液压剪切机

摘 要

摘 要

针对传统剪切机存在的噪音大、占地面积大、灵活性差等问题，本设计采用了液压驱动方式，解决了上述方面的缺陷。其设计内容剪切机的总体设计计算，主要零部件的设计计算和液压系统的设计，其中液压系统的设计还包括液压元件的设计。本文利用液压传动控制技术对剪切机进行改进设计，具有噪声小、剪切平稳等优点，是一种新形式的液压剪切机，能够更好地服务于剪切行业的发展，更好地适应国内外市场的需求，因此具有良好的市场前景。 关键词：剪切机，液压系统，液压元件

I

Abstract

Abstract

Aim at the existing traditonal shearing machine that has high noise, large areas and poor flexibility etc problems, the design uses a hydraulic-driven approach to address these deficiencies. It mainly includes three partial contents: the overall design calculation of the shear machine, the design calculation of the main components and hydraulic system design. The hydraulic system design has mainly included the design of the hydraulic components. This paper makes some reconstuction design for shearing machine with hydraulic transmission and control technology, and the improved shearing machine has advantages of low noise, smooth cutting and is a new typle hydraulic shears, which can serve the shearing industry and meet the needs of domestic and foreign markets better. Therefore the hydraulic shearing machine has a good market prospect.

Key words: Shearing machine, Hydraulic system, Hydraulic components

II

目 录

目 录

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... II 目 录 .......................................................................................................................... III 第一章 引言 ............................................................................................................... 1

1.1课题的背景和意义 ......................................................................................... 1 1.2剪切机的发展及现状 ..................................................................................... 1

1.2.1剪切机的分类 ...................................................................................... 1 1.2.2国内研究现状 ...................................................................................... 3

第二章 总体设计计算 ............................................................................................... 5

2.1现有剪切机结构原理及存在问题 ................................................................. 5 2.2设计要求 ......................................................................................................... 8 2.3液压剪切机的总体设计 ................................................................................. 8 2.4 液压剪切机的主要参数计算 ........................................................................ 9

2.4.1剪切力的计算 ...................................................................................... 9 2.4.2剪刃长度的确定 .................................................................................. 11 2.4.3剪切次数的确定 ................................................................................ 11

第三章 零部件结构设计计算 ................................................................................. 12

3.1 摆臂的设计计算及强度校核 ...................................................................... 12 3.2主轴系统设计 ............................................................................................... 13

3.2.1主轴设计计算 .................................................................................... 13 3.2.2 轴承的选择 ....................................................................................... 15 3.3机架的设计 ................................................................................................... 15 3.4靠板系统设计 ............................................................................................... 16 3.5油缸系统设计 ............................................................................................... 17 3.6 进料及剪切系统设计 .................................................................................. 20 3.7液压系统设计 ............................................................................................... 20

3.7.1液压系统设计要求及工况分析 ........................................................ 21

III

目 录

3.7.2液压缸参数的初步确定 .................................................................... 22 3.7.3拟定液压系统原理图 ........................................................................ 23 3.7.4选择液压元件 .................................................................................... 25

结 论 ........................................................................................................................... 29 参考文献 ..................................................................................................................... 30 致 谢 ........................................................................................................................... 31

IV

第一章 引言

第一章 引言

1.1课题的背景和意义

剪切机是随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。近二十年来，国内的轧钢生产得到了长足的发展，由于市场对产品不断提出新的要求，生产厂对各种剪切机的要求也在不断的变化。

在钢板弹簧的生产工艺中，钢板剪切下料是关键工序之一，因此，下料机是其重要的板簧设备。过去的下料设备一般采用圆棒剪切机、机械鳄鱼剪床等，都是采用皮带轮、齿轮传动，噪音大，占地面积大，节拍固定，灵活性差。因此，需要开发一种新形式的液压剪床，以适应国内外市场的需求。

精密加工是现代机械加工发展的方向之一，它对毛坯的体积（重量）误差，断面形状及其他几何参数提出越来越高的要求，而现在的下料方法普遍存在能耗高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题。板料高速剪切机是一种新型的剪切下料设备，它采用液压系统驱动，实现高速剪切；板料高速剪切机的液压系统，是保证板料高速剪切机实现动作循环和决定其性能优劣的核心环节。板料高速剪切机要求液压系统工作可靠、响应灵敏度高，具有广阔的市场前景。因此，针对旧式剪切机的上述缺点，展开对液压系统剪切机的研究是符合市场需要的

1.2剪切机的发展及现状

1.2.1剪切机的分类

剪切机的种类很多。对剪切机的分类，从不同的角度出发，有不同的分法。按剪切方式可分为横剪和纵剪；按被剪切钢板的温度分为热剪和冷剪；按剪切机的驱动方式分为机械剪、液压剪和气动剪;按机架的形式分为开式剪和闭式剪；按剪切钢板的品种又分为钢坯剪切机、钢板剪切机、型钢剪切机和切管机等。通常，按剪切机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪切机(见图1.1)、斜刃剪切机(见图1.2)和圆盘剪切机(见图1.3)。下面按剪切机的剪刃形状的分类对三种结构分别进行介绍:

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第一章 引言

图1-1 平行刃剪切机 图1-2 斜刃剪切机 图1-3 圆盘剪切机

（1）平行刃剪切机

平行刃剪切机的两个剪刃是彼此平行的，它通常用来在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯。也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的钢板。平行刃剪切机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。上切式剪切机的下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。下切式剪切机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的，其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。平行刃剪切机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。

（2）斜刃剪切机

斜刃剪切机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置。斜刃剪切机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。

①上切式斜刃剪:这种剪切机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。上切式斜刃剪通常是作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于20mm时，可用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于25mm不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。

②下切式斜刃剪:这种剪切机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动进行剪切。由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。这种剪刃机的剪刃通常上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证钢板的剪切面相对带材中心线及表面垂直度。其缺点是由于

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第一章 引言

压板要放在下面而造成结构复杂化。

③复合式斜刃剪:在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式斜刃剪切机。这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称上下双层斜刃剪切机。当带材通过固定双刃刀架上部，带材由一台卷取机卷取。当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定双刃刀架下部，由另一台卷取机卷取。

（3）圆盘式剪切机

这种剪切机的上下剪刃是圆盘状的。剪切时，圆盘刀以相等于钢板的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。圆盘剪通常设置在板材或带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或带材。值得注意的还有塑性力学Durkcer公设的提出者Ducrker等力学家的工作。

1.2.2国内研究现状

技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着国内液压剪切机市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外液压剪切机生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势，对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。

丁时锋等人[1]针对板料剪切生产线采用人工控制，定长过程耗时过多，钢板长度尺寸不一致，同时剪切过程总是简单的重复劳动，工人劳动强度大等问题，改为继电器接触器控制，但控制柜接线复杂，使用维护不便。为了解决剪切过程中的板料定长问题，减少加工工时，提高生产效率，同时为了提高生产的自动化程度，并保证生产的稳定，对原系统进行了改造，设计了一种基于PLC的板料液压剪切机系统。该系统工作性能稳定，完全解决了剪切过程中板料的定长问题，提高了生产线的自动化程度，并切实提高了生产线的生产效率。

在棒料剪切机液压系统的研究方面，杜诗文等人[2]应用液压大系统建模方法建立了数学模型，构建了仿真模型，对棒料高速剪切机液压系统动态特性进行了建模与仿真研究。实践表明：采用液气联合驱动、径向夹紧的棒料高速剪切

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第一章 引言

机，生产效率高，棒料剪切断面质量得到显著提高。仿真结果表明：液压系统具有良好的动态特性，液压大系统建模方法与理论可广泛应用于液压系统动态特性分析

为了解决精轧生产线取料问题，梁春光等人[3]通过对剪切及剪应力的分析，同时根据液压剪的工作原理，进行了 HC520-3新型液压剪主要几何尺寸及其结构参数的设计。实验结果证明：该液压剪能快速剪切 Φ20mm以下的铬不锈钢以及合金钢等，不但保证了轧材的表面质量，还保护了设备，且经济效益显著。

液压剪切机构的设计有两种方案，一种是主剪切驱动缸安置在机架的一侧，而且是只有一个主液压缸。当液压缸产生向外的推力后，利用杠杆关系将推力进行放大，并转换成向下的推力，然后推动上刀架向下运动进行剪切，美国的PCO中板厂就是采用的这种剪切机构。另一种是采用两个主剪切驱动缸直接安装在机架的顶部，推动上刀架两端向下运动进行剪切。第二种剪切机构是一种新型式，也是第一次采用。两种方案都是可行的，但比较而言，采用第一种机构，其液压系统设计相对于第二种机构要小得多，而且单一的主缸产生推力比起第二种方案需两缸同步产生的推力来讲，控制要简单得多，需用的液压油量也相对较少，仅液压系统就能省下不少的投资；另外，由于主缸放置在机架的侧面，避免了向上热气流的直接烘烤，对主驱动缸的保护有一定的好处[4]。

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第二章 总体设计计算

第二章 总体设计计算

2.1现有剪切机结构原理及存在问题

通过生产实践和科学实验证实:剪切过程是由压入变形和剪切滑移两个阶段组成，剪切过程的实质是金属塑性变形的过程。如图1.1所示，当上剪刃下移与钢板接触后，剪刃便开始压入钢板，由于P力在开始阶段比较小，在钢板剪切断面上产生的剪切力小于钢板本身的抗剪能力，因此钢板只能发生局部塑性变形，故这一阶段称为压入变形阶段。随着上剪刃下移量增加，钢板压入变形增大，力P也不断增加。当剪刃压入到一定深度，即力P增加到一定值时，钢板的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于由压入变形阶断过渡。

到剪切滑移阶段的临界状态。当剪切力大于钢板本身的抗剪能力时，钢板沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段被称为剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段，由于剪切断面不断变小，剪切应力也不断变小，直至钢板的整个断面被剪断为止，完成一个剪切过程。下面分析一下剪切过程中作用力的变化。为了便于分析，应该忽略剪刃与钢板之间的摩擦力、剪刃的间隙、钢板的重量以及其它因素。

由图2-1看出，当剪刃压入钢板后，上下剪刃对钢板的压力P形成一力偶Pa, 此力矩使钢板转动，但在钢板转动过程中，将遇到剪刃侧面的阻挡，即剪刃侧面给钢板以侧推力T，则上下剪刃的侧推力又构成另一力偶Tc，力图阻止钢板转动。随着刀片的逐渐压入，钢板转动角度不断增大，当转过一个角度Y后便停止转动，此时两个力矩平衡，即

图2-1剪切原理图

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第二章 总体设计计算

P·a=T·C （1-1）

假设在压入变形阶段，沿面积x和0.5Z(这里取钢板宽度为1)上的单位压力均匀分布且相等，则

PT?x0.5z （1-2）

T?P0.5z?P?tg? （1-3） x式中：z—剪刃压入钢板的深度。 由图2-1中的几何关系，得

a?x?c?0.5z （1-4） tg?h?0.5z （1-5） cos?将式(1-3)、(1-4)、(1-5)代入式(1-1)中可得，剪切时，钢板的转角γ与剪刃压入深度z的关系

z ?2tg2??cos??2tg2? （1-6）

h由式(1-6)知，剪刃的压入深度z越大，钢板转角了也越大，这会导致钢板剪切质量下降。并且钢板被剪断后，翘起的钢板端部会对设备产生冲击。由式(1-3)知，当钢板转角了增大时，侧推力T随之增大。这样，不仅使剪刃台与机架的滑道磨损加剧，而且当上下剪刃台的刚性较差时，还会改变剪刃的间隙，以致造成剪切困难。因此了角的增大对设备是很不利的。为了克服钢板在剪切过程中转动带来的缺点，一般剪切机都设置了专门的压板装置，其作用是给钢板一个压力Q，把钢板紧紧压在下剪刃台上，从而达到克服钢板转动的目的。在剪刃的压入变形阶段，钢板作用在剪刃的力为

0.5zP?pbx?pb （1-7）

tg?由式（1-6）可得 tg??z，则 2h 6

第二章 总体设计计算

P?pb0.5zh （1-8）

设??z，则式（1-8）可改写为 hP?pbh0.5? （1-9）

式中: p——单位面积上的压力(N/mm2);

b——钢板的宽度(mm); h——钢板的厚度(mm); ￡——相对切入深度(%)。

由上式可知，若认为剪刃压入阶段的单位压力P为常数，则总压力P随z值增加，即按一个抛物线增大，直到钢板开始沿整个剪切断面产生滑移时，P力达到最大值Pmxa。在剪切滑移阶段，剪切力P按下式计算:

??h? （1-10） P??b??z?cos????式中τ——被剪切钢板单位面积上的剪切抗力(N/mm2)。

从上述分析可得出，剪切过程中作用力及其变化规律:剪切力随着z的增加而变化，当剪切力P为最大值后，钢板开始产生滑移。剪切力P的值是同单位剪切抗力丁有关。单位剪切抗力丁并非常数，其数值大小和钢板材质、剪切温度、剪切速度、剪刃形状、剪刃间隙及相对切入深度等因素有关。单位剪切抗力T的确定有实验曲线法和理论计算法两种。以下对影响单位剪切抗力公的因素进行定性的描述:

①金属性质:金属材料的强度极限越高，则单位剪切抗力越大;塑性越低，对应于。

剪断时的相对切入深度越小，即金属断的越早。因此单位剪切抗力与金属的强度和塑性有关。

②剪切温度:钢板剪切时的温度越高，单位剪切抗力越小，对应于剪断时相对切入深度则越大。

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第二章 总体设计计算

③变形速度:热剪时，理论上变形速度与剪切速度成正比关系，单位剪切抗力随变形速度增加而增加;冷剪时，剪切速度对单位剪切抗力的影响很小，一般可不加以考虑。

④剪刃侧向间隙:剪刃侧向间隙的大小，可以使剪切时的受力状况发生变化。当侧向间隙由零逐渐增大时，钢板的受力状况分别为压缩~剪切~弯曲状态，侧向间隙过小或过大都会使单位剪切抗力增加。因此，合理选择和保持剪刃侧向间隙的大小，对于正确使用剪切机是十分重要得。

⑤刀钝半径:刀钝半径的大小，直接影响单位剪切抗力的大小。刀钝半径越大，刀就越不“快”，剪切抗力就越大。但在压入阶段剪切力的计算中，不考虑刀钝半径的影响是允许得。

⑥剪切断面的宽高比b/h：当b/h小于1时，τ与b/h几乎无关；当b/h大于1时，τ值随b/h的增大而迅速增大。

除上述因素影响外，压板、剪刃与钢板的摩擦系数及剪刃的几何形状等因素，对单位剪切抗力也都有一定的影响，但这些因素相对来说影响很小，可以忽略不计。现有剪切机一般存在占地面积广、噪音大、节拍固定、灵活性差等问题，尚需解决。

2.2设计要求

1．结构设计：在现有设备剪切原理的基础上，将电机、机械传动转化为液压传动，同时对相关的结构、油缸大小进行设计计算。

2．设计液压系统：根据所需剪切力、生产节拍优化液压系统，选择液压元件和电机等。

3．设计液压阀块。

4. 要求生产节拍最快每分钟30次。

2.3液压剪切机的总体设计

液压剪切机的设计主要包括机架、摆臂、进料及剪切系统、主轴系统、靠板系统和油缸系统等六部分的设计。上述六部分结构是液压驱动式剪切机的主

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第二章 总体设计计算

要组成部分，其结构性能是影响剪切机能否达到设计要求的重要因素。每部分设计主要牵涉机构关键部分受负载的分析状况，必须考虑到机构设计所要达到的要求这项重要因素。下面是剪切机的总体设计外形如图2-2所示。

1-机架;2-进料及剪切系统;3-摆臂;4-主轴系统;5-靠板系统;6-油缸系统

图2-2 剪切机外形图

2.4 液压剪切机的主要参数计算

2.4.1剪切力的计算

斜刃剪板机的剪切力由三个部分组成:

P=P1+P2+P3 (2-4)

P1——纯剪切力;

P2——钢板被剪掉部分的弯曲力，即被剪掉部分在剪切时对上刀片沿着钢板折边线作用产生的弯曲力;

P3——钢板在剪切区域内的弯曲力，在此区域内由于上刀片的压力使金属形成局布变形弯曲。

经理论分析、计算后，纯剪切力用下式表达，斜刃剪总剪切力P由下是确定：

P=P1（1 + Z

tan? + 0.6?1） 100?1??bY2X 9

第二章 总体设计计算

tan?1h2 =0.6δσb{1 + Z + }

100?0.6?tan?1??bY2X式中的第二项为分力P2,第三项为分力P3。

式中系数Z-系数，实验研究表明，此系数与钢板被剪掉部分的宽度d、钢板

d?tan?材料的延伸率δ以及刀片倾角α等因素有关，即Z=f()=f(λ),其变化规律

?h如下图所示，系数的最大值为0.95；

Y-刀片相对侧隙，即为刀片侧隙Δ与钢板厚度h的比值，Y=Δ/H,当h?5毫米时取Δ?0.07h；h=10-25毫米时，取Δ=0.5毫米。

X-压板相对距离，即为压板中心离下刀片侧边缘c，与钢板厚度h的比值，即：X=c/h。考虑到压板的作用，初步计算可取X=10。

图2-3系数z与函数λ的关系 图2-4压板与刀片间的位置关系 弹簧钢的材料性能参数如下:

表2-1

钢号 屈服强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 延伸率 断面收缩率 状态 HB（不大于） 60Si2Mn 1200 1300 5% 25% 热轧 321 选取剪切倾斜角α=5.度，则λ=dtanα/δh, 其中d=100, h=25, 代入数据得λ=7。根据z-λ曲线可以取z=0.9，初步选定计算剪切力所需的参数：

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第二章 总体设计计算

α=5.度，z=0.9，δ=5%，σb=1200Mpa，h=25mm，Y=Δ/h=0.02，X=c/h=10 代入剪切力计算公式得P=1.2×106N 2.4.2剪刃长度的确定

剪刃尺寸包括剪刃长度、高度和宽度。这些尺寸主要根据所剪轧件的最大截面尺寸来选定。剪刃长度可按下述经验公式确定。对剪切小方坯的剪切机，考虑经常同时剪切几根轧件，取剪刃长度L为被轧件宽度的3~4倍，即

L=(3~4)Bmax （mm）

式中Bmax —被轧件最大宽度，mm。 对于剪切大、中型方坯的剪切机，剪刃长度L

L=(2~2.5) Bmax （mm）

对剪切板坯的剪切机，取剪刃长度

L= Bmax +(100~300) (mm)

剪刃高度和宽度，可按下式确定

hˊ=（0.65~1.5）hmax （mm）

b= hˊ∕（2.5~3） （mm）

式中 hˊ—剪刃断面高度，mm； hmax—被轧件最大高度，mm；

由以上可知，本课题中设计的剪切机主要用于板坯，故剪刃长度L=Bmax+（100-300）mm，而B=100mm，取L=300mm

剪刃高度hˊ=1.2×hmax=1.2×25=30mm 剪刃宽度b= hˊ /2.5=1.2mm

2.4.3剪切次数的确定

根据生产要求，剪切机所要求达到的剪切次数确定为最快每分钟30次。

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第三章 零部件结构设计计算

第三章 零部件结构设计计算

3.1 摆臂的设计计算及强度校核

摆臂，作为剪切机的执行结构，一端与液压缸的活塞杆通过螺栓连接，另一端装有剪切刀。在摆臂的运动过程中主要受到液压缸中活塞杆的推力作用和被剪钢板的剪切反作用力，以及主轴对摆臂的支撑力。

运动过程，实际上是以主轴的中心为矩的原点，液压缸的推力形成动力矩而剪切力的反作用力形成阻力距，是动力矩克服阻力矩的关系。

摆臂梁的设计遵守等强度梁的原则[5]。设计时为了节约材料，减轻自重，可改变截面尺寸，使抗弯截面系数随弯矩而变化。在弯矩较大处采用较大截面，而在弯矩较小处采用较小截面。这种截面沿轴线变化的梁，称为变截面梁。如变截面梁各横截面面上的最大正应力都相等，且都等于许用应力，就是等强度梁。设梁在任一截面上的弯矩为M(x),而截面的抗弯截面系数为W（x）。根据上述等强度梁的要求，应有

σmax= M(x) ∕W（x）=[σ]

或者写成 W（x）= M(x) ∕[σ]，这是等强度梁的W（x）沿梁轴线变化的规律。下面是对摆臂受力情况的分析：

剪切力P=1.2×106N，阻力臂d1=330mm。设推力为F，动力臂d2=1560.6mm。由力矩平衡公式得 P×d1=F×d2，代入数据得 F=260KN。

实际中，液压缸提供的推力应大于此值，安全因数n=1.2,，所以液压提供的实际推力F′=1.2×F=312KN。

然后得出主轴对摆臂的支撑力F1=p+ F′=(1200+312)KN=1512KN

由上述计算说明，根据等强度梁的原则，在设计摆臂时应在受弯矩较大处采用较大横截面面积，而在受弯矩较小处采用较小横截面积。因摆臂的中间截面处受到的弯矩作用最大，在此只分析一下中间截面尺寸的确定。

经查表，可以得到摆臂材料ZG铸钢的许用应力[σ]=175Mpa，然后确定中间

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第三章 零部件结构设计计算

截面的抗弯截面矩系数w=M/[σ]，由公式W=bh2/6，确定该截面的宽度和高度。在相等横截面面积的情况下，将横截面做成高而薄的形状会比做成矮而厚的形状承受的抗弯强度更高，同时这样设计的摆臂自然会满足强度要求。考虑到截面形状的合理性和经济型，故摆臂的设计图形如图3-1所示：

图3-1摆臂简单示意图

摆臂的校核：摆臂的受力图如图3-2所示：

图3-2 摆臂受力图

摆臂的弯矩图如图3-3所示：

322000KN·m

图3-3 摆臂的弯矩图

M????12.88MPa由材料力学公式??得 W0.025WM322000其中W为中间截面的抗弯截面系数，由公式W=bh2/6得

0.29?0.722W??0.025m3

6摆臂所用材料为ZG30Mn，经查表可以得到强度极限?s=300Mpa，安全因数n=2.5，故???????sn?300?120MPa。因此，摆臂的设计符合强度要求。 2.53.2主轴系统设计

3.2.1主轴设计计算

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第三章 零部件结构设计计算

轴的设计包括轴的结构设计和轴的计算。轴的计算包括轴的强度计算、轴的刚度计算。

轴的设计原则是，在满足结构要求和强度、刚度要求的条件下，设计出尺寸小、重量轻、安全可靠，工艺上经济合理，又便于维护检修的轴。

在一般情况下，轴的工作能力决定于它的强度和刚度。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还必须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上做轴向移动，需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应做周向笃定；3）对轴与其他零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应有良好的工艺性。

主轴的结构图如图3-4所示：

图3-4 主轴结构图

轴的受力图如图3-5所示：

图3-5 轴的受力图

主轴的弯矩图如图3-6所示：

326970KN·m

图3-6 主轴弯矩图

主轴的转矩图如图3-7所示：

486907N·m

图3-7 主轴转矩图

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第三章 零部件结构设计计算

主轴的校核：由主轴的弯矩图和转矩图可知，在主轴的中截面处所收到的合弯矩值最大，故只需要校核此截面处的强度。

中间截面的合弯矩为：M=

m=5.86×105 N·m 3269702?4869072N·

主轴所用材料为45号钢，经查表可以查得其强度极限?s= 340Mpa， 故

???M586000340??6.06MPa?????s??136MPa W0.09675n2.5所以,主轴的强度符合要求。

3.2.2 轴承的选择

轴套在一些转速较低，径向载荷较高且间隙要求较高的地方（如凸轮轴）用来替代滚动轴承（其实轴套也算是一种滑动轴承），材料要求硬度低且耐磨，轴套内孔经研磨刮削，能达到较高配合精度，内壁上一定要有润滑油的油槽，轴套的润滑非常重要，干磨的话，轴和轴套很快就会报废，在本课题中推荐安装时刮削轴套内孔壁，这样可以留下许多小凹坑，增强润滑。

3.3机架的设计

机架的分类：按制造方法，机架可分为铸造机架、焊接机架和螺栓联接或铆接机架。按机架材料可分为金属机架、非金属机架。非金属机架又可分为混凝土机架、花岗岩机架、塑料机架或其它材料的机架。

铸造机架常用材料为铸铁、铸钢和铸铝。小型设备的机架则有用铜制或塑料制造，其制造工艺设计可参考《机械设计手册》。

机架设计准则：机架的设计主要保证刚度、强度及稳定性。

机架设计的一般要求：①在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低；②抗振性好；③噪声小；④温度场分布合理，热变形对精度的影响小；⑤结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；⑥结构便于安装、调整及修理。

剪切机机架在整个机构中支撑摆臂、主轴等整个工作平台的重量，并将其传递到基地上，它的设计重点是满足强度要求即可，保证在剪切机剪切过程中

15

第三章 零部件结构设计计算

不会被压溃即可，不会发生过大变形，其具体参数见图3-8。

图3-8 机架结构图

剪切机机架材料的选用，主要是根据机架的使用要求。多数机架形状较复杂，故一般采用铸造。本课题中的剪切机结构并不复杂，但对机架的强度和刚度要求较高，属于受力较大的机架，所以机架的材料选取铸造碳钢。设计时，在机架受力较大的地方应该注意通过加大钢板厚度等方法增强机架的强度要求。

铸钢件一般都要经过热处理。热处理的目的是为了消除铸造内应力和改善力学性能。铸钢机架的热处理方法一般有正火加回火，退火、高 温扩散退火和焊补后回火等。

3.4靠板系统设计

剪切机的靠板系统，是为了防止剪切机的上、下剪刃在剪切时因为轴向力的缘故而发生相对错动，造成不能正确的剪切工件。靠板系统的设计重点是在适当的位置上添加夹紧装置，靠板系统上设有夹紧装置，能够解决剪切时摆臂的轴向偏移等问题，从而上、下剪刃之间有适当的剪刃侧隙，可以更好地剪切钢件。根据剪切机的具体工作情况，靠板系统的装配位置见装配图，其设计的某些参数见图3-9：

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第三章 零部件结构设计计算

1-支板；2-靠板；3-六角螺母M20;4-调节轴；5-内六角螺栓； 6-内六角螺栓M12×40;7-内六角螺栓M12×20；8-衬板；9-陪衬板

图3-9 靠板系统

3.5油缸系统设计

液压缸是液压传动的执行元件，它和主机工作机构有直接的联系，对于不同的机种和机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。

液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。

图3-10：单活塞杆液压缸示意图 17

第三章 零部件结构设计计算

①液压缸工作压力的确定

液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3-1、表3-2来确定。

表3-1 液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）

0.63 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 31.5 40.0 表3-2 各类液压设备常用的工作压力(单位：MPa)

设备类型 工作压力(MPa) 一般机床 一般冶金设备 1～6.3 6.3～16 农业机械、 小型工程机械 10～16 液压机、重型机械、轧机压下、 起重运输机械 20～32 由以上可选定液压缸的工作压力P为20MPa。

②缸筒内径D。液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB2348—80标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。

无活塞杆侧的缸筒内径D为：

4?312?1034F??P×10-3 m=3.14?20×10-3 m=140.97 mm D=

根据国家标准GB/T2348-1993[6],选取液压缸的标准内径D为140mm ③活塞杆外径d。活塞杆外径d通常先从满足速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和稳定性。活塞杆是传递力的重要零件，它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。

取速比ψ=2，则d=D·??1

=140×0.7=98 mm ?根据国家标准GB/T2348-1993，活塞杆的直径应选择d=100 mm

④缸筒长度L的确定。缸筒长度L由最大工作行程加上各种结构需要来确定，即：L=I+B+A+M+C

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第三章 零部件结构设计计算

式中 I为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为（0.6-1）D；A为活塞杆导向长度；M为活塞杆密封长度，由密封方式确定；C为其他长度。

活塞杆的最大行程I为剪切过程摆臂转过的角度与摆臂长度的乘积，即：

I=

?×1560.6 mm=327 mm，活塞宽度B=140m。 15一般导向套滑动面的长度A，在D＜80mm时取A=(0.6-1.0)D,在D＞80mm时取A=(0.6-1.0)d；活塞的宽度B则取B= (0.6-1.0)D。故选取A=d=100 mm

经查表，根据具体情况最后确定刚筒长度L=740 mm ⑤缸筒壁厚的确定。

缸筒壁厚为δ=δ0+c1+c2 ，根据剪切机的实际工作情况，确定缸筒壁厚δ=25mm

⑥缸筒壁厚的校核。一般按薄壁缸筒计算公式计算：

P?D20?0.14δ0>max==13 mm

2?1082?p?p其中σp==540/5=108， 所以缸筒的壁厚符合强度要求。

n⑦活塞杆的强度校核

活塞杆在稳定情况下，如果只受推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行：

4?F?10?6???? ??2?d式中： F — 活塞杆的推力 N d — 活塞杆直径 m

[?]—材料的许用应力 MPa 活塞杆用45号钢

0Pa,?n2. ????s,?s?34M 5n312?103?10?6?4340代入数据：??=39.74Mpa<==136 Mpa ???23.14?0.12.5?因此，活塞杆的强度满足要求。

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第三章 零部件结构设计计算

3.6 进料及剪切系统设计

剪切机的进料及剪切系统，主要是指被剪件的输送以及剪切时工件的夹紧和刀具的安装机构。其主要设计结构如下图所示：

1-三角支板；2-进料曲座板；3-螺栓M20×80;4-顶板；5-滑柱螺栓；6-螺母M20；7-剪刃；8-沉头螺钉M16×50；9-内六角螺栓M20×80；10-固刀调整板；11-螺栓M12×25；12-压板；13-靠板；14-下靠板

图3-11 进料机架密切系统

剪切机在剪切钢板时，由于剪切力在水平方向上存在一个分力，会对钢板产生一个向左的推力，这样会造成钢板移动而不能更好地剪切。因此需要依靠螺栓3的作用将钢板加紧。此外，该机构可以通过调节顶板4的位置用来剪切不同宽度的钢板。

3.7液压系统设计

液压系统的基本组成

1）能源装置——液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。

2）执行装置——液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。

3）控制装置——液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换

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第三章 零部件结构设计计算

向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

4）辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。

5）工作介质——液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。

采用液压系统有以下特点：

①在同等的体积下，液压装置能比其他装置产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑，液压马达的体积和重量只有同等功率电机的12%。

②液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。

③液压装置可在大范围内实现无级调速，（调速范围可达到2000），还可以在运行的过程中实现调速。

④液压传动易于实现自动化，他对液体压力，流量和流动方向易于进行调解或控制。

⑤液压装置易于实现过载保护。

⑥液压元件以实现了标准化，系列化，通用化，压也系统的设计制造和使用都比较方便。

3.7.1液压系统设计要求及工况分析

（1）设计要求

本机主要用于剪切钢板，用来生产汽车钢板弹簧的。剪切机在剪切钢板时液压缸通过做弧形摆动提供推力。主机运动对液压系统运动的要求：剪切机在剪切钢板时要求液压装置能够实现无级调速，而且能够保证剪切运动的平稳性，并且效率要高，能够实现一定的自动化。

(2)工况分析

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第三章 零部件结构设计计算

本剪切机是一种剪切性能好，专门用来剪切小型方坯，生产汽车钢板弹簧的机构，工件装配时可通过夹紧机构来剪切不同宽度的钢板。该机构主要有两部分组成：机械系统和液压系统。机械机构主要起传递和支撑作用，液压系统主要提供动力，它们两者共同作用实现剪切机的功能。

工作负载的情况 推程过程：F1=312KN

?22

(D – d)P×106=150.72KN 43.7.2液压缸参数的初步确定

回程过程：F2=A2P×106=1液压缸的内径和活塞杆直径

在油缸系统设计中，根据计算出来的液压缸所需提供的推力已经计算出液压缸的内径D=140mm，活塞杆的直径d=100mm。

由此求得液压缸面积的实际有效面积为：

A1??44?(D2?d2)??(0.142?0.12)A2???0.007536m2

44D2???0.142?0.01538m2

2液压缸的流量

液压缸的流量余缸径和活塞的运动有关系，当液压缸的供油量Q不变时，除去在行程开始和结束时有一加速和减速阶段外，活塞在行程的中间大多数时

v间保持恒定速度m，液压缸的流量可以计算如下：

vA Q?

?cv式中： A — 活塞有效工作面积

环时

?cv —活塞的容积效率 采用弹形密封圈时?cv=1，采用活塞

Avmax

?cv=0.98

Qmax?vmax?cv—为液压缸的最大运动速度 m/s

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第三章 零部件结构设计计算

代入数据，得 Qmax=

Qmin=

3活塞的运动速速

0.01538?0.327?60=150L/min

0.980.007536?0.1635?60=75.4 L/min

0.98单位时间内压力油液推动活塞移动的距离，为活塞的运动速度。运动速度可示为 v=Q/A m/min

4Q?V?3?10=0.327m/s 2?D4Q?V?10?3=0.1635 m/s 当活塞杆缩回时 v =22?(D?d)当活塞杆伸出时 v=

4速比

液压缸活塞往复运动时的速度之比

v2A1D20.142??2?? 2 ??222v1A2D?d0.14?0.1计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速比不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成活塞杆太细，稳定性不好。

5 活塞的理论推力和拉力 活塞杆伸出时的理论推力为

F1=A1P×106=

活塞杆缩回时的理论拉力为

F2?A2P?106??4D2P?106=312KN

?4(D2?d2)P?106=156KN

3.7.3拟定液压系统原理图

1系统工作压力由设备类型、载荷大小、结构要求和技术水平确定。工作压力高，省材料，结构紧凑，重量轻，是现在液压发展的方向，但要注意治漏、噪音控制和可靠性问题的妥善处理。由于本设备的剪切力大，而驱动上刀架的液压缸布置在机架上，要求设备的结构小，安装和检修要方便。应以选择高压

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第三章 零部件结构设计计算

为主，但压力太高，其治漏、检修等问题又比较难处理。根据工厂的生产经验，在进行分析和考虑各种相关因素之后将系统压力确定为20Mpa。

图3-12 剪切机液压系统原理图

1—变量液压泵；2—先导式溢流阀；3—二位二通电磁换向阀；4、7—压力表及其开关； 5—单向阀；6—减压阀；8—二位四通电磁换向阀；9—液控顺序阀；10—单向节流阀；11—剪刀液压缸；12—蓄能器

2液压油路原理图

启动升压 电磁铁3YA通电换向阀3（右移），其他都不动。 进油路：变量泵1→单向阀5→蓄能器。 剪刀下降 电磁铁1YA，2YA，3YA都得电。

进油路：变量泵1→单向阀5→换向阀8右位→液压缸11上腔。 回油路 ：液压缸11下腔→单向节流阀10→液控顺序阀9→换向阀8右位→油箱。

剪刀上升 电磁铁1YA，3YA得电。

进油路：变量泵1→换向阀8左位→液控顺序阀9→单向节流阀→液压缸11下腔。

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第三章 零部件结构设计计算

回油路：液压缸11上腔→换向阀8左位→油箱。

系统卸荷 电磁铁全部失电。 由于液控单向阀9的作用，液压缸11停在原位不动。

卸荷油路：变量泵1→单向阀5→先导式溢流阀2→油箱。

3.7.4选择液压元件

1确定液压泵规格和驱动电动机功率

由前面工况分析，由最大压制力和液压主机类型，初定上液压泵的工作压力取为20Mpa，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为1MPa（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为

Pv?P1??P1?(20?1)MPa?21MPa

上述计算所得的Pp是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力Pn应满足：

Pn?PV21??26.25MPa 0.80.8液压泵的最大流量应为：

qp?KL(?q)max

式中qp?液压泵的最大流量

(?q)max?同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量2~3Lmin。

KL?系统泄漏系数，一般取KL?1.1~1.3，现取KL?1.1。

qp?KL(?q)max???q?1.1?(150?2.5)?167.75L/min

由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。大流量。所以选轴向柱塞变量泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：

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第三章 零部件结构设计计算

1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力，一般是（200~400）

?105Pa，最高可以达到1000?105Pa。

2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。

3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。

4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。

根据以上算得的qp和Pp在查阅相关手册《机械设计手册》成大先P17-174得：现选用XBY-F75，排量75ml/r，额定压力28Mpa，额定转速1500r/min，驱动功率58KW，容积效率?93%，重量70kg，容积效率达93%。

由前面得知，本液压系统最大功率出现在工作缸压制阶段，这时液压泵的供油压力值为28Mpa，流量为已选定泵的流量值。?p?液压泵的总效率。柱塞泵为0.80~0.85，取?p?0.82。

选用1000r/min的电动机，则驱动电机功率为：

Pp?qp26?167.75Np?3??88.6KW

60?0.8210??n故选用电机YH28UM-4，其额定功率为90KW。 2控制阀的选用

液压系统应尽可能多的由标准液压控制元件组成，液压控制元件的主要选择依据是阀所在的油路的最大工作压力和通过该阀的最大实际流量，下面根据该原则依次进行压力控制阀，流量控制阀和换向阀的选择。 （1）压力控制阀 压力控制阀的选用原则

压力：压力控制阀的额定压力应大于液压系统可能出现的最高压力，以保

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第三章 零部件结构设计计算

证压力控制阀正常工作。

压力调节范围：系统调节压力应在法的压力调节范围之内。 流量：通过压力控制阀的实际流量应小于压力控制阀的额定流量。 结构类型：根据结构类性及工作原理，压力控制阀可以分为直动型和先导型两种，直动型压力控制阀结构简单，灵敏度高，但压力受流量的变化影响大，调压偏差大，不适用在高压大流量下工作。但在缓冲制动装置中要求压力控制阀的灵敏度高，应采用直动型溢流阀，先导型压力控制阀的灵敏度和响应速度比直动阀低一些，调压精度比直动阀高，广泛应用于高压，大流量和调压精度要求较高的场合。

此外，还应考虑阀的安装及连接形式，尺寸重量，价格，使用寿命，维护方便性，货源情况等。

根据上述选用原则，可以选择直动型压力阀，再根据发的调定压力及流量和相关参数，可以选择DBT式直动式溢流阀，相关参数如下：

型号：DBT1/315G24 流量： 120L/min 规格：10通径，32Mpa，板式联接 （2）流量控制阀的选用原则如下：

压力：系统压力的变化必须在阀的额定压力之内。 流量：通过流量控制阀的流量应小于该阀的额定流量。

测量范围：流量控制阀的流量调节范围应大于系统要求的流量范围，特别注意，在选择节流阀和调速阀时，所选阀的最小稳定流量应满足执行元件的最低稳定速度要求。

该剪切机液压系统中所使用的流量控制阀有单向节流阀，单向节流阀的规格和型号如下：

型号： ALF3-E10B 公称通径：10mm 公称流量: 48L/min

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第三章 零部件结构设计计算

(3)方向控制阀的选用原则如下：

压力：液压系统的最大压力应低于阀的额定压力 流量：流经方向控制阀最大流量一般不大于阀的流量。 滑阀机能：滑阀机能之换向阀处于中位时的通路形式。 操纵方式：选择合适的操纵方式，如手动，电动，液动等。

方向控制阀在该系统中主要是指电磁换向阀，通过换向阀处于不同的位置，来实现油路的通断。所选择的换向阀型号及规格如下：

型号：22EF3B-E10B 额定流量：30L/min 规格：6通径，压力20Mp

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结 论

结 论

将液压传动技术应用于剪切机，实现了剪切机在工作时噪音小，占地面积节省及灵活性好的功能，而且通过液压系统驱动能够实现高速剪切，大大提高了工厂的生产效率。

采用液压压驱动方式，剪切机不但工作可靠，响应灵敏度高，而且传动时平稳，效率高，从而解决了传统剪切机普遍存在的一些缺陷问题。

根据给定的生产要求以及对液压系统工况情况的分析，选定了适合要求的液压元件。

根据结构特点和设计要求，对剪切机的主要零部件进行了结构设计和强度校核，从而理论上论证了这种设计方法的可行性。

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参考文献

参考文献

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[6] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

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致 谢

致 谢

本次毕业设计是在孙传祝老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，孙老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。孙老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以鼓舞，在此谨向孙老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

还要感谢的是我的同学和朋友们，他们经常为我的设计提出各种意见和建议，虽然大家设计方面的经验并不充分，但这份友情、这份真诚已成为我大学最后生活的一笔宝贵的财富。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1pjp.html