高工作节拍下机械压力机的平衡力设定研究

高守源 王传英 陈 超

（济南二机床集团有限公司，济南 250012）

平衡器是机械压力机的关键部件之一，能够平衡上模具、滑块以及连杆等的质量，防止滑块因质量下降导致齿轮反向受力而产生撞击和噪声，消除连杆和滑块间的间隙，减少受力零件冲击和磨损[1-2]。有关平衡器的研究工作开展较多，内容主要围绕平衡器设计和平衡力大小的确定展开。赵先等[3]研究了平衡器气压过高、过低时对压力机产生的影响；杨莉等[4]研究了平衡力对转动副间隙的影响，确定了施加给压力机滑块的最佳平衡力。目前，尚未见有关平衡力大小与压力机运行次数的关系研究。本文以济南二机床生产制造的PE2-1000型机械压力机为研究对象建立了仿真模型，运用Adams软件模拟了不同工作次数下压力机滑块和偏心齿轮的受力特点，并通过试验测试验证了仿真结果的正确性，提出了高工作节拍下平衡力的设定建议，为今后的压力机设计提供了理论指导。

1 有限元模型的建立

因压力机结构具有对称性，为了简化计算，建立主传动1/4模型，如图1所示。采用弹簧模拟平衡器，通过改变弹簧的刚度模拟平衡力的大小。定义偏心齿轮顺时针旋转方向为正方向，滑块运动方向及受力方向竖直向下为正方向。

图1 压力机简化模型

2 结果讨论

设定平衡力在滑块1/2行程处完全平衡滑块和连杆等的质量，仿真分析压力机工作次数对滑块速度、加速度、连杆对滑块作用力、偏心扭矩等的影响规律。

偏心齿轮转一圈（0°～360°），滑块往复运动一次。滑块在偏心齿轮不同转速下的速度和加速度曲线分别如图2和图3所示。可以看出，滑块在上死点（对应曲柄角度0°（360°））和下死点（对应曲柄角度180°）时速度为0 mm·s-1，加速度达到峰值滑块在曲柄角度100°和260°时加速度为0 mm·s-2，速度达到峰值。随着偏心齿轮转速的提高，滑块速度峰值和加速度峰值相应增大。

图2 不同转速下滑块速度曲线

图3 不同转速下滑块加速度曲线

图4为不同转速下连杆对滑块的作用力曲线。当工作节拍为10次/分时，在曲柄角度0°～100°和260°～360°范围内，连杆对滑块作用力竖直向上；在曲柄角度100°～260°范围内；连杆对滑块作用力竖直向下，与压力机工作时连杆对滑块的作用力方向一致，因此在实际冲压时滑块接触工件前、后不会因间隙产生冲击。随着偏心齿轮转速的提高，连杆对滑块的作用力方向发生变化。当工作节拍为40次/分时，在曲柄角度100°～260°范围内，连杆对滑块的作用力方向竖直向上，与压力机工作时连杆对滑块的作用力方向相反。此时，在滑块接触工件前、后传动副间隙位置会发生变化，导致连杆和滑块产生撞击，影响滑块的运动精度和零件加工质量。

图4 不同转速下连杆对滑块作用力曲线

图5为不同转速下主驱动电机作用于偏心齿轮的扭矩曲线。可以看出，当工作节拍为10次/分、15次/分和30次/分时，在曲柄角度0°～180°范围内，主驱动电机作用于偏心齿轮的扭矩与齿轮运动方向相反；在曲柄角度180°～360°范围内，主驱动电机作用于偏心齿轮的扭矩与齿轮运动方向相同。齿轮啮合时，非受力面存在齿侧间隙，扭矩作用方向在0°和180°发生改变，将导致齿轮产生撞击和噪声。

当工作节拍为40次/分时，滑块惯量在高速下对系统传动平稳性的影响进一步凸显，作用于偏心齿轮的扭矩在0°、75°、180°和280°均发生方向变化。与工作节拍为10～30次/分时相比，齿轮产生撞击和噪声的次数由2次增加为4次，传动平稳性进一步降低。

为了验证仿真结果的正确性，采集工作节拍为40次/分时的主驱动电机的转速曲线，如图6所示。偏心齿轮转速为40转/分时，对应主驱动电机转速为1 370转/分。主驱动电机为异步电机，设定转速为1 370转/分。从图6可以看出，主驱动电机在偏心齿轮一个运动周期内进行了多次加减速，在曲柄角度为0°～100°和180°～260°范围内电机减速，电机对外做功，作用在偏心齿轮上的扭矩方向与偏心齿轮旋转方向相同。在曲柄角度为100°～180°和260°～360°范围内电机加速，外界对电机做功，作用在偏心齿轮上的扭矩方向与偏心齿轮旋转方向相反，与图5中的理论仿真结果一致，证明了仿真结果的正确性。

图5 不同转速下偏心齿轮扭矩曲线

图6 主电机转速曲线

由分析可知，当随着压力机工作节拍的提高，受滑块惯性的影响，齿轮运行过程中的撞击频次增加，在滑块接触板料前、后连杆和滑块间的运动副也存在冲击，降低了压力机运行的稳定性。平衡器能够削弱滑块惯性对运行稳定性的影响.为了解决高工作节拍下运行稳定性问题，将平衡力调整为原平衡力的1.6倍再次进行仿真分析，结果如图7所示。同样，在工作节拍为40次/分的条件下，与图5中的结果相比，连杆对滑块的作用力在整个运动周期内均竖直向下，避免了在工作过程中运动副的冲击，且偏心齿轮受力状态也发生了改变，其所受的扭矩仅在曲柄角度为0°和180°附近产生方向变化，解决了偏心齿轮在75°和280°时的冲击问题。但是，平衡力增加会导致连杆受力增大，应注意在任意位置连杆受力均不得超过机械压力机的公称力曲线，以防造成零件损坏。

图7 提高平衡力对压力机运行状态的影响

3 结论

本文研究了平衡力大小对机械压力机运行状态的影响，主要结论如下。

（1）平衡器能够消除连杆与滑块运动副之间的间隙，减少受力零件在工作时的冲击和磨损。平衡力的设定应考虑机械压力机工作节拍，以获得最佳的工作状态。

（2）随着机械压力机工作节拍的提高，适当增加平衡力可提高滑块运行的平稳性，但需要特别注意在任意位置因平衡力增加导致的连杆受力增大，不能超过机械压力机的公称力曲线。