大型高壓液壓拉伸器方案設(shè)計

1、大型高壓液壓拉伸器方案設(shè)計自動液壓壓磚機(jī)是陶瓷墻地、面磚成型的關(guān)鍵設(shè)備，本結(jié)構(gòu)為三梁四柱式（圖1-1）。四根立柱將底座、活動橫梁、上橫梁連為一體，兩頭用M320X4大螺母鎖緊。在工況條件差，壓制頻率高，振動場合螺紋很容易拉伸、松動，造成自動液壓壓磚機(jī)四立柱受力不均衡，在工作中液壓活塞與工作臺面不垂直，活塞與油缸間隙單邊，導(dǎo)致高壓密封失效。目前國內(nèi)自動液壓壓磚機(jī)四立柱預(yù)緊的辦法有兩種：1）電加熱棒加熱，將電熱棒插入立柱深孔中通電后，加熱到一定的溫度，使立柱線膨脹達(dá)到計算好的預(yù)緊伸長量，再將螺母瑣緊。2）采用液壓拉伸器借助于超高壓氣驅(qū)泵的動力，將立柱軸向拉長，達(dá)到預(yù)定值時將螺母旋到位，關(guān)閉氣驅(qū)泵卸

2、壓，利用材料自身的彈性將螺紋鎖緊。主要用于各立柱的定值預(yù)緊和拆卸，利用超高壓氣驅(qū)泵產(chǎn)生的油壓力，使活塞環(huán)、螺母上升，使被施加力的立柱在其彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長，立柱直徑輕微變形，從而使螺母易于旋入或松動 ，實(shí)現(xiàn)定值預(yù)緊和拆卸的作用。1.超高壓液壓拉伸器原理及特點(diǎn)大型高壓液壓拉伸器采用無轉(zhuǎn)距結(jié)構(gòu)設(shè)計，可避免螺母與橫梁接觸面的磨擦，螺紋變形扭曲等影響立柱的預(yù)緊力，使被緊立柱受純拉伸應(yīng)力，預(yù)緊載荷精度2%，預(yù)緊力均勻，重復(fù)精度高，防松效果好。在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的軸向預(yù)緊力能排除摩擦系數(shù)、接觸應(yīng)力變形影響、預(yù)緊力除受“松弛量” 影響。特別適應(yīng)于大功率，有振動，防松要求高的場合。大

3、型高壓液壓拉伸器具有操作簡單、安全、可靠、快速、易控制、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)械設(shè)備的安裝，檢修帶來更高的效率。為保證自動液壓壓磚機(jī)裝配后四立柱有足夠、均勻的預(yù)緊力，我們選擇大型超高壓液壓拉伸器作為設(shè)計方案選型。 圖1-12. 結(jié)構(gòu)設(shè)計選型在設(shè)計過程中有三種拉伸器結(jié)構(gòu)，都為單油缸式結(jié)構(gòu)。由于工作液壓力達(dá)到100MPa，屬高壓液壓設(shè)計，這對油缸的結(jié)構(gòu)、材料、剛性和密封形式有很高的要求。如圖2-1由于該結(jié)構(gòu)密封圈靠發(fā)蘭壓緊，油缸高度尺寸增大，剛性差，螺栓在高壓狀態(tài)工作下被拉伸，只適應(yīng)于油缸直徑小，液壓力小的拉伸器。圖2-2其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡練。油缸剛性好，整過拉伸器尺寸小，由于螺母8旋在立柱上，每根立柱需要增

4、長油缸厚度+螺母厚度為200mm，每臺壓機(jī)四根M320X4立柱，材料浪費(fèi)較大，不宜采用。圖2-3油缸結(jié)構(gòu)和圖3-2基本形式一樣就是將支撐座件6加高，增加一個螺母套將立柱和拉桿連接起來。其缺點(diǎn)就是一次性投資較圖3-2型大。由于圖2-3具有剛性好、油缸結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省立柱材料，加工工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計選型為圖2-3設(shè)計結(jié)構(gòu)。圖2-1 圖2-2圖2-3 3 設(shè)計結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定超高壓液壓拉伸器在工作時高壓泵流量小，液力施壓緩慢，實(shí)際行程短，在計算過程中可以視靜密封狀態(tài)。以4200噸壓制力的壓磚機(jī)為例：表5.1 主要技術(shù)參數(shù)立柱螺紋直徑mmM320X8最大預(yù)緊力N 氣驅(qū)液壓泵工作壓力MPa103（氣壓0

5、.294MPa）U型滑環(huán)密封圈最大壓力MPa300最大行程mm20mm外形尺寸mm680X888重量kg1586 圖5-1單缸式預(yù)緊 圖5-2雙缸立柱預(yù)緊4. 高壓液壓拉伸器設(shè)計計算立柱承受工作載荷后，因所受的拉力增大而沿軸向繼續(xù)伸長，其伸長量增加了，故總伸長量為b+。與此同時，原來被壓縮的被上橫梁，因立柱伸長而被放松，其壓縮量也隨之減小。根據(jù)聯(lián)接的變形協(xié)調(diào)條件，則被上橫梁壓縮變形的減小量應(yīng)等于立柱拉伸變形的增加量。此時的工作載荷為N，上橫梁材料為：ZG310-570; 立柱材料：35CrMoA鍛件。5.1 每根立柱受拉力為F0工作載荷為Fa=N 每臺壓機(jī)的立柱為四根n=4F0=Fa/n=/4

6、= N5.2 立柱預(yù)緊力計算 預(yù)緊力系數(shù)：k=1.5/（1+C0）立柱與上橫梁拉壓剛度比：C0=EZ*AZ*LH/EH*AH*LZ查設(shè)計手冊表：立柱材料：35CrMoA（鍛件） EZ=206X103MPa 上橫梁材料為：ZG210-500（鑄件） EH=202 X103MPa立柱截面積為：AZ=r2/2 =3.14X1622/2 =82406.14mm2 上橫梁的截面積；AH=mm2LH、LZ立柱與上橫梁結(jié)合長度相等為1200mm故 C0=EZ*AZ*LH/EH*AH*LZ=206X103X82406.14/202 X103X =0.259EZ 、EH立柱、上橫梁彈性模量；AZ、AH立柱與上橫

7、梁的截面積；LH、LZ立柱與上橫梁結(jié)合長度；預(yù)緊力系數(shù)：k=1.5/（1+C0）=1.5/(1+0.259)=1.19因立柱材料為35CrMoA，上橫梁為ZG310-500比立柱的剛度要大，故取k =1.2 實(shí)際每根拉伸力為：F/=k F0 =1.2X = N5.3立柱伸長量計算已知：立柱拉伸力F0= N 立柱有效長度L=4300mm 立柱彈性模量E=206X103MPa 立柱截面積A=78883.86mm2從材料的機(jī)械性能可知，在螺栓產(chǎn)生屈服之前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，伸長量與軸向預(yù)緊力F的關(guān)系為：= F0 L(EA)=X4300/206X103X78883.86=3.334mm.包括各

8、個接觸面松弛量，實(shí)際拉伸量5mm。5.4 油缸受力面積設(shè)計計算 油缸受壓面積計算：設(shè)計油缸內(nèi)環(huán)外徑為：570mm，活缸內(nèi)環(huán)內(nèi)徑為：410mmA=.5-.5=mm25.5 活塞環(huán)軸向出力計算油缸工作壓力P=103MPaFA=AXP=103= N5.6 油缸材料選擇及壁厚設(shè)計計算由于油缸受高壓油的作用，要求材料強(qiáng)度高、剛性好、變形小、加工性好，40CrNiMoA材料具有以上優(yōu)點(diǎn)。材料選擇： 40CrNiMoA 調(diào)質(zhì)：HB250 時 查工程材料手冊 b =800MPaD=570mm P=103MPa b =800MPa 安全系數(shù)取n=1.5= /n=800/1.5=533.33MPa 按厚壁油缸計算

9、公式計算油缸壁厚：當(dāng)活塞環(huán)受軸向推力時： D/d=1.365 根據(jù)油缸壁厚計算公式： =55.04 mm 5.7 油缸底部壁厚度計算H= 因缸底厚度的圓周上開進(jìn)油孔，設(shè)計厚度比計算厚度大。圖6-1 LS126-1-4油缸5.8 活塞環(huán)壁厚設(shè)計計算材料選擇： 40CrNiMoA 調(diào)質(zhì)：HB250 時 查工程材料手冊 b =800MPaD=570mm P=103MPa b =800MPa 安全系數(shù)n=2= /n=800/2=400 MPa 活塞環(huán)受軸向剪切力校核：按H=52.9mm 計算根據(jù)剪切強(qiáng)度計算公式： b=0.6 b=0.6x800=480 MPa受剪面積: A=（510x3.14XH）=

10、510x3.14x52.9=84714.06mm2受剪力: F=103（570/2）2x3.14-（510/2）2x3.14=.12 N=F/A=.12/8471.06=63.7 MPa63.7 MPab= 480 MPa 滿足設(shè)計要求圖6-2 LS126-1-7活塞環(huán)5.9 拉桿橫截面強(qiáng)度設(shè)計計算 拉桿材料選擇：35CrMoA 查工程材料手冊 調(diào)質(zhì)HB275 b =750MPa （調(diào)質(zhì)HB270） 拉桿螺紋直徑：M320x4 螺紋高度：145mm 螺紋底徑：d0=d-4+0.752=320-4+0.752=316.75mmb = 4F/（*d02）=4/（3.14316.752）=159.9

11、8Mpab =159.98MPab =750 MPa .滿足設(shè)計要求5.10 拉桿M320X4螺紋牙的強(qiáng)度校核 根據(jù)剪切強(qiáng)度公式校核： =0.6b=0.6750=450 MPa=87.368MPa=87.368MPa =450 MPa 滿足設(shè)計要求根據(jù)螺紋牙的強(qiáng)度公式校核b =141.87MPa b =141.871Mpab =750 MPa 滿足設(shè)計要求材料為35CrMo M3208 H=145螺紋滿足設(shè)計要求。圖6-3 LS126-1-10 M320X4 拉桿6. 高壓密封件設(shè)計選型高壓密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有油缸、活塞環(huán)，密封環(huán)、內(nèi)、外法蘭組成（如下圖）。密封環(huán)在高液壓力作用下，油缸、活塞環(huán)

12、都會發(fā)生變形，密封環(huán)唇口緊貼油缸面無泄露。6.1超高壓密封條件設(shè)計工作壓力為103MPa，工作溫度50，活塞速度慢，密封圈單向受壓，最大行程25mm。6.2 超高壓密封設(shè)計選型 圖7-1 超高壓液壓油缸密封結(jié)構(gòu)形式根據(jù)拉伸器的密封條件和油缸結(jié)構(gòu)形式,選擇活塞孔用U形滑環(huán)式組合密封圈。表7-1 U形滑環(huán)式組合密封圈工況條件型號規(guī)格mm材料壓力MPa工作溫度速度 m/s介質(zhì)單價元TB6-ATB6-B570X7410X7聚四氟乙烯（PIFE）0-300-55+250液壓油350015007 氣驅(qū)液壓泵設(shè)計選型7.1 氣驅(qū)液壓泵工作原理與特點(diǎn)氣驅(qū)液壓泵利用壓縮空氣作動力帶動液壓泵柱塞運(yùn)動以形成壓力油。

13、利用氣動活塞和油泵柱塞面積的懸殊比值(1:300)來產(chǎn)生很高的油壓。結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，拉力大；適用面廣，使用簡單方便；精確度高，速度快，使用安全；通用性強(qiáng)，通過更換拉伸頭，可適用于多個規(guī)格的螺栓；成本低，是液壓系統(tǒng)的理想動力源。近年來，一直被廣泛用于各種工礦、建筑安裝企業(yè)。 將經(jīng)過油水分離過濾的壓縮氣體從驅(qū)動空氣入口1進(jìn)入，通過換向閥6和驅(qū)動空氣管路2，進(jìn)入氣動活塞3下部的汽缸內(nèi)推動氣動活塞向上運(yùn)動，同時關(guān)閉底部梃桿7，打開頂部挺桿4，壓縮氣體進(jìn)入先導(dǎo)閥5，推動換向閥6向右移動，活塞上部空氣通過換向閥6排出，在氣動活塞3向上移動的同時，連接在下部的活塞桿向上運(yùn)動油缸內(nèi)吸油，入口單向閥10打開。

14、當(dāng)汽缸活塞3向下運(yùn)動時，底部挺桿7打開，換向閥6閥芯左移，氣體通過先導(dǎo)閥5，底部挺桿閥7和先導(dǎo)排氣口排出，汽缸活塞3向下運(yùn)動同時，入口單向閥關(guān)閉，帶動油缸活塞向下運(yùn)動將壓力油通過出口單向閥11、高壓快換接頭、高壓軟管送入拉伸器油缸,推動活塞環(huán)上升，實(shí)現(xiàn)立柱拉伸，達(dá)到立柱預(yù)緊的目的。7.2 氣驅(qū)液壓泵主要技術(shù)參數(shù)表8-1氣驅(qū)液壓泵主要技術(shù)參數(shù)工作參數(shù)HPU189MC2.0 工作壓力(bar)*1500增壓比1:300零壓力流量（L/min）0.512油箱容積（L）12壓力表量程（bar）0-2000空氣輸入接口1/4BSP高壓輸出接口公接頭116系列 尺寸（mm）470400530mm重量（Kg

15、）40（不含油）是否可手動操作可 8.主關(guān)件有限員分析8.1 ANSYS有限元軟件確立建圖模型根據(jù)以上主關(guān)件Solidworks三維建圖尺寸和主要技術(shù)參數(shù),采用大型通用有限元軟件ANSYS中運(yùn)用APDL語言完成了整個建模、分網(wǎng)和求解過程，采用了SOLID95、TARGE170和CONTA174三種計算單元。表9.1液壓拉伸器主要技術(shù)參數(shù)拉伸器工作壓力MPa103油缸面積mm2活塞環(huán)出力N工作行程mm25 8.2有限元分析計算LS126-1液壓拉伸器在ANSYS中所建幾何模型結(jié)果顯示LS126-1液壓拉伸器ANSYS中分網(wǎng)后結(jié)果顯示LS126-1液壓拉伸器整體模型MISES應(yīng)力云圖LS126-1

16、液壓拉伸器整體模型位移云圖 LS126-1-4油缸網(wǎng)格圖1（活塞行程L20mm）LS126-1-4油缸網(wǎng)格圖2（活塞行程L20mm）LS126-1-4油缸MISES應(yīng)力云圖1（選取四分之一模型且活塞行程為L=20mm時計算結(jié)果，黑線框?yàn)樽冃吻拔恢?，最大?yīng)力507MPa為某些局部點(diǎn)，是因?yàn)榫W(wǎng)格劃分不均的影響）避開不正常應(yīng)力點(diǎn)選取過渡圓弧上的局部應(yīng)力最大值為350.6MpaLS126-1-4油缸位移力云圖（選取四分之一模型且活塞行程為L=20mm時計算結(jié)果）LS126-1-3支撐座MISES應(yīng)力云圖1(最大應(yīng)力598MPa出現(xiàn)在開腰形孔位置，為壓應(yīng)力)LS126-1-3支撐座MISES應(yīng)力云圖2L

17、S126-1-3支撐座位移云圖通過計算得到如下結(jié)果： 1)油缸底面與兩側(cè)環(huán)面過渡圓角R3處應(yīng)力較大，通過有限員分析修改成過渡圓角R82）當(dāng)活塞環(huán)行程達(dá)到20mm時，外環(huán)面徑向位移最大為0.0512mm,對密封影響不大。3)支撐座長腰形孔對結(jié)構(gòu)的削弱作用大于相反面圓弧的削弱作用，減小開孔長度。4)底座620環(huán)面最大應(yīng)力為230Mpa，縮小的空間很小。5)拉桿的過渡圓角R20改為R50，過渡圓角處最大應(yīng)力將從576Mpa降低到379Mpa。6）有限元分析結(jié)果與材料力學(xué)剛架模型計算有較大差別。7）原M320X4連接螺紋改為M320X8，提高工效。根據(jù)以上有限員計算結(jié)果，在主關(guān)件圖紙應(yīng)力較大區(qū)修改尺寸

18、，大大增加大型超高壓液壓拉伸器設(shè)計更可行性、可靠性。9.結(jié)論在設(shè)計過程中，大型超高壓液壓拉伸器配套件，如氣驅(qū)液壓泵、高壓軟管、高壓快換接頭等均選用國產(chǎn)配件，價格實(shí)惠。通過實(shí)踐，我們完全能夠自己設(shè)計制造，陶瓷全自動液壓壓磚機(jī)用大型超高壓液壓拉伸器，這不僅改變落后的工藝裝備技術(shù)，更重要的是進(jìn)一步提高壓磚機(jī)裝配工藝水平和整機(jī)質(zhì)量，為國際市場競爭打下良好的基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。參 考 文 獻(xiàn)1陳就. 羅明照. 液壓自動壓磚機(jī)拉伸器的設(shè)計. 機(jī)械與設(shè)備. 2002年第3期2第一汽車制造廠主編. 機(jī)械工程材料手冊.上冊. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1982年3龔志鈺.材料力學(xué).科學(xué)出版社.19994

19、機(jī)械設(shè)計手冊. 新版. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2005年3月tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI9