机械压力机主传动结构设计分析研究

田洪涛

杭州邦威机电控制工程有限公司，浙江杭州 310000

1 机械压力机的曲柄连杆结构的主传动系统

该类型的机械式压力机采用曲柄连杆作为主传动机构，电动机的运动和能量传递给曲轴，使曲轴作旋转运动，并通过连杆使滑块产生往复运动，这是该类型压力注主要的工作原理。构成曲柄式压力机的主传动系统的零部件包括机架、滑块以及曲柄和连杆。其中，曲柄有时也可被偏心齿轮或者曲轴所代替。该主传动机构由于由四部分组成，所以也被称作四杆结构。在工作时，曲柄的一端固定，同时围绕固定点成顺时针方向旋转。而连杆则与曲柄的另一端以及滑块分别相互铰接。同时在机架上安装有导轨，滑块则沿导轨上下进行往复运动。

1.1 计算该机构在运动中的自由度

该机构在运行时，其曲柄绕固定点进行旋转运动，这种旋转运动通过与其相互铰接的连杆可以转变为滑块的往复运动。所以，主要的活动构件就是滑块、连杆以及曲柄，说明该机构的活动构件有3个。移动副则主要包括机架和滑块，而其他则都作为转动副。而运动低副则包括了以上四个部件。根据以上参数即可进行自由度的计算。经过计算，可以发现该机构自由度等于其原动件的数量，表明该机构的运动具有确定性。

1.2 相关运动学方面的分析结果

对该主传动机构进行动力学方面的分析后可以得出其运动曲线，其中滑块的行程为1000mm，而行程的次数为每分钟16次。根据对该运动曲线的分析结果可以得知，该主传动机构中滑块运行的位移曲线属于余弦曲线，同时其速度曲线则更类似于正弦曲线。而深拉延的开始阶段则位于与滑块的下死点距离300mm的位置，此时滑块的速度超过了每秒700mm，已经相当接近行程中最大的速度值。该速度已经明显超出了板材成形所需的极限速度值，所以说明曲柄压力机无法进行对板材的深拉延加工成形，而只能适用于浅拉延成形，且需要控制50mm的范围以内。另外，该机构在曲柄转角的360°的位置和180°的位置分别是滑块的上下两个死点，因此，其急回特性较差，导致其生产的效率也比较低。

2 机械压力机的曲柄结构设计

由于曲柄式机械压力机主传动结构全部设置在了上梁的本体里面，所以在设计上梁的本体时应全面考虑主传动系统中曲柄以及连杆的长度、主齿轮的直径等各项参数。主传动结构中的曲柄长度是该机械式压力机的滑块行程的二分之一，这是一个定量参数。而对滑块的运行速度有较大影响的参数则是连杆的长度。所以要结合机械式压力机在生产工艺方面对滑块的实际运动速度所提出的要求，还要考虑机械式压力机在上梁刚度方面的具体要求，以及压力角的最佳值等各种基础参数来合理选择连杆的设计长度。确定了曲柄长度和连杆长度后，再根据这两项数值来设计主齿轮的直径值。如果机械式压力机中具有导柱结构，导柱的高度是一个定值。同时，机械式压力机的上梁高度将与其曲柄以及连杆的长度直接相关，所以在对上梁本体以及主传动结构进行设计时要全面考虑这两方面的因素，应兼顾好二者各自的设计要求。

3 机械压力机的六连杆主传动结构 （见图1）

机械式压力机的六连杆主传动结构包括机架、滑块以及6个连杆，6个连杆包括L1、L2、L3、L4以及R1和R2。其中L1、L2与L4是相互固结的，并共同组成了一个杆L1。在该机构中驱动杆是杆R1，其一端固定在O点，同时围绕O点进行顺时针的旋转，杆L1与L2与其另一端相互铰接。而杆R2的一端固定于O1点，同时L1和L4则与R2杆的另一端相互铰接。另外，杆L2和L4与杆L3的一端相互铰接，而滑块则铰接于L3的另一端。该机构系统的滑块沿着Y轴进行上下的往复运动。

图1 机械压力机的六连杆主传动结构

3.1 计算该机构在运动中的自由度

该机构运动在运行时，其中R1杆围绕O点进行旋转运动，该旋转运动通过与其相互铰接的L3杆和R2杆可以转变为滑块的往复运动。所以活动构件包括了杆R1、R2和L1、L2、L3及滑块，活动构件的数量为5个。移动副有机架和滑块构成，而转动副则由其他的部件构成，且以上所有部件都是运动低副，所以运动低副的数量为7个。对该机构的自由度进行计算后可以发现，该结构系统原动件的数量等于其自由度，所以该机构的运行具有确定性。

3.2 相关运动学方面的分析结果

对该主传动机构进行动力学方面的分析后可以得出其运动曲线，其中滑块的行程为1350mm，而行程的次数为每分钟18次。通过对该运动曲线进行分析可以发现，当机械式压力机的滑块处于空程进给状态下的时候，其运动的速度会比较块，所以具有较短的空程时间。当开始拉延后，该机构滑块的速度出现了下降的趋势，最后归于平稳状态，能够比较适应板材拉延成形工艺在速度方面的要求。完成板材的拉延后，滑块通过下死点并返回的过程中，其运动速度出现快速的上升趋势，是回程时间明显的缩短。压力机的曲柄转角在180°时是滑块的下死点。而曲柄转角的320°附近位置则是滑块的上死点，同时滑块回程时间明显比下降时间短，这就说明该机构的急回特性比较明显，不仅能够符合拉延成形工艺所要求的低速，还能够促使压力机生产的效率得到有效的提高。

4 机械压力机六连杆结构的相关设计

该机械式压力机的六连杆的主传动机构以及其导柱和导套都被设置在上梁的本体内。由于压力机的上梁结构内，其高度是定值，所以压力机的上梁高度与杆R1和L2、L3的长度密切相关。在对该机构进行运动学方面的分析后可以发现，该机构内影响滑块的运动速度、加速度以及位移的因素包括支点位置以及相关各杆长度。所以，在对机械压力机的上梁结构进行设计时，需要考虑板材的拉延成形加工工艺在滑块运动速度、加速度以及位移方面的具体要求，从而首先对传动结构内支点位置和各杆长度进行初步的确定。另外，因为机械式压力机的上梁高度会受到杆R1以及杆L2、L3长度的影响，所以在设计滑块的运动速度、加速度以及位移时，对各杆长度的具体取值还需要考虑这方面的因素，尽量减少以上3个杆的长度，从而对上梁高度进行适当的控制。

另外，在设计中还需要注意设计在经济性以及在运输便利性等方面的实际需求，因此，上梁结构的沟渎和重量都需要进行合理的控制。但机械式压力机对刚度的要求又需要上梁保持一定的高度。这就要求在对上梁结构以及六连杆的主传动结构进行设计时需要综合考虑这两方面的要求，设计方案应尽量兼顾二者，既要满足板材拉延加工在工艺方面的要求，也要对上梁结构进行合理的设计布局。

5 结语

在装备的制造行业中，机械压力机具有重要的地位。机械压力机所加工的零部件具有更高的质量，且在制造的过程中作业的效率更高，而其所消耗掉材料也更少，由于这些比较明显的优势，该设备在机械制造行业具有较高的应用的价值。而随着我国科技水平的不断进步，以及相关的制造业对设备要求的提高，机械压力机在设计上必须进行进一步的完善和创新。由于传统机械压力机的主传动结构多采用的是曲柄结构，无法适应新的生产要求，因此，改用了多连杆的结构后能够有效提高其生产的效率，并延长设备的使用期限。在各类装备对锻压件在质量及精度方面的要求不断提高的背景下，需要相关的研究人员进一步深入研究眼里的传动结构，不断优化设计，准确把握传动系统间各结构件间的关系，从而促进机械压力机的整体性能能够不断的提高。

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