曲柄压力机工作能力的分析及选用

2018-05-18陈增哲

锻压装备与制造技术 2018年2期

陈增哲

（山东鲁南机床有限公司，山东滕州 277500）

为使曲柄压力机安全工作并发挥其最佳性能，在设计及选用曲柄压力机时，通常有力、能、速度及装模空间等方面的要求。因此，分析曲柄压力机的工作能力是正确设计和选用压力机不可缺少的工作。曲柄压力机的工作能力主要有加压能力、扭矩能力、做功能力和变速能力等要素。

1 曲柄压力机加压能力和扭矩能力分析

加压能力是表示该压力机在加工时可安全地产生最大压力（加工力）的能力，这个能力称为加压能力。表示曲柄压力机加压能力的参数是公称压力,受压力机本身各主要构件强度的限制,其允许的最大作用力是随曲柄转角位置的不同而变化的，曲柄压力机的公称压力是曲柄在某一特定转角时滑块所能承受的最大作用力。扭矩能力指滑块在任意行程(或曲柄在任意转角)时能够安全传递的最大扭矩,这一能力与曲轴能否安全产生的回转力(扭矩)有关,故称做扭矩能力，其主要是由曲轴、传动轴、齿轮等零件的强度限定。因此，压力机的加压能力和扭矩能力直接限定了压力机工作时的许用负荷，由压力机的压力能力和扭矩能力限定的压力行程曲线就是压力机的许用负荷曲线。

1.1 曲轴受力分析及强度计算

曲轴在工作过程中，由于本身受力产生弯曲变形的结果，使得作用在曲柄颈的载荷分布以及支承反力的作用点位置发生了变化，曲柄颈中央的变形大于两端的变形。因此，连杆对于曲柄颈的作用力就成为非均布载荷,两端大中间小，故可以简化为两个集中力作用在曲柄颈的两端,故得出图1所示的计算简图。即载荷分为两个相等的集中力,作用在距离曲柄臂内侧2r处（r为圆弧半径），两支承也是支在距离曲柄臂外侧2r处，这种状态下，曲轴属于纯弯梁的性质。曲轴的危险截面为曲柄颈中央的Ⅱ-Ⅱ截面和支承颈端部的Ⅰ-Ⅰ截面。

图1 曲轴强度计算简图

危险截面Ⅱ-Ⅱ为弯扭联合作用，但由于弯矩比扭矩大得多，对于通用压力机，可忽略扭矩的影响，只计算弯矩的作用。

截面Ⅱ-Ⅱ的弯矩MW为：

则截面Ⅱ-Ⅱ的最大应力σ为：

根据弯曲应力及强度条件，曲轴安全工作条件为：

由式（3）可以导出由Ⅱ-Ⅱ截面强度所允许的滑块许用负荷为：

式中：Pg——公称压力

Lq——曲柄两臂外侧面间的距离

La——曲柄颈长度

dA——曲柄颈直径

r——圆角半径

W——弯曲截面系数

【σ】——许用弯曲应力

【P】Ⅱ-Ⅱ——许用负荷

危险截面Ⅰ-Ⅰ也为扭弯联合作用，但此处截面与Ⅱ-Ⅱ截面正好相反，扭矩比弯矩大得多，故忽略弯矩的影响，只计算扭矩的作用。

截面Ⅰ-Ⅰ的扭矩:Mq=Pg×mq，这里mq为当量力臂。

当 α=αP时，mq=mp

所以截面Ⅰ-Ⅰ的最大剪应力τ为：

根据剪切应力及强度条件，曲轴安全工作条件为：

由式（8）可以导出由Ⅰ-Ⅰ截面强度所允许的滑块许用负荷为：

式中：R——曲柄半径

α——曲柄转角

αp——公称压力角

λ——连杆系数

μ——摩擦系数，μ=0.04～0.06

dB——连杆球头直径

d0——支承颈直径

mp——公称压力角下的当量力臂

Wt——扭转截面系数

【τ】——许用剪切应力

【P】Ⅰ-Ⅰ——许用负荷

从式（9）可以看出，滑块上的许用负荷【P】是随着曲柄转角α的变化而变化的。当α从90°到180°变化时，α愈大，则mq愈小，因而【P】愈大。图2即为滑块许用负荷曲线图。

图2 滑块许用负荷曲线图

1.2 加压能力和扭矩能力与压力机的选用

从图2的曲线可以看出，由Ⅱ-Ⅱ截面强度曲线和Ⅰ-Ⅰ截面强度曲线而围成的曲线abc区即为滑块许用负荷区，曲线abc的下方空间即是负荷安全区。曲柄压力机在不同的α角下工作时，其工作能力相差悬殊，在选用压力机时需严格注意其工作角度和滑块最大负荷，使工件变形力落在abc阴影以下的安全区内，以保证设备安全工作。

压力机的设计上，由于对冲压能力留有一定余地，所以通常不会在压力超过公称压力时即刻发生危险，这个裕度通常有30%。但在压力机加工中常因加工材料的材质和板厚不匀、送料误差等产生过负荷（而且幅度相当大）。所以即使有30%的余量，而以超过30%的负荷来使用也是非常危险的，所以必须规定允许的最大压力就是公称压力。

与压力机加压能力相关连的压力机的结构部分是承受作业荷重（压力）的部分，包括机体、工作台面、滑块、连杆、曲轴（特别是曲轴支称部等），若产生超过能力的过负荷情形，就会损坏这些零部件。

与扭矩能力相关的构造部分是从离合器到曲轴的传递回转力的零件,包括曲轴、传动轴、齿轮等。因此，若发生对这个能力的过负荷，一般会使摩擦离合器打滑及刚性离合器的曲轴、传动轴等产生扭曲，而引起离合器、键类、齿轮类零部件损坏。

即使扭矩能力与传动系统的扭矩容量相等，也需注意行程长度变化时扭矩能力也会发生变化。行程长度变化时，公称压力产生的位置会发生改变，加长行程时公称压力产生位置会下降，缩短行程时公称压力产生位置会上升，所以必须考虑。

现仅将行程改变之后，扭矩能力会怎样变化的实例表述如下。以下死点以上10mm处具有200tf的扭矩能力、行程长度为200mm的200tf压力机为基准,只更换曲轴以改变行程长度时在行程的各位置发生的压力变化例，如表1及图3所示。

压力机选用时，其加工压力常选用公称压力75%～80%间，以留有余地，这是因为从压力机设计的经济性(价格与加工能力的关系,即性能价格比)来考虑，也就是因为压力机工作时容易产生过负荷，加工压力难以准确计算，同时满负荷使用压力机能力则机体的变形量大，会缩短模具的使用寿命，制品的精度也会受影响。

表1 行程长度变化对扭矩能力的影响

图3 行程长度变化与扭矩能力曲线图

压力机加压能力较为宽裕时，从模具寿命、冲床寿命、过负荷的安全性等方面考虑更为经济。但是为提高加工精度并延长模具使用寿命，可选用比一般压力机刚性高很多的压力机，此类即使满负荷使用也没有问题。

在选择压力机的扭矩能力时，应该先求出欲加工的压力行程曲线，再以此曲线与压力机的压力行程曲线比较，保证压力机的曲线不论在行程的任何位置都在加工曲线的上方，并有一定的间距。

如图4所示，适合a、b、c作业的压力机分别为I、Ⅱ、I。

图4 加工压力行程曲线与压力机压力行程曲线的关系

对c作业而言，虽然I压力机因具有太多的宽裕能力而不经济，但Ⅲ压力机却在③～④间其加工曲线超过了压力机曲线而不能使用，因此只能选择I压力机。

冲裁加工时，压力机的压力行程曲线与加工行程曲线的接近点在公称压力部分时，取两压力的比为100∶75～80，如图4a作业。拉深加工时，两曲线的接近点比公称压力低时，则两压力的比可取到100∶90～95，如图 4b 作业。

2 曲柄压力机做功能力分析

曲柄压力机的做功能力系指一次加工时可以安全使用的能量大小，以及一分钟可做多少次安全加工的能力。做功能力一般以在公称压力（P）下，在公称压力行程（S）进行加压所能提供的能量作为标准。曲柄压力机的做功能力主要包括做功量、主电机功率及飞轮转动惯量三个方面。压力机的最大做功能力直接影响到设备的工艺设计及使用，压力机做功时超出使用范围,会使设备的刚性受到破坏,产生各种故障或事故,影响设备寿命。分析并确定压力机的做功量、主电机功率及飞轮转动惯量是压力机设计及选用的基础。

2.1 压力机做功量的计算

机械压力机的做功量主要为工件变形功与拉深垫工做功之和。其他还有压力机在一个工作循环中曲柄连杆摩擦消耗的能量、压力机受力系统弹性变形消耗的能量、飞轮空运转及离合器结合消耗的能量等。由于压力机工作能量的确定比较复杂，在压力机的设计上一般用理论工作量来计算。

压力机一个工作循环所消耗的能量：

式中：E——压力机一个工作循环所消耗的能量，J；

P——公称压力，N；

Sh——公称压力行程，m；

S——滑块行程，m；

PD——拉深垫力，N；

KD——拉深垫能力系数。

由技术参数可知的压力机公称压力、滑块行程。对于公称压力行程，小吨位冲裁压力机一般取7mm左右。对于拉深垫力，带拉深垫的压力机按PD=P/6计算；落料、修边、锻造用压力机可以按PD=0计算。根据经验，一般KD取6基可满足通用压力机冲裁与浅拉深的要求。

2.2 主电机功率的确定

飞轮在压力机中只起储存和释放能量的作用，压力机工作所消耗的能量都是由主电机供给的。所以主电机的功率取决于压力机在一个工作循环中所消耗的能量和一个工作循环所需要的时间。

主电机功率的计算式：

式中：P电机——主电机功率，W；

E——压力机一个工作循环所消耗的能量，J；

η——总机械效率；

t——一个工作循环需要的时间，s。

压力机总机械效率一般取η=50%～70%。对于快速压力机，由于冲裁板料较薄，有效做功能量小，故效率较低。对于带有拉深垫的压力机，由于需要进行拉深工艺，有效能量大，故效率较高。

上式中一个工作循环需要的时间t为：

式中：n——滑块每分钟连续行程次数；

Cn——行程利用系数。

手工送料时滑块为断续行程，一般Cn=0.4～0.8，滑块行程次数高的取下限，低的取上限。当压力机自动送料时，滑块为连续行程，Cn=1。

2.3 飞轮转动惯量的确定

曲柄压力机是冲击载荷性质的机器，具有短时高峰载荷和长时空载的特点。曲柄压力机的一个工作循环内，在冲压、拉深等工况时负荷较大，而其他大部分时间为空行程状态，负荷又相对较小，单独依靠主电机不可能满足工作扭矩急剧变化的需要。所以，根据这个特点，曲柄压力机一般都设有飞轮。工作时，飞轮通过降低速度输出部分储存的能量；在空行程时，再由主电机加速飞轮，以恢复能量的储备。

对于冲裁工艺，由于工作时间很短，故主要靠飞轮释放能量来满足工作行程功的需要。如果忽略主电机在这时所输出的能量，那么飞轮因转速下降所产生的能量输出EA应等于压力机一个工作循环所消耗的能量E。

式中：EA——飞轮一个工作循环输出的能量，J；

Jf——飞轮转动惯量，kg·m2；

ω1——工作行程开始时飞轮角速度，弧度/s；

ω2——工作行程结束时飞轮角速度，弧度/s。

从上式中可以看出，在输出能量一定的情况下，飞轮转速的降低程度对能量的输出影响较大，工作中压力机可通过提高飞轮转速并尽量增大工作时转速的降低程度来获得需要的能量。但飞轮速度降低时，电机的转速也跟着降低，当电机的速降超过一定的限度时，电机电流迅速增加，扭矩迅速下降，电机处于超载状态，进而压力机工作的连续行程次数也受到限制。所以，为保证压力机安全工作，飞轮的速降率必须控制在一定的范围内，根据经验，压力机主电机的速降率一般取0.15左右。

根据式（3-4），在输出能量一定的情况下，要确定飞轮转动惯量的大小，首先要确定飞轮的转速。飞轮转速的平方与飞轮转动惯量成反比，飞轮转速越高，飞轮的尺寸就可以做的越小，有利于安装空间的选择。但是飞轮的转速过高，将会引起振动、发热等不利情况，对压力机的机械传动机构链也会提出更高的强度要求。鉴于此，通常飞轮的转速一般控制在250r/min～350r/min左右。

因为飞轮转速下降产生的能量输出EA等于压力机一个工作循环所消耗的能量E，这时EA=E，所以飞轮的转动惯量Jf为：

飞轮转动惯量计算出来后，就可以确定飞轮的尺寸。

3 曲柄压力机的变速能力分析

在设计和选用曲柄压力机时，需要验算滑块的工作速度是否小于加工件塑性变形所允许的合理速度。滑块行程次数和滑块行程是计算滑块运动速度的基本依据，开式曲柄压力机通用产品的滑块行程考虑了浅拉深工艺的要求，滑块行程次数受工件材料允许的最大拉深速度所限制；而用作冲裁的专门化开式曲柄压力机，则具有较高的滑块行程次数。

在需要较大加工能量的拉深加工，或在将原来以手工送料作业的冲裁加工改成自动送料的连续高速加工时，就会使压力机产生能量不足的问题。若发生这类过负荷时，会使冲床的转速越来越低，甚至停止。但很少会发生像加压能力及扭矩能力过负荷时那样造成结构损坏。与这个能量相关的结构部分是主电机功率、飞轮储能能力等。如果增加冲床的转速，飞轮的惯性动能储存量就增大，作业能力也会增大。所以由变速电机驱动飞轮时，会由速度的不同而改变压力机的作业能力、可加工工件的尺寸也会变化。