螺旋壓力機(jī)新型過載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)探討

朱成康，范常榮（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

螺旋壓力機(jī)新型過載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)探討

朱成康，范常榮
（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

提出了一種適用于螺旋壓力機(jī)的新型蓄能緩沖型過載保護(hù)裝置新結(jié)構(gòu)。探討了其原理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及在機(jī)器力能與效率測試中的應(yīng)用。

螺旋壓力機(jī)；過載保護(hù)裝置；結(jié)構(gòu)；新型

螺旋壓力機(jī)雖然也屬于定能量輸出型鍛壓機(jī)械，但它與鍛錘相比在工作原理上也有著顯著的區(qū)別：鍛錘是由動(dòng)力源把能量直接轉(zhuǎn)化為錘頭的動(dòng)能而實(shí)施打擊；而螺旋壓力機(jī)則是動(dòng)力源把能量先轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能然后再通過螺旋副間接轉(zhuǎn)化為滑塊的壓力能。兩者比較，螺旋壓力機(jī)有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：①滑塊行程速度比較低，通常為0.165m/s～0.7m/s；②在能量轉(zhuǎn)換過程中由于螺旋副中摩擦的存在，傳動(dòng)效率必然有所降低；③由于滑塊行程速度低，不利于多次連續(xù)壓力成形。因此為適應(yīng)單次壓力成形的需要，公稱能量通常是鍛錘的兩倍以上。

由于公稱能量大，使螺旋壓力機(jī)對于過載保護(hù)的需要更加迫切，因此飛輪打滑的過載保護(hù)便早已在該類設(shè)備上得到廣泛使用，并且也已經(jīng)有了許多成熟的經(jīng)驗(yàn)。但在長期的使用中也暴露了若干缺點(diǎn)有待改進(jìn)。例如由于摩擦材料的摩擦系數(shù)難以準(zhǔn)確確定，摩擦功的計(jì)算不但復(fù)雜，而且誤差也大，給調(diào)試和生產(chǎn)增加了額外困難；根據(jù)文獻(xiàn)[2]提供的資料，實(shí)測與計(jì)算結(jié)果相差竟達(dá)數(shù)倍之多；摩擦材料又是易損件，經(jīng)常更換不但增加成本，也影響生產(chǎn)；此外，力能測試不但需要浪費(fèi)許多壓塌塊，而且也不夠準(zhǔn)確，等等。因此，對現(xiàn)有螺旋壓力機(jī)的飛輪打滑過載保護(hù)裝置的升級改造尤顯必要，本裝置就是在這樣的技術(shù)背景下產(chǎn)生的。

1 結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)螺旋壓力機(jī)的上述特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的本裝置如圖1所示。

它是一個(gè)專用的小型氣液蓄能緩沖器,可直接安放在滑塊內(nèi)（安放在底座內(nèi)也未嘗不可）。由于滑塊的行程速度低，基本不存在回程沖擊問題，因此取消了回程節(jié)流阻尼，從而使得其結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。緩沖柱塞的上端與螺桿相連接（內(nèi)部結(jié)構(gòu)僅供參考，不作推薦）。其工作過程如下：在內(nèi)腔封閉的條件下，預(yù)先通過充氣補(bǔ)油接口向腔內(nèi)充氮?dú)庵脸跏級簭?qiáng)pc≈140kg/cm2（由氣源廠的實(shí)際情況而定），然后在同一接口根據(jù)需要的緩沖壓力Ph由充油泵向內(nèi)充油至預(yù)緊壓強(qiáng)py，這樣就形成了一個(gè)被預(yù)緊了的蓄能緩沖墊。當(dāng)工作壓力Pi≤Ph時(shí)，緩沖柱塞不工作；當(dāng)Pi＞Ph時(shí)，則緩沖柱塞向下行程壓縮氣墊吸收能量，從而達(dá)到過載保護(hù)的目的。工作行程完了，緩沖柱塞隨螺桿的返程而復(fù)位并帶動(dòng)滑塊一起回程。

圖1 螺旋壓力機(jī)新型過載保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理

為了防止在熱鍛時(shí)滑塊溫度的變化引起內(nèi)部氮?dú)鈮簭?qiáng)py波動(dòng)從而導(dǎo)致緩沖壓力Ph的不穩(wěn)定，本裝置特在放油路上增添了一個(gè)小流量的高壓溢流閥。這樣，當(dāng)滑塊溫度升高導(dǎo)致內(nèi)部氮?dú)鈮簭?qiáng)升高時(shí)，通過溢流閥的溢流而降壓；而當(dāng)滑塊溫度降低后氮?dú)鈮簭?qiáng)降低時(shí)，則可通過壓力傳感器發(fā)出信號控制充油泵自動(dòng)補(bǔ)油來確保py的相對穩(wěn)定。

為確保安全，本裝置內(nèi)腔的調(diào)壓介質(zhì)推薦采用阻燃油。

上述方案中的“溢流-補(bǔ)液”穩(wěn)壓方式和阻燃油也同樣適用于文獻(xiàn)[1]中的鍛錘過載保護(hù)裝置。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本裝置仍按最惡劣工作條件（全能量無鍛件空壓）來設(shè)計(jì)。由于實(shí)際工況多半是有鍛件變形的正常壓力加工，所以按此條件的設(shè)計(jì)結(jié)果是足夠安全的。

2.1 緩沖壓力Ph的確定

螺旋壓力機(jī)有公稱壓力P0和最大工作壓力Pm兩個(gè)主要力學(xué)參數(shù)，這表明其主要工作范圍應(yīng)在P0以內(nèi)，但也允許在必要時(shí)達(dá)到Pm值（故強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)顧及Pm）。因此本裝置Ph的確定主要以P0為依據(jù)，但同時(shí)也應(yīng)該能調(diào)整到Pm。需要特別指出的是，就本裝置的設(shè)計(jì)而言，都能滿足要求，而且如果按Pm作為緩沖壓力的話，則由于此時(shí)機(jī)器吸收的彈性變形能更多，所以本裝置所要吸收的緩沖能反而降低，緩沖行程也更小了，從而使本裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊。但與此同時(shí)，蓄能緩沖器的預(yù)緊油壓強(qiáng)py將有所提高，機(jī)器的受力將增加，強(qiáng)度的安全系數(shù)也有所降低。所以緩沖壓力Ph的設(shè)定和調(diào)整雖然對于本裝置來說是方便靈活的，但是用戶在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡利弊，謹(jǐn)慎處理?；镜脑瓌t是：在盡量滿足具體工藝對象成形的條件下，Ph值應(yīng)取得越低越好，這樣既能確保成形，又能更好地滿足機(jī)器和模具的強(qiáng)度需要，一舉兩得。

2.2 緩沖壓力能Eth的確定

由于螺旋副中摩擦的存在，螺旋壓力機(jī)在無鍛件全能量空壓條件下的能量平衡方程為：

E1=Ei+Eti+Emi

式中：E1——機(jī)器的公稱能量；

Ei——任意壓力Pi時(shí)的機(jī)器彈性變形能；

Eti——任意壓力Pi時(shí)的本裝置所吸收的緩沖壓力能。Eti≈Pi△Bi，其中△Bi為本裝置的緩沖行程，可由上端預(yù)留的間隙B的變化測得。Pi為本裝置的緩沖預(yù)緊力，可由調(diào)整預(yù)緊油壓強(qiáng)py獲得。由于在緩沖過程中py有少許波動(dòng)，它與氮?dú)馇坏脑既莘e有關(guān)，精確計(jì)算應(yīng)考慮修正，后面的簡化計(jì)算均未作考慮；

Emi——與緩沖壓力能Eti相對應(yīng)的螺旋副摩擦功。

假設(shè)螺旋副的傳動(dòng)效率為ηm，即ηm=Eti/（Eti+Emi）,由此可導(dǎo)出：

Emi=[（1-ηm）/ηm]Eti，代入前式可得：

Eti=（E1-Ei）ηm

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，工作壓力為Pi時(shí)對應(yīng)的緩沖壓力能：

Eti=E1[（E1-Ei）/E1]ηm=E1[（P12-Pi2）/P12]ηm=E1ηiηm同理，當(dāng)緩沖工作壓力為Ph時(shí)對應(yīng)的緩沖壓力能：

Eth=E1[（E1-Eh）/E1]ηm=E1[（P12-Ph2）/P12]ηm=E1ηhηm

式中：ηi——工作壓力為Pi時(shí)與機(jī)器彈性變形能Ei相對應(yīng)的傳動(dòng)效率；

ηh——緩沖壓力為Ph時(shí)與機(jī)器彈性變形能Eh相對應(yīng)的傳動(dòng)效率。

最大壓力P1可由小能量空壓法測算而得：

P1=Pi（E1/Ei）1/2

3 實(shí)例計(jì)算

為便于對本裝置計(jì)算方法的理解，本文特以文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]所提供的630型螺旋壓力機(jī)的資料對其中的若干主要設(shè)計(jì)參數(shù)作出初步的簡化計(jì)算（計(jì)算中的所有數(shù)據(jù)僅供參考，不作推薦）。

3.1 根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算

文獻(xiàn) [2]提供的已知條件為：公稱能量E1＝7200kg·m；公稱壓力P0=630t；極限沖擊壓力（最大壓力）P1/P0=2.19，故P1=2.19×630=1380（t）；緩沖壓力Ph/P0=1.12，故Ph=1.12×630=706（t）；螺桿的螺旋升角α=13°8′。

需要說明的是，極限沖擊壓力P1和緩沖壓力Ph與公稱壓力P0的比值在文獻(xiàn)原文中明顯遺漏了小數(shù)點(diǎn)，本文作了更正。

3.2 參數(shù)計(jì)算

3.2.1 工況1，緩沖壓力Ph＝706t（文獻(xiàn)[2]）（1）本裝置需要吸收的緩沖壓力能：

Eth=E1[（P12-Ph2）/P12]ηm

式中：ηm——螺旋副的傳動(dòng)效率。本裝置制成后可參照后面4.3節(jié)的方法測算；作為簡化計(jì)算，可近似參考由斜楔機(jī)構(gòu)所推導(dǎo)的關(guān)系式ηm=1／（1＋2μcotα）計(jì)算，其中μ為機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，此處設(shè)μ=0.04；α為斜楔角，相當(dāng)于螺桿的螺旋升角，此處為13°8′。代入得ηm≈0.75。于是，代入全部已知數(shù)據(jù)后便得到：

Eth=7200×[（13802-7062）／13802]×0.75≈3980 （kg·m）

бy=（706×1000）/[（π/4）×（502-402）]≈1000（kg/ cm2），很安全。

（3）為達(dá)到此預(yù)緊力，柱塞大徑D面上的油壓預(yù)緊壓強(qiáng)：

py=（706×1000）/[（π/4）×502]≈360（kg/cm2）,屬于一般高壓范圍。

（4）柱塞的緩沖行程：

△Bh=Eth/Ph=3980/（706×1000）≈0.56（cm）

（5）一次緩沖行程所需油的體積：

（1）模擬酒配方。調(diào)整蔗糖含量為20 g/L，不添加乙醇和磷酸氫二銨，其余成分同1.3.1中擴(kuò)培階段模擬酒。

△Vh=（π/4）×D2×△Bh=0.785×502×0.56≈1099（cm3）=1.099（L）

（6）為減少緩沖時(shí)的壓力波動(dòng)，暫以15△Vh來確定氮?dú)馇粔嚎s后的體積Vh=15×1.099≈16.5（L）

（7）氮?dú)馇坏某跏既莘eV0可按等溫條件下的壓縮比來確定：

V0=（360/140）×16.5≈42.4（L）

（8）滑塊工作溫度的影響：

由理想氣體的狀態(tài)方程可知，為確保氮?dú)饩彌_壓強(qiáng)py的相對穩(wěn)定（即恒壓條件），則它的體積與它的絕對溫度成正比。假設(shè)滑塊的初始絕對溫度為t= 273+27=300（K），最終絕對溫度為400K，則氮?dú)獾淖罱K體積v=（400/300）×Vh=（400/300）×16.5=22（L）,相應(yīng)地氮?dú)怏w積增量為22-16.5=5.5（L），此數(shù)據(jù)也即為溢流閥的排油體積。此時(shí)氮?dú)饩彌_時(shí)的壓縮比β= 22／1.099=20＞15，說明在這種情況下，本裝置氮?dú)獾膲毫Σ▌?dòng)更小，因而緩沖性能反而更好。

3.2.2 工況2，緩沖壓力調(diào)至最大壓力Pm＝1000t（文獻(xiàn)[3]）

（1）本裝置所要吸收的緩沖壓力能：

Etm=E1[（P12-Pm2）/P12]ηm=7200 [（13802-10002）/ 13802]×0.75≈2564（kg·m）＜Eth

（2）本裝置上端環(huán)形面積上的壓縮應(yīng)力：

бym=1000×1000/[（π/4）（502-402）]≈1415（kg/cm2）＞бy

（3）本裝置所需的油壓預(yù)緊壓強(qiáng)：

pym=1000×1000/[（π/4）×502]≈510（kg/cm2）＞py

（4）柱塞的緩沖行程：

△Bhm=2564/（1000×1000）≈0.002564（m）=0.2564 （cm）＜△Bh

（5）一次緩沖行程所需油的體積：

△Vhm=（π/4）×502×0.2564≈503（cm3）＜△Vh

（6）按等溫條件下的壓縮比大致確定此時(shí)氮?dú)馇坏捏w積：

Vhm=V0/（510/140）≈42.4/3.64≈11.65（L）＜Vh

（7）緩沖時(shí)氮?dú)獾膲嚎s比為：

β=Vhm/△Vhm≈≈（11.65×1000）/503≈23.2＞15,說明在此條件下氮?dú)獾膲毫Σ▌?dòng)更小，因而緩沖性能更好。

由于在計(jì)算緩沖壓力能時(shí)忽略了預(yù)緊油壓力波動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果稍有偏差。

從以上分析計(jì)算可知，本裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在技術(shù)上是可行的。

4 擴(kuò)展應(yīng)用

本裝置除了具有過載保護(hù)的安全功能以外，還具有一個(gè)非常有用的擴(kuò)展功能，即機(jī)器的力能和分類傳動(dòng)效率的測定。

應(yīng)當(dāng)指出：由于受氮?dú)馇辉既莘eV0的影響，緩沖變形時(shí)工作壓力Pi會隨充油壓強(qiáng)py的波動(dòng)而波動(dòng)。為了提高測量精度，后面在緩沖能量計(jì)算時(shí)Pi 和py都應(yīng)當(dāng)采用在緩沖變形過程中的平均值。

4.1 工作壓力的測定

需要測試的工作壓力Pi可在公稱壓力P0和最大壓力Pm之間根據(jù)需要任意設(shè)定并由改變充油壓強(qiáng)py而得到。

Pi=py×（π/4）×D2

式中：D——柱塞大端直徑。

4.2 工作能量的測定

實(shí)際輸入的飛輪最大能量E1可通過實(shí)測飛輪轉(zhuǎn)速ω后計(jì)算得到：

ω=υ/r

式中：υ——飛輪外周線速度，可通過電測法得到；

r——飛輪半徑。

E1=（1/2）Jω2

式中：J——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,應(yīng)當(dāng)由設(shè)備計(jì)算書給出。

4.3 機(jī)器分類傳動(dòng)效率的測定

我們可以把本裝置的緩沖變形模擬地理解為鍛件的塑性變形，那么就可以把Eti理解為有用功：Eti≈Pi×△Bi。測量△Bi的變化，如果△Bi=0，則說明機(jī)器剛性不足，飛輪的輸入能量E1全部被機(jī)器的彈性變形所吸收，測試壓力沒有達(dá)到Pi的設(shè)定要求，即Eti=0，所以此時(shí)機(jī)器的總效率η為0；如果△Bi＞0，則說明測試壓力達(dá)到了Pi的設(shè)定要求，于是機(jī)器的傳動(dòng)總效率：

η=（Pi△Bi）/E1，可代入測試數(shù)據(jù)直接算得。

由前面已經(jīng)推導(dǎo)過的Eti=Pi△Bi=E1ηiηm代入得：

η=（E1ηiηm）/E1=ηiηm，于是螺旋副的傳動(dòng)效率：

ηm=η/ηi。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，ηi是工作壓力為Pi時(shí)與機(jī)器彈性變形能Ei相對應(yīng)的傳動(dòng)效率，可由下式算得：

ηi=（P12-Pi2）/P12

式中：P1——實(shí)際輸入能為E1時(shí)的最大壓力，前已指出P1可由小能量空壓法測算得到。為提高測試精度，此處Pi應(yīng)為緩沖變形終了時(shí)的實(shí)際壓力。

這樣，就可以通過測量和計(jì)算E1、P1、Pi和△Bi等數(shù)據(jù)，方便地計(jì)算出所要求的機(jī)器力能參數(shù)和分類傳動(dòng)效率。

5 結(jié)論

根據(jù)螺旋壓力機(jī)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的本裝置構(gòu)思合理，結(jié)構(gòu)簡單，克服了原來飛輪打滑過載保護(hù)裝置的缺點(diǎn)。實(shí)例計(jì)算也證明了本裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在技術(shù)上是可行的。同時(shí)，本裝置也為該類設(shè)備的力能和分類傳動(dòng)效率測試提供了一個(gè)更加簡單而又方便的方法，可避免老方法的壓塌塊浪費(fèi)。它將對未來該類新老設(shè)備的設(shè)計(jì)和改造具有重要的參考價(jià)值。

[1]朱成康，范常榮.鍛錘過載保護(hù)裝置的原理及結(jié)構(gòu)探討[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（6）.

[2] 杜桂春.國內(nèi)外螺旋壓力機(jī)兩個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)比較分析[J].遼寧師專學(xué)報(bào)，2005，7（2）.

[3]JB/T 1194.1-2011，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)型式與基本參數(shù)[S].

Structural discussion about new overload protection device for screw press

ZHU Chengkang,FAN Changrong
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

A new kind of energy storage buffering type overload protection device which is suitable for the screw press has been put forward in the text.The principle and design calculation method have been discussed,as well as the application in machine force and efficiency test.

Screw press;Overload protection device;Structure

TG315.6

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.013

1672-0121（2017）02-0044-04

2016-12-20；

2017-02-09

朱成康（1939-），男，研級高工，國務(wù)院特貼專家，從事鍛壓裝備研制開發(fā)。

E-mail：fcr@zds.com.cn