復合材料壓機的新型機械鎖設計與分析

廖永輝

（福建海源自動化機械股份有限公司, 福州350000）

0 引 言

復合材料因其優越的材料力學特性，應用越來越廣泛。近年來，復合材料產品已涉及到國防建設和國民經濟的諸多領域，如航空航天、建筑、汽車、機電裝備、石化和軍用裝備等多個行業。以航空航天領域為例，A400M 和波音787 飛機機型的復合材料占飛機結構重量比分別為36%和50%。可見，當今復合材料在一個國家的發展水平，已成為衡量各國綜合國力的標志之一。因此，發展復合材料技術顯得尤為重要［1-3］。

成型技術是復合材料技術領域的關鍵技術之一，特別是以技術密集、高度自動化、高精度的模壓成型技術是該技術領域的重中之重。當前，機械化成型復合材料產量已達總產量的60%以上，且模壓成型方法生產效率和成型精度高，表面光潔，尤其對結構復雜的復合材料制品可一次成型，不會影響復合材料制品性能。復合材料液壓機正是模壓成型技術領域的主流裝備，其性能直接決定了復合材料制品的性能［4-7］。

復合材料液壓機是由可編程序控制器操縱的，集機、電、液一體化的液壓成型設備。其中，液壓機的機械鎖（也稱安全栓/銷）屬安全部件，是這一裝備的重要安全保護裝置,其作用有二：一是在液壓機工作循環中，操作人員在壓機活動梁下方作業時，將活動梁在上位鎖住，不讓下滑；二是在檢修、保養或更換模具的時候，將活動梁鎖在上限位，不讓下滑，其功能應符合國家強制標準《GB5091-2011 壓力機安全防護裝置技術要求》。此外，為了避免壓機在機械鎖鎖緊后其導軌間隙發生變化，一般設計的機械鎖均為平衡式的，其特點是其承力部件對活動梁施加的垂直向上的力，成對的機械鎖合力與活動梁的重心重合。

1 問題的提出及分析

以插銷式為代表的平衡式機械鎖在壓機中有廣泛的應用，多為液壓缸驅動，如圖1 所示。

圖1 插銷式機械鎖

液壓機通常包括下梁、立柱、活動梁，立柱設在下梁兩側，活動梁沿立柱上的導軌上下活動。在液壓機的兩側分別設有插銷式機械鎖。插銷式機械鎖由插銷板、銷軸、液壓缸等組成，插銷板固定在液壓機的活動梁上并設有插銷孔；銷軸通過插銷座固定在液壓機的上梁或支柱上，其活塞桿連接銷軸，液壓機在人工裝取料、不工作或者檢修時，機械鎖銷軸在液壓缸的帶動下，插入插銷板的插銷孔中，將活動梁固定于上限位，防止活動梁下滑造成危險。

因活動梁的重量大，銷軸一般為大直徑的銷軸，要求插銷孔也是大直徑，如此會導致插銷板的強度降低而造成斷板，而且大直徑的銷軸也會導致操作不便。此外，因結構限制，需要布置在液壓機側邊，工作人員不易觀察機械鎖動作，存在安全隱患。最重要的一點，機械鎖檔間距不可能很小，很難實現多檔位鎖緊控制，尤其是長檔間距比較困難。因此目前此類機械鎖均沒有設置多檔位。

這些問題在大噸位復合材料液壓機上顯得特別突出，以海源自動化機械股份有限公司的HET2500 復合材料液壓機為例，其額定壓力為2 500 t，工作臺面最大可達3 500 mm×2 500 mm，主缸行程2 200 mm 以上，活動梁及柱塞部分重量37t。所配模具高矮不一，為配合不同的模具高度，液壓機機械鎖必須實現多檔控制，且最大檔間距要求在500 mm 以上，以達到最高的工作效率。

機械鎖作為液壓機上重要的安全裝置，在強度、控制、穩定性等方面的要求較高，目前插銷式的機械鎖多數已經不能滿足要求，需要一種替代產品。

2 非平衡式掛鉤機械鎖

通過具體的方案論證和實踐，掛鉤式機械鎖是一種較好的解決方案：如圖2，動鉤以平鍵鎖緊在活動梁上；擺鉤1 通過銷軸7 固定在上梁，由氣缸6 推動可以來回擺動，從而實現活動梁的鎖緊與放開。通過有限元優化設計掛鉤的形狀及厚度以滿足強度要求，避免加工影響銷孔強度；通過布置掛鉤間距，易于實現多檔位控制。但掛鉤式機械鎖屬于非平衡式機械鎖，其側向力必須通過導正裝置予以平衡。

1）側向力的產生。擺鉤對動鉤的作用力F（指向銷軸圓心）可分解成側向力F1與活動梁部分重力平衡的縱向力F2（如圖3 所示）。

以海源公司的HET2500 壓機計算單邊機械鎖受側向力F1=F2×tan25°=370 kN÷2×0.466=86.3 kN≈8.6 t。

圖2 掛鉤式機械鎖結構示意圖

圖3 動鉤受力圖解

成對的機械鎖的側向力會形成一對力偶，該力偶會影響活動梁與導軌之間的間隙，受壓一邊間隙減小，另一邊增大。隨著液壓機的工作循環，機械鎖不斷反復動作，液壓機的導向機構將逐漸失去精度，嚴重時會導致模具啃模、主缸拉傷等后果。

為消除這一不利影響，在動鉤上設計導正裝置（如圖2 所示，包括導正鍵2 及導正滑塊4）以平衡側向力F1，并調整導正間隙為0.2 mm，防止動鉤在側向力的作用下帶動活動梁歪斜。

2）動鉤應力分析。動鉤是掛鉤式機械鎖的主要受力零件之一，隨著作用力的反復施加，在動鉤的鍵槽根部會產生較大的擠壓應力，用SolidWorks 軟件進行有限元分析，建模網格劃分及網格參數如圖4 所示，其邊界條件與載荷分布如圖5 所示，并進行有限元分析，其結果如圖6、圖7 所示。

由上述圖解分析可知，最大應力在動鉤鍵槽處，大小為266 MPa。動鉤及鍵的材質均為中碳鋼，并調質處理。導正裝置也能很大程度上緩解鍵槽處應力過大的問題，在導正鍵槽施加一個平衡側向力的載荷F3，重新進行分析，如圖8 所示。

圖4 動鉤建模與網格劃分

圖5 動鉤的載荷設置及其邊界條件

圖6 應力圖解

圖7 Y（水平）方向位移圖解

圖8 加平衡力應力圖解

由上述有限元分析可知，由于導正裝置的引入，新型掛鉤式機械鎖鍵槽處應力由266 MPa 降低至130 MPa 左右，動鉤水平位移也由0.7 mm 降至0.2 mm 左右（導正鍵與導正滑塊的間隙值）。結構穩定可靠，符合液壓機對機械鎖的安全要求，同時也消除了掛鉤側向力對導軌間隙的不利影響。

3 結 論

1）掛鉤式機械鎖采用鉤形設計，無需開設大直徑鎖孔，可實現多檔位長行程鎖緊，滿足了復合材料模壓工藝對大臺面、長行程壓機可靠鎖緊的安全需求，提高壓制循環的效率。

圖9 加平衡力位移圖解（Y 方向）

2）采用有限元優化設計鉤的形狀并結合創新設計的導正裝置，可保證結構穩定可靠，滿足導軌的導向精度的要求，與傳統機械鎖結構相比，其安全可靠性更高。

3）掛鉤機械鎖方便布置于壓機正面，在操作員可視范圍內，便于目視管理，對突發的故障等能夠及時發現并處理。另外，擺動鉤體擺動時所需的驅動力較小，可采用氣缸作為動力源，成本顯著降低。

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