壓力機(jī)再制造中的關(guān)鍵系統(tǒng)再設(shè)計(jì)研究

董建興 呂傳毅 賀 磊

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

壓力機(jī)以其良好的加工工藝性能，廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械加工和耐火材料制造企業(yè)。目前國(guó)內(nèi)中小型企業(yè)保有大量即將進(jìn)入功能性報(bào)廢的老舊壓力機(jī)，如果直接進(jìn)行廢棄處理，將是對(duì)資源和能源的巨大浪費(fèi)。壓力機(jī)再制造中的再設(shè)計(jì)指的是在壓力機(jī)再制造的過(guò)程中以報(bào)廢的壓力機(jī)性能參數(shù)或者零部件作為約束條件，進(jìn)行新的設(shè)計(jì)過(guò)程。再設(shè)計(jì)的目的是使得再制造后的壓力機(jī)獲得比原壓力機(jī)更好的性能。淄博奧瑞科機(jī)電科技有限公司從應(yīng)用角度對(duì)老舊螺旋壓力機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造，但是部分產(chǎn)品出現(xiàn)了振動(dòng)過(guò)大的情況?；诖吮疚膶?duì)J53－400T壓力機(jī)再制造中的再設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論研究并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了應(yīng)用。

1 壓力機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)

廢舊壓力機(jī)再制造過(guò)程中，由于新型電力拖動(dòng)系統(tǒng)的出現(xiàn)，在考慮到壓力機(jī)使用場(chǎng)合的前提下，可以結(jié)合現(xiàn)有的動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，提升壓力機(jī)的性能。但是在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意匹配壓力機(jī)原有的設(shè)計(jì)參數(shù)，以它們作為動(dòng)力系統(tǒng)再設(shè)計(jì)的約束條件，在保證壓力機(jī)原有打擊力的前提下避免出現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)功率的浪費(fèi)。J53－400T壓力機(jī)主要參數(shù)如表1。

表1 J53－400T型壓力機(jī)的主要參數(shù)

常用的動(dòng)力系統(tǒng)有:交流異步電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)。

交流異步電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)在壓力機(jī)上最常用的動(dòng)力系統(tǒng)，但異步電動(dòng)機(jī)的速度不能調(diào)節(jié)控制，工藝適應(yīng)性較差。交流伺服電動(dòng)機(jī)多采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)差功率在不同的轉(zhuǎn)速下消耗基本保持不變，具有較高的效率，但是交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜［1］。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)是在上世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型驅(qū)動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，并且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率和系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

由于J53－400T螺旋壓力機(jī)屬于需要頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加工設(shè)備，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求是能夠頻繁起停和正反轉(zhuǎn)。比較前面給出的幾種電力拖動(dòng)系統(tǒng)，文中選擇可以頻繁正反轉(zhuǎn)并且可以以較小的電流啟動(dòng)獲得較大的轉(zhuǎn)矩，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，并且容易采用數(shù)字化控制的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為壓力機(jī)再設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)功率需要以表1中原有壓力機(jī)的主要參數(shù)作為約束條件，結(jié)合壓力機(jī)的力能關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)選用。

螺旋壓力機(jī)在下行程時(shí)儲(chǔ)備運(yùn)動(dòng)部分打擊能量。若螺旋壓力機(jī)的額定打擊能量為EN，則向下行程的功率峰值PN計(jì)算公式為

式中:t為下行程時(shí)間;KR為功率輸出系數(shù);EN為運(yùn)動(dòng)部分能量;NN為滑塊行程次數(shù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩情況下，可以取KR=2，結(jié)合表1中給出的運(yùn)動(dòng)部分的能量為28 kJ，代入式(1)得出下行程的功率峰值為:56 kW。則選取的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率為

式中:PSRD為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率;KSRD為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù);KP為螺旋壓力機(jī)電動(dòng)機(jī)使用安全系數(shù)。

一般情況下開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)可以取KSRD=2?？紤]到壓力機(jī)的工作狀態(tài)，螺旋壓力機(jī)的電動(dòng)機(jī)使用安全系數(shù)KP=1.5～2［2］。代入上述計(jì)算數(shù)據(jù)可以得到開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率為42 kW。結(jié)合實(shí)際開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀，選用山東科匯電力自動(dòng)化有限公司的SRM280M－7.5型號(hào)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，該型號(hào)的額定功率為45 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min，調(diào)速范圍為50 ～1 000 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.507 kg·m2。

2 壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)

在換用開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，為了充分發(fā)揮開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，需要對(duì)壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。壓力機(jī)中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有:摩擦盤傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。結(jié)合J53－400T壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出如下幾種設(shè)計(jì)方案:

方案一:開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊移動(dòng)。由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、帶輪、飛輪、螺桿、螺母、滑塊、控制部分、工作臺(tái)和導(dǎo)軌組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

方案二:開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪副驅(qū)動(dòng)螺旋副運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊直線運(yùn)動(dòng)，屬于螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)式。主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、齒輪副、螺旋副、滑塊、機(jī)身和控制部分組成。該方案結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

方案三:此方案屬于方案二的衍生方案，將方案二中單臺(tái)電動(dòng)機(jī)換用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)。由兩臺(tái)或者多臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

方案四:電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)與大皮帶輪同軸的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)大齒輪和螺桿作螺旋運(yùn)動(dòng)完成壓力加工。結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

以上是4種開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案，其中方案二和方案四中有齒輪副傳動(dòng)，螺旋壓力機(jī)的工作特點(diǎn)決定了齒輪副要承受瞬時(shí)的沖擊，可能會(huì)帶來(lái)齒輪的破壞，方案二在企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)證實(shí)了上述可能，齒輪出現(xiàn)了崩齒和裂紋。方案三多臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)同時(shí)帶動(dòng)齒輪副傳動(dòng)，由于共用一個(gè)大齒輪，必須要保證多臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制上的同步性，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的同步控制也增加了方案的難度。

本文中結(jié)合廢舊壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用方案一作為傳動(dòng)方案。方案整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

廢舊壓力機(jī)再制造時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)需要根據(jù)壓力機(jī)的工況進(jìn)行選擇并且要受到原壓力機(jī)的約束:必須與原有壓力機(jī)的打擊力、運(yùn)動(dòng)部分能量和電動(dòng)機(jī)軸側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)匹配。為了滿足壓力機(jī)的打擊次數(shù)等條件，傳動(dòng)比也是再設(shè)計(jì)的約束條件。通過(guò)對(duì)壓力機(jī)的檢測(cè)和測(cè)量結(jié)合已有的技術(shù)資料:該型號(hào)壓力機(jī)的滑塊行程為520 mm，滑塊的往復(fù)行程速度為20次/min，壓力機(jī)螺桿采用的分段式雙向螺紋導(dǎo)程為104 mm。由于存在如下關(guān)系:

式中:Ng為滑塊的單程行程速度;Sg為滑塊的行程;h為螺桿導(dǎo)程;rl為螺桿轉(zhuǎn)速。由公式(3)可以得出壓力機(jī)螺桿的計(jì)算轉(zhuǎn)速為205 r/min。

螺旋壓力機(jī)由電動(dòng)機(jī)帶輪帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，在數(shù)據(jù)取額定值的情況下，電動(dòng)機(jī)軸側(cè)的等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

式中:Je為電動(dòng)機(jī)軸側(cè)的等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωe為電動(dòng)機(jī)的額定角速度。選用的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為re=750 r/min，通過(guò)換算得到相應(yīng)的額定角速度，再由式(4)計(jì)算求得電動(dòng)機(jī)軸側(cè)等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Je=8.9 kg·m2。

電動(dòng)機(jī)軸側(cè)等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為

式中:J0為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由于所選的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)型號(hào)已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0=0.507 0 kg·m2;J1為電動(dòng)機(jī)帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J2為大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J3為螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)J3=9.812 6 kg·m2。

采用一級(jí)帶傳動(dòng)減速，由電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和螺桿的計(jì)算轉(zhuǎn)速可計(jì)算出帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比:i=re/rl。計(jì)算可得傳動(dòng)比約為3.6，符合帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍。

選定電動(dòng)機(jī)后，可以設(shè)計(jì)選定電動(dòng)機(jī)帶輪的尺寸，根據(jù)傳動(dòng)比確定出飛輪(大帶輪)的設(shè)計(jì)直徑。然后通過(guò)三維建模以原有壓力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為約束條件，對(duì)電動(dòng)機(jī)帶輪和大帶輪進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，以避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大或者過(guò)小等設(shè)計(jì)失誤。經(jīng)過(guò)三維建模配合材料庫(kù)的使用，可以確定出電動(dòng)機(jī)帶輪和大帶輪的相關(guān)尺寸如表2所示。

電動(dòng)機(jī)帶輪和大帶輪的三維效果圖如圖6所示。

表2 電動(dòng)機(jī)帶輪和大帶輪(飛輪)的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)完成后的傳動(dòng)比為3.66，符合要求。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量驗(yàn)算為:

將以上各個(gè)部件的參數(shù)代入式(6):

結(jié)果與計(jì)算所得壓力機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸側(cè)等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相符。

3 壓力機(jī)再設(shè)計(jì)后的關(guān)鍵零部件模態(tài)分析

針對(duì)產(chǎn)品中出現(xiàn)的振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，對(duì)原壓力機(jī)的螺桿和再設(shè)計(jì)之后的電動(dòng)機(jī)帶輪和飛輪(大帶輪)進(jìn)行模態(tài)分析，判斷其在工作時(shí)是否會(huì)因?yàn)楣舱褚饓毫C(jī)振動(dòng)過(guò)大。

模態(tài)分析技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析目的就是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析、振動(dòng)故障的診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)［3］。

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)達(dá)郎貝爾原理，可以得到零部件的運(yùn)動(dòng)微分方程:

式中:［M］為總質(zhì)量矩陣;［C］為阻尼矩陣;［K］為剛度矩陣;{X}為節(jié)點(diǎn)位移列矩陣，{X}={x1，x2，…，xn}T;{F(t)}為外界激勵(lì)列矩陣。

模態(tài)分析即為求解系統(tǒng)的微分方程在系統(tǒng)阻尼和外加載荷為零的情況下的特征值及特征向量［4］。故上式中阻尼矩陣［C］=0，并且有{F(t)}={0}。在無(wú)阻尼條件下的機(jī)構(gòu)自由振動(dòng)微分方程為

系統(tǒng)作自由振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)的位移方程為

設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各部分均作同頻率同相位的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，可得此情況下的特征方程:

用Solidworks2012建立螺桿、電動(dòng)機(jī)輪和飛輪的實(shí)體模型然后導(dǎo)入Patran。進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于加速度的存在，單位的使用一定要注意，不要因?yàn)閱挝恢飘a(chǎn)生錯(cuò)誤［6］。為了獲得較好的計(jì)算精度，采用二階四面體單元(Tet10單元)而不選用線形的四面體單元(Tet4單元)，因?yàn)榫€形的四面體單元具有過(guò)高的剛度，計(jì)算精度較差［7］。實(shí)體模型尺寸很大，劃分網(wǎng)格設(shè)置內(nèi)部稀疏型，用來(lái)減少系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間。設(shè)置各零部件的材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料性能參數(shù)設(shè)置

調(diào)用Nastran進(jìn)行求解后，讀入結(jié)果文件，螺桿、電動(dòng)機(jī)帶輪以及大帶輪的模態(tài)振型如圖7和圖8所示。

壓力機(jī)再設(shè)計(jì)完成后，主要的外部振源為:開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的作用以及滑塊的打擊運(yùn)動(dòng)。該型號(hào)壓力機(jī)選裝的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)為45 kW，750 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為:f=750 r/60 s=12.5 Hz;改進(jìn)設(shè)計(jì)后滑塊往復(fù)行程速度為22次/min，根據(jù)壓力機(jī)的打擊原理，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)提供壓力機(jī)的扭矩驅(qū)動(dòng)，滑塊的振動(dòng)頻率為:f=44/60=0.733 Hz。由圖7可知壓力機(jī)螺桿的模態(tài)分析的最小振動(dòng)頻率為216 Hz，由圖8可知電動(dòng)機(jī)帶輪的最小振動(dòng)頻率為1 601.1 Hz，飛輪的最低振動(dòng)頻率為485.57 Hz。經(jīng)過(guò)以上分析得出:電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和壓力機(jī)滑塊打擊的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于壓力機(jī)原螺桿和再設(shè)計(jì)之后的電動(dòng)機(jī)帶輪和飛輪的固有振動(dòng)頻率，以上三個(gè)螺旋壓力機(jī)主要零部件的模態(tài)分析參數(shù)可以避免在壓力機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生機(jī)器共振，保證再制造后壓力機(jī)的正常使用。

將上述計(jì)算結(jié)果在實(shí)際加工中進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)際加工之后的傳動(dòng)部分如圖9所示。

再設(shè)計(jì)之后的壓力機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)之前工作過(guò)程中振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了打擊力和能量的精確控制，提高了產(chǎn)品的合格率和工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)螺旋壓力機(jī)再制造過(guò)程中的再設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論上的研究，探索了壓力機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)再設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)再設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行了模態(tài)分析。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以得到在滿足加工工藝的情況下，壓力機(jī)的打擊次數(shù)仍有提升空間。所得理論和結(jié)果在實(shí)際中進(jìn)行了應(yīng)用，再設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了打擊力和能量的精確控制，提高了工作效率。

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