机械设计常见错误——设计思想错误或与原始条件（或工艺要求）不符

某些进口有色金属挤压机结构设计不合理无法正常工作

挤压机用来对加热状态或冷状态固态材料（金属或非金属材料）施加压力，并使其通过模具获得所需要的断面形状的加工材料，例如管、棒、型、线及异型材料。以生产有色金属上述形状材料的挤压机占绝对多数，它是有色金属（尤其是铝及其合金）挤压制品生产的关键设备。现代挤压机均采用卧式安装形式，油压驱动，速度可控；就其主机而言变化不大，仍由最基本的几大部分组成：后横梁、前横梁通过张力柱连接起来构成机架，活动横梁，主缸，挤压筒支座，模架等，而在辅助设备及液压传动和电控方面改进较大。图a是一台典型的双动挤压机结构示意图。所谓“双动”是指该挤压机具有穿孔功能，最适于挤压管材生产，并适用于各种形状的挤压制品生产，是一种功能完善的挤压机，也可称之为万能挤压机。不具备穿孔功能的称之为“单动”挤压机（图略）。单动挤压机主要用于挤压各种型材（如建筑铝型材）及棒材，功能较为单一。假如采用组合模具，则亦可挤压空心型材及异型材。同样吨位的单动挤压机要比双动挤压机的外形尺寸小一些，机组重量要轻一点，液压系统及电控系统也稍简单一些。

挤压机是以所能产生的最大挤压力来命名的，例如16MN船型材挤压机（又称单动挤压大小可由几北牛机所能发挥的最大（名义）挤压力P=16MN。根据不同的用途，挤压力的21MPa)或乳化液（一般用到31.5MPa)产生的，它挤压输向盛放在桥压面压力菌（一般为力最终由机架来承受。

挤压机属于载荷变化频率及动作频率比较低的设备，所以一般按静强度计算亦可，而不必考虑较劳强度计算。

挤压不同种金属的挤压机有不同的挤压速度。轻金属（智、铁等）的挤压速度最大不超期）的挤压速度高达150~300mm/s,无论是新林山速度可达到40~50mm/s;黑色或空程速度都相近，即200~300mm/s,个别的则高达500mm/s(如钢挤压机）。

50年代我国使用的有色金属挤压机，绝大部分是前苏联制造的水压机，现早已过时，但经改造后仍在发挥作用：60~70年代我国可以自行设计、制造水压机。60年代末期，特别是是取为先进的，但80年代经有港转手到内池的某些公司制络的各种实则的拆压机，有些技术数、结构设计以及其液压系统的设计、元群件的选用等方面都存在一定的问题，而且有些方阅对挤压机来说都是至关重要的间题，造成隐患，对其性能及使用寿命都有一定的影响，这整问题都是由于产品设计没有按实际使用要求，盲目追求设备简单、价钱便宜、利润高的设计思想造成的。下面为几个主要错列。

(1)挤压机前、后横渠与底座的连接、底座与设备基础的违接

1)设计概述

挤压机前、后横梁与底座的连接方式（图b、c)及底座与基础的固定方式（图d、e),在济压机设计的结构处理中直接影响挤压机的使用性能以及某些零部件寿命，还会酿成重大事故。由于这些公司制造的一些挤压机采用了如图b、图d中错误的固定方式，即机架的前、后横梁与底座间用螺栓固定；而底座与设备基础间对于8MN以下的挤压机无固定措施，如图b所示。对于8MN以上的挤压机底座则用压板螺栓与基础固定，如图d所示。

2)使用情况

由于采用了不合理的连接方式，加载后致使前、后横梁与底座间的连接螺栓松动，底座的导向精度被破坏，造成机架晃动使活动横梁的运行精度受影响，导致挤压机在工作中失去了平稳，造成挤压工具损坏。

3)故障原因

a)忽略了挤压机的受力特点。挤压机的前横梁、后横梁通过几根张力柱及张力柱螺母连接起来构成一个整体的封闭框架（机架）,安放在底座上。这个机架承受着全部挤压力。底座通常是挤压机主活动横梁及挤压筒支座的导轨，并承受挤压机主机的全部重量。该机设计者认为机架主要承受挤压力（这个力属于静载荷）,并处于内力平衡状态，不传递到设备基础上，而是由机架自身承受的，但另一方面机架承受着巨大的拉力（即挤压力）则会使机架产生纵向变形（伸长）。从一般的实测统计规律看，这个变形量基本控制在0.8~1mm/10MPa。双动挤压机取大值（因为张力柱长些）,而单动挤压机因较短取小值，或者说当挤压机发挥出最大挤压力时，机架可伸长2~3mm。因此，当前、后横梁用螺栓固定到底座上就限制了机架纵向变形，使螺栓受剪力作用极易松动，由于连接螺栓松动，机架则失掉了定位精度。

(b)忽略了惯性力（又称为水平动负荷）。对于高速挤压机，这个力就更显得重要。这个力是因主活动横梁快速起动、制动以及前进时突然受阻挡发生撞击（即挤压轴接触坏料的瞬间，或控制失灵使挤压轴撞到模具上）或主活动横梁快速返回时因减速失灵致使主柱塞碰撞主油缸底部而产生的，这个力通过底座传到基础上，忽略了这点就会出现前面提到的故障。

4)改进措施及效果

前面已经指出，机架受两个力分别作用，对于挤压力主要应考虑到机架的纵向变形。由于变形的客观存在，因而决定了挤压机机架和底座间的固定方式只能是一端固定（通常是后横梁固定）,而另一端（即前横梁）是自由的，这样才能补偿在挤压工作过程中机架的变形，使机架变形不受任何约束。

图c及图e为常用的两种正确设计的固定方式。

在图c中，后横梁与底座间采用平键连接，再用压板或螺栓将后横梁固定，而前横梁在底座上定向前后滑动（有滑板）。键则承受惯性力（即水平动负荷）。这种用键连接的方式抗冲占性能稍差，而且在巨大的底座及后横梁上加工键槽有不便之处，但在使用上没问题。原苏联、我国以及日本早期的挤压机多半采用这种固定方式。

在图e中，后横梁与底座采用拉杆及夹板固定，前横梁在底座上定向前后滑动，两根拉杆承受水平惯性力，拉杆的抗冲击性能好。采用拉杆及夹板固定，有两种方案，一种是双拉杆固定（图略）。两种固定方式效果相同。近代的挤压机大多采用这种结构，例如西德、意大利和近期日本的挤压机都采用了这种连接方式，虽然结构稍复杂，但加工方便，且使用效果明显。

上面已解决了机架与底座间惯性力传递问题，这个力最终还是传递到基础上的，因为底座的质量不可能太大（现代挤压机均采用焊接结构底座）,吸收不了那么大的惯性力。经验统计数据表明，这个力的大小应控制在不超过挤压力的1/10较妥，因为过大的水平动负荷将会给济压机基础设计带来困难，基础要承受过大的剪力，这在土建结构的处理上是很困难的。只要通过控制移动部分空程时的加，减速度值的大小，就可以改变作用到设备基础上的惯性力的大小，但不可能把加、减速度值控制到很小。一是因为热挤压时间不能太长，二是要考虑不可避免的速度失控所产生的碰撞。

图e表示挤压机（特别是快速挤压机）底座与基础固定的最佳方案。底座与基础之间的水平动负荷，一是靠紧固足够数量的地脚螺栓所产生的摩擦力承受，但很有限；二是采用基础上的钢筋混凝土墩承受剪力，限制底座移动。对底座的安装固定要求是比较严格的，尤其是双动挤压机，除为了解决上面所提及的水平动负荷问题外，还有个很重要的因整导轨的水平度。现代挤压机多采用焊接结构底座，底座上焊有活动用的导轨，对导软安装的水平度都有着较高的要求；例如西德要求不大可实及挤压筒支座移动本要求不大于0.05mm/m(对双动挤压机）,而我国一般控制在不大于于0.03mm/300mm,日掌底座本身的刚度来保证其平直度是很难办到的，因此只有靠基础和地1mm/m。显而易见，保证导轨的水平度，又可以保证底座的刚度，为挤压机正常运行、保持挤压制品问察，既可条件。由此挤压机底座地脚螺栓纵向的中心距应控制在800mm左右为宜，这样便于调整、找正。

(2)张力柱与前、后横梁的连接及张力柱螺母的紧固方式

1)设计概述

张力柱是挤压机机架三大件之一，通过张力柱螺母把它与前、后横梁连接成一个整体，承受着全部挤压力，张力往螺母的紧固方式与可靠程度，直接影响到机架的刚性和使用的可靠性。在该批挤压机上采用对开卡环，见图结构，这种固定方式是错误的。

2)使用情况

当加载后会使螺母松动，造成机身晃动，使挤压机无法正常工作。张力柱受力不均，是恶生事故的隐患。

3)故障原因

从图f上可以看出，内侧采用对开卡环，外侧采用螺母固定，张力柱端头既没有设计加热孔，又没有提供专用的紧固工具，是无法对螺母进行预紧的，预紧张力柱螺母的目的是为了消除安装间隙、防止螺母松动，确保机架的刚性。张力柱螺母总预紧力一般不应低于最大挤压力的1.2~1.3倍。这个力很大，采用上述结构根本无法办到。另外又没有采取防松措施，或措施不当（例如图示中的螺母开口用螺灯紧固）即使有一点预紧力，工作一段时间螺母照旧会松动。在台湾省制造的挤压机上常见这类结构，这样做的目的无非是结构简单，造价低廉。如果用在小吨位的压力机上是可以的，预紧力不大且容易施加；然而用在大吨位的挤压机上，每个张力柱螺母要承受几兆牛甚至十几、几十兆牛的预紧力，采用这种结构是错误的。

4)改进措施及效果

关键的问题在于预紧和防松，图g的结构为张力柱与前、后横梁连接以及张力柱螺母紧固的典型结构。这种内外侧用螺母固定的连接方式使用最为广泛，为安装方便，内侧采用对开螺母；外侧螺母可以是整体的，也可以是对开的，但对于大吨位挤压机几乎都是采用对开螺母，以便于安装。为防止螺母松动、消除间隙，通常采用两种预紧方式：一是在主缸超压后锁紧内侧张力柱螺母，其压力可为最大工作压力的1.2~1.3倍，二是加热张力柱伸入横梁内的两端部位（必须留有加热孔）,待受热伸长后旋进外侧张力柱螺母，即热紧螺母。热紧螺母的关键是控例螺母旋转的角度a,并且要求横梁每一侧的几个螺母的旋转角度必须相等。a值可按下式计算：

经预紧后的螺母还应采取防松措施，如图g所示的端部用键固定，就是可采用的方式之一。

张力柱与前、后横梁还有一种连接方式，即内侧用套管外侧用螺母的固定连接方式。这种结构只能采用加热预紧，为预应力机架。由于对加工要求较严格，对大吨位的挤压机很少使用。西德70年代末期还研制出的板状张力柱预应力结构机架，无张力柱螺母，采用主缸超压施加预应力，机架刚性好，但由于对制造及装配精度要求高，其他国家尚未采用。

(3)主缸与后横梁的连接形式

1)设计概述

挤压力主要是由主缸产生的，主缸常用的结构以及与后横梁的连接形式有三种：第一种是缸梁整体铸造结构，结构紧凑，但因件大且形状复杂，铸造质量难以保证，适用于中小型液压机；第二种是缸梁分别铸造后焊成一体，铸造质量容易控制，结构紧凑，但增加了焊接工序；第三种是锻造主缸与铸造后横梁装配式结构，缸的质量好、寿命长，但梁的尺寸稍大，造价较高，适用于大中型挤压机。

如图h、i所示的两种连接方式很接近，只是在固定方式上有所不同，图h为错例，主要是在缸梁固定时采用了一条环形焊缝。

2)使用情况

使用一段时间后焊缝处出现裂纹

3)故障原因

由于缸、梁设计较为单薄，装配后又加了一道焊缝，在挤压机工作时缸体受力产生纵向变形，首先拉断焊缝。主缸在工作时，其缸的凸缘部分是紧贴后横梁前端面并传递挤压力的为了避免不会向前串动，只需稍加固定即可，而不必实施焊接。

4)改进措施及效果

图i的结构形式是现代挤压机主缸与后横梁最常用、最典型的连接形式。后横梁为铸钢件，主缸为锻钢件，加工后装配到一起，采用压板及螺栓压住油缸边缘防止缸体窜动。采用这种结构，主缸的质量可靠，使用寿命长，最适用于大、中型挤压机。

(4)滑动模架的支承方式

1)设计概述

滑动模架又称滑动模座，是用来盛放挤压模具的。安装在挤压机前横梁内侧的支座上，通过液压缸动作使其移进移出，以便于更换模具。滑动模架还要承受来自于正上方分离挤压制品和压余的剪切力。

2)使用情况

图j的结构是个不完善、不合理的滑动模架结构，其结果是滑动面被严重研伤，支座连接螺栓松动造成模架下沉，连接螺栓被剪断。

3)故障原因

从图j可以看出：滑动模架与支座间无衬板，两件材料相同、硬度接近，极易造成相互研伤，磨损后无法进行补偿；而且支座只用几个螺栓将其紧固在前梁上，无法承受分离制品和压余时的剪切力。连接螺栓极易松动，致使滑动模架下沉，使模具不处在正确位置，容易出现废品，剪切压余时又易损坏剪刃。

4)改进措施及效果

采用图k所示的结构形式，则可以克服上面提出的不足之处。滑动模架与支座间加衬板一般常用青铜材料作衬板，不易研伤。且在磨损后可加垫片进行补偿。在支座与前梁的贴合面间加键连接，用螺栓固定。键承受分离制品和压余时所产生的剪切力。螺栓一般不会松动，支座固定牢靠，保证挤压机正常工作。

还有一种结构，在引进日本挤压机上可见到，就是支座和前横梁有一部分是铸在一起的可以承受较大的剪力。模架的高度用斜铁调整，是一种可靠的结构形式，但增加了制造难度。

(5)主缸法兰与主缸的紧固方式

1)设计概述

主缸法兰是用来压（固定）主缸柱塞密封用的。使主缸内的液压油在工作时无泄漏，并且能够在主缸密封磨损的情况下进行调整，延长密封的使用寿命，使挤压机正常工作。

2)使用情况

图1与图m比较，只是少了一些止动垫片，使图l不如图m完善，图l会发生螺母（或螺栓）松动，不及时维修时，会导致法兰脱开、密封被挤出来的事故。

3)故障原因

挤压机主油缸多半采用夹编织物的V形密封圈组。这种密封的特点是：更换方便（45°斜开口）、密封可靠、使用寿命长。使用这种密封不宜压得过松或过紧，以缸内的压力油不从密封处泄漏为准。从图中可以看出，由于法兰后面无止动垫，则螺母无法紧固。假如螺母拧得过紧，则法兰对密封施加的玉力也就越大，这样会使密封与主柱塞间形成很大的摩擦，加剧密封磨损，降低密封的使用寿命，并影响机器的机械效率。螺母松动会导致密封泄漏和出现事故。螺母产生松动的原因很简单，一是由于主柱塞作往复运行，螺母承受脉动载荷；二是由于螺母拧得太紧而又未采取防松措施。

(4)改进措施及效果

图1比图m只是多了一些调整垫片组，又称止动垫。止动垫放在缸体和法兰之间并骑在螺杆上，取放方便。加了止动垫后螺母可以拧紧防止松动，同时又不会对油缸密封产生过大的压力，这样便可延长密封的使用寿命，不必每个连接螺栓都加止动垫片组，而只需隔一个加一组，但要注意所加的止动垫片组厚度是应该相同的。当挤压机使用一段时间后，如发现主缸密封因正常磨损发生泄漏油时，应先松开螺母，每组止动垫都减掉相同的厚度，再拧紧螺母，使主缸不再泄漏。

(6)穿孔针支承与穿孔针的连接方式

1).设计概述

在双动挤压机上，穿孔针支承（又称穿孔连接轴）是一个关键零件，它位于穿孔活动梁和穿孔针之间，穿孔针一般应通过中间连接件与其连接。该件在穿孔、挤压过程中承受以下几种力的作用：穿孔时承受压力，挤压时承受因金属流动产生的摩擦力而形成的拉力；当挤压结束回程时，因与制品及压余之间的摩擦而形成的拉力，因此，每完成一次挤压生产过程，穿孔针支承就要受到上述拉压交变应力的作用。工作条件较为恶劣。穿孔针支承是个细长杆件，因受机器结构限制，尺寸又不能过大。在设计时除考虑强度外，还要考虑自身的稳定性，在制造上也有着较为严格的要求。

2)使用情况

图n是某厂引进的生产铜材挤压机的穿孔针支承与穿孔针连接部位示意图，由于采用这种结构致使穿孔针支承多次遭受损坏，造成较大损失。穿孔针支承不属于易损件，多次损坏是不行的。

3）故障分析

穿孔针支承几次断裂的部位都是在杆端内螺纹的退刀槽处，断裂的时间又都是在穿孔结束、挤压开始的时候，此时穿孔针支承受的拉力最大，纯属拉伸破坏。对断裂后的穿孔针支生应力集中：承进行检查发现：①退刀槽处刀痕明显易见不利的；③退刀槽处的应力值偏高；①穿孔针尾②热处理硬度偏高，达HRC49,使其韧性下降脆性增加，对受拉是不不过程中穿孔针受热伸长又加大了这个力，使端顶在穿孔针支承内端面上产退刀槽断面上受到的拉应力急剧增加，导致损坏。

4)改进措施及效

穿孔针与穿孔针支承的连接一般可采用过渡件——接头，这样做可保护穿孔针支承不致损坏图。是加中间接头的示意图，新设计的穿孔针支承内螺纹尾部取消退刀槽，改为不完全螺纹退刀，并将螺距4mm改成3mm,增加了根部强度。截面突变部位采用圆角过渡，以减少应力集中，接头的强度及硬度略低于穿孔针支承，且与穿孔针支承拧紧后端面仍有间原，对穿孔针支承起到保护作用，与穿孔针连接端可用内螺纹，也可采用外螺纹。

(7)挤压轴与活动横梁的连接形式

1)设计概述

挤压轴是挤压机的最关键工具之一，巨大的挤压力全部通过挤压轴作用到被挤压的金属坯料上，但是，它不像挤压模和挤压筒内衬属于易磨损件，仅随挤压筒的规格尺寸（或被挤压坯料的直径）更易而进行更换。在进行挤压生产时，要求济压轴轴心线和挤压中心线重合，这样可以避免挤压轴变形、折断或损坏挤压筒内衬。另外，对挤压轴与活动横梁的连接形式要求固定牢靠，更换、调整方便。

图p、q为两种连接的结构形式。绝大多数厂家制造的挤压机，其挤压轴与活动横梁的固定形式以及挤压轴的形状基本相似（如图q),图p为引进的挤压机采用的典型结构。

2)使用情况

图p与图q相比较，图p的结构加工制造简单，但对中调整不方便。特别是对大吨位挤压机，如不注意调整找正，则会造成挤压轴变形，损伤挤压筒内衬。

3)故障原因

从图p可以看出，采用这种结构在进行挤压轴中心位置调整时，首先必须松动固定压环的螺栓，然后再去拧动调整螺栓。由于此时挤压轴处于悬臂状态，头部下沉，在该状态下很难将挤压轴调整到正确位置。而只有进行多次调整和凭经验才能调整到差不多的位置。另外，挤压轴尾部的结构形式使其刚性不好，同时有可能存在偏心，在很大压力作用下产生弯曲变形而损坏挤压筒内衬或挤压轴。

4)改进措施及效果

一般挤压机都采用图q连接方式，即压环与挤压轴之间通过锥面接触。这种结构不仅压轴的对中性好，紧固生载，而且尾师至通过活动横聚下的滑板调整，调整方便而准确。有的还将限程套与压环（即压紧法兰）做成一个整体，有的则增加了快速锁紧机构，以便于速更换挤压轴（如西德施劳曼挤压机）,总之，挤压轴尾部为锥形结构是最基本的，也是最合理的结构形式。

(8)挤压机主缸液压系统结构选择

1)设计概述

现代挤压机均采用液压油驱动。评价液压机的好坏，主要看它的主缸液压控制系统的结构设计是否合理、无故障工作时间长短、液压系统的效率或能耗。图r为引进的某些挤压机的主缸供油回路简图。挤压不同的合金及不同规格的型材，其挤压速度是需要改变的，否则就生产不出合格的产品。

2)使用情况

该系统采用效率低、特性软的旁路节流回路来达到控制速度的目的。采用这种方式调速，一是速度不稳定，有些产品挤不了；二是能耗大，当挤压变形系数（或挤压系数）很大的制品或硬合金时，由于挤压速度太低，其有用功率也只能达到20%~30%。

3)故障原因

从图r中回路图可见，当主油路来的压力油，其流量为Q,通过顺序阀后，一部分到主缸采用两个阀来实现，一个是粗调用的流量调节阀，另一个是精调用的比例流量调节阀。在整个挤压过程中，由于金属变形时的热效应使被挤压金属的变形抗力降低，挤压力随之下降，即负载压力P1下降。但因采用的是旁路节流调速，系统又是开环的无反馈控制，根据阀的P-Q特性曲线，旁路节流量Q(=Qn+Qu)将随负载压力P1的下降而减小。由于主油路的流量Q是个常量，这样势必促使Q:加大，则主柱塞速度提高，并越挤越快，后端可能产生挤压废品。为克服这种弊端，须靠人工随时去调节流量阀进行流量补偿，才能使其稳定到设定的速度，确保产品质量。若系统能采用闭环控制，则会克服这个弊端。

液压系统消耗的功率用下式计算：N=PQ/60n(kW)

式中P--系统工作压力，MPa;

Q——油泵输出油量，L/min

n—总效率。

从公式中可看出：系统消耗的功率与系统工作压力P和消耗的总流量Q成正比。采用定量泵旁路节流系统供油时，Q是个不变的量，即Q-Q1+Q,也就是说不管挤压速度大小，所消耗的功率是固定不变的，挤压速度越低，则旁路分流的流量Q,就越大，无用能耗越大。

4)改进措施及效果

图s为主缸采用变量泵直接供油的典型回路。通过程控器采取流量补偿措施，可实现模拟等温挤压；而有些挤压机已实现挤压速度闭环控制，泵的吐出量Q接近于主缸负载流量流量Q.,调速范围犬而准确。由于直接供油，系统的传动特性硬，且泵的工作压力P接近于主缸负载压力P1.采用这样的回路既保证了挤压制品的质量，又可节省电能消耗，减少无功损失，其效率高达80%以上。变量泵直接向主缸供油回路，已被各国普遍采用。

END

来源：网络

往期精彩推荐：