陳增哲

（山東魯南機床有限公司，山東 滕州 277500）

為使曲柄壓力機安全工作并發(fā)揮其最佳性能，在設計及選用曲柄壓力機時，通常有力、能、速度及裝?？臻g等方面的要求。因此，分析曲柄壓力機的工作能力是正確設計和選用壓力機不可缺少的工作。曲柄壓力機的工作能力主要有加壓能力、扭矩能力、做功能力和變速能力等要素。

1 曲柄壓力機加壓能力和扭矩能力分析

加壓能力是表示該壓力機在加工時可安全地產(chǎn)生最大壓力（加工力）的能力，這個能力稱為加壓能力。表示曲柄壓力機加壓能力的參數(shù)是公稱壓力,受壓力機本身各主要構件強度的限制,其允許的最大作用力是隨曲柄轉角位置的不同而變化的，曲柄壓力機的公稱壓力是曲柄在某一特定轉角時滑塊所能承受的最大作用力。扭矩能力指滑塊在任意行程(或曲柄在任意轉角)時能夠安全傳遞的最大扭矩,這一能力與曲軸能否安全產(chǎn)生的回轉力(扭矩)有關,故稱做扭矩能力，其主要是由曲軸、傳動軸、齒輪等零件的強度限定。因此，壓力機的加壓能力和扭矩能力直接限定了壓力機工作時的許用負荷，由壓力機的壓力能力和扭矩能力限定的壓力行程曲線就是壓力機的許用負荷曲線。

1.1 曲軸受力分析及強度計算

曲軸在工作過程中，由于本身受力產(chǎn)生彎曲變形的結果，使得作用在曲柄頸的載荷分布以及支承反力的作用點位置發(fā)生了變化，曲柄頸中央的變形大于兩端的變形。因此，連桿對于曲柄頸的作用力就成為非均布載荷,兩端大中間小，故可以簡化為兩個集中力作用在曲柄頸的兩端,故得出圖1所示的計算簡圖。即載荷分為兩個相等的集中力,作用在距離曲柄臂內(nèi)側2r處（r為圓弧半徑），兩支承也是支在距離曲柄臂外側2r處，這種狀態(tài)下，曲軸屬于純彎梁的性質。曲軸的危險截面為曲柄頸中央的Ⅱ-Ⅱ截面和支承頸端部的Ⅰ-Ⅰ截面。

圖1 曲軸強度計算簡圖

危險截面Ⅱ-Ⅱ為彎扭聯(lián)合作用，但由于彎矩比扭矩大得多，對于通用壓力機，可忽略扭矩的影響，只計算彎矩的作用。

截面Ⅱ-Ⅱ的彎矩MW為：

則截面Ⅱ-Ⅱ的最大應力σ為：

根據(jù)彎曲應力及強度條件，曲軸安全工作條件為：

由式（3）可以導出由Ⅱ-Ⅱ截面強度所允許的滑塊許用負荷為：

式中：Pg——公稱壓力

Lq——曲柄兩臂外側面間的距離

La——曲柄頸長度

dA——曲柄頸直徑

r——圓角半徑

W——彎曲截面系數(shù)

【σ】——許用彎曲應力

【P】Ⅱ-Ⅱ——許用負荷

危險截面Ⅰ-Ⅰ也為扭彎聯(lián)合作用，但此處截面與Ⅱ-Ⅱ截面正好相反，扭矩比彎矩大得多，故忽略彎矩的影響，只計算扭矩的作用。

截面Ⅰ-Ⅰ的扭矩:Mq=Pg×mq，這里mq為當量力臂。

當 α=αP時，mq=mp

所以截面Ⅰ-Ⅰ的最大剪應力τ為：

根據(jù)剪切應力及強度條件，曲軸安全工作條件為：

由式（8）可以導出由Ⅰ-Ⅰ截面強度所允許的滑塊許用負荷為：

式中：R——曲柄半徑

α——曲柄轉角

αp——公稱壓力角

λ——連桿系數(shù)

μ——摩擦系數(shù)，μ=0.04～0.06

dB——連桿球頭直徑

d0——支承頸直徑

mp——公稱壓力角下的當量力臂

Wt——扭轉截面系數(shù)

【τ】——許用剪切應力

【P】Ⅰ-Ⅰ——許用負荷

從式（9）可以看出，滑塊上的許用負荷【P】是隨著曲柄轉角α的變化而變化的。當α從90°到180°變化時，α愈大，則mq愈小，因而【P】愈大。圖2即為滑塊許用負荷曲線圖。

圖2 滑塊許用負荷曲線圖

1.2 加壓能力和扭矩能力與壓力機的選用

從圖2的曲線可以看出，由Ⅱ-Ⅱ截面強度曲線和Ⅰ-Ⅰ截面強度曲線而圍成的曲線abc區(qū)即為滑塊許用負荷區(qū)，曲線abc的下方空間即是負荷安全區(qū)。曲柄壓力機在不同的α角下工作時，其工作能力相差懸殊，在選用壓力機時需嚴格注意其工作角度和滑塊最大負荷，使工件變形力落在abc陰影以下的安全區(qū)內(nèi)，以保證設備安全工作。

壓力機的設計上，由于對沖壓能力留有一定余地，所以通常不會在壓力超過公稱壓力時即刻發(fā)生危險，這個裕度通常有30%。但在壓力機加工中常因加工材料的材質和板厚不勻、送料誤差等產(chǎn)生過負荷（而且幅度相當大）。所以即使有30%的余量，而以超過30%的負荷來使用也是非常危險的，所以必須規(guī)定允許的最大壓力就是公稱壓力。

與壓力機加壓能力相關連的壓力機的結構部分是承受作業(yè)荷重（壓力）的部分，包括機體、工作臺面、滑塊、連桿、曲軸（特別是曲軸支稱部等），若產(chǎn)生超過能力的過負荷情形，就會損壞這些零部件。

與扭矩能力相關的構造部分是從離合器到曲軸的傳遞回轉力的零件,包括曲軸、傳動軸、齒輪等。因此，若發(fā)生對這個能力的過負荷，一般會使摩擦離合器打滑及剛性離合器的曲軸、傳動軸等產(chǎn)生扭曲，而引起離合器、鍵類、齒輪類零部件損壞。

即使扭矩能力與傳動系統(tǒng)的扭矩容量相等，也需注意行程長度變化時扭矩能力也會發(fā)生變化。行程長度變化時，公稱壓力產(chǎn)生的位置會發(fā)生改變，加長行程時公稱壓力產(chǎn)生位置會下降，縮短行程時公稱壓力產(chǎn)生位置會上升，所以必須考慮。

現(xiàn)僅將行程改變之后，扭矩能力會怎樣變化的實例表述如下。以下死點以上10mm處具有200tf的扭矩能力、行程長度為200mm的200tf壓力機為基準,只更換曲軸以改變行程長度時在行程的各位置發(fā)生的壓力變化例，如表1及圖3所示。

壓力機選用時，其加工壓力常選用公稱壓力75%～80%間，以留有余地，這是因為從壓力機設計的經(jīng)濟性(價格與加工能力的關系,即性能價格比)來考慮，也就是因為壓力機工作時容易產(chǎn)生過負荷，加工壓力難以準確計算，同時滿負荷使用壓力機能力則機體的變形量大，會縮短模具的使用壽命，制品的精度也會受影響。

表1 行程長度變化對扭矩能力的影響

圖3 行程長度變化與扭矩能力曲線圖

壓力機加壓能力較為寬裕時，從模具壽命、沖床壽命、過負荷的安全性等方面考慮更為經(jīng)濟。但是為提高加工精度并延長模具使用壽命，可選用比一般壓力機剛性高很多的壓力機，此類即使?jié)M負荷使用也沒有問題。

在選擇壓力機的扭矩能力時，應該先求出欲加工的壓力行程曲線，再以此曲線與壓力機的壓力行程曲線比較，保證壓力機的曲線不論在行程的任何位置都在加工曲線的上方，并有一定的間距。

如圖4所示，適合a、b、c作業(yè)的壓力機分別為I、Ⅱ、I。

圖4 加工壓力行程曲線與壓力機壓力行程曲線的關系

對c作業(yè)而言，雖然I壓力機因具有太多的寬裕能力而不經(jīng)濟，但Ⅲ壓力機卻在③～④間其加工曲線超過了壓力機曲線而不能使用，因此只能選擇I壓力機。

沖裁加工時，壓力機的壓力行程曲線與加工行程曲線的接近點在公稱壓力部分時，取兩壓力的比為100∶75～80，如圖4a作業(yè)。拉深加工時，兩曲線的接近點比公稱壓力低時，則兩壓力的比可取到100∶90～95，如圖 4b 作業(yè)。

2 曲柄壓力機做功能力分析

曲柄壓力機的做功能力系指一次加工時可以安全使用的能量大小，以及一分鐘可做多少次安全加工的能力。做功能力一般以在公稱壓力（P）下，在公稱壓力行程（S）進行加壓所能提供的能量作為標準。曲柄壓力機的做功能力主要包括做功量、主電機功率及飛輪轉動慣量三個方面。壓力機的最大做功能力直接影響到設備的工藝設計及使用，壓力機做功時超出使用范圍,會使設備的剛性受到破壞,產(chǎn)生各種故障或事故,影響設備壽命。分析并確定壓力機的做功量、主電機功率及飛輪轉動慣量是壓力機設計及選用的基礎。

2.1 壓力機做功量的計算

機械壓力機的做功量主要為工件變形功與拉深墊工做功之和。其他還有壓力機在一個工作循環(huán)中曲柄連桿摩擦消耗的能量、壓力機受力系統(tǒng)彈性變形消耗的能量、飛輪空運轉及離合器結合消耗的能量等。由于壓力機工作能量的確定比較復雜，在壓力機的設計上一般用理論工作量來計算。

壓力機一個工作循環(huán)所消耗的能量：

式中：E——壓力機一個工作循環(huán)所消耗的能量，J；

P——公稱壓力，N；

Sh——公稱壓力行程，m；

S——滑塊行程，m；

PD——拉深墊力，N；

KD——拉深墊能力系數(shù)。

由技術參數(shù)可知的壓力機公稱壓力、滑塊行程。對于公稱壓力行程，小噸位沖裁壓力機一般取7mm左右。對于拉深墊力，帶拉深墊的壓力機按PD=P/6計算；落料、修邊、鍛造用壓力機可以按PD=0計算。根據(jù)經(jīng)驗，一般KD取6基可滿足通用壓力機沖裁與淺拉深的要求。

2.2 主電機功率的確定

飛輪在壓力機中只起儲存和釋放能量的作用，壓力機工作所消耗的能量都是由主電機供給的。所以主電機的功率取決于壓力機在一個工作循環(huán)中所消耗的能量和一個工作循環(huán)所需要的時間。

主電機功率的計算式：

式中：P電機——主電機功率，W；

E——壓力機一個工作循環(huán)所消耗的能量，J；

η——總機械效率；

t——一個工作循環(huán)需要的時間，s。

壓力機總機械效率一般取η=50%～70%。對于快速壓力機，由于沖裁板料較薄，有效做功能量小，故效率較低。對于帶有拉深墊的壓力機，由于需要進行拉深工藝，有效能量大，故效率較高。

上式中一個工作循環(huán)需要的時間t為：

式中：n——滑塊每分鐘連續(xù)行程次數(shù)；

Cn——行程利用系數(shù)。

手工送料時滑塊為斷續(xù)行程，一般Cn=0.4～0.8，滑塊行程次數(shù)高的取下限，低的取上限。當壓力機自動送料時，滑塊為連續(xù)行程，Cn=1。

2.3 飛輪轉動慣量的確定

曲柄壓力機是沖擊載荷性質的機器，具有短時高峰載荷和長時空載的特點。曲柄壓力機的一個工作循環(huán)內(nèi)，在沖壓、拉深等工況時負荷較大，而其他大部分時間為空行程狀態(tài)，負荷又相對較小，單獨依靠主電機不可能滿足工作扭矩急劇變化的需要。所以，根據(jù)這個特點，曲柄壓力機一般都設有飛輪。工作時，飛輪通過降低速度輸出部分儲存的能量；在空行程時，再由主電機加速飛輪，以恢復能量的儲備。

對于沖裁工藝，由于工作時間很短，故主要靠飛輪釋放能量來滿足工作行程功的需要。如果忽略主電機在這時所輸出的能量，那么飛輪因轉速下降所產(chǎn)生的能量輸出EA應等于壓力機一個工作循環(huán)所消耗的能量E。

式中：EA——飛輪一個工作循環(huán)輸出的能量，J；

Jf——飛輪轉動慣量，kg·m2；

ω1——工作行程開始時飛輪角速度，弧度/s；

ω2——工作行程結束時飛輪角速度，弧度/s。

從上式中可以看出，在輸出能量一定的情況下，飛輪轉速的降低程度對能量的輸出影響較大，工作中壓力機可通過提高飛輪轉速并盡量增大工作時轉速的降低程度來獲得需要的能量。但飛輪速度降低時，電機的轉速也跟著降低，當電機的速降超過一定的限度時，電機電流迅速增加，扭矩迅速下降，電機處于超載狀態(tài)，進而壓力機工作的連續(xù)行程次數(shù)也受到限制。所以，為保證壓力機安全工作，飛輪的速降率必須控制在一定的范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗，壓力機主電機的速降率一般取0.15左右。

根據(jù)式（3-4），在輸出能量一定的情況下，要確定飛輪轉動慣量的大小，首先要確定飛輪的轉速。飛輪轉速的平方與飛輪轉動慣量成反比，飛輪轉速越高，飛輪的尺寸就可以做的越小，有利于安裝空間的選擇。但是飛輪的轉速過高，將會引起振動、發(fā)熱等不利情況，對壓力機的機械傳動機構鏈也會提出更高的強度要求。鑒于此，通常飛輪的轉速一般控制在250r/min～350r/min左右。

因為飛輪轉速下降產(chǎn)生的能量輸出EA等于壓力機一個工作循環(huán)所消耗的能量E，這時EA=E，所以飛輪的轉動慣量Jf為：

飛輪轉動慣量計算出來后，就可以確定飛輪的尺寸。

3 曲柄壓力機的變速能力分析

在設計和選用曲柄壓力機時，需要驗算滑塊的工作速度是否小于加工件塑性變形所允許的合理速度?；瑝K行程次數(shù)和滑塊行程是計算滑塊運動速度的基本依據(jù)，開式曲柄壓力機通用產(chǎn)品的滑塊行程考慮了淺拉深工藝的要求，滑塊行程次數(shù)受工件材料允許的最大拉深速度所限制；而用作沖裁的專門化開式曲柄壓力機，則具有較高的滑塊行程次數(shù)。

在需要較大加工能量的拉深加工，或在將原來以手工送料作業(yè)的沖裁加工改成自動送料的連續(xù)高速加工時，就會使壓力機產(chǎn)生能量不足的問題。若發(fā)生這類過負荷時，會使沖床的轉速越來越低，甚至停止。但很少會發(fā)生像加壓能力及扭矩能力過負荷時那樣造成結構損壞。與這個能量相關的結構部分是主電機功率、飛輪儲能能力等。如果增加沖床的轉速，飛輪的慣性動能儲存量就增大，作業(yè)能力也會增大。所以由變速電機驅動飛輪時，會由速度的不同而改變壓力機的作業(yè)能力、可加工工件的尺寸也會變化。

4 結語

在曲柄壓力機選用時，應首先根據(jù)計算加工工件的工藝力初選壓力機型號與公稱壓力，然后計算對應工藝力下的曲柄轉角、滑塊位移、速度和允許負荷。通過對曲柄轉角與公稱壓力角相比較、滑塊速度與工藝速度相比較，作出壓力機力、能、速度等方面是否滿足加工要求的結論。

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