機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究

田洪濤

杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司，浙江杭州 310000

1 機(jī)械壓力機(jī)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)

該類型的機(jī)械式壓力機(jī)采用曲柄連桿作為主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和能量傳遞給曲軸，使曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)連桿使滑塊產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這是該類型壓力注主要的工作原理。構(gòu)成曲柄式壓力機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件包括機(jī)架、滑塊以及曲柄和連桿。其中，曲柄有時(shí)也可被偏心齒輪或者曲軸所代替。該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于由四部分組成，所以也被稱作四桿結(jié)構(gòu)。在工作時(shí)，曲柄的一端固定，同時(shí)圍繞固定點(diǎn)成順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。而連桿則與曲柄的另一端以及滑塊分別相互鉸接。同時(shí)在機(jī)架上安裝有導(dǎo)軌，滑塊則沿導(dǎo)軌上下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.1 計(jì)算該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的自由度

該機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，其曲柄繞固定點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)與其相互鉸接的連桿可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以，主要的活動(dòng)構(gòu)件就是滑塊、連桿以及曲柄，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件有3個(gè)。移動(dòng)副則主要包括機(jī)架和滑塊，而其他則都作為轉(zhuǎn)動(dòng)副。而運(yùn)動(dòng)低副則包括了以上四個(gè)部件。根據(jù)以上參數(shù)即可進(jìn)行自由度的計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)自由度等于其原動(dòng)件的數(shù)量，表明該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)具有確定性。

1.2 相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析結(jié)果

對(duì)該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的分析后可以得出其運(yùn)動(dòng)曲線，其中滑塊的行程為1000mm，而行程的次數(shù)為每分鐘16次。根據(jù)對(duì)該運(yùn)動(dòng)曲線的分析結(jié)果可以得知，該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑塊運(yùn)行的位移曲線屬于余弦曲線，同時(shí)其速度曲線則更類似于正弦曲線。而深拉延的開(kāi)始階段則位于與滑塊的下死點(diǎn)距離300mm的位置，此時(shí)滑塊的速度超過(guò)了每秒700mm，已經(jīng)相當(dāng)接近行程中最大的速度值。該速度已經(jīng)明顯超出了板材成形所需的極限速度值，所以說(shuō)明曲柄壓力機(jī)無(wú)法進(jìn)行對(duì)板材的深拉延加工成形，而只能適用于淺拉延成形，且需要控制50mm的范圍以內(nèi)。另外，該機(jī)構(gòu)在曲柄轉(zhuǎn)角的360°的位置和180°的位置分別是滑塊的上下兩個(gè)死點(diǎn)，因此，其急回特性較差，導(dǎo)致其生產(chǎn)的效率也比較低。

2 機(jī)械壓力機(jī)的曲柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于曲柄式機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)全部設(shè)置在了上梁的本體里面，所以在設(shè)計(jì)上梁的本體時(shí)應(yīng)全面考慮主傳動(dòng)系統(tǒng)中曲柄以及連桿的長(zhǎng)度、主齒輪的直徑等各項(xiàng)參數(shù)。主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的曲柄長(zhǎng)度是該機(jī)械式壓力機(jī)的滑塊行程的二分之一，這是一個(gè)定量參數(shù)。而對(duì)滑塊的運(yùn)行速度有較大影響的參數(shù)則是連桿的長(zhǎng)度。所以要結(jié)合機(jī)械式壓力機(jī)在生產(chǎn)工藝方面對(duì)滑塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度所提出的要求，還要考慮機(jī)械式壓力機(jī)在上梁剛度方面的具體要求，以及壓力角的最佳值等各種基礎(chǔ)參數(shù)來(lái)合理選擇連桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。確定了曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度后，再根據(jù)這兩項(xiàng)數(shù)值來(lái)設(shè)計(jì)主齒輪的直徑值。如果機(jī)械式壓力機(jī)中具有導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱的高度是一個(gè)定值。同時(shí)，機(jī)械式壓力機(jī)的上梁高度將與其曲柄以及連桿的長(zhǎng)度直接相關(guān)，所以在對(duì)上梁本體以及主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮這兩方面的因素，應(yīng)兼顧好二者各自的設(shè)計(jì)要求。

3 機(jī)械壓力機(jī)的六連桿主傳動(dòng)結(jié)構(gòu) （見(jiàn)圖1）

機(jī)械式壓力機(jī)的六連桿主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、滑塊以及6個(gè)連桿，6個(gè)連桿包括L1、L2、L3、L4以及R1和R2。其中L1、L2與L4是相互固結(jié)的，并共同組成了一個(gè)桿L1。在該機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)桿是桿R1，其一端固定在O點(diǎn)，同時(shí)圍繞O點(diǎn)進(jìn)行順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，桿L1與L2與其另一端相互鉸接。而桿R2的一端固定于O1點(diǎn)，同時(shí)L1和L4則與R2桿的另一端相互鉸接。另外，桿L2和L4與桿L3的一端相互鉸接，而滑塊則鉸接于L3的另一端。該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的滑塊沿著Y軸進(jìn)行上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 機(jī)械壓力機(jī)的六連桿主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.1 計(jì)算該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的自由度

該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在運(yùn)行時(shí)，其中R1桿圍繞O點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)與其相互鉸接的L3桿和R2桿可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以活動(dòng)構(gòu)件包括了桿R1、R2和L1、L2、L3及滑塊，活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量為5個(gè)。移動(dòng)副有機(jī)架和滑塊構(gòu)成，而轉(zhuǎn)動(dòng)副則由其他的部件構(gòu)成，且以上所有部件都是運(yùn)動(dòng)低副，所以運(yùn)動(dòng)低副的數(shù)量為7個(gè)。對(duì)該機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行計(jì)算后可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原動(dòng)件的數(shù)量等于其自由度，所以該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行具有確定性。

3.2 相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析結(jié)果

對(duì)該主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的分析后可以得出其運(yùn)動(dòng)曲線，其中滑塊的行程為1350mm，而行程的次數(shù)為每分鐘18次。通過(guò)對(duì)該運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械式壓力機(jī)的滑塊處于空程進(jìn)給狀態(tài)下的時(shí)候，其運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)比較塊，所以具有較短的空程時(shí)間。當(dāng)開(kāi)始拉延后，該機(jī)構(gòu)滑塊的速度出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，最后歸于平穩(wěn)狀態(tài)，能夠比較適應(yīng)板材拉延成形工藝在速度方面的要求。完成板材的拉延后，滑塊通過(guò)下死點(diǎn)并返回的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)快速的上升趨勢(shì)，是回程時(shí)間明顯的縮短。壓力機(jī)的曲柄轉(zhuǎn)角在180°時(shí)是滑塊的下死點(diǎn)。而曲柄轉(zhuǎn)角的320°附近位置則是滑塊的上死點(diǎn)，同時(shí)滑塊回程時(shí)間明顯比下降時(shí)間短，這就說(shuō)明該機(jī)構(gòu)的急回特性比較明顯，不僅能夠符合拉延成形工藝所要求的低速，還能夠促使壓力機(jī)生產(chǎn)的效率得到有效的提高。

4 機(jī)械壓力機(jī)六連桿結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)

該機(jī)械式壓力機(jī)的六連桿的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其導(dǎo)柱和導(dǎo)套都被設(shè)置在上梁的本體內(nèi)。由于壓力機(jī)的上梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，其高度是定值，所以壓力機(jī)的上梁高度與桿R1和L2、L3的長(zhǎng)度密切相關(guān)。在對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的分析后可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)內(nèi)影響滑塊的運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移的因素包括支點(diǎn)位置以及相關(guān)各桿長(zhǎng)度。所以，在對(duì)機(jī)械壓力機(jī)的上梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮板材的拉延成形加工工藝在滑塊運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移方面的具體要求，從而首先對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)支點(diǎn)位置和各桿長(zhǎng)度進(jìn)行初步的確定。另外，因?yàn)闄C(jī)械式壓力機(jī)的上梁高度會(huì)受到桿R1以及桿L2、L3長(zhǎng)度的影響，所以在設(shè)計(jì)滑塊的運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及位移時(shí)，對(duì)各桿長(zhǎng)度的具體取值還需要考慮這方面的因素，盡量減少以上3個(gè)桿的長(zhǎng)度，從而對(duì)上梁高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

另外，在設(shè)計(jì)中還需要注意設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)性以及在運(yùn)輸便利性等方面的實(shí)際需求，因此，上梁結(jié)構(gòu)的溝瀆和重量都需要進(jìn)行合理的控制。但機(jī)械式壓力機(jī)對(duì)剛度的要求又需要上梁保持一定的高度。這就要求在對(duì)上梁結(jié)構(gòu)以及六連桿的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮這兩方面的要求，設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量兼顧二者，既要滿足板材拉延加工在工藝方面的要求，也要對(duì)上梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)布局。

5 結(jié)語(yǔ)

在裝備的制造行業(yè)中，機(jī)械壓力機(jī)具有重要的地位。機(jī)械壓力機(jī)所加工的零部件具有更高的質(zhì)量，且在制造的過(guò)程中作業(yè)的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于這些比較明顯的優(yōu)勢(shì)，該設(shè)備在機(jī)械制造行業(yè)具有較高的應(yīng)用的價(jià)值。而隨著我國(guó)科技水平的不斷進(jìn)步，以及相關(guān)的制造業(yè)對(duì)設(shè)備要求的提高，機(jī)械壓力機(jī)在設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行進(jìn)一步的完善和創(chuàng)新。由于傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)多采用的是曲柄結(jié)構(gòu)，無(wú)法適應(yīng)新的生產(chǎn)要求，因此，改用了多連桿的結(jié)構(gòu)后能夠有效提高其生產(chǎn)的效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限。在各類裝備對(duì)鍛壓件在質(zhì)量及精度方面的要求不斷提高的背景下，需要相關(guān)的研究人員進(jìn)一步深入研究眼里的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確把握傳動(dòng)系統(tǒng)間各結(jié)構(gòu)件間的關(guān)系，從而促進(jìn)機(jī)械壓力機(jī)的整體性能能夠不斷的提高。

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