大型有軌鍛造操作機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)凌云，張營杰，牛 勇，馮東曉，杜學(xué)斌

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安710032）

0 前言

為適應(yīng)大型自由鍛造壓機(jī)快速發(fā)展的需要，與之配套的鍛造操作機(jī)出現(xiàn)了重載大噸位、高精度、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，因此，必須設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)形式、采用先進(jìn)的控制方式以實(shí)現(xiàn)設(shè)備高性能可靠運(yùn)行。

大型有軌鍛造操作機(jī)具有大車行走、鉗口夾持、鉗頭回轉(zhuǎn)、鉗桿升降傾斜及垂直、水平緩沖等功能。行走功能是其關(guān)鍵功能之一，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣決定著設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制的精確性，其性能直接影響著鍛造生產(chǎn)效率和鍛件質(zhì)量。

1 行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

行走機(jī)構(gòu)主要由車體、驅(qū)動(dòng)裝置、行走輪組、行走軌道及行程控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。車體采用焊接組合結(jié)構(gòu)。左右兩側(cè)墻板與連接體為焊接結(jié)構(gòu)，帶連接體的左右墻板通過鍵和螺栓與中間連接機(jī)構(gòu)組成車體框架。

圖1 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

一般采用液壓馬達(dá)做動(dòng)力源的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，并根據(jù)操作機(jī)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量要求設(shè)計(jì)不同數(shù)量的驅(qū)動(dòng)輪組。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在車體底部，按照設(shè)計(jì)要求左右成組對稱安裝。驅(qū)動(dòng)輪為銷齒輪，與銷軸齒條嚙合帶動(dòng)大車行走，克服了普通鏈條因連接容易松動(dòng)、啟停時(shí)晃動(dòng)等引起的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)、控制精度低等缺陷。銷齒輪上安裝有光電編碼器對齒輪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，為行走精度控制提供依據(jù)。

大車車輪在軌道上行走，對運(yùn)動(dòng)車體起支撐作用，并不對設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)力。帶有凸緣設(shè)計(jì)的車輪與軌道配合，保證了操作機(jī)車體運(yùn)行中與壓機(jī)的對中性。

該行走機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：采用了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，不需要增加額外的變速器，只需液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸入液壓馬達(dá)的流量即可改變其行走速度，實(shí)現(xiàn)無級變速；車體行走驅(qū)動(dòng)裝置采用銷齒輪與齒條嚙合，可實(shí)現(xiàn)無齒隙傳動(dòng)，減小了沖擊，運(yùn)行平穩(wěn)且控制精度高；在軌道上行走車輪的帶凸緣設(shè)計(jì)，確保操作機(jī)車體運(yùn)行中與壓機(jī)的對中性，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)運(yùn)行。

2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 總驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算

操作機(jī)及鍛件的綜合質(zhì)量是計(jì)算驅(qū)動(dòng)力的主要參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算出驅(qū)動(dòng)力。

計(jì)算時(shí)首先根據(jù)接觸應(yīng)力確定支撐輪的直徑與數(shù)量，以此為基礎(chǔ)，確定銷齒輪的節(jié)圓直徑，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)而確定驅(qū)動(dòng)輪組的數(shù)量和能力，并進(jìn)行輪組轉(zhuǎn)速和馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的校核。

操作機(jī)開始運(yùn)動(dòng)過程中車輪的受力主要有：操作機(jī)及鍛件的綜合質(zhì)量引起的車輪支撐力和車輪與軌道的摩擦力、產(chǎn)生加速度所需要的驅(qū)動(dòng)力。圖2 為行走輪在運(yùn)行時(shí)的受力分析簡圖。

以下計(jì)算行走輪系在開始運(yùn)行時(shí)所需要的總驅(qū)動(dòng)力：

圖2 行走輪受力分析簡圖

式中：F驅(qū)——行走輪運(yùn)行時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力，N；

f——行走輪運(yùn)行時(shí)的摩擦力，N。f=Gμ；

m——操作機(jī)及鍛件的綜合質(zhì)量，kg；

a——操作機(jī)行走時(shí)的加速度，a 取1.5～2m/s2；

G——操作機(jī)及鍛件的綜合重力，N；

μ——行走輪與軌道之間的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ 取0.001。

2.2 總驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算

驅(qū)動(dòng)力矩是馬達(dá)選型的依據(jù)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的數(shù)量確定馬達(dá)的扭矩。

式中：M驅(qū)——總驅(qū)動(dòng)力矩，Nm；

R輪——行走輪半徑，m；

K——計(jì)算系數(shù)，K 取1.2。

2.3 每個(gè)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)扭矩

式中：M馬達(dá)——每個(gè)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)扭矩，Nm；

n——驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量。

2.4 銷齒傳動(dòng)的幾何計(jì)算

2.4.1 銷齒直徑的確定

式中：dp——銷齒直徑，mm；

[σH]——材料許用接觸應(yīng)力，kg/cm2；

If——每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所要傳達(dá)的扭矩，Nm；

ψ——齒輪寬度系數(shù)。

2.4.2 銷齒齒距的確定

在設(shè)計(jì)時(shí)一般取dp/P=0.4～0.5，可以計(jì)算出銷齒齒距：

2.4.3 確定齒輪節(jié)圓直徑、齒輪齒數(shù)

根據(jù)操作機(jī)最大行走速度及最快工作轉(zhuǎn)速可以計(jì)算齒輪節(jié)圓直徑：

式中：d輪——齒輪節(jié)圓直徑，mm；

vmax——最大行走速度，m/min；

nmax——最快工作轉(zhuǎn)速，r/min。

齒輪齒數(shù)的計(jì)算按下式計(jì)算：

通過上式計(jì)算出齒輪齒數(shù)后進(jìn)行圓整，取為整數(shù)，重新計(jì)算齒輪節(jié)圓直徑。

2.5 銷齒傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算

2.5.1 接觸強(qiáng)度校核

齒輪的接觸強(qiáng)度根據(jù)上式校核，滿足上式設(shè)計(jì)滿足要求，否則需要重新設(shè)計(jì)。

2.5.2 彎曲強(qiáng)度校核

2.5.2.1 齒輪驗(yàn)算

式中：σF1——輪齒計(jì)算彎曲應(yīng)力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

P——銷齒齒距或齒輪節(jié)距，mm；

[σF1]——材料許用彎曲應(yīng)力，kg/mm2。

2.5.2.2 銷齒驗(yàn)算

式中：σF2——銷齒計(jì)算彎曲應(yīng)力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σF2]——材料許用彎曲應(yīng)力，kg/mm2。

2.5.3 夾板擠壓強(qiáng)度校核

式中：σpr——夾板擠壓強(qiáng)度，kg/mm2；

δ——銷輪夾板厚度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σpr]——材料許用擠壓應(yīng)力，kg/mm2。

3 行走機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)

3.1 操作機(jī)行走機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)

操作機(jī)的行走一般通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)銷齒輪在銷軸齒條上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)自由鍛造工藝的特性，要求操作機(jī)行走具有以下特點(diǎn)：①液壓馬達(dá)可以正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)大車的前進(jìn)與后退；②液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以無級調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同鍛造工藝要求；③液壓馬達(dá)快速啟動(dòng)與精確制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)操作機(jī)的精確送進(jìn)與平穩(wěn)運(yùn)行；④系統(tǒng)具有過載保護(hù)功能，避免造成設(shè)備損壞。

3.2 行走機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制方案采用恒壓比例控制系統(tǒng)。由恒壓泵與蓄能器組成恒壓油源，采用比例方向閥進(jìn)行控制?？梢詽M足操作機(jī)的正反向行走，并實(shí)現(xiàn)速度無級調(diào)節(jié)。保證啟動(dòng)時(shí)馬達(dá)快速上壓、迅速運(yùn)動(dòng)；停止時(shí)通過調(diào)整比例閥關(guān)閉曲線，保證操作機(jī)精確停止、減少?zèng)_擊和振動(dòng)。在操作機(jī)制動(dòng)過程或因外力引起車體移動(dòng)時(shí)，蓄能器和溢流閥共同作用吸收壓力沖擊防止系統(tǒng)過載，充液單向閥可防止馬達(dá)吸空，確保設(shè)備正常運(yùn)行。中間隔離閥有效地解決了比例閥中位泄露的問題，確保操作機(jī)可靠定位。圖3 為行走機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 行走機(jī)構(gòu)液壓控制原理圖

3.3 行走無隙傳動(dòng)系統(tǒng)的提出及控制原理

鍛造操作機(jī)行走時(shí)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的銷齒輪與銷軸齒條嚙合實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在換向時(shí)銷齒輪與銷軸存在嚙合間隙，容易產(chǎn)生換向沖擊，并出現(xiàn)位置測量誤差，進(jìn)而影響操作機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和位置控制精度。對大型操作機(jī)而言，因其較大的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量產(chǎn)生巨大的慣性力，停止時(shí)沖擊大，制動(dòng)距離長，位置控制精度低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鍛造生產(chǎn)的正常進(jìn)行，鍛件質(zhì)量也難以保證。

針對上述問題，為提高操作機(jī)行走位置控制精度提出了行走無隙傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 行走無隙傳動(dòng)系統(tǒng)

行走無隙傳動(dòng)系統(tǒng)包括行走軌道、前銷齒輪、后銷齒輪、安裝在銷齒輪上的液壓馬達(dá)和檢測用光電編碼器等組成。由光電編碼器采集到的信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)處理反饋到液壓比例控制系統(tǒng)，控制操作機(jī)行走動(dòng)作。操作機(jī)兩組驅(qū)動(dòng)裝置工作時(shí)機(jī)聯(lián)合又獨(dú)立，一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向設(shè)定一個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪，相對的為從驅(qū)動(dòng)輪；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)主、從功能相互交換。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，啟動(dòng)時(shí)兩組驅(qū)動(dòng)輪同向驅(qū)動(dòng)。

4 應(yīng)用實(shí)例及驗(yàn)證

該行走機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于多臺(tái)套系列規(guī)格的新型有軌鍛造操作機(jī)，動(dòng)作迅速、運(yùn)行平穩(wěn)、定位精確，性能可靠，極大地提高了鍛造操作機(jī)的設(shè)備性能。

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