兩種不同結構機械壓力機傳動機構運動學分析

閆金良，余志海，董 娜

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 曲柄連桿機構壓力機運動分析

本節我們將分析曲柄連桿機構壓力機的運動，構建其傳動機構數學模型，得到曲柄連桿機構壓力機滑塊的運動方程。曲柄連桿機構結構如圖1 所示。將其簡化為四桿桿組機構，如圖2 所示。

圖1 曲柄連桿傳動機構圖

圖2 曲柄連桿傳動機構簡圖

利用復數矢量法建立運動學方程：

由方程組可得位移s、速度v、加速度a：

2 八桿機構機械壓力機傳動機構運動分析

本節我們將分析八桿機構壓力機的運動，構建其傳動機構數學模型，得到八桿機構壓力機滑塊的運動方程。八桿機構主傳動結構如圖3 所示。將其簡化為八桿桿組機構，如圖4 所示。

圖3 八桿機構傳動機構圖

圖4 八桿機構傳動機構簡圖

采用模塊化方法將該機構分為三個二級機構，分別根據矢量方程解析法進行運動分析，得出運動方程。

第一個二級機構如圖5 所示，該機構以OO1為機架，L1為原動件，L3為從動件，機構自由度為1。已知條件：各桿L1、L2、L3的桿長，L1桿的初始角度φ1，O1點的X、Y 坐標；所求量：桿L2、L3與X 軸正向的夾角。

圖5 第一個二級機構

由解析法列出運動方程：

消去φ2整理得：

式中：

由φ3可得：

第二個二級機構如圖6 所示，該機構以OO1為機架，L1、L4為原動件，L6為從動件，機構自由度為2。已知條件：各桿L1、L4、L5、L6的桿長，L1、L4桿的初始角度φ1、φ4=φ3+α，α 為桿L3與桿L4的夾角，O1點的X、Y 坐標；所求量：桿L5、L6與X 軸正向的夾角。

圖6 第二個二級機構

由解析法列出運動方程：

消去φ5整理得：

式中：

第三個二級機構如圖7 所示，該機構以y 軸為機架，L1、L7為原動件，L8為從動件，機構自由度為2。已知條件：各桿L1、L7、L8的桿長，L1、L7桿的初始角度φ1、φ7=φ6-β；β 為桿L6和桿L7夾角所求量：桿L8與X 軸正向的夾角，滑塊的位移量S。

圖7 第三個二級機構

由解析法列出運動方程：

由方程求得：

滑塊位移：

滑塊速度：

滑塊加速度：

式中：w7、g7分別為桿7 的角速度與角加速度；w8與g8分別為桿8 的角速度與角加速度。

3 滑塊運動方程及運動曲線

下面求解曲柄連桿機構滑塊和八連桿機構滑塊運動方程并生成相應的位移、速度、加速度曲線。

使用數值計算軟件分別求解曲柄連桿機構滑塊和八連桿機構滑塊運動方程并生成相應的位移、速度、加速度曲線，如圖8、9、10、11、12、13 所示。

圖8 曲柄滑塊位移曲線

圖9 八桿機構滑塊位移曲線

圖10 曲柄滑塊速度曲線

圖11 八桿機構滑塊速度曲線

圖12 曲柄滑塊加速度曲線

圖13 八桿機構滑塊加速度曲線

4 對比分析

對比分析兩種結構的位移、速度、加速度曲線可得，曲柄連桿機構的機械壓力機滑塊在拉伸過程中運行的速度、加速度較大。通過速度曲線圖可以看出，八桿機構的滑塊在工作過程中速度較低且近似為勻速運動，滑塊空行程時運動速度較高，具有急回的特性。

5 結論

在薄板深拉伸工藝過程中，曲柄連桿機構的機械壓力機滑塊在拉伸過程中運行速度、加速度較大，造成拉伸成形中的零件易撕裂或起皺，拉伸件的合格率低，造成品較多。壓力機使用的模具在上、下模合模的瞬時沖擊較大，使主機、模具的零、部件損壞，從而造成主機、模具的使用壽命降低，而且曲柄壓力機的負荷工作區域行程較短，不適應深拉伸工藝的要求。而八桿機構的滑塊在工作過程中速度較低且近似為勻速運動，低速運動能有效降低材料變形，符合了板料沖壓過程對速度的要求，可有效提高成形件的質量；與此同時，由于減少了系統的動態載荷，從而提高了模具的使用壽命，降低了沖擊產生的噪聲，優化了工作環境。此外，由于具有急回的特性，滑塊運行的循環時間大大縮短，壓力機的行程次數被大大提高。且八桿機構以較小的偏心距可以實現更大的滑塊行程長度，更好地滿足拉伸工藝需要和自動化上下料的需要。但八桿機構結構復雜，制造成本較高。