毕设论文-某型重型数控机床变载荷实验台设计与分析.docx

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目：某型重型数控机床变载荷实验台设计与分析学 院： 机 电 工 程 学 院 专 业： 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学生姓名： 钱铖 班级/学号机 械1006 /2010010155 指导老师/督导老师： 孙 江 宏 起止时间： 2014 年 2月 28日 至 2014 年 6 月12 日 摘要 本课题研究内容为某型重型数控机床液压模拟加载荷载实验台的设计与分析。针对TK6920重型数控机床给定参数及其加工特点，设计其变载荷实验台机械结构，并进行三维建模并建立实验台液压加载系统。基于Hypermesh软件，进行实验台静载荷和动载荷分析；基于AMESIM 软件，进行液压驱动系统仿真分析。该课题是为企业进行产品开发设计的实际项目，具有预研性与实用性。本实验台系统可以实现基于液压加载系统，输入既定载荷参数，如静载荷或是变载荷（持续规律变化的载荷量）在模拟刀具上输出相应符合要求的载荷的功能；确保实验台具有良好的结构性，在整个加载系统以实验要求的载荷加载运行的过程中，试验台结构需始终保持稳定可靠，而且结构设计尽量紧凑、便于定位与装配。 关键词:液压加载实验台,滚动轴承,模拟刀具,强度分析,液压加载系统设计 Abstract The content of this paperis thedesign and analysis of a hydraulicloading systemof a certain type ofHeavy NCmachine tool. In view of the machining features and given parameters of TK6920heavy NC machine tool, the mechanical structure of the variable load bend will be designed, the 3D model of the structure and the Hydraulic loading system will be established. Based on Hypermesh software, static loadand dynamic loadwill be analyzed. Based on the AMESim, the function of hydraulic simulation system will be analyzed. This is an actual project for an enterprise, which is advanced and practical. Based on the hydraulic loading system which is input given loading parameters such as static load or variable load (aregularly changing load signal), the test bend can output corresponding to meet the requirements of test on the simulation tool. Ensure the test bend has high-performance structural stability during the run time. Also the structure design should be compact and easy to locate andassemble.Key word: hydraulic loading bend, antifriction bearing, simulation tool, strength analysis, design of hydraulic loading system 目录摘要（中文）I（英文）II第一章 绪论11.1课题背景与来源11.2国内外发展现况31.3课题研究内容4第二章 实验台总体方案设计62.1试验对象机床的介绍62.2方案分析与制定72.3本机床在实际加工过程中铣削力的计算与分析8第三章 实验台机械结构设计与分析123.1实验台结构说明123.2模拟刀具的结构特点与功能实现123.3支架强度校核15第四章 液压系统设计与仿真194.1液压系统功能介绍194.2液压加载系统负载计算与分析194.3液压加载系统液压缸工作循环各阶段速度的选定与分析204.4加载液压缸参数的确定204.5液压缸各工作阶段流量的确定244.6液压缸各工作阶段压力的确定244.7液压系统图的绘制与工作原理的确定254.8液压元件的选型与确定274.9 液压系统仿真分析28第五章 结束语32 参考文献33 第一章 绪论1.1课题背景与来源1.1.1课题背景我国目前的现状是高档重型数控机床 90%以上来源于国外进口。为了增强国际竞争力，解决我国在发展使用高档重型数控机床过程中目前所面临的核心问题，在国家高档数控机床与基础制造装备科技重大专项中，高档数控机床在现代化建设中的重要性得到了高度的体现，反映出了国家对发展高档数控机床产品的重视和信心，也反映出市场的需求以及高档数控机床的发展趋势和方向因此，激烈的市场竞争以及庞大的市场需求对高档数控机床提出了更高的要求。主轴性能好坏被认为是衡量数控机床是否稳定可靠的一项重要指标之一。1伺服加载系统是伺服系统的一个重要组成部分,其在工程领域通常也被称为负载模拟器,将经典的自破坏性全实物试验转化为实验室条件下的预测性研究,从而可以达到缩短研制周期、节约研制经费、提高可靠性和成功率的目的23。所以放眼本课题，针对重型数控机床主轴的变载荷加载试验台的建立对重型数控机床主轴在实际加工中大载荷负载情况的仿真具有高效、真实测试主轴性能的意义。1.1.2课题来源齐齐哈尔第二机床厂TK6910型号重型数控镗铣床，为模拟该机床在实际加工过程中，刀具真实的受力情况而需要设计开发出的专用实验台，其可经济有效的模拟机床在实际加工中主轴、刀具的受力情况，为该型号机床寿命评估，强度校验与结构优化等环节提供试验平台。实验台设计要求有带滚动轴承的模拟刀具，加载方式为液压加载结构。1.2国内外发展现状国内外对重型数控机床关于主轴性能测试方面的模拟加载试验台设计的相关文献报告很难查到，但是对于高速电主轴数控加工机床的主轴性能测试的模拟加载试验台建立的文章却有很多，其中涉及的方法也是多种多样，整个设计过程展现的也是比较详尽。这些方案中也有很多东西值得本课题借鉴。在周训通，等的高速电主轴非接触电磁加载研究4中，其采用的是一种电磁加载的方式，主要特点就是非接触式加载，可以适应主轴具有很高转速的加载要求，其试验台结构如图1。文中也介绍了，传统的主轴加载试验有切削力法、转矩转速仪法以及液压加载法。这些方法适用于中低速运转，当高速运转时，会产生剧烈摩擦热、振动和噪声而不能长时间运行，因而达不到预期的实验效果，但液压加载适于中低速运转的主轴实验，这点对本课题具有指导意义。 图1.1 试验台方案结构图目前国内对主轴的研究主要以有限元分析、建模仿真为主，大多数的动态测试方法均为空载运行实验和部分的静态载荷运行实验。重庆大学的康辉民等使用电涡流测功机对电主轴进行了扭矩加载，并提出使用伺服电机通过减速机构进行径向加载，但是并没有解决动态加载的难题，北京机床所使用气缸对主轴进行轴向力和径向力的加载，以模拟主轴加工时的真实受力状况。5针对以上的情况，吉林大学的侯雨辰也研制出电磁非接触式与轴承接触式的混合加载试验台，可以综合考虑主轴同时受径向载荷和轴向载荷的实际负载情况。在吉林大学王凯的高速电主轴电液伺服加载的可靠性试验台研制一文中6, 提出了一种以电液伺服系统和电力测功机作为加载装置的高速电主轴可靠性试验方案，搭建了高速电主轴可靠性试验台，试验台总体结构示意图，见图1.2。其中应用电液伺服的主轴载荷加载方式，并设计出电液伺服机床主轴模拟加载试验台的模型，提出的一种液压施载到轴承上继而传到主轴上的液压加载结构，对本课题的研究很有参考价值。以下对该方案进行具体分析并与本课题需 图1.2试验台总体结构示意图要设计的液压加载试验台方案进行对比，以摄取更好的符合本课题重型数控机床试验台的设计方法。图1.3为该试验台支架示意图。试验支架固定在地平铁上，电主轴由抱夹机构所夹持，其支撑机构为刚度非常大的垫板和垫铁。抱夹机构和垫板作为不同型号主轴装配的过渡件，垫铁靠磨削来调整高度。轴承单元装配图如图1.4所示，一对角接触球轴承正装在加载棒上，两轴承 图1.3试验台支架示意图 图1.4轴承单元装配图内圈之间有一套筒。两轴承的内圈分别被轴肩和圆螺母限制并进行定位，而外圈则被端盖和轴承套限制。实际工作时，加载棒所受轴向力从右向左施加在轴承套的右端面上，轴承套传递给右侧轴承的外圈，再由内圈通过套筒传递给左侧轴承，最终传递到加载棒上。图1.5展示的为该系统的液压加载装置（该文中称为作动器）电液伺服作动器的底端有铰链 10铰接在液压支座 1 上，作动器水平放置，通过支撑架2进行支撑。作动器底端可通过铰链上下自由转动，同时加载杆3的前端做成半球形，与加载杆接触的轴承套做成半球形凹槽，这样作动器就成为一个二力杆，可以自动调节动作误差，使加载力一直作用在主轴轴线。 油缸上装有位移传感器 9，可实时检测活塞位置，进行闭环控制。作动器前段安装有弹性装置 5，通过计算得知弹性装置使加载效果更好。力传感器 4 可以测量实际加载力的大小，起到监控和保护的作用。 图1.5 液压加载装置（作动器）通过对该方案的分析，可以借鉴学习的方面： 1)液压加载执行元件的设计思路与细节。最关键的就是需要考虑与承载结构接触面的处理，该试验台将加载执行元件构成二力杆的方法，可以自动调节误差，避免试验台工作中主轴变形所带来的加载不稳定现象，这种设计方法值得借鉴； 2)轴承单元承载结构的设计。该文提供了详细的轴承单元承载的工作原理与完整的结构设计过程，包括对轴承的可靠性校核。其采用一对角接触球轴承进行轴向力与径向力的承载，虽然可能无法满足本课题的加载要求，但仍然提供了可以应用到本课题加载装置设计的一种思路；3)该试验台实验对象为高速电主轴，所受载荷较小，所以其轴承承载单元与液压加载装置位置相对分散，这在大载荷加载过程中将提高不稳定性；4)该方案中试验台总体结构过于分散，结构也相对复杂，其灵活性较差，安装调试复杂，不适于固定、无法随意调整姿态的重型数控机床主轴的模拟加载实验。 在本课题试验台设计中，需尽量将液压加载装置与轴承承载装置设计装配在一起，使试验台结构紧凑、便于移动，充分利用重型数控机床主轴可以在不拆卸情况下在进给运动方向上的移动进行定位的思路进行模拟加载试验台的设计。他的这套实验台总体方案的设计过程可归纳为：对所研究电主轴进行了受力分析，计算出主轴所受最大静态力和扭矩；根据切削力频域波形图，分析出主轴工作时所受动态力大小及频率，为设计加载装置提供依据。建立了电液伺服系统的数学模型，使用奈奎斯特判据和伯德图分析了系统稳定性。通过增加阻尼环节，对加载系统的稳定性进行了优化。对试验台机械部分使用 Ansys 进行了强度校核，对设计的轴承进行了寿命分析。虽然本课题中的实验对象为重型数控镗铣床主轴，其加工对象庞大，主轴转速较慢，所受载荷很大，但主轴受力分析、试验台结构设计与加载系统的建立都是相似的，因此其中介绍的设计方法与设计过程是很值得借鉴的。目前，国外有几家大型的从事高速电主轴生产研发的企业，如：德国西门子公司，GMN 公司、瑞士 IBAG 公司、美国 Setco 公司、意大利 FAEMAT 公司、Omlet公司等，他们所生产的电主轴转速高、功率大、加工精密，对于高速电主轴的设计研发均处于领先位置，瑞士米克朗公司生产的机床可配备转速达 60000r/min的电主轴，而国外用于加工中心的电主轴，实际上最高转速已经达到 75000r/min了。在对高速电主轴的相关技术方面，我国也落后于发达国家，如：国外已经普遍采用油气润滑技术，减少了主轴在高速运转时的磨损，也达到了节能环保的目的5。国外对于重型数控机床的相关文献很少,连相关测试的文章都难以找到。但关于高速数控加工机床在国外的发展情况也可以映射出国内重型机床领域也有许多方面需要努力提高的。1.3课题研究内容1.3.1研究方向 本课题的研究方向是模拟对某重型数控机床主轴在实际加工过程中所受载荷的变载荷加载试验台的研制，主要涉及试验台结构的设计与建模，校验分析试验台可靠性，液压加载系统的设计与仿真，即软件内通过设计好的液压系统原理实现变载荷参数的输入输出。 1.3.2研究内容针对企业某型重型数控机床给定参数及其加工特点，设计其变载荷实验台机械结构，并进行三维建模。建立实验台液压驱动系统。基于Hypermesh软件，进行实验台静载荷和动载荷分析；基于AMESIM 软件，进行液压驱动系统仿真分析。该课题是为企业进行产品开发设计的实际项目，具有预研性与实用性。图1.5展示的是本课题所涉及的某重型数控机床的整体实物，本课题的任务是对其主轴部分的模拟加载试验台的设计与优化。 图1.5 TK6920重型数控落地镗铣床实物图 图1.6机床主轴部分实物图图1.6展示的是本课题所研制某重型数控机床液压加载试验台的实验加载对象，机床主轴即突出圆柱部分。实际加工过程中，主轴是通过吸持住刀柄（刀柄上加装刀具）这个单独构件来进行加工。 1.3.3系统功能 本课题完成的某重型数控机床主轴的变载荷加载试验台装置，应该可以体现机床主轴在实际工况下受载荷的情况。本试验台具体的系统功能如下：1）实现基于液压加载系统，输入既定载荷参数，如静载荷或是变载荷（持续规律变化的载荷量）在主轴上输出相应符合要求的载荷类型的功能；2）实现模拟在实际加工过程中主轴所受载荷情况的功能，即轴向载荷与径向载荷的大小、方向与载荷施加位置。3）具有良好的试验台结构，在整个加载系统以实验要求的载荷形式加载运行的过程中，试验台结构需始终保持稳定可靠，无论是在静载荷加载还是变载荷加载情况下。4）具有不破坏实验对象的加载方式与结构，方便实验对象的装配与定位。 第二章 实验台总体方案设计2.1试验对象机床介绍2.1.1本大型数控落地镗铣床的背景介绍数控落地镗铣床是用途较为广泛的重型机床，本机床有足够的功率和刚性，能满足铣削的要求，又有较高的精度，能满足镗削要求，所以本机床适用于对大型零件进行平面铣削和镗削加工。镗轴和铣轴装在能作轴向移动的方滑枕里，在方滑枕前端面还可安装各种附件(如垂直铣头、万能铣头、伸长铣头、平旋盘等，根据特殊订货供应)，因此，采用本机床加工重量大、形状复杂的零件，能在一次装夹内完成多种工序。如果与回转工作台配合使用，则其工艺范围能进一步扩大。是能源、军工、船舶、电力、核工业、交通、橡胶、矿业、冶金、重型机械等国家重点行业所需的关键设备。2.1.2机床相关参数 镗轴直径 200毫米 铣轴端部直径 320毫米 滑枕尺寸(宽高) 480520 镗轴锥孔 ISO-60 镗轴行程 1200毫米 滑枕行程 1200毫米 镗轴与滑枕总行程 2400毫米 主轴箱行程 4500毫米 立柱行程 13000毫米 主轴中心线至平台工作面距离 560-5060毫米 主轴转速范围(无级) 3.15-800转/分 镗轴进给范围(无级) 1-3000毫米/分 滑枕进给范围(无级) 1-3000毫米/分 主轴箱进给范围(无级) 1-6000毫米/分 主轴箱快速移动速度 6000毫米/分 主传动电机 1PH7 224 71千瓦 镗轴进给电机 1FT6 105 8AB-71（41牛.米1500转/分） 滑枕进给电机 1FT6 105 8AB-71（41牛.米1500转/分） 主轴箱进给电机 1FT6 136-6AC71（74牛.米 2000转/分） 立柱进给电机 1FT6 136-6AC71（74牛.米 2000转/分） 机床重量(不包括平台、回转台) 132 吨 机床外形尺寸(长宽高) 2058042989965毫米本实验台设计主要需要模拟刀具直径130mm以设计一系列轴上零件，还有主轴中心线至平台工作面的距离560-5060mm，已考虑实验台与机床装配的设计。还有功率-转速图与扭矩-转速图以计算铣削力。2.2方案分析与制定2.2.1设计思路与步骤 根据给定数据的要求（主轴承受载荷数值：轴向力、径向力大小），进行受力分析， 确定受力位置与载荷谱。根据载荷谱，设计出相应的液压加载系统原理图。进行试验台结构设计，构思的液压加载试验台总体设计见图2-1，设计原则：l 保证液压加载位置与主轴实际工况下受力情况相同；l 保证施载对象在加载过程中的定位精度；l 便于安装、拆解（液压加载装置、承载轴承、施载对象）；l 结构尽量紧凑、小型；然后对试验台关键结构进行校验，保证其在加载过程中的稳定性与强度。 1,2-液压加载单元3-模拟刀具4-模拟刀具轴承单元5定位支撑单元 图2-1 实验台总体设计图2.2.2实验方案中的重点l 轴承的选型与装配方式的设计。本课题中轴承元件尤为重要，因为液压加载装置将载荷施加在轴承外圈上，通过滚动体、轴承内圈进而将载荷传到施载对象上，完成模拟加载的实验要求。因此轴承的选型与装配需要综合考虑施载对象依据实际工况分析出的受力位置、施载对象的几何参数（受力位置的直径、形状等）以及实验要求的载荷谱情况（静载荷和动载荷的大小）。l 试验台关键结构的可靠性校验。试验台关键结构的可靠性直接影响到载荷加载过程的稳定性，经过优化校验的试验台结构可以保证整个系统具有良好的工作性能，达到加载实验的要求。l 试验台结构设计要合理，可以实现装配方便、对施载对象定位精确的要求。2.2.3试验方案中的难点：l 轴承元件的可靠性分析。由于对重型数控机床的大载荷模拟加载试验台的相关资料很少，本课题运用的液压加载系统中滚动轴承将承受大载荷状况的分析与具体设计，没有什么参考资料，因此需要独自考虑在轴承设计过程中出现的各种情况。校验过程中，对轴承元件受载情况的分析与在Ansys中具体的有限元划分手法也需要研究完成。l 液压加载系统的设计。由于对液压系统设计方面接触较少，而且需要自学AMESim液压系统设计软件，因此液压加载系统原理的确定也需要仔细研究。2.3本重型落地镗铣床在实际加工过程中铣削力的计算与分析2.3.1 本重型落地镗铣床最大铣削力的计算与分析根据机床说明书给出的功率-转速图2-2和扭矩-转速图2-3，计算最大的铣削力。 图2-2功率-转速图 图2-3扭矩-转速图由图2-2和图2-3可以看出，此款机床的主轴转速为n=67.5r/min时对应的最大功率为P=71kw，对应的最大扭矩为T=10050Nm。已知镗轴端部的直径为D=200mm，主传动链的机械效率为=0.8。 根据公式 (1.1) 可得 (1.2) 由于通过公式(1.1)和(1.2)计算得到的铣削力是圆周切削力,在分析受力时,需要对其进行分解,因此根据机械加工工艺手册，铣削力即通过公式计算得到的最大圆周切削力,可以分解为三个方向的铣削分力，分别是主切削力、背向力和进给力，铣削力分解见图2-4,其符号和方向如表2-1所示 表2-1 铣削力各分力说明 图2-4 端铣时铣削力的分解图 查阅相关手册可知,各铣削分力与圆周铣削力之间具有经验比值关系,见下表2-2 表2-2各铣削分力与圆周力的比值 由表中可以看出,三个分力与铣削力的比值在不同的加工情况下如,切削深度、铣削方式、铣削方式等的不同，其比值也不尽相同。由于本课题涉及的重型立式镗铣床的布置为主轴箱横置，其加工方式主要为端铣与镗孔，因此估算时采用对称端铣的方式，故可知各分力的经验比值为： 即表示为进给力；即表示为背向力；即表示为主切削力。所以得到： 由于主切削力与 进给力的方向都垂直于铣刀主轴轴线，因此在不改变加载实验要求的前提下，为了简化加载装置的设计结构，可以将主切削力和进给力这两个矢量力合成为一个垂直于主轴轴线的力，可以称之为径向合力 。 因此通过矢量合成可得力 ： 背向力与主轴轴线相平行，可以用作主轴承受的轴向力，即： 综上可得:加载实验主要的基本参数(加载力)为:2.3.2径向加载变载荷的确定经与机床设计人员与实验台研究人员的交流，确定径向输出的变载荷为最大径向力的0.3、0.5、0.7、1倍的一个阶梯波循环，即：，时间间隔定为2s。这样的一个阶梯波形图见图2-5，可以基本反映本重型数控落地镗铣床在进行实际加工时，径向上产生的变载荷情况。 图2-5 径向变载荷加载图 第三章 实验台机械结构设计3.1实验台结构说明由初步方案结构细化计算与设计的液压加载实验台，见图3-1主要结构包括模拟刀具、径向与轴向加载液压缸，实验台支架，定位板等。以下将说明本实验台的工作原理。 1,6-液压缸 2,5-加载接头3,4-加载法兰7-模拟刀具9-定位板垫板10-定位板 图3-1液压加载实验台总装结构图在装配好液压缸、加载接头、定位板垫板后，实验台支架通过螺栓固定在地平铁或是地面上，再将定位板放入定位垫板中，模拟刀具放入定位板中，此时模拟刀具加载棒的水平度很好，调整机床主轴箱及其滑枕位置，将刀具一头装入主轴。待装配完毕，模拟刀具与机床一体，抽出实验台定位板，此时加载接头与加载法兰的球面同心度很高，这样就可以开始液压加载系统的工作了。3.2模拟刀具的结构特点与功能实现模拟刀具是本实验台的一个关键结构，其主要功能是模拟实际加工中刀具的旋转，但模拟刀具的外壳相对液压加载系统是静止的，因此液压加载系统通过模拟刀具外壳上的受载法兰进行对旋转着的模拟刀具的加载实验。3.2.1模拟刀具结构特点说明 如图3-2所示，模拟刀具主要由加载棒、一对角接触球轴承，分油盘，模拟刀具外壳，加载法兰座，密封端盖，轴承档圈等结构组成。加载棒按照机床主轴铣头的尺寸进行设计，便于铣削力的计算与提高加载试验的仿真性，一对角接触球轴承安装在加载帮的最端部，最大程度的模拟刀具加工时的受力位置。端盖、档圈装配在模拟刀具外壳中对轴承进行定位与固定，以使加载过程稳定可靠。分油盘有注油孔，可供轴承日常保养使用。加载法兰通过螺栓固接在外壳的安装法兰安装座上，液压缸活塞杆有加载接头，在加载过程中加载法兰通过球面接触受载，传递载荷到加载棒上，完成载荷加载的实验。1-轴承左档圈2，7-加载法兰3-左轴承内圈档圈4-左挡板带法兰安装座5-外壳6，11-角接触球轴承8-分油盘9-堵油塞10-轴承档圈12-右挡板13-油封挡板14-加载棒图3-2 模拟刀具结构图3.2.2轴承寿命分析滚动轴承的寿命是指轴承的材料发生疲劳点蚀前所用的转数或一定转速下运转小时数。轴承的寿命与其工作环境和受力状况有着直接的关系，轴承基本额定寿命为： （3.1） 由于本液压加载实验台模拟刀具选用的为一组面对面安装的NACHI7226BDT角接触球轴承轴承，在实验台实际运行时，其既承受径向加载系统施加的径向力，同时又承受着轴向液压加载系统施加的轴向力。因此本实验台这对轴承存在派生轴向力，在计算其寿命时需要计算当量动载荷，以进行轴承的寿命分析。 (3.2)式中， -径向动载荷系数，根据径向载荷和轴向载荷，可查的=1 -轴向动载荷系数, 根据径向载荷和轴向载荷，可查的=0 -轴承承受的径向载荷 -轴承承受的轴向载荷， -经验而定的载荷系数，本实验台模拟刀具中的这对轴承主要承受可控制的径向和轴向的载荷加载，但承载载荷较大，因此考虑这对可以承受中等冲击载荷，=1.21.8，故取=1.2。按式（3.1）和（3.2）计算轴承的当量动载荷以计算轴承寿命，需要先对轴承进行受力分析，确定派生轴向力，综合派生轴向力，外界施加的轴向力等分析出轴承组整体的轴向受载方向，计算轴向载荷的大小。对轴承组的受力分析见图3.2，需要解释的是，图中、为承内部因径向力引起的派生轴向力。 图3.2轴承受力分析图 由前文知， 每个轴承承受的径向载荷： 由于本实验台所选轴承的接触角为40度，因此因此可以计算出两轴承的派生轴向力为： =根据轴承轴向受力的平衡公式:左侧轴承承受轴向载荷:右侧轴承承受轴向载荷：由于两个轴承型号相同，性能也一样，因此取承受载荷最大的右侧轴承进行寿命计算。右侧轴承承受载荷为：所以，由于所选轴承为接触角40度的角接触球轴承，所以取1.14。查表取。 因此，将上述计算分析的数据代入式3.2再代入式3.1按照每日工作8小时,利用率一般的机械装备推荐的预计寿命为12000h以上来考虑,本实验台选用的NACHI7226BDT型角接触球轴承的寿命符合要求,其动载荷性能亦满足试验加载的要求。3.3支架的强度校核3.3.1计算校核由于径向加载液压缸安装固定的支架,可以考虑为一个截面为矩形的悬臂梁,一旦其在实验台工作时失效折断,就会导致整个实验台损坏,无法正常工作,因此径向加载支架结构的强度校验在整个实验台支架中显得最为重要。实验台支架结构图3.3中径向加载液压缸支架长319.5mm，宽160mm，高447mm，材料为Q235,最大正应力为。在径向液压缸加载工作时，取液压缸活塞杆中心位置沿加载方向即竖直方向投影到支架的位置为径向支架的受力点。 图3.3 实验台支架结构图对径向加载支架的承载能力进行校核,根据材料力学相关理论,当梁的跨度远大于其截面高度时,最大正应力远大于最大切应力，因此细长梁的强度由弯曲正应力控制。在校核反力架时,只需要校核横梁的最大弯曲正应力即可。由前文所述，本实验台径向加载支架可以简化为一悬臂梁，见图3.4。由此可知A截面的弯矩为，又知B截面弯矩为O，从而作弯矩图，如图3.5所示。最大弯矩在A截面处。一般情况下,最大正应力在弯矩最大的平面上,且离中性轴最远的位置。又因最大正应力与截面形状和尺寸有关见图3.6。 图3.4 简化支架受力图 图3.5 径向加载支架弯矩图 图3.6 径向加载支架截面示意图所以，通过以上分析根据截面A的尺寸求出：称为抗弯截面系数，它与截面的稽核形状有 关。由于截面为高为35、宽为160的矩形，所以 。最大的弯曲应力为： 从以上结果可以看出，本实验台径向加载支架的强度满足条件，并且具有较大的安全储备，可以很好的保证实验台加载工作的正常运行。3.3.2 hypermesh有限元分析校核 如图3.7和图3.8对加载支架进行网格化分，从图3.7中可以看出对在计算分析得的危险截面进行了细化网格处理，使软件分析更加精确。 图3.7 划分面网格结果图 图3.8划分体网格结果图 图3.9应力分布图 图3.10 位移分布图图3.9和图3.10分别是Hypermesh输出的应力分布图和位移分布图，从结果中可以看出 ，径向加载支架中在截面变化处的筋板的加入使在3.3.1节中计算的危险截面处的强度得到了充分的加强，进一步确保了实验台径向加载支架安全可靠的工作。 虽然在图3.10中可以看到在实验台径向加载支架的端部位移量有些严重，但只有0.2mm，在实验台径向加载过程中，模拟刀具自身也会随着载荷的变化产生位移，而且加载接头也采用了球面接触的方式，少量的位移不会对加载系统性能产生太大的影响。 结合计算分析与软件分析对实验台径向加载支架的相互论证，可以保证实验台支架结构可以满足实验要求。 第四章 液压系统设计与仿真4.1液压系统功能介绍本课题某重型数控镗铣床液压加载实验台的液压系统的主要功能是模拟机床在实际加工过程中刀具、主轴的受力负载，故本液压系统为一液压加载系统设计，可以实现“启动-快速靠近-慢速加压-保压-卸载-快速返回-原位停止”的工作循环。本重型数控镗铣床的液压系统设计计算如下:4.2液压加载系统负载的计算分析4.2.1模拟载荷（铣削力）的确定 由前文可知,模拟加载的铣削力可以分为径向力和轴向力两部分加载力即: 在液压缸选型时，取 4.2.2加速阻力的确定 由于本实验台液压缸只具有加载功能,并不承担任何机械传动,因此在快进、快退阶段,液压缸活塞杆没有连接任何传动机构,即没有负载(外力)所引起的阻力。本阻力计算，只考虑液压缸自身重量产生的惯性阻力，不考虑液压缸内部产生的摩擦阻力。因此只有在快进、快退时，会因液压缸活塞杆自重而产生一定的惯性阻力引起的加速负载。 查阅相关产品手册，本文液压缸总重在8kg到10kg。估算液压缸活塞杆自重为4kg。液压缸加载接头与模拟刀具受载法兰的距离为20mm，快进与快退速度为0.02m/s，加速减速时间为0.5秒，快进、快退持续时间约为1.3s（即液压缸启动活塞杆开始运动到活塞杆加载头接触到模拟道具加载座的时间间隔）。因此，轴向加载系统启动快进与快退阶段惯性阻力： 径向加载系统启动快进与快退阶段惯性阻力： 4.2.3加压最大值即保压值的确定由于液压缸存在泄漏等问题造成功率损耗，因此在确定负载时，需要额外计算液压缸的驱动力，以获得设计液压系统的负载参数。因此，在液压系统设计中，液压缸的驱动载荷应取：