227_3800吨全自动液压压砖机

1 引言
1.1 全自动液压压砖机的简介
陶瓷液压压砖机(以下简称压机)是现代陶瓷生产线的核心关键设备，是机、电、液、 气一体化的高技术专用设备。

说它关键，主要是它前连原料加工，后接干燥烧成，若压 砖机出现故障，则全线停工。

说它专用，主要是出于特殊的物料（含少量水的喷雾干燥 颗粒状泥粉料）及成形工艺技术（按照特定的升压曲线实施多次加压及排气），而一般的 压力机显然是不能用于压制陶瓷砖的。

作为陶瓷生产线的关键设备全自动压砖机显出示 许多的优点：①压机采用液压传动对砖胚施加等静压力，工作平稳，有利于胚体压制成 行。

②采用液压传动可非常方便地实现对压制力、速度、时间的调节控制，并保持稳定， 使压机动作很好的符合陶瓷工艺的要求；③容易实现压机的大型化和自动化；④胚体成 型好，强度高。

现代全自动液压压砖机都看其有可靠性、重复性、调控性、耐久性、效 率等。

本毕业设计主要研究宽体压砖机，以提高生产效率，节约生产成本，获得更好的 经济效益。

1.2 全自动液压压砖机在国内外的生产状况及发展趋势
1.2.1 国内外压砖机的生产概况
1> 国内：
当今的中国，是世界上公认的墙地砖的生产大国，有着世界最大的陶瓷压机市场。

但直至 20 世纪 80 年代末，陶瓷压砖机仍是我国建陶企业唯一需要全部引进的装备，其 主要来自意大利和德国。

中国陶瓷压砖机从最早开始研发到今天成为压砖机生产大国,其 间经历了二十多年的艰难的历程。

今天国产压机不仅可以替代进口的压砖机，而且可以 大批量的出口外国，这是一个具有历史意义的重大的转变。

国产压砖机的主要技术参数、 主要技术性能和整体水平已接近国外现代压砖机的先进水平，而且差距在不断缩小，但 是国产压砖机行业发展时间短，发展开发过程中存在一些问题也是难免的，制造企业还 应该不断提高产品质量，进一步降低成本，提高自身的竞争力，在巩固国内市场的同时， 应积极开拓国际市场，只有在国际市场上占有一席之地，才真正证明国产压机的成功。

07年广东科达机电宣布其自主研制的7800吨压机研制成功， 标志着我国也步入了压机大 吨位压机市场。

经过10多年的不懈努力,国产压砖机取得了长足的进步,无论从外观和结构方面都经 过了不断的优化、创新,但与国外压砖机相比还有较大差距。

例如铸、锻件的质量问题就
是国产压砖机与进口压砖机最明显的差距之处,故国产压砖机看上去总是显得粗糙、笨 重。

所以国产压砖机的研发,要立足国情,可以用好的结构,适合国情的结构来弥补国内制 造业的不足。

梁体的优化就是要最大限度的减少应力集中的危害,使梁体的应力场趋向均 匀,在确保梁体刚度足够的前提下,可以适当减轻重量。

同时梁体的优化还要有利于铸造 工艺,例如优化时可以通过改变结构将铸造缺陷的密集区设计为低应力区以排除日后可 能发生的隐患。

为了满足陶瓷生产的需求,科达机电推出宽体压机，有KD3800、KD3200、KD2100。

在 一定的压力下，加宽工作台的，可以提高生产效率。

宽体压机可以降低主电动机的功率， 可以提高压制频率，还可以提高其工作的稳定性、节能、改变外观等，研究宽体压机还 是很的意义的。

通过现代的设计方法，对其进行设计，改变压机大小的、重量、受力情 况、寿命等，对宽体压机将来能更好的适应市场和受到使用厂家的信赖好评给以保证， 降低生产成本，为生产厂家获得更大的利益。

宽体压机节能，提高生产效率，可以给使 用厂家带来更大利益，降低能耗等。

2> 国外：
近十几年来，国外的压砖机发展非常快，主要标志是，随着科技的进步，全世界生 产压砖机的主要产家如德国的莱斯公司、道尔斯特公司等，意大利的萨米克公司、西蒂 公司、维高公司、纳萨蒂公司等，日本的日型公司等一些公司不断推出结构日益完善， 生产效率和自动化程度不断提高，多种结构形式的新型墙地砖成形液压机。

国外的压砖机现在都在向美观，大吨位，高精度，高效率，节能控制，多功能自动 化程度更高和机器的动作更加符合料压制成型的工艺要求的方向发展。

1.2.2 现在压砖机的发展趋势
随着陶瓷砖压砖机技术的日益进步，现代陶瓷液压压砖机无论从主机结构还是液压 控制技术方面都和早期的压砖机大有不同。

例如主机结构较多的采用经过不断优化的各 种新型结构以及预应力结构，使压砖机的主机精度、可靠性和抗疲劳性能得到较大的提 高；而近年来较多的采用先进的液压伺服比例控制技术,使压砖机的压制动作更加的柔 和、平稳,压制力更加准确。

这些都为现代建筑陶瓷业生产多变的高档墙地砖创造了非常 有利的条件。

现代陶瓷砖压砖机主机结构的研究与开发就是要以最佳的、最合理的结构,尽可能少 的原材料消耗,获得最理想的实用效果,包括主机精度、综合性能以及抗疲劳性等。

但要 做到这一点,就需要我们付出很多的努力,不断地总结经验、学习和研究。

1.3 CAD/CAE 在设计中的应用
计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的 CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂 的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。

1> 计算机辅助设计——CAD
计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。

简称CAD。

在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。

在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案； 各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里， 并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交 给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人 员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移 和旋转等有关的图形数据加工工作。

CAD 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提 高设计质量。

2> 计算机辅助工程——CAE
CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、 刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算 以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

有限元分析过程可以分为以下三个阶段：
1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型 ——有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。

有限元建模的中心任务 是结构离散，即划分网格。

但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集 合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。

2.计算阶段: 计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。

由于这一步运算量非 常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。

3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理，并按一定方式显示或打 印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化。

1.4 本设计研究的内容和意义
众所皆知，随着我们国家的政策和我们国人自己意识到纯粹的简单的模仿别的
国家的机器与不能在满足我们国家经济高速公路发展的要求，近些年来我们自主设计创 新的机械产品已经越来越多。

只有我们有生产出有先进水平的机械，才能真正的摆脱国 际上一些强国对我们的控制，才能使我们生产出来的产品更具有竞争力，我们国家才能 步入国际强国的行列。

本设计设计的是3800吨全自动液压压砖机（宽体）的机械部分的设计，采用现代的 设计方法，对压砖机的机架进行详细设计。

用现代的设计方法和技术，实现对压砖机的 设计制造，以优化压砖机，减轻压砖机的重量，节省材料等，提高其可靠性、重复性、 调控性、耐久性等。

陶瓷液压压砖机(以下简称压机)是现代陶瓷生产线的核心关键设备， 是机、电、液、气一体化的高技术专用设备。

说它关键，主要是它前连原料加工，后接 干燥烧成，若压砖机出现故障，则全线停工。

通过这样的设计可以减少压砖机的故障率， 可使压砖机的寿命更长。

而研究宽体压砖机，以提高生产效率，节约生产成本，获得更 好的经济效益。

本项目研究3800吨全自动液压压砖机的机械部分，为了提高效率，可以把压机的工 作台的加宽。

3800 吨的压砖机增加工作台宽度可同时进行压制多块墙地砖。

研究 3800 吨的压砖机的机械部份，用PRO/E画出其三维模型,然后用ANSYS软件对其有限元分析代 替传统的方法，优化设计，以节省材料。

目标实现压砖机同时实现压制墙砖 600mm*600mm(3 片)，360mm*450mm（6 片/次）， 450mm*600mm(5片/次)，500mm*500mm(4片/次)。

实现压砖机的最优设计（减轻重量、提 高疲劳强度等）。

2设计原理
最早有压砖机是采用螺旋传动，而螺旋传动只能传递较小的压制力，一直制约的压 砖机的发展，直到后来人们引入了液压的传动，使压制力有很大的提高，压制出各式各 样规格的砖，大大提高了生产效率。

下面我们介绍一下液压压砖机的原理。

2.1 液压压砖机工作原理
图 1-4 液压压砖机的工作原理 1－小柱塞 2－大柱塞 3－坯体液压压砖机是根据 静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力传递能量的机器。

其工作原理如图1-4所示。

2
2.2 液压压砖机主要特点
根据液压压砖机的工作原理可知，压砖机采用液压传动具有以下特点：
（1） 容易实现大型化。

因为油压和活塞的面积可在较大范围内变动， 压制力F=A×P， 只要增大活塞面积A和提高油压力P，就可得到大吨位的液压压砖机。

目前已有公司宣称 研制出一万吨液压压砖机就是证明。

由此可知采用液压传动的压砖机容易获得更大的工 作压制力，以满足压制大规格制品的要求。

（2）可方便地对压制过程的压力、速度、保压时间等参数实行调节和控制，使各项 压制参数满足压制成形工艺的要求。

（3）对砖坯施加的压力为静压力，因此工作平稳，有利于砖坯的压制成形。

（4）容易实现压砖机的自动化操作。

3 总体方案的论证和选择
全自动液压压砖机主机部分（又称机械部分）主要由机架、压制油缸、增压缸、顶 模装置、布料装置及排气、安全装置等组成。

本设计主要研究机架和压制油缸的选择。

3.1 压制油缸的选择
本设计将先择活塞式的油缸，油缸倒置并将其和活动横梁做成一体，即倒置 式组合主油缸。

改善了活动梁的受力状态, 使压制力更加均匀, 有利于坯体成形。

现在压砖机的油缸主要有两种形式一种是活塞式油缸（图1-4（a）），别一种是柱塞 式(图1-4(b))。

下面我们将通过比较。

确定选择哪一种油缸更符合本设计的要求。

塞式 油缸被活塞分隔为两个腔，因此可以获得正反两个方面的运动。

当活塞腔通入高压油， 活塞杆腔回油时，即为工作行程；当活塞杆腔进油，活塞腔回油时，则可实现回程，故 不需单独设置回程缸。

它属于双作用油缸。

由于活塞式油缸不需另设回程缸，所以结构 紧凑，零件少，安装空间小。

活塞在运动时，除了活塞杆有导向作用外，活塞沿缸壁滑 动，也具有导向作用，且导向长度较长，所以活塞式油缸导向性能好。

活塞缸密封件的 寿命较长，原因是高压端的密封填充件的微小渗漏属内泄漏，只要不影响使用性能，密 封件产生的一些微小泄漏可继续使用，不必更换。

柱塞式油缸是一种单作用油缸，只能 从一个方向加压，所以要靠另外的油缸实现回程。

柱塞在油缸中上下移动时是在导向套 （环）中滑动的。

一般导向套长度较短，为了加长导向距离，以便承受较大的偏心力矩， 可在柱塞的两端安装导向套。

此外回程缸的另一个作用是用于导向作用。

柱塞缸的密封 的寿命较短，原因是柱塞缸一端通高压油腔，另一端直接与大气相通，密封件两端的压 力差较大，而且有微小的渗漏，都会污染环境和坯体，均影响使用，必须进行更换。

柱 塞在导向钢套中作往复运动，偏心载荷断还会发生倾斜，因此校塞表面必须具有足够的 硬度及光洁度，以免过早磨危或因表酣拉毛，拉成沟潜而导致损坏。

校寒表四拉坏后， 会直接影响密封寿命，引起高压液体的漏损，甚至每隔半月就必须换一次密封，严重影 响生产。

通过上面的比较我们将选择活塞式的油缸。

油缸的装也有两种形式一种是正常安装与上梁做一体（图1-5），一个是倒置安装下 梁做成一体（图1-6）。

一般情况下，油缸安装在上横梁上，活塞杆与活动横梁相连。

大 吨液压压砖机采用将活塞式油缸倒置的结构，即将活塞杆与上横梁固连，活塞杆固定不 动，而将油缸与活动横梁做成一体，让缸体活动横梁作上下运动。

工作原理同普通活塞 式油缸一样，但具有如下优点：
①增加了活动横梁受力面积，大大改善了活动横梁的受力状态，相对提高了活动横 梁的刚性，使其受力变形小，使砖坯压制力更加均匀，有利于砖坯的压制成形，提高砖 坯压制质量。

②压制油缸倒置可使上横梁的结构大为简化，从而大大减少其加工难度，同时不需 在上横梁加工出油缸，因而使上横梁的强度得以大大提高，并可减小主机尺寸。

由于倒 置式有以上显著的优点，本设计将选择倒置式的。

③主油缸与动梁合一结构是大型压砖机的结构形式（如图 1-6）。

主油缸采用筒形无 缸底结构，利用动梁的上平面作为油缸底部，通过柔性联接和独特的密封结构将主油缸 和动梁联成一体。

除具有油缸倒置结构的优点外，另外与带缸底倒置油缸结构相比，运 动部分的重量大大减轻，有利于提高压砖机的运动速度及工作频率；油缸的重量减轻50% 以上，主机高度可适当降低，并彻底解决了带底油缸的缸体与缸底连接部位的应力集中 难题。

综上所述，本油缸将使用活塞式油缸，而且倒置，油缸做成一体。

3.2 机架结构形式的选择
机架是承受压制成形时的全部载荷，因此机架的强度和刚度对整机的性能影响较大。

目前，在陶瓷墙地砖的生产过程中，压砖机是陶瓷粉料干压成型的关键设备，因而压砖 机框架刚性的好坏在一定程度上影响了陶瓷墙地砖坯体的质量及成坯率的高低。

具体说 来就是压砖机框架的刚性好，框架变形极小，所压制的坯体致密度、机械强度及成坯率 等都较高;反之，坯体致密度、机械强度及成坯率等都较低，严重时，甚至成不了型，压 不成坯体。

所以说研究和探讨压砖机框架的设计计算，合理地提高框架的刚性，有效地 减少框架的变形，能极大限度地提高陶瓷墙地砖坯体的质量及成坯率。

目前常用的机架的结构形式有梁柱组合机架、拉杆－套筒梁柱组合机架、钢丝缠绕 机架，通过下面的比较选出最佳的机架方案是拉杆－套筒梁柱组合机架。

拉杆－套筒梁柱组合机架（图1-1）。

由上、下横梁与四根立柱用螺母连接而成，立 柱由拉杆及套在其外面的套筒组成。

装配时，拉杆两端分别穿过上、下横梁的通孔，再 用专用千斤顶将拉杆拉长（也可加热使之伸长），最后用螺母拧紧。

这样，拉杆受一个预 拉力，全长预紧。

拉杆受拉而套筒受压，使上下横梁构成一封闭的戒框架，整机的刚性 好，强度大。

工作时，机架承受的为脉动载荷，循环特征r=0。

立柱施以预拉力后，脉动 载荷与预拉力叠加，改变了载荷的性质。

如果设计得当，载荷的循环特征可大些，载荷 性质接近于静载荷。

这样一 来，拉杆就可以材料的屈服极限而不用持久极限特征来进行 强度校核，材料的能力得到充分的利用，拉杆截面可以做小一点。

3800吨压砖机是中等
压力的压砖机用拉杆－套筒梁柱组合机架的结构形式完全能够满足要求。

梁柱组合机架 （1-2），虽然结构简单，在制造和装配都比拉杆－套筒梁柱组合机架简单，成本低，但 是在压制的时候产生较大的变形，强度和刚度都不够，只适合吨位小的压砖机，不适合 3800吨压砖机。

钢丝缠绕机架(图1-3)，是现在世界上大吨位压砖机比较常用的一种机 架形式，由上、下两个半圆梁及两立柱用预应力绝缘缠绕而成。

通过预紧钢丝对梁柱施 加足够的预紧力，使梁柱上的拉应力大部分转化为压应力，这样就大大消除了由于拉应 力引起的疲劳裂纹扩展的隐患，提高了压砖机机架的疲劳强度和刚度。

在我们国内这种 形式的机架用的比较少，技术还不是很成熟，在制造和装配有一定的难度，造价成本高， 而且其主要用于大吨位的压砖机3800吨压砖机是中等压力的压砖机用拉杆－套筒梁柱组 合机架的结构形式完全能够满足要求。

综上所述，本设计将选择拉杆－套筒梁柱组合机架。

4压砖机各主要零部件的设计
4.1 各零件的结构设计
4.1.1 主机的结构
从前面方案的选择中我们选择了现在比较常用的拉杆套筒式的梁柱式的结构形 式，如下图（3-1）所示
3-1
4.1.2 上横梁的结构设计
我们才用梁柱式的结构，上横梁要开四个立柱孔，。

为了结构的美观我们将把充液 箱放在在上横梁做成一体，即上横梁上表面要开一个孔，做为充液箱。

活塞杆和上横梁 才用法兰连接，连接处有一孔。

螺母连接处要有沉孔，和套筒、法兰连接处都要有凸台。

为了节省材料，内部可以适当的挖空。

其结构简图，如图（3-2）所示。

形状尺寸要求
①立柱孔一般比插入端大1-2mm。

②立柱螺母锁紧的表面（沉孔表面）平面度≤0.
③与活塞接触的表面平面度取0.1，垂直度（相对于轴线）0.05
4.1.3 活动横梁的结构设计
由于我们才用油缸倒置的形式，我们将去做成缸梁一体式的，活动横梁上也开有 四个立柱孔，由于活动横梁在运动中的精度要求比较高，为了套筒和上横梁的接触要加 导套，横梁还要放成导套的沉孔。

下面还要有T 型槽。

如下图（3-3）
形状与尺寸的精度要求
①活动横梁的下表面的不平面度取0.05。

对工作的平行度0.08 ②孔前后左右的中心距偏差取±0.2，孔对角方向上的公差由下面的公式
** x y R x y R R
D =
D + D （式中 R 、 R D 对角上孔的间距及公差；x 、 x D 左右方向上的间 距及公差；y 、 y D 前后方向的间距及公差。

） ③立柱孔与导套的外圆的配合精度
7
6
H n
4.1.4 下横梁（工作台）的结构设计
下横梁是主机受力比较大的一横梁，支撑着整台机器的重量和冲力，另外还要固 定下横梁，安装顶模装置，还要连接布料装置，我们设计是宽体压砖机，下横梁的工作 台面应该比较宽。

为了保证下横梁的壁厚，对取适当的挖空，具体结构形式如（3-4）所 示。

形状尺寸的精度要求 ①工作台面的平面度0.05
②锁紧螺母与之贴全的平面的平面度0.16 ③立柱孔比立柱大2mm
4.1.5 立柱的导向导套设计
活动横梁与立柱配合外的导套是压砖机运动部分的导向装置，它对子机器的运动精 度，压出来的砖的尺寸精度，模具寿命各机身受力等有很大的影响，因此导向装置的设 计也是很重要的。

拉杆套筒式的导向精度比较难保证，主要是由于配合面多，累积定向误差大，为了 达到活动横梁的较高导向精度，我们在行动横梁导向要加导套，导套的形式用圆柱式的。

为了减小加工难度，将上下横梁做成凸台形式。

上面我们在设计上横梁的时候已经初步 的设计了导套，厚度取20,高取40.现在我们对其进行详细设计。

便于安装我们把导套做 成凸式的，然后用压盖将其固定，上面还有防尘圈和毛线。

其结构简图如下图所示
4.2 各主要零部件的初步设计计算
4.2.1 立柱拉杆初步设计计算
压机在工作的时候，立柱只承受拉力，套筒内承受压力。

总的颈紧力 Pj 一般为公称 压力的 1.2-1.5 倍。

这里取 1.5 倍，以防止套筒与上横梁分离，使拉杆始终受拉套筒始 终受压。

拉杆的设计我们可以参照螺栓的设计方法进行设计。

计算项目 计算过程及说明 结果 1、受力分
析
①拉杆的受力分析如下图所示：
②压砖机在工作的时候是受力情况是变化的，
所以立柱受
的接拉力是变化的。

和螺栓受力变化一样如下图所示
（《机
械设计》 P86）
其中：
Q：每根立柱受的压机工作时所受所受力
Q p ：立柱受的预紧力（Q
p
＝1.3F）
F：工作压力（F＝p/4，其中p是公称压力） Q /
P
: 工作过程中立柱受的预紧力
Q ：立柱受的总拉力
△F: 应力幅
C
1
: 立柱拉杆的刚度
C
2
: 上横梁各套筒的刚度
△λ：拉杆加载后外伸长的长度
上横梁和套筒加载后被压缩后的增量 由《机械设计》公式得
Q ＝Q
p +
1
12
C
C C
+
F
Q /
P = Q
p
-
2
12
C
C C
+
F
n-n截面所受的图如下图
由Q /
P = Q
p
-
2
12
C
C C
+
F =1.5-0.8F=0.7F
由Q ＝Q
p +
1
12
C
C C
+
F＝1.5F+0.2F＝1.7F
由F＝P/4＝ 7
3.810
´ /4 N＝ 6
9.9510
´ N得 Q＝ 7
1.691510
´ N 相对刚度
1
12
C
C C
+
＝0.2
2
12
C
C C
+
＝0.8
立柱受的 最大应力 Q ＝
7 1.1910
´
N
2 材料的 选择 本设计中的立柱的材料将选择35CrMo.
35CrMo的特性系数及力学性能：
屈服极限 835
s a
Mp
s³ 抗拉强度 980
b a
Mp
s³
弹性模量 11
2.07410
a
E Mp
=´ 泊松比 0.3
m＝
由于立柱比较大受力也比较大，
使用锻造方法对其进行加
工，35CrMo这种合金钢具有良好的锻造性能。

35CrMo
2 拉杆直 径计算d 初步的计算拉杆的直径d
取安全系数n
s
=3
[] s
s
s
s
＝
n
=
835
3
=278Mpa
由
2
[]
4
F
A
A d
s s
p
=£
=
得到
[]
4
Q
d
p
s
³ ＝0.272m
对于螺纹型式一般对小于500吨的选用公制细牙
螺纹。

对大于500吨的选用单线细牙锯齿形螺纹(按重型
机床行业标准Q／ZBl73—73选用)。

查机《机械零件设计
手册上册》499页
选用大径d=300 螺距P＝12 中径d2=291 小径d1=
279.14(螺母大径D＝300 中径D2＝291 小径D1＝
282）。

由于d1=279.14>272可以满足要求。

故取d =300
d =300
3 螺母的 设计 立柱螺母
立柱一般有整体式与对开式两种。

对于中小型液压机 采用整体式较多。

大于500吨的用对开式较多。

材料一般。