虛擬技術(shù)的壓力機(jī)設(shè)計(jì)

虛擬技術(shù)的壓力機(jī)設(shè)計(jì)

　由于精密成形冷鍛件的需求不斷增加，目前國內(nèi)正在開發(fā)公稱力和公稱力行程都相對(duì)較大的多連桿機(jī)構(gòu)冷鍛壓力機(jī)，以期改變被國外大壓力機(jī)公司壟斷的局面。雖然國內(nèi)企業(yè)大都感受到增強(qiáng)自主開發(fā)新產(chǎn)品核心能力的迫切性，但與國際先進(jìn)水平相比仍存在差距，因此需要提高自身進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的能力，以滿足國內(nèi)、國際市場(chǎng)的需求［1］。
　
　冷鍛壓力機(jī)的設(shè)計(jì)涉及多方面的技術(shù)，其中主機(jī)的設(shè)計(jì)始終是設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵，需要很多工程技術(shù)人員在理論和實(shí)踐中不斷的積累和完善。冷鍛壓力機(jī)具有工作載荷大、工作頻率高，以及滑塊重復(fù)精度要求高等特點(diǎn)。特別是采用肘桿機(jī)構(gòu)時(shí)，要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，滑塊運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，整機(jī)在工作過程中振動(dòng)和沖擊小，以達(dá)到降低噪聲，提高精度的目的。由于壓力機(jī)有急回特性要求，在回程時(shí)滑塊在上死點(diǎn)附近受力情況很差，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，甚至容易產(chǎn)生自鎖［2］。文中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)某12500kN肘桿機(jī)構(gòu)冷鍛壓力機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)平衡缸部件的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、不同摩擦條件，以及作用的平衡載荷的大小和方向等進(jìn)行了分析。從而得出了平衡缸部件的設(shè)計(jì)依據(jù)，可為該類壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。
　
　1冷鍛壓力機(jī)結(jié)構(gòu)及平衡缸設(shè)計(jì)簡介
　
　1．1冷鍛壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介根據(jù)冷鍛成形的工藝特點(diǎn)，12500kN冷鍛壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的桿系結(jié)構(gòu)采用廣義肘桿機(jī)構(gòu)。在滿足滑塊總行程300mm，公稱力行程不少于25mm設(shè)計(jì)要求的前提下，初步實(shí)現(xiàn)滑塊快速下降、慢速成形和快速返回等功能要求。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)負(fù)荷要求計(jì)算滑塊公稱力行程范圍內(nèi)的合理速度值，優(yōu)化確定各桿尺寸［6］。為12500kN冷鍛壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中肘桿機(jī)構(gòu)模型。滑塊采用負(fù)偏置結(jié)構(gòu)，其中L1為曲柄軸，L3為上肘桿，L6為下肘桿，L2，L4，L5組成三角形連桿，e表示偏置距離，A為轉(zhuǎn)動(dòng)副。12500kN壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸和質(zhì)量較大，為便于制造和運(yùn)輸采用組合結(jié)構(gòu)。機(jī)身由上梁、立柱、底座和拉緊螺栓等結(jié)構(gòu)組成。
　
　1．2平衡缸設(shè)計(jì)對(duì)于多連桿機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，平衡缸的作用是為了平衡滑塊及模具的重力，消除運(yùn)動(dòng)部件傳動(dòng)副的間隙，保證滑塊在下死點(diǎn)的重復(fù)精度［7］。根據(jù)需要的平衡載荷及滑塊和機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定平衡缸的數(shù)量。本設(shè)計(jì)中，采用2個(gè)平衡缸對(duì)稱布置在機(jī)身內(nèi)，兩活塞桿與滑塊相連。平衡缸按最大平衡載荷120kN、氣體壓力0．5MPa設(shè)計(jì)。平衡缸結(jié)構(gòu)(豎直布置)。分析表明［2］，由于肘桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在空載情況下滑塊在下死點(diǎn)附近動(dòng)態(tài)性能較好，而在上死點(diǎn)附近其動(dòng)態(tài)性能較差，這也是滑塊在下死點(diǎn)附近可承受較大載荷的原因。壓力機(jī)在公稱力行程范圍內(nèi)，滑塊離下死點(diǎn)很近，平衡缸作用的平衡載荷與壓力機(jī)工作載荷相比很小，可以忽略不計(jì)。
　
　也就是說，滑塊在下死點(diǎn)附近，平衡缸主要用于消除間隙，提高其重復(fù)精度，而對(duì)滑塊的受力影響較小。因此，對(duì)于肘桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)，在設(shè)計(jì)平衡缸和分析其對(duì)滑塊的影響時(shí)，應(yīng)考慮2種情況:當(dāng)滑塊在上死點(diǎn)附近時(shí)，主要考慮平衡載荷對(duì)其受力和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的影響;當(dāng)滑塊在下死點(diǎn)時(shí)，主要考慮平衡載荷對(duì)其在下死點(diǎn)的重復(fù)精度的影響。平衡缸布置的3種方案。平衡缸傾斜布置，活塞不僅可產(chǎn)生豎直方向的平衡力，還會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)向力。平衡缸沿豎直方向布置，其對(duì)滑塊產(chǎn)生的平衡力也是沿豎直方向的。
　

　2虛擬樣機(jī)仿真分析
　
　借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)，使用仿真軟件在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行仿真分析，觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況，在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)方案［8］。當(dāng)平衡缸采用的布置方案時(shí)，即平衡載荷沿豎直方向施加。施加約束和驅(qū)動(dòng)后的壓力機(jī)仿真模型。為了簡單起見，仿真過程中假設(shè)將輸入轉(zhuǎn)矩直接加在曲柄軸上。取滑塊行程次數(shù)為40次/min，仿真時(shí)間以1．5s為一個(gè)周期，仿真步數(shù)為300。初步估算滑塊部件、模具及其他需要平衡的運(yùn)動(dòng)部件重力約為110kN。靜、動(dòng)摩擦因數(shù)分別取0．15，0．1，取不同的平衡載荷，分析壓力機(jī)空載所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。右側(cè)縱坐標(biāo)表示壓力機(jī)空載時(shí)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，左側(cè)縱坐標(biāo)表示滑塊的行程，橫坐標(biāo)表示仿真時(shí)間。所示曲線分別為滑塊位移曲線、平衡載荷等于0，50，70，90，120kN所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線。當(dāng)平衡載荷為90kN時(shí)，轉(zhuǎn)矩曲線的2個(gè)峰值基本相等，所需的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，傳動(dòng)系統(tǒng)工作平穩(wěn)。
　
　若平衡載荷太小或者太大，都會(huì)使空載所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。為了分析轉(zhuǎn)動(dòng)副間隙對(duì)滑塊在下死點(diǎn)重復(fù)精度的影響，以下肘桿和連桿連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副A為例進(jìn)行研究，取銷軸直徑為?300mm，其與孔的間隙為0．2mm。分別在靜摩擦因數(shù)取0．15，動(dòng)摩擦因數(shù)分別為μ=0．06，0．064，0．07，0．075，0．08不同的工況下，分析有無平衡載荷對(duì)滑塊在下死點(diǎn)位置精度的影響。縱坐標(biāo)表示滑塊相對(duì)位置，橫坐標(biāo)表示仿真時(shí)間。是無平衡載荷，平衡載荷為120kN的情況下滑塊在下死點(diǎn)附近的行程曲線?？梢钥闯?，無平衡載荷時(shí)，滑塊運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，行程曲線波動(dòng)較大，在下死點(diǎn)最大波動(dòng)值約為0．15mm，滑塊在下死點(diǎn)的重復(fù)精度較差;可以看出，當(dāng)不采用平衡載荷和施加平衡載荷但平衡缸采用豎直布置方式時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩都較大。當(dāng)平衡缸采用的傾斜布置方式，以及采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，可大幅降低最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，與平衡缸沿豎直方向布置相比最大轉(zhuǎn)矩減少約32．8%，轉(zhuǎn)矩曲線基本接近理想曲線(曲線的兩個(gè)峰值相同)。
　
　3結(jié)論
　
　(1)增加平衡缸設(shè)計(jì)，可以消除或減小傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的間隙影響，提高滑塊在下死點(diǎn)的重復(fù)精度。平衡缸提供的載荷應(yīng)略大于滑塊及其附屬零部件的總重力，或取平衡載荷等于需平衡總重力的1．1～1．2倍。(2)當(dāng)平衡缸采用傳統(tǒng)的沿豎直方向布置方式時(shí)，肘桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)滑塊在上死點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，空載時(shí)驅(qū)動(dòng)軸所需的輸入轉(zhuǎn)矩較大。分析表明，平衡缸的布置方式及平衡載荷的大小都影響著滑塊的受力和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。(3)取平衡載荷等于需平衡總重力1．1～1．2倍時(shí)，平衡缸采用傾斜結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)方案，選用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，可顯著降低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大值。