高速壓力機對稱動平衡機構設計與實例分析

胡戰勝，歐汝康，歐建業，支志昆，胡景鋒

（順德榮興鍛壓設備有限公司 技術中心，廣東 順德528312）

1 引言

曲柄連桿式高速壓力機運轉時，往復運動件質量所產生的慣性力與壓力機每分鐘行程次數n 的平方及滑塊行程長度H 成正比。雖然行程長度比較小，但往復件質量產生的慣性力卻可達到滑塊質量的數倍，如果在結構上不采取措施，慣性力將作用在支承軸、滑塊導軌以及車間地面，使機器在基礎上不穩； 而回轉部分不平衡質量所產生的周期性變化水平慣性分力還將引起壓力機強烈的振動和擺動，嚴重影響壓力機的正常運轉和動態性能，尤其是下死點精度不穩定會加劇模具的磨損，從而降低模具的壽命。因此，動平衡機構是高速壓力機設計時必須考慮的重要部件。

為平衡工作滑塊、工作連桿、偏心軸等運動部件在高速運動時產生的慣性力，動平衡機構在設計時須滿足下述基本要求：①完全平衡壓力機內部工作滑塊和工作連桿的垂直及水平慣性分力； ②在行程長度及上模重量發生變化時不影響平衡效果； ③盡可能減小回轉部件的質量，減小壓力機的制動角。

為滿足上述要求，在同一機架上設置兩套完全相反的運動，使機架上的慣性力相互抵消，利用上、下曲柄連桿結構對支承點的質徑積相等的條件來平衡主軸上的慣性力。

在定行程曲柄滑塊式高速壓力機動平衡機構設計中，普遍采用的是對稱布置的動平衡機構，其原理是在主滑塊對稱的方向增設一個包含動平衡連桿及動平衡塊在內的平衡副滑塊結構，以抵消主滑塊運動產生的慣性力。按動力學理論，這種動平衡機構雖然平衡滑塊比主滑塊質量小得多，但因其行程長度比主滑塊行程長度大，所以加速度也大，因此能起到很好的平衡作用。

綜合上述曲柄連桿式高速壓力機動平衡機構設計的要求，順德榮興鍛壓設備有限公司設計了一種平衡塊質量可適當進行動態調整的對稱動平衡機構，用于公司生產的HSD-125 型定行程高速壓力機結構中，在實際使用中取得了良好效果。

2 對稱布置的動平衡機構設計

2.1 對稱布置動平衡機構原理解析

為簡化慣性力計算，如圖1 所示，按靜力等效條件用兩質量代換法，把連桿質量等效地轉化到連桿與曲柄銷的鉸接點P2和連桿與滑塊的鉸接點P4上。然后將P2點的質量作為回轉質量與偏心軸合并計算回轉慣性力，而將P4點的質量作為往復質量與滑塊合并計算往復運動的慣性力。

設Fi、m、aS分別為機構運動構件的總慣性力、總質量和總質心S的加速度，如作用于機架上的總慣性力得到平衡，必須使Fi=-maS=0。式中m 不可能為零，故必須使aS為零，即總質心S 應作等速直線運動或者靜止不動。由于各構件的運動是循環的，故總質心S 也總是沿一封閉曲線運動。平衡的本質是調整各運動構件的質量分布使其總質心在機構工作時靜止不動。

對稱布置的動平衡機構動力學理論詳細計算方法、步驟，在很多文獻中已有詳細論述，在此不予贅述。

圖1 機構簡化圖

2.2 對稱布置動平衡機構結構原理及設計要點分析

2.2.1 主要結構組成

如圖2 所示，對稱布置動平衡機構包括上橫梁，上橫梁橫向設有①、②、③、④四點支承同軸孔，其中①、④孔內設有支承座，其內部裝設有由滾子軸承和支承頸銅套組合的軸承A；上橫梁②、③孔內設有支承頸銅襯； 偏心軸裝設于上橫梁橫孔內并依靠①、②、③、④四點支承；偏心軸上設有兩段同軸心偏心值為δ1的工作偏心段，其外圓柱面套設有由連桿瓦和連桿軸承組成的組合軸承B，組合軸承B 的外面過盈配合有工作連桿； 在偏心軸兩工作偏心段正中間設有與兩工作偏心段呈180°方向布置的反向偏心值為δ2的動平衡偏心軸段，且δ2＞δ1；動平衡偏心軸段外圓套設有動平衡連桿瓦、動平衡連桿和動平衡連桿蓋；動平衡連桿經銷軸連接有動平衡連桿座，其上固定有動平衡塊，動平衡連桿可在動平衡連桿座內腔繞銷軸前后擺動； 動平衡連桿座在動導向座內沿導向襯套內孔上下滑動； 動平衡塊經由連接支架與設有儲氣桶的氣囊連接。這種對稱布置的動平衡機構主要結構特點是：反向對稱布置的動平衡機構設在偏心軸上，且動平衡塊的質量可通過調節儲氣桶內壓縮空氣壓力來適當調整。

圖2 對稱布置的動平衡機構

2.2.2 動平衡機構的工作原理及設計分析

2.2.2.1 對稱布置動平衡機構的工作原理

主電機經帶輪傳動，驅動四點支承的偏心軸轉動，帶動與偏心軸聯接的工作連桿及動平衡連桿運轉，其中工作連桿驅動工作滑塊在導軌內做上下往復運動，而動平衡連桿則驅動動平衡連桿座、動平衡塊沿裝設于導向座內孔的導向銅襯內壁做上下往復運動，由于工作偏心段與動平衡偏心段沿偏心軸旋轉中心呈180°反向對稱布置，因此，工作連桿驅動的滑塊與動平衡機構運動的方向完全相反，從而起到慣性力平衡的作用。

2.2.2.2 對稱布置的動平衡機構設計要點

為提高高速壓力機的慣性力平衡效果，實例中采取的優化設計措施及特點為：

（1）偏心軸采用四點支承及組合軸承結構，大大提高其剛性，盡可能減小偏心軸因變形或與支承點的配合間隙大而增加的額外慣性力和沖擊。

（2）動平衡偏心段設于兩工作偏心段的正中呈180°反向對稱布置，且使偏心值δ2＞δ1；另外，動平衡連桿長度設計成比工作連桿的長； 以上兩設計要點都能大大減小動平衡機構的尺寸，實現優化設計的目的。

（3）為達到動態平衡的理想效果，在平衡塊的兩側設置了平衡氣囊，通過調整給氣囊供氣的儲氣桶內的壓縮空氣壓力，可調整參與慣性力平衡的動平衡塊的質量，從而可有效減小因動平衡計算偏差、材料選擇、加工裝配精度、偏載等情況的存在影響動平衡效果。

3 結束語

對定行程閉式雙點高速壓力機，采用平衡布置的動平衡機構，配以優化設計過的偏心軸結構，并輔設氣壓調整氣囊調整參與慣性力平衡的動平衡塊的質量，可有效提高高速壓力機的動平衡效果，提升產品技術水平，提高模具使用壽命。上述結構的對稱動平衡機構，經在公司HSD-125 型閉式雙點高速壓力機產品的實際生產應用，驗證其具有結構簡單、布局合理，易于實現動態調整、平衡效果顯著等優點，值得推廣應用。

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