315t通用液压机本体设计开题报告.docx

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315t通用液压机本体设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告

1选题背景及其意义

1.1选题来源及课题相关的基本情况

本次选题是自选课题,部分资料来源于上海市知识服务平台项目“大型铸锻件制造技术产学研中心”。

本课题的设计参数为该项目中正在建设的一台315t通用液压机。

本题所选择的四柱式万能液压机主机为三梁四柱结构.适用于常见塑性材料的挤压、弯曲、折边和拉深等；同时也可用于各种塑料、粉末制品的压制成形。

可实现定程、定压二种成形工艺，并具有保压延时等性能，应用广泛、经济性好。

1.2本选题的理论或应用价值

液压机是一种利用液体压力来传递能量,以实现各种压力加工工艺的设备，是在锻压生产非常广泛的基础设备之一,用它可以进行基本上所有的锻压工艺加工。

比如板材冲压、弯曲整形、冷热挤压、模锻、压装校正、塑料及粉末压制成形、打包压块等。

液压机还能完成一些其它锻压机械很难实现的工艺的要求,比如:

因为液压机可以得到很长时间的保压,所以会适用于纤维板、绝缘材料、高压合成新材料和热固性塑料的制造;还有液压机能在全行程上发出其公称压力,所以能适用于材料挤压成形、轮轴压装、深拉伸成形等;由于液压机传动方便、结构紧凑、比较容易向大型化和超重型发展,所以也适用于超高压挤压成形甚至金刚石的合成等。

此外,液压机在使用中能够使行程、压力和速度在比较广泛的范围内完成无级调整,工作的行程量大,过载保护比较安全和可靠,且机身结构布局灵活,三化程度也较高,变型容易,制造方便容易。

因此,液压机在国民经济各个部门中得到日益广泛的应用。

而且在许多的科研单位和企业工厂里面也可以看到有着大小、结构、作用都各不相同的液压机在完成各种压制或者是成形工艺。

特别是随着材料工业和少、无切削工艺发展,液压机的应用就更加的重要了,在近净成形方面起着非常重要的作用，是发展绿色制造的一种重要方式[1,2]。

综上可以看出设计制造液压机的水平已然已经成为衡量一个国家工业水平的重要标准。

基于上述背景，深入研究液压机的设计、制造及应用至关重要。

而作为即将毕业的本科生，独立设计一台最为经典的“315t三梁四柱式通用液压机”正是学习、研究液压机的开始。

本课题针对材料成型及控制专业的学生，要求完成一台锻压设备设计，培养学生将大学所学知识综合运用去解决实际问题的能力。

通过设计，使学生具备对产品进行功能分析和结构分析的能力，能够查阅相关资料和文献，能够根据所学知识进行结构设计计算、设计出工艺性较好的工作零件等，学生还应能够使用设计软件设计设备结构总装图和零件图，最后完成设计说明书。

1.3相关研究领域的现状和研究进展分析

早在1662年，帕斯卡就发现了利用液体能产生很大的力量。

随着西方资本主义的发展，蒸汽机的出现，引起了工业生产的革命。

现代化的大工业逐步代替了工场手工业，具有悠久历史的锻造工业也逐步由手工锻造转变为机器锻造。

1795年，英国约瑟夫布拉曼（JosephBra-man，1749－1814）在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。

1893年第一台蒸汽锤出现。

此后，于1859年～1861年维亚纳铁路工场有了第一批用于金属加工的7MN、10MN和12MN液压机。

1884年在英国曼彻斯特使用了锻造钢锭的锻造水压机，自此锻造液压机的发展很快，仅在1887～1888年就制造了一系列的锻造水压机，其中包括40MN的大型水压机。

1893年建成了当时最大的120MN锻造水压机。

从此，锻压水压机逐步取代了自由锻锤而成为主要的锻造设备。

经过一个世纪的发展，自由锻造液压机已经能够满足国防和国民经济的需要，仅万吨级自由锻造液压机就达33台（现存的约23台），其分布如下。

前苏联共留下6台（最大150MN）。

日本有3台，分别是日本制钢所（JSW）室兰工厂有一台140MN自由锻水压机，配有4000KN·m锻造操作机;神户制钢（KOBE）高砂工厂有一台130MN自由锻造液压机，日本铸锻钢株式会社（JCFC）有一有105MN自由锻液压机。

法国有2台，其中一台是SFARsteel公司（已被阿海珐收购）的113MN自由锻液压机。

美国2台，最大压力126MN，其中一台是莱赫重型锻造公司的100MN自由锻液压机。

1961～1964年，前苏联为了发展航空航天工业，制造了6台大型模锻液压机。

其中HKM3（新克拉马托）重机厂为古比雪夫（萨马拉）铝厂和乌拉尔上萨尔达冶金生产联合厂分别制造了一台750MN模锻液压机;Y3TM（乌拉尔重机厂）、HKM3（新克拉马托）重机、西伯利亚重机厂也各自制造了一台300MN模锻液压机;同时，HKM3（新克拉马托）重机厂还制造了一台150MN模锻液压机。

1961年，美国喀麦隆钢铁公司一台180MN多向模锻液压机投产。

1964年，德国建造的300MN模锻液压机投产。

1967年，美国喀麦隆钢铁公司一台300MN多向模锻液压机投产。

1972年，瑞典建造了800MN新型钢丝缠绕结构模锻液压机，安装于AB卡鲍克斯分公司。

1976年，前苏联HKM3（新克拉马托）重机厂为法国AD公司制造的一台650MN模锻水压机投产。

总之，发达国家通过关闭旧设备，采用新技术、新设备新建一批液压机，结构调整，并逐步走向合理。

如美国、英国、德国、意大利关闭10多家大型铸锻件生产厂，关闭、拆除10多台60MN以上自由锻水压机，其中美国有60MN、120MN、140MN等3台，英国有2台60MN，德国有90MN和2台60MN、意大利80MN、120MN等在20世纪90年代后，由于发达国家重工业生产不景气，成套设备市场处于饱和状态，造成大型锻件市场紧缩，竞争激烈，再加上油价上涨、劳动力不足、严格执行环保法规，这些棘手问题困扰着大型锻件的生产发展。

随着电子技术的迅猛发展，各国将锻造液压机和锻造操作机联动机组、大型模锻液压机、可靠性、自动测量和自动控制广泛用于锻造液压机，机械化和自动化程度大大提高[3,4]。

国内锻压机现状：

国内建造大型模锻液压机启动较早，早在1982年由第二重型机器厂设计制造安装于重庆西南铝加工厂100MN多向模锻水压机就已投产，随后中国的大型、超大型模锻液压机就沉寂了二十多年。

随着大型自由锻液压机的建成投产，大型、超大型模锻液压机也进入了发展高峰。

天锻压力机有限公司为红原锻铸工业公司制造的100MN等温锻造液压机，苏州昆仑先进制造技术装备有限公司建成300MN模锻液压机，如图2所示。

在建的有苏州昆仑先进左右。

这些在建的万吨级的锻造液压机按照计划将在2014～2015年间相继建成，届时，中国将成为名副其实的锻造液压机大国。

国内建成和在建的大型、超大型锻造液压机具有如下特点:

（1）自由锻和模锻液压机的数量均居世界之首，将成为世界锻造大国。

（2）锻造液压机的数量、规格和类型趋于合理。

自由锻液压机从100～200MN已经形成系列;国内的锻造液压机类型亦将趋于齐全，将拥有自由锻液压机、模锻液压机、等温模锻液压机和多向模锻液压机，改变原来单一的自由锻和模锻现象。

（3）国产化程度大幅提高。

建成和在建的大型、超大型锻造液压机除洛阳中信公司的185MN自由锻液压机是进口国外设备，某公司在建的200MN自由锻液压机由国外设计、联合制造以及一重和二重的150MN、160MN的液压和电气系统由国外设计制造外，其余建成或在建的锻造液压机全部具有我国完全自主的知识产权，这标志着国内设计制造大型、超大型锻造液压机的水平已接近世界水平。

（4）自由锻液压机采用了三梁四柱全预应力框架结构和上推式油缸结构;而模锻液压机的结构形式多样化:

有三梁四柱全预应力框架结构（多为200M以下的大型模锻液压机）、板框式结构（二重的800MN模锻液压机）和钢丝缠绕式框架结构（多由清华大学设计、多用于300MN以上的模锻液压机）;其油缸多为上推式安装方式。

（5）液压系统多采用油控系统，除一重、二重的150MN吨级的自由锻液压机采用泵－蓄势器传动水控系统外，几乎全部采用油泵直传和油控系统，有的甚至采用了油泵直控的液压控制系统。

（6）液压系统工作介质压力由高压向超高压发展，有的可高达63MPa。

（7）锻造力趋于极限，某公司在建的200MN自由锻造液压机将居全球自由锻液压机之首。

昆仑先进制造技术装备有限公司在建1000MN模锻液压机当居世界之首，而且1600MN的模锻液压机的设计也已经完成[5]。

国内锻造液压机展望：

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项确立的目标是，“到2020年航空航天、船舶、汽车和发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%以上立足国内”。

锻造液压机则是广泛应用于上述四大领域的不可或缺的关键设备之一。

未来锻件在国民经济瓶颈行业相关的设备制造发展空间较大。

石油化工设备、煤矿采掘设备、发电设备、铁路设备、清洁能源设备、管道运输设备投资需求的快速扩张对锻件特别是大型模锻件有较大需求，也给锻造液压机的快速发展带来了机遇。

事实也确如此，二十多年来，在四大支柱产业的带动下，我国锻造行业取得了长足的发展，我国的锻造液压机在数量上和锻造能力均居世界之首，是锻造液压机设计制造大国，但是还不是强国，我们与发达相比还有较大的差距:

（1）自动化程度低。

大部分操作包括产品运输依然依靠人工完成，特别是上世纪建成的大型模锻液压机尤甚。

（2）可靠性低。

国家重大专项提出至2015年，机床的可靠性要达到“平均无故障时间（MTBF）达到1500h”。

已建成的大型锻造液压机与这一目标还有一定的距离，有一部分锻造液压机仅仅处于能够使用的程度，故障率较高，压机精度低，导致了锻件的尺寸精度和表面质量差[6]。

1.4在本选题领域中国内外研究成果简述

图

（1）即为当时仿制苏联四十年代的产品,100吨四柱式万能液压机。

其主机结构笨重,泵阀元件落后,占地面积很大，操作非常费力。

经过多年来数次改进,已经彻底改变了原来产品的面貌。

我国现在所生产的100吨四柱式万能液压机已是自行设计的产品,机身重量较原来减轻了三分之一,动力机构采用国产新型高压油泵,操作方式也由沉重的手动开关阀变为按电钮控制,实现了半自动化操作[7]。

图100吨万能液压机

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。

作为液压机两大组成部分的主机和液压系统,由于技术发展趋于成熟,国内外机型无较大差距。

主要差别在于加工工艺和安装方面。

良好的工艺使机器在过滤冷却及防止冲击和振动方面有较明显改善。

在油路结构设计方面,国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计。

插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。

国外已开始广泛采用封闭式循环油路设计。

这种油路设计有效地防止泄油和污染。

更重要的防止灰尘、污物、空气、化学物质侵如系统延长了机器的使用寿命。

由于加工工艺等方面的原因,国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。

在安全性方面,国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件进行故障的检测和维护,如BRO确叹BOGGS产品可实现负载检测、自动模具保护以及错误诊断等功能[8]。

1.5本选题的主要研究内容、重点和特点

1.5.1主要研究内容

本课题主要是设计315t三梁四柱式液压机的本体结构（类似于图2）。

结合已有液压机类型及资料进行设计的结构分析及优化，其中包括对液压缸、立柱及横梁的设计。

主要技术参数如下：

（1）公称压力：

3150KN

（2）顶出力：

630KN

（3）滑块行程：

800mm

（4）净空高：

1250mm

（5）顶出行程：

200mm

（6）有效台面尺寸：

1260mm×1200mm

本着满足生产要求、具有足够刚度强度、有良好的经济性和较长使用寿命等原则，主要得出以下拟解决的问题：

（1）对315t液压机进行结构分析及确定本体设计方案，主要是对液压缸、横梁、立柱的结构、形式及尺寸确定。

（2）对液压缸底及法兰部分进行强度校核，法兰部分需重点校核。

（3）对立柱、横梁（重点）部分的强度校核。

图2315t四柱式万能液压机

1.5.2课题关键问题及难点

本课题的关键问题是：

（1）总体结构型式的比较与选择。

（2）机架、横梁、立柱、液压缸等主要部件的结构设计与计算。

（3）整体机架的预紧设计。

（4）标准件、常用件的选用。

（5）零部件设计的加工工艺性分析。

难点主要有：

（1）液压缸的结构尺寸的确定，从液压缸缸壁到法兰的过度圆弧部分的尺寸设

计（尤其注意防止应力集中）；

（2）横梁的结构设计与力学强度的校核；

（3）液压机装配图的绘制；

（4）在大学课程没有学过液压机课程，需要参考更多的资料。

2．研究方案及目标

2.1技术路线

（1）文献检索及实地调研

（2）准备开题报告答辩

（3）然后先设计液压缸并校核

（4）然后设计梁的结构

（5）制定梁的参数并校核强度

（6）设计立柱形式

（7）制定立柱参数并校核

（8）画总装配图

（9）画零件图

（10）制定设计书

（11）最终答辩。

2.2要解决的主要问题及预期目标

2.2.1总体结构型式的比较与选择

通常总体结构形式有铸造和焊接两种。

焊接可以使总体结构变得比较轻，而焊接则比较污染环境。

综合考虑选择焊接[9]。

2.2.2机架、横梁、立柱、液压缸等主要部件的结构设计与计算

机架:

立柱螺纹和螺帽将上下横梁固定紧,再加上四根立柱形成一个刚性的受力机架。

横梁：

横梁包括上横梁（图3）、下横梁（图4）和活动横梁。

横梁就通常设计成上、下封闭的箱型结构件，在安装各种缸、活塞及立柱处一般做成圆筒形，并用筋板与横梁面板相连。

在承受较大处，筋板较密以提高横梁刚度，降低局部应力。

筋板多布置成网格形或辐射型。

此外，结构设计应考虑到起重与清砂的方便。

上横梁的断面分布因根据受力情况来考虑，一般梁的中间靠独角两端稍高。

在立柱中心较小时，为了便与加工，常设计成等高梁。

与立柱链接部位的高度，虽受力较小，一般也不小于中间高度的二分之一。

图3上横梁结构图图4焊接工作台结构图

立柱：

考虑到主柱的作用不但要支撑上梁与油缸，承受工作拉力，还要对活动横梁起导向作用，故设计时选择材料要兼顾，强度要求与耐磨性能的平衡，一般采用45钢镀一层硬铬。

由于立柱一端要固定在工作台上，另一端要用于固定上横梁，所以在立柱两端都车有螺纹，并且有一个定位台阶。

液压缸部件：

活塞式液压缸，此结构在中小型油压机上广泛应用。

活塞式液压机可以两个方向作用，即能完成工作行程又可以实现回程，因此简化了液压机的结构，但活塞在运动的两个方向都要密封。

而柱塞式液压缸广泛用于工作缸、回程缸及平衡缸等处。

它结构简单，制造容易但只能单方向作用，反方向则需要回程缸来实现。

综合考虑选用活塞式液压缸[10]。

液压缸用法兰部分支撑安装在横梁上，由缸体法兰的环形上表面与横梁配合，且液压缸分为缸底、缸筒，法兰部分三部分焊接而成，此三部分的加工方法采用锻造。

2.2.3整体机架的预紧设计

空心柱两端分别插入上、下横梁的两个孔中，立柱外伸螺纹拧入预紧液压缸的活塞上，通过手压泵压入压力油。

施加预紧力之后拧紧螺母使其形成一个刚性的框架。

这种结构在立柱受力最大的部分没有螺纹、凸台等，因而没有应力集中区。

从手里的角度看，立柱应力变化实际上大大减少，因而当压机卸压时立柱应力只降道预应力值。

另外，虽然应力受载荷时伸长，同时空心柱承受的压应力减小，但仍有足够的残余应力，即有足够的压缩量，故横梁与空心柱端面之间不可能出现间隙，因而提高了框架的刚性和放松能力。

立柱选用加热预紧[11]。

2.2..4液压缸结构尺寸计算

活塞直径：

工作液压缸活塞直径的确定。

cm（注：

液压缸工作压力取32

Pa）（2-1）

将d圆整为标准直径d=360mm（查表2-1，JB2001-76）

液压缸内经D为D=d+

=2r

为缸内壁与活塞间在直径上的间隙，铸钢液压缸取20～40mm,

所以取液压缸直径为40cm

液压缸外径：

（取

=135MPa，适合于32

Pa，对于35钢。

实际的工作压力：

主压力：

回程压力：

P=

（许用挤压引力可取为80MPa，当横梁为铸钢时）

若倒角为0.2时，

cm

取

（法兰直径）

cm

取t=12cm,h=12cm,

5cm,R=1.5cm.

2.3要达到的预期目标

按前述技术参数进行315t通用液压机本体设计，绘制总装图和主要零件图，撰写设计说明书。

完成包括总装配图、上横梁零件图、滑块零件图、主缸部件图、缸体零件图在内的图纸不少于2张A0,主要零件图总图幅不少于一张A1；

设计计算说明书不少于1.5万字。

3．进度计划

2013年12月----2013年1月：

找到相关资料，开始熟悉了解课题。

（一周）

2013年12月----2014年1月：

查阅资料，完成开题报告。

（两周）

2014年1月----2014年2月：

开始着手三梁四柱式液压机总体方案的设计及其他参数的确定。

（五周）

2013年2月----2014年3月：

修改、完善开题报告。

（一周）

2014年3月----2011年4月：

制作三梁四柱式液压机装配图、零件图绘制还有三维建模（五周）

2010年4月----2011年5月：

修改完毕，准备答辩。

（一周）

4.参考文献

[1]朱机、张志、张道富、李庆亮、司徒忠,国内外液压机技术现状及发展趋势[J]，《机

床与液压》200001

[2]郑文达，权晓惠，李俊辉锻造液压机的现状及其展望[J]中国重型机械研究院有限公司，陕西、西安2012

[3]俞新陆，液压机[M].北京：

机械工业出版社，1990

[4]蔡墉,我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程[J],《大型铸锻件》2007

[5]刘立新，我国液压机技术的发展简介及趋势[J]，《宁夏机械》2009年第4期

[6]徐刚、鲁洁、黄才元，金属成形（锻压）机床的发展趋势锻压装备及控制技术2005.（3）

[7]机械设计手册编委会，机械设计手册[M]，北京：

机械工业出版社，2004

[8]俞新陆，液压机的结构与控制[M]，北京，机械工业出版社，1989

[9]GLAMARai-lBoundForgingManipulator[EB/OL].[2007-05-31].

[10]天津锻压机床厂，中小型液压机设计计算[M].天津：

天津人民出版社，1977

[11]Manipulators-Forging[EB/OL].[2007-05-31].

5．论文框架

论文框架主要由绪论、315t通用液压机本体设计要求、液压缸部件的设计、机架的设计和一些附属的装置的设计、结论、参考文献、致谢、附录等构成，提纲如下：

3.1315t液压缸活塞尺寸确定

6.指导教师审查意见及评语

指导教师意见

液压机是国民经济的基础性设备，其种类繁多，应用广泛，以液压机本体设计为毕业设计选题具有现实意义。

液压机本体结构复杂，设计过程中涉及到机械制图、画法几何、材料力学、理论力学、金属学和热处理、金属工艺学、机械设计、锻压工艺学、互换性技术、液压与气动传动、液压机、AutoCAD、信息检索等多门课程知识，以液压机本体设计为毕业设计选题是对学生的四年学业的综合训练和考评，符合学生的培养的目标。

本开题报告信息丰富，资料充分，显然进行过实地调查和资料调研，对金属压力加工领域和液压机的研究现状、进展和成果认识较为深入；毕业设计的目标明确，重点鲜明；研究方案和技术路线合理；进度计划安排紧凑，工作量饱满，可实施性强；所提论文框架全面、合理。

开题报告文笔流畅，写作思路清晰，在横梁等部件的有限元分析方面也有新意。

综上，经指导教师认真审核，同意开题。

指导教师签名：

年月日