淺析直驅式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機設計

尤新

（青島青鍛鍛壓機械有限公司，山東 青島 266000）

1 緒論

1.1 螺旋壓力機的背景

活字印刷機是螺旋壓力機的前身，15世紀剛發(fā)明出來的活字印刷機被當作壓榨機來使用。螺旋壓力機的工作主要是靠螺桿與滑塊的打擊作用，飛輪在其中起到了儲能作用，現(xiàn)在已經廣泛使用到社會生產中。19世紀，人們開始使用現(xiàn)代化大生產的螺旋壓力機，當時的螺旋壓力機的動力是依靠摩擦盤來傳遞，這種螺旋壓力機稱為摩擦壓力機，不僅結構簡單，工作也很可靠。液壓螺旋壓力機、電動螺旋壓力機和離合器式螺旋壓力機在20世紀就已經出現(xiàn)了。

1.2 螺旋壓力機的工作特性與原理

（1）螺旋壓力機的工作原理。螺旋壓力機的工作過程主要有3部分，分為打擊前、打擊過程中以及打擊后。首先，在打擊前，飛輪是處于儲能狀態(tài)，動能儲存在飛輪中；在打擊過程中，飛輪將存儲的動能釋放，螺旋副將釋放的飛輪旋轉的動能轉換成螺桿的上下移動的動能，移動的螺桿與滑塊打擊在需要加工的零件上；打擊后，飛輪開始重新蓄能，準備進行下一次的打擊。

（2）螺旋壓力機的工作特性。①依靠飛輪儲能，打擊過程中能量全部釋放。②打擊力與鍛件變形功相互制約。③豎向打擊力封閉于機身，不傳于基礎。④有標稱的行程長度及上、下死點位置，沒有固定的下死點，但實際行程可控制。

1.3 螺旋壓力機驅動類型的分類

自工業(yè)革命以來，工業(yè)的發(fā)展越來越快，在20世紀出現(xiàn)了螺旋壓力機，螺旋壓力機的出現(xiàn)又加快了工業(yè)的發(fā)展，特別是在鑄造行業(yè)，螺旋壓力機得到了廣泛的應用，出現(xiàn)了各種類型的螺旋壓力機，其中有四種比較典型的結構得到了最廣泛的應用。下面對四種典型結構作詳細的介紹。

（1）摩擦螺旋壓力機。摩擦螺旋壓力機是通過摩擦的方式驅動飛輪旋轉來儲能的。就拿雙盤摩擦壓力機來說，雙盤摩擦壓力機有3個行程，下行程、工作行程和回升行程，這3個行程形成了摩擦壓力機的一個工作循環(huán)。摩擦壓力機的優(yōu)點是結構比較簡單，成本低，便于操作；摩擦壓力機的缺點是傳動的效率比較低，因為磨損較大，所以摩擦帶的壽命不長。在我國，摩擦壓力機得到了廣泛的應用。根據(jù)有關資料顯示，摩擦壓力機在汽車的行業(yè)中，其模鍛件占據(jù)了總模鍛件的25%，在模鍛設備中又占據(jù)了52%。現(xiàn)如今，我國已經有以摩擦力機為主機的精鍛齒輪廠，能自行設計制造重型摩擦壓力機。

（2）液壓螺旋壓力機。液壓螺旋壓力機主要是運用到液壓缸與液壓馬達達到傳動的目的。目前，液壓螺旋壓力機體型較大，一般用于比較大的生產活動中，但是因為體型較大，建造一臺液壓螺旋壓力機需要的成本比較高。為了比較方便液壓螺旋壓力機的操作，一般都是采用數(shù)控方式。

（3）電動螺旋壓力機。電動螺旋壓力機主要采用的是電動機的傳動，其電動機是可以做正反方向的換向運動。其電動機有2種傳動方式：①直接傳動式。直接傳動式的電動螺旋壓力機并不是單獨存在于壓力機外的電機，其電動機的轉子起到了飛輪的作用。與有單獨的飛輪的螺旋壓力機相比，減少了傳動的環(huán)節(jié)，操作更加方便。②機械傳動式。這種電動螺旋壓力機與其他的螺旋壓力機相比，其一般采用齒輪傳動，飛輪安裝在齒輪上。

（4）離合器式螺旋壓力機。離合器是螺旋壓力機不同于其他的螺旋壓力機，因為與其他螺旋壓力機相比，其多了一個安裝在飛輪上的離合器。離合器式螺旋壓力機有著良好的優(yōu)點。

1.4 螺旋壓力機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

（1）參數(shù)系列化。螺旋壓力機是工業(yè)發(fā)展的重要內容，在鑄造行業(yè)螺旋壓力機大放光彩，推動和加快了社會的生產，但是，以往的螺旋壓力機在不同公司或國家，其設計和建造的螺旋壓力機的尺寸和參數(shù)不盡相同。現(xiàn)在很多國家和企業(yè)都已經規(guī)范化了螺旋壓力機的基本參數(shù)的標準。

（2）大型化。隨著社會的發(fā)展、生產力的提高，螺旋壓力機的應用越來越廣泛，特別是航空、交通、電力和鑄造業(yè)等工業(yè)的發(fā)展，需要使用到的螺旋壓力機壓力較大，所以壓力機也比較大型化。

（3）應用更加廣泛。螺旋壓力可以代替人工對工件進行打擊，并且打擊的能力可以達到很高，因此，螺旋壓力機的應用范圍廣泛。現(xiàn)在的螺旋壓力機不僅僅只是應用在鑄造行業(yè)，就連農業(yè)生產和食品加工中也應用到了螺旋壓力機。

（4）自動化。隨著社會的發(fā)展，生產技術的提高，螺旋壓力機的應用越來越廣泛，出現(xiàn)了各種類型的螺旋壓力機，數(shù)控技術的出現(xiàn)與發(fā)展使得人們對機械的操作越來越方便，加快了社會的生產力，提高了生產效率，因此，螺旋壓力機也在適應數(shù)控技術的發(fā)展。螺旋壓力機也開始慢慢加入了數(shù)控技術，使得其具備操作的自動化控制。

1.5 本設計的主要內容

（1）通過介紹螺旋壓力機的背景、現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢，了解螺旋壓力機。（2）了解設計的原理，對各種典型的螺旋壓力機進行對比，從中選擇出需要的一種典型結構進行設計。（3）確定螺旋壓力機的設計方案，選擇螺旋壓力機的驅動類型。

2 設計方案

根據(jù)設計要求，選擇設計的類型為電動螺旋壓力機。

2.1 確定電動螺旋壓力機的參數(shù)

在古代，戰(zhàn)爭使用的武器是冷兵器，因為古代的生產技術低下，冷兵器的鑄造大都依靠人工完成，其中兵器的鑄造的一個重要步驟，是打擊金屬塊，提高金屬的純度，但是，這樣就會費時費力，往往鑄造一塊金屬需要很久。螺旋壓力機的發(fā)明便是用在一些需要打擊的鑄造行業(yè)中，本次設計的電動螺旋壓力機，是對金屬鑄造打擊金屬所設計，因為金屬的硬度較大，需要打擊的力度大，特別是對鐵、銅、鋁合金等鑄件的鑄造，所以本次設計以鐵、銅、鋁合金等鑄件為電動螺旋壓力機的鑄件，要求其公稱力為160OkN。其主要對公稱力、最大負荷、滑塊行程、行程次數(shù)等參數(shù)的確定。

2.2 直驅式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機結構設計思路

根據(jù)各種典型的螺旋壓力機的比較，本文選擇設計直驅式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機這一類型進行設計。電動螺旋壓力機直接傳動式的結構主要由主螺桿1、導套2、制動器3、轉子4、電動機定子5、風機6等6部分組成。直接傳動式的電動螺旋壓力機并不是單獨存在于壓力機外的電機,其電動機的轉子起到了飛輪的作用。與有單獨的飛輪的螺旋壓力機相比，減少了傳動的環(huán)節(jié)，操作更加方便。電動螺旋壓力機的電動機機械傳動式這種電動螺旋壓力機與其他的螺旋壓力機相比，一般采用齒輪傳動，飛輪安裝在齒輪上。

機械傳動式電動螺旋壓力機是使用特殊的高強度電動機，公稱壓力可以達到很高，而本次設計的螺旋壓力機的公稱壓力為1600kN，所以選擇機械傳動式電動螺旋壓力機。根據(jù)機械傳動式電動螺旋壓力機的結構，設計思路，其包括：電動機進行設計和選擇：傳動系統(tǒng)設計和選擇；螺桿、螺母等重要零件的設計：機身機構的設計。

直驅式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機特點及優(yōu)勢：

（1）設備結構簡單，安全性高，操作維護方便。

（2）飛輪采用交流永磁同步電機直接驅動，傳動效率高，噪音低。

（3）能量控制精度高，運行穩(wěn)定性好。

（4）最先進的變頻驅動技術，對電網無影響，電機發(fā)熱量少。

（5）預留自動生產線接口，擴展性好。

（6）模具使用壽命長，特別適用于各種金屬的精密鍛造。

2.3 電動機設計與選擇

選擇電動機，首先，要先了解電動螺旋壓力機的原理，根據(jù)螺旋壓力機的結構與性能，選擇需要的電動機的類型。

（1）電動機的類型與選擇。電機分很多種，不同的電機有不同的作用，通常使用的有直流、交流電動機，還有異步電動機和開關磁阻電動機。①直流電動機。直流電動機，通過的電能是直流電，并將直流電能轉化成電動機旋轉的動能，其主要結構由轉子與定子組成。②交流電動機。交流電動機與直流電動機的組成相同，交流電動機的結構也是由轉子與定子組成，其區(qū)別是直流電動機是將直流電能轉化成電動機旋轉的動能，而交流電動機是將交流電能轉化成電動機旋轉的動能。③異步電動機。異步電動機與前面的兩種有所區(qū)別，其轉子是放置在磁場中利用磁場的作用獲得轉動的裝置。④開關磁阻電動機。開關磁阻電動機是在直流、交流電動機的基礎上新發(fā)展出來的一種電動機，擁有調速的作用，結構簡單，主要是由開關磁阻電動機、功率變換器、控制器、檢測器4大部分組成。

綜上所述根據(jù)對比,選擇開關磁阻電動機作為螺旋壓力機的電動機。

（2）電動機的結構特點與運行原理。開關磁阻電動機擁有良好的性能，在各種類型的電動機中有著很大的優(yōu)勢，根據(jù)之前對各種類型的電動機的介紹本次設計選擇了開關磁阻電動機這種類型。①開關磁阻電動機的原理。當電能輸入時，開關磁阻電動機內部的功率變換器將電能轉換成電動機旋轉的動能，電動機輸出負載，主要是使用了磁通量總要向著最大路徑閉合的原理。②電動機的特點。首先，是定子和轉子的形狀與直流電機的轉子、定子不同，其定子和轉子主要是凸極結構的形狀。定子與轉子采用了齒數(shù)不同的結構，定子的齒數(shù)要多2個。定子和轉子除了齒數(shù)的不同還有著很大的差異，定子上纏有線圈形成的繞組，而轉子上沒有線圈和繞組。

2.4 本章小結

本章節(jié)確定螺旋壓力的參數(shù)、螺旋壓力機結構設計的大體思路以及電動機類型的選擇，同時，了解電動螺旋壓力機和電動機結構特點，對相關的理論知識進行了詳細的闡述。

3 工作部件設計

3.1 螺旋傳動的類型和應用

電動螺旋壓力機的螺旋傳動有兩部分螺桿與螺母，飛輪釋放能量后帶動螺桿旋轉螺桿與螺母組成的移動副將螺桿的旋轉運動轉換成滑塊的移動。一般的螺旋傳動具有自鎖性，其主要與螺旋升角有關，同時，螺旋傳動也可以將移動運動轉換成旋轉運動，具有很高的實用性。

（1）螺旋傳動按其在機械中的作用可分為3種：①力傳遞螺旋傳動。這種傳動主要是在需要比較大的力來傳動時使用。②傳導螺旋傳動。其傳遞的是運動，而不是力。③調整螺旋傳動。其作用是用來調整零件位置，使零件之間的配合更加緊密。

（2）按照運動方式的不同來劃分，可以分成4種：①第一種是螺母不動，螺桿移動。螺母在其中起到了固定的作用，但是，這種結構占用的空間較大。②第二種是螺母旋轉，螺桿運動。這種結構在螺桿上設有防轉的機構，螺母上也安裝有軸承，因此，與其他的機構相比，其機構更為復雜。③第三種螺母旋轉并移動。這種傳動結構雖然簡單，但是精度較低。④第四種是螺桿旋轉，螺母移動。結構雖然結構比較復雜，但是，其占據(jù)的空間比較小。本次的螺旋壓力機設計需要間歇性工作、工作速度較低、具有自鎖性，所以主要運用了傳力螺旋這種類型。

3.2 螺旋傳動的設計

本文設計的是電動螺旋壓力機，根據(jù)性能要求，螺旋壓力機的螺桿帶動螺母，螺旋副將轉動轉換為滑塊的直線移動，本次設計選擇滑動螺旋傳動。這種傳動會產生較大的磨損，而螺旋傳動的尺寸可以根據(jù)螺旋機構的耐磨性計算。根據(jù)滑動螺旋傳動的一般結構組成，根據(jù)其具體情況分析，設計符合本次設計的螺旋壓力機的滑動螺旋機構。螺旋壓力機的滑動鏈傳動結構組成應有螺桿、螺母和機架3部分。

螺桿。螺桿因為是螺旋壓力機主要的受力的零件，因此，螺桿的直徑應該比較大，其直徑的計算可以根據(jù)耐磨性來計算出。

螺母。螺母是與螺桿配合使用的零件，螺母有許多的結構類型，不同的結構類型有著不同的作用，一般有整體式、組合式和剖分式。本文設計的螺母主要是整體式，是需要將螺母固定在滑塊上的，而螺母的尺寸可以根據(jù)其強度校核計算。

4 結語

本文設計了一種直驅式數(shù)控節(jié)能電動螺旋壓力機，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動化程度高，操作簡單且功能完備，滑塊動作響應快，永磁同步電機直接驅動，轉動鏈較短，效率較高。