大型有轨锻造操作机行走机构设计

卫凌云，张营杰，牛 勇，冯东晓，杜学斌

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安710032）

0 前言

为适应大型自由锻造压机快速发展的需要，与之配套的锻造操作机出现了重载大吨位、高精度、自动化的发展趋势，因此，必须设计新的结构形式、采用先进的控制方式以实现设备高性能可靠运行。

大型有轨锻造操作机具有大车行走、钳口夹持、钳头回转、钳杆升降倾斜及垂直、水平缓冲等功能。行走功能是其关键功能之一，其结构优劣决定着设备运行的稳定性和控制的精确性，其性能直接影响着锻造生产效率和锻件质量。

1 行走机构的结构及特点

行走机构主要由车体、驱动装置、行走轮组、行走轨道及行程控制系统等组成，其结构如图1 所示。车体采用焊接组合结构。左右两侧墙板与连接体为焊接结构，带连接体的左右墙板通过键和螺栓与中间连接机构组成车体框架。

图1 行走机构结构图

一般采用液压马达做动力源的液压驱动装置，并根据操作机运动质量要求设计不同数量的驱动轮组。驱动装置安装在车体底部，按照设计要求左右成组对称安装。驱动轮为销齿轮，与销轴齿条啮合带动大车行走，克服了普通链条因连接容易松动、启停时晃动等引起的运动不平稳、控制精度低等缺陷。销齿轮上安装有光电编码器对齿轮运动进行实时检测，为行走精度控制提供依据。

大车车轮在轨道上行走，对运动车体起支撑作用，并不对设备提供驱动力。带有凸缘设计的车轮与轨道配合，保证了操作机车体运行中与压机的对中性。

该行走机构具有如下特点：采用了液压马达驱动方式，不需要增加额外的变速器，只需液压控制系统调节输入液压马达的流量即可改变其行走速度，实现无级变速；车体行走驱动装置采用销齿轮与齿条啮合，可实现无齿隙传动，减小了冲击，运行平稳且控制精度高；在轨道上行走车轮的带凸缘设计，确保操作机车体运行中与压机的对中性，实现快速平稳运行。

2 行走机构的设计

2.1 总驱动力的计算

操作机及锻件的综合质量是计算驱动力的主要参数，结合设计运动加速度计算出驱动力。

计算时首先根据接触应力确定支撑轮的直径与数量，以此为基础，确定销齿轮的节圆直径，计算出驱动力矩，进而确定驱动轮组的数量和能力，并进行轮组转速和马达输出转速的校核。

操作机开始运动过程中车轮的受力主要有：操作机及锻件的综合质量引起的车轮支撑力和车轮与轨道的摩擦力、产生加速度所需要的驱动力。图2 为行走轮在运行时的受力分析简图。

以下计算行走轮系在开始运行时所需要的总驱动力：

图2 行走轮受力分析简图

式中：F驱——行走轮运行时所需要的驱动力，N；

f——行走轮运行时的摩擦力，N。f=Gμ；

m——操作机及锻件的综合质量，kg；

a——操作机行走时的加速度，a 取1.5～2m/s2；

G——操作机及锻件的综合重力，N；

μ——行走轮与轨道之间的摩擦系数，滚动摩擦系数μ 取0.001。

2.2 总驱动力矩的计算

驱动力矩是马达选型的依据，根据驱动轮的数量确定马达的扭矩。

式中：M驱——总驱动力矩，Nm；

R轮——行走轮半径，m；

K——计算系数，K 取1.2。

2.3 每个马达的驱动扭矩

式中：M马达——每个马达的驱动扭矩，Nm；

n——驱动轮数量。

2.4 销齿传动的几何计算

2.4.1 销齿直径的确定

式中：dp——销齿直径，mm；

[σH]——材料许用接触应力，kg/cm2；

If——每个驱动轮所要传达的扭矩，Nm；

ψ——齿轮宽度系数。

2.4.2 销齿齿距的确定

在设计时一般取dp/P=0.4～0.5，可以计算出销齿齿距：

2.4.3 确定齿轮节圆直径、齿轮齿数

根据操作机最大行走速度及最快工作转速可以计算齿轮节圆直径：

式中：d轮——齿轮节圆直径，mm；

vmax——最大行走速度，m/min；

nmax——最快工作转速，r/min。

齿轮齿数的计算按下式计算：

通过上式计算出齿轮齿数后进行圆整，取为整数，重新计算齿轮节圆直径。

2.5 销齿传动的强度计算

2.5.1 接触强度校核

齿轮的接触强度根据上式校核，满足上式设计满足要求，否则需要重新设计。

2.5.2 弯曲强度校核

2.5.2.1 齿轮验算

式中：σF1——轮齿计算弯曲应力，kg/mm2；

b——齿轮宽度，mm；

P——销齿齿距或齿轮节距，mm；

[σF1]——材料许用弯曲应力，kg/mm2。

2.5.2.2 销齿验算

式中：σF2——销齿计算弯曲应力，kg/mm2；

b——齿轮宽度，mm；

L——夹板间距，mm；

[σF2]——材料许用弯曲应力，kg/mm2。

2.5.3 夹板挤压强度校核

式中：σpr——夹板挤压强度，kg/mm2；

δ——销轮夹板厚度，mm；

L——夹板间距，mm；

[σpr]——材料许用挤压应力，kg/mm2。

3 行走机构液压控制系统

3.1 操作机行走机构的性能特点

操作机的行走一般通过液压马达驱动销齿轮在销轴齿条上运动实现。根据自由锻造工艺的特性，要求操作机行走具有以下特点：①液压马达可以正反转，以实现大车的前进与后退；②液压马达转速可以无级调节，以适应不同锻造工艺要求；③液压马达快速启动与精确制动，实现操作机的精确送进与平稳运行；④系统具有过载保护功能，避免造成设备损坏。

3.2 行走机构液压控制系统设计

本控制方案采用恒压比例控制系统。由恒压泵与蓄能器组成恒压油源，采用比例方向阀进行控制。可以满足操作机的正反向行走，并实现速度无级调节。保证启动时马达快速上压、迅速运动；停止时通过调整比例阀关闭曲线，保证操作机精确停止、减少冲击和振动。在操作机制动过程或因外力引起车体移动时，蓄能器和溢流阀共同作用吸收压力冲击防止系统过载，充液单向阀可防止马达吸空，确保设备正常运行。中间隔离阀有效地解决了比例阀中位泄露的问题，确保操作机可靠定位。图3 为行走机构液压控制系统原理图。

图3 行走机构液压控制原理图

3.3 行走无隙传动系统的提出及控制原理

锻造操作机行走时通过液压马达驱动的销齿轮与销轴齿条啮合实现往复运动，在换向时销齿轮与销轴存在啮合间隙，容易产生换向冲击，并出现位置测量误差，进而影响操作机运行的平稳性和位置控制精度。对大型操作机而言，因其较大的运动质量产生巨大的惯性力，停止时冲击大，制动距离长，位置控制精度低，严重时会影响锻造生产的正常进行，锻件质量也难以保证。

针对上述问题，为提高操作机行走位置控制精度提出了行走无隙传动系统，如图4 所示。

图4 行走无隙传动系统

行走无隙传动系统包括行走轨道、前销齿轮、后销齿轮、安装在销齿轮上的液压马达和检测用光电编码器等组成。由光电编码器采集到的信号，通过计算机处理反馈到液压比例控制系统，控制操作机行走动作。操作机两组驱动装置工作时机联合又独立，一个运动方向设定一个主驱动轮，相对的为从驱动轮；反向运动时主、从功能相互交换。根据系统设定，启动时两组驱动轮同向驱动。

4 应用实例及验证

该行走机构已成功应用于多台套系列规格的新型有轨锻造操作机，动作迅速、运行平稳、定位精确，性能可靠，极大地提高了锻造操作机的设备性能。

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