壓力機(jī)平衡器風(fēng)壓的計(jì)算

王領(lǐng)，王蔓，張成爽

(1.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250022; 2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250022;3.山東森德數(shù)控機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南250330)

隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料沖壓成形技術(shù)向著低誤差、高精度、高合格率的需求方向發(fā)展［1］，平衡器對于壓力機(jī)的作用顯得特別重要。平衡器主要作用是通入壓縮空氣后平衡壓力機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的重力，從而提高滑塊運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，減少制動(dòng)器發(fā)熱，使傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙保持在非受力面上，保證壓力機(jī)工作時(shí)的精度，可以防止制動(dòng)器失靈及連桿意外折斷、滑塊自重下落時(shí)可能發(fā)生的安全事故［2］。

1 平衡器的結(jié)構(gòu)

圖1 是某公司采用的平衡器典型結(jié)構(gòu)，由缸體、活塞、活塞桿、支架等構(gòu)成，缸體通常裝在橫梁兩端或左右立柱上，活塞桿有支架與滑塊相連，缸體下端通過管路與儲氣罐連通，從活塞桿上淌下來的潤滑油經(jīng)接油盒流回油箱，進(jìn)入平衡器的氣壓大小可由左前立柱內(nèi)的組合閥來調(diào)節(jié)。

圖1 平衡器的典型圖

2 平衡器風(fēng)壓的計(jì)算公式

2.1 平衡器風(fēng)壓的估算公式

用戶購買了某公司生產(chǎn)的壓力機(jī)，在設(shè)計(jì)初期做方案時(shí)，首先要進(jìn)行壓力機(jī)風(fēng)壓的估算，估算出平衡器的風(fēng)壓是否大于用戶提供的進(jìn)氣氣源壓力，如果大于此壓力，需要增壓。下面介紹設(shè)計(jì)初期的平衡器風(fēng)壓估算公式:

式中: mc為平衡質(zhì)量，kg; ms為滑塊部件質(zhì)量，kg;mud為上模質(zhì)量，kg; mr為連桿導(dǎo)柱等質(zhì)量，kg; mp為平衡器運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，kg; me為偏心體質(zhì)量，kg; pca為最大計(jì)算平衡壓力，MPa; Dcp為平衡器缸體內(nèi)徑，mm; Dcs為平衡器活塞桿直徑，mm; Nc為平衡器個(gè)數(shù)。

2.2 調(diào)整設(shè)定壓力的計(jì)算

設(shè)計(jì)員在設(shè)計(jì)好各個(gè)部件之后，運(yùn)動(dòng)部件的重力肯定會和之前估算的重力有出入，一般不大，但仍要重新計(jì)算壓力機(jī)的調(diào)整設(shè)定壓力，應(yīng)用新的計(jì)算公式，平衡器調(diào)整設(shè)定壓力pt是在滑塊上死點(diǎn)位置進(jìn)行，設(shè)定壓力與計(jì)算壓力pca有一定的差異，如圖2所示。

圖2 設(shè)定壓力和計(jì)算壓力比較

設(shè)定壓力的計(jì)算如下:

(1) 傳統(tǒng)的計(jì)算方法

式中: Q 為儲氣罐容積，m3; Nqc為共用一個(gè)儲氣罐的平衡器個(gè)數(shù); sstr為滑塊行程長度，mm; Dcp為平衡器缸體內(nèi)徑，mm; Dcs為平衡器活塞桿直徑，mm。

(2) 新的計(jì)算方法

其中: G 為壓力機(jī)自身需平衡重力(104N) ; K 為1/2 行程造成的風(fēng)壓波動(dòng)量; A 為平衡器總面積。

對比兩個(gè)公式: 主要區(qū)別是風(fēng)壓波動(dòng)量的計(jì)算發(fā)生了變化，這兩個(gè)公式的計(jì)算都涉及到平衡重力的計(jì)算。對于偏心式和銷軸式壓力機(jī)計(jì)算比較簡單，但是對于多連桿壓力機(jī)計(jì)算比較困難，靜態(tài)計(jì)算不準(zhǔn)確。解決辦法是建立多連桿桿系13 個(gè)獨(dú)立變量參數(shù)的不同組合以及多約束優(yōu)化數(shù)學(xué)模型; 通過ADAMS 參數(shù)化設(shè)計(jì)及模擬仿真分析，確定八連桿機(jī)構(gòu)的重力，如圖3 所示，并且對于不同參數(shù)的壓力機(jī)，每次只需更改多連桿的參數(shù)即可仿真，不用每次都建立模型［3－4］。

圖3 ADAMS 中仿真的多連桿圖形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

推導(dǎo)出上面的公式之后，在公司做了大量的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。首先對設(shè)計(jì)好的壓力機(jī)，通過上面的公式算出理論值，然后在廠內(nèi)試車的壓力機(jī)上通過PLC 分析軟件AUTEM PLC-ANALYZER pro 5 測試一些數(shù)據(jù)，整理之后做出如圖4 的折線圖，從中得出風(fēng)壓的實(shí)驗(yàn)值為0.475 MPa，與理論計(jì)算值非常接近，誤差2%，在接受范圍之內(nèi)。

圖4 風(fēng)壓與上下行程電流關(guān)系曲線

4 結(jié)論

準(zhǔn)確計(jì)算出壓力機(jī)的風(fēng)壓值，不僅對沖裁、彎曲、成形、淺拉深、校正等冷沖壓工序有著很大影響，而且能提高高檔模具的使用壽命。文中論述的平衡器風(fēng)壓計(jì)算方法，計(jì)算出的風(fēng)壓值能很好地滿足生產(chǎn)的需要，已在很多家沖壓生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用，得到了合作方的認(rèn)可。

在計(jì)算壓力機(jī)風(fēng)壓的過程中，應(yīng)用了工程仿真軟件真軟件ADAMS。在工程機(jī)械設(shè)計(jì)與研究中，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢，可大大提高設(shè)計(jì)計(jì)算過程和準(zhǔn)確性，是今后計(jì)算的發(fā)展方向［5］。

［1］夏春風(fēng)，鐘康民，楊麗琴．基于同步齒形帶與滾動(dòng)螺旋－鉸桿增力機(jī)構(gòu)的伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2012(4) :31－37．

［2］濟(jì)南第二機(jī)床廠．曲柄壓力機(jī)設(shè)計(jì)［M］．濟(jì)南:濟(jì)南第二機(jī)床廠，1973．

［3］李增剛．ADAMS 入門詳解與實(shí)例［M］．北京: 國防工業(yè)出版社，2006．

［4］鄒昌平．基于ADAMS 的新型六桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究［J］．機(jī)床與液壓，2007，35(3) :37－42．

［5］王洪倫，龔烈航，肖斌安．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械仿真分析與應(yīng)用研究［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(7) :140－163．