锻造操作机升降倾斜机构的设计

马 波，刘军毅，刘 畅，郝 瑾，成法坤，蔡军党，郝 乐

(中国重型机械研究院有限公司，西安 710032)

0 前言

钳架是操作机的一个主要组成部分，位于操作机的中心位置。它由钳口装置、旋转机构、夹紧机构、钳架本体等主要部分组成，完成锻件的夹持和绕自身的轴线自转。不同尺寸、形状的锻件在锻造过程，其中心线离砧面高度不同，要求钳架能够相应的平行升高或者平行降低;从地面拾取锻件或者放置锻件到压机砧面，要求钳架能够下倾、上倾。钳架通过销轴，以及设在其钳架本体上的铰支点，和钳架升降倾斜机构连接。

1 双平行四连杆机构钳架的工作原理

中国重型机械研究院为某铝加工企业设计、制造的一台50 kN具备装出料机功能的有轨液压操作机，钳架升降倾斜机构采用了双平行四连杆机构，平行四连杆机构安排在机体的两侧［1］。该机构结构简图如图1所示。

根据不同的使用工况，钳架升降倾斜机构应满足钳架平行升降、倾斜动作、行程范围及速度的要求。同时考虑到锻造过程对钳架冲击和振动大的特点，还应该在钳架升降倾斜机构中设置缓冲装置，以保证设备自身整体结构的安全性、稳定性。缓冲装置包括水平缓冲装置和垂直缓冲装置，能够使钳架自动复位。

根据图1可知:双平行四连杆升降倾斜机构的特点是具有两个平行四连杆，它可以使钳架(钳杆)轴线始终保持平行，即始终保持在水平线上。两个平行四连杆为A1B1B2A2和B1C1C2B2。

当钳架进行平行升、降动作时，倾斜缸不参与工作，A1点固定不动。前曲杆A2B2C2绕固定点A2点转动，后曲杆A1B1C1绕A1点转动。钳架B1EB2F与前后曲杆铰接与B1、B2两点。钳架的平行升降通过平行升降缸的运动来实现的，平行升降缸的缸体和钳架铰接与E点，平行升降缸的柱塞和后曲杆铰接与F点。平行升降缸设计为复合缸，在柱塞里面集成一个小柱塞，在工作超载时，起缓冲保护作用。当平行升降缸的缸体进油时，柱塞向右移动，EF的距离增大，迫使后曲杆绕A1点顺时针方向转动，带动B1点升高。因为前曲杆和后曲杆平行并且相等，则同步带动前曲杆绕A2点顺时针方向转动，B2点同步升高。通过平行四连杆机构A1B1B2A2使钳架平移上升。反之，当平行升降缸的缸体排油时，在锻件和钳架等自重的作用力下，柱塞向左移动，EF的距离减小，迫使后曲杆绕A1点逆时针方向转动，实现钳架平行下降。当平行升降缸的缸体即不进油、也不排油时，EF的距离保持不变，平行四连杆机构B1C1C2B2受到平行升降缸的约束，形状将固定不变。此时，前曲杆、钳架、后曲杆和平行四连杆变成一个整体，相当与一个刚性构件，铰接与A1、A2点上。由于A1、A2点固定不动，所以，在平行升降缸不工作时，钳架保持在一定位置不动。

图1 双平行四连杆机构钳架示意图Fig.1 Diagram of tong frame for doubl-parallel four-rod mechanism

当钳架进行倾斜动作时，倾斜缸进行工作，平行升降缸不参与工作。A点及整个构件绕固定点A2转动，使钳架上倾或者下倾。

通过上述运动特点可知，第一个平行四连杆A1B1B2A2的作用是保证钳架实现平行升降，第二个平行四连杆B1C1C2B2的作用是:①在平行升降缸不工作时，能够使钳架保持在一定位置;②在平行升降缸工作时，保证前、后曲杆能够同步转动而不受阻碍。

2 双平行四连杆钳架升降倾斜机构的分析

2.1 双平行四连杆机构钳架升降运动分析

双平行四连杆升降倾斜机构尺寸示意如图2所示。

图2 双平行四连杆机构钳架升降运动分析图Fig.2 Analysis chart of lifting motion of tong frame on doubl-parallel four-rod mechanism

钳架的平行升降通过前曲杆A2B2C2绕固定点A2点转动，后曲杆A1B1C1绕A1点转动来实现的。钳架的升降范围H根据用户具体使用条件提出 (已知)，转角 α2、β2根据经验取值(30°～35°)。

则:

可求出杆A2B2的长度，同样方法，也可求出杆A1B1的长度。

杆B1C1、杆 B2C2以及连杆 C1C2的长度，主要是考虑平行升降缸和钳头旋转机构的安装位置，在保证整体结构紧凑，又要便于日后维修拆装的基础上，设计合理长度即可。

由图2可知:

2.2 双平行四连杆机构钳架倾斜运动分析

图3为钳架倾斜运动示意图。由图3可看出，δ1为钳架上倾最高位置时摆动的角度，一般根据经验值取5°～7°;δ2为钳架下倾着地位置时摆动的角度;根据钳头着地要求做图可以确定。

图3 双平行四连杆机构钳架倾斜运动分析图Fig.3 Analysis chart of tilting motion of tong frame on doubl-parallel four-rod mechanism

在设计过程中，确定δ1、δ2的数值后，以A1A2为半径，分别向上、向下旋转角度δ1、δ2，即可得到A11、A12两点的位置。

则倾斜缸的行程S为:A11H－A12H

3 设计过程中的有关参数计算

中国重型机械研究院设计制造的一台50 kN有轨液压操作机，钳架升降倾斜机构采用了双平行四连杆机构。其中，用户对设备的使用参数提出要求。

(1)要求钳架平行升降高度为1000 mm。从设备整体布局合理的角度出发，设计过程中，设计杆B1C1的长度为875 mm、杆B2C2的长度为875 mm、连杆C1C2的长度为2750 mm。

同理，设计∠EB1F=θ=55°，α1=α2=30°

B1F=B3F1=B4F2=437．5 mm

B1E=B3E1=B4E2=750 mm

根据公式，圆整计算数据，得出E1F1=830 mm，E2F2=395 mm。

则，平行升降缸的行程S为:S=E1F1－E2F2=435 mm

根据以上设计数据，可以确定平行升降缸的行程 S、杆 A1B1、杆 A2B2、杆 B1C1、杆 B2C2、杆C1C2的长度。

(2)要求钳杆上倾角度7°，下倾着地。钳架下倾着地位置时摆动的角度δ2(设计过程中，确定有关机械结构参数后，通过作运动轨迹图得出此角度)

由运动轨迹得知

则倾斜缸的行程S为:A11H－A12H=680 mm，实际设计过程中，选择倾斜缸时，可使缸的行程留有一定余量。

根据以上设计数据，可以确定倾斜缸的行程S。

上述计算过程表明，在有关参数已知的条件下，通过分析导出的计算公式，可以确定钳架升降倾斜机构中的一些重要机械结构尺寸。

4 结论

(1)采用此钳架升降倾斜机构的50 kN有轨液压操作机，从2009年投产至今，一直在用户现场正常使用，取得了显著的经济效益和社会效益，表明此设计结构合理、传动布置紧凑、运行安全可靠。

(2)本文通过对钳架双平行四连杆机构的升降倾斜运动分析，得出有关钳架设计的一些基本思路和计算公式，可以帮助设计人员在以后的有关设计中，减少设计工作量。

［1］ 刘畅，刘军毅．带装出料功能的5t多功能有轨液压锻造操作机［J］．重型机械，2010(5)11．

［2］ 余发国，高峰，郭为忠等．锻造操作机的回顾与展望［A］．中国机构与机器科学应用国际会议论文集［C］．上海:中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会，2007:09－10．

［3］ 牛勇，张营杰，房志远等．1000 kN/2500 kN·m锻造操作机吊挂装置仿真研究 ［J］．重型机械，2011(2):19．

［4］ 陈宏伟，谢春普，张树庆，等．操作机钳杆旋转减速机失效分析 ［J］．重型机械，2012(2):62．