鍛造操作機(jī)升降傾斜機(jī)構(gòu)的設(shè)計

馬 波，劉軍毅，劉 暢，郝 瑾，成法坤，蔡軍黨，郝 樂

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，西安 710032)

0 前言

鉗架是操作機(jī)的一個主要組成部分，位于操作機(jī)的中心位置。它由鉗口裝置、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、鉗架本體等主要部分組成，完成鍛件的夾持和繞自身的軸線自轉(zhuǎn)。不同尺寸、形狀的鍛件在鍛造過程，其中心線離砧面高度不同，要求鉗架能夠相應(yīng)的平行升高或者平行降低;從地面拾取鍛件或者放置鍛件到壓機(jī)砧面，要求鉗架能夠下傾、上傾。鉗架通過銷軸，以及設(shè)在其鉗架本體上的鉸支點，和鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)連接。

1 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架的工作原理

中國重型機(jī)械研究院為某鋁加工企業(yè)設(shè)計、制造的一臺50 kN具備裝出料機(jī)功能的有軌液壓操作機(jī)，鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)采用了雙平行四連桿機(jī)構(gòu)，平行四連桿機(jī)構(gòu)安排在機(jī)體的兩側(cè)［1］。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

根據(jù)不同的使用工況，鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足鉗架平行升降、傾斜動作、行程范圍及速度的要求。同時考慮到鍛造過程對鉗架沖擊和振動大的特點，還應(yīng)該在鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)中設(shè)置緩沖裝置，以保證設(shè)備自身整體結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。緩沖裝置包括水平緩沖裝置和垂直緩沖裝置，能夠使鉗架自動復(fù)位。

根據(jù)圖1可知:雙平行四連桿升降傾斜機(jī)構(gòu)的特點是具有兩個平行四連桿，它可以使鉗架(鉗桿)軸線始終保持平行，即始終保持在水平線上。兩個平行四連桿為A1B1B2A2和B1C1C2B2。

當(dāng)鉗架進(jìn)行平行升、降動作時，傾斜缸不參與工作，A1點固定不動。前曲桿A2B2C2繞固定點A2點轉(zhuǎn)動，后曲桿A1B1C1繞A1點轉(zhuǎn)動。鉗架B1EB2F與前后曲桿鉸接與B1、B2兩點。鉗架的平行升降通過平行升降缸的運動來實現(xiàn)的，平行升降缸的缸體和鉗架鉸接與E點，平行升降缸的柱塞和后曲桿鉸接與F點。平行升降缸設(shè)計為復(fù)合缸，在柱塞里面集成一個小柱塞，在工作超載時，起緩沖保護(hù)作用。當(dāng)平行升降缸的缸體進(jìn)油時，柱塞向右移動，EF的距離增大，迫使后曲桿繞A1點順時針方向轉(zhuǎn)動，帶動B1點升高。因為前曲桿和后曲桿平行并且相等，則同步帶動前曲桿繞A2點順時針方向轉(zhuǎn)動，B2點同步升高。通過平行四連桿機(jī)構(gòu)A1B1B2A2使鉗架平移上升。反之，當(dāng)平行升降缸的缸體排油時，在鍛件和鉗架等自重的作用力下，柱塞向左移動，EF的距離減小，迫使后曲桿繞A1點逆時針方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉗架平行下降。當(dāng)平行升降缸的缸體即不進(jìn)油、也不排油時，EF的距離保持不變，平行四連桿機(jī)構(gòu)B1C1C2B2受到平行升降缸的約束，形狀將固定不變。此時，前曲桿、鉗架、后曲桿和平行四連桿變成一個整體，相當(dāng)與一個剛性構(gòu)件，鉸接與A1、A2點上。由于A1、A2點固定不動，所以，在平行升降缸不工作時，鉗架保持在一定位置不動。

圖1 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架示意圖Fig.1 Diagram of tong frame for doubl-parallel four-rod mechanism

當(dāng)鉗架進(jìn)行傾斜動作時，傾斜缸進(jìn)行工作，平行升降缸不參與工作。A點及整個構(gòu)件繞固定點A2轉(zhuǎn)動，使鉗架上傾或者下傾。

通過上述運動特點可知，第一個平行四連桿A1B1B2A2的作用是保證鉗架實現(xiàn)平行升降，第二個平行四連桿B1C1C2B2的作用是:①在平行升降缸不工作時，能夠使鉗架保持在一定位置;②在平行升降缸工作時，保證前、后曲桿能夠同步轉(zhuǎn)動而不受阻礙。

2 雙平行四連桿鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)的分析

2.1 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架升降運動分析

雙平行四連桿升降傾斜機(jī)構(gòu)尺寸示意如圖2所示。

圖2 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架升降運動分析圖Fig.2 Analysis chart of lifting motion of tong frame on doubl-parallel four-rod mechanism

鉗架的平行升降通過前曲桿A2B2C2繞固定點A2點轉(zhuǎn)動，后曲桿A1B1C1繞A1點轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。鉗架的升降范圍H根據(jù)用戶具體使用條件提出 (已知)，轉(zhuǎn)角 α2、β2根據(jù)經(jīng)驗取值(30°～35°)。

則:

可求出桿A2B2的長度，同樣方法，也可求出桿A1B1的長度。

桿B1C1、桿 B2C2以及連桿 C1C2的長度，主要是考慮平行升降缸和鉗頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝位置，在保證整體結(jié)構(gòu)緊湊，又要便于日后維修拆裝的基礎(chǔ)上，設(shè)計合理長度即可。

由圖2可知:

2.2 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架傾斜運動分析

圖3為鉗架傾斜運動示意圖。由圖3可看出，δ1為鉗架上傾最高位置時擺動的角度，一般根據(jù)經(jīng)驗值取5°～7°;δ2為鉗架下傾著地位置時擺動的角度;根據(jù)鉗頭著地要求做圖可以確定。

圖3 雙平行四連桿機(jī)構(gòu)鉗架傾斜運動分析圖Fig.3 Analysis chart of tilting motion of tong frame on doubl-parallel four-rod mechanism

在設(shè)計過程中，確定δ1、δ2的數(shù)值后，以A1A2為半徑，分別向上、向下旋轉(zhuǎn)角度δ1、δ2，即可得到A11、A12兩點的位置。

則傾斜缸的行程S為:A11H－A12H

3 設(shè)計過程中的有關(guān)參數(shù)計算

中國重型機(jī)械研究院設(shè)計制造的一臺50 kN有軌液壓操作機(jī)，鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)采用了雙平行四連桿機(jī)構(gòu)。其中，用戶對設(shè)備的使用參數(shù)提出要求。

(1)要求鉗架平行升降高度為1000 mm。從設(shè)備整體布局合理的角度出發(fā)，設(shè)計過程中，設(shè)計桿B1C1的長度為875 mm、桿B2C2的長度為875 mm、連桿C1C2的長度為2750 mm。

同理，設(shè)計∠EB1F=θ=55°，α1=α2=30°

B1F=B3F1=B4F2=437．5 mm

B1E=B3E1=B4E2=750 mm

根據(jù)公式，圓整計算數(shù)據(jù)，得出E1F1=830 mm，E2F2=395 mm。

則，平行升降缸的行程S為:S=E1F1－E2F2=435 mm

根據(jù)以上設(shè)計數(shù)據(jù)，可以確定平行升降缸的行程 S、桿 A1B1、桿 A2B2、桿 B1C1、桿 B2C2、桿C1C2的長度。

(2)要求鉗桿上傾角度7°，下傾著地。鉗架下傾著地位置時擺動的角度δ2(設(shè)計過程中，確定有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)后，通過作運動軌跡圖得出此角度)

由運動軌跡得知

則傾斜缸的行程S為:A11H－A12H=680 mm，實際設(shè)計過程中，選擇傾斜缸時，可使缸的行程留有一定余量。

根據(jù)以上設(shè)計數(shù)據(jù)，可以確定傾斜缸的行程S。

上述計算過程表明，在有關(guān)參數(shù)已知的條件下，通過分析導(dǎo)出的計算公式，可以確定鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)中的一些重要機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。

4 結(jié)論

(1)采用此鉗架升降傾斜機(jī)構(gòu)的50 kN有軌液壓操作機(jī)，從2009年投產(chǎn)至今，一直在用戶現(xiàn)場正常使用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，表明此設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、傳動布置緊湊、運行安全可靠。

(2)本文通過對鉗架雙平行四連桿機(jī)構(gòu)的升降傾斜運動分析，得出有關(guān)鉗架設(shè)計的一些基本思路和計算公式，可以幫助設(shè)計人員在以后的有關(guān)設(shè)計中，減少設(shè)計工作量。

［1］ 劉暢，劉軍毅．帶裝出料功能的5t多功能有軌液壓鍛造操作機(jī)［J］．重型機(jī)械，2010(5)11．

［2］ 余發(fā)國，高峰，郭為忠等．鍛造操作機(jī)的回顧與展望［A］．中國機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)應(yīng)用國際會議論文集［C］．上海:中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械傳動分會機(jī)構(gòu)學(xué)專業(yè)委員會，2007:09－10．

［3］ 牛勇，張營杰，房志遠(yuǎn)等．1000 kN/2500 kN·m鍛造操作機(jī)吊掛裝置仿真研究 ［J］．重型機(jī)械，2011(2):19．

［4］ 陳宏偉，謝春普，張樹慶，等．操作機(jī)鉗桿旋轉(zhuǎn)減速機(jī)失效分析 ［J］．重型機(jī)械，2012(2):62．