2MN镦锻液压机本体设计

本科毕业设计（论文）

2MN锻锻液压机本体设计

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大学毕业设计（论文）任务书

学院：系级教学单位:

一

学

学生专业

名

号

姓

班级

题目名称2MN锻锻液压机本体设计

1.理工类：工程设计（V）；工程技术实验研究型（）；

题题目性质理论研究型（）;计算机软件型（）;综合型（）

目2.管理类（）：3.外语类（）；4.艺术类（）

题目类型1.毕业设计（J）2.论文（）

题目来源科研课题（）生产实际（）自选题目（V）

完成锻锻液压机本体设计。熟悉和掌握液压机设计的方法和一般规律，学会使

主用相关的设计资料，初步形成独立设计的能力。

要

内

容

基1.绘制A0规格设计图纸3张；

本2.编写2万字设计说明书；

要

3.翻译5000字的相关英文资料

求

参

《液压机》

考

资《中小型液压机设计》

料《机械设计手册》

周次第1〜4周第5〜8周第9〜12周第13〜16周第17-18周

应文献综述方案设计零部件图设上机绘图整理说明书

完开题报告总装图设计计审图、答辩

成

外文翻译

的

内

容

指导教师：职称：教授2012系级教学单位审批：

年3月14日年月日

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摘要

本次设计内容是针对锁锻工艺所需要的设备一一锻锻机进行本体分析

和设计的工作。通过分析锻锻工艺和锻锻机，并且联系液压传动的优势，根

据参考资料，设计2MN锻锻液压机的本体部分。

设计主要内容包括总体方案的分析和设计，各部件的设计选取，总机体

的装配等，并且进行了强度校核。

同时，对于本次设计工作进行了总结。

关键词锁锻；液压机；本体结构

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Abstract

Thedesignisaimedatupsettingthenecessarytechnologyequipment-

Upsettingmachineontologyanalysisanddesignwork.ByanalyzingUpsetting

Upsettingtechnologyandmachines,andtheadvantagesofhydraulic

transmissionlink,accordingtoreferencematerials,design2MNhydraulic

upsettingpartofthebody.

Thedesignoftheoverallprogramincludestheanalysisanddesign,the

designofthecomponentsselected,theassembly,suchasthetotalbody,anda

strengthcheck.

Atthesametime,designworkforthismeetingaresummarized.

KeywordsUpsetting；hydraulicmachines,；bodystructure

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目录

摘要...........................................................I

Abstract................................................................................................................II

第1章绪论....................................................1

1.1课题背景...............................................1

1.2锻锻机的种类..........................................1

1.3锻锻液压机的用途及其优势..............................2

1.4设计2MN锻锻液压机的主要工作内容......................3

第2章液压缸的设计与校核......................................4

2.12MN液压锻锻机本体设计技术参数.........................4

2.2液压缸设计概述.........................................4

2.3液压缸的结构简图.......................................5

2.4液压缸的损坏情况及分析.................................5

2.4.1损坏部位及特点.....................................5

2.4.2损坏的原因.......................................6

2.5徽锻缸的设计...........................................6

2.5.1内径的确定.........................................6

2.5.2活塞杆的直径.......................................7

2.5.3缸壁的厚度..........................................8

2.5.4支撑形式选择.......................................9

2.5.5缸体法兰的尺寸.....................................9

2.5.6缸底部件的设计及计算...............................11

2.6锻锻缸强度的校核.......................................11

2.6.1总体受力分析.......................................11

2.6.2中端圆筒部分.......................................11

2.6.3法兰部分...........................................12

2.6.4缸底部分...........................................13

2.7缸的附件及密封形式.....................................15

2.8夹紧缸的设计...........................................16

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2.8.1内径的确定.........................................17

2.8.2活塞杆的直径.......................................17

2.8.3缸壁的厚度.........................................18

2.8.4缸体法兰的尺寸.....................................19

2.8.5缸底部件的设计及计算...............................20

2.9夹紧缸强度的校核.......................................20

2.9.1总体受力分析......................................20

2.9.2中端圆筒部分......................................21

2.9.3法兰部分..........................................21

2.9.4缸底部分..........................................23

2.10缸的附件及密封形式...................................24

第3章锁锻液压机轮廓尺寸设计.................................27

3.1立柱直径的估算........................................27

3.2液压机轮廓尺寸设计考虑的因素..........................28

3.3横梁的结构设计........................................28

3.3.1上梁结构设计.....................................29

3.3.2上横梁的强度计算..................................31

3.3.3活动横梁结构设计.................................35

3.3.4下横梁核校........................................36

第4章立柱的设计.............................................41

4.1危险截面直径的确定....................................41.

4.2螺纹的确定............................................41

4.3立柱螺纹预紧的计算....................................42

4.4预紧转角.............................................42

4.5立柱和螺纹的强度校核..................................43

4.6立柱的变形计算........................................43

结论..........................................................44

致谢..........................................................45

参考文献......................................................46

附录I开题报告................................................47

附录II文献综述................................................59

附录HI文献译文及原文..........................................66

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第1章绪论

1.1课题背景

金属锻锻成型工艺是成产紧固件的主要工艺，可以达到材料浪费最少的

目的，包括冷锁、温徽、热锁等，金属的徽锻成型技术对于制造业尤其是汽

车行业至关重要，汽车的许多零部件都是依靠锻锻技术生产和加工的。徽锻

机作为完成锻锻工艺的主要设备，很大程度上代表着锻锻技术的水平，对于

成形件的效率和质量起着决定性作用。徽锻机已经被列为我国锻压行业发展

的一种重点需求设备。

锻锻机是属于锻压机械中的线材成形自动机大类中高效率、自动化的

锻压机械，它主要以盘料或棒料为原料，连续生产螺栓、螺母、销钉、钢球

及滚柱等标准件，以及形状复杂的成形件和伞齿轮轴、球头销、火花塞等汽

车零件，是实现少、无切削加工工艺的机器。锻锻机具有生产率高，节材效

果好，产品质量和精度高等优点，有很明显的经济效益，得到很广泛的应用

因而成为世界各国都在大力发展的一种锻压设备。在欧美以及日本，高速锁

锻机、电热锻机等设备都达到了很高的水平，结构先进，自动化程度高，生

产效率和加工质量可靠。我国的锻锻机水平也取得了很大程度的发展。齐齐

哈尔第二机床厂等企业生产制造的锻锻机的质量和水平已经很先进，并走出

国门，出展美国。但总体来说，我国的锻锻机水平与发达国家相比还是有一

定的差距，有待于进一步的发展。

1.2锻锻机的种类

(1)自动冷锻机自动冷锻机在大批量生产的标准件(如螺栓)、轴

承行业中得到了很广泛的应用。自动冷锁机按机械传动系统不同可以分为曲

柄式自动冷锻机和曲柄扛杆式自动冷徽机，其中前者是最广泛的应用形式。

现在自动冷锻机的工位主要是垂直排类，而这些工位是直线型式排类，由夹

钳帮运半成品件。冷锻机主要包括单击整模冷锻机、双击整模冷徽机、高速

双击整模冷锻机以及三击工位冷锁机和滚柱、钢球自动冷锻机、螺栓联合自

动锻锻机等。

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(2)热锻机热锻机的用途很广泛，如用来加工制造螺栓和轴承毛坯

的锻造，例如哈尔滨轴承集团从日本引进的HBP—120和HBP—160高速热锻

机，以其高精度、高效率、高自动化程度而成为公司的重点设备，主要用于

塔锻、挤压轴承内外圈锻件。

我国的热锁机自动化程度较低，主要用于多品种、小批量生产。在国外,

多工位热锁机发展很快，主要针对轴承钢难于冷成型而设计的，用于生产轴

承内外环，也生产一些大规模、高强度、大变形的紧固件。其中瑞士哈特伯

尔生产的AMP系列热锻机具有代表性，使用广泛。AMP系列热锻机的主要结

构部分有送料机构、切断机构、顶住机构、冲头、凹模、夹钳机械手等。其

中夹钳机械手采用3点或4点夹紧，夹钳机械手的开、闭及往返是通过双凸

轮机构控制。整套控制机构包括传动轴、凸轮、凸轮随动件以及弹簧都放置

在一个封闭箱内。该箱位于床身一侧，与热量、冷却水及氧化皮完全隔开，

只有两根镀铭的梁式传动轴及夹紧机械手在模具区工作。AMP系列热敷机以

其合理的设计、平稳的运行、稳定的质量，得到了广泛的应用。

(3)电热锁机电热锻机主要用来进行①料、管料的端部徽粗，比如

气阀、螺钉等工件的加工；②中部缴粗，比如用于汽车、拖拉机的变速杆、

自行车脚踏板等零件的中部徽粗；③阴模徽粗。如汽车半轴小端的台肩等零

件的锻粗。利用电锁工艺加工具有周期短、效率高、节省材料等优点。

近些年来，电徽机有新的发展，一使开发出数控电微机并已成功应用；二使正在研制

伺服电机驱动的新型电瞰机。这些新发展都会使电锁机的性能得到提高，得到更广泛

的应用。

1.3徽锻液压机的用途及其优势

液压机是一种通用的锻压设备，属重型机械，是利用液压传动技进

行压力加工的设备是制品成形生产中应用最广的设备之一。与机械压力机

相比，它具有压力和速度可在大范围内无级调整，可在任意位置输出全

部功率和保持所需压力，结构布置灵活，各执行机构可很方便地达到所

希望的动作配合等优点。因此，液压机在我国国民经济的各行各业，尤其是

塑性加工领域得到了日益广泛的应用。如：板材成形；管、线、型材挤压；

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轮轴压制，校直等等。各种类型液压机的迅速发展，有力地促进了各种

工艺的发展和进步。因此将液压原理引入锻锻机，设计出液压锻锻机，

便是十分有优势和效益的。

随着我国经济建设的迅速发展，对重型汽车的需求量将越来越大，因

而对长杆类、长轴(管)类锻件的需求也在日益增长。人们对锻件的尺寸精度

和生产效率提出了越来越高的要求，因而对液压机的锻造速度和压下精

度的要求也随之提高。目前，长杆类和长轴(管)类锻件大多采用平锻机锻

造，但由于平锻机结构复杂、价格昂贵，其应用在很大程度上受到工厂

规模和锻件经济批量的限制。对于一些产量已构成统一批量，但品种较

多、单一品种批量较小以及诸品种工艺参数相差较大的长杆类、长轴(管)

类锻件，不适于采用平锻机生产。2MN卧式液压锻锻机即是针对该类零件

而研制的一种专用模锻设备。

徽锻液压机具有可实现无极调速，制造成本低，工艺效果良好等优点，

可以产生优异的经济效益。

1.4设计2MN锻锻液压机的主要工作内容

徽锻液压机由于其特殊的原理和用途要求，其结构不同于一般锻锻液压

机，为了满足液压机的安装，锁锻工艺的完整实现以及考虑实际受力等，本

次设计的主要内容如下：

(1)确定2MN锻锻液压机的本体机构设计的初步方案。

(2)通过计算，确定本体个部件的主要尺寸，选用材料，并进行力学校

核。

(3)对锻锻机本体结构进行简要的分析和总结。

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第2章液压缸的设计与校核

2.12MN液压锁锻机本体设计技术参数

徽锻力P1:2MN

夹紧力P2：2MN

介质压力p：31.5MPa

锻锻工作行程Si：350mm

夹紧工作行程S2：200mm

工作速度V：60mm/s

回程力P:0.2MN

回程速度V：100mm/s

坯料直径D：60mm

2.2液压缸设计概述

液压缸是液压机中将高压液体的压力势能转换为有用机械功的主要执

行元件，主要完成直线往复运动，所受负荷重，工作频繁，往往由于设计、

制造或使用不当，过早损坏。特别是液压机的工作缸性能直接关系到整台机

器的使用，若因为设计不当而在使用过程中出问题，不仅维修费用巨大，还

要严重影响生产，是非常不利于生产建设的。所以对液压缸设计分析要十分

审慎，应了解其容易损坏的情况及原因，注意正确进行设计、制造和使用。

液压缸的结构型式一般根据液压机总体结构、缸的总压力大小及工作条

件的要求来进行选定，通常分为柱塞式液压缸、活塞式液压缸和差动式液压

缸三种。

（1）柱塞式液压缸此机构在水压机中应用最多，广泛用于主工作缸,

回程缸，工作台移动缸及平衡缸等处。它结构简单，制造容易，但只能单方

向作用，反向运动则需用回程缸来实现。

（2）活塞式液压缸活塞在运动的两个方向上都要密封，因此缸的内表

面在全长上均需加工，精度及光洁要求较高，结构比较复杂，因此活塞缸是

双作用缸，在中小型油压机上应用很普遍。

3）差动式液压缸差动柱塞在上导套及下导套内运动，这种结构多了一

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处密封及导向，但当用作回程缸安装于上横梁时，连接比较简单。由于柱塞

有上、下两处导向，可以承受较大的偏心距。

由于2MN锻锻机的吨位较小，并且活塞缸的结构简单，所以选用活塞缸。

2.3液压缸的结构简图

图2T锻锻液压缸

2.4液压缸的损坏情况及分析

2.4.1损坏部位及特点

液压缸损坏的部分大多数在法兰与缸壁的连接的圆弧部分，其次在缸壁

向缸底过渡的圆弧部分，少数在圆筒筒壁产生裂纹，也有因气蚀严重而破坏

的。从液压缸的使用情况来看，一般在损坏时都已承受了很高的工作加载次

数，裂纹是逐步形成和扩展的，属于疲劳破坏。

1.圆筒筒壁一般裂纹首先出现在内壁，逐渐向外发展，裂纹多方位

纵向分布，或与缸壁母线成45°。

2.缸的法兰部分首先在缸外部法兰过渡的圆弧处出现裂纹，逐渐沿着

环向及向内壁扩展，最后裂透，或者裂纹扩展到螺钉孔，使法兰局部脱落，

个别严重情况，甚至沿过渡圆角处法兰整园开裂而脱落。

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3.缸底首先在内部过渡圆角处开始出现环形裂纹，逐渐向外壁扩展而

裂透。

4.气蚀液压缸也有因气蚀产生蜂窝状麻点而损坏，尤其在进水孔内壁,

容易产生气蚀。

2.4.2损坏的原因

影响液压缸寿命的因素是多方面的，必须结合具体情况分析，但归纳

起来主要有以下几个方面：

1.设计方面结构尺寸设计的不合理，如法兰高度太小或法兰外径过

大，使综合应力过高而损坏。从缸壁到法兰的过渡区结构设计不合理，也会

引起很大的应力集中。在结构允许而又能加工的情况下，过渡区应尽可能的

光滑，圆弧半径也应尽可能的增大。从缸底到缸壁的过渡区会产生弯曲应力

并有应力集中，此外圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不应小

于1/8液压缸的缸内直径。

2.加工制造方面由于法兰基缸底圆弧过渡区有应力集中，如加工光洁

度很差，有明显刀痕，会对应力集中很敏感，降低疲劳强度。特别是缸底的

过渡圆弧，加工比较困难，更应注意。圆筒筒壁部分的损坏多半是制造过程

中引起的，如整体锻造或铸造

毛坯本身存在严重缺陷；锻焊结构中锻焊质量不好；焊后热处理不恰当等

等。并一定要对焊缝附近热影响区采取相应的措施，以消除焊接过程中引起

的热应力和不利的结晶组织，在采用补焊时也要进行同样的处理。

3.安装使用方面液压缸法兰与横梁接触面应要求80%以上的面积接

触，即在累计4/5圆周长度上间隙不大于0.05mm。横梁刚度不够或安装水

缸处筋板布置不合理，也会导致法兰接触面上支反力分布不均，引起

过大的工作应力。工作液体往往对缸壁有腐蚀作用，会降低疲劳强度，因此

必须对乳化液的成分及配制予以足够的重视，直接用工业用水而不加处理是

不允许的。

2.5徽锻缸的设计

2.5.1内径的确定

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设徽锻缸的内径为D,内半径为R”由公式可得:

P产P*S=P*IIR：

式中R为儆锻缸的公称压力，P为介质压力

由公式变形得:

式中

P,=2MN=2X106NP=31.5MPa

带入公式得

Ri=0.14220m=142.20mm

圆整后，取

Ri=145mm

即D尸2Rl=290mm

2.5.2活塞杆的直径

由给定的设计参数知回程力

F.=0.2MN=2X105N

依据公式

F尸口(R,2-r,2)P

式中n设为活塞杆半径

公式变形得

NT

代入数据

Fi=2X105NR,=145mmP=31.5MPa

得r,=0.13785m=137.85mm

从适当增大回程力考虑，圆整取

n=135mm

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所以，徽锻缸活塞杆

di=270mm

2.5.3缸壁的厚度

液压缸常用的材料有ZG35,35#,45#,20MnMo本液压缸采用45#钢。

有经验公式得：

355,

——=154N/mn?=154/%

(l-^r)xlO5

R2-R

PR：

R；-R

R\

式中P为介质压力R为所求应力点位置的半径

匕为缸内半径

Rz为缸外半径

强度核算时，应力第四强度理论

2

0=击收-。＜)2+(O,-0T)+(0T-O.

最大合成当量应力发生在缸内壁，

Omax应该小于许用应力[0]

2Pxi<[O]

-R

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现已知缸的内半径R以及[。],由上式导出计算液压缸外半径尺的公式

R_RI⑼

1[0]-gPxl()5

将数值

R产145mm[o]=154MpaP=31.5MPa

代入上式

R2=180.44mm

考虑到整个缸体结构尺寸及其安装，取

R2=205mm

故徽锻缸壁厚

5=R2-Ri=60mm

2.5.4支撑形式选择

a.缸底支承

液压缸直接靠缸底固定在横梁上，这种缸不需要法兰，消除了法兰区的

应力集中，并可减小缸体毛坯尺寸。确点是压力机高度有较大增加，缸底与

横梁的接触情况不易测量。目前这种支承型式在大型模锻液压机上使用较

多。

b.法蓝支承

液压缸以法兰支承并安装在横梁上由缸外壁的两个环形面积与横梁相

配合。缸内进入高压液体时，通过法兰与横梁的接触面将反作用力传递给横

梁，液压缸本身则靠法兰上的一圈螺钉固定在横梁上。这种结构的缺点是缸

壁法兰过度区存在应力集中，易于疲劳损坏。本设计选用此种支承，使得结

构合理，满足工艺要求。

考虑到安装要求和强度需求，锁锻液压缸采用法兰固定方式，以其法兰

部分支承并固定在梁下表面，由法兰的环形上表面与梁配合。锻锻液压缸缸

本身依靠法兰上的一圈螺栓固定在梁上，工作时的作用力通过环形接触面传

递，因此法兰到缸外壁的过渡处存在应力集中，易疲劳破坏，以往液压缸破

坏也多出现在这个部位。

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2.5.5缸体法兰的尺寸

2.5.5.1外半径Q的确定

查《机械手册》

。尸(R/AJXIOVI。」

其中F„—该缸能发出的最大能量

A„——法兰接触横梁面积

[。」——许用应力

Fn=2MN

由公式得到：

2

{2/0(r4-22)]}XIO'<80

计算得到：

r,i^23.74cm

考虑到法兰的安装，及其稳定性，可靠性等因素取

r4=280mm

2.5.5.2法兰高度h

一般有

H=(l.5:2)8,其中5=60mm

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故

h=90:120mm

取

h=105mm

2.5.5.3过渡圆角

一般有R=(0.15:0.25)8

有R=9:15mm

故R=15mm

2.5.6缸底部件的设计及计算

由经验公式知：t=(1.5-2)6

所以缸底厚度t取t=120mm

2.6锻锻缸强度的校核

2.6.1总体受力分析

液压缸的一般形式是一端开口一端封闭的后壁高压容器。当高压液体作

用在柱塞上时候，反作用力作用于缸底。通过缸壁传到法兰部分，靠法兰与

横梁支撑面上的支撑反力来平衡。

液压缸按受力情况可以分成三部分，即缸底，法兰和中间厚壁圆筒。

2.6.2中端圆筒部分

液压缸内径r内=145mm,液压缸外径r外=205mm

所产生当量应力b=外2xP

%』

带入数据求得

a=x2052x31.5

2052-1452

=109.2MRi

因为许用应力］=140MPa,

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所以O<[0]

所以经过校核，缸壁部分是安全的。

2.6.3法兰部分

经常用来核算法兰部分强度的方法主要有米海耶夫方法、罗萨诺夫方

法、环壳联解法、简化计算法和有线单元法。这里使用简化计算法进行理论

力学粗略强调校核。

采用简化算法，有如下假设：

1.假设横梁的支撑反力为一元集中力，作用在法兰触面上，

平均半径为n的半径上，=—x(^+r,+/?)

2.分析缸体圆筒的弯曲时，认为内力P作用在缸壁的平均半

径为“

的圆周上，q=gx(q+r,)

3.不考虑内壁的压力对缸壁和法兰引起的径向位移；

4.由于垂直于缸轴线方向上的法兰的刚度比较大，因此由力

及力偶引起的径向位移可以忽略不计。

46x(1"至

V，+々)x(-4)、%

I6x(1-OB?)205

=11--------------------x\n----

'(205+145)x(205-145)3145

=0.042

法兰外半径为560mm

所以得到

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q=；x(q+弓+R)=250mm

r5=—x(^+r,)=175mm

PX(G一外

M—

xln—

r\

P一平均半径为八的圆周上的单位长度上的轴向力

%为板厚,

P=2MN/m.hi=60mm

代入上式得到

M=l.7N/m

根据板的圆柱面弯曲公式在法兰与缸体圆筒连接处表面由弯矩

产生的轴向应力为：

"M„,1.7xl05

(y=0.6x—=0.6x----------=280MPa

z7h20.62

由轴向力引起的轴向拉应力为:

Z10乃(r22r2)

__________2xl()6________

-10X3.14X(0.2052-0.1452)

=3.03MPa

总的轴向拉应力为

crz=crz+(y'z=280+3.03=283.03MPa

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bz<[cr]

所以法兰部分经校核是安全的。

2.6.4缸底部分

将缸底部分简化为受均布载荷作用周边刚性固定的中心孔有空的圆板

来考虑。最大弯曲应力发生在圆板的周边，根据第三强度理论，最大当量应

力为

图3-3缸底部分简图

Pxr；

cr=0.75x

其中P为缸内液体压力，

n为缸的内半径

为t缸低厚度。

“为缸底因开口而引入的削弱系数，。=幺二四

24

2a为缸底进油口直径。

工作流量

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q=VS=Vx-D2=60xl0-3x-x(410xl0-3)2m3/s

44

77.9x10々m/s

管内流速Vo=4.5m/S

管径

14q4x7.9x10-3

----------------«0.047m=47mm

叫3.14x4.5

油口直径取50mm

油口型式选GB/T2878A型油口。

PxrJ

cr=0.75x

315x145?

0.75xxlO5

0.66xl202

=522.6xl()5Pa

b<[M

所以，经过校核，缸底部分是安全的。

经过校核，液压缸的强度符合要求。

2.7缸的附件及密封形式

2.7.1密封件

密封用来防止高压液体的泄漏，如质量不好，会直接影响生产。对密封

的基本要求是：密封性能好，能随着液体压力增高自动提高密封性能，摩擦

阻力小，磨损小，寿命长，使用维修方便，易拆换，成本低，制造容易。

基于上述要求，密封材料应具有以下特点：在一定温度使用范围内有良

好的化学稳定性，不溶于工作液体，与金属接触不相互其作用，不软化或硬

化，弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，耐磨性好，摩擦系数小，易

于压制变形，价格低廉等。

在工作缸与柱塞之间，我国目前采用的是夹布人字形密封，由支撑环、

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人字形密封圈及压环组成。在高压液体作用下，密封圈自动贴紧密封件，起

到密封作用。人字形密封的具体尺寸可查标准HG4-337-66o设计中必须采

用非标准时，允许采用相邻较大一档的密封圈，以45°剖口切去一段使用。

2.7.2导套

导套在柱塞往复运动时起导向作用，一般用抗压耐磨的ZQSn6-6-3青铜

铸造。导套的长度与工作柱塞直径比值H/d一般为0.5T.0,小值用于大型

液压机。我国已拟定了工作缸导套标准比2003-76。导套与液压缸内壁的配

合在柱塞直径小于500mm时为D/gc,大于500mm时为D/db,与柱塞的配合

为DJdq。

根据标准JB2003.24A选择导套。

2.7.3压盖

压盖选压盖选JB2001.22.00A

2.7.4活塞杆

活塞杆一般用锻钢或铸钢制成，也有分段锻造或铸造后再用电渣焊接而

成。活塞杆有实心的也有空心的。

活塞杆在导向铜套中作往复运动，偏心载荷时还会发生倾斜，因此要求

其表面必须具有足够的硬度及小的粗糙度，以免过早磨损，或因表面拉毛，

拉成沟槽而导致损坏。活塞杆表面拉坏后，会直接影响密封寿命，引起高压

液体的漏损。

缴锻液压缸的活塞杆采用的材料的是Q235。表面粗糙度1.25以下，

表面硬度应高于HRC40~45。

工作缸和活动横梁的连接形式有三种，即刚性连接、球面支撑连接和双

球面中间杆连接。刚性连接，压机在偏心载荷作用下柱塞和活动横梁一起倾

斜，将动梁所受偏心力矩的一部分传给工作缸导向铜套上，使导套受侧向水

平推力加剧了其磨损；球面支承连接，柱塞支承于活动横梁的球面座上，当

有偏心载荷时，活动横梁倾斜，如果球面润滑良好，球面副可相对滑动，柱

塞只传递轴向压力和摩擦力矩，柱塞仍保持垂直，因此侧推力将大大减少，

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改善了柱塞导套及密封的磨损情况；双球面中间杆连接多用于大型液压机，

中间杆的两端均为球面，支承于上下球面座之间，柱塞通过中间杆传递压力，

中间杆与柱塞之间有间隙，当液压机受偏心载荷时，中间杆能在球面座中转

动，使柱塞保持垂直，因而作用于密封和导套上的侧推力小，导套和密封寿

命长。使用时球面保持良好的润滑。

2MN锻锻液压机的锁锻缸的活塞杆与水平导向装置相连接，连接方式

是单球面连接。

2.8夹紧缸的设计

2.8.1内径的确定

设夹紧缸的内径为D，内半径为R”由公式可得：

p尸P*S=P*HR;

式中P为夹紧缸的公称压力，P为介质压力

由公式变形得:

式中

6

Pl=2MN=2X10NP=31.5MPa

带入公式得

Ri=0.14220m=142.20mm

圆整后，取

R产145nlm

即Di=2R1=290mm

2.8.2活塞杆的直径

由给定的设计参数知回程力

F,=0.2MN=2X105N

依据公式

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F尸”（R「-r『）P

式中n设为活塞杆半径

公式变形得

代入数据

F1=2X1（/NR产145mmP=31.5MPa

得ri=0.13785m=137.85mm

从适当增大回程力考虑，圆整取

rl=135mm

所以，夹紧缸活塞杆

di=270mm

2.8.3缸壁的厚度

液压缸常用的材料有ZG35,35#,45#,20MnMo本液压缸采用45#钢。

有经验公式得：

JJJC

=——=154N/mm?=154M汽

式中P为介质压力R为所求应力点位置的半径

R为缸内半径

R?为缸外半径

强度核算时，应力第四强度理论

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最大合成当量应力发生在缸内壁,

R：

O=--6-------/,

ma，R：_R：

。MX应该小于许用应力［°］

现已知缸的内半径R以及［。］,由上式导出计算液压缸外半径兄的公式

/?2=R]

[o]-V3Pxl05

将数值

Ri=145mm[o]=154MpaP=31.5MPa

代入上式

R2=180.44mm

考虑到整个缸体结构尺寸及其安装，取

R2=205mm

故夹紧缸壁厚

8=R2-R1=60mm

2.8.4缸体法兰的尺寸

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2.8.4.1外半径r«的确定

查《机械手册》

。尸(FH/ADXIOWI。」

其中F„一该缸能发出的最大能量

A„——法兰接触横梁面积

［。］——许用应力

F„=2MN

由公式得到：

2

{2/0(r4-22)］}XIO,^SO

计算得到：

口223.74cm

考虑到法兰的安装，及其稳定性，可靠性等因素取

ri=280mm

2.8.4.2法兰高度h

一般有

H=(l.5:2)6,其中8=60mm

故

h=90:120mm

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取

h=105mm

2.8.4.3过渡圆角

一般有

R=(0.15:0.25)6

有

R=9:15mm

故

R=15mm

2.8.5缸底部件的设计及计算

由经验公式知：t=(1.5-2)8

所以缸底厚度t取t=120mm

2.9夹紧缸强度的校核

2.9.1总体受力分析

液压缸的一般形式是一端开口一端封闭的后壁高压容器。当高压液体作

用在柱塞上时候，反作用力作用于缸底。通过缸壁传到法兰部分，靠法兰与

横梁支撑面上的支撑反力来平衡。

液压缸按受力情况可以分成三部分，即缸底，法兰和中间厚壁圆筒。

2.9.2中端圆筒部分

液压缸内径r内=145mm,液压缸外径r外=205mm

所产生当量应力b=炉，xr•外2xP

*t内

带入数据求得

6

2

(7=x205x31.5

2052-1452

=109.2Alfh

因为许用应力［。］=140MPa,

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所以o<[o]

所以经过校核，缸壁部分是安全的。

2.9.3法兰部分

经常用来核算法兰部分强度的方法主要有米海耶夫方法、罗萨诺夫方

法、环壳联解法、简化计算法和有线单元法。这里使用简化计算法进行理论

力学粗略强调校核。

采用简化算法，有如下假设：

1.假设横梁的支撑反力为一元集中力，作用在法兰触面上，

平均半径为口的半径上，r3=—x(r4++R)

2.分析缸体圆筒的弯曲时，认为内力P作用在缸壁的平均半径为

r5

的圆周上，q=q，x(q+r,)

3.不考虑内壁的压力对缸壁和法兰引起的径向位移；

4.由于垂直于缸轴线方向上的法兰的刚度比较大，因此由力及力

偶引起的径向位移可以忽略不计。

6x(1-W)直

[您+弓)x(弓一《)・国

I6x(l-0.32),205

=gI---------------------x---

,(205+145)x(205-1451145

=0.042

弓=gx(。+4+R)=250mm

r5=—x(^+弓)=175mm

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法兰外半径为560mm

所以得到

尸义(々一4)

M———

1+

p一平均半径为八的圆周上的单位长度上的轴向力

h,为板厚，

P=2MN/m.hi=60mm

代入上式得到

M=l.7N/m

根据板的圆柱面弯曲公式在法兰与缸体圆筒连接处表面由弯矩

产生的轴向应力为：

1，7x10

cr7=0.6x=0.6x,-=280MPa

zh20.62

由轴向力引起的轴向拉应力为：

-_PH

%=1(尔々2一段

___________2xl()6_________

-10x3.14x(0.2052-0.1452)

=3.03MPa

总的轴向拉应力为

/=々+。；=却+3.03=283.03MPa

小⑸

所以法兰部分经校核是安全的。

2.9.4缸底部分

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将缸底部分简化为受均布载荷作用周边刚性固定的中心孔有空的圆板

来考虑。最大弯曲应力发生在圆板的周边，根据第三强度理论，最大当量应

力为

图3-3缸底部分简图

尸x片

cr=0.75x

^xr

其中P为缸内液体压力,

n为缸的内半径

为t缸低厚度。

“为缸底因开口而引入的削弱系数，必

2a为缸底进油口直径。

工作流量

q=VS=Vx-D2=60xl0-3x-x(410xl0-3)2m3/s

44

«7.9x103m/s

管内流速Vo=4.5m/S

管径

4x7.9x10-3

----------------x0.047m=47mm

3.14x4.5

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油口直径取50mm

油口型式选GB/T2878A型油口。

Pxr：

cr=0.75x

0X产

315x145?

=0.75xxlO5

0.66xl202

=522.6xlO5Pa

所以，经过校核，缸底部分是安全的。

经过校核，液压缸的强度符合要求。

2.10缸的附件及密封形式

2.10.1密封件

密封用来防止高压液体的泄漏，如质量不好，会直接影响生产。对密封

的基本要求是：密封性能好，能随着液体压力增高自动提高密封性能，摩擦

阻力小，磨损小，寿命长，使用维修方便，易拆换，成本低，制造容易。

基于上述要求，密封材料应具有以下特点：在一定温度使用范围内有良

好的化学稳定性，不溶于工作液体，与金属接触不相互其作用，不软化或硬

化，弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，耐磨性好，摩擦系数小，易

于压制变形，价格低廉等。

在工作缸与柱塞之间，我国目前采用的是夹布人字形密封，由支撑环、

人字形密封圈及压环组成。在高压液体作用下，密封圈自动贴紧密封件，起

到密封作用。人字形密封的具体尺寸可查标准HG4-337-66。设计中必须采

用非标准时，允许采用相邻较大一档的密封圈，以45°剖口切去一段使用。

2.10.2导套

导套在柱塞往复运动时起导向作用，一般用抗压耐磨的ZQSn6-6-3青铜

铸造。导套的长度与工作柱塞直径比值H/d一般为0.5T.0,小值用于大型

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液压机。我国已拟定了工作缸导套标准川2003-76。导套与液压缸内壁的配

合在柱塞直径小于500nmi时为D/gc,大于500mm时为D/db,与柱塞的配合

为D4/dc4o

根据标准JB2003.24A选择导套。

2.10.3压盖

压盖选压盖选JB2001.22.00A

2.10.4活塞杆

活塞杆一般用锻钢或铸钢制成，也有分段锻造或铸造后再用电渣焊接而

成。活塞杆有实心的也有空心的。

活塞杆在导向铜套中作往复运动，偏心载荷时还会发生倾斜，因此要求

其表面必须具有足够的硬度及小的粗糙度，以免过早磨损，或因表面拉毛，

拉成沟槽而导致损坏。活塞杆表面拉坏后，会直接影响密封寿命，引起高压

液体的漏损。

夹紧液压缸的活塞杆采用的材料的是Q235。表面粗糙度1.25以下，

表面硬度应高于HRC40~45。

工作缸和活动横梁的连接形式有三种，即刚性连接、球面支撑连接和双

球面中间杆连接。刚性连接，压机在偏心载荷作用下柱塞和活动横梁一起倾

斜，将动梁所受偏心力矩的一部分传给工作缸导向铜套上，使导套受侧向水

平推力加剧了其磨损；球面支承连接，柱塞支承于活动横梁的球面座上，

当有偏心载荷时，活动横梁倾斜，如果球面润滑良好，球面副可相对滑动，

柱塞只传递轴向压力和摩擦力矩，柱塞仍保持垂直，因此侧推力将大大减少,

改善了柱塞导套及密封的磨损情况；双球面中间杆连接多用于大型液压机，

中间杆的两端均为球面，支承于上下球面座之间，柱塞通过中间杆传递压力，

中间杆与柱塞之间有间隙，当液压机受偏心载荷时，中间杆能在球面座中转

动，使柱塞保持垂直，因而作用于密封和导套上的侧推力小，导套和密封寿

命长。使用时球面保持良好的润滑。

2MN锻锻液压机的夹紧缸的活塞杆与水平导向装置相连接，连接方式是

单球面连

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第3章徽锻液压机轮廓尺寸设计

3.1立柱直径的估算

本设计中采用三梁四柱的框架结构，液压机各部件的尺寸都由立柱直径

来确定。由于立柱式机架是一个多次超静定的空间框架，解题过程十分复杂。

因此，在进行受力分析时，一般采用以下简化假设，以建立比较简单易解的

力学模型：由于一般液压机的机架结构对称于中间平面，载荷也往往对称于

中间平面，可将空间框架简化为平面框架；立柱与上、下横梁为刚性连接；

不考虑安装应力及温度应力。

初次估算立柱直径时，在上述假设条件下，再设出最简单的情况，即液

压机结构承受中心载荷作用。上、下横梁的刚度很大，可忽略上、下横梁变

形引起的弯曲应力，立柱只承受简单的轴向拉力，其拉应力为：

P

3=——xlO4<[CT]

pnF

式中：P---液压机的公称压力(N)；

F---每根立柱的截面积(cm")；

n——立柱的根数。

[。]——立柱材料许用拉伸应力，对45钢，[。]可取为50-80MPa。

F2P/(n[o])=2X10=(4X80X106)=62.5加

式中：d---为立柱直径

F一一是指有效面积，这次设计中，采用空心立柱，所以指的是环形

面积。

d=7.9cm

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此为立柱的最小直径值，取d=100mm

3.2液压机轮廓尺寸设计考虑的因素

a.液压缸的尺寸；

b.工作台尺寸：B=350mm,T=350mm。

c.上、下横梁的高度；

初选方法：

上梁：（3-3.5）X立柱直径

下梁：（3.5-4）X立柱直径