高速压力机对称动平衡机构设计与实例分析

胡战胜，欧汝康，欧建业，支志昆，胡景锋

（顺德荣兴锻压设备有限公司 技术中心，广东 顺德528312）

1 引言

曲柄连杆式高速压力机运转时，往复运动件质量所产生的惯性力与压力机每分钟行程次数n 的平方及滑块行程长度H 成正比。虽然行程长度比较小，但往复件质量产生的惯性力却可达到滑块质量的数倍，如果在结构上不采取措施，惯性力将作用在支承轴、滑块导轨以及车间地面，使机器在基础上不稳； 而回转部分不平衡质量所产生的周期性变化水平惯性分力还将引起压力机强烈的振动和摆动，严重影响压力机的正常运转和动态性能，尤其是下死点精度不稳定会加剧模具的磨损，从而降低模具的寿命。因此，动平衡机构是高速压力机设计时必须考虑的重要部件。

为平衡工作滑块、工作连杆、偏心轴等运动部件在高速运动时产生的惯性力，动平衡机构在设计时须满足下述基本要求：①完全平衡压力机内部工作滑块和工作连杆的垂直及水平惯性分力； ②在行程长度及上模重量发生变化时不影响平衡效果； ③尽可能减小回转部件的质量，减小压力机的制动角。

为满足上述要求，在同一机架上设置两套完全相反的运动，使机架上的惯性力相互抵消，利用上、下曲柄连杆结构对支承点的质径积相等的条件来平衡主轴上的惯性力。

在定行程曲柄滑块式高速压力机动平衡机构设计中，普遍采用的是对称布置的动平衡机构，其原理是在主滑块对称的方向增设一个包含动平衡连杆及动平衡块在内的平衡副滑块结构，以抵消主滑块运动产生的惯性力。按动力学理论，这种动平衡机构虽然平衡滑块比主滑块质量小得多，但因其行程长度比主滑块行程长度大，所以加速度也大，因此能起到很好的平衡作用。

综合上述曲柄连杆式高速压力机动平衡机构设计的要求，顺德荣兴锻压设备有限公司设计了一种平衡块质量可适当进行动态调整的对称动平衡机构，用于公司生产的HSD-125 型定行程高速压力机结构中，在实际使用中取得了良好效果。

2 对称布置的动平衡机构设计

2.1 对称布置动平衡机构原理解析

为简化惯性力计算，如图1 所示，按静力等效条件用两质量代换法，把连杆质量等效地转化到连杆与曲柄销的铰接点P2和连杆与滑块的铰接点P4上。然后将P2点的质量作为回转质量与偏心轴合并计算回转惯性力，而将P4点的质量作为往复质量与滑块合并计算往复运动的惯性力。

设Fi、m、aS分别为机构运动构件的总惯性力、总质量和总质心S的加速度，如作用于机架上的总惯性力得到平衡，必须使Fi=-maS=0。式中m 不可能为零，故必须使aS为零，即总质心S 应作等速直线运动或者静止不动。由于各构件的运动是循环的，故总质心S 也总是沿一封闭曲线运动。平衡的本质是调整各运动构件的质量分布使其总质心在机构工作时静止不动。

对称布置的动平衡机构动力学理论详细计算方法、步骤，在很多文献中已有详细论述，在此不予赘述。

图1 机构简化图

2.2 对称布置动平衡机构结构原理及设计要点分析

2.2.1 主要结构组成

如图2 所示，对称布置动平衡机构包括上横梁，上横梁横向设有①、②、③、④四点支承同轴孔，其中①、④孔内设有支承座，其内部装设有由滚子轴承和支承颈铜套组合的轴承A；上横梁②、③孔内设有支承颈铜衬； 偏心轴装设于上横梁横孔内并依靠①、②、③、④四点支承；偏心轴上设有两段同轴心偏心值为δ1的工作偏心段，其外圆柱面套设有由连杆瓦和连杆轴承组成的组合轴承B，组合轴承B 的外面过盈配合有工作连杆； 在偏心轴两工作偏心段正中间设有与两工作偏心段呈180°方向布置的反向偏心值为δ2的动平衡偏心轴段，且δ2＞δ1；动平衡偏心轴段外圆套设有动平衡连杆瓦、动平衡连杆和动平衡连杆盖；动平衡连杆经销轴连接有动平衡连杆座，其上固定有动平衡块，动平衡连杆可在动平衡连杆座内腔绕销轴前后摆动； 动平衡连杆座在动导向座内沿导向衬套内孔上下滑动； 动平衡块经由连接支架与设有储气桶的气囊连接。这种对称布置的动平衡机构主要结构特点是：反向对称布置的动平衡机构设在偏心轴上，且动平衡块的质量可通过调节储气桶内压缩空气压力来适当调整。

图2 对称布置的动平衡机构

2.2.2 动平衡机构的工作原理及设计分析

2.2.2.1 对称布置动平衡机构的工作原理

主电机经带轮传动，驱动四点支承的偏心轴转动，带动与偏心轴联接的工作连杆及动平衡连杆运转，其中工作连杆驱动工作滑块在导轨内做上下往复运动，而动平衡连杆则驱动动平衡连杆座、动平衡块沿装设于导向座内孔的导向铜衬内壁做上下往复运动，由于工作偏心段与动平衡偏心段沿偏心轴旋转中心呈180°反向对称布置，因此，工作连杆驱动的滑块与动平衡机构运动的方向完全相反，从而起到惯性力平衡的作用。

2.2.2.2 对称布置的动平衡机构设计要点

为提高高速压力机的惯性力平衡效果，实例中采取的优化设计措施及特点为：

（1）偏心轴采用四点支承及组合轴承结构，大大提高其刚性，尽可能减小偏心轴因变形或与支承点的配合间隙大而增加的额外惯性力和冲击。

（2）动平衡偏心段设于两工作偏心段的正中呈180°反向对称布置，且使偏心值δ2＞δ1；另外，动平衡连杆长度设计成比工作连杆的长； 以上两设计要点都能大大减小动平衡机构的尺寸，实现优化设计的目的。

（3）为达到动态平衡的理想效果，在平衡块的两侧设置了平衡气囊，通过调整给气囊供气的储气桶内的压缩空气压力，可调整参与惯性力平衡的动平衡块的质量，从而可有效减小因动平衡计算偏差、材料选择、加工装配精度、偏载等情况的存在影响动平衡效果。

3 结束语

对定行程闭式双点高速压力机，采用平衡布置的动平衡机构，配以优化设计过的偏心轴结构，并辅设气压调整气囊调整参与惯性力平衡的动平衡块的质量，可有效提高高速压力机的动平衡效果，提升产品技术水平，提高模具使用寿命。上述结构的对称动平衡机构，经在公司HSD-125 型闭式双点高速压力机产品的实际生产应用，验证其具有结构简单、布局合理，易于实现动态调整、平衡效果显著等优点，值得推广应用。

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