Y32-1000T三梁四柱液壓機設(shè)計【含開題報告及8張CAD圖紙】

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Chinese Association of Fluid Power Control Engineering.Fluid Dynamic and Mechanical & Electrical Control Engineering[C].Chinese Association of Fluid Power Control Engineering:,2012:4. 附：文獻綜述或報告一、引言 液壓機是一種以液體為工作介質(zhì)，用來傳遞能量以實現(xiàn)各種工藝的機器。液壓機被廣泛應(yīng)用于機械工業(yè)的許多領(lǐng)域，例如在鍛壓（塑性加工）領(lǐng)域中，液壓機被廣泛應(yīng)用于自由鍛造、模鍛、沖壓（板料成形）、擠壓、剪切、拉拔成形及超塑性成形等許多工藝中；而在機械工業(yè)的其他領(lǐng)域，液壓機被應(yīng)用于粉末制品、塑料制品、磨料制品、金剛石成形、校正壓裝、打包、壓磚、橡膠注塑成形、海綿鈦加工、人造板熱壓，乃至炸藥模壓等十分廣泛的不同工業(yè)領(lǐng)域。 二、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)液壓機的研究成果 在我國，液壓起步較晚，液壓行業(yè)的發(fā)展只有 50 年左右。 文獻【1】對四柱液壓機的設(shè)計進行了分析綜述。液壓機作為是一種重要的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備,其主機結(jié)構(gòu)是液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵,因為主機結(jié)構(gòu)往往決定性的影響其制造成本、技術(shù)性能和使用壽命等,所以目前針對液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法主要是對主機機架結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析?，F(xiàn)在對主機機架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法由最初材料力學方法 (許用應(yīng)力法)、發(fā)展為有限元分析法、模塊化和可適應(yīng)設(shè)計以及還在研究中極限狀態(tài)分析方法。材料力學分析法：1)以平面框架簡化代替對稱的空間框架。 2) 立柱與上、下橫梁為剛性連接。 3) 以集中力或均勾力代表工作紅對上橫梁或其他結(jié)構(gòu)的傳遞力。 4) 橫梁可以等簡化慣性矩的梁。設(shè)計者通常根據(jù)原始設(shè)計要求,參考同類型結(jié)構(gòu)的技術(shù)資料以及個人的經(jīng)驗,適當改變某些設(shè)計參數(shù)或需要時制造一定比例的樣機模型試驗。不斷反復(fù)分析計算結(jié)果或樣機模型實驗試驗數(shù)據(jù)資料以后,直到獲得需要的設(shè)計為止。 有限元分析法：有限元分析作為求解數(shù)理方程的一種近似數(shù)值方法,利用計算機數(shù)學技術(shù),可以計算節(jié)點的多元線性代數(shù)方程,從而給出構(gòu)件節(jié)點內(nèi)部的應(yīng)力及變形。侯曉望對某型沖壓液壓機主要結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改進結(jié)構(gòu)布局、改善應(yīng)力分布以及降低了液壓機機架的整體重量。吳生富綜合運用有限元分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和實驗測試等多種手段系統(tǒng)研究某大型液壓機本體結(jié)構(gòu)。首次考慮對大型液壓機進行全預(yù)緊的有限元分析以及下梁整體性優(yōu)化,分析了活動橫梁與立柱間接觸影響,最后制造了樣機模型驗證并分析的合理性。 模塊化設(shè)計、可適應(yīng)設(shè)計: 模塊化設(shè)計、可適應(yīng)設(shè)計都是近些年興起的設(shè)計方法。前者主要是指把產(chǎn)品在一定的范圍內(nèi)合理劃分創(chuàng)建一系列功能模塊的設(shè)計方法;后者是強調(diào)產(chǎn)品幵始設(shè)計時就應(yīng)該考慮其衍生、擴展、提升等適應(yīng)能力。徐燕申為克服液壓機傳統(tǒng)設(shè)計周期較長的局限,應(yīng)用以 CAD、CAE 技術(shù)為中心廣義模塊化設(shè)計思想,較好的改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足,改善了液壓機設(shè)計的經(jīng)濟性、可靠性等。鐘偉弘根據(jù)液壓機框架結(jié)構(gòu)的特點,結(jié)合液壓機實例和產(chǎn)品快速設(shè)計中柔性模塊、虛擬柔性模塊技術(shù), 建立編碼系統(tǒng)的液壓機產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)液壓機設(shè)計制造模塊化的管理。徐銘章針對 液壓機可適應(yīng)平臺設(shè)計,研究液壓機產(chǎn)品族優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。提出了整體框架式液壓機柔性模塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)型模式,基于CAD/CAE 的液壓機可適應(yīng)設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng),為探討了整機拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一個新方向。耿文軒針對某重型液壓機的特點,以活動橫梁為例,研究了液壓機參數(shù)化產(chǎn)品平臺的建立流程,確定了主要結(jié)構(gòu)部件的參數(shù),建立可適應(yīng)產(chǎn)品模塊庫。陳黎卿等提出對某型汽車分動器適應(yīng)性重構(gòu)分析。結(jié)合某三維繪圖軟件,開發(fā)汽車分動器可適應(yīng)性的設(shè)計系統(tǒng),提高產(chǎn)品的設(shè)計工作效率和經(jīng)濟性。 極限狀態(tài)分析法：自前蘇聯(lián)科學家在 20 世紀初提出了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)破損前塑性性能。針對傳統(tǒng)的許用應(yīng)力法的局限性以及對材料、載荷的研究,新的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在不斷探索中。之后,科學家又根據(jù)載荷、材料、結(jié)構(gòu)及工況等具體情況,綜合破壞階段和許用應(yīng)力法的研究,提出按極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計法。到了 20 世紀中后期,以數(shù)理統(tǒng)計概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法,是國際在工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展方向。目前極限狀態(tài)設(shè)計法有半概率法、近似概率法以及全概率法等大致三個分析方法。其中由于近似概率法對結(jié)構(gòu)的計算方便,在實際工程設(shè)計中較為被工程技術(shù)人員運用。極限狀態(tài)設(shè)計法在水利橋梁、起重機金屬結(jié)構(gòu)以及其他機構(gòu)零部件的設(shè)計中廣泛應(yīng)用,是被廣大工程設(shè)計所認可一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法。郭云智運用極限狀態(tài)法計算某型起重機結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性,證明其分的結(jié)果優(yōu)于以前的設(shè)計方法。建立大型框式液壓機上橫梁強度、剛度極限狀態(tài)數(shù)學函數(shù)方程,計算分析強度、剛度的可靠度以及偏心距與強度、剛度關(guān)系。確定了回轉(zhuǎn)支承構(gòu)件應(yīng)力、強度的影響因素以及分布類型,建立了回轉(zhuǎn)支承裝置的極限狀態(tài)方程,計算了回轉(zhuǎn)支承構(gòu)件的可靠度。滕媛媛和張青分別建立重機金屬結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程,以載荷類別、材料性能、構(gòu)件幾何等為概率統(tǒng)計量并給出了實用設(shè)計公式。建立機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計數(shù)學模型,在此基礎(chǔ)上探討關(guān)于 PSO、GA 的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性研究方法,說明了 6δ 優(yōu)化的優(yōu)越性。 文獻[4]對四柱液壓機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。三梁四柱預(yù)緊力組合式是最常用的一種， 本文則針對三梁四柱式結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計。上橫梁、下橫梁以及四根立柱構(gòu)成一 個封閉框架，活動橫梁兩側(cè)各安放一個回程缸，回程時兩個回程缸工共同工作，拉 動活動橫梁回程。液壓機采用拉桿和立柱組合式，活動橫梁由方柱導向而上下運動， 方柱在預(yù)緊狀態(tài)下受壓應(yīng)力作用，拉桿上下兩端各有螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力將上橫梁、 方柱和下橫梁預(yù)緊在一起。液壓機采用三個工作缸結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間為主缸，兩側(cè)各 為側(cè)缸，單獨主缸工作時產(chǎn)生一級壓力，兩個側(cè)缸同時工作時產(chǎn)生二級壓力，三個 缸同時工作時產(chǎn)生三級壓力。液壓機整體結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖 1 液壓機總體結(jié)構(gòu)圖 文獻[2][3][7]是對四柱液壓機主機進行分析設(shè)計。液壓缸設(shè)計四柱式液壓機包括主液壓缸和頂出液壓缸，采用活塞式結(jié)構(gòu)。主液壓缸缸體依靠缸口臺肩及大鎖緊螺母緊固于上橫梁內(nèi)，活塞下端用鎖緊螺母與活動橫梁相連接，活塞頭部起導向作用，采用鑄鐵材料，活塞頭部外圓處有密封環(huán)，內(nèi)圓裝有 “O”形圈，使液壓缸內(nèi)形成上下兩腔，缸 口部分同樣裝有密封 環(huán)及“O”形密封圈，借助法蘭鎖緊，保證下腔密封。頂出缸裝于工作臺中心孔內(nèi)，用鎖緊螺母加以固定，結(jié)構(gòu)與主缸相同。 立柱的設(shè)計 從圖 1 液壓機本體結(jié)構(gòu)可以看出：立柱的受力情況是由液壓機結(jié)構(gòu)、工藝過程的受力和預(yù)緊狀態(tài)下的受力狀態(tài)決定的。因此，應(yīng)仔細分析以上各因素的影響，選擇合適的計算方法。一般有下面幾種情況： 第一，立柱頂緊狀態(tài)下的受力分析和強度計算。第二，中心裁荷下立柱的受力分析和強度計算。 第三，偏心負荷狀態(tài)下，對活塞式油缸、立柱和導套間隙均等狀態(tài)下，立柱的受力分析和強度計算。 第四，偏心負荷狀態(tài)下，對活塞式油缸、立柱和導向間隙不等，因此，僅 一側(cè)立往承受偏心負荷產(chǎn)生的水平力時，立柱的受力分析和強度計算。 Y32-100 四柱液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析 上橫梁安裝工作油缸，液壓機加壓工作時，從圖 2 中可以看出，該液壓機上 橫梁為一種典型的箱型結(jié)構(gòu)。它是由一塊頂板 1003/1、一塊底板 1003/9、各兩塊側(cè)板 1003/5 和 1003/6、各四個彎板 1003/7 以及筋板 1003/4 等等組成。上橫梁頂、底板間沿徑向分布有四個支撐筋板，以提高其強度和剛度。上橫梁中 箱體中間焊接一個方形圍板，和四塊“米”字筋板一起承受油缸工作時載荷。 在上橫梁四個角上有四個直徑φ80mm 的立柱孔，用于左右和前后方向的定位立柱，每個立柱孔的上下兩個端面分別安裝有螺母，用于對上橫梁進行垂直方向 的定位。由于在上橫梁的四個角安裝了立柱，為提高橫梁的強度和便于裝配螺 母，所以設(shè)計了彎板結(jié)構(gòu)，在上橫梁四個角和兩邊的側(cè)板一起形成了四個中空 的柱體。橫梁的立柱中心距和安裝液壓缸的圓筒中心孔精度要求較高，提出了 相應(yīng)的公差要求，需在制造中重點保證。 圖 2 Y32-100 液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)圖 文獻[11][12][13][15]是對四柱液壓機的液壓系統(tǒng)進行分析設(shè)計.液壓缸通過液壓 控制系統(tǒng)，使活塞桿縮回或伸出，帶動鋼絲繩通過定滑輪和動滑輪使平臺上升或下降， 成升降工作。導向輪和安全制動裝置的導向部分通過立柱進行導向，以防止平臺在上升或下降時發(fā)生傾斜。平臺下降到地面時，落到緩沖裝置上，減緩沖擊。它的制動裝置是安全防下滑機構(gòu)，保證在停電、鋼絲繩突然斷裂等意外情況下，平臺固鎖在 4 根 立柱上，在排除故障后，啟動液壓系統(tǒng)平臺才可正常工作。 圖 3 四柱液壓升降機液壓控制系統(tǒng)原理圖 國外液壓機的研究成果 1795 年英國工程家布拉默根據(jù)帕斯卡原理制成了世界上第一個可以使用的水壓機，隨后歐美等國在液壓機的研發(fā)上加大了資金投入，研發(fā)制造了一些噸位較大的液壓機。20 世紀初，伴隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，液壓機的壓制噸位慢慢提高，其應(yīng)用場合也變得十分廣泛，至二戰(zhàn)結(jié)束已經(jīng)出現(xiàn) 150MN 和 300MN 的大型液壓機。為了推動航空工業(yè)的發(fā)展，美國在 1955 年前后，研制出了兩臺 315MN 和 450MN 大噸位壓機。在 1955 年至 1960 年期間前蘇聯(lián)也研制出了幾臺大噸位水壓機，其噸位最高為 700MN。另外，在當時的歐洲各工業(yè)強國中也先后研制出了 3 萬噸左右的液壓機。法國在 2001 年對購買前蘇聯(lián) 650MN 液壓機的操作系統(tǒng)進行了升級，采用油控水技術(shù)提高了系統(tǒng)控制精度和自動化水平。并且 2007 年法國成功制造了 40000 噸梁柱模鍛 液壓機，成為發(fā)達國家中最新投產(chǎn)的 40000 噸級以上的液壓機。三、發(fā)展趨勢 同類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 1） 專門化，設(shè)計軟件能針對某一類型機床形成專門的設(shè)計系統(tǒng)，比如三梁四柱式液壓機 CAD 系統(tǒng)，C 型框架液壓機設(shè)計系統(tǒng)等。該設(shè)計系統(tǒng)基本能涵蓋此類型機床主要結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)和要求。 2） 智能化，該設(shè)計軟件能自動生成三維實體圖形，自動裝配，生成二維圖形和自動進行有限元計算等功能，設(shè)計人員主要工作是在界面輸入相關(guān)參數(shù)，對最終結(jié)果進行判定，對有關(guān)設(shè)計系數(shù)進行調(diào)整。大大減輕了設(shè)計人員的工作時間，使其主要精力放在更加關(guān)鍵的設(shè)備性能設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計等方面。 3） 開放性，該設(shè)計系統(tǒng)具有一定的擴展功能，能拓展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征庫和 結(jié)構(gòu)知識庫，比如加強筋形式的選擇問題，可以選米字筋或矩形筋，這為設(shè)計人員提供了開發(fā)新型液壓機提供了方便。 國際上的發(fā)展動態(tài)： 1) 高速化，高效化，低能耗。提高液壓機的工作效率，降低生產(chǎn)成本。 2) 機電液一體化。充分合理利用機械和電子方面的先進技術(shù)促進整個液壓系統(tǒng)的完善。 3) 自動化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液壓機的自動化和智能化 提供了充分的條件。自動化不僅僅體現(xiàn)的在加工，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理的功能。 4) 液壓元件集成化，標準化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止泄漏和污染。標準化的元件為機器的維修帶來方便。 四、存在問題 在機械加工中，液壓機的多缸同步運動控制技術(shù)得到了極大的發(fā)展和提高。但是由于一些新的同步控制要求和液壓同步控制系統(tǒng)自身所具有的限制因素的影響，使得多個液壓缸同步控制技術(shù)的研究進展受到一定的阻礙。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 液壓同步系統(tǒng)的缺陷。液壓同步系統(tǒng)有許多限制因素，諸如液壓系統(tǒng)油液的可壓縮性、系統(tǒng)摩擦的非線性、控制閥流量的非線性及系統(tǒng)的泄露等。所有的這些因素都不利于同步控制系統(tǒng)的研究，極大的影響了同步系統(tǒng)的精度。 (2) 油源壓力波動。液壓機在工作時油源的壓力波動將導致系統(tǒng)中液壓閥各項性能的變化，從而對系統(tǒng)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能產(chǎn)生影響，最終影響液壓機加工產(chǎn)品的質(zhì)量。 (3) 控制算法的局限性?，F(xiàn)在一些新穎的控制算法，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、自適應(yīng)模糊控制算法、蟻群算法、粒子群算法、積分滑模變結(jié)構(gòu)控制算法等，由于這算法都存在一定的局限性，在液壓機同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用都受到很大限制。 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 審 核 意 教研室主任意見 見  簽字： 年 月 日 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章：