廖永輝

（福建海源自動化機(jī)械股份有限公司, 福州350000）

0 引 言

復(fù)合材料因其優(yōu)越的材料力學(xué)特性，應(yīng)用越來越廣泛。近年來，復(fù)合材料產(chǎn)品已涉及到國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，如航空航天、建筑、汽車、機(jī)電裝備、石化和軍用裝備等多個行業(yè)。以航空航天領(lǐng)域?yàn)槔?，A400M 和波音787 飛機(jī)機(jī)型的復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量比分別為36%和50%。可見，當(dāng)今復(fù)合材料在一個國家的發(fā)展水平，已成為衡量各國綜合國力的標(biāo)志之一。因此，發(fā)展復(fù)合材料技術(shù)顯得尤為重要［1-3］。

成型技術(shù)是復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是以技術(shù)密集、高度自動化、高精度的模壓成型技術(shù)是該技術(shù)領(lǐng)域的重中之重。當(dāng)前，機(jī)械化成型復(fù)合材料產(chǎn)量已達(dá)總產(chǎn)量的60%以上，且模壓成型方法生產(chǎn)效率和成型精度高，表面光潔，尤其對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料制品可一次成型，不會影響復(fù)合材料制品性能。復(fù)合材料液壓機(jī)正是模壓成型技術(shù)領(lǐng)域的主流裝備，其性能直接決定了復(fù)合材料制品的性能［4-7］。

復(fù)合材料液壓機(jī)是由可編程序控制器操縱的，集機(jī)、電、液一體化的液壓成型設(shè)備。其中，液壓機(jī)的機(jī)械鎖（也稱安全栓/銷）屬安全部件，是這一裝備的重要安全保護(hù)裝置,其作用有二：一是在液壓機(jī)工作循環(huán)中，操作人員在壓機(jī)活動梁下方作業(yè)時，將活動梁在上位鎖住，不讓下滑；二是在檢修、保養(yǎng)或更換模具的時候，將活動梁鎖在上限位，不讓下滑，其功能應(yīng)符合國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)《GB5091-2011 壓力機(jī)安全防護(hù)裝置技術(shù)要求》。此外，為了避免壓機(jī)在機(jī)械鎖鎖緊后其導(dǎo)軌間隙發(fā)生變化，一般設(shè)計(jì)的機(jī)械鎖均為平衡式的，其特點(diǎn)是其承力部件對活動梁施加的垂直向上的力，成對的機(jī)械鎖合力與活動梁的重心重合。

1 問題的提出及分析

以插銷式為代表的平衡式機(jī)械鎖在壓機(jī)中有廣泛的應(yīng)用，多為液壓缸驅(qū)動，如圖1 所示。

圖1 插銷式機(jī)械鎖

液壓機(jī)通常包括下梁、立柱、活動梁，立柱設(shè)在下梁兩側(cè)，活動梁沿立柱上的導(dǎo)軌上下活動。在液壓機(jī)的兩側(cè)分別設(shè)有插銷式機(jī)械鎖。插銷式機(jī)械鎖由插銷板、銷軸、液壓缸等組成，插銷板固定在液壓機(jī)的活動梁上并設(shè)有插銷孔；銷軸通過插銷座固定在液壓機(jī)的上梁或支柱上，其活塞桿連接銷軸，液壓機(jī)在人工裝取料、不工作或者檢修時，機(jī)械鎖銷軸在液壓缸的帶動下，插入插銷板的插銷孔中，將活動梁固定于上限位，防止活動梁下滑造成危險(xiǎn)。

因活動梁的重量大，銷軸一般為大直徑的銷軸，要求插銷孔也是大直徑，如此會導(dǎo)致插銷板的強(qiáng)度降低而造成斷板，而且大直徑的銷軸也會導(dǎo)致操作不便。此外，因結(jié)構(gòu)限制，需要布置在液壓機(jī)側(cè)邊，工作人員不易觀察機(jī)械鎖動作，存在安全隱患。最重要的一點(diǎn)，機(jī)械鎖檔間距不可能很小，很難實(shí)現(xiàn)多檔位鎖緊控制，尤其是長檔間距比較困難。因此目前此類機(jī)械鎖均沒有設(shè)置多檔位。

這些問題在大噸位復(fù)合材料液壓機(jī)上顯得特別突出，以海源自動化機(jī)械股份有限公司的HET2500 復(fù)合材料液壓機(jī)為例，其額定壓力為2 500 t，工作臺面最大可達(dá)3 500 mm×2 500 mm，主缸行程2 200 mm 以上，活動梁及柱塞部分重量37t。所配模具高矮不一，為配合不同的模具高度，液壓機(jī)機(jī)械鎖必須實(shí)現(xiàn)多檔控制，且最大檔間距要求在500 mm 以上，以達(dá)到最高的工作效率。

機(jī)械鎖作為液壓機(jī)上重要的安全裝置，在強(qiáng)度、控制、穩(wěn)定性等方面的要求較高，目前插銷式的機(jī)械鎖多數(shù)已經(jīng)不能滿足要求，需要一種替代產(chǎn)品。

2 非平衡式掛鉤機(jī)械鎖

通過具體的方案論證和實(shí)踐，掛鉤式機(jī)械鎖是一種較好的解決方案：如圖2，動鉤以平鍵鎖緊在活動梁上；擺鉤1 通過銷軸7 固定在上梁，由氣缸6 推動可以來回?cái)[動，從而實(shí)現(xiàn)活動梁的鎖緊與放開。通過有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)掛鉤的形狀及厚度以滿足強(qiáng)度要求，避免加工影響銷孔強(qiáng)度；通過布置掛鉤間距，易于實(shí)現(xiàn)多檔位控制。但掛鉤式機(jī)械鎖屬于非平衡式機(jī)械鎖，其側(cè)向力必須通過導(dǎo)正裝置予以平衡。

1）側(cè)向力的產(chǎn)生。擺鉤對動鉤的作用力F（指向銷軸圓心）可分解成側(cè)向力F1與活動梁部分重力平衡的縱向力F2（如圖3 所示）。

以海源公司的HET2500 壓機(jī)計(jì)算單邊機(jī)械鎖受側(cè)向力F1=F2×tan25°=370 kN÷2×0.466=86.3 kN≈8.6 t。

圖2 掛鉤式機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 動鉤受力圖解

成對的機(jī)械鎖的側(cè)向力會形成一對力偶，該力偶會影響活動梁與導(dǎo)軌之間的間隙，受壓一邊間隙減小，另一邊增大。隨著液壓機(jī)的工作循環(huán)，機(jī)械鎖不斷反復(fù)動作，液壓機(jī)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將逐漸失去精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致模具啃模、主缸拉傷等后果。

為消除這一不利影響，在動鉤上設(shè)計(jì)導(dǎo)正裝置（如圖2 所示，包括導(dǎo)正鍵2 及導(dǎo)正滑塊4）以平衡側(cè)向力F1，并調(diào)整導(dǎo)正間隙為0.2 mm，防止動鉤在側(cè)向力的作用下帶動活動梁歪斜。

2）動鉤應(yīng)力分析。動鉤是掛鉤式機(jī)械鎖的主要受力零件之一，隨著作用力的反復(fù)施加，在動鉤的鍵槽根部會產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，用SolidWorks 軟件進(jìn)行有限元分析，建模網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格參數(shù)如圖4 所示，其邊界條件與載荷分布如圖5 所示，并進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果如圖6、圖7 所示。

由上述圖解分析可知，最大應(yīng)力在動鉤鍵槽處，大小為266 MPa。動鉤及鍵的材質(zhì)均為中碳鋼，并調(diào)質(zhì)處理。導(dǎo)正裝置也能很大程度上緩解鍵槽處應(yīng)力過大的問題，在導(dǎo)正鍵槽施加一個平衡側(cè)向力的載荷F3，重新進(jìn)行分析，如圖8 所示。

圖4 動鉤建模與網(wǎng)格劃分

圖5 動鉤的載荷設(shè)置及其邊界條件

圖6 應(yīng)力圖解

圖7 Y（水平）方向位移圖解

圖8 加平衡力應(yīng)力圖解

由上述有限元分析可知，由于導(dǎo)正裝置的引入，新型掛鉤式機(jī)械鎖鍵槽處應(yīng)力由266 MPa 降低至130 MPa 左右，動鉤水平位移也由0.7 mm 降至0.2 mm 左右（導(dǎo)正鍵與導(dǎo)正滑塊的間隙值）。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，符合液壓機(jī)對機(jī)械鎖的安全要求，同時也消除了掛鉤側(cè)向力對導(dǎo)軌間隙的不利影響。

3 結(jié) 論

1）掛鉤式機(jī)械鎖采用鉤形設(shè)計(jì)，無需開設(shè)大直徑鎖孔，可實(shí)現(xiàn)多檔位長行程鎖緊，滿足了復(fù)合材料模壓工藝對大臺面、長行程壓機(jī)可靠鎖緊的安全需求，提高壓制循環(huán)的效率。

圖9 加平衡力位移圖解（Y 方向）

2）采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)鉤的形狀并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的導(dǎo)正裝置，可保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，滿足導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度的要求，與傳統(tǒng)機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)相比，其安全可靠性更高。

3）掛鉤機(jī)械鎖方便布置于壓機(jī)正面，在操作員可視范圍內(nèi)，便于目視管理，對突發(fā)的故障等能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理。另外，擺動鉤體擺動時所需的驅(qū)動力較小，可采用氣缸作為動力源，成本顯著降低。

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