高速自动镦锻机摆动力和摆动力矩平衡的设计方法

文章编号：’2_*,+’*’（*++7）+*,++’.,+7
高速自动镦锻机摆动力和摆动力矩平衡的设计方法
王者静，田福祥
（青岛建筑工程学院，山东青岛*22+77）
摘要：采用配重和附加平衡机构的方法，实现了高速自动镦锻机工作机构摆动力和摆动力矩平衡，为高速自动镦锻机动平衡设计提供了科学实用的方法。

关键词：高速镦锻机^摆动力^摆动力矩^动平衡
中图分类号：%C7’.1.4%9’’7 文献标识码：‘
$ 概述
高速自动镦锻机工作时，由于其工作机构—
——曲柄滑块机构的速度高，工作机构各个构件的惯性力都通过运动副传到机座上来，形成一个大小和方向不断变化的摆动力和摆动力矩。

这个力和力矩使高速自动镦锻机产生振动和噪声，导致各运动副早期损坏，严重影响生产率、制件精度和模具寿命&’(。

收稿日期：*++*,’*,’*
作者简介：王者静（’-./,），男，副教授
欲使高速自动镦锻机具有良好的动力学性能，必须进行平衡设计。

目前一般都在镦锻机工作机构对称滑块中线的曲柄的两侧，装一对完全相同的四杆近似对称附加平衡机构，以平衡工作机构的摆动力。

但由于附加平衡机构产生的摆动力矩，再加上工作机构产生的摆动力矩，对机器产生很大的不利影响。

因此，要使高速自动镦锻机具有良好的动力学特性)仅作摆动力平衡设计是不够的，还应作摆动力矩平衡。

研究表明，实现摆动力矩的平衡比实现摆动力的平衡困难得多。

目前提出的方法多数不易于工程
格比干式的高出*0*1.倍，但在整机投资中所占的比例很小，仅增长总投资额的’1230’1*3。

因为现代汽车制造业是一种大投入大回报的工业)因此，选择功能优越、技术先进、质量可靠的设备是现代汽车制造业的首选，总投资略有’1*30’123的增加是可以接受的。

更不用说这个增幅将在未来的备件和修理中得到补偿。

（*）采用湿式离合器 4 制动器环境清洁，是现代汽车制造业关注点。

据统计，冲压车间主要的粉尘污
染来源于摩擦块的粉末，它不但损害操作者的健康，还污染电气、液压元件，造成压力机诸多安全隐患。

此外，清洁的环境极有利于冲压件的油漆工艺，这是难以用金钱衡量的质量因素。

综上所述，不论是用户，还是压力机制造商，均应努力以湿式离合器 4 制动器来替代陈旧的干式离合器 4 制动器，以更先进的技术来装备我国的汽车制造业。

参考文献
’陈景松，等1闭式四点机械压力机的故障分析1锻压机械)’---5.61 *蔡军)等1现代轿车制造业中的开卷落料线1锻压机械)*++*5’61
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8陈景松)等1现代轿车制造业中的压力机1锻压装备与制造技术) *++75’61
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’ 锻压装备与工业炉
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为此，提出了高速自动镦锻机实 现摆动力和摆动力矩平衡的新方法。

新方法设计按以下步骤进行：
将上两式对时间 # 求导: 得(* ’ 和 )* ’
的表达式:连 同 上 两 式 一 并 带 入 "/， 并 利 用 关 系 式 689! &,0 1
-
689! ’ 及其导数和 456’! &2689’ ! &,&，
经过数学变换得2
’
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+
（&）设 计 、制 造工作机构 ，实 测工作机构各构件 的长度、质量、质心位置、连杆的转动惯量。

"/.;$&%&2$&’&2$’- /$’-
1
<!3 &.
;$’%+ 2$’’’/$’%71<!3 ’ （&）
（’）
工作机构摆动力矩平衡。

（(）工作机构摆动力平衡。

（)）平衡机构摆动力矩的处理。

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/$ % 1<!3 ! 工作机构摆动力矩的平衡
;$’%+ ’ ’ ’ 7 ’
高速自动镦锻机工作机构———曲柄滑块机构如 图 & 所示，当仅考虑惯性力和惯性力矩的作用时，机 式中：!3 &—
—— 0!3 & 曲柄角加速度； 0# 0!3 ’ 构对坐标原点 * 的摆动力矩+’,!- 为：
!3 ’—
—— 连杆角加速度。

0#
考虑到高速镦锻机原有飞轮对速度波动的调节
作用，认为!3 &.-，
有： !-./;$’%+ 2$’’’/$’%71<!3 ’
（’
） ’ ’
欲使 !-.-，应有：$’%+ 2$’’’/$’%71,-。

$’’’ 为连
’
’
’
杆绕质心轴的转动惯量 45，则有：
45,$’’’.$’%7（10%7）
（(）
图 & 高速自动镦锻机工作机构简图
!-./ 0"-
0#
式中1"-———机构对坐标原点 * 的动量矩，
"-.$&（%&2’& ）!3 &2$’（(’)* ’/)’(* ’2’’!3 ’）
； 因为，工作机构常规的连杆是按照高速镦锻机 工作和强度等多方面要求设计、制造的，参数一般不 能满足式（(）。

为此，需在常规的连杆的两端加上质 量为 $6 和 $7 平衡块（图 ’），使其满足关系式+(,：
’
’
’
$&—
——工作机构曲柄的质量； $’—
——工作机构连杆的质量； ’&—
——曲柄的惯性半径； ’’—
——连杆的惯性半径； (’—
——连杆质心的水平坐标； )’—
——连杆质心的垂直坐标； (
* ’
——— 0(’ 连杆质心的水平速度；
式中：4
图 ’ 两端加平衡块的连杆
&（1.&）$&.+ （1.+ ）$+,0467 （)）
———连杆加平衡块前的 4 0$ % （10% ）
的值= 0#
67
5
’ +
7
)
* ’——— 0)’ 连杆质心的垂直速度； 0#
&—
——质 量 为 $6 的 平 衡 块 质 心 到 6 点 的 距 离；
%&—
——曲柄质心至构件回转中心的距离； +—
——质 量 为 $7 的 平 衡 块 质 心 到 7 点 的 距 %+—
——连杆质心至构件铰接点的距离； !3 &—
—— 0!& ，曲柄角速度； 0# !3 ’—
—— 0!’ ，连杆角速度； 0#
#—
——时间。

由图 & 的几何关系得：
(’,-456! &.%7456! ’ )’,-689! &.%7689! ’
离。

将连杆质心位置 %7 修正为 %8+，质量 $8’ 为1
$8’.$’2$62$7 （>） 附加平衡块后的连杆对质心转动惯量 485 为1
485 .$8’ %8+（?/%8+）
（@）
此时工作机构的摆动力矩为零。

# 工作机构的摆动力平衡
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* 由于高速自动镦锻机结构的原因，一般都在对 称滑块中线的曲柄的两侧，装了一对完全相同的四 杆平衡机构 ，该 平衡机构可视为曲柄滑块机构&’(，如
图 ) 高速自动镦锻机工作机构及平衡机构原理图
图 ) 所示。

在工作机构摆动力矩平衡的基础上，图 ) 中的平衡机构参数满足以下两式&’(，即可实现工作机 构摆动力和摆动力矩的完全平衡。

用将平衡机构的连杆设计成物理摆的方法来平衡， 即要求在结构空间许可条件下， 使连杆参数 !-+、&- 和 %- 满足式 （.）、（/）的 同时 ，使 连杆绕质心轴的转 动惯量 ,-- 为：
,--,!-+&-（%-3&-） （4）
式中 !-+、&-、%- 和 ,-- 都是连杆尺寸的函数
，从 而 要求连杆尺寸满足由式（.）、（/）和（4）组成的非线性 方程组，这极难实现。

故只能调整平衡机构连杆尺 寸 ，在 满足式 （.）、
（/）的 前提下 ，力 争平衡机构摆动 力矩最小。

笔者采用最优化技术，对连杆进行优化设 计。

通过寻优计算，获得了连杆尺寸的一组最优参 数，达到了上述目的。

% 结论
以上所述高速自动镦锻机的动平衡方法，从平
!*+ , !-+ , !)+ , *
（.） 衡的角度来讲，虽然仍旧存在着平衡机构的摆动力 !* !- !) "#
矩未完全平衡的问题。

但是我们将原工作机构连杆 #$ % *
$ &* $ % - $ &- ,常数 （/）
%
&’
(
&*)
配成物理摆，使工作机构的摆动力矩平衡，再附加平 式中0!*+—
——平衡机构曲柄的质量； !-+—
——平衡机构连杆的质量； !)+—
——平衡机构滑块的质量； &*
———平衡机构曲柄质心至回转中心的距离； &-—
——平衡机构连杆质心至构件铰接点的距离+ &*)—
——加 平衡块以后的工作机构连杆质心至构 件铰接点的距离。

按以上配置虽然能实现工作机构摆动力和摆动 力矩的完全平衡，但是平衡机构又会产生新的摆动 力矩，因此1需作必要的处理。

$ 平衡机构摆动力矩的处理
上述可见，设计参数同时满足式 （2）、（.）、（/） 时，能实现工作机构的摆动力和摆动力矩为零，以及 平衡机构的摆动力为零，但是要使整个机构（包括平 衡机构和加平衡块后的工作机构）平衡，必须使平衡 机构的摆动力矩也为零，这一点实际上很难做到。

这 是因为 ，根 据高速镦锻机特点 ，从 实用出发 ，只 能采
衡机构，通盘考虑工作机构与平衡机构的摆动力平 衡，并对平衡机构进行优化设计，使平衡机构的摆动 力矩为最小，也是大有进步的。

该方法曾用于我们研 究的凹模回转高速冷镦机上，取得了良好效果&2(。

参考文献
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报，*44*6*75
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