50 t有軌裝出料機傾斜缸力的計算

陳 哲 繩會玲 尚英軍 張 慧

（西安蘭石重工機械有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

在鍛造行業中，鍛件在加熱后裝取、運送是個難點，為解決這個難題，在鍛造車間一般會設置機械手、吊鉗或裝出料機。其中，裝出料機是一種集合多種獨立動作，可實現行走、升降及旋轉功能的熱鍛件裝取料設備。裝出料機種類較多，但就其分類來說，大體上與鍛造操作機類似，即按運行方式的不同，可分為有軌裝出料機、無軌裝出料機及懸掛式裝出料機。其中，軌道式裝出料機由于可承受重載，往往大型鍛造壓機會配備。而軌道式裝出料機主要有潘克結構、惠爾曼式等結構。10 000 t模鍛壓機配備的50 t有軌裝出料機吊掛系統采用的是潘克的平行升降結構，由于存在串缸結構，所以吊掛系統中傾斜缸的受力分析比較復雜，現針對50 t有軌裝出料機傾斜缸的力進行分析。

1 潘克結構裝出料機

如圖1所示，潘克結構裝出料機采用的是平升缸與傾斜缸聯動的形式實現鉗桿的升降，傾斜缸為柱塞缸，平升缸為活塞缸，平升缸有桿腔的面積和傾斜缸的缸徑面積一致，平升缸和傾斜缸之間設置有串聯管路。當鉗桿要平行升降時，只需使壓力液體通過對平升缸的無桿腔進液／排液以及平升缸與傾斜缸之間的串聯管路實現。當鉗桿需要傾斜時，只需對傾斜缸進行單獨控制。此種結構平行控制簡單，通過控制平升缸就可實現傾斜缸的聯動，從而保證鉗桿的平行升降。

圖1 潘克結構裝出料機

2 油缸受力

無論分析哪種油缸的受力情況，最終都可以轉化到桿的受力情況，比如柱塞缸就是分析柱塞桿的受力情況，活塞缸就是分析活塞桿的受力情況。

柱塞桿的受力分析較簡單，由于柱塞缸只有一腔油，所以柱塞桿只受液壓油對柱塞桿的壓力和一個外力；而活塞缸有兩腔油（有桿腔和無桿腔），所以相對于柱塞桿就多了一個力（另外，當其中一腔與油箱相連時，此腔的壓力視為0）。

3 根據理論力學中力和力矩的方法計算傾斜缸的力

對于串缸結構中的傾斜缸由于它也是柱塞缸，所以也只受兩個力，也就是外力和液壓油對柱塞桿的壓力。筆者在分析50 t有軌裝出料機平升缸和傾斜缸的受力情況時，推算傾斜缸的壓力是通過分析鉗桿和前吊臂的受力情況，即分析鉗桿和前吊桿所受的力和力矩。

具體分析過程：首先，由于前后吊桿相對于豎直方向的夾角都較小，為計算方便，假定前后吊桿都是豎直狀態（另忽略緩沖缸對前吊桿的作用力和各個部位的摩擦力）。

3．1 對鉗桿的受力分析

鉗桿只受三個外力，即重力、前吊桿提供的力、后吊桿提供的力，如圖2所示。

圖2 鉗桿受力示意圖

已知前后吊桿鉸接處的距離為3 680 mm。通過Solid－Works作圖得出，當夾持50 t棒料時，鉗桿和物料的整體重心位置距離前吊桿和鉗桿鉸接處約為2 990 mm。

已知重力的方向向下。根據理論力學知識可以很容易得出F1和F2的方向（圖2）。已知重力G＝117 t，由以上數據列方程式：

力方程式：

力矩方程式：

由方程（1）、（2）解出F2≈212 t，F1≈95 t。

3．2 對前吊臂的受力分析

由于忽略緩沖缸對前吊桿的作用力，所以可以把前吊桿看為二力桿；前吊桿要給鉗桿提供向上的拉力F2，而這個力需要前吊臂提供，由于前吊桿是二力桿，那么鉗桿就有一個向下拉前吊臂的力F2′，如圖3所示。

圖3 前吊臂受力示意圖

對于前吊臂，它受三個力，即前吊桿對前吊臂向下的拉力、傾斜缸對前吊臂的支撐力、機架對前吊臂的作用力（圖3）。再根據理論力學方法得出它們的方向，并列方程：

力方程式：

力矩方程式：

由方程（3）、（4）得出傾斜缸對前吊臂的支撐力F傾為323 t，由于有兩個傾斜缸，所以每個傾斜缸所需的力為161．5 t，這樣就可以根據傾斜缸直徑270 mm得出傾斜缸壓力28 MPa，這個值是理論值，需要乘上系數1．2，即最終確定傾斜缸壓力為33．6 MPa。

4 結果正確性分析

目前，對于用以上方法得出的傾斜缸壓力，很多人存在很多疑問，認為所求出的值過大。

首先認為串缸結構對于傾斜缸的受力是沒有影響的，傾斜缸是柱塞缸，它只受兩個力，也就是外力和液壓油提供的力；其次，對于傾斜缸來說它的外力只靠鉗桿自重來提供，鉗桿的重量和重心不變，它所受的外力也不會改變，那么液壓油的壓力也就不會改變。串缸結構真正影響的是平升缸，它只是增加了一個對平升缸上腔的壓力。

下面對平升缸進行受力分析。

由上述計算過程已經得出F1＝95 t，對后吊臂進行受力分析。

后吊桿要給鉗桿提供向上的壓力F1，而這個力需要后吊臂提供，由于后吊桿是二力桿，那么鉗桿就有一個向上壓后吊臂的力F1′，如圖4所示。

圖4 后吊臂受力示意圖

對于后吊臂，它受三個力，即后吊桿對后吊臂向上的壓力、傾平升缸對后吊臂向下的拉力、機架對后吊臂的作用力（圖4）。再根據理論力學方法得出它們的方向，并列方程：

力方程式：

力矩方程式：

由方程（5）、（6）得出傾斜缸對前吊臂的支撐力F平為145 t，由于有兩個平升缸，那么每個平升缸需要提供的拉力為72．5 t。

當不存在串缸結構時（圖5），那么平升缸的有桿腔需要提供一個向下的壓力P1（≥72．5 t），且無桿腔壓力Fp可以為0。此時四連桿結構要實現平升降是很困難的，因為系統要對平升缸的有桿腔提供一個向下的壓力，而平升缸的活塞桿又要向上運動。當存在串缸結構時（圖6），由于傾斜缸的油腔和平升缸的有桿腔相連，傾斜缸內油壓等于平升缸有桿腔的油壓，由于它們面積相等，所以液壓油提供的壓力也相等，即P1′＝P2。

圖6 存在串缸結構

圖5 不存在串缸結構由此可列方程式：

由上述方程式解出平升缸下腔液壓油提供的壓力為89 t，且根據簡化最后得出：平升缸的推力為定值Fp＝S×G／2，S為吊臂的杠桿比。

5 結語

通過以上計算，筆者推斷設計串缸的工程師的初衷是：（1）通過串缸把傾斜缸的油壓作用到平升缸的上腔，產生一個向下的拉力，這個拉力可以用來抵消平升缸對后吊臂的拉力，使系統只需提供一個對平升缸向上的壓力；（2）讓四連桿結構平行升降。

上述過程把串缸結構產生的力也計算在內，所以其所求出的傾斜缸所需壓力是正確的。

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