對影響高速壓力機動態(tài)精度及性能的相關(guān)因素的測試與分析

袁 闖

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

1 引言

1.1 滑塊導軌動態(tài)間隙

普通壓力機滑塊導軌靜態(tài)間隙可用塞尺進行檢測，高速壓力機運轉(zhuǎn)速度高，滑塊導軌間隙一般要求為≤0.01mm，用塞尺無法檢測（塞尺最小測量值為0.02mm），在安裝調(diào)整時滑塊導軌間隙借用百分表，一邊測量一邊調(diào)整。但安裝調(diào)整完成后，高速壓力機經(jīng)工作運轉(zhuǎn)一定時間，如滑塊導軌間隙在＜0.02mm范圍內(nèi)變化時，就無法用通用量檢具測量了。機器在運轉(zhuǎn)過程中，影響導軌間隙的因素包括磨損、溫度、松動等。采用導軌動態(tài)間隙的測試方法，可對經(jīng)過工作運轉(zhuǎn)一段時間后的高速壓力機導軌間隙進行測試與監(jiān)控。

1.2 直接承受徑向合力零件動態(tài)徑向位移量

高速壓力機的結(jié)構(gòu)不同，直接承受徑向合力零件（直接承受滑塊和平衡塊運行中所產(chǎn)生徑向合力零件）不同。如：曲柄連桿機構(gòu)的直接承受徑向合力零件為曲軸（圖1），多連桿機構(gòu)的直接承受徑向合力零件為連桿導向塊（圖2）。為了平衡高速壓力機運轉(zhuǎn)時滑塊部件的慣性力，減小振動、消除施力機構(gòu)的間隙，高速壓力機裝有平衡塊及平衡缸（或平衡氣囊）。平衡塊的質(zhì)量及當量力臂與滑塊部件的質(zhì)量及當量力臂相匹配時，平衡塊才能抵消滑塊部件運轉(zhuǎn)時的徑向力。否則，壓力機高速運轉(zhuǎn)時造成運動部件在軸承間隙內(nèi)上下竄動，增加壓力機振幅并影響整機動態(tài)精度。采用直接承受徑向力零件動態(tài)移動量測試方法，測出直接承受徑向力零件的動態(tài)移動量，判斷徑向力平衡效果，并通過測試曲線，分析平衡塊產(chǎn)生的徑向力是否大于、小于或等于滑塊的徑向力。

圖1 曲柄連桿機構(gòu)圖

圖2 多連桿機構(gòu)圖

2 測試方案

2.1 測試內(nèi)容

（1）滑塊導軌動態(tài)間隙測試：壓力機運轉(zhuǎn)時，滑塊會在導軌間隙范圍內(nèi)產(chǎn)生移動，測量壓力機空運轉(zhuǎn)時滑塊前后、左右方向在導軌間隙范圍內(nèi)的移動量。

（2）直接承受徑向力零件動態(tài)徑向位移量：壓力機運轉(zhuǎn)時，滑塊與平衡塊產(chǎn)生的徑向合力作用在直接承受徑向力零件上，當徑向合力不能不平衡時，直接承受徑向力零件沿著徑向合力方向在摩擦副間隙范圍內(nèi)移動，壓力機空運轉(zhuǎn)時曲軸轉(zhuǎn)角在0°或180°（滑塊運行至上死點和下死點）時，測量直接承受徑向力零件動態(tài)徑向位移量。

2.2 測試系統(tǒng)組成

位移信號—EX-110V電渦流位移傳感器—X-V02控制器—PXLc-6363數(shù)據(jù)采集—計算機

3 測試方法與應用

測試兩臺型號分別為H125B、APEX-125的閉式高速壓力機，兩臺高速壓力機的結(jié)構(gòu)形式均為曲軸橫放的曲柄連桿機構(gòu)。

3.1 導軌動態(tài)間隙測試

高速壓力機在運轉(zhuǎn)時滑塊在導軌間隙范圍內(nèi)前后、左右方向移動，測試滑塊在運行過程中的前后、左右位移量。選擇滑塊前后、左右各兩導軌的上、下端為測量位置，將安裝傳感器的支架固定在機身上，將傳感器感應面調(diào)整并固定至距離滑塊導軌表面1mm位置，滑塊在運行中（測試時壓力機實際轉(zhuǎn)速為400 min-1）分別測量前后、左右方向上位移量的最大值，即為滑塊導軌前后、左右方向的動態(tài)間隙。

H125B型閉式高速壓力機的導軌前后方向動態(tài)間隙最大值在左前導軌的下端，測試最大間隙為0.065mm，測試曲線見圖3。左右方向動態(tài)間隙最大值在右后導軌的下端，最大間隙為0.053mm，測試曲線見圖4。

圖3 H125B前后方向測試曲線圖

圖4 H125B左右方向測試曲線圖

APEX-125型閉式高速壓力機的導軌前后方向動態(tài)間隙最大值在左前導軌的下端，測試最大間隙為0.006mm，測試曲線見圖5。左右方向動態(tài)間隙最大值在右后導軌的上端，測試最大間隙為0.005mm，測試曲線見圖6。

圖5 APEX-125前后方向測試曲線圖

圖6 APEX-125前后方向測試曲線圖

3.2 直接承受徑向合力零件動態(tài)徑向位移量測試

被測高速壓力機的結(jié)構(gòu)為曲軸連桿機構(gòu)，運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向受力點直接作用在曲軸上。當曲軸停止在上死點時，將安裝傳感器的支架固定在機身上，將傳感器感應面調(diào)整并固定距曲軸徑向的上端1mm處。壓力機運轉(zhuǎn)時（測試時壓力機轉(zhuǎn)速為400 min-1）測試曲軸的上下移動量。

H125B型閉式高速壓力機的徑向力作用點動態(tài)徑向位移量為0.041mm，測試曲線見圖7。

APEX-125型閉式高速壓力機的徑向力作用點動態(tài)徑向位移量為0.012mm，測試曲線見圖8。

3.3 對徑向力的分析

壓力機在運轉(zhuǎn)時，滑塊到達下死點瞬間曲軸所受的徑向合力為：

圖7 H125B徑向位移測試曲線圖

圖8 APEX-125徑向位移測試曲線圖

滑塊到達上死點瞬間曲軸所受的徑向合力為：

式中：F1——滑塊部件產(chǎn)生的徑向力；

F2——平衡塊產(chǎn)生的徑向力；

F3——平衡缸力，取向上的力為正，向下的力為負。

測試前，使滑塊停止在上死點，此時F1=F2=0，徑向合力為F3，曲軸受向上的作用力，曲軸處在機身軸承的間隙上端。壓力機運轉(zhuǎn)時，如F1＞F2+F3，當滑塊運行至下死點瞬間，由（1）可得徑向合力F為負值，曲軸向下徑向移動，當滑塊運行至上死點瞬間，由（2）式可得徑向合力F′為正值，曲軸向上徑向移動，曲軸以此重復上下移動；如F1＜F2，當滑塊運行至下死點瞬間，由（1）式可得徑向合力F為正值，曲軸無徑向移動，當滑塊運行至上死點瞬間，曲軸向下徑向移動，曲軸以此重復上下移動；如F1=F2，當滑塊運行至下死點瞬間或上死點瞬間，由（1）式或（2）式可得徑向合力F或F′都等于F3，且為正值，曲軸無徑向移動。通過對直接承受徑向力零件動態(tài)徑向移動量測試并結(jié)合上述內(nèi)容進行分析，可判斷出滑塊和平衡塊產(chǎn)生徑向力的平衡情況。H125B型閉式高速壓力機運轉(zhuǎn)時曲軸徑向移動曲線顯示，滑塊在運轉(zhuǎn)至上死點或下死點時曲軸往復上下移動，以此判斷出滑塊部件運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向力大于平衡塊運動時產(chǎn)生的徑向力與平衡缸力之和。

以測試的APEX-125型閉式高速壓力機運轉(zhuǎn)時曲軸徑向移動為例，滑塊在運轉(zhuǎn)至下死點時滑塊無移動，滑塊在運轉(zhuǎn)至上死點時滑塊向下移動。以此判斷出滑塊部件運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的徑向力小于平衡塊運動時產(chǎn)生的徑向力。

3.4 對徑向力平衡的調(diào)整

為獲得最佳徑向力平衡效果，在設計時，選擇平衡塊的運動結(jié)構(gòu)形式與滑塊的運動結(jié)構(gòu)形式相同，如滑塊的運動結(jié)構(gòu)形式為曲柄連桿結(jié)構(gòu)（圖1）或多連桿結(jié)構(gòu)（圖2），其平衡塊的運動結(jié)構(gòu)形式也為曲柄連桿結(jié)構(gòu)或多連桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。導出的曲軸轉(zhuǎn)角在0°或180°（滑塊運行至上死點或下死點）時，滑塊及平衡塊的徑向力分別為：

（1）曲柄連桿機構(gòu)滑塊或平衡塊的徑向力：

F=Ma=Mω2R（1-λcos2α）

式中：M——運動部分質(zhì)量；

ω——曲軸角速度；

R——曲柄半徑；

λ——滑塊或平衡塊的連桿系數(shù)；

α——曲軸轉(zhuǎn)角

（2）多連桿機構(gòu)滑塊或平衡塊的徑向力

F=Ma=Mω2R（sinφ2cosφ3或4/sinφ3cosφ2—λ/l3或4）

式中：M——運動部分質(zhì)量；

ω——曲軸角速度；

R——曲柄半徑；

λ——滑塊或平衡塊的連桿系數(shù)；

φ2——桿2轉(zhuǎn)角；

φ3或4——連桿3或4轉(zhuǎn)角。

令以上兩式中的 R（1-λcos2α）和 R（sinφ2cosφ3/sinφ3或4cosφ2—1/l2)為 R′（當量力臂），運動部件產(chǎn)生的徑向力計算式可寫成：F=ω2R′M。對上式進行分析可知，曲軸角速度ω的大小對滑塊和平衡塊產(chǎn)生的徑向力的平衡狀態(tài)無影響，當量力臂R′是不可調(diào)整的，對滑塊和平衡塊產(chǎn)生的徑向力的平衡進行調(diào)整，只有調(diào)整滑塊或平衡塊的質(zhì)量。目前國際先進的高速壓力機的平衡塊質(zhì)量是可調(diào)的。

4 結(jié)束語

運用對高速壓力機滑塊與導軌動態(tài)間隙的測試方法，實現(xiàn)了對高速壓力機導軌間隙測量與監(jiān)控，可準確掌握經(jīng)過運轉(zhuǎn)工作后的導軌間隙變化情況，為判定導軌間隙的穩(wěn)定性或是否應對導軌間隙進行調(diào)整提供了依據(jù)。

運用對直接承受徑向合力零件動態(tài)徑向位移量測試方法，并結(jié)合壓力機滑塊運行至上死點和下死點時所受徑向力的分析方法，可分析出壓力機徑向合力的大小與方向。即可為判定設計、制造的效果提供依據(jù)，也可對徑向力的合理調(diào)整提供數(shù)據(jù)（如對不同重量和尺寸的模具進行徑向力調(diào)整）。有些高速壓力機因結(jié)構(gòu)所限，位移傳感器感應面無法接近直接承受徑向合力零件（如曲軸或連桿導向塊），為便于測試，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式可在曲軸斷面或連桿導向塊斷面留出安裝測試塊（曲軸斷面的測試塊應為圓形）的螺孔。