螺旋壓力機新型過載保護裝置的結構探討

朱成康，范常榮（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

螺旋壓力機新型過載保護裝置的結構探討

朱成康，范常榮
（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

提出了一種適用于螺旋壓力機的新型蓄能緩沖型過載保護裝置新結構。探討了其原理和設計計算方法以及在機器力能與效率測試中的應用。

螺旋壓力機；過載保護裝置；結構；新型

螺旋壓力機雖然也屬于定能量輸出型鍛壓機械，但它與鍛錘相比在工作原理上也有著顯著的區別：鍛錘是由動力源把能量直接轉化為錘頭的動能而實施打擊；而螺旋壓力機則是動力源把能量先轉化為飛輪的轉動能然后再通過螺旋副間接轉化為滑塊的壓力能。兩者比較，螺旋壓力機有以下幾個顯著特點：①滑塊行程速度比較低，通常為0.165m/s～0.7m/s；②在能量轉換過程中由于螺旋副中摩擦的存在，傳動效率必然有所降低；③由于滑塊行程速度低，不利于多次連續壓力成形。因此為適應單次壓力成形的需要，公稱能量通常是鍛錘的兩倍以上。

由于公稱能量大，使螺旋壓力機對于過載保護的需要更加迫切，因此飛輪打滑的過載保護便早已在該類設備上得到廣泛使用，并且也已經有了許多成熟的經驗。但在長期的使用中也暴露了若干缺點有待改進。例如由于摩擦材料的摩擦系數難以準確確定，摩擦功的計算不但復雜，而且誤差也大，給調試和生產增加了額外困難；根據文獻[2]提供的資料，實測與計算結果相差竟達數倍之多；摩擦材料又是易損件，經常更換不但增加成本，也影響生產；此外，力能測試不但需要浪費許多壓塌塊，而且也不夠準確，等等。因此，對現有螺旋壓力機的飛輪打滑過載保護裝置的升級改造尤顯必要，本裝置就是在這樣的技術背景下產生的。

1 結構原理

根據螺旋壓力機的上述特點而設計的本裝置如圖1所示。

它是一個專用的小型氣液蓄能緩沖器,可直接安放在滑塊內（安放在底座內也未嘗不可）。由于滑塊的行程速度低，基本不存在回程沖擊問題，因此取消了回程節流阻尼，從而使得其結構更加簡單可靠。緩沖柱塞的上端與螺桿相連接（內部結構僅供參考，不作推薦）。其工作過程如下：在內腔封閉的條件下，預先通過充氣補油接口向腔內充氮氣至初始壓強pc≈140kg/cm2（由氣源廠的實際情況而定），然后在同一接口根據需要的緩沖壓力Ph由充油泵向內充油至預緊壓強py，這樣就形成了一個被預緊了的蓄能緩沖墊。當工作壓力Pi≤Ph時，緩沖柱塞不工作；當Pi＞Ph時，則緩沖柱塞向下行程壓縮氣墊吸收能量，從而達到過載保護的目的。工作行程完了，緩沖柱塞隨螺桿的返程而復位并帶動滑塊一起回程。

圖1 螺旋壓力機新型過載保護裝置結構原理

為了防止在熱鍛時滑塊溫度的變化引起內部氮氣壓強py波動從而導致緩沖壓力Ph的不穩定，本裝置特在放油路上增添了一個小流量的高壓溢流閥。這樣，當滑塊溫度升高導致內部氮氣壓強升高時，通過溢流閥的溢流而降壓；而當滑塊溫度降低后氮氣壓強降低時，則可通過壓力傳感器發出信號控制充油泵自動補油來確保py的相對穩定。

為確保安全，本裝置內腔的調壓介質推薦采用阻燃油。

上述方案中的“溢流-補液”穩壓方式和阻燃油也同樣適用于文獻[1]中的鍛錘過載保護裝置。

2 設計要點

本裝置仍按最惡劣工作條件（全能量無鍛件空壓）來設計。由于實際工況多半是有鍛件變形的正常壓力加工，所以按此條件的設計結果是足夠安全的。

2.1 緩沖壓力Ph的確定

螺旋壓力機有公稱壓力P0和最大工作壓力Pm兩個主要力學參數，這表明其主要工作范圍應在P0以內，但也允許在必要時達到Pm值（故強度設計應顧及Pm）。因此本裝置Ph的確定主要以P0為依據，但同時也應該能調整到Pm。需要特別指出的是，就本裝置的設計而言，都能滿足要求，而且如果按Pm作為緩沖壓力的話，則由于此時機器吸收的彈性變形能更多，所以本裝置所要吸收的緩沖能反而降低，緩沖行程也更小了，從而使本裝置的結構更加緊湊。但與此同時，蓄能緩沖器的預緊油壓強py將有所提高，機器的受力將增加，強度的安全系數也有所降低。所以緩沖壓力Ph的設定和調整雖然對于本裝置來說是方便靈活的，但是用戶在使用時應當權衡利弊，謹慎處理。基本的原則是：在盡量滿足具體工藝對象成形的條件下，Ph值應取得越低越好，這樣既能確保成形，又能更好地滿足機器和模具的強度需要，一舉兩得。

2.2 緩沖壓力能Eth的確定

由于螺旋副中摩擦的存在，螺旋壓力機在無鍛件全能量空壓條件下的能量平衡方程為：

E1=Ei+Eti+Emi

式中：E1——機器的公稱能量；

Ei——任意壓力Pi時的機器彈性變形能；

Eti——任意壓力Pi時的本裝置所吸收的緩沖壓力能。Eti≈Pi△Bi，其中△Bi為本裝置的緩沖行程，可由上端預留的間隙B的變化測得。Pi為本裝置的緩沖預緊力，可由調整預緊油壓強py獲得。由于在緩沖過程中py有少許波動，它與氮氣腔的原始容積有關，精確計算應考慮修正，后面的簡化計算均未作考慮；

Emi——與緩沖壓力能Eti相對應的螺旋副摩擦功。

假設螺旋副的傳動效率為ηm，即ηm=Eti/（Eti+Emi）,由此可導出：

Emi=[（1-ηm）/ηm]Eti，代入前式可得：

Eti=（E1-Ei）ηm

根據文獻[1]，工作壓力為Pi時對應的緩沖壓力能：

Eti=E1[（E1-Ei）/E1]ηm=E1[（P12-Pi2）/P12]ηm=E1ηiηm同理，當緩沖工作壓力為Ph時對應的緩沖壓力能：

Eth=E1[（E1-Eh）/E1]ηm=E1[（P12-Ph2）/P12]ηm=E1ηhηm

式中：ηi——工作壓力為Pi時與機器彈性變形能Ei相對應的傳動效率；

ηh——緩沖壓力為Ph時與機器彈性變形能Eh相對應的傳動效率。

最大壓力P1可由小能量空壓法測算而得：

P1=Pi（E1/Ei）1/2

3 實例計算

為便于對本裝置計算方法的理解，本文特以文獻[2]和文獻[3]所提供的630型螺旋壓力機的資料對其中的若干主要設計參數作出初步的簡化計算（計算中的所有數據僅供參考，不作推薦）。

3.1 根據文獻[2]計算

文獻 [2]提供的已知條件為：公稱能量E1＝7200kg·m；公稱壓力P0=630t；極限沖擊壓力（最大壓力）P1/P0=2.19，故P1=2.19×630=1380（t）；緩沖壓力Ph/P0=1.12，故Ph=1.12×630=706（t）；螺桿的螺旋升角α=13°8′。

需要說明的是，極限沖擊壓力P1和緩沖壓力Ph與公稱壓力P0的比值在文獻原文中明顯遺漏了小數點，本文作了更正。

3.2 參數計算

3.2.1 工況1，緩沖壓力Ph＝706t（文獻[2]）（1）本裝置需要吸收的緩沖壓力能：

Eth=E1[（P12-Ph2）/P12]ηm

式中：ηm——螺旋副的傳動效率。本裝置制成后可參照后面4.3節的方法測算；作為簡化計算，可近似參考由斜楔機構所推導的關系式ηm=1／（1＋2μcotα）計算，其中μ為機構的摩擦系數，根據實際工況可在一定范圍內變動，此處設μ=0.04；α為斜楔角，相當于螺桿的螺旋升角，此處為13°8′。代入得ηm≈0.75。于是，代入全部已知數據后便得到：

Eth=7200×[（13802-7062）／13802]×0.75≈3980 （kg·m）

бy=（706×1000）/[（π/4）×（502-402）]≈1000（kg/ cm2），很安全。

（3）為達到此預緊力，柱塞大徑D面上的油壓預緊壓強：

py=（706×1000）/[（π/4）×502]≈360（kg/cm2）,屬于一般高壓范圍。

（4）柱塞的緩沖行程：

△Bh=Eth/Ph=3980/（706×1000）≈0.56（cm）

（5）一次緩沖行程所需油的體積：

（1）模擬酒配方。調整蔗糖含量為20 g/L，不添加乙醇和磷酸氫二銨，其余成分同1.3.1中擴培階段模擬酒。

△Vh=（π/4）×D2×△Bh=0.785×502×0.56≈1099（cm3）=1.099（L）

（6）為減少緩沖時的壓力波動，暫以15△Vh來確定氮氣腔壓縮后的體積Vh=15×1.099≈16.5（L）

（7）氮氣腔的初始容積V0可按等溫條件下的壓縮比來確定：

V0=（360/140）×16.5≈42.4（L）

（8）滑塊工作溫度的影響：

由理想氣體的狀態方程可知，為確保氮氣緩沖壓強py的相對穩定（即恒壓條件），則它的體積與它的絕對溫度成正比。假設滑塊的初始絕對溫度為t= 273+27=300（K），最終絕對溫度為400K，則氮氣的最終體積v=（400/300）×Vh=（400/300）×16.5=22（L）,相應地氮氣體積增量為22-16.5=5.5（L），此數據也即為溢流閥的排油體積。此時氮氣緩沖時的壓縮比β= 22／1.099=20＞15，說明在這種情況下，本裝置氮氣的壓力波動更小，因而緩沖性能反而更好。

3.2.2 工況2，緩沖壓力調至最大壓力Pm＝1000t（文獻[3]）

（1）本裝置所要吸收的緩沖壓力能：

Etm=E1[（P12-Pm2）/P12]ηm=7200 [（13802-10002）/ 13802]×0.75≈2564（kg·m）＜Eth

（2）本裝置上端環形面積上的壓縮應力：

бym=1000×1000/[（π/4）（502-402）]≈1415（kg/cm2）＞бy

（3）本裝置所需的油壓預緊壓強：

pym=1000×1000/[（π/4）×502]≈510（kg/cm2）＞py

（4）柱塞的緩沖行程：

△Bhm=2564/（1000×1000）≈0.002564（m）=0.2564 （cm）＜△Bh

（5）一次緩沖行程所需油的體積：

△Vhm=（π/4）×502×0.2564≈503（cm3）＜△Vh

（6）按等溫條件下的壓縮比大致確定此時氮氣腔的體積：

Vhm=V0/（510/140）≈42.4/3.64≈11.65（L）＜Vh

（7）緩沖時氮氣的壓縮比為：

β=Vhm/△Vhm≈≈（11.65×1000）/503≈23.2＞15,說明在此條件下氮氣的壓力波動更小，因而緩沖性能更好。

由于在計算緩沖壓力能時忽略了預緊油壓力波動的影響，計算結果稍有偏差。

從以上分析計算可知，本裝置的結構設計在技術上是可行的。

4 擴展應用

本裝置除了具有過載保護的安全功能以外，還具有一個非常有用的擴展功能，即機器的力能和分類傳動效率的測定。

應當指出：由于受氮氣腔原始容積V0的影響，緩沖變形時工作壓力Pi會隨充油壓強py的波動而波動。為了提高測量精度，后面在緩沖能量計算時Pi 和py都應當采用在緩沖變形過程中的平均值。

4.1 工作壓力的測定

需要測試的工作壓力Pi可在公稱壓力P0和最大壓力Pm之間根據需要任意設定并由改變充油壓強py而得到。

Pi=py×（π/4）×D2

式中：D——柱塞大端直徑。

4.2 工作能量的測定

實際輸入的飛輪最大能量E1可通過實測飛輪轉速ω后計算得到：

ω=υ/r

式中：υ——飛輪外周線速度，可通過電測法得到；

r——飛輪半徑。

E1=（1/2）Jω2

式中：J——飛輪轉動慣量,應當由設備計算書給出。

4.3 機器分類傳動效率的測定

我們可以把本裝置的緩沖變形模擬地理解為鍛件的塑性變形，那么就可以把Eti理解為有用功：Eti≈Pi×△Bi。測量△Bi的變化，如果△Bi=0，則說明機器剛性不足，飛輪的輸入能量E1全部被機器的彈性變形所吸收，測試壓力沒有達到Pi的設定要求，即Eti=0，所以此時機器的總效率η為0；如果△Bi＞0，則說明測試壓力達到了Pi的設定要求，于是機器的傳動總效率：

η=（Pi△Bi）/E1，可代入測試數據直接算得。

由前面已經推導過的Eti=Pi△Bi=E1ηiηm代入得：

η=（E1ηiηm）/E1=ηiηm，于是螺旋副的傳動效率：

ηm=η/ηi。根據文獻[1]，ηi是工作壓力為Pi時與機器彈性變形能Ei相對應的傳動效率，可由下式算得：

ηi=（P12-Pi2）/P12

式中：P1——實際輸入能為E1時的最大壓力，前已指出P1可由小能量空壓法測算得到。為提高測試精度，此處Pi應為緩沖變形終了時的實際壓力。

這樣，就可以通過測量和計算E1、P1、Pi和△Bi等數據，方便地計算出所要求的機器力能參數和分類傳動效率。

5 結論

根據螺旋壓力機的特點而設計的本裝置構思合理，結構簡單，克服了原來飛輪打滑過載保護裝置的缺點。實例計算也證明了本裝置的結構設計在技術上是可行的。同時，本裝置也為該類設備的力能和分類傳動效率測試提供了一個更加簡單而又方便的方法，可避免老方法的壓塌塊浪費。它將對未來該類新老設備的設計和改造具有重要的參考價值。

[1]朱成康，范常榮.鍛錘過載保護裝置的原理及結構探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2016，51（6）.

[2] 杜桂春.國內外螺旋壓力機兩個主要設計參數比較分析[J].遼寧師專學報，2005，7（2）.

[3]JB/T 1194.1-2011，電動螺旋壓力機型式與基本參數[S].

Structural discussion about new overload protection device for screw press

ZHU Chengkang,FAN Changrong
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

A new kind of energy storage buffering type overload protection device which is suitable for the screw press has been put forward in the text.The principle and design calculation method have been discussed,as well as the application in machine force and efficiency test.

Screw press;Overload protection device;Structure

TG315.6

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.013

1672-0121（2017）02-0044-04

2016-12-20；

2017-02-09

朱成康（1939-），男，研級高工，國務院特貼專家，從事鍛壓裝備研制開發。

E-mail：fcr@zds.com.cn