机械系统设计(2)

第五章支承系统设计5.1支承系统的功用和基本要求5.2支承系统的静刚度5.5支承系统的热特性5.6机械系统（机器）的基础5.3支承系统结构设计5.4支承系统的动态特性5.1支承系统的功用和基本要求支承系统：机械系统的子系统，机械系统中用于支承和安装其他系统的支承件（称又基础件）所构成的总体。支承件：底座、床身、立柱、横梁、支座、支架、箱体、门架、桁架、刀架、工作台、升降台和箱体等。它们一般都比较大，故也称为“大件”。一、支承系统的功用支承系统的基本功用：⑴支承和安装机械系统中的其他系统。⑵承受各种静态力和动态力。⑶保证各零部件之间的相对位置精度和运动部件的运动精度。⑷支承件的内部用作电气箱、液压油、润滑油或冷却液压的储存器等。5.1支承系统的功用和基本要求支承系统是机械系统的一个重要组成部分，在整个机械系统的总重量中占有相当大的比例(在机床中约占70%～90%)，通常是结构最复杂、制造最费工、造价最昂贵的零部件。一个机械系统的支承件往往不只一个，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。机械系统工作时，执行件所受的力和力矩都通过支承件作用在基础和地基上。如，机床在切削加工时，刀具和工件间的作用力都要通过支承件逐个传递，故支承件会变形。5.1支承系统的功用和基本要求机械系统所受的动态力（如机床上变化的切削力、机械系统中旋转件的不平衡等）会使支承件和整个机械系统振动。严重的变形和振动会破坏被支承零、部件的相互关系。支承件在很大程度上影响着机械系统的安装精度、工作精度、抗振性和可靠性。因此，正确设计支承系统，对减轻重量、节约材料、降低成本、提高系统性能和寿命等至关重要。5.1支承系统的功用和基本要求⑴梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件。例：床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。⑵板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件。例：底座、基础板、工作台、刀架等。⑶箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件。例：箱体、壳体、机匣、升降台等。⑷框架类：又称机架类。例：支架、桥架、桁架等。按结构可分为整体式和装配式。5.1支承系统的功用和基本要求二、支承系统的分类按形状可分为四类：三、支承系统的基本要求根据支承件的功用可知，对支承件的基本要求是：1.足够的静刚度2.较好的动特性3.良好的热特性4.小的内应力5.其他在设计支承件时，应考虑吊运安全方便，液压、电器布置合理以及便于加工和装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。5.1支承系统的功用和基本要求按制造方法又可分为铸造、焊接、铆接和组合式四类。支承件的设计步骤：首先进行受力分析，再根据受力和其他要求（如排屑、安装其他零件等）参考同类机械系统设计支承件的形状和尺寸，然后，在计算机上用有限元法进行验算，求出它的静、动态特性。经多次修改，并从几个方案中选出最好的方案。这样，可在设计阶段预测支承件的性能，从而避免盲目性。5.1支承系统的功用和基本要求5.2支承系统的静刚度支承件的静刚度支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力。1.自身刚度2.局部刚度3.接触刚度图5-1截面畸变FF（b）（c）（a）Fc1Fc2图5-2局部变形2.局部刚度：局部变形发生在载荷集中之处。5.2支承系统的静刚度1.自身刚度：支承件抵抗自身变形的能力。支承件所受的载荷主要是拉压和弯扭，其中弯扭是主要的。因此，支承件的自身刚度，主要考虑的是弯曲刚度和扭转刚度。3.接触刚度：两个平面接触时，不可能是理想的平，因而实际接触面积只是名义接触面积的一部分。再加上微观的不平，两平面真正接触的只是一些高点。5.2支承系统的静刚度影响接触刚度的因素有：接触表面的粗糙度、接触表面的实际接触点及其均匀分布程度、构件材料的弹性和塑性、载荷(相对运动接触面)或预加载荷(固定接触面)的大小及其分布。对于螺栓固定联接的接触面，通过确定紧固螺栓的数量及其分布，规定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。对于重要表面可通过合理确定其表面硬度，增加单位面积内的接触点数等措施来进一步提高接触刚度。例：对于机床固定接触面，高精度机床要求每25mm×25mm接触点达12点，精密机床8点，普通机床6点。5.3支承系统结构设计选择支承件截面形状的原则：①具备较高的刚度和强度；②便于安装其他零部件。支承件承受的载荷主要是弯矩和扭矩，其变形主要是弯曲和扭转。抗弯、抗扭刚度与截面面积和截面形状(惯性矩)有密切关系。常见截面形状的抗弯、抗扭惯性矩如表5-1一、截面形状选择序号1234截面形状抗弯惯性矩cm480024164027－%100302503－抗扭惯性矩cm4160048328054108%1003025037表5.1截面形状和惯性矩的关系5.3支承系统结构设计中的几个问题序号5678截面形状抗弯惯性矩cm4833246041706930%104308521866抗扭惯性矩cm41460415170375590%882594403505.3支承系统结构设计中的几个问题5.3支承系统结构设计中的几个问题由惯性矩的相对值可以看出：1.空心截面惯性矩比实心的大，因此，加大轮廓尺寸、减小壁厚，可有效提高截面刚度。2.方形截面抗弯能力大，圆形截面抗扭能力强，矩形截面抗弯能力更好。3.封闭截面比非封闭截面的刚度大的多。二、合理设置肋板和肋条一般说来，提高支承件的强度和刚度有两种方法：增加壁厚；设置肋板和肋条。通常设置肋板和肋条的方法更为有效，既可保证质量，又可减轻重量。1.隔板(肋板)在两壁之间起连接作用的内壁称为隔板(或肋板)。隔板的功用在于将支承件外壁的局部载荷传递给其他壁板，由整个支承件各壁板共同均匀地承受载荷，从而提高支承件的自身刚度。5.3支承系统结构设计中的几个问题(a)纵向隔板A－A(b)横向隔板图5-4隔板的布置形式(c)斜向隔板图5-4a为纵向隔板，其隔板布置在弯曲平面内，能够有效地提高支承件的抗弯刚度。图b为横向隔板，主要用于提高空心支承件的抗扭刚度。图c为斜向隔板，兼有提高抗弯和抗扭刚度的效果。5.3支承系统结构设计中的几个问题隔板有纵向隔板、横向隔板和斜向隔板三种基本形式。2.肋条肋条又称为加强筋，它与隔板的区别在于筋条不是连接两壁而是布置在某壁上，高度一般较小。主要是为了减少局部变形和抑制薄壁振动，这对于需在内部安装其他机构而妨碍设置隔板的支承件来说，是一种行之有效的方法。(e)米字形筋(a)直筋(f)井字形筋(b)三角形筋(c)交叉筋(d)蜂蜜形筋图5-5筋条的布置形式例：图5-5是壁板上的几种肋条布置形式。5.3支承系统结构设计中的几个问题设计支承件的结构必须重视它的工艺性，包括铸造、焊接以及机械加工的工艺性。例如，铸件的壁厚应尽量均匀或截面变化平缓，要有出砂孔使于水爆清砂或机械化清砂（风轮能进入铸件内），要有起吊孔等。结构工艺性不单是个理论问题，因此，除要学习现有理论（参阅手册等文献）外，还要注意在实践中学习，注重积累经验。5.3支承系统结构设计中的几个问题三、材料的选择和时效处理1.铸铁5.天然岩石及陶瓷2.钢6.时效处理3.轻合金7.焊接支承件4.混凝土5.3支承系统结构设计中的几个问题1.铸铁铸铁的铸造性能好，易于铸造结构复杂的支承件，并具有良好的减振性和耐磨性，价格便宜，应用最广。但铸件需作木模，制造周期较长。支承件常用的铸铁材料有灰铸铁(HT100、HT150、HT200、HT250、HT300)、球墨铸铁(QT450-10、QT800-02)及耐磨铸铁等。5.3支承系统结构设计中的几个问题2.钢铸钢的弹性模量较大，强度大于铸铁，且抗拉和抗压强度接近相等。有些特种钢还有耐热、耐蚀等特殊功能。但铸造性能和抗振性不如铸铁。一般只有需要支承件的强度高、刚度大且形状又不复杂时，才考虑采用铸钢。支承件常用的铸钢材料有ZG200-400、ZG230-450ZG270-500等。5.3支承系统结构设计中的几个问题5.3支承系统结构设计中的几个问题3.轻合金轻合金应用于支承件较多的是铝合金。它的密度只有铁的1/3，且有些铝合金还可以通过热处理进行强化，使其具有足够高的强度，并有较好的塑性、良好的低温韧性和耐热性。目前，日本轿车的发动机缸体已全部采用高强度铝合金，部分变速箱也开始采用铝合金。所以，对于减轻支承件重量具有重大意义的运行式机械如飞机、汽车、拖拉机、起重机等来说，应考虑采用轻合金。支承件常用的铸铝合金材料有ZAlSi7Mg、ZAlSi9Mg、ZA1Si12Cu2Mg1、ZalZn11Si7。5.3支承系统结构设计中的几个问题4.混凝土这类支承件主要应用于机床中的床身、立柱、底座等。混凝土的比重是钢的1/8，弹性模量是钢的1/10～1/16，阻尼高于铸铁、且成本低廉，适用于制造受载面积大、抗振性要求高的支承件。目前，在高速切削机床，持别是超高速切削机床的床身制造中，由于主轴直径的圆周速度已达到或超过125m/s，为了获得良好的动态性能，床身完全由聚合水泥混凝土材料制成。5.天然岩石及陶瓷这一类材料膨胀系数小，热稳定性好，又经长期自然时效，残余应力小，性能稳定、精度保特性好，阻尼系数比钢大16倍，耐磨性比铸铁高6～10倍。目前在三坐标测量机工作台、金刚石车床床身的制造中，已将花岗岩、大理石作为其标准材料，国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。5.3支承系统结构设计中的几个问题5.3支承系统结构设计中的几个问题6.时效处理支承件在铸造或焊接过程中所产生的残余应力，必须予以消除，以免在使用过程中因残余应力重新分布或逐渐消失而产生变形。普通粘度的支承件，安排一次时效处理即可。精密支承件则常在粗加工前后各安排一次时效处理。至于高精度支承件，除进行两次时效处理外，还应将支承件坯件放在露天一年左右，以进行自然时效处理。5.3支承系统结构设计中的几个问题7.焊接支承件据统计，全世界约有45%的钢材采用焊接方法来成形，其中大部分用作支承件。焊接支承件一般由钢板和钢管等型钢焊接而成。由于焊接结构壁厚薄、重量轻、固有频率高，并能通过有效措施提高抗振性，且能大大缩短生产周期，因而在改型和单件小批生产中，特别是大型、重型机械中应用得较为普遍。支承件常用的焊接材料有Q235、20和25号碳钢、15Mn、16Mn、20Mn、16MnTi、15MnSi等。5.3支承系统结构设计中的几个问题四、其它在支承件上开孔时，应注意合理开孔并加盖；注意提高支承件的局部刚度和接触刚度；重视支承件的结构工艺性等。5.4支承系统的动态特性支承系统除要满足静刚度外，还要满足动态特性的要求。动态特性：固有频率:不与激振频率重合；具有较高的动刚度:（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）较大的阻尼:使支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值较小。5.4支承系统的动态特性一、固有频率和振型单自由度振动系统只有一个固有频率和一个振型，其力学模型如图a所示。它的集中质量（将系统质量简化为集中质量）m装在无质量的弹性杆上，刚度为K，振动的两个极限位置在图中用双点划线表示。二自由度振动系统的力学模型如图b和c所示。它的两个集中质量ml和m2装在两根无质量的弹性杆上，刚度分别为Kl和K2。它有两个振型：图b：第一个振型是ml和m2同时向上或向下；图c：第二个振型是ml和m2的相位差180°。这两个振型各有自己的固有频率。5.4支承系统的动态特性振型和固有频率合称为模态。一般把各模态按固有频率从小到大排列，其序号称为“阶”。图5-6b的固有频率比图c的低，因此，称图b为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态。图c为第二阶振型，其固有频率为第二阶固有频率，合称第二阶模态。5.4支承系统的动态特性5.4支承系统的动态特性支承件是一个连续体，质量和弹性都连续分布，有无穷多个自由度，也就有无穷多阶模态。在大多数机械系统上激振力的频率一般都不太高，只有最低几阶模态的固有频率才可能与激振力频率重合或接近。高阶模态的固有频率远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对系统的工作质量影响不大。因此，只需研究最低几阶模态即可。现以某车床床身的水平方