胡戰(zhàn)勝，歐汝康，歐建業(yè)，支志昆，胡景鋒

（順德榮興鍛壓設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，廣東 順德528312）

1 引言

曲柄連桿式高速壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力與壓力機(jī)每分鐘行程次數(shù)n 的平方及滑塊行程長(zhǎng)度H 成正比。雖然行程長(zhǎng)度比較小，但往復(fù)件質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力卻可達(dá)到滑塊質(zhì)量的數(shù)倍，如果在結(jié)構(gòu)上不采取措施，慣性力將作用在支承軸、滑塊導(dǎo)軌以及車間地面，使機(jī)器在基礎(chǔ)上不穩(wěn)； 而回轉(zhuǎn)部分不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的周期性變化水平慣性分力還將引起壓力機(jī)強(qiáng)烈的振動(dòng)和擺動(dòng)，嚴(yán)重影響壓力機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)性能，尤其是下死點(diǎn)精度不穩(wěn)定會(huì)加劇模具的磨損，從而降低模具的壽命。因此，動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)是高速壓力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要部件。

為平衡工作滑塊、工作連桿、偏心軸等運(yùn)動(dòng)部件在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力，動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)須滿足下述基本要求：①完全平衡壓力機(jī)內(nèi)部工作滑塊和工作連桿的垂直及水平慣性分力； ②在行程長(zhǎng)度及上模重量發(fā)生變化時(shí)不影響平衡效果； ③盡可能減小回轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量，減小壓力機(jī)的制動(dòng)角。

為滿足上述要求，在同一機(jī)架上設(shè)置兩套完全相反的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)架上的慣性力相互抵消，利用上、下曲柄連桿結(jié)構(gòu)對(duì)支承點(diǎn)的質(zhì)徑積相等的條件來平衡主軸上的慣性力。

在定行程曲柄滑塊式高速壓力機(jī)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，普遍采用的是對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，其原理是在主滑塊對(duì)稱的方向增設(shè)一個(gè)包含動(dòng)平衡連桿及動(dòng)平衡塊在內(nèi)的平衡副滑塊結(jié)構(gòu)，以抵消主滑塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。按動(dòng)力學(xué)理論，這種動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)雖然平衡滑塊比主滑塊質(zhì)量小得多，但因其行程長(zhǎng)度比主滑塊行程長(zhǎng)度大，所以加速度也大，因此能起到很好的平衡作用。

綜合上述曲柄連桿式高速壓力機(jī)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，順德榮興鍛壓設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了一種平衡塊質(zhì)量可適當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的對(duì)稱動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，用于公司生產(chǎn)的HSD-125 型定行程高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)中，在實(shí)際使用中取得了良好效果。

2 對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)稱布置動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)原理解析

為簡(jiǎn)化慣性力計(jì)算，如圖1 所示，按靜力等效條件用兩質(zhì)量代換法，把連桿質(zhì)量等效地轉(zhuǎn)化到連桿與曲柄銷的鉸接點(diǎn)P2和連桿與滑塊的鉸接點(diǎn)P4上。然后將P2點(diǎn)的質(zhì)量作為回轉(zhuǎn)質(zhì)量與偏心軸合并計(jì)算回轉(zhuǎn)慣性力，而將P4點(diǎn)的質(zhì)量作為往復(fù)質(zhì)量與滑塊合并計(jì)算往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力。

設(shè)Fi、m、aS分別為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的總慣性力、總質(zhì)量和總質(zhì)心S的加速度，如作用于機(jī)架上的總慣性力得到平衡，必須使Fi=-maS=0。式中m 不可能為零，故必須使aS為零，即總質(zhì)心S 應(yīng)作等速直線運(yùn)動(dòng)或者靜止不動(dòng)。由于各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是循環(huán)的，故總質(zhì)心S 也總是沿一封閉曲線運(yùn)動(dòng)。平衡的本質(zhì)是調(diào)整各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量分布使其總質(zhì)心在機(jī)構(gòu)工作時(shí)靜止不動(dòng)。

對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論詳細(xì)計(jì)算方法、步驟，在很多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)論述，在此不予贅述。

圖1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

2.2 對(duì)稱布置動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.2.1 主要結(jié)構(gòu)組成

如圖2 所示，對(duì)稱布置動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)包括上橫梁，上橫梁橫向設(shè)有①、②、③、④四點(diǎn)支承同軸孔，其中①、④孔內(nèi)設(shè)有支承座，其內(nèi)部裝設(shè)有由滾子軸承和支承頸銅套組合的軸承A；上橫梁②、③孔內(nèi)設(shè)有支承頸銅襯； 偏心軸裝設(shè)于上橫梁橫孔內(nèi)并依靠①、②、③、④四點(diǎn)支承；偏心軸上設(shè)有兩段同軸心偏心值為δ1的工作偏心段，其外圓柱面套設(shè)有由連桿瓦和連桿軸承組成的組合軸承B，組合軸承B 的外面過盈配合有工作連桿； 在偏心軸兩工作偏心段正中間設(shè)有與兩工作偏心段呈180°方向布置的反向偏心值為δ2的動(dòng)平衡偏心軸段，且δ2＞δ1；動(dòng)平衡偏心軸段外圓套設(shè)有動(dòng)平衡連桿瓦、動(dòng)平衡連桿和動(dòng)平衡連桿蓋；動(dòng)平衡連桿經(jīng)銷軸連接有動(dòng)平衡連桿座，其上固定有動(dòng)平衡塊，動(dòng)平衡連桿可在動(dòng)平衡連桿座內(nèi)腔繞銷軸前后擺動(dòng)； 動(dòng)平衡連桿座在動(dòng)導(dǎo)向座內(nèi)沿導(dǎo)向襯套內(nèi)孔上下滑動(dòng)； 動(dòng)平衡塊經(jīng)由連接支架與設(shè)有儲(chǔ)氣桶的氣囊連接。這種對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：反向?qū)ΨQ布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)在偏心軸上，且動(dòng)平衡塊的質(zhì)量可通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)氣桶內(nèi)壓縮空氣壓力來適當(dāng)調(diào)整。

圖2 對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)

2.2.2 動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的工作原理及設(shè)計(jì)分析

2.2.2.1 對(duì)稱布置動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的工作原理

主電機(jī)經(jīng)帶輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四點(diǎn)支承的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與偏心軸聯(lián)接的工作連桿及動(dòng)平衡連桿運(yùn)轉(zhuǎn)，其中工作連桿驅(qū)動(dòng)工作滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)平衡連桿則驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡連桿座、動(dòng)平衡塊沿裝設(shè)于導(dǎo)向座內(nèi)孔的導(dǎo)向銅襯內(nèi)壁做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于工作偏心段與動(dòng)平衡偏心段沿偏心軸旋轉(zhuǎn)中心呈180°反向?qū)ΨQ布置，因此，工作連桿驅(qū)動(dòng)的滑塊與動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方向完全相反，從而起到慣性力平衡的作用。

2.2.2.2 對(duì)稱布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為提高高速壓力機(jī)的慣性力平衡效果，實(shí)例中采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施及特點(diǎn)為：

（1）偏心軸采用四點(diǎn)支承及組合軸承結(jié)構(gòu)，大大提高其剛性，盡可能減小偏心軸因變形或與支承點(diǎn)的配合間隙大而增加的額外慣性力和沖擊。

（2）動(dòng)平衡偏心段設(shè)于兩工作偏心段的正中呈180°反向?qū)ΨQ布置，且使偏心值δ2＞δ1；另外，動(dòng)平衡連桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成比工作連桿的長(zhǎng)； 以上兩設(shè)計(jì)要點(diǎn)都能大大減小動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

（3）為達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的理想效果，在平衡塊的兩側(cè)設(shè)置了平衡氣囊，通過調(diào)整給氣囊供氣的儲(chǔ)氣桶內(nèi)的壓縮空氣壓力，可調(diào)整參與慣性力平衡的動(dòng)平衡塊的質(zhì)量，從而可有效減小因動(dòng)平衡計(jì)算偏差、材料選擇、加工裝配精度、偏載等情況的存在影響動(dòng)平衡效果。

3 結(jié)束語

對(duì)定行程閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)，采用平衡布置的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，配以優(yōu)化設(shè)計(jì)過的偏心軸結(jié)構(gòu)，并輔設(shè)氣壓調(diào)整氣囊調(diào)整參與慣性力平衡的動(dòng)平衡塊的質(zhì)量，可有效提高高速壓力機(jī)的動(dòng)平衡效果，提升產(chǎn)品技術(shù)水平，提高模具使用壽命。上述結(jié)構(gòu)的對(duì)稱動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，經(jīng)在公司HSD-125 型閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，驗(yàn)證其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局合理，易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整、平衡效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

[1]余發(fā)國，楊明川.高速壓力機(jī)的動(dòng)平衡分析與優(yōu)化[J].金屬加工，2013，（21）：66-67.

[2]鐘維明，李玉蘭.機(jī)械壓力機(jī)動(dòng)平衡裝置的作用和計(jì)算方法[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2001，36（6）：19-20.

[3]張曉陽，王興松，等.閉式高速曲柄壓力機(jī)動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2006，31（6）：96-99.

[4]范宏才，等，現(xiàn)代鍛壓機(jī)械[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.