平行連桿式鍛造操作機吊掛系統結構設計試驗*

吳文濤，楊 晉

(蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著我國工業的高速發展，在冶金、電力、航空和國防工業等行業大型鍛件設備的需求量急劇增加。鍛造液壓機及其重要的配套輔助設備鍛造操作機的研究開發是大型鍛件先進制造工藝及裝備研究的一個重要方向。鍛造操作機是裝備制造業中實現鍛造機械化和自動化的重要設備之一，用于夾持鍛件配合液壓機完成各種鍛造工藝動作[1]。在鍛件加工時使用鍛造操作機可大幅度提高制造生產效率，縮短生產周期，降低生產能耗[2]。

文獻[3]建立各部件的機構設計數學模型，分析各結構參數的確定依據，制定了鍛造操作機升降及傾斜機構的設計流程圖。文獻[4]對3種不同機構的鍛造操作機主運動機構的運動解耦性進行了比較研究。文獻[5]針對鍛造操作機的運動機構建立了多領域的耦合模型，進行順應性的運動研究。文獻[6]計算了DDS鍛造操作機吊掛系統的自由度，對機構進行了運動學分析。文獻[7]提出運用運算模塊和運算圖譜的概念，建立運動機構的運算圖譜，求解出一個統一的函數關系，得出提升過程可實現水平提升，并用ADAMS建立虛擬模型，驗證了方法的正確性。文獻[8]通過解析法得到幾何方程和受力情況方程組，對機構進行設計，得到相對穩定的結構。并用ANSYS進行有限元分析。文獻[9]對鍛造操作機平行升降機構進行運動學特性分析，得到升降缸的運動變化規律，提出了一個高次近似公式，提高了夾鉗末端的位置精度。目前我國大型鍛造操作機的設計研發理論基礎薄弱，主要以經驗設計為主。所以進行對鍛造操作機的基礎設計方案的研究具有重要意義。

筆者對平行連桿式鍛造操作機吊掛系統的運動情況進行分析，依據吊掛系統的模型，簡化了復雜運動機構，將各機構分離出來進行分析研究。

1 平行連桿式鍛造操作機吊掛系統

平行連桿式鍛造操作機由多個平行四邊形機構及其附屬桿件串并聯混合組成，由兩個提升缸，兩個緩沖缸，一個傾斜缸構成[10]。鍛造操作機運動過程中主要實現平面內的三個運動，即工件的提升、俯仰及對液壓機鍛打工件產生的變形力的緩沖，這三個運動與鍛造操作機的吊掛系統密切相關。吊掛系統如圖1所示。

圖1 鍛造操作機吊掛系統三維示意圖1.傾斜缸 2.緩沖缸 3.提升缸 4.鉗口 5.工件

由于吊掛系統呈對稱分布，所以在建模時對其進行簡化，如圖2所示。GH為鉗桿，O1CDE為前轉臂，O2AB為后轉臂，AC為連桿，GE為前吊桿。傾斜缸BH為后吊桿，上下運動控制鉗桿上下擺動。O4D為提升缸，控制鉗桿完成提升運動。O3J為緩沖缸，起水平緩沖作用，提高鍛造操作機的穩定性。

圖2 操作機吊掛系統平面簡圖

2 鍛造吊掛系統結構分析

將鍛造吊掛系統結構分為提升機構、俯仰機構和緩沖機構分別進行分析研究。

2.1 提升機構分析

操作機提升機構，主要作用是通過提升液壓缸的伸縮，使得工件移動到液壓機下砧上。所以，工件的提升需要提升缸輸出足夠大的力，推動前轉臂繞O1轉動，連桿帶動后轉臂繞O2轉動，從而帶動前吊桿和后吊桿提升鉗桿上下運動，以完成工件升降動作。

將提升機構模型從吊掛系統模型中分離出來，即由前轉臂O1CDE，提升缸O3D,前吊桿EG組成。在提升過程中，要求鉗桿HG盡可能不出現水平方向的位移，所以工件的提升運動軌跡可以用G點的運動軌跡表示。

以O1為原點建立坐標系：

(1)

(2)

(3)

β3=π-β1-β2-α2

(4)

則E點的坐標為：

(5)

所以G點的坐標為：

(6)

式中：β3是關于提升缸位移變化的函數。可看出工件提升過程中β3的變化影響提升高度的變化。

點E和E′分別是工件下降的最低位置和上升的最高位置，β3和β4分別是相對于水平線擺動的角度。為充分發揮擺動的效果，桿上下擺動的角度控制在30°～35°之間。所以根據工件提升高度h的要求,即可確定桿O1E長度：

(7)

2.2 俯仰機構分析

操作機俯仰機構，主要是驅動鉗桿上下擺動以方便夾持送料小車上的工件。

將俯仰機構模型從吊掛系統模型中分離出來，即由俯仰缸BH和鉗桿HG組成。以B點作為坐標原點，鉗桿俯仰運動軌跡可以用鉗桿繞G點的上下擺動軌跡的角度來表示。

(8)

(9)

式中：α3為俯仰角，根據送料小車的高度，通過俯仰缸的伸縮運動，可確定俯仰角的大小。從操作機主機構的運動過程來看，在某一時刻俯仰缸所在的桿BH，前吊EG桿，鉗桿和連桿AC要組成一個平行四邊形，以保持提升運動的過程中，工件水平上升。

2.3 緩沖機構分析

操作機緩沖機構是主運動機構中比較重要的機構。它既要保證在提升運動過程前吊桿保持水平上升，又要在液壓機鍛打過程中吸收工件由于塑性變形所產生的變形力。

將緩沖機構模型從吊掛系統模型中分離出來簡化，即由圖2中桿O1E,緩沖缸O3J,前吊桿EG組成。

在設計緩沖裝置時，首先考慮在鍛造工況下，緩沖缸的位置，所以當工件提升到砧面以上時，緩沖缸O3J處于水平位置，此時緩沖缸的受力情況為水平受力，可在鍛打工件的過程中發揮吸收由液壓機在對工件產生的水平力，保證鍛打過程正常進行。α4的角度大小應考慮工件最大和最小直徑。而O3的豎直方向的位置應在下砧子面以上并且保持一定的余量，以方便工件放置在下砧上；水平方向的位置應大于俯仰缸所在的位置，以免二者在運動過程中發生干涉。在前吊桿上與緩沖缸連接的J點的位置應考慮工件的最大直徑與砧子的高度差之間的關系。由圖根據緩沖缸運動與前轉臂的運動關系可知緩沖缸的最大位移應為：

S=lO1E(1-cosβ3)

(10)

緩沖機構中，為使操作機在工作過程中保持平穩性，吸收由于工件變形產生的變形力，將液壓缸和蓄勢器組合構成液壓彈簧使用來實現緩沖。緩沖裝置如圖3所示。

圖3 緩沖裝置1.蓄勢器 2.活塞桿 3.缸體 4.柱塞

在鍛打工件過程中，由于液壓機對工件施加巨大的力，工件受力變形產生一個橫向的作用力，這個橫向力向左施加，通過工件傳遞到緩沖裝置上，緩沖缸活塞桿發生相對運動，把油液擠入蓄勢器中，同時蓄勢器中的壓力升高，又對活塞桿產生相對的阻力，阻礙活塞桿運動，從而起到緩沖作用，減小工件變形產生的橫向作用力對操作機的不利影響。

該機構由四個平行四邊形即：O1O2AC、O1O2BE、ACEB、BEGH，兩個全等三角形即O2AB、O1CE組成3自由度模型。依據機構特點，點B和點E同步運動。在依據實際工況確定鉗桿的長度后，可確定出吊掛系統整體的橫向尺寸。

3 結 語

通過分析得出在夾持工件提升過程中影響提升高度h和角度β3之間的關系，并給出便于設計的角度范圍，以滿足操作機提升高度要求；得出在俯仰過程中的俯仰角α3和桿件長度之間的關系，以確定俯仰過程的變化范圍情況；確定在緩沖過程中緩沖行程的關系式，以便于合理布置吊掛系統各部件的位置，使得結構緊湊；依據實際工況對緩沖過程進行分析，對緩沖裝置安裝位置的確定提出思路；最后根據整體結構的特點，提出吊掛系統橫向尺寸設計思路。