缸梁一體式液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

王仲仁，王小松， 戴 昆，謝 斌

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.青島宙慶工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266111；3.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

缸梁一體式液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

王仲仁1，王小松1， 戴 昆2，謝 斌3

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.青島宙慶工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266111；3.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

缸梁一體式液壓機(jī)是一種液壓缸與上橫梁合為一體的新型壓力機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)為：取消了上橫梁，壓機(jī)質(zhì)量減小且高度低，制造成本較低，便于運(yùn)輸；半球形液壓缸兼梁的作用，作用面積可以增大3～5倍，對于同樣外輪廓的壓力機(jī)能給出6～8倍的公稱力，特別適合于千噸以上壓力機(jī)的制造與應(yīng)用，為制造超大型液壓機(jī)提供了一個(gè)新思路。文章重點(diǎn)對半球式液壓缸與圓筒式液壓缸的受力進(jìn)行了對比分析，還介紹了50MN～900MN的缸梁一體式壓力機(jī)的相關(guān)尺寸。

機(jī)械制造；結(jié)構(gòu)分析；液壓機(jī)；缸梁一體

1 機(jī)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

缸梁一體式液壓機(jī)是與傳統(tǒng)的三梁四柱式液壓機(jī)（圖1）結(jié)構(gòu)不同的一種新形式液壓機(jī)[1，2]，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，圖3為其三維示意圖。它與傳統(tǒng)的三梁四柱式液壓機(jī)有以下不同：

（1）液壓缸兼作上梁，它的法蘭直接與機(jī)身相連，因而省去了受力復(fù)雜且很重的上梁。

（2）半球形液壓缸是缸梁一體式液壓機(jī)最有特色的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的液壓的液壓缸一般為圓筒形，前者受力遠(yuǎn)好于后者。

（3）液壓機(jī)無立柱，機(jī)身類似機(jī)械液壓機(jī)的機(jī)身，剛度好。

2 半球形液壓缸與圓筒形液壓缸的受力對比

半球形液壓缸是缸梁一體式液壓機(jī)最具特色的部件，其受力如圖4所示。在力學(xué)上，當(dāng)構(gòu)件的直徑與厚度之比大于20時(shí)按薄壁容器處理，此時(shí)受內(nèi)壓P的作用，沿殼體厚度上的應(yīng)力是均勻的，對于球殼,緯向應(yīng)力σρ與經(jīng)向應(yīng)力σθ相等，可由下式表示：

式中：d——半球直徑；

t——?dú)んw壁厚。

習(xí)慣上，對于受內(nèi)壓厚壁容器，在力學(xué)上通常按照無彎矩處理，因此，外層與內(nèi)層的應(yīng)力相同，而對于圓筒形液壓缸，受力很不均勻，在高應(yīng)力處易引起破壞，對此在文獻(xiàn)[2]中，對液壓缸的可能損壞部位、損壞的形式及發(fā)生過程曾有過生動(dòng)的描述：

液壓缸損壞的部位多數(shù)在在法蘭與缸壁連接的圓弧部分，其次在缸壁向缸底過渡的圓弧部分，少數(shù)在圓筒筒壁產(chǎn)生裂紋，也有因氣蝕嚴(yán)重而破壞的，從液壓缸使用情況來看，一般在損壞時(shí)都已承受了很高的工作加載次數(shù)（20萬～150萬次），裂紋是逐步形成和擴(kuò)展的，屬于疲勞損壞。

（1）缸筒筒壁，一般裂紋首先出現(xiàn)于內(nèi)壁，逐漸向外發(fā)展,裂紋多為縱向分布，或與缸壁母線成45°；

（2）缸的法蘭部分，如圖5所示，首先在缸法蘭過渡圓弧處的外表面出現(xiàn)裂紋，逐漸向圓周方向及向內(nèi)壁擴(kuò)展，最后裂透，或者裂紋擴(kuò)展到螺釘，使法蘭局部脫落，個(gè)別嚴(yán)重情況，甚至?xí)剡^渡圓弧處法蘭整圈開裂而脫落；

（3）缸底，首先在缸底過渡圓弧處的內(nèi)表面開始出現(xiàn)環(huán)向裂紋，逐漸向外壁擴(kuò)展，乃至裂透。

對于較長的液壓筒，其中間部分是一個(gè)等厚度承受均勻分布內(nèi)壓的厚壁圓筒，除有軸向拉應(yīng)力σz外，尚有由內(nèi)壓p引起的徑向壓應(yīng)力σr（內(nèi)壁最大，向外逐漸減小，到外壁時(shí)為零）和切向拉 應(yīng)力 σt（內(nèi)壁最大，向外逐漸減?。?，是三向應(yīng)力狀態(tài)（圖6）。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，圓筒段任意一點(diǎn)的三向主應(yīng)力值分別為：

由式（2）～式（4）可見，切向應(yīng)力 σθ最大，分布如圖6所示。由圖中可見，筒壁的切向應(yīng)力分布很不均勻，在內(nèi)壁最大是造成由內(nèi)向外開裂的主要原因。按照米賽斯屈服準(zhǔn)則，合成后的最大當(dāng)量應(yīng)力為：

還應(yīng)當(dāng)指出的是，對于傳統(tǒng)的圓筒形液壓缸，缸底與筒身過渡部分因?yàn)閳A角半徑遠(yuǎn)小于液壓缸的半徑，導(dǎo)致該處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的部位，如圖7所示，它也是最危險(xiǎn)的部位。而對于半球形液壓缸由于是平緩過渡，無應(yīng)力突變，無疑受力要好于圓筒形液壓缸。

3 缸梁一體式液壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

與三梁四柱液壓機(jī)相比缸梁一體式液壓機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于液壓缸為半球殼體，受力均勻，它比傳統(tǒng)的圓筒形液壓缸主要優(yōu)點(diǎn)是：①對同一直徑同一厚度內(nèi)壓高一倍[3～4]，由此可以理解高壓容器多用球形。②半球形液壓缸過渡圓滑，而圓筒形液壓缸底部與直筒的過渡部分有應(yīng)力集中，這是造成該處開裂的主要原因（見文獻(xiàn)[2]p170，“在法蘭圓弧過渡部分或缸底圓弧過渡部分產(chǎn)生疲勞裂紋”）。因此，半球形液壓缸實(shí)際上比同厚度同直徑的圓筒形液壓缸能承受的工作壓力要大一倍。

（2）由于液壓缸為半球殼體兼做上橫梁，受力均勻而彎曲應(yīng)力幾乎可忽略。傳統(tǒng)三梁四柱式液壓機(jī)上橫梁承受較大彎曲應(yīng)力，且各處應(yīng)力分布差別很大，而按設(shè)計(jì)規(guī)范且最大應(yīng)力又必須小于許用應(yīng)力，勢必增大梁的高度。美國曾經(jīng)計(jì)劃建造20萬噸模鍛液壓機(jī)在所有的設(shè)計(jì)方案中“上橫梁的高度均超過10層樓”[4]。所以，從整體上看三梁四柱（或多柱）式液壓機(jī)的材料強(qiáng)度利用率很低。

（3）對于同樣外輪廓尺寸的液壓機(jī)，可以使液壓缸的作用面積增大3～5倍，相應(yīng)的壓機(jī)噸位可提高6～8倍。表1給出了不同噸位缸梁一體式液壓機(jī)的半球直徑、柱塞直徑、半球壁厚的計(jì)算結(jié)果。

（4）液壓機(jī)總質(zhì)量與制造成本可大幅降低。

（5）便于制造和運(yùn)輸，這對巨型壓機(jī)來說尤為重要。

但是缸梁一體式液壓機(jī)不適合作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙動(dòng)壓力機(jī)，原因是沒有獨(dú)立的上橫梁，不便于安裝很多液壓缸。

4 缸梁一體式液壓機(jī)的幾種可能的應(yīng)用范圍

①厚板沖壓，包括厚板封頭的壓制。②各類大噸位合模壓力機(jī)，用于內(nèi)高壓成形，粉末熱等靜壓，粉末冷等靜壓。③航空大型模鍛件等溫鍛（鋁合金及鈦合金薄腹板高筋件）。④護(hù)環(huán)冷擴(kuò)孔。⑤大面積地磚與層板的壓制。

表1 缸梁一體式壓力機(jī)的公稱壓力、半球缸直徑與球殼壁厚計(jì)算表格

[1]王仲仁，苑世劍，王小松，等.缸梁一體式壓力機(jī).中國發(fā)明專利申請?zhí)枺?010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陸.液壓機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:21.

[3]苑世劍.現(xiàn)代液壓成形技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[4]王仲仁，張 琦.省力與近均勻成形—原理與應(yīng)用[M].北京:高教出版社，2010.

[5]W.柏，R.布迪納斯（美）.羅氏應(yīng)力應(yīng)變手冊.岳珠峰，高行山，澤.科學(xué)出版社，2006.

Analysis of the structure characteristics for hydraulic press with unity of cylinder and beam

WANG Zhongren1，WANG Xiaosong1，DAI Kun2，XIE Bin3
（1.Harbin Institute of Technology，Harbin150001，Heilongjiang China；2.Zhouqing Industry Design Co.,Ltd.,Qingdao 266111，Shandong China；3.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，Jiangsu China）

The hydraulic press with unity of cylinder and beam （HPUCB）is a new kind of press.It's advantages include as follows:The weight and height can be evidently decreased without upper beam,which cuts down the manufacturing cost and transporting fee.The action area of semispherical hydraulic cylinder in HPUCB has been enlarged 3-5 times compared to that in the traditional press,which causes the capacity of the HPUCB can be enlarged about 6-8 times than the traditional press with same contour.The HPUCB puts forward a new way for manufacturing large capacity press over 10MN.The mechanics analysis of semispherical hydraulic cylinder and traditional cylinder has been compared in the text and the main dimensions of semi-spherical cylinder for HPUCB from 50MN to 900 MN have been introduced.

Structure analysis；Hydraulic Press；Unity of Cylinder and Beam

TG315.4

B

1672－0121（2011）06－0022－03

2011-09-12

王仲仁（1934-），男，教授，博導(dǎo)，從事塑性工程技術(shù)的教學(xué)與研究