機械壓力機主傳動結構設計分析研究

田洪濤

杭州邦威機電控制工程有限公司，浙江杭州 310000

1 機械壓力機的曲柄連桿結構的主傳動系統

該類型的機械式壓力機采用曲柄連桿作為主傳動機構，電動機的運動和能量傳遞給曲軸，使曲軸作旋轉運動，并通過連桿使滑塊產生往復運動，這是該類型壓力注主要的工作原理。構成曲柄式壓力機的主傳動系統的零部件包括機架、滑塊以及曲柄和連桿。其中，曲柄有時也可被偏心齒輪或者曲軸所代替。該主傳動機構由于由四部分組成，所以也被稱作四桿結構。在工作時，曲柄的一端固定，同時圍繞固定點成順時針方向旋轉。而連桿則與曲柄的另一端以及滑塊分別相互鉸接。同時在機架上安裝有導軌，滑塊則沿導軌上下進行往復運動。

1.1 計算該機構在運動中的自由度

該機構在運行時，其曲柄繞固定點進行旋轉運動，這種旋轉運動通過與其相互鉸接的連桿可以轉變為滑塊的往復運動。所以，主要的活動構件就是滑塊、連桿以及曲柄，說明該機構的活動構件有3個。移動副則主要包括機架和滑塊，而其他則都作為轉動副。而運動低副則包括了以上四個部件。根據以上參數即可進行自由度的計算。經過計算，可以發現該機構自由度等于其原動件的數量，表明該機構的運動具有確定性。

1.2 相關運動學方面的分析結果

對該主傳動機構進行動力學方面的分析后可以得出其運動曲線，其中滑塊的行程為1000mm，而行程的次數為每分鐘16次。根據對該運動曲線的分析結果可以得知，該主傳動機構中滑塊運行的位移曲線屬于余弦曲線，同時其速度曲線則更類似于正弦曲線。而深拉延的開始階段則位于與滑塊的下死點距離300mm的位置，此時滑塊的速度超過了每秒700mm，已經相當接近行程中最大的速度值。該速度已經明顯超出了板材成形所需的極限速度值，所以說明曲柄壓力機無法進行對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。另外，該機構在曲柄轉角的360°的位置和180°的位置分別是滑塊的上下兩個死點，因此，其急回特性較差，導致其生產的效率也比較低。

2 機械壓力機的曲柄結構設計

由于曲柄式機械壓力機主傳動結構全部設置在了上梁的本體里面，所以在設計上梁的本體時應全面考慮主傳動系統中曲柄以及連桿的長度、主齒輪的直徑等各項參數。主傳動結構中的曲柄長度是該機械式壓力機的滑塊行程的二分之一，這是一個定量參數。而對滑塊的運行速度有較大影響的參數則是連桿的長度。所以要結合機械式壓力機在生產工藝方面對滑塊的實際運動速度所提出的要求，還要考慮機械式壓力機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參數來合理選擇連桿的設計長度。確定了曲柄長度和連桿長度后，再根據這兩項數值來設計主齒輪的直徑值。如果機械式壓力機中具有導柱結構，導柱的高度是一個定值。同時，機械式壓力機的上梁高度將與其曲柄以及連桿的長度直接相關，所以在對上梁本體以及主傳動結構進行設計時要全面考慮這兩方面的因素，應兼顧好二者各自的設計要求。

3 機械壓力機的六連桿主傳動結構 （見圖1）

機械式壓力機的六連桿主傳動結構包括機架、滑塊以及6個連桿，6個連桿包括L1、L2、L3、L4以及R1和R2。其中L1、L2與L4是相互固結的，并共同組成了一個桿L1。在該機構中驅動桿是桿R1，其一端固定在O點，同時圍繞O點進行順時針的旋轉，桿L1與L2與其另一端相互鉸接。而桿R2的一端固定于O1點，同時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。該機構系統的滑塊沿著Y軸進行上下的往復運動。

圖1 機械壓力機的六連桿主傳動結構

3.1 計算該機構在運動中的自由度

該機構運動在運行時，其中R1桿圍繞O點進行旋轉運動，該旋轉運動通過與其相互鉸接的L3桿和R2桿可以轉變為滑塊的往復運動。所以活動構件包括了桿R1、R2和L1、L2、L3及滑塊，活動構件的數量為5個。移動副有機架和滑塊構成，而轉動副則由其他的部件構成，且以上所有部件都是運動低副，所以運動低副的數量為7個。對該機構的自由度進行計算后可以發現，該結構系統原動件的數量等于其自由度，所以該機構的運行具有確定性。

3.2 相關運動學方面的分析結果

對該主傳動機構進行動力學方面的分析后可以得出其運動曲線，其中滑塊的行程為1350mm，而行程的次數為每分鐘18次。通過對該運動曲線進行分析可以發現，當機械式壓力機的滑塊處于空程進給狀態下的時候，其運動的速度會比較塊，所以具有較短的空程時間。當開始拉延后，該機構滑塊的速度出現了下降的趨勢，最后歸于平穩狀態，能夠比較適應板材拉延成形工藝在速度方面的要求。完成板材的拉延后，滑塊通過下死點并返回的過程中，其運動速度出現快速的上升趨勢，是回程時間明顯的縮短。壓力機的曲柄轉角在180°時是滑塊的下死點。而曲柄轉角的320°附近位置則是滑塊的上死點，同時滑塊回程時間明顯比下降時間短，這就說明該機構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，還能夠促使壓力機生產的效率得到有效的提高。

4 機械壓力機六連桿結構的相關設計

該機械式壓力機的六連桿的主傳動機構以及其導柱和導套都被設置在上梁的本體內。由于壓力機的上梁結構內，其高度是定值，所以壓力機的上梁高度與桿R1和L2、L3的長度密切相關。在對該機構進行運動學方面的分析后可以發現，該機構內影響滑塊的運動速度、加速度以及位移的因素包括支點位置以及相關各桿長度。所以，在對機械壓力機的上梁結構進行設計時，需要考慮板材的拉延成形加工工藝在滑塊運動速度、加速度以及位移方面的具體要求，從而首先對傳動結構內支點位置和各桿長度進行初步的確定。另外，因為機械式壓力機的上梁高度會受到桿R1以及桿L2、L3長度的影響，所以在設計滑塊的運動速度、加速度以及位移時，對各桿長度的具體取值還需要考慮這方面的因素，盡量減少以上3個桿的長度，從而對上梁高度進行適當的控制。

另外，在設計中還需要注意設計在經濟性以及在運輸便利性等方面的實際需求，因此，上梁結構的溝瀆和重量都需要進行合理的控制。但機械式壓力機對剛度的要求又需要上梁保持一定的高度。這就要求在對上梁結構以及六連桿的主傳動結構進行設計時需要綜合考慮這兩方面的要求，設計方案應盡量兼顧二者，既要滿足板材拉延加工在工藝方面的要求，也要對上梁結構進行合理的設計布局。

5 結語

在裝備的制造行業中，機械壓力機具有重要的地位。機械壓力機所加工的零部件具有更高的質量，且在制造的過程中作業的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于這些比較明顯的優勢，該設備在機械制造行業具有較高的應用的價值。而隨著我國科技水平的不斷進步，以及相關的制造業對設備要求的提高，機械壓力機在設計上必須進行進一步的完善和創新。由于傳統機械壓力機的主傳動結構多采用的是曲柄結構，無法適應新的生產要求，因此，改用了多連桿的結構后能夠有效提高其生產的效率，并延長設備的使用期限。在各類裝備對鍛壓件在質量及精度方面的要求不斷提高的背景下，需要相關的研究人員進一步深入研究眼里的傳動結構，不斷優化設計，準確把握傳動系統間各結構件間的關系，從而促進機械壓力機的整體性能能夠不斷的提高。

[1] 韓長偉.機械壓力機主傳動結構設計分析[J].—重技術，2012（1） ：24-28.

[2] 宋清玉.大型機械伺服壓力機的關鍵技術及其應用研究[D].秦皇島：燕山大學，2014.

[3] 楊俊.雙點伺服壓力機傳動機構設計及仿真分析[D].南京：南京航空航天大學，2015.