精鍛機操作機旋轉補償系統工作參數的修正研究

周 兵 唐海濤 王彬鵬 張果林

（西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

精鍛機（徑向精密鍛造機）開發于20世紀40年代，其中臥式精鍛機用得較多，分為機械驅動和液壓驅動兩種形式［1］。目前奧地利GFM 和德國MEER 公司占據了主要市場，近年來我公司也成功研發出1.6MN 機械式精鍛機，投入市場并獲得了良好反響。

旋轉補償系統是精鍛機操作機中最為重要的部分之一，其設計的合理與否、參數設計的合理與否將直接影響操作機的旋轉頻次以及旋轉補償系統的使用壽命。然而，在實際的設計過程中，液壓元件、傳動系統設計時所考慮的鍛造過程的最惡劣工況與實際鍛造出入很大，存在著大量的不合理參數，故需要一種實驗方法來進行修正。

1 旋轉補償系統的主要參數和工作原理

操作機旋轉參數如下：精鍛機鍛打頻次f＝250次/min；操作機旋轉最大轉速n＝15r/min；皮帶傳動比i1＝4；渦輪蝸桿傳動比i2＝30。

如圖1所示，鉗桿旋轉補償系統由上下兩組傳動鏈組成，上面一組“電機—皮帶—蝸桿”為主傳動部分，下面一組為從動部分。夾頭在工作過程中，在軌道上始終勻速行走，在鍛造回轉體截面鍛件時，工件和主機錘頭接觸時，工件必須停止旋轉。但為實現高的鍛造頻次，電機帶動的蝸桿在鍛造過程中始終在轉動，所以設置在蝸桿一端的油缸推動蝸桿移動，實現渦輪在短時間內停止轉動，反方向的推動又能起到給鉗桿旋轉加速的作用。軸2上設置了飛輪，儲存了動能，減少了鉗桿旋轉啟停所需要的時間。

也正是由于油缸和電機還有飛輪同時為鉗桿旋轉的啟動、制動提供能量，哪一部分提供了多少能量還無法通過現有的研究計算出來，也就是說，鉗桿旋轉啟動、制動的時間無法通過公式準確計算出來，只能通過現場調試時進行修正設定，而進行的修正必須滿足精鍛機的使用要求以及設備使用壽命的要求。目前的研究并沒有提出這個修正設定的具體方法，本文提出了一種通過實驗的手段來進行旋轉參數修正設定的方法。

2 旋轉補償系統工作時的能量分析

圖2為鉗桿旋轉的工作周期圖，0—t1為啟動加速階段；t1—t2為穩速旋轉階段；t2—t3為制動減速階段；t3—t4為停止階段。

圖2 鉗桿旋轉工作周期圖

電機功率計算公式如下：

式中，P 為輸入功率（W）；U 為線電壓（V）；I（t）為隨時間變化的電流（A）；cosφ 為功率因數。

2.1 時間段0—t1

該階段為啟動加速階段，在該階段，轉動的動能等于電機、油缸所做的功減去系統摩擦和阻尼。

式中，Ef1為軸承、蝸桿傳動、皮帶傳動的摩擦和油缸運動的阻尼所消耗的功的總和；P（t）為液壓缸的壓力，通過壓力傳感器實時測量；A 為液壓缸面積；V（t）為液壓缸的速度，通過位移傳感器實時測量；Ji為傳動系統中旋轉部件的轉動慣量；ωi為角速度。

2.2 時間段t1—t2

該階段為穩速旋轉階段，電機功率完全用到系統的摩擦和阻尼上。

式中，Ef2為軸承、蝸桿傳動、皮帶傳動的摩擦和油缸運動的阻尼所消耗的功的總和；Pf2為該段時間的平均功率。

2.3 時間段t2—t3

該階段為制動減速階段，油缸推力用于制動，蝸桿渦輪傳動并未完全脫開，仍然有部分傳動作用到渦輪上，因此該階段，旋轉電機仍在起反作用，直到蝸桿平移速度達到渦輪制動前圓周速度。

式中，Ef3為軸承、蝸桿傳動、皮帶傳動的摩擦和油缸運動的阻尼所消耗的功的總和；Pf3為該段時間的平均功率。

2.4 時間段t3—t4

該階段為停止階段，蝸桿在軸向做勻速直線運動，電機所做的功只包括了油缸運動時的阻尼。

式中，Ef4為油缸運動的阻尼；Pf4為油缸運動所需的功率。

3 實驗修正的基本方法

在操作機使用過程中，必須設定油缸工作壓力P、流量Q、加減速時間……

在0—t1時間段，蝸桿和蝸輪面的摩擦力較大，損耗的能量也較大。經現場采集實驗數據，當t1＝t3－t2時：

故蝸桿推動油缸調定壓力：

式中，S 為油缸平移行程。

在我公司設計制造的1.6MN 精鍛機操作機中，經此實驗設定：

可以通過電表數據I（t）求出Pf2、Pf4、Pt2－t3，Ji則可通過設計時的數據計算得出，ωi通過編碼器測量得到，由此可根據式（13）計算得出P設。

最后，經現場實驗，得到蝸桿推動油缸調定壓力P設＝13.3 MPa，此壓力下，機械系統噪音較小，液壓系統油溫較低，操作機運行平穩，符合精鍛機鍛造時的節拍要求。

4 結論

（1）針對精鍛機旋轉補償系統中無法通過公式來計算油缸推動蝸桿所需要的壓力，提出實驗法來獲得該壓力值。

（2）該壓力設定值為：

（3）1.6MN 精鍛機操作機旋轉補償系統中蝸桿推動油缸壓力設定在13.3 MPa時，操作機運行最為平穩，噪音小，系統發熱小。

［1］晉魯全.30MN 聯動液壓機［J］.鍛壓機械，1989（4）：39－40.

［2］成大先.機械設計手冊：第5卷［M］.4版.北京：化學工業出版社，2008.