机械电子专业毕业论文全自动液压压砖机设计.docx
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机械电子专业毕业论文全自动液压压砖机设计
第1章绪论
1.1课题研究背景
液压压砖机是陶瓷工业中用于墙地砖压制成形的必不可少的机械设备。
目前我国在实际生产中采用的压砖机类型主要有钢丝缠绕型液压压砖机、开式液压压砖机、闭式液压压砖机等类型，但工作时都普遍存在压砖机变形较大，刚性较差，而压砖机的强度、刚度将直接影响到零件加工精度、压砖机导轨的磨损和模具的寿命等。
因此如何优化压砖机结构，提高压砖机的静态、动态特性，同时又能降低压砖机的结构重量，对于液压压砖机的设计尤为重要。
随着科学技术的发展，压砖机正向大吨位、高精度和高速度发展。
要保证这些大吨位、高精度和压砖机的正常工作，首先应该在设计压力机压砖机时必须保证有足够的强度和刚度，同时考虑工作时的压力机的振动情况。
目前我国压力机压砖机的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的压砖机不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期长，制造成本高，更新换代慢，国产高档次的压力机领与国外压力机相比存在很大的差距。
随着中国加入W'TO，中国的制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为强大的竞争对手，为此，中国的压力机制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国压力机的设计与制造水平，在新的市场环境中积极参与竞争。
随着CAD/CAM/CAE技术的日益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法己为工程技术设计人员广为认识和发展，在压砖机设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益。
1.2国内外全自动液压压砖机研究现状与发展趋势
1.2.1国外全自动液压压砖机的发展
世界各国生产陶瓷砖除了塑性法、注浆法成型坯体之外，只要是采用颗粒状粉料压力成型工艺的基本上都是走过手工锤打→半机械化的摩擦压力锤→机械式压力机→摩擦—液压机成型→全自动液压机成型的道路。
因此，当今各地企业选用的自动液压压砖机其实是实践经验总结的应用，是目前最普遍最先进的方法，但不是唯一的方法。
世界上对陶瓷墙地砖制品与专用装备开发比较早又长期坚持下来的国家，首推意大利，其次是德国、美国。
1983年佛山引进投产的生产线配用的是２台Ｒ2000型摩擦—液压压砖机，此机的实质还是摩擦锤，液压机构作为操作手段。
之后，引进萨克米公司的500、550、600、1000型，西蒂公司的800、1200型，德国莱斯公司的600、1100、1500型等等，在上世纪的80年代末90年代初，才真正出现以液压机构为主的液压压砖机，级别上属于中小型机。
中国在1995年之后，出现生产制作500毫米×500毫米至1000毫米×1000毫米大规格砖的趋势，为此，娜塞堤等公司才研发了5000吨级的大型压砖机并首先进入中国市场。
1999年，世界最大的7200吨压砖机进入中国市场。
由此可知，意大利、德国、日本生产制造全自动液压压砖机的历史是15～20年的事情。
这些国家产品的共同点都是以液压机构为工作机构，引入当代的科技成果，逐步完善，最终走向机电液一体化的高技术装备。
但他们又都保持着企业的特点，如在液压油路的设计、控制显示手段、机架结构、布料系统设计等。
国外的压砖机企业紧跟行业终端产品而开发，紧跟社会的新科技不断提高，不轻易放弃自己的特色等做法应对中国压砖机的研制有重要的借鉴作用。
1.2.2国内全自动液压压砖机的发展
我国由国家主管部门立项、自主研究取得成果，并一直影响坚持到今天的现代化全自动液压压砖机的研制应从1986年开始算起。
由原国家建材局立项，咸阳陶瓷研究设计院牵头，华南理工大学、佛山陶机总厂联合研制的ＹＰ600型机于1989年通过鉴定，1993年之后，逐步形成批量生产。
力泰公司以此机型延伸形成系列化产品，由600吨至7200吨级，直至今天许多型号仍是国内市场销售的主要机型。
上世纪90年代，福建海源企业以其充沛的开发能力，引入新技术，最早突破千吨级以上压砖机的研制开发并率先通过国家级鉴定，也先后成功推出超千吨系列产品投放国内市场。
1999年，广东科达机电公司一举成功推出3200吨级压砖机并通过国家级鉴定，开创中国设计生产大型压砖机的年代，而发展到现在更是出现了7800吨的压机。
因此中国对现代压砖机的研制开发是前后近20年的事，形成了由“力泰”、“海源”、“科达”３家能生产大型压机的３企业作为龙头，另有十几家生产中小型压砖机的企业并存局面。
估计不久的将来，还会出台超万吨级的压砖机，满足高效生产超大规格尺寸砖的需求[1]。
1.3本课题研究的主要内容与技术方案
本课题基于有限元分析软件ANSYSWORKBENCH和PRO/MECHANICA平台，对WL1700全自动液压压砖机关键零、部件进行有限元结构分析。
技术方案流程图，如图1.1所示。
具体的方案如下：
图1.1技术方案流程图
（1）研究WL1700型全自动液压压砖机的相关技术参数，和模型特点，为分析提供相应的理论基础；
（2）利用有限元方法对压砖机进行模态分析，分析出它的振动特性，找出振动中危险的位置；
（3）存在最大静载荷时，对机架、活动横梁进行静力学分析，分析结构的应力、应变和变形位移的分布规律，根据分析结果进行强度较核；
（4）基于活动横梁的模态分析，对活动横梁动态时域分析，找出应力最集中的部位应力随时间变化的规律；
（5）对活动横梁进行疲劳分析，找出疲劳循环次数、疲劳破坏、安全系数、疲劳灵敏性。
分析出活动横梁能不能达到疲劳强度的设计的要求；
（6）在活动横梁静力学分析的基础上，对活动横梁进行拓扑优化，找出活动横梁能够去除材料的部位，为活动横梁的质量优化提供参考；
（7）综合以上的分析结果，对压砖机的结构提出相关的修改方案，以使液压压砖机的结构趋于合理达到优化的目的。
第2章压砖机有限元分析的理论基础
2.1全自动液压压砖机的工作原理、基本参数及结构特点
2.1.1全自动液压压砖机的工作原理
全自动液压压砖机的工作原理其实可以简化说明为液压机的工作原理[1]。
液压机是利用液压压力能来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机器。
液压机根据帕斯卡原理制成。
1小柱塞，在力F1=4P/πd12作用下，将经过连接管道等值传至大柱塞或活塞2上，使砖坯3受到作用力F2=πD12P/4，所以可得F2=F1（D2/D1），由于D2>>D1,则F2>>F1。
由此可知，全自动液压压砖机就是利用在小柱塞上的较小作用力F1，可以在大柱塞上产生很大的作用力F2，其工作原理图2.1所示。
图2.1全自动液压压机工作原理图
1-小柱塞2-大柱塞3-坯体
2.1.2全自动液压压砖机的基本参数
基本参数是全自动液压压砖机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，它反映了它的工作能力及特点，也基本上定下了它的轮廓尺寸及本体总重。
另外，基本参数也是用户选购时的主要数据[1]。
全自动液压压砖机的基本参数有以下内容：
（1）公称压力：
指液压机名义上能产生的最大力量，它反映了液压机的主要工作能力；
（2）最大净空距：
指活动横梁停在上限位时，从工作台上表面到活动横梁下表面的距离，它反映了液压机在高度方向上工作空间的大小；
（3）最大行程：
指活动横梁能够移动的最大距离，应根据工件成型过程中所要求的最大工作行程来确定，它直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度及整个机架的高度；
（4）工作台尺寸：
指工作台面上可以利用的有效尺寸，它取决于模具的平面尺寸及工艺过程的安排；
（5）回程力：
滑块返程时所需要的驱动力；
（6）活动横梁运动速度：
分为工作行程速度、空行程速度及回程速度；
（7）允许最大偏心距：
指工件变形阻力接近公称压力所允许的最大偏心值。
本课题中分析的WL1700全自动液压压砖机的主要技术参数如表2.1
表2.1WL1700全自动液压压砖机的主要技术参数
压机技术性能
单位
数值
公称压制力
kN
17000
模芯顶出力
kN
210
最大行程
mm
140
立柱间距
mm
1700
活动横梁宽度
mm
680
最大填料深度
mm
60
主油缸内最大工作压力
MPa
33.8
液压系统工作压力
MPa
16
主电机功率
kW
75
工作循环次数
次/min
≤18
工作周期中加压次数
次
2或3
整机质量
t
46
2.1.3WL1700全自动液压压砖机的结构
WL1700全自动液压压砖由本体（主机）及液压系统两部分组成，压砖机主机部分,如图2.2所示。
它由上横梁、下横梁、四个立柱和十六个内外螺母组成一个封闭架框，框架承受全部工作载荷。
工作油缸固定在上横梁上，工作油缸内装有工作柱塞，它与活动横梁连接。
活动横梁以四根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。
上模装在活动横梁的下表面上，下模装在下横梁的工作台上。
当高压液体进入工作缸后，在工作柱塞上产生很大的压力，并推动柱塞、活动横梁及上模向下运动，使坯体在上模、下模之间产生塑变形。
回程油缸固定在下横梁上，其中有回程柱塞，它与活动横梁相连接。
回程时,工作油缸为低压，回程油缸为高压，使回程柱塞向上运动，带动活塞横梁回到原始位置，完成一个工作循环。
图2.2WL1700全自动液压压砖
本文研究的WL1700型压砖机机架采用螺栓预应力结构，设计时充分考虑到WL1700全自动液压压砖机的工况特点以及机架结构中的横梁和立柱的刚度问题，结构合理，变形小，寿命长。
该机的主要特点如下：
（1）台面宽，频率快，生产效率高；
（2）采用强大的立柱导向，工作精度高；
（3）顶出装置采用全液压控制，液压锁模，操作方便；
（4）泵站采用全过滤液压装置，确保液压系统清洁度，降低压机故障率；
（5）活动横梁的运动速度由比例插装阀控制，线性位移传感器检测位置，控制精度高，可在任意位置进行速度转换控制；
（6）装置为独立辅机，可移开，拆装模具方便；料耙由油马达驱动，速度快，比例阀控制，可在任意位置进行速度转换控制，精度高；
（7）大型可编程序控制器，友好的人机界面，丰富的信息提示，操作、调节、维护极为方便。
2.2有限元法基本原理
2.2.1有限元法基本思想
有限元的基本思想是：
将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单元中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题[6]。
2.2.2有限元分析步骤
有限元法分析问题的基本步骤[11]：
（1）结构的离散化。
离散化就是将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关系数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体以代替原来的结构。
结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。
（2）选择位移差值函数。
为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作一定的假设，即假定位移是坐标的某个简单的函数。
选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。
通常采用多项式作为位移函数。
（3）分析单元的力学特性。
利用几何方程、结构方程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。
（4）集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。
先将各个单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。
（5）由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。
2.2.3有限元法求解步骤
对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同[11]。
有限元求解问题的基本步骤如下：
（1）问题及求解域定义。
根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
（2）求解域离散化。
将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
（3）确定状态变量及控制方法。
一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
（4）单元推导。
对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。
为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。
对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺陷的危险，将导致无法求解。
（5）第五步，总装求解。
将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组）反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。
（6）联立方程组求解和结果解释。
有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
2.2.4有限元法的优点
有线元法的特点是适用于求解各种形式（几何上、物理上）复杂的问题，精度高，通用性强，对问题的处理既彻底又系统，适用于采用电子计算机方式。
它本是线性问题的解法，但通过迭代法（如牛顿一拉裴森迭代法）也能巧妙地解决非线性问题[12]。
其优点如下：
（1）概念浅显，容易掌握。
可以在不同的水平上建立起对该法的理解；可以通过非常直观的物理概念来理解；也可以建立基于严格的数学分析的理论。
（2）适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。
（3）采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速计算机所提供的方便。
2.3计算软件的选择
本课题采用ANSYSWORKBENCH和PRO/MECHANICA有限元分析软件，对WL1700全自动液压压砖机关键零、部件进行有限元结构分析。
2.3.1ANSYSWORKBENCH软件简介
ANSYSWORKBENCH软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
其分析类型有：
结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、电压分析[15]。
ANSYSWORKBENCH软件具有以下三个方面的特点：
（1）强大而广泛的分析功能：
可广泛用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理及多场耦合的线性、非线性问题；
（2）一体化的处理技术：
主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及使用工具；
（3）丰富的产品系列和完善的开放体系：
不同的产品配套可应用于各种工业领域。
ANSYSWORKBENCH分析过程包含3个主要的步骤：
（1）创建有限元模型，并定义材料属性和划分网格；
（2）施加载荷并求解；
（3）查看结果，并分析结果的正确性。
2.3.2PRO/MECHANICA软件简介
PRO/MECHANICA是美国PTC公司推出的可以完全实现几何建模和有限元分析的无缝集成软件。
用户在PRO/ENGINEER环境下完成零件的几何建模后，无需退出设计环境就能进行有限元分析[17]。
（1）PRO/MECHANICA软件包是由以下3个模块组成的。
PRO/MECHANICAStructure结构分析模块，可以进行机械零件、汽车结构、桥梁和航空结构等的结构分析和优化设计。
它能够完成的分析种类有静力分析、模态分析、屈曲分析、疲劳分析、非线性大变形分析等。
（2）PRO/MECHANICAThermal温度分析模块，可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。
其分析数据可以返回到结构分析模块，进行灵敏度分析和优化设计。
（3）PRO/MECHANICAMotion运动分析模块，可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查等。
2.4本章小结
本章主要介绍了全自动液压压砖机的工作原理，结构特点以及其基本参数，同时详细论述了有限元法基本思想、有限元分析步骤、有限元法求解步骤及有限元法的优点。
为WL1700全自动液压压砖机关键零、部件有限元结构分析打下基础。
第3章全自动液压压砖机的模态分析
3.1模态分析的概述
模态分析用于提取结构的固有频率和固有振型，模态分析的重要性不仅是为了避免机械零件和结构在工作时发生共振，事先算出它们的固有频率和振型，而且还是分析结构动态响应和其他动力特性的基础。
在结构设计时，固有频率和振型对于动载荷下的响应是非常重要的参数，因为结构的基本模态信息能有助于得出其动力响应的特征。
3.2压砖机模态分析
全自动液压压砖机在实际的工况中，当活动横梁快速返回到极限位置的时候，将会对上横梁及其它部件产生最大的冲击振动，因此也将该时刻压砖机的模型作为有限元模态分析的对象。
3.2.1模型参数
把压砖机的PRO/E模型直接导入到ANSYSWORKBECH中。
定义压砖机模型各零件的材料属性，把立柱、大螺母、柱塞、油缸套、下横梁、上横梁定义为结构钢，活动横梁定义为铸铁。
由于在ANSYSWORKBECH中，只要定义好了属于那种材料之后，材料的泊松比、弹性模量、密度的材料属性就自动设置好了，材料属性如表3.1。
表3.1压砖机的材料属性
材料名称
泊松比
弹性模量（MPa）
密度（kg/mm3）
结构钢
0.3
2×105
7.85×10-6
铸铁
0.28
1.1×105
7.2×10-6
3.2.2网格划分
模态分析中，把模型划为较粗的网格，对于模型的固有频率和振型的计算精度影响不大，但是可以减少计算时间。
所以在压砖机模态分析中，把模型的网格划得较粗。
由于压砖机是一种框架结构，用三维实体单元来描述该结构，更能反映机架的实际情况。
在ANSYSWORKBENCH软件种，三维实体单元有两种：
六面体单元和四面体单元。
由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于压砖机这类较复杂的结构，对其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼进复杂的几何形状，因此，对机架的网格划分采用四面体单元。
因此使用系统默认（四面体单元）的网格划分方式对压砖机模型进行网格划分，得到：
137377个节点，91568个单元，其模型网格图，如图3.1所示。
图3.1网格
3.2.3约束
在实际情况中，压砖机的下横梁通过螺栓固定于地基之上。
因此，对压砖机模型的下横梁的下底面添加固定约束，如图3.2所示。
图3.2约束
3.2.4压砖机模态分析结果评价
压砖机自由振动前六阶振型云图，如图3.3，3.4，3.5，3.6，3.7，3.8所示。
压砖机模态分析结果，总结如表3.2。
图3.3一阶模态云图
图3.4二阶模态云图
图3.5压砖机三阶模态
图3.6压砖机四阶模态
图3.7五阶模态云图
图3.8六阶模态云图
表3.2压砖机模态分析结果总结
模态阶数
自由振动频率（Hz）
最大振幅（㎜）
模态振型描述
1
17.02
0.349
压砖机上部前后弯曲振动
2
37.7
0.247
压砖机上部左右弯曲振动
3
52.19
0.364
压砖机左右两端扭转振动
4
90.1
0.419
上横梁的上部和活动横梁下部绕其中部作前后转动振动
5
114.7
0.211
上横梁和活动横梁的中部上下伸缩震动
6
148.54
0.450
上横梁和活动横梁绕它们中部左右转动振动
一阶振型（f1=17.02Hz）为压砖机上部前后弯曲振动，该振动将会增大压砖机四个拐角处的弯矩，从而增加其应力，同时加剧导套的磨损。
二阶振型（f2=37.7Hz）为压砖机上部左右弯曲振动，该振动将增大上下横梁的弯矩，同时加剧导套的磨损，给上模及液压缸的使用寿命带来不利影响。
三阶振型（f3＝52.197Hz）为压砖机左右两端受扭转振动，该振动将会增大上下横梁的扭矩，同时加剧立柱的磨损。
四阶振型（f4=90.1 Hz）为上横梁的上部和活动横梁下部绕其中部作前后转动振动，该振动将会增大四个拐角处的弯矩，同时，加剧压砖机导向部分的磨损。
五阶振型（f5=114.7 Hz）为上横梁和活动横梁上下伸缩振动，该振动也将增大机架四个拐角的应力，同时，对与压砖机上横梁相连接的上模以及与下横梁相联接的液压缸、立柱、大螺母使用寿命产生不利影响。
六阶振型（f6＝148.54 7Hz）为上横梁和活动横梁绕它们中部左右转动振动，该振动将会增大上横梁的弯矩和四个拐角的应力．同时加剧立柱部分的磨损。
从以上的振型分析可以看到，压砖机不仅有前后，上下及左右方向的弯曲振动，而且有扭转振动，这些振动将影响压砖机的强度和刚度，加重压砖机立柱的磨损，影响的陶瓷砖精度及模具和液压缸的使用寿命。
因此，在设计过程中应适当增加局部刚度和阻尼来抑制这些振动的影响。
对压砖机前六阶模态分析可得：
（1）压砖机整体的刚度和质量分布较为均衡，无明显的薄弱部位和过剩部位，这有利于压砖机的动力性能；
（2）压砖机的最小固有频率为17.02Hz。
（而机架的冲击频率最大为0.3Hz即18次每分钟），远远大于其冲击频率，因而该压砖机不会发生共振．
综上所述，WL1700全自动液压压砖机具有合理的动态参数，符合设计要求。
3.3本章小结
本章通过对压砖机的模态分析，可知压砖机的模态特性主要取决于：
（1）压砖机结构的质量分布；
（2）压砖机结构的刚度及其所受的约束情况。
第4章机架的静力学分析
压砖机的机架在传统的设计中，都显得笨重，而且在一些零件的关键部位出现强度不够。
本章通过对机架的静力学分析，得到机架的全场应力、应变、位移的情况，并进行强度较核，找出设计的缺陷。
4.1结构静力学分析概述
结构静力学分析是用于分析稳态载荷或固定不变的惯性载荷（如重力和离心力）引起的系统或部件的应力、应变、变形位移等。
结构静力学分析包括线性和非线性分析[11]。
结构静力学分析的方程：
[K]{x}={F}（4.1）
结构静力学分析就是按方程4.1平衡关系确定计算的，其中[K]为刚度系数矩阵，{x}为位移矢量，{F}为力矢量[11]。
4.2机架静力学分析
4.2.1模型参数
在机架的结构静力学分析时，认为活动横梁与立柱之间的运动不应有干涉，因此去掉活动横梁及与活动横梁连接的柱塞和模具。
所以压砖机整机PRO/E模型进行相应的简化之后，直接导入到ANSYSWORKBENCH中。
定义机架的材料属性，定义为上横梁、下横梁、立柱、油缸套、大螺母为结构钢。
材料参数如表4.1。
表4.1压砖机的材料属性
材料名称
泊松比
弹性模量（MPa）
密度（kg/mm3）
结构钢
0.3
2×105
7.85×10-6
4.2.2网格划分
由于机架是一种框架结构，用三维实体单元来描述机架结构，更能放映机架的实际情况。
在ANSYSWORKBENCH软件种，三维实体单元有两种：
六面体单元和四面体单元。
由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于机架这类较复杂的结构，对其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划
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