油压机的设计与制造毕业设计

摘要

四柱液压机由主机及控制机构两大部分组成。液压机主机部分包括液压缸、横梁、立柱及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、控制系统、电动机、压力阀、方向阀等组成。液压机采用PLC控制系统，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。该系列液压机具有独立的动力机构和电气系统，并采用按钮集中控制，可实现搬运和自动两种操作方式。

该液压机结构紧凑，动作灵敏可靠，速度快、能耗小、噪音低，压力和行程可在规定的范围内任何调节，操作简单。在本设计中，通过查阅大量文献资料，设计了液压缸的尺寸，拟订了液压原理图，按压力和流量的大小选择了液压泵，电动机、控制阀、过滤器等液压元件和辅助元件。

关键词：四柱液压机PLC

Abstract

The four-pillars hydraulic press is divided into two parts, host machine and control mechanism. Hydraulic press host machine is make up of hydraulic cylinder, beam, upright, prefull valve and so on Dynamic mechanism is make up of tank, high pressurepump, control systems, electromoto,pressure valve, direction valve and so on Hydraulic press control systems adopt plcil will be come true enrgy conversion, regulate and transport, all kinds of technical motions cyle, through control pump, hydraulic sylinder and all kinds of hydraulic valve. The series hydraulic machine is an independent body and the electrical power system and centralized control buttons used achieve both manual and automatic operation mode.

This hydraulic system framework is compact, movement keen reliable, the speed is quick, the energy consumption is small, the noise is low, the pressuer and the traveling schedule may adjust willfully in the stipulation scope, the operation is simple. In this design, through the consult massive literature material, has designed the hydraulic cylinder size, has drafted the hydraulic perssure schematic diagram. According to the pressure and the current capacity size choose the current capacity size choose the hydraulic pumo, the electric motor, the control valve, hydraulic pressure parts, the auxiliary part and filter.

Key words:hydraulic presss PLC

目录

摘要.............................................................................................................................................. I Abstract........................................................................................................................................ II 目录....................................................................................................................................... I II 第一章绪论 (1)

1.1液压机的基本参数 (2)

1.2主要技术参数（YB32-100C）： (3)

第二章液压机本体结构及设计计算 (4)

2.1本体结构概述 (4)

2.2液压缸部件 (4)

2.2.1结构概述 (4)

2.2.2导套和密封 (5)

2.2.3液压缸的强度计算及材料选择 (5)

2.2.4柱塞 (7)

2.3立柱式机架的结构 (7)

2.3.1立柱式机架的连接 (7)

2.3.2立柱的结构与材料 (7)

2.3.3立柱螺母与立柱的预紧 (7)

2.3.4立柱的导向 (8)

2.3.5立柱的设计和校核 (8)

2.3.6横梁 (9)

2.3.7横梁的强度与刚度计算 (11)

总结 (15)

参考文献 (16)

谢辞 (17)

第一章绪论

由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，国内外液压机的发展主要体现在控制系统方面。微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能。相比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。

在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：一种是以继电器为主控元件的传统型液压机；一种是采用可编程控制器控制的液压机；第三种是应用高级微处理器（或工业控制计算机）的高性能液压机。三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速化、智能化。

继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产（如餐具、厨具产品等），其也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内许多液压机厂家是以这种机型为主，使用对象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民用产品。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生产。

液压机系根据帕斯卡原理制成，是一种利用液体压力能来传递能量的机器。

液压机一般由本体（主机），操作系统及泵站三大部分组成。

泵站为动力源，供给液压机各执行机构以高压工作液体。操作系统属于控制机构。它通过控制工作液体的流向来使各执行机构按照工艺要求完成应有的动作。本体为液压机的执行机构。

本人设计的三梁四柱式液压机本体结构型式如图1-1所示，它由上横梁3，下横梁5，四个立柱4和16个内外螺纯洁组成一个封闭的框架，框架承受全部工作载荷。工作缸1固定在上横梁3上，工作缸内装有工作柱塞2，与活动横梁6相连接。活动横梁以四根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。活动横梁下面固定有上坫11，而下坫12则固定于下横梁上的工作台上。当高压液体进入工作缸后，对柱塞产生很大的压力，推动柱塞，活动横梁及上坫向下运动，使工件在上、下坫之间产生塑性变形。上横梁的两侧还固定有回程缸7，当高压液体进入回程缸时，推动回程柱塞8向上，通过顶部小横梁9及拉杆10带动活动横梁实现回程运动。此时，工作缸应通低压。

图1-1

1—工作缸2—工作柱塞3—上横梁4—立柱5—下横梁6—活动横梁

7—同程缸8—回程柱塞9—小横梁10—拉杆11—上坫12—下坫

1.1液压机的基本参数

基本参数是液压机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，本人设计的是四柱液压机——YB32-100适用于塑性材料的压制工艺，如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等，也可以从事校正、压装、砂轮成型、冷挤零件成型、塑性制品及粉末制品的压制成型工艺。

本机器具有独立的动力机构和电气系统，采用按钮集中控制。机器采用半自动操作方式，同时也具备供调整模具的“调整”动作。

本机器的工作压力、压制速度、空载快速下行和减速的形成范围均可根据工艺需要调整，并能完成顶出工艺，不带顶出工艺和拉伸工艺三种工艺方式的半自动循环，每种工艺方式又分定压或定程两种工艺动作供选择。定压成型之工艺动作在压制后具有保定、延时等性能。

机器主机采用四螺母结构，精度保持性好。系统采用电磁换代为主，辅以插装元件的

小型化系统，结构简单紧凑，易于维修，为满足安全操作要求，机器装有双手按钮。

1.2主要技术参数（YB32-100C）：

第二章液压机本体结构及设计计算

2.1本体结构概述

液压机本体结构设计应考虑以下三个基本原则：

1、经可能的满足工艺要求，便于操作：

2、具有合理的强度与刚度，使用可靠，不易损坏；

3、具有很好的经济性，重量轻，制造维修方便。其中，工艺要求是最主要的影响因数。由于在液压机上进行的工艺是多种多样的，因此液压机的本体机构也必然是多种多样的。YB32-100C是一种三梁四柱式液压机。上面以前具体介绍过。

2.2液压缸部件

2.2.1结构概述

液压钢部件的作用在于把液体压力能够转换成机械功。高压液体进入缸内后，作用于柱塞上，经过活动衡量将力传到工件上，使工件产生塑性变形，它是液压机主要部件之一。

YB32-100C液压机采用的是柱塞式液压缸，起典型结构如图2-1。柱塞2在导套3内往复运动，导套起导向作用。4为密封，用以保持液体压力并防止高压液体泄露，密封下面有压套5，发蓝6及螺栓和螺母7等组成的压盖，它们主要起支撑密封的作用，在压盖外面还有一圈毡垫，以防止灰尘带入缸内。

图2-1

1—工作缸2—柱塞3—导向套4—密封5—压套6—法兰7—螺柱和螺母

在支撑形式上，YB32-100C液压缸以法蓝支撑并安装在横梁内，由缸外壁的两个环行面积与横梁想配合，配合等级为D4/dc4．。缸内进入高压液体时，通过法蓝与横梁的接触面将反作用力传给横梁，液压缸本身则靠法蓝上的一圈螺钉固定在横梁上。这种结构的缺点是缸壁法蓝过度区存在应力集中，易于疲劳损坏。YB32-100C工作缸柱塞与活动横梁采用刚性连接型式结构如图2-2所示（另外给图），柱塞下端插入活动横梁内。在偏心加载时，柱塞跟随活动横梁一起倾斜，将动梁所受偏心力距的一部分传给工作缸导向铜套上，使导向铜套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向铜套及密封的磨损。单缸液压机及三缸液压机的中间工作缸多采用此种结构。柱塞与活动横梁孔的配合为D4/dc4.

2.2.2导套和密封

液压缸导套在柱塞往复运动时起导向作用，YB32-100C液压机采用耐磨的ZQSn6-6-3青铜铸造。导套的长度与直径的比值为1:1，导套与液呀缸内壁的配合为D/gc，与柱塞的配合为D4/dc4，内壁光洁度为 6。

YB32-100C密封材料液压缸机的密封分为活动件密封和固定件密封，前者如缸与柱塞．阀等处的密封，后者如管接头．阀座与阀套的接缝处的密封。

在工作缸与柱塞之间，YB32-100C采用夹布橡胶人字形密封，有支撑环．人字形密封圈及压环组成，结构如图2-2所示。在高压液体的作用下，密封圈自动贴紧被密封件，起到密封作用。这种型式的密封可在-40－+80℃及500bar以下使用。通过查表（HG4-337-66)，得到密封圈的个数n为5,H为53.3mm.

图2-2人字形密封装置

2.2.3液压缸的强度计算及材料选择

YB32-100C液压机液压缸的设计步骤YB32-100C的名义总压力P=1000KN液压机选定的液体工作压力p=320bar确定柱塞直径

将D 圆整参照柱塞标准直径表（JBZool-76）取相近的标准直径Dt=20cm 这样该缸实际能产生的最大总压力

Dt 的单位为cm ，应按Pl 的值校核液压机其它零件。 液压缸内径D1为：D1=Dt+△t=2r1

式中△t ——缸内壁与柱塞在直径上的间隙值，在此 YB32-100C 取20mm

r1——缸的内半径

YB32-100C 液压缸的材料选用45#钢 所以[σ]=1500×105Pa

圆整一下取 D2 = 28cm=2r2 所以r2= 14cm 缸壁厚度S=r2-rl =3cm

以S 为参数，按照图2-3所示及相应的公式初步选择液压缸的有关尺寸。

图

2-3

19.52D cm

=

=

2

2

104

1 2.51004.8D t

P D t p K N

ππ=

=

=D 2=227.70cm

=1.5 1.53 4.51.5 1.53 4.511111 2.75844

0.1530.45t s cm h s cm r R D cm

R cm ==?===?==

=

===?=内1.5 1.53 4.51.5 1.53 4.511111 2.75844

0.1530.45t s cm h s cm

r R D cm

R cm

==?===?==

=

===?=

内

至于法蓝外径，用参考书《液压缸》2-29的公式

法蓝外径为rs

则Fh—法蓝和横梁的实际接触环形面积

Fh＝耐一耐PH=1004.8KN

算得：5之15cm

考虑到要上紧定螺钉rs取18cm

2.2.4柱塞

YB32-100的柱塞选用45#碳钢铸成，采用实心型式，表面光洁度为△8，表面硬度为RC45，采用表面镀铬处理，镀铬层约为0.1～左右。

2.3立柱式机架的结构

2.3.1立柱式机架的连接

立柱是主要的支撑件和受力件，是液压机的关键部件之一，同时活动横梁又以立柱导向。

整个机架的刚度，在很大程度上取决于立拄与上，下横梁的连接型式。本设计的YB32-100C采用的是双螺母形式，上横梁，下横梁分别用一个螺母和台阶固定在立柱上。

2.3.2立柱的结构与材料

因为YB32-10OC的公称压力为1000KN，所以立柱采用实心型式，立柱用45钢锻成，从螺纹到导向部分应圆滑过度，圆角不应太小，以免应力集中。立柱表面光洁度对疲劳强度影响很大，所以应在△7以上。

2.3.3立柱螺母与立柱的预紧

YB32-100C才用整体的圆柱形螺母，螺纹采用45”锯齿形螺纹，其颁布标准为JB2076-75。从生产实践及光蛋实验中均发现锯齿形螺纹的前两三扣承担了大部分载荷，应力较大，为使各螺纹承担符合均匀，可在螺母前端车出100左右的锥度。立柱采用加热预紧，为此立柱端应钻有加热孔。在立柱的及上横梁安装好后，先将内外螺母冷态捻紧，然后用电阻丝或蒸汽等加热的方法使立柱端部延长，达到一定温度后，将外螺母再向下拧过一个角度，一般是用螺母外径上一点转过的弧长来衡量，立柱冷却后就在螺母与横梁之间产生一个很大的预紧力，使螺母不易松动。立柱安装好先使用3-5天，然后再加热预紧，并装上锁紧装置，这样效果较好。使用过程中还必须经常检查，发现螺母松动时要随时拧紧。

2.3.4立柱的导向

活动横梁和立柱的配合处装有导套，是液压机运动部分的导向装置。合理地选用导套的结构和间隙，直接影响立柱和整个机架的受力情况。YB32-100C 的导套采用圆柱面导套如图2-4所示，在活动横梁与立柱的接触处，装有上下两个导套，他们有两半组成，为了拆装方便，两半导套的剖分面最好有3°到5°的斜度。导套两端装有防尘用的毡垫。

图2-4

导套材料一般采用青铜zQsn6-6-3，材质较软，不致使立柱表面拉伤，活动横梁导向部分的高度，为250mm ，厚度为30mm 。

导套的比压计算 式中T ―机架计算中解释得的活动横梁对立柱的侧推力（N);

d ―导套内孔直径（cm ）

e ―导套高度（cm ） [q]―许用比压（pa ）。

对于sn6-6-3，[q]＝（60-80）×105pa 导套与立柱的配合间隙

由于锻造大钢旋时温度很高，活动横梁的温度可能上伸到100℃左右，为了防止活动横梁受热膨胀而在导向套处卡死，在室温时，导套内侧间隙应大于外侧间隙，YB32-100C 导套直径上的间隙值取为2mm 。 2.3.5立柱的设计和校核

参照同类液压机的立柱，初步定出YB32-I00C 的立柱直径为100mm 。主要参数为： P=16000KN H=110cm

B=80cm （宽边立柱中心距）

4

5

5

55

.10 1.21010

48106010[]

1025

T q pa pa q dc

??=

=

=?≤?=?

d=10cm （立柱光滑部分直径） e=10cm

ZH=3.2cm Z=0.04

立柱材料为45钢正火处理，σ=27×107Pa （l ）静载合成应力

由于是小型液压机，应将立柱考虑为插入端的悬臂粱，m=0.25

立柱下端上螺纹到光滑部分过渡区的局部结构尺寸如图所示，最小直径为9.5cm

所以静载合成应力合格。 （2）疲劳强度校核

从资料中查出Kt=1.58 K=1+0.7（1.58-1）=1.41 σ1=1.41×1250×105pa

而[σ]=2000×105pa ，所以是安全的。 2.3.6横梁

一、横梁的结构设计

三个横梁（上横梁，活动横梁及下横梁）外形轮廓尺寸很大，为了节约金属和减轻横梁的重量，一般做成箱形，在安装各种缸．柱塞及立柱的地方做成圆筒形，中间假设筋板，承载大的地方筋板较密，以提高刚度，降低局部应力。合理地布置筋板，可以使横梁重量轻，又有足够强度和均匀的刚度。筋板一般按方格形或辐射形布置。

3

40.1P m P e F

d

σ=

+合2

222

3

3

2

6

6

45

3

2

5

49.5 2.83100.10.19.585110

0.2511010

(

)108.921040.1 2.8310

8.5

150010h h F d cm

d

cm P m P e p a p a

F

d

p a

ππσσ∴===?=?=????=

+=+

?=??∴≤?50.02100100 1.052

95

r d D d

====

横梁由铸造或焊接制成YB32-100C用的是铸造形式，采用的是ZG35B铸钢，在设计铸造横梁的时候，应注意使各部分厚度没有突然的变化，以避免不均匀冷却而产生内应力，在各处连接过度区应有较大的圆角。

横梁的宽边尺寸由立柱的宽边中心距确定，上横梁和动横梁的窄边尺寸应尽可能的小些，以便锻造天车的钓钩容易接近液压机的中心。梁的立柱空度一般是立柱直径的2.5到3.5倍，梁的中间高度则由强度来确定。

设计上、下横梁时，为了减轻重量，根据“等强度梁”的概念，设计时应该立柱导套处的高度小于中间截面的高度。但在过度区会有应力集中，过度去的应力比中间截面大2到3倍，考虑到YB32-l00C是个小型液压机，为了铸造方便，讲立柱导套处的高度设计成等于中间截面的高度，所以避免了连接处的应力集中。

在设计横梁时，因为是铸造制成的，所以应该正确设计与布置铸造工艺所需要的出砂孔。出砂孔的应力集中往往是横梁产生疲劳裂纹的发源地，这种情况在国内外均有发生。如一台100000KN模锻水压机的活动横梁，由于主传力筋上出砂孔边应力集中，产生裂纹，逐步扩展到上、下面板上，而使活横梁受到破坏。特别是作为等高梁，出砂孔边的应力集中，成为横梁强度的主要问题。

合理地选择出砂孔的位置．形状和大小，可以减少应力集中程度。例如，尽量避免在受力的主传力筋上开出砂孔，出砂孔的位置应远离应力最大的区域，出砂空不应开得过大，出砂孔的形状以圆形为好等等。如果必须在受力面上开出砂孔时，应加厚筋板，在空边加上加强圈，或在出砂工序完成后，将出砂孔用钢板补焊上，但应选择合适的焊接工序，以免焊后产生残余应力。可考虑在上．下面板上开出砂孔，而尽量避免在传力筋板上开孔。在维修时，必须注意在出砂孔圆圈L不用气割，以免孔圈表面受损害，而使应力集中更趋严重。

（二）上横梁

上横梁的结构如图，除有工作缸孔和立柱孔以外，有时两侧还需考虑安装回转缸和平衡缸。但是32-l00C不需要。在铸造能力许可时，有的中、小型单缸液压机将工作缸与上横梁铸在一起，YB32-100C的液压缸和上横梁是通过法蓝连接，所以不需要铸在一起。

上横梁立柱孔的配合间隙，原定为器，但在实际安装的时候，往往因为立柱的垂直度公差叠加（两立柱同时向里或者向外，对角线方向同时向里或向外偏差），而发生装不进的现象，所以对中小型液压机，应有1-2mm的间隙，不配合部分不加工，在直径上可扩大

50mm，而且下孔应比上孔的间隙略大些。在大型液压机上，则可家调整套。上横梁工作缸孔应做成圆形支撑筒形式如图2，以保证工作缸支撑面上有均匀的刚度，不至由于上横梁不均匀变形而使支撑反力局部集中，降低缸的使用寿命。工作缸孔的配合采用，为了便于安装，下孔的直径应比上孔大10-20mm。

由于上横梁变形和吊缸螺钉产生港的上下窜动，而使上横梁与工作缸的法蓝的支撑接触面出现压陷现象，破坏了接触精度，形成圆周方向上的不均匀局部接触，局部支撑反力过大，导致缸的早期破坏。因此使用时经常注意拧紧松脱的螺母。为了考虑维修时常需要重新车销此接触面。此出应设计成凸台，凸台高度应满足几次的重车量，每次约为3-5mm，高度一般为10-20mm。

（三）活动横梁

活动横梁与工作柱塞相联接，起接触部分应有足够的承压应力，一般把柱塞的筋板设计成圆筒形或方格形。为了防止工作缸漏出的液体积存于活动横梁中，上盖般应该设计成封闭的，并能使积水胜利排出。

（四）下横梁

下横梁也称底座，它通过支座支撑于基础之上，下横梁上一般安装有移动工作台，有的液压机尚装有顶出器，下横梁的两侧一般还有侧梁，以便安装有移动工作台的缸。导向块及拉带等。侧梁用螺栓及键与下横梁想连接。下横梁窄边的宽度应保证能放下马架，不致使马架落到侧梁上。下横梁的刚度要求略严一些，以保证整个压机的刚性。

2.3.7横梁的强度与刚度计算

（一）强度计算概述

由于横梁是三个方向上尺寸相差不太多的箱体零件，用材料力学的强度分析方法不能全面地反映它的应力情况。目前在进行一般的设计计算时，还只能讲横梁简化为简支梁粗略的进行计算，而将许用应力取得很低。

按简支梁计算出的横梁中间截面的应力值和该处实测应力值比较接近，（表2-2），因此，作为粗略计算，这种方法目前还是可行的，但无法精确的计算应力集中区的应力。

表2-2上梁中间截面最大应力实测值与近似计算值比较表

空间有限单元法的发展提供了较精确地计算横梁各部分应力的可能性，如可按板系结构来编制计算程序。

（二）刚度要求

当上、下横梁刚度不够时，会给立柱带来附加弯矩。上梁刚度如太小，或两个方向上刚度不一样，在承受载荷时，上梁和工作缸法蓝的接触面会形成局部接触，使工作缸过早损坏。一般，对横梁的刚度要求为立柱间每米跨度不超过0.15mm 。由于横梁都是跨度比较短而高的梁，因此在计算挠度时，除了考虑弯矩引起的挽度外，还应必须考虑由于剪力引起的挠度。

校核YB32-100C 的上横梁的强度和刚度根据该液压机的结构尺寸画出上横梁的受力简图（图2-5），其中：

图2-5

2、由于梁的中间截面弯矩最大，截面也比较薄弱，故主要校核中间截面的强度。该梁中间截面的形状与尺寸可简化成图2- 所示的等效截图。

3、间截面的最大弯矩

4、计算中间截面惯性矩，在简化成效截面后，先分成若干个小块矩形面积，此时把它划分为五块，先计算截面对底边W-W 轴的惯性矩Jw 。

式中J0——每块矩形面积对本身形心轴的惯性矩

bi —每块矩形面积的高度（cm ）

6

68.45108.45103230100P N Q N D d cm

a cm l cm

=?=?====66

m ax

1()(4.231388.4560)10.109010.22p D M

Q a N cm N cm π

=

-+?=?+??=?0w k

i i

J J S a =

+∑∑

3

4

01()

12

b i J cm h =

hi —每块矩形面积的高度（cm ） si —每块矩形面积对W-W 轴的静面矩 Fi —每块矩形的面积（cm 2） Ai —每块矩形面积到W-W 轴的距离

再求出整个截面的形心轴到W-W 轴的距离h1

为了方便，可用表格辅助计算：

5、分别求出中间截面最大应力值，进行强度校核，最大压应力为：

最大拉应力为：

均小于铸钢横梁的许用应力。 6、核算中点挠度f 0

式中E=2.1×107N/cm 2

J Z =19.04×106cm 4 F=6869cm 2

1i

S h F i

=

∑∑5664

0 4.0391058.591062.6310w k

i i J J S a cm

=

+=?+?=?∑

∑

154854079.66859

i

S h cm

F i

=

=

=∑∑212

6

2

8

4

1

16079.580.562.631079.5689619.0410z w i

h h h cm J J h F

cm

=-=-==-=?-?=?∑

25

m ax

1

6

10901079.54500/4551019.0410

y

z

M

h N cm pa

J σ

??=

=

==??6

2

5

m ax 2810901080.54600/4601019.0410

L z

M h N cm pa

J σ??=

=

==??3

2

2

3

2204[16(

)4(

)][1()4()]{[12()]}48834pl

D

D

Q al

a d K pl D

f Q a E J

L

L L

E J

l l G F l

ππππ=

-++

-

-++-6

2

8.0810/2(1)

E G N cm

?=

=?+

K 值可按近似公式

来进行计算。b=34cm

F=6896cm 2

S=F1a1+F2a2+F0a0=1216×72.5+164×62.5+2057×30.3=160700cm 3 因此

以上各值代入上述挠度计算公式得

其中最后一项为剪力引起的挠度，占总挠度50%，可见当梁的跨度比较短，截面高度比较大时，不能忽略剪力对挠度的影响。

7、相应挠度

比许用值大，刚度较差，强度方面是安全的。

S F

K b J

=6

3

2

3

07

6

6

22

2

7

6

6

6

6

8.4510340

101.5101.5[16()4(

)]48 2.11019.0410

3.14340

3.14340

8.451060340

4

60

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总结

参考文献

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