液压机主要焊接结构件的设计

主要焊接结构件的设计

1、液压机的本体

液压机的本体分为铸造结构、焊接结构以及铸焊混合结构。近代由于焊接技术的进步，液压机本体采用焊接结构的已很普遍，焊接结构对单件小批量生产的企业非常合适。焊接结构的优点是：制造工艺灵活、方便、结构重量轻、外形美观、制造成本低，铸造结构有其自身的特点，对某些使用工艺是很合适的，因此目前焊接结构还是不能完全代替铸造结构的。

液压机的主要焊接结构件是指上横梁(CROWN)、滑块(SLIDE)、底座(BED)、立柱(UPRIGHT)、移动工作台(MOVING BOLSTER)等。这些焊接构件的结构设计不应是铸造结构模式的简单变化，不同用途，公称力大小不同，外形尺寸不同的液压机的焊接构件也不能简单地采用一种结构模式，整体焊接框架不能简单地按组合框架的模式简单的变形。但任何一个具体的结构设计必须按实际的情况考虑问题，所以下面介绍的原则必须结合具体的设计创造性的灵活运用。

焊接结构设计的另一个重要问题是焊接接头的设计。焊接构件中，甚么部位采用全焊透接头，甚么部位采用不焊透接头，甚么接头开坡口，甚么接头不开坡口，坡口应该是甚么型式和大小等。因此研究液压机结构件的设计对提高设计水平、设计质量、降低成本是很有意义的。

本资料的目的是研究这些问题，提出一些设计原则或总结一些经验，用来指导设计。

2、关于焊接接头

焊接接头必须保证连接部位的强度，接头的形式及大小必须适应当代焊接技术并满足施焊的要求。现代工艺一般都采用气保焊，焊接接头与接头部位的受力状况，与板厚有关。接头的设计应该是在满足

受力的前提下尽量简单，尽量的小。这样才能减少变形，降低成本。理论上对T型接头

的研究证明，三分之一钝边的坡口的焊接接头即和被焊板等强度，下面提出的C方式接头就是根据这个理论并参照日本小松株式会社压力机溶接基准制订的。对接焊缝及要求受力处则要求采用下面提出的D方式接头。一般联系筋板采用A方式接头的不开坡口的角焊缝。焊接接头及其坡口型式见表一。特殊的部位，如应力集中的地方应在设计图纸上特别说明并标注E方式。

3、焊接结构上横梁(CROWN)的设计

对立式上传动液压机，上横梁的作用主要是安放工作缸，回程缸以及其它辅助机构，如滑块悬挂装置等。

液压机焊接构件用的钢板一般为Q235-A，焊接上横梁设计以强度为主要依据，主要断面，按简支梁方法计算时，其弯曲应力控制在σ≤50~70N/mm2，Q235-A钢板的屈服限σs≌205-235N/mm2所以安全系数Ns≌3~5。上横梁设时应特别注意，支撑工作缸的部位，刚度应尽量均匀，且有足够的刚度。支撑立柱(COLUMN)或拉杆(TIEROD)螺母的部位同样要有足够的刚度，此处的主要承力板距立柱中心距的尺寸应在螺母外径的附近。焊接上横梁的典型结构如图一到图四。如图一所示，1、2 板为上下盖板，3、4板为主腹板，5、6、7、8板为外面板(或称外腹板)，9、10、11、12板为主筋板，13、14、15、16为主承力板，17、18、19、20为辅助承力板，21、22为联系筋板，23、24、25、26为局部加强筋板，27、28为接触面板。L1、L2为立柱中心距，L3、L4为主腹板及主承力板的间距，L5、L6为立柱中心到主承力板的距离，D1为工作缸支撑外径，D2为立柱或拉杆螺母外径。H为梁高。

上横梁的主断面一般为工字形，长跨(L1)的断面一般为四条腹板，小压机也可设计成两条。上下盖板、腹板、筋板的尺寸及布置不

能作太死的规定，设计时要按实际的结构考虑，但要注意两点，一是要考虑总体设计的要求，二是各受力断面必须满足强度要求。上横梁的高度应按强度计算确定。梁高H的大小对强度的影响很大，加大梁高是减少挠度,减小重量的有效方法。大量的设计实践是，上下盖板较厚、腹板次之，其它筋板均可很薄。初步确定板厚，梁高就自然确定了。如果以梁的重量为目标函数，以梁的强度和刚度为约束条件再加上一些板厚的经验数据为附加约束，用优化方法设计就更好。表二列出了各板厚度的一些经验数据，在确定梁高之前可初步选用，然后在计算梁高时调整。初次设定梁高时，可以按立柱直径的4~5倍，立柱直径按纯拉计算。σ≌60N/mm2。

表二

L1、L2应在方案设计时确定，(L3=L4)≤D1，可人为地使L5≌0.5D2，L6尺寸是按结构确定的，当L6大约为0.5D2时辅助支承板可按图一所示方向布置，当L6尺寸远大于0.5D2时应按图四所示方向布置。关于各板连接处的焊接接头型式，主要应视结构情况及各部

位的受力状况而定，可参照图一到图四的标注。原则上可作如下规定。支承大螺母处的承力板(13-16板)与上下盖板(1-2板)的连接应采用D 方式，当上梁下面与立柱(UPRIGHT)连接时该接头可为C方式。主腹板、主筋板与上下盖板的连接，各筋板与主腹板的连接可采用C 方式，外腹板与上下盖板的连接为C方式，各筋板与外腹板的连接视结构大小而定，当尺寸较大可开人孔时,可采用A方式的角焊缝，当工人无法进入时可适当地采用一些塞焊缝，目的是让外面板与筋板贴紧，使面板平整。至于C、D各方式中是采用单边坡口或是双边坡口，应根据结构的实际情况而定。

工作缸的柱塞直径dg大于400mm时除了四块主承力板之外，中间还要加四块斜的半筋板，其高度约为梁高的1/3~1/2，筋板的间隔一般在600-800mm。大螺母或立柱与上梁的接触面可直接在该处刮平(加工去2-3mm)即可，工作缸与上梁的接触面应区别情况处理，工作缸法兰与上梁用螺栓连接时，此处可拚接一块厚板，当工作缸用大背帽在上梁上平面紧固时，此处亦可用刮平的方式处理，但当立柱中心距很大，梁的长度很长时此处最好是用贴板的方式处理，此板的厚度为20-30mm，此板用角焊锋和塞焊的方法使之与下盖板贴紧。

上下盖板与外腹板可以是平齐的也可使外腹板距上下盖板的边缘留10-15mm，前者对施焊的要求较高，否则外形尺寸误差太大，造成错边，后者可用加工上下盖板外边缘的办法，保证外形尺寸。上面所述的共性问题也适用于滑块，底座等其它构件。

4、焊接结构滑块(SLIDE)的设计

滑块的作用是传递力量及固定模具并且要考虑滑块运动时的导向，然滑块上可能还有其它机构，打料装置、悬挂机构等。滑块的结构视本体结构的不同而不同，框架结构滑块采用平面导向，立柱结构滑块采用圆柱面导向。

滑块的受力要按实际工况而定。一般情况只考虑传递力量，当双

缸、三缸时，如果载荷集中，滑块将受弯矩作用，锻造压机在失误时可能压在限程套上，这时滑块也会承受弯矩。大多数情况下滑块的高度是根据总体设计按经验确定的，当滑块承受偏心载荷时，滑块导向部分的高度H与滑块正面尺寸或与工作台的长度L有关。如图五所示，H=(0.47~0.67)XL，小压机、L不太大时，可取0.47*L，大压机，L大时取0.67*L。当考虑偏心载荷时，应考虑以下关系。

W*e=W1*h1。

式中：

W：压机公称力;

e：偏心距；

W1：导向面的支反力：

h1：支反力力臂;

h1=H-c；c≌50mm。

一般情况应限制偏心，3MN以下的压机e≤100mm；5MN以下的压机e≤80mm；8MN以下的压机e≤60mm。当使用工艺的偏心距大于上述数据时，应在结构上考虑防偏心的措施。正常情况下导轨处的面压σ≤30N/mm2。计算导轨处的面压时作如下假设，导轨的宽度按实际结构，导轨的受力长度假设为50mm，一般为两处即100mm。如某厂的经验，3MN压机导轨处的W1=235000N；5MN压机导轨处的W1=255000N；10MN压机导轨处的W1=3200000N；比如5MN压机滑块的高度h=1500mm时，按上式计算，e=74mm。

不受弯矩或受弯矩较小的滑块,其上盖板可以不要，而只在柱塞承力处及四个导向处局部加上板。柱塞承力处要有足够的刚度，此处的高度可以比导向处低一些。h=0.6~0.8H。滑块的典形结构见图六至图九。如图六所示，1板为下盖板，2、3、4板为主传力板，5、6、7、8板为联系筋板，9、10、11、12板为外腹板，13、14、15、16为导向支撑板，17、18、19、20为筋板，21、22、23、24为导向板，25~48

板为局部加强筋板，49板为柱塞支撑板，50-53板为支撑柱塞的加强板。

设计滑块时，开始可以按表三选取板厚，如果需要计算，计算后再进行调整。

表三

5-8板，13-16板可以和9-12板相当，21-24板应视导轨的具体结构而定，17-20板可以比9-12板薄一些，25-48等局部加强筋板一般为三角板，厚度在16-20mm。当1板开T型槽时，应在表三厚度上再加T型槽深度，这时板厚大约在80-120mm。

从平面图看，对小型压机或台面宽度B不大时，设计三条主传力板，即2、11、12三块板，当柱塞直径较大且尺寸B较大时，2号板要设计成两条，这样加上11、12板一般不要超过四条。当尺寸A 很大时，5-8板可能还要增加，这些均应视具体结构而定，L2的尺寸也是这样。尺寸d为柱塞直径，尺寸D应按压紧法兰的外径设计，支撑筋板50-53应布置在尺寸d的外接圆之内。当导轨为45度时，11、12板应外移，11、12、13、14板的交接处应加支撑筋板，如图九所示。

支撑柱塞的板49以及与49板相接的面均要核算挤压应力。许用

应力σ≤120N/mm2。当滑块承受弯矩时，其弯曲应力σ≤70N/mm2，当滑块按事故状态压在限程套上时，弯曲应力应限制在σ≤150N/mm2。

各板连接处坡口的型式，建议如下，49板与支撑板的连接应为D 方式，各局部加强筋板与被加强板的连接为A方式，其余为C方式。

5、焊接结构底座(BED)的设计

在立式上传动的压力机中，底座是压力机的基础。底座是机架的承力构件，其上要安放工作台，如果是移动工作台，移动工作台要在其上滑动或滚动，底座有时也可能安放回程缸以及其它一些辅助机构，如车轮顶出缸、工作台拉紧缸、限位及定位装置。底座即然是基础，所以底座上要设计与基础接触的支撑腿以便安装地脚螺栓。

底座的典型结构见图十至图十三。如图十所示，1、2板为上下盖板，3、4板为主腹板，5、6板为主筋板，7、8板为辅助筋板，9、10、11、12板为立柱或拉杆处的主承力板，13、14为外腹板，15、16、17、18为主腹板用的辅助筋板，19、20、21 、22为立柱处的辅助筋板，23、24、25、26为液压垫缸的加强筋板，27、28、29、30为地脚螺栓用加厚板。A、B为工作台的尺寸，L1、L2为立柱中心距，d为立柱或拉杆孔尺寸，D为大螺母外径。尺寸A、B及压力机的公称力是底座设计的主要参数。底座的设计一般以刚度为准则，特别是那些对压制成品的精度要求较高的压力机更是如此。底座的计算一般是假设工作台长度A的2/3受均布载荷，力学模型如图十四，如果按简支梁的方法计算，其总变形δ要控制在某个规范之内，总变形包括弯曲变形δw和剪变形δj。

δ≤L1/3000 一般制品，L1：宽面立柱中心距

δ≤L1/4000 较精密制品

δ≤L1/5000 精密制品

δ≤L1/6000~8000 特别精密制品

许多压力机的底座都是设计成双腹板结构，如图十所示，当工作台的尺寸B很大时，才设计成四腹板结构，如图十一所示。对板冲压压力机来说，由于底座内要装液压垫，上下盖板要开很大的方孔，加之又是双腹板结构，所以与上横粱相比底座的高度较高，上下盖板较厚。和上横粱的设计相同，按表四根据经验初步选取1、2、3、4板的厚度，然后计算底座高度，最后再进行调整。

表四

13~14、15~18、19~22各板可以和7~8板相当或稍薄一些。23~26为加强用筋板，其厚度可为16~30mm，27~30的厚度为20~40mm。当上盖板上加工T型槽时，1板的厚度应再加T型槽的深度。

主腹板的距离L3应满足液压垫所需空间的要求，如果可能最好使L2≌L3+D，这样3、4板可兼作立柱的承力板，如果结构上允许，用户也无特别要求，设计时可使L2=L3+2L6，如果3、4板远离L2的中心线，这时应加厚19~22板，使其成为承力板，并使L7=1/2D。L4的大小应满足液压垫的需要，亦可使L3=L4，总的说3、4、5、6、

7、8各板应布置在AB尺寸之内，且布置合理。

支撑腿与地基的接触面积必须有足够的大小，此处的面压σ≤3N/mm2，并要求用户采用高标号水泥。地脚螺栓的大小应按压力机的用途而定，一般情况可参考表五选用。

表五

中小型压力机的支撑腿部分可设计成如图十的结构，对大型和工况恶劣的应设计成箱形结构。液压垫部分的设计应视液压垫力的大小，液压垫的数量，是整体液压垫或是分个液压垫，但不论何种情况，液压垫缸支撑处的板必须用筋板与主腹板连接起来或局部设计成箱形结构。

各板连接的接头型式，推荐如下：

3~4板与1~2板的连接为C方式，在立柱支撑的局部部位可为D 方式；

9~12板与1~2板的连接应为D方式；9~12板与3~4板的连接为C方式；

7~8板与1~4板的连接为C方式，小压力机也可为A方式；

19~22板当为联系筋板时为A方式，当为承力板时为C方式；

15~18板与其它板的连接，当底座为双腹板时为C方式，小压力机也可为A方式。

6、焊接结构移动工作台(MOVING BOLSTER)的设计

压力机上的工作台有两种，一种是固定的，底座上盖板上直接加工出T型槽时，可取消工作台，另一种是可移动的工作台，移动方式可为滑动，可为滚动，移动方向可前后方向，可左右方向，亦可先左

右后前后的双向移动。移动工作台的典型结构如图十五及图十六所

示。工作台的作用是放置模具，移动工作台要安放车轮及其传动装置，同时还要考虑定位及定位后的拉紧或压紧。工作台上的T型槽及顶杆孔应按用户要求设计，并符合标准。现代的移动工作台的上盖板都已取消，都是将工作台直接与支架焊成一体。如图十五、十六所示，1板为工作台板，2板为下底板，3、4、5、6板为主承力板，7~14板为支撑车轮的板，15~18板为筋板。当然可能还有一些其它辅助机构用板，本图未表示。工作台的主参数为A、B、A1、B1。L1、L2为车轮中心距。

工作台是承受载荷、传力的构件，因此3~6板与1~2板的连接为D方式，15~18板与1~2板的连接为C方式，与3~4与1、2板的连接为A方式。支撑车轮的板与1~2板的连接可用D方式也可用C方式。

当用于带液压垫的工作台时，台板的厚度可按四边简支的厚板进行核算，支架的高度要满足车轮及传动装置的需要，同时也要满足液压垫行程的需要。表五所示台板厚度是日本小松株式会社压力机上实际采用的标准，设计时可供参考。

表五

表五所列台板厚度是按台面尺寸A的2/3受均布载荷，厚板简支

受力的力学模型计算的(见图十四)，中心处的挠度在0.1~0.4MM左右。内框尺寸见表六：

表六

2、3、4、5、6各板是主要承力板，要承受压力机的全负荷，其挤压应力σ≤80~120N/mm2。压力机移动工作台移动时的载荷大约在300000~500000N左右，传动功率相差无及，工作速度≌100mm/s，因此传动装置可以标准化。电机功率大约为2~3KW，车轮直径在∮250mm~∮350mm，为了防止跑偏，一侧为平车轮，一侧为带导向的车轮，当台板厚度δ≥250mm，且又无液压垫时可以不要支架，车轮直接装在台板上的四角。固定工作台的厚度δ可按表七选取，此台板可设计成铸铁件(HT250)，上面板满足T型槽的要求，下面可以设计成空心的。

表七

7、焊接结构立柱(UPRIGHT)的设计

这里所指的立柱是组合框架中的机架或称立柱，立柱分为单立柱和两个合在一起的门板式立柱。典型结构见十七及图十八，如图十七所示，1、2板为上下盖板，3、4板为导向支撑板，5、6、7、8为承力板，9、10、11、12也为承力板，13~16为外面板，19、20为横支撑板，17、18为筋板，21~28为横筋板。L2为窄面拉杆中心距，d

为拉杆孔直径，D为大螺母外径，A、B分别为立柱的正面和侧面的宽度。5~12各板的位置应在D尺寸的范围之内，即2L3≌D。

A、B的大小对压力机的造型有较大的影响，它们和压力机的大小，工作台的长短，压力机的开挡(或高度)等都有关系，很难提出标准尺寸，只能在进行总体设计时用对比的方法确定。当然其横断面的面积要满足计算要求。初步设计时各板的厚度可参考表八的数据选取,，然后经过计算再进行调整。

立柱的计算主要是满足压缩变形的要求，按预紧力计算，立柱的压应力σ≌60~80N/mm2，当然立柱中点的弯曲变形不能影响滑块的运动，这个变形量只能用平面刚架或三维有限元来计算。立柱的计算必须与拉杆一道统筹考虑，拉杆预紧时的变形δ≌(0.0006~0.0007)xL，L为拉杆的长度。立柱的变形δ'应比δ小，压力机工作时，立柱的长度将伸长，其压缩变形量变为δ"，经验数据是δ'-δ"=Δ≤0.0001L，这样残余压缩应力即不会太大，但也不会开缝，即可保证上横梁和底座不发生水平移动。

立柱的承力板只考虑5~12几块板，外面板可以很薄，因为面板上要开很大的孔用来装仪表或控制盘，开孔后这些板是很难参与受力的。小压力机为了简化结构，可以不要9~12板，但是外面板不应再开大孔，仪表盘和控制盘应另外加设。

表八

19、20板厚应视该板的作用而定，该处如果要安放其它机构则按机构的要求定板厚，如果只是一个联系板则该板的厚度可薄一些，或按9~12板的厚度，17~18板厚也可以按9~12板厚，21~28筋板一般不厚，大约为16~30mm。

5~12板与1~2上下盖板的连接为D方式，3~4与5~6板的对接应为D方式，其余各处的连接可为C方式，外面板与上下板的连接可为C方式，与其它板的连接可为C或A方式，9、10与11、12板的角接处可为B方式，外面板的角接处可为A方式，但要求外观漂亮，21~28各筋板与其它板的连接可为A方式。21~28各筋板的间距一般在600~800mm。1~2及各横筋板上允许开孔以便走管道。

后记：

我们现在进行的设计一般属于变形设计或一般的开发性设计，设计方法为经验设计、常规设计、类比设计，一般用静力学计算方法，用近似的公式进行核算。这种方法也叫常规设计方法。各行各业目前大多数还是采用应用这种方法，而且积累了大量的经验公式，经验数据并编印了各种设计手册。这种设计手册汇集了一般的机电设计数据。在压力机行业，各企业都是按各自的习惯自立规矩。本基础参考资料也是本着建立规矩的出发点编写的。

这本液压机设计基础参考资料是在参考一些资料的基础上，结合个人的经验写成的一份总结，许多论点及数据有待实践中验证，本资料仅供给设计员参考，希望在使用中提出意见。仅以此对徐州开元锻压科技有限公司致意。