多层压机偏置杠杆式同时闭合机构设计

(华南农业大学，广东 广州 510642)

目前多层人造板压机上最常用的同时闭合机构是图1所示的杠杆式同时闭合机构，其典型结构形式有对置式和偏置式两种，杠杆式同时闭合机构的设计计算也有详细介绍[1-2]，但其中构件尺寸计算公式以偏置式推导而得，构件受力分析公式以对置式推导而得。笔者在讲授《木材加工装备学》课程时，配套布置有偏置式杠杆同时闭合机构课程设计实践，发现多数学生在参考相关文献时[3]，只是机械地引用书中公式，致使设计计算结果存在较大偏差甚至错误。

图1 杠杆式同时闭合机构多层压机

本文以5层偏置式杠杆同时闭合机构设计为例，给出了构件主要尺寸计算、主要构件受力分析及强度校核计算的公式或方法。

1 计算简图和设计参数

在多层压机的四角布置有四套杠杆式同时闭合机构，每套机构由推杆、摆杆、若干拉杆组成。如图2所示，推杆的一端与压机活动下顶板在C点铰接，推杆的另一端与摆杆在B点铰接，摆杆另一端与压机机架在A点铰接；拉杆的一端铰接在摆杆的节点Bi，拉杆另一端铰接在对应热压板的一角Ci。

压机闭合时，主油缸柱塞推动活动下顶板上移带动推杆运动，通过B铰推杆推动摆杆绕A铰转动，铰接在摆杆与热压板上的拉杆提升各热压板同时向上运动，从而实现压机同时闭合。

本文以5层偏置式杠杆同时闭合机构的设计为例，设计参数见表1，压机各层热压板全开和全闭时的计算简图如图2(a)、图2(b)所示，受力分析如图2(c)所示。

图2 尺寸计算简图与构件受力分析

表15层偏置式杠杆同时闭合机构设计参数

偏距OA/mm张开角α/°闭合角α′/°热压板间距Cmax/mm热压板尺寸L×B/mm×mm热压板厚度δ/mm制品尺寸L×b/mm×mm制品厚度s/mm制品密度ρ坯/kg·min-3摆杆支点A距上热压板表面距离a/mm推杆支点C距下热压板表面距离b/mm19845862002 700×1 4201202 500×1 28010700380270

2 构件主要尺寸计算

当n层压机完全开启时，有：

O点至各层热压板铰接点距离：

OC1=a+Cmax+δ/2

(1)

OCi=OCi+(i-1)×(Cmax+δ)，i=2，2…，n-1

(2)

摆杆铰接点A到推杆铰接点C的距离：

AC=OC1+(n-1)×(Cmax+δ)-δ/2+b

(3)

ACi与铅垂线AC之间夹角：

(4)

(5)

类似地，当n层压机完全闭合时(热压板间无板坯)有：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(12)

代入示例设计参数，计算得到5层偏置式杠杆同时闭合机构的主要尺寸Ri、li，见表2。

表25层偏置式杠杆同时闭合机构的主要尺寸

拉杆号OCi/mmαi/°OC′i/mmα′i/°ACi/mmAC′i/mmRi/mmli/mm164017.190 760 1744024.227 745 32669.93 482.50 225.30 598.94 296011.653 840 5956019.472 139 3980.21 593.97 435.99 825.26 31 2808.793 247 30268016.234 317 091 295.22 708.24 642.50 1 052.27 41 6007.054 487 65180013.901 350 771 612.20 824.14 847.25 1 279.52 51 9205.887 814 28492012.145 784 921 930.18 941.07 1 051.09 1 506.88 62 45001 25002 450.00 1 250.00 1 349.37 1 774.25

注：表中第6行数据分别为AC、∠ACA、AC′、∠AC′A、AC、AC′、R、L。

3 主要构件的受力分析与强度计算

为简化分析计算，以热压机全开启状态时的静态作用力代替热压机闭合过程中的动态作用力，忽略转动副中的摩擦力。各构件受力分析如图2(c)所示，推杆和拉杆是二力杆，摆杆受轴力、剪力和弯矩共同作用。

3.1 拉杆受力分析

考察热压板的平衡，拉杆对热压板的垂直分力：

Fi=FH/4

(13)

FH是每块热压板上的作用力，包括重力和惯性力。为计算简便，只计入热压板和板坯质量，不计惯性力，即：

FH=ρ钢LBδ+ρ坯Lbs

(14)

拉杆轴向拉力：

Fis=Fi/cosβi

(15)

其中，βi=αi+γi，γi可在△ACiBi中应用余弦定理求得：

(16)

求出所有拉杆中最大拉杆拉力Fismax作为拉杆强度计算的依据。拉杆设计直径为：

(17)

式中：[σ]为拉杆材料许用应力。

将示例设计参数代入以上公式，计算得到5层偏置式杠杆同时闭合机构中各拉杆的拉力Fis，见表3。

为分析应用的需要，拉杆作用在摆杆铰接点的拉力Fis分解为垂直分力Fit和轴向分力Fit。

表35层偏置式杠杆同时闭合机构的拉杆拉力等

拉杆号βi/°Fis/NFir/NFit/NFitRi/N·mFit(R-Ri)/N·m136.624 354 3311 023 1 606 10 906 2 457 12 259 237.842 243 6911 203 1 396 11 116 4 846 10 153338.309 925 811 275 1 314 11 198 7 195 7 916 438.533 037 4511 310 1 274 11 238 9 521 5 643538.654 406 7811 329 1 252 11 259 11 835 3 358Fismax=11 329

3.2 摆杆受力分析

摆杆BA，在各个铰点Bi上受到各拉杆li的拉力Fis作用。其轴向拉力Fir和垂直分力Fit分别为：

Fir=Fissin(90°-(α-βi))=Fiscos(α+βi)

(18)

Fir=Fiscos(90°-(α-βi))=Fissin(α+βi)

(19)

(20)

支点B处推杆对摆杆的轴向力FCt：

(21)

(22)

轴承A处的轴向分力FAr：

(23)

3.3 推杆受力分析

根据力三角形，推杆受到的轴向力为：

(24)

其中β可在△ABC中应用余弦定理求得：

(25)

推杆截面设计公式为：

(26)

式中：[σ]为推杆材料许用应力。

推杆BC在铰点C的总作用力可分解为垂直分力FC力和水平分力FCn：

(27)

水平分力FCn由设置在对边的另一组杠杆机构平衡。

热压机动梁的总推力：

(28)

将示例设计参数代入以上公式，计算得到5层偏置式杠杆同时闭合机构中摆杆与推杆的受力，见表4。

表45层偏置式杠杆同时闭合机构摆杆与推杆受力

β/°FCt/NΣFir/NFCs/NFCr/NFC/NFA/NFAr/N32.532 210 5826 571 6 841 27 213 5 875 22 943 29 146 -966

3.4 摆杆强度计算

根据工程力学中对梁的内力分析方法，5层偏置式杠杆同时闭合机构中摆杆内力图如图3所示。图3(a)分别选取A点右侧、B点左侧、各拉杆铰接点左右两侧无限近处的横截面作为控制面。以假想横截面在各控制面处分开摆杆，分析摆杆任一部分的平衡，可计算出摆杆在各控制面处的各内力分量。

(a) 摆杆受力图

(b) 摆杆轴力图

(c) 摆杆剪力图

(d) 摆杆弯矩图

3.4.1 轴向力

节点i左侧控制面轴向力为：

(29)

节点i右侧控制面轴向力为：

(30)

3.4.2 剪力

节点i左侧控制面剪力为：

(31)

节点i右侧控制面剪力为：

(32)

3.4.3 弯矩

节点i左右两侧控制面弯矩相等，按以下递推公式计算：

M(1)=FA·R1

M(2)=FA·F2-F1t(R2-R1)

……

M(i-1)=FA·Ri-F1t(Ri-R1)-F2t(Ri-R2)

-…F(i-1)t(Ri-Ri-1)

(33)

表55层偏置式杠杆同时闭合机构中摆杆各集中力附近控制面上各内力分量

控制面ab1′b1″b2′b2″b3′b3″b4′b4″b5′b5″cFN(x)/N966 966 -640 -640 -2 036 -2 036 -3 349 -3 349 -4 623 -4 623 -5 875 -5 875 FQ(x)/N29 146 29 146 18 240 18 240 7 124 7 124 -4 074 -4 074 -15 312 -15 312 -26 571 -26 571 M(x)/N·m0 6 566 6 566 10 409 10 409 11 881 11 881 11 047 11047 7 926 7 926 0

由图3可见，最大弯矩Mmax、最大轴力FNmax和最大剪力FQmax出现在摆杆不同截面上。精确的摆杆强度校核应选取多个危险截面，计算其当量应力不超过许用应力。粗略计算时忽略剪力的影响，按最大弯曲应力和最大轴向拉伸应力的叠加应力进行强度校核。得摆杆强度校核公式：

(34)

式中：A为摆杆的横截面积；W为摆杆的抗弯截面模量。

4 拉杆长度补偿油缸计算

虽然各拉杆按压机闭合过程中保持长度不变来设计，但由于存在制造、装配及板坯厚度等偏差，不可能保证各层热压板同时闭合，为了不损坏拉杆，要求压机闭合过程中各拉杆具有既柔又刚的特性，即必要时拉杆长度能在一定范围内伸长或缩短。一般在各拉杆上安装弹簧式或液压缸式长度补偿装置。对于液压缸式拉杆长度补偿装置的设计计算方法，包括补偿缸行程和油缸直径的计算，相关文献有详细介绍，在此不再展开。

5 小结

本文推导出了偏置式杠杆同时闭合机构设计过程所需的相关计算公式，包括构件主要几何尺寸计算、主要构件受力分析与粗略强度校核计算。以给定参数的5层偏置式杠杆同时闭合机构设计为例，对这些公式的具体应用作了计算验证和展示。