機械壓力機平衡器的結構及設計計算

佘寬，徐惠，劉志，徐敏，胡志梅

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

機械壓力機是金屬成形行業重要的鍛壓設備，在汽車及家電行業廣泛應用。平衡器是機械壓力機的重要部件之一。本文介紹氣動式平衡器的結構、作用及設計計算，最后對活塞計算結果利用有限元分析軟件進行了優化設計。

1 平衡器的結構

平衡器是氣缸、活塞、活塞桿、密封件、進氣蓋、滑塊聯結機構等組成。平衡缸的安裝位置通常有三種安裝形式：①吊掛于橫梁下端面（可以是橫梁左右兩側、也可以是前后兩側）；②安裝于機械壓力機立柱內部；③安裝橫梁上端面。根據滑塊部件、連桿、導柱及用戶模具重量不同，單臺壓力機通常選用單只、兩只或四只平衡器。平衡器活塞桿通過吊塊、掛角或銷軸等零件與滑塊聯結。

2 平衡器的作用

機械壓力機平衡器主要作用是：①可以消除連桿軸承間隙、芯軸軸承間隙、調節螺桿螺紋間隙、滑塊的間隙，避免零件的沖擊和異常磨損；②降低離合器接合時候負載，降低接合電流；③降低滑塊調模電機負載；④在制動器失靈或調節螺桿、連桿、導柱等與滑塊體聯結件異常斷裂時，平衡器起到保證滑塊體不墜落發生安全事故；⑤平衡器平衡壓力機低速副大齒輪重力，保證機床運轉時低速附齒輪中心距與理論設計中心距相一致，從而降低齒輪嚙合噪聲，提高齒輪嚙合穩定性。

3 氣動平衡器的設計與計算

3.1 平衡缸缸徑計算

平衡缸需要平衡影響滑塊的重力部件，需平衡的零件主要分為四大類：①平衡缸自身影響滑塊部件重量G1：包含平衡缸活塞、活塞桿、平衡缸與滑塊聯結機構；②滑塊部件重量G2：包含滑塊本體、調模傳動部件、過載保護部件、滑塊壓力點部件等；③機床傳動部件影響滑塊的重量G3：包含導柱、連桿、連桿瓦、連桿銷、偏心齒輪、偏心軸承套等；④用戶上模部件重量G4：包含上模、上模墊板、夾模器或其他鎖模裝置。

根據用戶工廠機床安裝位置的氣壓，可以初步確定平衡器的缸徑：

式中：D——單個平衡缸缸徑，mm；

G1——平衡缸自身影響滑塊部件重量（活塞、活塞桿等）,N；

G2——滑塊部件重量（滑塊本體、調模傳動部件、過載保護部等）,N；

G3——機床傳動部件影響滑塊的重量（導柱、連桿、偏心齒輪等）,N；

G4——用戶最大上模部件重量（上模、上模墊板、夾模器等）,N；

q——機床安裝位置處的用戶工廠氣壓，MPa；

m——機床平衡器數量，個；

3.2 平衡缸活塞計算

壓力機正常工作時，工廠氣源通過平衡器進氣口進入平衡器內部，平衡器缸體固定安裝在橫梁或立柱上，氣壓作用于平衡器活塞上，活塞通過鎖緊螺母與活塞桿連接，活塞桿將平衡器的提升力作用到滑塊體上，活塞作為重要的受力部件，可以根據實際受力狀況簡化為圖1 所示受力模型。

圖1 簡化受力模型

根據圖1 受力模型，推導出活塞厚度計算公式:

式中：h 為平衡缸活塞高度，mm；R 為活塞外圓半徑,mm；r 為鎖緊螺母外圓半徑,mm；c 為計算系數，詳見表1；q 為用戶工廠機床安裝位置的氣壓，MPa；f 為最大撓度，可根據活塞與缸體單邊間隙推導；E 為彈性模量。

表1 計算系數

4 平衡器活塞有限元分析與優化

通過理論計算我們可以初步確定某型號平衡器活塞的厚度。為了降低活塞重量的同時能增加活塞的剛度，運用三維軟件初定活塞及優化活塞三維建模。如圖2 所示為初定活塞，重量358.7kg；圖3 為優化活塞，重量349.2kg，優化后活塞降低了9.5kg。并在同等的受力及約束條件下對初定活塞及優化活塞進行有限元分析設計，得出應力及變形，結果分別如圖4、圖5、圖6、圖7 所示。

圖2 原活塞

圖3 活塞優化

圖4 原活塞變形結果

圖5 優化后活塞變形結果

圖6 原活塞應力分析結果

圖7 優化后活塞應力分析結果

圖4 為原活塞整體變形分析結果，最大變形為0.0823mm；圖5 為優化活塞整體變形分析結果最大變形為0.0766mm；

圖6 為原活塞整體應力分析結果，最大應力為93.88MPa；圖7 為優化活塞整體應力分析結果，最大應力為48.387MPa；

5 結論

壓力機平衡器的正確選用與其使用、安全有密切關系。本文對壓力機氣動平衡器的關鍵部位進行了理論計算與有限元分析，在保證平衡器安全使用的同時，降低了活塞重量，增加了活塞剛度，降低了活塞最大應力。實際的生產、使用也檢驗了理論計算的可靠性、穩定性，驗證了優化設計的合理性、經濟性。