機械壓力機偏心體智能溫控裝置研究

劉 強，叢培信

（1.榮成市科技創(chuàng)新發(fā)展中心，山東 榮成 264300；2.榮成華東鍛壓機床股份有限公司，山東 榮成 264300)

0 引言

機械壓力機是一種常見的冷沖壓設備，它主要通過曲柄連桿機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成滑塊的直線往復運動，曲柄連桿機構(gòu)中各個機構(gòu)的相對運動通過銅瓦構(gòu)成滑動摩擦副，銅瓦內(nèi)孔圓柱面上沿圓周位置設有多條潤滑油槽，通過油管與電動油脂潤滑泵及定量分配器相通，按照PLC 控制器設定時間自動間歇供油潤滑。潤滑不良時，導致銅瓦快速磨損而損壞，只能被迫停機或維修更換[1]。

隨著制造業(yè)快速發(fā)展和市場競爭的需要，提高產(chǎn)品精度、質(zhì)量、生產(chǎn)效率，延長銅瓦的使用壽命已成為企業(yè)采購設備的優(yōu)先選擇。而機械壓力機實現(xiàn)高速、精密、綠色環(huán)保的智能自動化線是技術(shù)發(fā)展趨勢。為此，偏心式機械壓力機銅瓦磨損或損壞已成為高速精密機械壓力機及智能化生產(chǎn)線性能提升亟待解決的問題[2]。

現(xiàn)有技術(shù)均無法從根本上解決偏心體、連桿銅瓦在高速旋轉(zhuǎn)潤滑不良情況下致其發(fā)熱持續(xù)溫升，造成銅瓦磨損而損壞的問題。無法滿足高速機械壓力機及自動化生產(chǎn)線的精密、高效和安全的要求[3]。

本文所研究的連桿復合套瓦結(jié)構(gòu)，避免了連桿體及連桿復合套瓦裝配結(jié)合面不良和相對轉(zhuǎn)動等情況的發(fā)生，通過檢測連桿復合套瓦的溫度，PLC 自動控制潤滑點的潤滑油供給頻率、油量，有效控制連桿復合套瓦溫度保持在正常工作區(qū)間，避免了偏心體高速運轉(zhuǎn)時因溫度過高造成的連桿復合套瓦快速磨損或損壞現(xiàn)象發(fā)生，通過偏心體旋轉(zhuǎn)將潤滑油帶入連桿復合套瓦的楔形油腔，形成動壓油楔剛性油膜，減少了偏心體和連桿復合套瓦表面間的摩擦阻力，使連桿復合套瓦表面磨損大大降低。

通過改變偏心體瓦潤滑油腔布置位置結(jié)構(gòu)和油腔形狀，最大限度減少偏心體瓦摩擦熱量產(chǎn)生，且保證了偏心體運行到下死點時其瓦受力面滿足重載荷沖擊力強度。另外，偏心體瓦與芯軸長時間快速持續(xù)相對旋轉(zhuǎn)發(fā)熱，通過增加偏心體散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)，溫度檢測及PLC 自動控制風冷機調(diào)整風流速和溫度，保證軸瓦溫度在正常工作區(qū)間，減小偏心體瓦和芯軸的間隙，提高設備精度，避免了偏心體高速運轉(zhuǎn)時因溫升過高造成的偏心體瓦快速磨損或研傷安全事故發(fā)生。

1 傳統(tǒng)連桿銅瓦結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有機械壓力機偏心體和連桿間靠連桿銅瓦連接，如圖1 所示。連桿銅瓦2 與連桿1 通過工藝冷裝后用銅銷釘3 固定，連桿銅瓦內(nèi)孔圓柱面上沿圓周位置設有多條潤滑油槽，連桿銅瓦內(nèi)孔潤滑油槽內(nèi)設置來油孔，通過油管與電動油脂潤滑泵及定量分配器相通，按照PLC 控制器設定時間自動間歇供油潤滑。偏心體旋轉(zhuǎn)帶動連桿銅瓦轉(zhuǎn)動，推動連桿上下往復運動。

圖1 傳統(tǒng)連桿銅瓦結(jié)構(gòu)

當偏心體轉(zhuǎn)速或壓力機性能要求不高時，靠連桿與連桿銅瓦的銅銷釘固定方式基本可以滿足要求，但是轉(zhuǎn)速較高時銅銷釘在受旋轉(zhuǎn)摩擦力和運動沖擊下存在被剪斷和損壞問題。

產(chǎn)生上述問題的原因是：一方面偏心體、連桿銅瓦之間為滑動摩擦副，潤滑不良時，偏心體長時間快速持續(xù)轉(zhuǎn)動會摩擦發(fā)熱，與連桿銅瓦之間的間隙減小，連桿銅瓦的磨損加劇，導致連桿與連桿銅瓦處銷釘配合間隙變大，使連桿與連桿銅瓦發(fā)生相對滑動；另一方面，連桿、連桿銅瓦材料硬度不同，熱膨脹系數(shù)也有差異，采用銅銷釘固定方式，銅銷釘接合接觸面積小，連桿銅瓦外圓比連桿材質(zhì)強度低，容易導致連桿銅瓦側(cè)銅銷釘配合孔變大而斷銷，連桿銅瓦相對連桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)潤滑孔減小或堵塞，更加嚴重影響潤滑，導致連桿銅瓦快速磨損而損壞，只能被迫停機或維修更換。即便通過開工字型潤滑油溝槽和環(huán)油槽，通過循環(huán)供油來降低偏心體與連桿銅瓦的摩擦系數(shù)，如持續(xù)大量供油會造成資源浪費，不僅污染環(huán)境，也給工人清理造成較大工作量。

此外，連桿、連桿銅瓦采用液氮冷過盈配合裝配，不僅裝配周期加長，制造成本提高，而且液氮冷裝工藝操作要求高，存在較大危險性，無法滿足高速機械壓力機及自動化生產(chǎn)線的精密、高效和安全的要求。

2 連桿復合套瓦裝置

為了解決傳統(tǒng)連桿銅瓦存在的問題，本文采用了連桿復合套瓦結(jié)構(gòu)，連桿復合套瓦內(nèi)部中間處圓柱內(nèi)孔面沿軸向、徑向方向開若干個凹槽，如圖2 所示。通過離心澆鑄工藝，將液態(tài)金屬銅在離心力的作用下充填套內(nèi)，構(gòu)成連桿復合套瓦，如圖3 所示。

圖2 離心澆注前-連桿復合套瓦剖視示意圖

圖3 離心澆注后-連桿復合套瓦剖視示意圖

由于連桿體與連桿復合套瓦外圓接觸面是同種材料，所以在組織性能、材料硬度和熱膨脹系數(shù)方面完全相同。

連桿復合套瓦內(nèi)孔圓周方向均勻?qū)ΨQ設有多處油腔，油腔位置設置在遠離連桿體的上下死點處。油腔內(nèi)設有來油孔，油腔內(nèi)部為凹面階梯楔型，油腔內(nèi)的斜面從低向高與偏心體正旋轉(zhuǎn)方向一致。在偏心體和連桿復合套瓦的相對旋轉(zhuǎn)運動時，潤滑油從油腔深處流向油腔淺出，形成油楔。當傳動軸轉(zhuǎn)速提高，帶動偏心體旋轉(zhuǎn)加快，進入階梯楔形油腔的潤滑油就形成剛性油膜。油膜壓力可以將偏心體與連桿復合套瓦分離，依靠油膜壓力和潤滑使偏心體和連桿復合套瓦在非接觸的情況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。將固體間的外摩擦轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)摩擦，使偏心體和連桿復合套瓦間的摩擦阻力減小，使連桿復合套瓦磨損降低。

3 連桿復合套瓦智能溫控裝置

連桿復合套瓦智能溫控裝置包括連桿體、連桿復合套瓦、溫度傳感器、鉤頭型楔鍵、六角頭螺栓、潤滑系統(tǒng)、PLC 控制器等，如圖4、圖5 所示。

圖4 連桿銅瓦溫控裝置

圖5 連桿銅瓦溫控裝置剖視圖

連桿復合套瓦通過連桿體內(nèi)孔凸臺階和過渡配合加對稱設置的鉤頭型楔鍵安裝在連桿體雙側(cè)孔內(nèi)，實現(xiàn)連桿體和連桿復合套瓦軸向定位，如圖6 所示，鉤頭型楔鍵外平面與連桿體、連桿復合套瓦側(cè)面對齊，六角頭螺栓沉入鉤頭型楔鍵內(nèi)，對連桿體、連桿復合套瓦相對位置進行圓周方向及軸向定位。連桿復合套瓦孔內(nèi)圓周方向遠離上下死點處均勻?qū)ΨQ設有多處油腔，連桿體、連桿復合套瓦隨傳動軸旋轉(zhuǎn)帶動偏心體轉(zhuǎn)動實現(xiàn)連桿體的上下做往復運動。

圖6 連桿復合銅瓦固定圖

連桿體上設有溫度傳感器，如圖7 所示，時時監(jiān)控與檢測偏心體高速運轉(zhuǎn)時連桿復合套瓦發(fā)熱溫度變化數(shù)值，溫度傳感器一端接觸連桿復合套瓦外表面，一端連接PLC 控制器。

圖7 連桿復合銅瓦測溫裝置

當溫度傳感器測量連桿復合套瓦溫度達到設定數(shù)值時，PLC 控制器發(fā)出信號控制電磁閥開始啟動，電動油脂潤滑泵連續(xù)工作，連桿復合套瓦潤滑點連續(xù)供油，潤滑油孔如圖8 所示。溫度降低到正常數(shù)值時，PLC 控制器發(fā)出信號控制電磁閥，電動油脂潤滑泵恢復按正常工作程序繼續(xù)正常間歇供油潤滑。

圖8 連桿潤滑油孔

4 偏心體瓦智能溫控裝置

機械壓力機偏心體瓦智能控溫裝置包括偏心體、偏心體瓦、芯軸、偏心體瓦內(nèi)孔油腔、溫度檢測、冷卻系統(tǒng)等，如圖9 所示，5 為第一接頭、6 為芯軸、7為偏心體瓦、8 為偏心體、9 為第一潤滑管、10 為第二潤滑管、11 為進氣環(huán)、12 為密封圈、13 為第二接頭、14 為端蓋。

圖9 偏心體瓦智能溫控裝置

4.1 溫度傳感器

如圖10 所示，偏心體8 向外側(cè)遠離齒輪中心位置上設有無線溫度傳感器15 檢測裝置，直接檢測偏心體8 高速運轉(zhuǎn)時偏心體瓦7 發(fā)熱源溫升變化，并將檢測溫度數(shù)值及時、準確傳送給PLC。

圖10 無線溫度傳感器

4.2 偏心體結(jié)構(gòu)

滑塊運動接近下死點處靠近偏心的一側(cè)受重載沖擊作用的摩擦面比壓最高，滑動摩擦力最大，潤滑又不夠充分，偏心體瓦局部是快速溫升發(fā)熱根源，改變偏心體瓦潤滑油腔布置位置結(jié)構(gòu)和油腔形狀，從源頭定位治理，最大限度減少偏心體瓦摩擦熱量產(chǎn)生，且保證了偏心體運行到下死點時其瓦受力面滿足重載荷沖擊力強度。

芯軸6 兩端裝在上橫梁孔內(nèi)，芯軸6 一端設有軸臺，簡化裝配工藝，并且通過圓柱銷17 固定在上橫梁1 側(cè)部上，另一端設有端蓋14 及調(diào)整墊16，通過帶孔六角頭螺栓18 和圓柱銷17 將端蓋14 等固定在芯軸6 和上橫梁1 側(cè)部上，并且都用鐵絲做防松處理，如圖11 所示。

圖11 芯軸端蓋結(jié)構(gòu)

如圖12、13、14 所示，偏心體瓦7 向外側(cè)偏離齒輪中心位置的部位（A 點標記附近）是機械壓力機工作狀態(tài)受沖擊載荷最大，摩擦比壓最大，摩擦的主要發(fā)熱源。

圖12 偏心體結(jié)構(gòu)

圖13 偏心體剖視圖

圖14 偏心體剖視圖

偏心體8 內(nèi)孔設有回形槽及螺旋槽作為通風槽，回形槽分布在偏心體8 中部，向外側(cè)遠離齒輪中心位置（A 點標記附近）上，螺旋槽分布在回形槽兩側(cè)，形成完整的回路，這樣散熱更直接、更快速，效果最佳；通風槽一側(cè)設有進氣孔與進氣環(huán)11 連接，另一側(cè)直接將空氣排出。

如圖9 所示，偏心體8 遠離齒輪一側(cè)外圓上還設有進氣環(huán)11 與偏心體8 偏離齒輪中心一側(cè)進氣孔相通，進氣環(huán)11 通過螺釘及墊圈固定于上橫梁1內(nèi)壁，進氣環(huán)11 內(nèi)孔設有環(huán)形進氣槽，環(huán)形進氣槽兩側(cè)設有密封圈12 防止漏氣，進氣環(huán)11 一端通過進氣管3 與風冷機4 連接，風冷機4 通過PLC 控制持續(xù)為偏心體8 輸送冷氣。

偏心體瓦與芯軸長時間快速持續(xù)相對旋轉(zhuǎn)發(fā)熱，通過增加偏心體散熱技術(shù)結(jié)構(gòu)，溫度檢測及PLC 自動控制風冷機調(diào)整風流速和溫度，保證軸瓦溫度在正常工作區(qū)間，減小偏心體瓦和芯軸的間隙，提高設備精度，避免了偏心體高速運轉(zhuǎn)時因溫升過高造成的偏心體瓦快速磨損或研傷安全事故發(fā)生。

4.3 偏心體瓦結(jié)構(gòu)

如圖9 所示，上橫梁設有分油器，分別通過第一潤滑管9、第二潤滑管10 連接芯軸6 兩端的第一接頭5、第二接頭13 給偏心體瓦7 連續(xù)供油，芯軸6 中部兩側(cè)分別設有進油孔與偏心體瓦7 相通，偏心體瓦7 隨偏心體8 繞芯軸6 旋轉(zhuǎn)，并按照公稱力行程理論計算其偏角，提前增加供油改善潤滑的思路，在其旋轉(zhuǎn)方向上提前一定偏角開始設有若干楔形油腔，根據(jù)流體力學原理，油腔會儲存一定量潤滑油，并且潤滑油會在偏心體瓦7 高速旋轉(zhuǎn)內(nèi)表層覆蓋一層油膜，從而給予偏心體瓦7 更充分的潤滑。

如圖15、16、17 所示，楔形油腔采用不均勻分布，偏心體8 向外側(cè)遠離齒輪中心位置偏心體瓦7（A 點標記附近）處比壓最大，發(fā)熱根源，為確保偏心體瓦7 比壓最大摩擦處提供更充分的潤滑，設置油腔較密集，最大限度減少摩擦發(fā)熱源熱量產(chǎn)生。且設置偏心體瓦7 油腔位置與偏心體8 遠離齒輪一側(cè)中心線位置錯開一定角度（A 點標記對齊），保證了偏心體8 運行到下死點時其瓦受力面滿足重載荷沖擊力的要求。

圖15 偏心體瓦圖

圖16 偏心體瓦剖視圖

圖17 偏心體瓦油溝放大圖

5 結(jié)語

通過連桿復合套瓦和偏心體瓦的獨特技術(shù)結(jié)構(gòu)，減少了連桿套瓦和偏心體瓦表面間的摩擦阻力，使磨損大大降低。具有結(jié)構(gòu)獨特，安全可靠、高效、綠色環(huán)保、智能測控等優(yōu)點，提高了機械壓力機運行速度、精度和智能自動化，延長了銅瓦的使用壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，達到機械壓力機高速運轉(zhuǎn)溫度智能化自動測量控制的效果。