1600kN肘桿式伺服壓力機(jī)自鎖分析與優(yōu)化

詹俊勇，仲太生，王隆太，項(xiàng)余健，牛瑞霞，王軍領(lǐng)

（1.江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇揚(yáng)州225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 引言

伺服壓力機(jī)具有智能化、節(jié)能、高效、高柔性、高精度、低噪環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了鍛壓機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)[1]。目前，國(guó)外大的壓力機(jī)公司開發(fā)單點(diǎn)伺服壓力機(jī)多采用肘桿機(jī)構(gòu)[2-3]，對(duì)于同等設(shè)備噸位和結(jié)構(gòu)尺寸的壓力機(jī)，采用肘桿機(jī)構(gòu)可擴(kuò)大壓力機(jī)的有效壓力行程和低速行程范圍。

肘桿機(jī)構(gòu)屬于六桿機(jī)構(gòu)，可通過(guò)調(diào)整桿系結(jié)構(gòu)中各桿的長(zhǎng)度尺寸，達(dá)到滑塊的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出特性要求。應(yīng)用肘桿機(jī)構(gòu)可以使伺服壓力機(jī)適合鍛壓工藝要求方面有較大的選擇范圍，可以通過(guò)多種方案優(yōu)化比較[4]，選擇適合成形工藝的力能特性以及符合運(yùn)動(dòng)輸出曲線的機(jī)構(gòu)型式和參數(shù)[5-6]。

如果肘桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及導(dǎo)向長(zhǎng)度的限制，會(huì)影響滑塊運(yùn)動(dòng)精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,甚至發(fā)生肘桿卡死現(xiàn)象。我公司在進(jìn)行肘桿式伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到肘桿機(jī)構(gòu)桿系尺寸限制，壓力機(jī)滑塊在上死點(diǎn)附近受力情況變差，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，發(fā)生肘桿卡死現(xiàn)象，經(jīng)多方面分析，最終認(rèn)定是由于肘桿機(jī)構(gòu)自鎖造成，以下介紹詳細(xì)的分析過(guò)程與解決方案。

圖1 肘桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)局部模型圖

2 肘桿機(jī)構(gòu)的受力分析及自鎖條件

圖1為1600 kN肘桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)局部模型圖，滑塊4與連接桿2剛性連接，連接桿2再與下肘桿1鉸接。圖中滑塊4正好處于上死點(diǎn)位置，此時(shí)的下肘桿1與水平方向的夾角很小。

如圖2所示，滑塊處于上死點(diǎn)位置，其下行時(shí)，滑塊連接桿2除受到下肘桿1的作用力之外，還受到導(dǎo)向套3的作用（導(dǎo)向套固定在機(jī)身上）。由于間隙的存在，導(dǎo)向套與連接桿的接觸部位為兩處，即導(dǎo)向套上口部的右側(cè)和下口部的左側(cè)。

圖2 滑塊上連接桿受力簡(jiǎn)圖

下肘桿對(duì)滑塊連接桿的水平和豎直方向的作用力分別為Fx、Fy；導(dǎo)向套對(duì)滑塊連接桿的支撐力分別為 F1、F2，對(duì)應(yīng)的摩擦力分別為 μF1、μF2（μ 為摩擦系數(shù)），作用位置和作用方向如圖2所示。根據(jù)力矩平衡條件，得：

由水平方向的力平衡條件（忽略摩擦力引起的力矩），得：

由豎直方向的力平衡條件，導(dǎo)向套對(duì)連接桿在上端和下端的摩擦力的合力等于下肘桿對(duì)滑塊連接桿在豎直方向的作用力，即：

設(shè)下肘桿與水平方向的夾角為α，則：

Fy/Fx=tanα 代入式（5），得：

式（6）即為滑塊的自鎖條件。滑塊能夠向下運(yùn)動(dòng)，克服自鎖的條件為：

若以摩擦系數(shù)μ=0.15，當(dāng)滑塊處于上死點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸 c=487mm、b=200mm，代入式（6），得滑塊在上死點(diǎn)位置下肘桿的自鎖角為α=41.36°。

對(duì)肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得到對(duì)應(yīng)的滑塊行程S和滑塊處于上死點(diǎn)位置時(shí)的下肘桿與水平方向夾角 α′=34.9°。

α′≤α，很顯然會(huì)造成現(xiàn)有肘桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的自鎖。雖然理論上的摩擦系數(shù)可能小于上述取值，但由于導(dǎo)向零件的間隙和表面粗糙度的實(shí)際加工誤差，以及裝配和使用過(guò)程中的間隙變化、表面研磨等因素，摩擦系數(shù)應(yīng)取可能范圍內(nèi)的較大值。

由此可見，對(duì)肘桿機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，為了防止滑塊的自鎖，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)自鎖條件進(jìn)行嚴(yán)格的校核。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

3.1 優(yōu)化方案的制定

從力學(xué)表達(dá)式以及分析結(jié)果可以看出，要想消除機(jī)構(gòu)的自鎖現(xiàn)象，可以通過(guò)減小機(jī)構(gòu)本身的自鎖角和增大機(jī)構(gòu)的上死點(diǎn)壓力角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而要達(dá)到這樣的優(yōu)化目標(biāo)可以通過(guò)以下兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：①可以通過(guò)減小L1的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，c原本為100mm，即可以修改偏心的尺寸，減小偏心。②可以通過(guò)增加L5的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，L5原長(zhǎng)為360mm，可以增大其尺寸。

對(duì)于現(xiàn)有已經(jīng)設(shè)計(jì)好的機(jī)構(gòu)，方案①需要重做偏心套與連桿，實(shí)施成本比較高。而方案②可以用原零件進(jìn)行修配，比較方便實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

肘桿機(jī)構(gòu)桿系尺寸與行程的關(guān)系如圖3所示。其中，L1為驅(qū)動(dòng)桿，L3為上肘桿，L5為下肘桿。

上文方案所述，當(dāng)桿系中其他桿尺寸一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)，可以通過(guò)增加下肘桿L5的尺寸以增大肘桿機(jī)構(gòu)的下死點(diǎn)壓力角，考慮到修配零件的尺寸與裝配等因素，L5尺寸最大可以增加到400mm。

如對(duì)于本肘桿式伺服壓力機(jī)桿系尺寸（單位mm）：L1=100，L2=820，L3=310，L4=280，L6=956，x=700，y=140。改變下肘桿L5尺寸，得到對(duì)應(yīng)滑塊處于上死點(diǎn)位置時(shí)的肘桿自鎖角α和肘桿壓力角α′，結(jié)果見表1。

圖3 肘桿機(jī)構(gòu)模型

表1 不同下肘桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的肘桿自鎖角和肘桿壓力角

由表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，增加L5尺寸到400mm以后，壓力機(jī)的上死點(diǎn)壓力角增大到了42.4°，已經(jīng)完全可以滿足壓力機(jī)的自鎖控制要求，此時(shí)滑塊行程約為226mm。

3.3 結(jié)構(gòu)方案的實(shí)現(xiàn)

考慮到裝配關(guān)系及工藝，需要返修零件1下肘桿與零件2滑塊連桿，如圖4、5所示。

圖4 下肘桿返修示意圖

圖5 滑塊連桿返修示意

對(duì)返修好的肘桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，求解其在下死點(diǎn)位置的肘桿壓力角α′，如圖6所示。仿真結(jié)果顯示，此時(shí)肘桿壓力角達(dá)42.4°，肘桿自鎖角α為38.1°，這樣就可以保證肘桿結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生自鎖。

圖6 肘桿壓力角的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

（1）伺服壓力機(jī)的肘桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，很容易造成肘桿機(jī)構(gòu)自鎖。

（2）對(duì)伺服壓力機(jī)肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，得出自鎖產(chǎn)生的原因是由于肘桿壓力角小于肘桿自鎖角。

（3）對(duì)肘桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案進(jìn)行分析，并給出經(jīng)濟(jì)可行的修改方案，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

（4）經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，伺服壓力機(jī)肘桿自鎖現(xiàn)象已經(jīng)解決，壓力機(jī)肘桿機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以流暢運(yùn)行。但由于桿系長(zhǎng)度的變化，導(dǎo)致伺服壓力機(jī)的行程與預(yù)先設(shè)計(jì)的行程發(fā)生了一定偏差，所以自鎖分析計(jì)算在壓力機(jī)設(shè)計(jì)階段就必須要進(jìn)行。

[1]孫友松，周先輝，黎 勉，等.交流伺服壓力機(jī)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工人（熱加工），2008，（1-2）：93-98.

[2]李亞軍.廣義肘桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，1998，23（3）：46-49.

[3]姚 健，周 微，郭為忠.多連桿壓力機(jī)模塊化運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析[J].鍛壓技術(shù)，2008，33（6）：111-115.

[4]曹惟慶，徐曾蔭.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]莫健華，鄭加坤，古閑伸裕，等.伺服壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（5）：19-22.

[6]秦泗吉，謝 談，李江國(guó)，等.肘桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)滑塊自鎖的防止及虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2011，36（3）：72-76.

[7]彭向陽(yáng).淺析多連桿壓力機(jī)[J].鍛壓機(jī)械，1998，33（2）：29-31.

[8]張?jiān)?肘桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].江蘇：河海大學(xué)，2008.

[9]詹俊勇，黃建民，張錦義.龍門式壓力機(jī)機(jī)身的有限元分析與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（5）：49-52.

[10]朱新武，聞開斌，任東杰.肘桿式伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（4）：29-32.