高工作節(jié)拍下機(jī)械壓力機(jī)的平衡力設(shè)定研究

高守源 王傳英 陳 超

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250012）

平衡器是機(jī)械壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，能夠平衡上模具、滑塊以及連桿等的質(zhì)量，防止滑塊因質(zhì)量下降導(dǎo)致齒輪反向受力而產(chǎn)生撞擊和噪聲，消除連桿和滑塊間的間隙，減少受力零件沖擊和磨損[1-2]。有關(guān)平衡器的研究工作開展較多，內(nèi)容主要圍繞平衡器設(shè)計和平衡力大小的確定展開。趙先等[3]研究了平衡器氣壓過高、過低時對壓力機(jī)產(chǎn)生的影響；楊莉等[4]研究了平衡力對轉(zhuǎn)動副間隙的影響，確定了施加給壓力機(jī)滑塊的最佳平衡力。目前，尚未見有關(guān)平衡力大小與壓力機(jī)運(yùn)行次數(shù)的關(guān)系研究。本文以濟(jì)南二機(jī)床生產(chǎn)制造的PE2-1000型機(jī)械壓力機(jī)為研究對象建立了仿真模型，運(yùn)用Adams軟件模擬了不同工作次數(shù)下壓力機(jī)滑塊和偏心齒輪的受力特點(diǎn)，并通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，提出了高工作節(jié)拍下平衡力的設(shè)定建議，為今后的壓力機(jī)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

因壓力機(jī)結(jié)構(gòu)具有對稱性，為了簡化計算，建立主傳動1/4模型，如圖1所示。采用彈簧模擬平衡器，通過改變彈簧的剛度模擬平衡力的大小。定義偏心齒輪順時針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，滑塊運(yùn)動方向及受力方向豎直向下為正方向。

圖1 壓力機(jī)簡化模型

2 結(jié)果討論

設(shè)定平衡力在滑塊1/2行程處完全平衡滑塊和連桿等的質(zhì)量，仿真分析壓力機(jī)工作次數(shù)對滑塊速度、加速度、連桿對滑塊作用力、偏心扭矩等的影響規(guī)律。

偏心齒輪轉(zhuǎn)一圈（0°～360°），滑塊往復(fù)運(yùn)動一次。滑塊在偏心齒輪不同轉(zhuǎn)速下的速度和加速度曲線分別如圖2和圖3所示?？梢钥闯?，滑塊在上死點(diǎn)（對應(yīng)曲柄角度0°（360°））和下死點(diǎn)（對應(yīng)曲柄角度180°）時速度為0 mm·s-1，加速度達(dá)到峰值滑塊在曲柄角度100°和260°時加速度為0 mm·s-2，速度達(dá)到峰值。隨著偏心齒輪轉(zhuǎn)速的提高，滑塊速度峰值和加速度峰值相應(yīng)增大。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下滑塊速度曲線

圖3 不同轉(zhuǎn)速下滑塊加速度曲線

圖4為不同轉(zhuǎn)速下連桿對滑塊的作用力曲線。當(dāng)工作節(jié)拍為10次/分時，在曲柄角度0°～100°和260°～360°范圍內(nèi)，連桿對滑塊作用力豎直向上；在曲柄角度100°～260°范圍內(nèi)；連桿對滑塊作用力豎直向下，與壓力機(jī)工作時連桿對滑塊的作用力方向一致，因此在實(shí)際沖壓時滑塊接觸工件前、后不會因間隙產(chǎn)生沖擊。隨著偏心齒輪轉(zhuǎn)速的提高，連桿對滑塊的作用力方向發(fā)生變化。當(dāng)工作節(jié)拍為40次/分時，在曲柄角度100°～260°范圍內(nèi)，連桿對滑塊的作用力方向豎直向上，與壓力機(jī)工作時連桿對滑塊的作用力方向相反。此時，在滑塊接觸工件前、后傳動副間隙位置會發(fā)生變化，導(dǎo)致連桿和滑塊產(chǎn)生撞擊，影響滑塊的運(yùn)動精度和零件加工質(zhì)量。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下連桿對滑塊作用力曲線

圖5為不同轉(zhuǎn)速下主驅(qū)動電機(jī)作用于偏心齒輪的扭矩曲線?？梢钥闯觯?dāng)工作節(jié)拍為10次/分、15次/分和30次/分時，在曲柄角度0°～180°范圍內(nèi)，主驅(qū)動電機(jī)作用于偏心齒輪的扭矩與齒輪運(yùn)動方向相反；在曲柄角度180°～360°范圍內(nèi)，主驅(qū)動電機(jī)作用于偏心齒輪的扭矩與齒輪運(yùn)動方向相同。齒輪嚙合時，非受力面存在齒側(cè)間隙，扭矩作用方向在0°和180°發(fā)生改變，將導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生撞擊和噪聲。

當(dāng)工作節(jié)拍為40次/分時，滑塊慣量在高速下對系統(tǒng)傳動平穩(wěn)性的影響進(jìn)一步凸顯，作用于偏心齒輪的扭矩在0°、75°、180°和280°均發(fā)生方向變化。與工作節(jié)拍為10～30次/分時相比，齒輪產(chǎn)生撞擊和噪聲的次數(shù)由2次增加為4次，傳動平穩(wěn)性進(jìn)一步降低。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，采集工作節(jié)拍為40次/分時的主驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，如圖6所示。偏心齒輪轉(zhuǎn)速為40轉(zhuǎn)/分時，對應(yīng)主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 370轉(zhuǎn)/分。主驅(qū)動電機(jī)為異步電機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 370轉(zhuǎn)/分。從圖6可以看出，主驅(qū)動電機(jī)在偏心齒輪一個運(yùn)動周期內(nèi)進(jìn)行了多次加減速，在曲柄角度為0°～100°和180°～260°范圍內(nèi)電機(jī)減速，電機(jī)對外做功，作用在偏心齒輪上的扭矩方向與偏心齒輪旋轉(zhuǎn)方向相同。在曲柄角度為100°～180°和260°～360°范圍內(nèi)電機(jī)加速，外界對電機(jī)做功，作用在偏心齒輪上的扭矩方向與偏心齒輪旋轉(zhuǎn)方向相反，與圖5中的理論仿真結(jié)果一致，證明了仿真結(jié)果的正確性。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下偏心齒輪扭矩曲線

圖6 主電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

由分析可知，當(dāng)隨著壓力機(jī)工作節(jié)拍的提高，受滑塊慣性的影響，齒輪運(yùn)行過程中的撞擊頻次增加，在滑塊接觸板料前、后連桿和滑塊間的運(yùn)動副也存在沖擊，降低了壓力機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。平衡器能夠削弱滑塊慣性對運(yùn)行穩(wěn)定性的影響.為了解決高工作節(jié)拍下運(yùn)行穩(wěn)定性問題，將平衡力調(diào)整為原平衡力的1.6倍再次進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7所示。同樣，在工作節(jié)拍為40次/分的條件下，與圖5中的結(jié)果相比，連桿對滑塊的作用力在整個運(yùn)動周期內(nèi)均豎直向下，避免了在工作過程中運(yùn)動副的沖擊，且偏心齒輪受力狀態(tài)也發(fā)生了改變，其所受的扭矩僅在曲柄角度為0°和180°附近產(chǎn)生方向變化，解決了偏心齒輪在75°和280°時的沖擊問題。但是，平衡力增加會導(dǎo)致連桿受力增大，應(yīng)注意在任意位置連桿受力均不得超過機(jī)械壓力機(jī)的公稱力曲線，以防造成零件損壞。

圖7 提高平衡力對壓力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響

3 結(jié)論

本文研究了平衡力大小對機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，主要結(jié)論如下。

（1）平衡器能夠消除連桿與滑塊運(yùn)動副之間的間隙，減少受力零件在工作時的沖擊和磨損。平衡力的設(shè)定應(yīng)考慮機(jī)械壓力機(jī)工作節(jié)拍，以獲得最佳的工作狀態(tài)。

（2）隨著機(jī)械壓力機(jī)工作節(jié)拍的提高，適當(dāng)增加平衡力可提高滑塊運(yùn)行的平穩(wěn)性，但需要特別注意在任意位置因平衡力增加導(dǎo)致的連桿受力增大，不能超過機(jī)械壓力機(jī)的公稱力曲線。