液压机组合下横梁的连接螺栓组的设计计算.pdf

理论 ／ 研发 ， 设计 ， 制造 字木交； i ； i 液 压 机 组合 下 横梁 的 连 接 螺 栓组 的 设 计 计 算 李龙 ， 王艳红 。 胡晓龙 北 方重 工设计研究院 ， 沈阳 1 1 0 1 4 1 Ca l c u l a t i o n a nd De s i g n o f Co nn e c t i n g Bo l t s f o r t he Co mb i ne d Lo we r Be a m o f Hy d r a ul i c Fo r g i n g Pr e s s LI Lo n g ， W ANG Ya n - ho ng ， HU Xi a o - l o n g I n s t i t u t e o f D e s i g nR e s e a r c h ， N o r t h e r n He a v y I n d u s t r i e s Gr o u p C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 01 41 ， C h i n a Ab s t r a c t ．Fo r t h e c o n v e n i e n c e o f c a s t i n g ， ma c h i n i n g ， t r a n s p o r t i n g ， e t c ， t h e b e a m o f l a r g e s c a l e h y d r a u l i c f o r g i n g p r e s s h a s a l wa y s b e e n d e s i g n e d a s c o mb i n e d s t r u c t u r e a n d c o n n e c t e d wi t h p r e s t r e s s b o l t s ．Ac c o r d i n g t o t wo d i f f e r e n t wo r k i n g s i t u a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c f o r g i n g p r e s s ， t h e p a p e r c a r r i e s o u t t h e s t r e s s a n a l y s i s o f l o we r b e a m， t h e n c a l c u l a t e s a n d d e s i g n s t h e c o n n e c t i n g b o l t s ． Ke y wo r d s c o mbi n e d l o we r b e a m； l o we r h a l f - b e a m； p r e s t r e s s b o l t s ； n e u t r a l a x i s 大型 液压机 的下 横 梁通 常 比较 重 ， 多 达 3 5 0 t以上 ， 由于铸 造能力 、 加工 、 运输等 原因 ，一般情况下将 下横 梁设 计成 分 体 ， 通过预紧螺栓组进行 连接 。 如图 1 所示为组合下横梁的结构 ， 沿着液压机中心 线垂直于工作 台移动方 向剖分成左右两个半梁 ，构成下 横梁整体 ， 并用固定键承受锻造 时的剪 力并防止错移。螺 栓组用来平衡锻造力作用在下横粱而产生的弯矩。 1 下横梁的受力分析 下横梁的刚度 比较大 ， 可以按照简支梁进行计算 ， 支 点间距离为窄边力柱中心距。根据液压机的工况进行分 析 ， 图 2 a 为中心锻造工况， 此时下横梁 中性轴 以下部分 受拉 ， 中性轴以上部分受压。螺栓结合面处的弯矩为 P l 孚 图 2 b 为马架锻造工况 ， 此时下横梁 中性轴 以上部 分受拉 ， 中性轴以下部分受压。螺栓结合面处的弯矩为 肘 _ _P 一 睾 掣 二 二 二 叶 式 中， P _ 锻造力 ， N； ， J 一 马架 中心距离 ， mm； ／ 一 液压机窄边 力柱中心距离 ， B1 T I 。 2 螺栓组的受力分析 组合下横梁的两个半梁在螺栓预紧力 的作用下均 匀地压缩 ， 螺栓有均匀的伸长。 下横梁在锻造力的作用下 ， 在螺栓结合面产生最大 的弯矩 ， 对于连接 的螺栓组 ， 相 当 [ 2 ] E H S ANI M， G A O Y M， B U T L ER K L Ap p l i c a t i o n o f E l e c t r i c a l l y P e a k i n g H y b r i d E L P HP r o p u l s i o n S y s t e m T o A F u l l S i z e P a s s e n g e r C a r Wi t h S i mu l a t e d De s i g n V e r i f i c a t i o n l J j ． I E E E T r a n s a c t i o n OnV e h i c u l a r T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 4 8 6 1 7 7 9 - I 7 8 7 ． [ 3 ] 余志生． 汽车理论[ M] ． 北京 ； 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 3 2 0 8 0 ． [ 4] 宋建 国． 电动 汽车感 应 电机调速 控制 器的研 究 [ D] ． 北京 北京 理工大学 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 陈全世 ， 李摈． 混合动力 电动汽车 中电池特性 的研究 [ J ] ． 汽车技 术 ， 1 9 9 9 1 0 1 1 1 4 ． [ 6 ] E HS AN I M，e t a 1 ． Mo d e r n E l e c t r i c ，Hy b r i d E l e c t r i c ， a n d F u e l C e l l Ve h i c l e s F u n d a m e n t a l s ，T h e o r y，a n d De s i g n l M j ． US A CRC Pr e s s ，2 00 4 ． [ 7 ] 孙立 清 ， 白文杰 ， 王仁贞． 工况分 析法在 电动车辆设 计 中的应用 [ R] ／ ／ 第 十届 全国电动汽车年会 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ] 杨宏亮 ， 陈全世 ， 等． 混联式混合动力汽车控制策略研究综述 [ J lJ ． 公路交通科技 ， 2 0 0 2 1 1 0 3 1 0 7 ． [ 9 ] 彭 武． 昆合动力 电动轿车动力总成 控制策 略的仿真研 究[ D] ． 北 京 清华大学 ， 2 0 0 3 ． [ 1 0 ] 陈全世． 先进电动汽车技术 [ M] ． 北京化学工业出版社， 2 0 0 7 2 2 3 9 ． 编 辑 立 明 作 者 简介 仇秋 飞 1 9 8 2 一 ， 男， 硕 士 ， 主要研 究方向 为电动汽车动 力 系统、 汽车电子。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 3 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期l 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 字术交漆 理论 ， 研发 ， 设计 ／ 钳遣 于倾覆力矩 的 作用 。半梁绕 中性轴 z z有 倾 转 的 趋 势 ， 结合 面 中性轴 z z分 成诵 个 区域 ，受拉 区 域 和 受 压 区 域， 受拉区域 的螺栓被进一步拉伸 ， 半梁结合面被放松 ； 受 压区域的螺栓被放松， 半粱结合面被进一步压缩。 假设结合面始终保持平面， 半梁的受力f 觏 如图3 所示。 为计算简便 ，受拉区域的相互作用力以作用在各螺 栓中心的集中力代表，受压区域 的相互作用 力以作用在 受压区域形心 的集 中力代表。螺栓作用在半梁上产生的 弯矩和半梁受压作用面产生的弯矩与锻造力产生在结合 三 面处的弯矩平衡 ， 即 肚 E L ‰ 【斗 盯 l l 式 中 一 受拉 区域各螺栓的受力 ， N ； L 一 受拉区域各螺栓 中心到结合面中性轴 Z _ z的距离 ， m m； 、 盯 、 A 分别为受 压区域形心处 的作用 力 N 、 应力 M P a 、 受压区域 面积 m m ； a y 一 受压 区域形心到结合 面中性轴 z z的距离 ， ra m； n 一 受拉区域螺栓的数量。 根据受倾覆力矩的螺栓连接的受力规律 ，距中性轴 越远螺栓受力也越大 ，以 代表最大螺栓负荷 ， 代 表该螺栓到中性轴的距离。并且有螺栓的工作负荷与螺 栓 中心到中性轴的距离成正比。 即 L - 。 代人上式 L m a 得到距离中性轴最远端的受拉螺栓的工作负荷。 ∑ 』 一 ‘ l 根据各螺栓 的工作 负荷 系司 球 出各 ， ， 个 、 虫 的工 作负荷。 3 螺栓直径的确定 单 个预 紧螺栓的 受力 符合 力一 变 形 三 角 函数关 系 ，如 图 4 所示 。螺栓在受到工 作载荷之前 ，受到预 紧力 的作用 ，螺栓 受拉 ， 半梁受 到压缩 。 当 受 到 工 作 载 荷 F 后 ， 螺栓被进一步拉伸 ， 半梁结合面受压减少 ， 残余压 力 为 ， 为了保证结合面不开缝， 必须保证 F 1 ／0 。 对于工作 载荷不稳定的一般连接 ， 推荐 0 ． 6 1 ． 0 F 。 这样螺栓工 作时受到的总拉力 nF 。 或者根据变形关系得到 吩 KF 。其中 为螺栓的 相对刚度 ， 一般取 K 0 ．2 ～ 0 ． 3 。 求得 值后可进行螺栓 的强度计算 ，确定螺栓的直 径 。 考虑到螺栓在总拉力 的作用下可能需要补充拧紧 ， 5 8 l 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期 所以将总拉力增加 3 0 ％， 用来考虑扭转切应力的影响 ， 得 到 螺 栓 危 险 截 面 的 直 径 为 d ／ 尘 辨 V 盯 L J 式中， [ ] 为螺栓材料的许用应力。 按照螺纹的标准可 以根据 d 确定螺栓的直径 。然后 可以校核螺栓的预紧力是否合适 ， 校核受压面是否压溃， 校核受拉面是否开缝 。 4实例 下面以 1 0 0 MN液压机 的组合下横梁为例计算连接 螺栓 。根据下横梁的结构设计有 3 排螺栓 ， 每排 5 个 ， 从 上到下为 1 、 2 ． 3排列。在中心锻造时 ， 结合面中性轴以下 部分受拉 ， 以上部分受压 ， 根据前述可 以确定 2 、 3 排螺栓 的直径。在马架锻造时 ， 结合面中性轴 以上部分受拉 ， 以 下部分受压 ， 根据前述可以确定 1 排螺栓的直径。计算结 果见表 1 。 表 1 计算项目 中心锻造 马架锻造 锻造力P ／ MN 力柱中心距l／ m r n 马架中心距L ／ m m 结 合面弯 矩M ／ N m 受压区域对中性轴的弯矩M ， N m 1 、 2 、 3 排螺栓到中性轴的距离L ／ m m 1 排螺栓受到的工作载荷 N 2 、 3 排螺栓受到的工作载荷 N 保证结合面不开缝残余压力 8 I N 1 、 2 , 3 排螺栓受到的总拉力 I 排螺栓危险截面直径d I ／ m m 2 、 3 排螺栓危险截面直径d r ／ ra m 根据螺纹的标准确定螺纹的直径 1 、 2 、 3 d ／m m l 0 0 6 6 3 5 0 0 3 5 0 0 5 O 0 0 8 7 5 o 0 0 o o 2 4 7 5 0 0 0 o 4 1 5 9 4 3 7 4 9 7 l l 8 0 2 3 3 3 0 2 8 3 0 ／ 5 蚰／ 1 0 8 0 5 4 5 9 8 印 6 2 0 o 9 8 6 ／ l l 5 4 6 6 6 4 一 l s F 5 5 5 4 1 6 4 3 9 6 3 8 ／ 1 0 4 8 8 7 o 4 1 6 7 ．9 1 7 7 ． 5 ／ 2 3 5 ．8 一 Ml 9 n ／ Ml 2 5 0 螺栓的校核从略。 5 结语 组合下横梁的设计 ，应使固定键完全承受锻造力引 起 的剪力 ， 避免螺栓受剪 ， 使螺栓只承受 由锻造力引起的 绕结合面中性轴转动的倾覆力矩 。在计算过程中应首先 对下横梁进行受力分析，计算出螺栓结合面的弯矩和结 合面中性轴的位置。然后根据下横梁的结构确定螺栓的 位置和数量 ， 进而计算并确定螺栓 的直径 ， 最后校核结合 面受拉区域的开缝情况 、 受压区域的压溃情况 ， 校核螺栓 是否符合预紧力的要求。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 俞新陆． 液压机的设计与应用 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 1 5 6 1 6 9 ． [ 2 ] 濮良贵． 机械设计[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 2 ． [ 3 ] 康红梅， 孙明． 抗倾覆力矩螺栓组连接的计算[ J ] ． 机械设计， 2 0 0 5， 2 2 增 刊 4 9 5 0 ． ’ 编辑 明涛 作 者简介 李龙 1 9 6 4 一 ， 男， 高级工程师 ， 主要从事锻压设备设计制造 工作 。 收稿 日期 2 0 1 0 ～ 0 6 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m