 頂出缸最小導向長度由表 2.1 知頂出活塞行程 L=250mm，缸內(nèi)徑 D=200mm，代入公式(3.13) ， 即：mmH5.12025???（3.13）5) 頂出缸活塞方案擬定，技術要求 頂出缸活塞選用 HT200?；钊麑挾认禂?shù)為 0.8，則B=0.8D=0.8×200mm =160mm取活塞 B=160mm。查表 2-10 [6]，液壓機頂出缸工作壓力遠遠小于主缸壓力，故選用 O 形密封圈。 6) 頂出缸長度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長度等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體的外形尺寸應考慮兩端端蓋的厚度，長度 L 小于等于缸體內(nèi)徑 D 的 20～30 倍，即：L≤（20～30）D 。由主缸行程為 250mm，活塞寬度為 160mm,缸蓋厚度為 25mm，通過計算取 L=650mm。3.5主機負載受力分析3.5.1導柱設計計算本設計最大的工作負載為 200T（2000kN），主缸回程力為 400kN，頂出缸頂出力為 350kN。因為工作時的載荷遠遠超過其它工況時的負載，故在進行載荷的設計計算時，取負載 200T 對液壓機中導柱進行受力分析計算。在“三梁四柱式結(jié)構 ”中，對導柱做如下受力分析，如下圖 3.10 所示，當力作用在橫梁和導柱上，此時橫梁受壓，由于反作用力，導柱受到相應的拉力。16橫 梁導 柱F-最大受力負載 T-導柱拉力圖 3.10橫梁、導柱受力分析圖材料選擇：由受力分析可知，在負載時，導柱受到較強的拉力，故在選擇材料是應具備較強的抗拉強度，故選擇 45 號鋼。加工工藝：在工作時，導柱不僅僅有拉力的存在，還有與上下滑塊之間的摩擦力，為了減少導柱表明的磨損程度，增加受用壽命，通過金屬表明熱處理能有效的增加導柱的耐磨性和表明硬度，表面淬火和表明熱處理。導柱設計計算：液壓機最大受到 2000kN 的負載，作用在 4 根導柱上，這每根導柱受到500kN 的拉力，由許用拉應力公式(3.14)，計算出導柱的安全直徑 D。AF?][?(3.14）式中： —許用應力； 45 鋼 =80～100MPa；][?][F—導柱軸向拉力；A—導柱橫截面積。即： mPaNFD089.1804.35][6?????取 D=90mm，為防止液壓機工作時導柱受力斷裂，為了液壓機安全性、可靠性，選取導柱直徑時，可以適當加大導柱直徑，取 D=110mm。173.5.2立柱的連接形式比較選擇如圖所示，通常連接形式有如下三種：圖 3.11 立柱與橫梁的連接形式（1）雙螺母式特點：加工較方便。但螺母必須有良好的預緊，否則會造成螺母的松動，從而導致機架的不穩(wěn)定。一般應用在小型液壓機。（2）錐臺式特點：剛性較好，但加工相對復雜，一旦裝配完成不能做相應的調(diào)整。（3）錐套式特點：可以消除立柱與橫梁之間的間隙，有利于安裝與配合。但長期使用會使錐套松動，影響機架剛性。 [12]綜上所述，本次設計選擇錐臺式立柱聯(lián)結(jié)。3.5.3活動橫梁的結(jié)構設計活動橫梁的結(jié)構如下所示圖 3.12活動橫梁結(jié)構圖作用：通過與主缸活塞缸聯(lián)結(jié)傳遞工作壓力，四角開有導向孔，可以沿導18向柱方向運動。橫梁下面開有凹槽，可以安裝上模具，所以需要有較強的剛度和導向性能。初步設計橫梁的長為 1310mm，寬 1050mm，高 350mm。3.5.4工作臺的設計材料選用鑄鋼 45。設計工藝要求：為了在加工時，能很好的將所需加工的模具固定在工作臺上，可以選擇將工作臺表面設計成 T 形槽的樣式圖 3.13 工作臺 T形槽19第 4章 四柱式液壓機強度計算與校核4.1缸體強度的計算與校核4.1.1主缸中段強度選用 45 鋼作缸體材料，對缸筒做初步受力分析，最大應力應該出現(xiàn)在缸內(nèi)壁，應用第四強度理論進行計算。圖 4.1 缸體（4.1） MPapD120~][321max??????式中 D1=0.36m， D0=0.46 m；P=20MPa帶入數(shù)據(jù)得：=121.6Mpa2036.4.02max????????經(jīng)上述計算，故強度小于缸筒材料的許用應力，設計合理，滿足要求。4.1.2支承臺肩計算支承臺肩接觸面擠壓壓力計算公式如下：（4.2）????????])2()[(785.032SDP式中 [σ]——材料許用應力20S——支承臺肩倒角或圓角半徑D2 ——主缸體上螺紋外徑 a45.2036.0785.2MPP???主[σ]=100MPa 圖 4.2 油缸支承臺肩尺寸式中：P=2000kN ， =460mm S=2mm3D由上式可得（4.3）????SP?????2785.022?主代入數(shù)據(jù) ??m498.02.0.246.10785.222 ??????D取 D3=50 cm4.1.3缸底強度校核按圓形平板彎曲計算，公式如下：=100MPa （4.4）???????21875.0BpD式中：D=360mm B=110mm P=20MPa21圖 4.3 缸底簡圖（4.5）Di??＝?式中 D1=8.8cm756.03.860??將數(shù)據(jù)代入公式，得： =98.6MPa ，強度滿足要21175.?????求。4.1.4缸口導套擠壓計算（1）作用在缸口導套上的力，缸口導套材料 HT200：（4.6）pdDP)(785.0211??式中： =360mm d=250mm1D代入數(shù)據(jù)，得： =1 KN521036. ??（2）螺栓計算選擇 12 個 M24 的螺栓，螺栓材料選為 45 鋼，M24 螺紋內(nèi)徑為 20.45mm，則拉伸應力公式：（4.7）?????1nFP式中：n—螺栓數(shù)量，n=12 —螺栓橫截面積（ ），1F2cm2213.45.078.cm???—許用拉伸應力，?????0??22將數(shù)據(jù)代入得： =26.5MPa ，故安全。3.1205??????（3）缸口導套擠壓計算缸口導套材料選用 HT20-40，導套擠壓應力的計算公式如下：=100MPa （4.8）???????)(785.021DP式中： =360mm =280mm1D2代入數(shù)據(jù)，得： =92MPa ，安全。??5.活塞與活動橫梁聯(lián)接螺母強度校核螺紋剪切應力計算公式如下：=60MPa （4.9）???????bKdP內(nèi) 回=120MPa （4.10）彎內(nèi) 回彎 ??23tkh式中：螺紋選取 M15 40， 螺紋內(nèi)徑 =14.48 ，螺紋高度?內(nèi)dh= =2.6cm 2內(nèi)外 d?b——螺紋長度（cm） b=8.5cmt——螺距（cm） t=0.4cmK——螺紋完滿系數(shù)，三角形螺紋取 K=0.81代入數(shù)據(jù)，得： =19MPa ， =46MPa ，故安全。????彎???彎4.1.5活塞頭部鎖緊螺母母螺紋所受的力（4.11）??kgfPdDP???210785.鎖其中 D0=14cm d1=4.5cm 代入式（4.11）中?f93.4.4785.2???鎖螺紋剪切應力??2/60cmkgfKbdP?????內(nèi)（4.12）螺紋彎曲應力????22' /103ckgftbdhP????彎內(nèi)彎 ???23（4.13）式中 螺紋選為 M30╳4d 內(nèi)——螺紋內(nèi)徑（cm） d 內(nèi)=2.57cmt——螺距（cm） t=0.4cmb——螺紋長度（cm） b=2.5cmh——螺紋高度（cm） h=0.43cmK——螺紋完滿系數(shù)（cm） 對于三角形螺紋 K=0.81P 回——回程壓力 （kN ） P 回=400kN帶入式中： ????? ????2/75.2981.053.24cmkgf??彎彎 ?? 22/46. f故強度滿足要求。4.2橫梁的設計與校核4.2.1橫梁的設計橫梁需要較強的彎曲力和彎曲疲勞強度，故選用 45 鋼，毛坯采用鍛鋼并且表明需調(diào)質(zhì)處理。理論設計： 設計橫梁的長、寬、高尺寸分別為 1310mm、1050mm、580mm，矩形截面。即：在負載作用下的受力分析圖如下所示：圖 4.5 (a) 剪力圖 (b) 彎矩圖圖 4.4橫梁滑塊受力圖24圖 4.5 受力分析圖由上彎矩圖 4.5(b)看出，滑塊所受彎矩最大的點位于橫梁中間 C 點 1—1 截面處，該截面為危險截面。為防止發(fā)生橫梁斷裂或者達不到應有的疲勞強度，故對橫梁截面進行強度校核。正應力公式為：WMmaxax??（4.14）式中：—最大彎曲應力；max?—最大彎矩；M—抗彎截面系數(shù)( )。W3m矩形截面抗彎系數(shù) W 計算公式為：62bh?（4.15）式中：—矩形截面的寬；b—矩形截面的高。h即： 3205.68.051mW???截 面 -25MPamkN3.905.47ax???許用應力[ ]=100MPa，然而橫梁的最大彎曲應力 max為 9.3MPa，結(jié)果小?于材料的許用應力，設計合理。剪切應力][23max?????hbFs（4.16） MPa46.258.013?查表得 45 鋼的剪切應力 ，滿足要求。Pa6][??4.2.2上橫梁的剛度計算撓度計算公式如下：（4.17）?????????????????2296)( ??DBEJDBf彎（4.18）14)(2.FPf剪式中：P-公稱噸位(kgf) P=200000 kgfB-立柱中心距(cm) B=106.5cmD-油缸與上橫梁聯(lián)接處臺肩尺寸(cm) D=58 cmJ-上橫梁主截面慣性矩( ) J=818818.477 4cm4cmS-受剪立板面積( ) S=25 48=1200 ( )2 ?2E-材料彈性模量 ( ) 鑄鐵 E=1.05 106 /kgf /kgfG-剪切彈性模量( ) 鑄鐵 G=6 105 2c 2c代入數(shù)據(jù)，得：=0.0126cm?????? ????????????? 225 58105810.96).(2 ??彎f=0.0136cm24).6(2.1剪f上橫梁最大變形量為：0.6cm=.13+0.1??剪彎 ff264.3工作臺計算模具墊板設計：工作臺中心有直徑為 14cm 一中心孔。材料為 HT20-40， 。計??aMP10??算模具墊板最小尺寸：（4.19）????PA???214式中：A—墊板面積代入數(shù)據(jù)，得：29.35cm?按圓直徑,則墊板直徑 d=21.22cm，取墊板寬帶 b=25cm。主截面上彎矩計算如下：（4.20）)21(41BbPM??代入數(shù)據(jù)，得 =43.6kN m1?最大剪力為： =1000kNQ2?4.3.1工作臺的應力計算由前面計算結(jié)果可得主截面尺寸如下：圖 4.6 受力分析圖剪 力 圖 （彎 矩 圖 （ M12