液壓機橫梁的強度與剛度的計算

..橫梁的強度與剛度的計算由于橫梁是三個方向上尺寸相差不太多的箱體零件,用材料力學(xué)的強度分析方法不能全面地反應(yīng)它的應(yīng)力狀況。目前,在進行初步設(shè)計計算時,還只能將橫梁簡化為簡支梁進行粗略核算,而將許用應(yīng)力取得很低。按簡支梁計算出的橫梁中間截面的應(yīng)力值和該處實測應(yīng)力值還比較接近,因此作為粗略核算,這種方法還是可行的。但無法精確計算應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力,那里的最大應(yīng)力要大很多。有限單元法的以展提供了比較精確地計算橫梁各部分應(yīng)力的可能性,因此,目前在設(shè)計橫梁時,普遍使用有限單元法計算。但作為分析強度的基礎(chǔ),下面將介紹支梁算法。當(dāng)上下橫梁剛度不夠時,會給立柱帶來附加彎矩。上橫梁剛度如太小,或兩個方向上剛度不一樣,在液壓缸加載時,上橫梁和工作缸法蘭的接觸面會形成局部接觸,使工作缸過早損壞。一般對橫梁的剛度要求為立柱間每米跨度上撓度不超過0.15mm。由于橫梁均屬于跨度比較小而高度相對比較大的梁,因此在計算撓度時,除了考慮彎矩引起的撓度外,還必須計算由于剪力引起的撓度。上橫梁的強度與剛度的計算：由于上橫梁的剛度遠(yuǎn)大于立太平的剛度,因此可以將上橫梁簡化為簡支梁,支點間距離為寬邊立柱中心距?！?單缸液壓機工作的公稱力簡化為作用于法蘭半圓環(huán)重心上的兩個集中力,如下圖：最大彎矩在梁的中點：Mmax=P/2〔1/2－D/∏式中：P—液壓機公稱壓力〔N；D—缸法蘭的環(huán)形接觸面平均直徑〔cm；L—立柱寬邊中心距〔cm。最大剪力為：Q=P/2最大撓度在梁的中點：?0=P/48EJ×<L/2－D/∏>×[3L2－4〔L/2－D/∏2]＋KPL/4GA[1－2〔D/∏L]＝PL3/48EJ×[1－6〔D/∏L2＋4〔D/∏L3]＋KPL/4GA[1－2〔D/∏L]式中：E—梁的彈性模量〔N/㎝2；J—梁的截面慣性矩〔cm2；G—梁的剪切彈性模量〔N/㎝2；A—梁的截面積〔cm2；K—截面形狀系數(shù),見式〔2—80?！?三缸液壓機受力簡圖如下：最大彎矩在梁的中段：Mmax=P/2〔L/2－D/∏＋Qɑ各段剪力為：ɑ3段Q1=P/2+Qɑ2—ɑ3段Q2=1/2<P+Q>ɑ1—ɑ2段Q3=P/2式中：Q—側(cè)缸公稱力；P—中間缸公稱力；ɑ—側(cè)工作缸中心線到支點的距離。最大撓度在中點為：?0=PL3/48EJ×[1－6〔D/∏L2＋4〔D/∏L3]＋QɑL2/8EJ[1－4/3〔ɑ/L2－4<d/∏L2]＋K/GA｛Qɑ－PL/4[1－2〔D/∏L]｝式中：d—側(cè)工作缸的法蘭環(huán)形接觸面平均直徑。二、活動橫梁的強度及剛度計算：對單缸液壓機,一般只校核活動橫梁承壓面上的擠壓應(yīng)力,對鑄鐵許用擠壓應(yīng)力≤80MPa,對鑄鋼件〔ZG35許用擠壓應(yīng)力≤120MPa.對于三缸液壓機,在兩側(cè)缸加壓時,活動橫梁承受彎矩,對于大型液壓機,尚需考慮活動橫梁的自重G,其受力簡圖如下：P為側(cè)缸公稱力,簡化為一個集中力,重力G/2的作用點近似地取為半邊活動橫梁的重心處,許用應(yīng)力可取60-75MPa。一般而言,活動橫梁很少因為強度不夠而損壞,但生產(chǎn)中曾出現(xiàn)過由于違章操作,而在下砧已撤出的情況下,將活動橫梁停在限程套上而加壓并引起破壞的事故。此外,在出砂孔及與柱塞聯(lián)接的螺孔處,有出現(xiàn)裂紋的情況,這往往是由于聯(lián)接螺釘松動而造成的。三、下橫梁的強度及剛度計算：下橫梁的受力情況經(jīng)常隨不同的工藝而變化,一般分以下4種情況來核算?！?集中載荷如對鍛造液壓機砧座的窄邊,可看作集中載荷,受力簡圖如下：圖中簡支梁的跨度為立柱窄邊或?qū)掃呏行木嘤烧枳姆胖梦恢枚?。最大彎矩：Mmax=PL/4最大撓度：?max=PL3/48EJ－KPL/4GF各符號代表意義同前?！?均布載荷一般是對砧座寬邊或模鍛,鐓粗等情況,受力簡圖如下：最大彎矩為：Mmax=PL/4－qL12/8式中：q——均布力,q=P/L1〔N/cm；L1——均布力分布寬度〔cm。若設(shè)L1=2/3L,則最大撓度為：?max=11/648×PL3/EJ+KPL/6GF〔3用馬架鍛造鍛造液壓機中鍛環(huán)形件時要用馬架,如下圖所示,是下橫梁受力比較危險的情況。最大彎矩為：Mmax=Pɑ/2最大剪力為：Qmax=P/2〔4偏心載荷受力情況如下圖：最大彎矩為：Mmax=P/L[<L/2>2-e2]式中：e——偏心距。四、強度校核中的其它問題：〔1主應(yīng)力校核除了校核橫梁危險截面上距中性軸最遠(yuǎn)的上〔或下邊緣處的最大應(yīng)力外,在某些情況下,還應(yīng)該校核一些部位的主應(yīng)力,為此,在分別按梁的彎曲應(yīng)力公式和切應(yīng)力公式求出正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ后,根據(jù)第四強度理論,其強度條件為：對于鑄鋼[σ]=45-60MPa<2>斜截面應(yīng)力校核有些液壓機的橫梁,特別是下橫梁,高度變化較大,如下圖：校核斜截面上的應(yīng)力：σ=Px/2Wɑ-ɑ+Pcosɑ/2Aɑ-ɑ式中：Wɑ-ɑ-ɑ-ɑ截面系數(shù)；Aɑ-ɑ-ɑ-ɑ截面系數(shù)?！?組合梁聯(lián)接螺栓的計算組合梁由拉緊螺栓來聯(lián)接,并用鍵承受剪力以防止錯移。螺栓的排數(shù)及個數(shù)由結(jié)構(gòu)確定。一般上排螺栓受力較大,因此總的截面也比較大,如各排螺栓中心線到底邊的距離分別為a1、a2、a3、...an,則各排螺栓的總截面積應(yīng)按ai/a1的比例而減小,第2排為：A2=A1×a2/a1第n排為：An=A1×an/a1式中：A1、A2、A3、…An–第1、2、…n排螺栓的總截面積〔cm2。這樣各排螺栓的應(yīng)力大致相等,其值為：式中：M——組合梁接合面最大彎矩M=PL/2[σ]---螺栓許用應(yīng)力,[σ]=70-80MPa。液壓機主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析計算1.液壓缸在液壓機中液壓缸的部件通?？煞譃橹健⒒钊?、差動柱塞式三種。〔1柱塞式液壓缸此結(jié)構(gòu)在水壓機中應(yīng)用最多,廣泛用于工作缸、回程缸、工作臺移動缸及平衡缸等。結(jié)構(gòu)簡單,柱塞在導(dǎo)向套中運動,與缸體內(nèi)壁不接觸,有一定的間隙,因此除安裝導(dǎo)向套和密封的部分外,液壓缸壁可以粗加工或不加工。加工制造相對容易,但只能單作用,反向運動則需依靠回程缸來實現(xiàn)?！?活塞式液壓缸多用于中小型油壓機中,由活塞及活塞桿組成運動件,在缸體中作直線往復(fù)運動,并把缸體分為活塞腔與活塞桿腔兩個腔,在活塞外部有動密封圈,內(nèi)有靜密封圈,以隔開兩個不同油壓的活塞腔與活塞桿腔。缸體的內(nèi)表面全長上均需精加工,活塞與缸體內(nèi)孔之間的配合精度要求較高,尤其對缸體內(nèi)孔的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度均有較高要求。因此直徑大、行程長的液壓機,為避免缸體的加工困難,多采用柱塞式液壓缸?！?差動柱塞式液壓缸差動柱塞在導(dǎo)向套及下導(dǎo)向套內(nèi)運動,這種結(jié)構(gòu)多了一處密封及導(dǎo)向,但當(dāng)用作回程缸安裝于上橫梁時,連接比較簡單。由于柱塞有上下兩處導(dǎo)向,可以承受較大的偏心力矩?！?液壓缸的材料及工作液體壓力選擇為了使液壓機結(jié)構(gòu)緊湊,應(yīng)使液壓缸外徑盡可能小。一般來說,當(dāng)工作缸的總作用力不變時,提高工作液體的壓力,液壓缸的外徑將減小,介是如果缸的材料不變,則當(dāng)液體壓力增加到某一數(shù)值后,缸的外徑反而會隨液體工作壓力的增加而增大,液壓缸柱塞直徑D與該缸總作用力FH之關(guān)系為：式中：D---工作柱塞直徑〔cm；r---工作柱塞半徑〔cm；P---液體工作壓力〔Pa；FH---缸的總作用力〔N。缸的內(nèi)直徑D1為：D1=D+Δ=2r1式中：D1---缸的內(nèi)直徑〔cm；Δ---缸與柱塞在直徑上的間隙〔cm；r1---缸的內(nèi)半徑〔cm。對于法蘭支承的缸,缸外直徑D2為：式中：材料許用應(yīng)力[σ]與P的關(guān)系如下：PZ=0.287[σ]PZ為最佳液體工作壓力。對應(yīng)于某一確定的缸的材料。液體的工作壓力不宜超過最佳壓力,一般以采用〔0.7-0.8PZ為宜。常用的液體工作壓力為20MPa,25MPa,31.5MPa,常用的材料為35鋼、40鋼、20MnMo等,對于這些材料,[σ]可取為110-150MPa；適用于31.5MPa的液體工作壓力。在設(shè)計大噸位小臺面液壓機時,如一些專用黑色金屬模鍛液壓機,液體工作壓力更高,[σ]與PZ的關(guān)系選擇相適應(yīng)的壓力材料,如18MnMoNb鍛鋼。截面尺寸在300-500mm范圍,進行調(diào)質(zhì)處理,[σ]可用到180MPa,相應(yīng)的液體工作壓力可取為50MPa。當(dāng)液體工作壓力高到100MPa及以上時,應(yīng)考慮用多層組合缸或鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞的組合式缸。2.柱塞與活塞〔1柱塞柱塞一般選用45或50碳鋼制成,采用鍛造或鑄造方法,對于大尺寸柱塞,也有分段鍛造或鑄造后再用電渣焊焊接而成。小的柱塞也有采用冷硬鑄鐵的。柱塞有實心的也有空心的,但空心柱塞不宜做成開口向上〔向缸底,那樣會形成過大的有害容積,在加壓結(jié)束時,缸內(nèi)液體所積儲的彈性能過大,卸壓時會引起壓機及管道劇烈振動。柱塞表面必順具有足夠的硬度〔不能低于45HRC及低的表面粗糙度〔不能大于Ra0.8,以免過早磨損或表面被拉出溝及拉毛后損壞密封元件。表面采用鍍鉻拋光處理,0.1mm深左右硬度可達50-55HRC?！?活塞活塞有整體式和組合式兩種結(jié)構(gòu)。整體式常用于直徑較大的活塞,在活塞端部用活塞環(huán)密封,對于尺寸大的活塞,為了減輕重量,常采用空心結(jié)構(gòu)。組合式活塞是將活塞頭和活塞桿分成兩件制造,這樣便于制造和安裝及修理,結(jié)構(gòu)比較合理。材料有用35鋼或45鋼,也有用耐磨鑄鐵,灰口鑄鐵,球墨鑄鐵以及鋁合金等。加工時,活塞的外徑基本偏差一般采用f級或g級,如用無密封件的間隙密封時,活塞常取f6,用活塞密封環(huán)時,常取f6或f7；采用橡膠塑料密封件則取f7,f8及f9。與活塞桿配合的內(nèi)孔公差等級一般取H7。活塞外圓表面Ra0.32,內(nèi)孔表面Ra0.8?！?活塞桿活塞桿可做成實心與空心的,實心活塞桿強度較好,制造簡單；空心的有時采用無縫鋼管,重量輕,節(jié)料?；钊麠U一般用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成,在腐蝕條件下工作,多采用不銹鋼。淬火后硬度要求為50-60HRC表面鍍鉻。材料有35、45、55、35CrMo、Cr8Ni9、2A50、2A40等,加工時活塞桿外徑尺寸公差取f8,表面粗糙度為Ra0.16-0.63。3.缸口導(dǎo)向套液壓缸導(dǎo)向套在柱塞往復(fù)運動時起導(dǎo)向作用,一般用抗壓耐磨的ZCuSn6Pb3Zn6錫青銅鑄造后加工而成,長度一般取〔0.4-0.8D,D為柱塞直徑,臥式的柱塞缸,長度應(yīng)增加〔0.8-1.5D?；钊降母组L度可取得短一些。導(dǎo)向套與液壓缸內(nèi)壁的配合,對于柱塞直徑小于500mm時,取為H7/k6,大于500mm時取H7/g6,與柱塞的配合則為H9/f9,內(nèi)壁Ra小于1.6。4.立柱與立柱導(dǎo)套〔1立柱式機架是常見的機架形式,一般由4根立柱通過螺母將上下橫梁緊固地連接在一起,組成了一個剛性的空間框架。整個機架的剛度與精度,在很大程度上取決于立柱與上下橫梁的連接形式與連接的緊固程度。常見的有以下四種連接形式：第一種是立柱用臺肩分別支承上下橫梁,然后用外鎖緊螺母上下鎖緊。這種結(jié)構(gòu),上橫梁下表面與下橫梁上表面間的距離與平行度,全靠4根立柱臺肩間尺寸的一致性來保證,因此裝配簡單,裝配后機架精度無法調(diào)整,僅在無精度要求的小型簡易液壓機中采用。第二種為內(nèi)外螺母式,上橫梁下表面與下橫梁上表面之間的平行度和間距的保證,全靠安裝時內(nèi)螺母的調(diào)整,因此,對立柱的有關(guān)軸向尺寸要求不高,但對立柱螺紋精度〔與立柱軸線的平行度及內(nèi)螺母精度〔內(nèi)螺母的螺紋對于上下橫梁貼合面的垂直度要求較高,安裝時調(diào)整比較麻煩。第三種是在與上橫梁連接處用臺肩代替內(nèi)螺母,精度調(diào)整和加工均不很復(fù)雜,但立柱預(yù)緊不如第二種。第四種與第三種形式基本相同,只是在下橫梁處用臺肩代替內(nèi)螺母,但精度調(diào)整比第三種簡便可靠?！?小型鍛造液壓機的立柱多數(shù)斷在從螺紋到光滑區(qū)的過渡部位,特別是在下橫梁的上螺母〔內(nèi)螺母處,因為這里應(yīng)力集中,彎矩又大,為此,為減小應(yīng)力集中的改進措施如下圖：液壓機立柱與上下橫梁組成一個封閉的受力框架,偏心加載時,立柱不但承受軸向拉力,還承受橫向側(cè)推力和彎矩,但在有些液壓機中,立柱不僅僅承受上述靜力載荷。如在上小型鍛造液壓機中,經(jīng)常承受多次快速反復(fù)加載及卸載,特別是卸載時能量的突然釋放,那會引起機架的劇烈振動與晃動,在立柱強度計算時,應(yīng)當(dāng)考慮這些因素,因此比較復(fù)雜?！?立柱的強度計算：中心載荷下立柱強度計算適用于主要承受中心載荷的中小型液壓機。且假設(shè)橫梁為絕對剛性,全部立柱平均承受拉伸載荷。σ=10ˉ2P/<0.785Do2×n>≤[σ]式中：P---液壓機公稱力〔N；Do---立柱最小直徑〔cm；n---立柱數(shù)量；[σ]---立柱材料許用拉伸應(yīng)力,對45鋼[σ]可取50-80MPa。偏心載荷下立柱強度計算σ=〔Nmax/A+Mmax/W×10ˉ2≤[σ]式中：Nmax---立柱危險截面所受最大軸向拉力〔N；Mmax---立柱危險截面所受最大彎矩〔N??cm；A---一根立柱的截面積〔cm2；W---立柱截面系數(shù)〔cm3。5.立柱螺母立柱螺母一般為圓柱形,小液壓機的螺母是整體的,立柱直徑在ф150mm以上時,做成組合式,由兩個半螺母用螺栓緊固而成。材料用35-45鍛鋼或鑄鋼。螺母外徑約為螺紋直徑1.5倍,內(nèi)螺母