机械压力机曲轴、轴瓦温升自动控制设计技术

机械压力机曲轴、轴瓦温升自动控制设
计技术
摘要：近年来，随着社会建设的快速发展，曲轴在机械压力机工作过程中承受着巨大的弯矩和扭矩，故在设计时曲轴的校核和分析更显重要。

本文对闭式双点315t机械压力机曲轴进行力学及振动研究，通过对其进行有限元分析、应变分析、固有频率分析，能直观了解曲轴受力及振动情况，为同类产品设计提供参考。

关键词：机械压力机曲轴；轴瓦温升自动控制；设计技术
引言
现有的曲轴式机械压力机的曲轴与轴端轴瓦和连杆瓦构成滑动摩擦副相对运动，轴端轴瓦和连杆瓦一般称之为轴瓦。

轴端轴瓦采用手动多点油脂润滑泵按需手动加油润滑，连杆瓦处采用电动油脂润滑泵及定量分配器按照设定自动间歇供油润滑，对于曲轴转速较低或压力机机械性能要求不高的靠润滑基本可以满足要求，但是无法满足高速机械压力机及机械压力机自动化生产线要求，就不能有效控制曲轴、轴瓦高速转动的温升。

在如今制造业快速发展和市场激烈竞争之下，提高锻造零件精度、质量和生产效率成为制造企业采购设备的优先选择。

而机械压力机及自动化生产线实现高速、高效、智能自动化线是关键技术发展趋势，这样对机械压力机曲轴、轴瓦之间相对运动提出更高要求-高速、稳定可靠。

1机械压力机曲轴的有限元分析
1.1建立有限元模型
在三维软件中建立曲轴的有限元模型时，不宜将其过渡圆角简化，且此处应力集中明显，应主动关注。

定义42CrMo钢作为有限元模型的材料类型，其密度
为ρ=7.9×103kg/m3，泊松比μ=0.28，弹性模量E=2.12×105MPa。

在曲轴轴柄处添加夹具。

1.2曲轴的载荷分析
由于曲柄滑块机构的滑块在下死点时各部件受力最大，此时曲轴所受力可认为与公称压力相等，故可得出下死点处单个曲轴的受力为F=1732.5kN。

本台压力机的轴和其对应的轴孔表面在无变形时就贴合在一起时，此时的接触可视为协调接触。

根据接触弧α随载荷P的变化曲线和对α不同值的压力分布，当轴和孔为间隙接触时，接触弧近似为90°，则其压力分布近似为余弦分布。

2曲轴、轴瓦自动控制装置
机械压力机的曲轴16两端装在轴端铜瓦17和22内，中部装在连杆铜瓦20内，两端轴端铜瓦、连杆铜瓦统称为轴瓦。

两端轴端铜瓦安装在支撑套15和23孔内，支撑套通过螺栓固定在机身25上，曲轴在轴端铜瓦内滑动转动。

连杆铜瓦安装在连杆盖19和连杆24内，连杆铜瓦、连杆盖和连杆通过双头螺杆、螺母固定在一起并随曲轴转动而上下作往复运动。

连杆铜瓦和轴端铜瓦上安装有多处温度传感器，检测曲轴高速运转时轴瓦发热温升变化数值，两个轴端的温度传感器穿过支撑套上的孔安装在机身上，检测两端轴端铜瓦的温升数值。

另一个穿过连杆的孔安装在连杆上，检测连杆铜瓦的温升数值。

支撑套内孔加工有螺旋槽，螺旋槽上有两个孔，外侧进气孔与进气管、分气器、滤水器和风冷机连接，另一端内侧孔为直接排气的孔。

连杆、连杆盖把合后内孔加工有螺旋槽，螺旋槽上有进气孔和排气孔，进气孔与钢丝编织胶管、进气管、分气器、滤水器和风冷机连接，另一端内侧孔为直接排气的孔。

3曲轴模态分析
机械结构的动力特性主要取决于它的固有频率、主振型等模态参数，这些系统的固有特性对系统的动态响应，动载荷的产生于传递，以及系统的振动形式等都具有重要意义。

曲轴的工作环境包含交变的动载荷载荷，故其固有频率是否避开工作频率，决定了它是否发生共振，模态分析也就变得尤为重要。

通过有限元方法对曲轴进行模态分析，得到曲轴的各阶频率下的模态形式，可以分析曲轴的
动力特性。

在三维软件中建立有限元模型后，运行频率分析。

本压力机选用的电
机为YVF2-225S-4变频调速电机，额定转速1475r/min，故其电机的额定工作频
率低于25Hz；压力机工作时的每分钟行程次数为25~35次/min，故工作频率低于0.58Hz。

从表中看出，压力机曲轴的固有频率远大于电机和压力机的工作频率，
共振发生的可能性很小，故曲轴设计满足设计要求。

4机械压力机行程调节合理性探讨
4.1偏心套分离式行程调节方式
普通曲柄压力机的滑块行程固定不变，且为曲柄半径的两倍。

为了使曲柄压
力机的行程可调，势必得使曲柄压力机的曲柄半径可以自动调节。

为此，扬州大
学和江苏扬力集团精密机床研究所在“一种新型压力机行程调节机构设计”中提
出了一种偏心套分离式行程调节方式，它采用了两个偏心量矢量叠加合成一个总
的偏心量的原理。

假设偏心套1的偏心量为e1，偏心套2的偏心量为e2，且偏
心套1与偏心套2的偏心量之间的夹角为θ，则偏心量e1与偏心量e2合成的总
偏心量e的值为：e=e12+e22姨-2×e1×e2×cosθ由此可看出，当偏心量e1与
偏心量e2之间的夹角θ改变时，总偏心量e的值随之改变，即曲柄半径R改变，行程随之改变。

4.2偏心套嵌套式行程调节方式
世界著名的高速压力机生产企业瑞士BRUD－ERER公司发布的专利“冲压压
力机”（专利号：CN101687379A）公布了一种偏心套嵌套式行程可调的冲压压力机，它直接把外偏心套安装在内偏心套外圈上。

BRUDERER冲压压力机侧视图。

该
冲压压力机的曲轴连杆颈分别通过一个偏心轮和一个能旋转地设置在该偏心轮上
的偏心衬套这样构成，使得通过偏心衬套在偏心轮上的转动能调整曲轴的不同的
行程高度。

其中相应的曲轴连杆颈的偏心轮和偏心衬套能以锁定销相互锁定在确
定的位置中，该锁定销能经由中央的松开机构松开。

4.3牙嵌式有级行程调节方式
牙嵌式有级行程调节方式是把外偏心套嵌套在内偏心套上，并使内偏心套与
外偏心套通过花键联接，从而合成一个固定的总偏心量。

曲轴1通过轴承2安装
支承在压力机机身上，曲轴1最右端安装有一个大带轮4。

内偏心套5通过键与
曲轴1连接固定，且内偏心套5外圈是一圈花键齿，而外偏心套3内圈是一圈与
之配合的花键槽，外偏心套3套在内偏心套5外圈上并且内偏心套5的键齿插入
外偏心套3的花键槽里以此相互嵌合在一起，使内偏心套5的偏心量与外偏心套
3的偏心量合成一个总偏心矢量，从而使压力机具有相应的行程。

牙嵌式有级行
程调节方式需要调节行程时，先把外偏心套3从内偏心套5上分开，把外偏心套
3相对内偏心套5转过一个相应的角度，最后把外偏心套3的花键槽对准插入内
偏心套5的花键齿，使其可靠联接在一起。

因外偏心套3与内偏心套5的两个偏
心矢量之间的相对角度改变，它们合成的总偏心矢量也随之改变，因而压力机行
程改变。

牙嵌式有级行程调节方式采用内偏心套的花键齿与外偏心套的花键槽相
互嵌合在一起来使内外偏心套相互锁紧，这种锁紧方式牢固可靠，传递转矩大，
适用于重载的场合。

但是，因内偏心套的花键齿与外偏心套的花键槽都是离散排
列的，这样外偏心套相对内偏心套转过的角度也是相应离散的，致使压力机的行
程有级可调，而不是连续可调。

而且内、外偏心套的花键齿与花键槽的数量越多，行程可调节的级数越多，越接近行程无极调节方式。

结语
通过检测轴瓦温度变化控制冷风机的启停达到曲轴、轴瓦自动冷却和自动调
整轴瓦润滑点的润滑频率、油量，保证轴瓦温度在正常工作区间，避免了曲轴高
速运转时因温度过高造成的轴瓦快速磨损或拉伤情况。

机械压力机曲轴、轴瓦温
升自动控制装置具有结构独特，安全可靠，高效、智能化控制，绿色节能，提高
了机械压力机运行速度、精度和自动化生产效率，延长了曲轴、轴瓦的使用寿命，提高了产品质量等优点，达到机械压力机曲轴、轴瓦高速运转温升智能化自动控
制的效果。

参考文献
[1]何德誉.曲柄压力机[M].北京：机械工业出版社，2022.
[2]程永奇，张鹏，魏良模.伺服压力机肘杆机构优化设计[J].机械工程师，2022，（5）：60-62.
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