精鍛機(jī)操作機(jī)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)工作參數(shù)的修正研究

周 兵 唐海濤 王彬鵬 張果林

（西安蘭石重工機(jī)械有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

精鍛機(jī)（徑向精密鍛造機(jī)）開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)40年代，其中臥式精鍛機(jī)用得較多，分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種形式［1］。目前奧地利GFM 和德國(guó)MEER 公司占據(jù)了主要市場(chǎng)，近年來(lái)我公司也成功研發(fā)出1.6MN 機(jī)械式精鍛機(jī)，投入市場(chǎng)并獲得了良好反響。

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)是精鍛機(jī)操作機(jī)中最為重要的部分之一，其設(shè)計(jì)的合理與否、參數(shù)設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響操作機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻次以及旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)的使用壽命。然而，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，液壓元件、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的鍛造過(guò)程的最惡劣工況與實(shí)際鍛造出入很大，存在著大量的不合理參數(shù)，故需要一種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行修正。

1 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)的主要參數(shù)和工作原理

操作機(jī)旋轉(zhuǎn)參數(shù)如下：精鍛機(jī)鍛打頻次f＝250次/min；操作機(jī)旋轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)速n＝15r/min；皮帶傳動(dòng)比i1＝4；渦輪蝸桿傳動(dòng)比i2＝30。

如圖1所示，鉗桿旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)由上下兩組傳動(dòng)鏈組成，上面一組“電機(jī)—皮帶—蝸桿”為主傳動(dòng)部分，下面一組為從動(dòng)部分。夾頭在工作過(guò)程中，在軌道上始終勻速行走，在鍛造回轉(zhuǎn)體截面鍛件時(shí)，工件和主機(jī)錘頭接觸時(shí)，工件必須停止旋轉(zhuǎn)。但為實(shí)現(xiàn)高的鍛造頻次，電機(jī)帶動(dòng)的蝸桿在鍛造過(guò)程中始終在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以設(shè)置在蝸桿一端的油缸推動(dòng)蝸桿移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)渦輪在短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，反方向的推動(dòng)又能起到給鉗桿旋轉(zhuǎn)加速的作用。軸2上設(shè)置了飛輪，儲(chǔ)存了動(dòng)能，減少了鉗桿旋轉(zhuǎn)啟停所需要的時(shí)間。

也正是由于油缸和電機(jī)還有飛輪同時(shí)為鉗桿旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)、制動(dòng)提供能量，哪一部分提供了多少能量還無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有的研究計(jì)算出來(lái)，也就是說(shuō)，鉗桿旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)、制動(dòng)的時(shí)間無(wú)法通過(guò)公式準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正設(shè)定，而進(jìn)行的修正必須滿足精鍛機(jī)的使用要求以及設(shè)備使用壽命的要求。目前的研究并沒(méi)有提出這個(gè)修正設(shè)定的具體方法，本文提出了一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)參數(shù)修正設(shè)定的方法。

2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)工作時(shí)的能量分析

圖2為鉗桿旋轉(zhuǎn)的工作周期圖，0—t1為啟動(dòng)加速階段；t1—t2為穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)階段；t2—t3為制動(dòng)減速階段；t3—t4為停止階段。

圖2 鉗桿旋轉(zhuǎn)工作周期圖

電機(jī)功率計(jì)算公式如下：

式中，P 為輸入功率（W）；U 為線電壓（V）；I（t）為隨時(shí)間變化的電流（A）；cosφ 為功率因數(shù)。

2.1 時(shí)間段0—t1

該階段為啟動(dòng)加速階段，在該階段，轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能等于電機(jī)、油缸所做的功減去系統(tǒng)摩擦和阻尼。

式中，Ef1為軸承、蝸桿傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)的摩擦和油缸運(yùn)動(dòng)的阻尼所消耗的功的總和；P（t）為液壓缸的壓力，通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量；A 為液壓缸面積；V（t）為液壓缸的速度，通過(guò)位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量；Ji為傳動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi為角速度。

2.2 時(shí)間段t1—t2

該階段為穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)階段，電機(jī)功率完全用到系統(tǒng)的摩擦和阻尼上。

式中，Ef2為軸承、蝸桿傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)的摩擦和油缸運(yùn)動(dòng)的阻尼所消耗的功的總和；Pf2為該段時(shí)間的平均功率。

2.3 時(shí)間段t2—t3

該階段為制動(dòng)減速階段，油缸推力用于制動(dòng)，蝸桿渦輪傳動(dòng)并未完全脫開(kāi)，仍然有部分傳動(dòng)作用到渦輪上，因此該階段，旋轉(zhuǎn)電機(jī)仍在起反作用，直到蝸桿平移速度達(dá)到渦輪制動(dòng)前圓周速度。

式中，Ef3為軸承、蝸桿傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)的摩擦和油缸運(yùn)動(dòng)的阻尼所消耗的功的總和；Pf3為該段時(shí)間的平均功率。

2.4 時(shí)間段t3—t4

該階段為停止階段，蝸桿在軸向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)所做的功只包括了油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼。

式中，Ef4為油缸運(yùn)動(dòng)的阻尼；Pf4為油缸運(yùn)動(dòng)所需的功率。

3 實(shí)驗(yàn)修正的基本方法

在操作機(jī)使用過(guò)程中，必須設(shè)定油缸工作壓力P、流量Q、加減速時(shí)間……

在0—t1時(shí)間段，蝸桿和蝸輪面的摩擦力較大，損耗的能量也較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)t1＝t3－t2時(shí)：

故蝸桿推動(dòng)油缸調(diào)定壓力：

式中，S 為油缸平移行程。

在我公司設(shè)計(jì)制造的1.6MN 精鍛機(jī)操作機(jī)中，經(jīng)此實(shí)驗(yàn)設(shè)定：

可以通過(guò)電表數(shù)據(jù)I（t）求出Pf2、Pf4、Pt2－t3，Ji則可通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，ωi通過(guò)編碼器測(cè)量得到，由此可根據(jù)式（13）計(jì)算得出P設(shè)。

最后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得到蝸桿推動(dòng)油缸調(diào)定壓力P設(shè)＝13.3 MPa，此壓力下，機(jī)械系統(tǒng)噪音較小，液壓系統(tǒng)油溫較低，操作機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，符合精鍛機(jī)鍛造時(shí)的節(jié)拍要求。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)精鍛機(jī)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)中無(wú)法通過(guò)公式來(lái)計(jì)算油缸推動(dòng)蝸桿所需要的壓力，提出實(shí)驗(yàn)法來(lái)獲得該壓力值。

（2）該壓力設(shè)定值為：

（3）1.6MN 精鍛機(jī)操作機(jī)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償系統(tǒng)中蝸桿推動(dòng)油缸壓力設(shè)定在13.3 MPa時(shí)，操作機(jī)運(yùn)行最為平穩(wěn)，噪音小，系統(tǒng)發(fā)熱小。

［1］晉魯全.30MN 聯(lián)動(dòng)液壓機(jī)［J］.鍛壓機(jī)械，1989（4）：39－40.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第5卷［M］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.