复合材料压机的新型机械锁设计与分析

廖永辉

（福建海源自动化机械股份有限公司, 福州350000）

0 引 言

复合材料因其优越的材料力学特性，应用越来越广泛。近年来，复合材料产品已涉及到国防建设和国民经济的诸多领域，如航空航天、建筑、汽车、机电装备、石化和军用装备等多个行业。以航空航天领域为例，A400M 和波音787 飞机机型的复合材料占飞机结构重量比分别为36%和50%。可见，当今复合材料在一个国家的发展水平，已成为衡量各国综合国力的标志之一。因此，发展复合材料技术显得尤为重要［1-3］。

成型技术是复合材料技术领域的关键技术之一，特别是以技术密集、高度自动化、高精度的模压成型技术是该技术领域的重中之重。当前，机械化成型复合材料产量已达总产量的60%以上，且模压成型方法生产效率和成型精度高，表面光洁，尤其对结构复杂的复合材料制品可一次成型，不会影响复合材料制品性能。复合材料液压机正是模压成型技术领域的主流装备，其性能直接决定了复合材料制品的性能［4-7］。

复合材料液压机是由可编程序控制器操纵的，集机、电、液一体化的液压成型设备。其中，液压机的机械锁（也称安全栓/销）属安全部件，是这一装备的重要安全保护装置,其作用有二：一是在液压机工作循环中，操作人员在压机活动梁下方作业时，将活动梁在上位锁住，不让下滑；二是在检修、保养或更换模具的时候，将活动梁锁在上限位，不让下滑，其功能应符合国家强制标准《GB5091-2011 压力机安全防护装置技术要求》。此外，为了避免压机在机械锁锁紧后其导轨间隙发生变化，一般设计的机械锁均为平衡式的，其特点是其承力部件对活动梁施加的垂直向上的力，成对的机械锁合力与活动梁的重心重合。

1 问题的提出及分析

以插销式为代表的平衡式机械锁在压机中有广泛的应用，多为液压缸驱动，如图1 所示。

图1 插销式机械锁

液压机通常包括下梁、立柱、活动梁，立柱设在下梁两侧，活动梁沿立柱上的导轨上下活动。在液压机的两侧分别设有插销式机械锁。插销式机械锁由插销板、销轴、液压缸等组成，插销板固定在液压机的活动梁上并设有插销孔；销轴通过插销座固定在液压机的上梁或支柱上，其活塞杆连接销轴，液压机在人工装取料、不工作或者检修时，机械锁销轴在液压缸的带动下，插入插销板的插销孔中，将活动梁固定于上限位，防止活动梁下滑造成危险。

因活动梁的重量大，销轴一般为大直径的销轴，要求插销孔也是大直径，如此会导致插销板的强度降低而造成断板，而且大直径的销轴也会导致操作不便。此外，因结构限制，需要布置在液压机侧边，工作人员不易观察机械锁动作，存在安全隐患。最重要的一点，机械锁档间距不可能很小，很难实现多档位锁紧控制，尤其是长档间距比较困难。因此目前此类机械锁均没有设置多档位。

这些问题在大吨位复合材料液压机上显得特别突出，以海源自动化机械股份有限公司的HET2500 复合材料液压机为例，其额定压力为2 500 t，工作台面最大可达3 500 mm×2 500 mm，主缸行程2 200 mm 以上，活动梁及柱塞部分重量37t。所配模具高矮不一，为配合不同的模具高度，液压机机械锁必须实现多档控制，且最大档间距要求在500 mm 以上，以达到最高的工作效率。

机械锁作为液压机上重要的安全装置，在强度、控制、稳定性等方面的要求较高，目前插销式的机械锁多数已经不能满足要求，需要一种替代产品。

2 非平衡式挂钩机械锁

通过具体的方案论证和实践，挂钩式机械锁是一种较好的解决方案：如图2，动钩以平键锁紧在活动梁上；摆钩1 通过销轴7 固定在上梁，由气缸6 推动可以来回摆动，从而实现活动梁的锁紧与放开。通过有限元优化设计挂钩的形状及厚度以满足强度要求，避免加工影响销孔强度；通过布置挂钩间距，易于实现多档位控制。但挂钩式机械锁属于非平衡式机械锁，其侧向力必须通过导正装置予以平衡。

1）侧向力的产生。摆钩对动钩的作用力F（指向销轴圆心）可分解成侧向力F1与活动梁部分重力平衡的纵向力F2（如图3 所示）。

以海源公司的HET2500 压机计算单边机械锁受侧向力F1=F2×tan25°=370 kN÷2×0.466=86.3 kN≈8.6 t。

图2 挂钩式机械锁结构示意图

图3 动钩受力图解

成对的机械锁的侧向力会形成一对力偶，该力偶会影响活动梁与导轨之间的间隙，受压一边间隙减小，另一边增大。随着液压机的工作循环，机械锁不断反复动作，液压机的导向机构将逐渐失去精度，严重时会导致模具啃模、主缸拉伤等后果。

为消除这一不利影响，在动钩上设计导正装置（如图2 所示，包括导正键2 及导正滑块4）以平衡侧向力F1，并调整导正间隙为0.2 mm，防止动钩在侧向力的作用下带动活动梁歪斜。

2）动钩应力分析。动钩是挂钩式机械锁的主要受力零件之一，随着作用力的反复施加，在动钩的键槽根部会产生较大的挤压应力，用SolidWorks 软件进行有限元分析，建模网格划分及网格参数如图4 所示，其边界条件与载荷分布如图5 所示，并进行有限元分析，其结果如图6、图7 所示。

由上述图解分析可知，最大应力在动钩键槽处，大小为266 MPa。动钩及键的材质均为中碳钢，并调质处理。导正装置也能很大程度上缓解键槽处应力过大的问题，在导正键槽施加一个平衡侧向力的载荷F3，重新进行分析，如图8 所示。

图4 动钩建模与网格划分

图5 动钩的载荷设置及其边界条件

图6 应力图解

图7 Y（水平）方向位移图解

图8 加平衡力应力图解

由上述有限元分析可知，由于导正装置的引入，新型挂钩式机械锁键槽处应力由266 MPa 降低至130 MPa 左右，动钩水平位移也由0.7 mm 降至0.2 mm 左右（导正键与导正滑块的间隙值）。结构稳定可靠，符合液压机对机械锁的安全要求，同时也消除了挂钩侧向力对导轨间隙的不利影响。

3 结 论

1）挂钩式机械锁采用钩形设计，无需开设大直径锁孔，可实现多档位长行程锁紧，满足了复合材料模压工艺对大台面、长行程压机可靠锁紧的安全需求，提高压制循环的效率。

图9 加平衡力位移图解（Y 方向）

2）采用有限元优化设计钩的形状并结合创新设计的导正装置，可保证结构稳定可靠，满足导轨的导向精度的要求，与传统机械锁结构相比，其安全可靠性更高。

3）挂钩机械锁方便布置于压机正面，在操作员可视范围内，便于目视管理，对突发的故障等能够及时发现并处理。另外，摆动钩体摆动时所需的驱动力较小，可采用气缸作为动力源，成本显著降低。

［1］ 黄家康.复合材料成型技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［2］ 吴良义.先进复合材料的应用扩展：航空、航天和民用航空先进复合材料应用技术和市场预测［J］.化工新型材料，2012（1）：4-9.

［3］ Kuppers J，Walczyk D.Refinement of the thermal press curing process for advanced composites［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME，2014，136（2）：021014.

［4］ 白江波，熊峻江，李雪芹，等.复合材料机翼整体成型技术研究［J］.复合材料学报，2011，28（3）：185-191.

［5］ 何春霞，侯人鸾，薛娇，等.不同模压成型条件下聚丙烯木塑复合材料性能［J］.农业工程学报，2012，28（15）：145-150.

［6］ Walczyk D，Kuppers J，Hoffman C.Curing and consolidation of advanced thermoset composite laminate parts by pressing between a heated mold and customized rubber-faced mold［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME，2011，133（1）：011002.

［7］ 袁锡藩，葛毅成，易茂中.模压技术制备C/C-BN 复合材料的摩擦学特性［J］.中国有色金属学报，2012，22（12）：3432-3438.