浅析直驱式数控节能电动螺旋压力机设计

2023-03-05尤新

中国设备工程 2023年2期

尤新

（青岛青锻锻压机械有限公司，山东青岛 266000）

1 绪论

1.1 螺旋压力机的背景

活字印刷机是螺旋压力机的前身，15世纪刚发明出来的活字印刷机被当作压榨机来使用。螺旋压力机的工作主要是靠螺杆与滑块的打击作用，飞轮在其中起到了储能作用，现在已经广泛使用到社会生产中。19世纪，人们开始使用现代化大生产的螺旋压力机，当时的螺旋压力机的动力是依靠摩擦盘来传递，这种螺旋压力机称为摩擦压力机，不仅结构简单，工作也很可靠。液压螺旋压力机、电动螺旋压力机和离合器式螺旋压力机在20世纪就已经出现了。

1.2 螺旋压力机的工作特性与原理

（1）螺旋压力机的工作原理。螺旋压力机的工作过程主要有3部分，分为打击前、打击过程中以及打击后。首先，在打击前，飞轮是处于储能状态，动能储存在飞轮中；在打击过程中，飞轮将存储的动能释放，螺旋副将释放的飞轮旋转的动能转换成螺杆的上下移动的动能，移动的螺杆与滑块打击在需要加工的零件上；打击后，飞轮开始重新蓄能，准备进行下一次的打击。

（2）螺旋压力机的工作特性。①依靠飞轮储能，打击过程中能量全部释放。②打击力与锻件变形功相互制约。③竖向打击力封闭于机身，不传于基础。④有标称的行程长度及上、下死点位置，没有固定的下死点，但实际行程可控制。

1.3 螺旋压力机驱动类型的分类

自工业革命以来，工业的发展越来越快，在20世纪出现了螺旋压力机，螺旋压力机的出现又加快了工业的发展，特别是在铸造行业，螺旋压力机得到了广泛的应用，出现了各种类型的螺旋压力机，其中有四种比较典型的结构得到了最广泛的应用。下面对四种典型结构作详细的介绍。

（1）摩擦螺旋压力机。摩擦螺旋压力机是通过摩擦的方式驱动飞轮旋转来储能的。就拿双盘摩擦压力机来说，双盘摩擦压力机有3个行程，下行程、工作行程和回升行程，这3个行程形成了摩擦压力机的一个工作循环。摩擦压力机的优点是结构比较简单，成本低，便于操作；摩擦压力机的缺点是传动的效率比较低，因为磨损较大，所以摩擦带的寿命不长。在我国，摩擦压力机得到了广泛的应用。根据有关资料显示，摩擦压力机在汽车的行业中，其模锻件占据了总模锻件的25%，在模锻设备中又占据了52%。现如今，我国已经有以摩擦力机为主机的精锻齿轮厂，能自行设计制造重型摩擦压力机。

（2）液压螺旋压力机。液压螺旋压力机主要是运用到液压缸与液压马达达到传动的目的。目前，液压螺旋压力机体型较大，一般用于比较大的生产活动中，但是因为体型较大，建造一台液压螺旋压力机需要的成本比较高。为了比较方便液压螺旋压力机的操作，一般都是采用数控方式。

（3）电动螺旋压力机。电动螺旋压力机主要采用的是电动机的传动，其电动机是可以做正反方向的换向运动。其电动机有2种传动方式：①直接传动式。直接传动式的电动螺旋压力机并不是单独存在于压力机外的电机，其电动机的转子起到了飞轮的作用。与有单独的飞轮的螺旋压力机相比，减少了传动的环节，操作更加方便。②机械传动式。这种电动螺旋压力机与其他的螺旋压力机相比，其一般采用齿轮传动，飞轮安装在齿轮上。

（4）离合器式螺旋压力机。离合器是螺旋压力机不同于其他的螺旋压力机，因为与其他螺旋压力机相比，其多了一个安装在飞轮上的离合器。离合器式螺旋压力机有着良好的优点。

1.4 螺旋压力机的现状和发展趋势

（1）参数系列化。螺旋压力机是工业发展的重要内容，在铸造行业螺旋压力机大放光彩，推动和加快了社会的生产，但是，以往的螺旋压力机在不同公司或国家，其设计和建造的螺旋压力机的尺寸和参数不尽相同。现在很多国家和企业都已经规范化了螺旋压力机的基本参数的标准。

（2）大型化。随着社会的发展、生产力的提高，螺旋压力机的应用越来越广泛，特别是航空、交通、电力和铸造业等工业的发展，需要使用到的螺旋压力机压力较大，所以压力机也比较大型化。

（3）应用更加广泛。螺旋压力可以代替人工对工件进行打击，并且打击的能力可以达到很高，因此，螺旋压力机的应用范围广泛。现在的螺旋压力机不仅仅只是应用在铸造行业，就连农业生产和食品加工中也应用到了螺旋压力机。

（4）自动化。随着社会的发展，生产技术的提高，螺旋压力机的应用越来越广泛，出现了各种类型的螺旋压力机，数控技术的出现与发展使得人们对机械的操作越来越方便，加快了社会的生产力，提高了生产效率，因此，螺旋压力机也在适应数控技术的发展。螺旋压力机也开始慢慢加入了数控技术，使得其具备操作的自动化控制。

1.5 本设计的主要内容

（1）通过介绍螺旋压力机的背景、现状，发展趋势，了解螺旋压力机。（2）了解设计的原理，对各种典型的螺旋压力机进行对比，从中选择出需要的一种典型结构进行设计。（3）确定螺旋压力机的设计方案，选择螺旋压力机的驱动类型。

2 设计方案

根据设计要求，选择设计的类型为电动螺旋压力机。

2.1 确定电动螺旋压力机的参数

在古代，战争使用的武器是冷兵器，因为古代的生产技术低下，冷兵器的铸造大都依靠人工完成，其中兵器的铸造的一个重要步骤，是打击金属块，提高金属的纯度，但是，这样就会费时费力，往往铸造一块金属需要很久。螺旋压力机的发明便是用在一些需要打击的铸造行业中，本次设计的电动螺旋压力机，是对金属铸造打击金属所设计，因为金属的硬度较大，需要打击的力度大，特别是对铁、铜、铝合金等铸件的铸造，所以本次设计以铁、铜、铝合金等铸件为电动螺旋压力机的铸件，要求其公称力为160OkN。其主要对公称力、最大负荷、滑块行程、行程次数等参数的确定。

2.2 直驱式数控节能电动螺旋压力机结构设计思路

根据各种典型的螺旋压力机的比较，本文选择设计直驱式数控节能电动螺旋压力机这一类型进行设计。电动螺旋压力机直接传动式的结构主要由主螺杆1、导套2、制动器3、转子4、电动机定子5、风机6等6部分组成。直接传动式的电动螺旋压力机并不是单独存在于压力机外的电机,其电动机的转子起到了飞轮的作用。与有单独的飞轮的螺旋压力机相比，减少了传动的环节，操作更加方便。电动螺旋压力机的电动机机械传动式这种电动螺旋压力机与其他的螺旋压力机相比，一般采用齿轮传动，飞轮安装在齿轮上。

机械传动式电动螺旋压力机是使用特殊的高强度电动机，公称压力可以达到很高，而本次设计的螺旋压力机的公称压力为1600kN，所以选择机械传动式电动螺旋压力机。根据机械传动式电动螺旋压力机的结构，设计思路，其包括：电动机进行设计和选择：传动系统设计和选择；螺杆、螺母等重要零件的设计：机身机构的设计。

直驱式数控节能电动螺旋压力机特点及优势：

（1）设备结构简单，安全性高，操作维护方便。

（2）飞轮采用交流永磁同步电机直接驱动，传动效率高，噪音低。

（3）能量控制精度高，运行稳定性好。

（4）最先进的变频驱动技术，对电网无影响，电机发热量少。

（5）预留自动生产线接口，扩展性好。

（6）模具使用寿命长，特别适用于各种金属的精密锻造。

2.3 电动机设计与选择

选择电动机，首先，要先了解电动螺旋压力机的原理，根据螺旋压力机的结构与性能，选择需要的电动机的类型。

（1）电动机的类型与选择。电机分很多种，不同的电机有不同的作用，通常使用的有直流、交流电动机，还有异步电动机和开关磁阻电动机。①直流电动机。直流电动机，通过的电能是直流电，并将直流电能转化成电动机旋转的动能，其主要结构由转子与定子组成。②交流电动机。交流电动机与直流电动机的组成相同，交流电动机的结构也是由转子与定子组成，其区别是直流电动机是将直流电能转化成电动机旋转的动能，而交流电动机是将交流电能转化成电动机旋转的动能。③异步电动机。异步电动机与前面的两种有所区别，其转子是放置在磁场中利用磁场的作用获得转动的装置。④开关磁阻电动机。开关磁阻电动机是在直流、交流电动机的基础上新发展出来的一种电动机，拥有调速的作用，结构简单，主要是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、检测器4大部分组成。

综上所述根据对比,选择开关磁阻电动机作为螺旋压力机的电动机。

（2）电动机的结构特点与运行原理。开关磁阻电动机拥有良好的性能，在各种类型的电动机中有着很大的优势，根据之前对各种类型的电动机的介绍本次设计选择了开关磁阻电动机这种类型。①开关磁阻电动机的原理。当电能输入时，开关磁阻电动机内部的功率变换器将电能转换成电动机旋转的动能，电动机输出负载，主要是使用了磁通量总要向着最大路径闭合的原理。②电动机的特点。首先，是定子和转子的形状与直流电机的转子、定子不同，其定子和转子主要是凸极结构的形状。定子与转子采用了齿数不同的结构，定子的齿数要多2个。定子和转子除了齿数的不同还有着很大的差异，定子上缠有线圈形成的绕组，而转子上没有线圈和绕组。

2.4 本章小结

本章节确定螺旋压力的参数、螺旋压力机结构设计的大体思路以及电动机类型的选择，同时，了解电动螺旋压力机和电动机结构特点，对相关的理论知识进行了详细的阐述。

3 工作部件设计

3.1 螺旋传动的类型和应用

电动螺旋压力机的螺旋传动有两部分螺杆与螺母，飞轮释放能量后带动螺杆旋转螺杆与螺母组成的移动副将螺杆的旋转运动转换成滑块的移动。一般的螺旋传动具有自锁性，其主要与螺旋升角有关，同时，螺旋传动也可以将移动运动转换成旋转运动，具有很高的实用性。

（1）螺旋传动按其在机械中的作用可分为3种：①力传递螺旋传动。这种传动主要是在需要比较大的力来传动时使用。②传导螺旋传动。其传递的是运动，而不是力。③调整螺旋传动。其作用是用来调整零件位置，使零件之间的配合更加紧密。

（2）按照运动方式的不同来划分，可以分成4种：①第一种是螺母不动，螺杆移动。螺母在其中起到了固定的作用，但是，这种结构占用的空间较大。②第二种是螺母旋转，螺杆运动。这种结构在螺杆上设有防转的机构，螺母上也安装有轴承，因此，与其他的机构相比，其机构更为复杂。③第三种螺母旋转并移动。这种传动结构虽然简单，但是精度较低。④第四种是螺杆旋转，螺母移动。结构虽然结构比较复杂，但是，其占据的空间比较小。本次的螺旋压力机设计需要间歇性工作、工作速度较低、具有自锁性，所以主要运用了传力螺旋这种类型。

3.2 螺旋传动的设计

本文设计的是电动螺旋压力机，根据性能要求，螺旋压力机的螺杆带动螺母，螺旋副将转动转换为滑块的直线移动，本次设计选择滑动螺旋传动。这种传动会产生较大的磨损，而螺旋传动的尺寸可以根据螺旋机构的耐磨性计算。根据滑动螺旋传动的一般结构组成，根据其具体情况分析，设计符合本次设计的螺旋压力机的滑动螺旋机构。螺旋压力机的滑动链传动结构组成应有螺杆、螺母和机架3部分。

螺杆。螺杆因为是螺旋压力机主要的受力的零件，因此，螺杆的直径应该比较大，其直径的计算可以根据耐磨性来计算出。

螺母。螺母是与螺杆配合使用的零件，螺母有许多的结构类型，不同的结构类型有着不同的作用，一般有整体式、组合式和剖分式。本文设计的螺母主要是整体式，是需要将螺母固定在滑块上的，而螺母的尺寸可以根据其强度校核计算。